锯齿式皮清机的智能化改造本科论文.docx
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锯齿式皮清机的智能化改造本科论文
1前言
1.1课题背景
棉机设备是保证棉花加工质量最基本的条件。
美国生产成套棉花加工机械设备的棉机厂只有3家，但其棉花加工技术装备遍及世界各地，平均每个扎花厂的规模达8-10万担，职工总数在30人左右。
我国自1998年棉花流通体制改革以来，由于棉花加工企业市场准入机制不完善，行业管理者缺位，轧花厂发展迅猛，2003年全国轧花厂已经发展到12000家左右，但平均每个轧花厂的加工规模仅为0.8-1万担，每个加工厂的职工总数却在100人以上，因此需要更加高效的棉花加工设备来推动整个棉花产业的发展[1]。
锯齿皮棉清理机是用于清除皮棉中的杂质和疵点，改善皮棉的外观形态，提高皮棉质量的一种高效清理皮棉的设备，它在现代棉花加工工艺中起着重要的作用。
现在市场行销的皮棉清理机，主要有两种通用机型-空气流通气流型和可控棉胎锯齿型。
空气流通气流型皮棉清理机，没有锯齿、毛刷、或运动部件。
它们对改善棉花等级的作用，不如锯齿式皮棉清理机大，但是它们可减少棉包重量损失。
锯齿式皮棉清理机不仅可以改善皮棉的等级划分，它们同时也能使斑点棉混级，以便使其中一部分进入“白”等级，并且减少草和书皮含量[1]。
由于传统锯齿式皮棉清理机的排杂刀机构调整起来比较麻烦，而且对工人的技术要求较高，其工作性能已不能满足现代棉花产业的要求，但我国国内生产的棉机大部分都是这种传统的皮棉清理机，如果想一下子实现其整体的换代，不是很现实，因此最好的办法就是在现有传统皮棉清理机的基础上进行智能化改造，这样既能充分利用现有的资源，又能实现皮棉清理机的技术升级。
1.2课题意义
棉花是关系国计民生的重要战略物资，也是仅次于粮食的第二大农作物。
棉花是涉及农业和纺织业两大产业的重要商品，是全国一亿多棉农收入的重要来源；对涉及数百万职工的纺织工业，是生产的主要原料和出口创汇的重要商品；关系到供销合作社棉花经营企业广大职工的切身利益；对于广大人民群众，是不可缺少的生活必需品。
棉花对我国国民经济的发展有着重要的影响。
因此对棉花的生产和加工变得尤为重要，目前我国所种植的棉花品种主要是陆地棉，而本课题研究的锯齿式皮棉清理机处理的就是陆地棉，经过皮棉清理机处理过的棉花一般能提升一个或半个等级。
因此对皮棉清理机的智能化改造有着非常现实的重大意义！
1.3总体设计方案分析
本次设计通过单片机来实现整体的控制，驱动部分由六个电动推杆和一个步进电机组成。
通过电动推杆的伸长或缩短带动曲柄结构转动，曲柄机构通过销连接实现排杂刀挡板的开合，通过挡板的开或合就可以控制排杂刀的工作状态—排杂或不工作。
把安装排杂刀的墙板与安装刺辊的墙板分成两部分，把安装排杂刀的那部分墙板做成可移动的。
在步进电机的作用下，经过滚珠丝杠螺母副把转动变直线运动，用螺母副带动排杂刀和墙板整体移动，从而可以实现排杂刀与刺辊间隙的智能调整。
在单片机的控制作用下，用八个按键来实现上述机构的开合、进退及停止，并用LED灯来显示它们的开合状态。
2机械结构设计
在充分研究了传统型锯齿式皮棉清理机6MQP400-2000C的基础上，本课题加入了排杂刀挡板和排杂刀托架两个可控制部分，对排杂刀挡板的控制可以实现对排杂刀工作状态的控制，排杂刀托架可以调整排杂刀与刺辊之间的间隙，从而实现智能控制。
总体框架图如图2.1
图2.1总体框架图
2.1排杂刀挡板
通过电动推杆的伸长或缩短来带动曲柄机构的转动，曲柄机构再通过锥销的连接于排杂刀挡板连在一起，这样就能实现电动推杆对排杂刀挡板开合的控制，通过对排杂刀挡板开合的控制就可以实现对排杂刀工作状态的控制即排杂或不工作。
如图2.2所示。
图2.2排杂刀挡板机构
2.2可移动托架
把安装排杂刀的墙板与安装刺辊的墙板分开，并且在它们之间安装直线滚动导轨，这样就可以实现安装排杂刀墙体的整体移动。
在两墙板之间分别焊接上两块横板并打上螺孔，用来实现直线滚动导轨的安装，具体结构如图2.3所示。
图2.3滑动导轨
可移动墙体通过螺栓与两个横板连接，两个横板再通过与三脚架的连接实现与滚珠丝杠螺母副的连接。
这样在步进电机的动力作用下，经过滚珠丝杠螺母副把转动变为直线运动，从而带动装有排杂刀墙体的整体移动，这样就能实现排杂刀与锯齿辊间隙的智能调节。
步进电机通过螺栓与横板的连接固定，滚珠丝杠通过轴承座与横板连接固定。
具体结构图如图2.4所示。
图2.4可移动机构连接图
2.3电动推杆的固定
如图2.5所示，用它来与电动推杆尾部的安装孔相配合，其立柱部分做成台阶状，以防止支撑板与电动推杆的干涉，并配合插销固定，其尾部直接焊接在墙板的横板上，如图2.6所示。
图2.5电动推杆支撑架
图2.6电动推杆的固定
3机械结构的选型与计算
3.1直线滚动导轨的选型
导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。
相对于滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：
（1）定位精度高
直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。
由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将定位精度设定到超微米级。
（2）降低机床造价并大幅度节约电力
采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。
（3）可长期维持机床的高精度
对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。
在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。
与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。
同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。
所以在结构上选用：
开式直线滚动导轨。
具体型号：
HGW25CC，如图3.1所示
图3.1
3.2滚珠丝杠传动系统的设计
根据锯齿式皮棉清理机的受力情况和结构尺寸，参照济南凯博机械电子有限公司的产品系列，选用KFU型双切边单螺母DIN标准滚珠丝杠，具体型号：
SFU03205-4。
3.2.1计算进给牵引力
牵引力计算公式：
（3.1）
式中W—排杂刀、挡板、活动墙体及连接件的重量估算W=2000N；
—滚动导轨摩擦系数：
=0.0025-0.005，取
=0.004；
则：
=0.004×2000=6N
3.2.2计算最大动载荷C
（3.2）
（3.3）
（3.4）
式中
—滚珠丝杠导程，由于丝杠为低速工作，故初选
5mm；
—最大进给速度，可取最高进给速度的（1/2-1/3），此处
=0.6m/min；
—运转系数，按一般运转取
=1.2～1.5；
—使用寿命，按150000h；
—寿命、以
转为1单位。
=
=60r/min
=
=540
=
=58.6N
3.2.3滚珠丝杠的选型
选择济南凯博机械电子有限公司的KFU型单螺母标准滚珠丝杠，具体型号为：
SFU03205-4，其额定动载荷为1450N，丝杠公称直径d为32mm，导程
为5mm，精度等级选为3级（大致相当于老标准E级）。
3.2.4传动效率计算
（3.5）
（3.6）
式中
—螺旋升角；
—摩擦角取
；滚动摩擦系数0.003～0.004；
—滚珠丝杠的导程，
=5mm；
d—丝杠公称直径，d=32mm；
=
=2.85=
=
=0.95
3.2.5刚度验算
进给丝杠的支撑方式如图3.2所示，最大牵引力为6N支撑间距L=600mm，预紧力为最大轴向载荷的1/3.
图3.2进给丝杠的支撑计算简图
（1）丝杠的拉伸或压缩变形量
（mm）
先用下面的公式计算在工作负载
的作用下引起的导程
的变化量
。
（3.7）
式中
—在工作负载
作用下引起的每一导程的变化量，（mm）；
—工作负载，即进给率引力，
=6N；
—滚珠丝杠的导程，
=5mm；
E—材料的弹性模数，对钢E=20.6×
（N/mm
）;
F—滚珠丝杠横截面积（按内径确定）（mm
）
=
=1.8×10
mm
再计算滚珠丝杠的总长度上的拉伸和压缩量
。
（3.8）
式中L—滚珠丝杠在支撑座之间的受力长度，L=300mm。
=
=1.08×10
mm
（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形量
（mm）
由于对滚珠丝杠加有预紧力，且为轴向最大负载的1/3，则
之值可减少一半。
（3.9）
式中
—轴向工作负载，
=0.6kgf；
—预紧力，
=0.064kgf；
—滚珠直径，
=3.175mm；
—滚珠数量
=Z×圈数×列数=27×1×2=54；
Z—一圈的滚珠数
=27
—滚珠丝杠的公称直径，
=32mm。
=
=2.8×10
mm
则取
之值的一半为
=1.4×10
mm
（3）支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形
（mm）
选用6205角接触球轴承，
=25mm，滚动体直径
=6.75mm，滚动体数量z=16。
（3.10）
=
=1.4×10
mm
注意在此公式中
的单位应为kgf
又因施加预紧力，故
=
=
×1.4×10
=0.7×10
mm（3.11）
根据以上计算：
=
+
+
=0.108×10
+0.014×10
+0.7×10
=0.822×10
mm<定位精度（取值为0.001mm）。
3.2.6稳定性校核
由于丝杠支撑条件为两端支撑，则应计算承受最大载荷时其有没有产生纵向弯曲的危险。
产生失稳的临界负载
可用下式计算：
（3.12）
式中E—丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×10
（N/cm
）；
I—截面惯性矩（cm
），
丝杠截面惯性矩
=3.14×3.2
/64=5.1cm
；
—丝杠两端支撑距离，
=30㎝；
—丝杠的支撑长度系数，取
=0.25。
=
=287736N
=287736/6=47956
则丝杠不会失稳；
为许用稳定性安全系数，一般取
=2.5～4.
3.3步进电机的计算及选型
3.3.1等效转动惯量的计算
计算简图见图2-1。
传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量为
（
），可以通过下试进行计算：
（3.13）
式中
—步进电机的转动惯量（
）；
—滚珠丝杠的转动惯量（
）
初选步进电机为FHB31325型，其转子转动惯量
=41.24
=0.78×10
×3.2
×30=2.45
W=2000N
代入上式：
=41.24+2.45+
=173
考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。
/
=41.24/173=0.24（3.14）
基本满足惯量匹配的要求。
3.3.2电机力矩的计算
（1）快速空载启动力矩
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例比较大，具体计算如下：
（3.15）
=
=200r/min
启动加速时间
=30ms
=
×
（3.16）
=
×
=1207N·cm
折算到电机上的摩擦力矩
:
=
=
（3.17）
=
=31
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