王夢(mèng)　劉克毅　坎雜　李成松　王麗紅

摘 要：為探索籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備的工作性能，結(jié)合前期虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析，完成了籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備物理樣機(jī)的搭建；按照整機(jī)操作規(guī)程，以單車(chē)測(cè)量時(shí)間和測(cè)量精度為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了整機(jī)性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)诬?chē)測(cè)量時(shí)間為228秒，測(cè)量精度為98.9%，該裝備的研究對(duì)提高測(cè)量效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)籽棉回潮率的自動(dòng)化和智能化測(cè)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：籽棉回潮率；測(cè)量裝備；試驗(yàn)研究

棉花作為新疆的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)于新疆的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要推動(dòng)作用和戰(zhàn)略意義。籽棉收購(gòu)作為棉花產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于穩(wěn)定棉花市場(chǎng)、保障市場(chǎng)供應(yīng)具有重要作用。已采收的籽棉通過(guò)運(yùn)棉車(chē)裝載運(yùn)送至棉花加工廠進(jìn)行交易，其回潮率的測(cè)量是籽棉貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，影響著交易雙方的經(jīng)濟(jì)利益，是交易雙方關(guān)注的焦點(diǎn)。但目前此過(guò)程的進(jìn)行還依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測(cè)量，存在的以人力為主、測(cè)量數(shù)據(jù)人為誤差大、測(cè)量方法不夠規(guī)范、勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化信息化程度低等問(wèn)題，制約了新疆棉花加工廠籽棉交易自動(dòng)化和智能化的發(fā)展。因此，研究一種籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備，可多點(diǎn)多層次的測(cè)量籽棉回潮率，并具有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、儲(chǔ)存等功能，是籽棉回潮率自動(dòng)化測(cè)量的發(fā)展方向之一。本研究根據(jù)前期設(shè)計(jì)的籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備，完成了物理樣機(jī)的搭建，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可行性，確定了整機(jī)工作性能參數(shù)，為進(jìn)一步完善和優(yōu)化裝備奠定了一定基礎(chǔ)。

1 整機(jī)工作原理

籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備包括機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)械裝置極其控制系統(tǒng)）和信息管理系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)用于裝卡回潮率采集儀器，并帶動(dòng)其在三維空間里自由動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)采集儀器的隨機(jī)定位；信息管理系統(tǒng)用于采集儀器測(cè)量結(jié)果的顯示、統(tǒng)計(jì)、儲(chǔ)存和查詢(xún)等，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的信息化管理；從而集成一套能夠快速測(cè)量多點(diǎn)、多層次運(yùn)棉車(chē)內(nèi)籽棉回潮率的自動(dòng)測(cè)量裝備，可以降低人力測(cè)量所引起的誤差，實(shí)現(xiàn)運(yùn)棉車(chē)內(nèi)籽棉回潮率的自動(dòng)化測(cè)量。

工作時(shí)，運(yùn)棉車(chē)合理停至于機(jī)械裝置（圖1）下方——運(yùn)行機(jī)械裝置控制系統(tǒng)人機(jī)操作界面（圖2）——點(diǎn)擊總開(kāi)關(guān)（設(shè)備通電，準(zhǔn)備啟動(dòng)）——點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量按鈕（系統(tǒng)產(chǎn)生X、Y方向上運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)值，并賦予PLC，實(shí)現(xiàn)X、Y方向的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，X、Y方向運(yùn)行完畢后，Z方向上開(kāi)始定量運(yùn)動(dòng)，從而使回潮率采集儀器插入運(yùn)棉車(chē)內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集）——系統(tǒng)停頓30秒（即Z方向運(yùn)動(dòng)完畢，籽棉回潮率采集儀器插入運(yùn)棉車(chē)內(nèi)，運(yùn)行信息管理系統(tǒng)（圖3），點(diǎn)擊采集數(shù)據(jù)——點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集界面的開(kāi)始采集按鈕（圖4）——測(cè)量結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙傳輸至信息管理管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集界面，后續(xù)可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、保存、查詢(xún)、打印等操作）——測(cè)量?jī)x器從運(yùn)棉車(chē)內(nèi)抽出，設(shè)備歸為初始狀態(tài)，運(yùn)棉車(chē)開(kāi)出機(jī)械裝置，完成本次運(yùn)棉車(chē)籽棉回潮率的測(cè)量，等待下次測(cè)量，設(shè)備操作流程如圖5。

2 物理樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)

籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備物理樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)，主要包括機(jī)械裝置及其控制系統(tǒng)的搭建。機(jī)械裝置的機(jī)架采用80×80×5的型鋼制成，絲杠采用45號(hào)鋼制成，螺母采用35號(hào)鋼制成，其余零部件采用普通碳鋼制成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y90S-4：額定功率1.1千瓦、滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分鐘、額定轉(zhuǎn)矩2.3牛米，減速器采用微型蝸輪蝸桿減速器NMRV-063-7.5-DZ1-Y1.1KW-4P-B1：中心距為63毫米、速比為7.5、單輸出形式。根據(jù)Solidworks設(shè)計(jì)模型，輸出機(jī)械裝置工程圖紙，進(jìn)行零部件的加工制作，在此基礎(chǔ)上完成了機(jī)械裝置的安裝、調(diào)試。

機(jī)械裝置控制系統(tǒng)從PLC、交流接觸器、熔斷器、行程開(kāi)關(guān)等硬件選擇，到電機(jī)控制原理圖、I/O分布與外部接線圖的繪制，以及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)程序的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)硬件的搭建。

集成機(jī)械裝置及其控制系統(tǒng)，完成籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備物理樣機(jī)的搭建（圖6），測(cè)量裝備的外形尺寸如表1。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)研究是機(jī)械設(shè)計(jì)、加工制作、安裝調(diào)試、改進(jìn)優(yōu)化必不可少的組成部分之一。籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備的設(shè)計(jì)以采集效率高、可靠性高為目的，本次試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備的單車(chē)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量精度等性能參數(shù)是否滿(mǎn)足技術(shù)要求。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備與條件

（1）本次試驗(yàn)所采用的儀器、儀表應(yīng)首先檢驗(yàn)是否符合試驗(yàn)所需精度，其次應(yīng)檢驗(yàn)所用儀器儀表是否合格并在有效的使用期限內(nèi)。測(cè)試用主要儀器儀表見(jiàn)表2。

（2）空載（無(wú)實(shí)物）試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證機(jī)械裝置內(nèi)無(wú)人員或其他障礙物，以免傷人傷物和損壞設(shè)備。

（3）滿(mǎn)載（有實(shí)物）時(shí)，滿(mǎn)載運(yùn)棉車(chē)車(chē)廂尺寸應(yīng)滿(mǎn)足表3。

（4）對(duì)測(cè)試期間出現(xiàn)的一切異?，F(xiàn)象，均應(yīng)詳細(xì)記錄。

（5）試驗(yàn)條件如表4。

3.3 試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)未見(jiàn)籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備試驗(yàn)方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)參考GB/T5667-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》以及GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》，同時(shí)結(jié)合籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、設(shè)計(jì)參數(shù)以及作業(yè)性能，制訂籽棉回潮率測(cè)量裝備試驗(yàn)方法。選擇單車(chē)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量精度作為試驗(yàn)指標(biāo)。

3.3.1 單車(chē)測(cè)量時(shí)間 單車(chē)測(cè)量時(shí)間是指本次運(yùn)棉車(chē)從停至于測(cè)量裝置下至測(cè)量完畢開(kāi)出測(cè)量裝置時(shí)所需的時(shí)間。該時(shí)間影響到裝置是否能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求，單車(chē)測(cè)量時(shí)間單位為秒。

3.3.2 測(cè)量精度 測(cè)量精度是指整機(jī)采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)講采集儀器插入運(yùn)棉車(chē)內(nèi)測(cè)量的結(jié)果與手動(dòng)插入測(cè)量存在的差異，測(cè)量精度可按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

（1）

式中：a為測(cè)量精度（%）；A為機(jī)械驅(qū)動(dòng)測(cè)量值（%）；A0為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)測(cè)量值（%）。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在前期空載調(diào)試（圖7），確定整機(jī)性能無(wú)誤后，進(jìn)行了測(cè)量裝備的驗(yàn)證試驗(yàn)（圖8）。

本次驗(yàn)證性試驗(yàn)共進(jìn)行了20組，單車(chē)測(cè)量時(shí)間和測(cè)量精度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5和表6。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，可得整機(jī)性能參數(shù)（表7）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）集成機(jī)械裝置、機(jī)械裝置控制系統(tǒng)以及信息管理系統(tǒng)的籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量設(shè)備是切實(shí)可行的，且采集效率高、運(yùn)行可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)棉車(chē)內(nèi)籽棉回潮率多點(diǎn)多層次的測(cè)量，提高了采集效率、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。（2）整機(jī)的實(shí)際性能指標(biāo)能夠滿(mǎn)足理論設(shè)計(jì)的要求，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可行性。

4 結(jié)論

本研究基于籽棉回潮率自動(dòng)測(cè)量裝備的虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析，進(jìn)行了物理樣機(jī)的搭建；為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的可行性（技術(shù)要求：?jiǎn)诬?chē)測(cè)量時(shí)間≤240秒，測(cè)量精度≥98%）和整機(jī)工作性能參數(shù)的確定，嚴(yán)格按照整機(jī)操作規(guī)程，以技術(shù)要求的兩個(gè)指標(biāo)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)诬?chē)測(cè)量時(shí)間為228秒，測(cè)量精度為98.9%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可行性，為整機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)籽棉回潮率的自動(dòng)化和智能化的測(cè)量具有重要意義，為將研究成果最終推向市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：科技支疆計(jì)劃項(xiàng)目（2014AB029）。

作者簡(jiǎn)介：王夢(mèng)（1990- ），女，助教，碩士，從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的研究。Tel：15899256955，E-mail：727991831@qq.com