智能倾斜式籽棉清理机的设计

1前言1.1课题研究背景在过去的半个世纪里，纺织业在中国既是传统产业，也是优势产业，为国民经济作出了巨大的贡献。近年来高科技产业的发展和国民经济结构的调整特别是国有企业的改革，使纺织业面临的问题进一步凸现，如企业的重组，劳动生产率的低下，设备的陈旧和技术的落后，等等。然而，纺织工业仍然是一个大产业并在整个经济结构中占据重要的地位。提高我国棉花品质与加工效率成为我国现阶段发展纺织业得重要途径。棉花加工广义上包括棉花及副产品的加工、棉副产品的深加工。具体来讲，主要包括扎花、剥绒、打包、榨油、浸出、蛋白生产及种子处理等工艺环节。狭义上的棉花加工指扎花厂得加工，主要包括扎花、剥绒、下脚回收清理及打包四个方面。为保证生产质量，加工生产过程中还必须对籽棉、棉子、皮棉、短绒进行必要的清理。异性纤维（三丝）是籽棉或皮棉中混入的非棉纤维。它主要包括：编织袋丝（丙纶丝）、化纤束、染色绒、人畜毛发、塑料薄膜、布条、家畜羽毛、绳索等。它的产生主要与人工采摘、多渠道流通方式有关。我国目前棉花生产现状决定了我国的棉花以人工采摘为主，这就不可避免的在棉花中夹杂大量杂质，而我国棉花除杂设备的自动化程度与生产效率较发达国家还有很大差距，因此提高设备各方面性能成为当务之急。在今后的发展过程中，应着眼于关键技术的自主创新能力与机械自动化的有机结合，提高企业效率，从而降低成本，提高品质，使我国的棉机制造业向精密化、专业化、全球化得方向发展。1.2国内外棉花加工发展状况1.2.1国外棉花加工发展状况国外棉花加工以美国为代表。美国是世界上的产棉大国之一，有14个州种植棉花，其加工陆地棉的扎花生产厂规模都较大，一般拥有2-5台大型锯齿扎花机，平均每个工厂年生产皮棉2万吨以上。扎花厂得经济和科研实力都很强，经常采用先进技术并更新设备。扎花厂加工的籽棉全部由机械采摘，其中约80%由水平摘锭式棉机分次采摘（含杂率4%-10%），20%由摘辊式采棉机一次采棉（含杂率30%-40%）所以美国的棉花加工工艺分为两种。分次采摘棉花加工工艺包括：籽棉烘干、籽棉清理、扎花、皮棉清理、集棉和打包等工序。一次采摘棉花加工工艺包括：先用除铃壳机、除棉枝机清除大量铃壳和断枝，然后按分次采摘棉花加工工艺加工[1]。美国的大陆鹰公司和拉莫斯公司是最具代表性的棉机生产企业，他们的机采棉清理加工技术和设备代表世界一流水平，并被许多棉产国采用。美国拉默斯公司的机采棉加工工艺的流程分七个系统，依次是：籽棉喂入系统，一级籽棉烘干清理系统，二级籽棉烘干清理系统，输棉及扎花系统，皮棉清理系统，集集棉系统，打包和棉包输送系统[2-8]。其机采棉加工工艺流程图如图1-1所示。1.外吸棉管2.自动喂棉机的棉籽和除杂系统3.重杂分离器4.自动吸棉控制5.涡轮式重杂分离器6.一级塔式烘干机7.倾斜式籽棉清理机8.二级预清理系统9.二级塔式烘干机10.倾斜式籽棉清理机11.回收式籽棉清理机12.配棉绞龙13.提净式清棉喂棉机14.锯齿扎花机15.气流式皮清机16.锯齿式皮清机17.皮棉加湿器18.皮棉滑道19.打包机20.棉包运包车图1.1美国拉默斯公司机采棉加工工艺流程图美国大陆鹰公司机采棉清理工艺流程如图1-2所示。1.外吸棉管道2.通大气阀3.重杂分离器4.三辊分离器5.籽棉自动控制箱6.烘干塔一7.提静式籽棉清理机8.倾斜式籽棉清理机9.烘干塔二10.121型扎花机11.提净式喂画机12.配棉绞龙13.冲击式籽棉清理机14.倾斜式籽棉清理机图1.2美国大陆鹰公司机采棉清理工艺流程目前美国科研能力位居世界前列，其个生产部门与部分大学及科研机构的合作促进了企业及社会生产的发展，同时，美国也有先进的检测器具及完善的科研体系，对研究棉花加工质量提供了便利条件。目前美国主要针对棉花加工工艺、扎花工艺中的计算机自动控制系统、机采棉采摘设备、籽棉烘干、清理设备、锯齿扎花机、皮辊扎花机等项目进行专项研究。前苏联的中亚棉区保留至今的有197哥陆地棉花加工厂和30哥长绒棉加工厂，但其设备水平陈旧，不但体积庞大、占地面积广，而且结构不紧凑，较美国目前平均棉花加工机械水平相去甚远。但其仍有一定优势和利用价值，如其各类清理设备之间具有较好的配套行，柔性好，可根据地域气候特点或含杂率进行重新组合装配，以适应不同情况下的棉花性状。1.2.2我国棉花加工发展我国的棉花加工在解放前的较长年代里，都是分散在民间进行。加工机具大多是用人力、畜力、水力（少数用内燃机）带动的冲刀式皮辊轧花机。1946年-1949年间，在上海、江苏、浙江、山东、河北等地沿海一带产棉集中地区，出现了资本家和当时的棉产改进单位开办的十多个轧花厂，加工机具都是从国外进口的锯齿机轧花机和锯齿剥绒机，共约80台。其中少数几个厂除有锯齿轧花机之外，还有籽棉烘干机、籽棉清理机、籽棉、皮棉、棉籽的输送装置以及双箱液压打包机等成套设备。中华人民共和国成立之后，我国的棉花加工工业有了很大发展。在第一个五年计划期间，将由人力、畜力带动的皮辊轧花机改成动力带动，从1955年开始推广国产的5571型毛刷式锯齿轧花机。在第二个五年计划期间，基本上由锯齿轧花机代替了皮辊轧花机。1960年以后，轧花厂又进一步发展为轧花、剥绒、下脚清理回收的“一条龙”生产。但在20世纪80年代末以前，我国的棉机设备种类比较单一；对棉机的研制仅仅停留在单机上，不但加工设备的成套性差，而且机械化、自动化程度较低；20世纪80年代末，山东棉花机械公司在有关单位的支持和协助下，率先研制出了适合我国国情的具有高效、优质、低耗、安全的“121轧花新工艺及成套设备”，开创了我国也能生产大型轧花机（台时皮棉产量为1200-1700kg）和包括籽棉烘干、皮棉清理在内的成套棉花加工设备的新局面，极大地推动了我国的棉花加工工业发展。目前我国的棉花加工行业已经取得了长足的进步，以新疆为主的大型棉产基地其棉花产量占全国棉花总产量的1/3,其棉花加工技术水平代表了我国棉花加工水平。今年间，随着国家大力支持企业自主创新，我国的棉花加工机械在跨入新世纪后取得了较快的发展，各项自主创新技术在企业中的应用不仅填补了国内同领域的空白，而且为企业带来了巨大的经济利润。如在采棉加工中，新推出的机采棉烘干清理预处理技术不仅是回潮率降到12%、含杂率降至8%一下，而且还清理掉了大部分的杂质，提高了效率。而我国研制的籽棉加湿技术解决了籽棉含杂率和回潮率高的情况下籽棉清理时清理不干净的问题。鉴于我国棉花采集方式以人工采摘为主，籽棉内杂质较多，因此根据我国棉花加工现状研制出适合我国国情的棉花加工工艺流程，如图1-3所示。1.重杂物清理机2.籽棉卸料器3.喂料控制器4.烘干塔5.烘干塔6.倾斜式籽棉清理机7.籽棉清铃机8.热空气进口9.烘干塔10.倾斜式籽棉清理机11.回收式籽棉清理机12.配棉绞龙13.轧花机14.气流式皮棉清理机15.锯齿式皮棉清理机16.集棉机17.皮棉加湿器18.皮棉滑道19.打包机20.运包车21.自动计量及输包系统。图1.3我国机采棉加工工艺流程图尽管我国棉花加工技术已经取得了巨大发展，但是仍存在许多不足之处，如以手摘棉为主的采摘过程导致的大量杂质，清理设备工艺简单导致的棉花含杂率高，皮棉清理较单一等。因此我们在看到取得的成就的同时还要认识同美国等发达国家在技术与设备上的差距，继续加大企业的自重创新能力，进一步推广产、学、研的有机统一，掌握更多的具有自主创新知识的新技术，逐步缩小与外国先进国家的差距。1.3课题研究内容本课题主要针对济南天鹅棉机的MQZX-10型籽棉清理机的籽棉清理部分进行自动化改造。原机籽棉清理部分主要由刺钉辊与格条栅组成，且刺钉辊与格条栅间的距离为常值。而刺钉辊与格条栅之间的间距是影响籽棉除杂效率的要素之一，因此刺钉辊与格条栅之间间距的自适应调节对于清理机根据籽棉性状进行自动调节，提高生产效率来说具有重要意义。本课题实现的方式是为格条栅加装一套自适应调剂机构，此机构主要由平行四边形机构组成，由步进电机驱动，以实现格条栅的上下平行微量移动，从而调整刺钉辊与格条栅的间距。其具体流程为：由检测系统定时检测喂入清理机的籽棉性状，根据籽棉性状传送电信号给步进电机的控制芯片，由控制芯片发出相应的信号控制步进电机正反转，从而实现间距的调整。本课题设计的主要内容包括选择合适的步进电机，画出步进电机的驱动电路，设计平行四边形机构以驱动格条栅，利用SolidWorks对籽棉清理部分进行三维建模。2籽棉清理研究2.1籽棉清理籽棉清理的主要对象是外部掺入的杂质，籽棉在采集运输过程中难免混入一定的杂质，例如碎块，小石子，金属杂质等质量较大的杂质，另外棉花的干枝、铃、壳等轻小杂质也会混入其中。因此籽棉清理机根据杂质性状的不同分为以下几种方式。（1）气流式籽棉除杂。由于一些较重的杂质与棉花的质量差别较大，其惯性差距也大，因此人们将待清理的籽棉输送到具有一定气流的箱体中，则此时惯性较大的重杂质难以改变其运行轨迹，而质量很小的棉花则被气流带走，如此利用空气流动与惯性的差距从而达到分离重杂质的目的。其典型设备有以下两种。图2.1叉管式重杂物沉积器图2.1所示为叉管式重杂物沉积器，又称“三角箱”。通常安装在水平吸棉管和垂直吸棉管的交界处。其工作原理为：棉花在气流的带动下在此处变向上升，而重物如石块铁片等杂质由于其自身重量较大，惯性大，不能随棉花被气流带走，而在此处坠入沉淀箱中，达到分离杂质的目的。图2.2漏斗式重杂物沉积器图2.2所示的漏斗式重杂物沉积器，通常安装在外吸棉管道中的籽棉机前侧部位。其工作原理为：运送籽棉的气流进入重杂沉积器后，撞到可调导流板上，将包裹在籽棉中的重杂质击松从而使重杂质暴露出来，在气流拐点处箱体体积突变，空间体积变大会使气流的流速下降，下降后的气流仍可带动籽棉流动，但却不能托动重杂质，此时重杂在重力作用下落入沉淀箱内被排出。调节可调挡板可以调节沉降室的体积，从而调节沉降室的气流速度。此设备能可以将重杂物尤其是硬性杂物排出，有力的保护了扎花机的工作安全。（2）提净式除杂。籽棉中的枝干，铃壳等较大的杂质主要利用提净的方法清理。图2.3提净式籽棉清理机图2.3为一种提净式籽棉清理机。其工作原理为：落入及其内部的籽棉与杂质被甩到提净滚筒上，此时籽棉被勾住随滚筒转动，而杂质拨画辊抛送到输送器中。而被提净滚筒勾住的籽棉运动到刷棉滚筒处后被刷出机器外。剩余的籽棉和杂质由抛掷输送器送到另一端后落到长钉齿式输送器上，之后继续被提净滚筒勾走，如此往复，直到被刷棉滚刷出机器外。其间，小的杂质会经过长钉齿式输送器下部的排杂网落入排杂绞龙，与大的杂质一起经过排杂绞龙排出机器外。（3）冲击和打击式除杂。叶片和小的碎屑一般用冲击式和打击式除杂，如冲击式籽棉清理机和刺钉辊筒式籽棉清理机。此类清理机主要用于手采棉加工工艺过程[9]，因此较适合我国棉花采摘的国情。本课题主要针对MQZX-10型刺钉辊式籽棉清理机进行改进，因此着重介绍其工作原理。其籽棉清理部分视图如图2.4所示，图2.4MQZX-10型倾斜式籽棉清理机结构图该机构主要由六个尺寸相同的刺钉辊、格条栅、阻风阀、机器侧壁及传动系统构成。该机构一般位于籽棉烘干机之后，提净式籽棉清理机之前。烘干后的籽棉一般成团较紧得结合在一起，当由上一机构喂入刺钉辊轨道后，就会受到逆时针旋转的刺钉辊的打击，使其逐渐膨松并缠绕在刺钉辊上，当籽棉的速度逐渐增大，达到一定程度时则被甩出，如此往复，经过六个刺钉辊筒的筛选后将杂质与棉花分离。我们取一个刺钉辊筒对其工作原理进行简单研究。取一小团籽棉为研究对象，以其在刺钉辊与正下方，格条栅之上时的状态为研究对象，如图2.5所示。1.籽棉团2.刺钉3.格条栅图2.5籽棉受力状态分析籽棉在水平方向上要受到逆时针旋转的刺钉的打击力N，方向相右；格条栅对籽棉团的摩擦力f1，方向相左；因此其水平方向的合力,因为，所以籽棉团随刺钉辊做圆周运动。籽棉在垂直方向上受到自身重力G，由于包裹刺钉而产生的摩擦力f2以及离心力F；其垂直方向的合力，而，为刺钉表面的摩擦系数，N为籽棉团与刺钉表面的正压力。在实际情况中，籽棉团与刺钉之间的摩擦力并非全由刺钉冲击作用下的正压力产生，还会由籽棉本身特性的存在而附加一个摩擦力f0，所以，而，经研究得籽棉团在干燥的钢表面滑动时，，而在湿润的钢表面滑动时，[10]。而S0为籽棉团与刺钉的接触面积。由此得。籽棉团的受力状态是随其状态而变化的，当籽棉团与刺钉接触时，籽棉团的速度为零，而此时刺钉给籽棉团的正压力最大。随着刺钉辊的转动，籽棉的运动速度不断增大，其离心力增大，当增大到一定程度时其余个分离不能抵消离心作用，此时籽棉团被抛出，继而与第二个刺钉辊接触，往复上述过程，直到最后一个刺钉辊后进入下一机构。对于杂质，其与籽棉团一起进入刺钉辊与格条栅之间，在刺钉对籽棉团的拍打过程中，籽棉团逐渐松弛，其表面或内部的杂质在离心力的作用下被甩出或在格条栅的摩擦力作用下速度逐渐减小甚至停止，之后在重力作用下，杂质会沿格条栅的间隙落下从而达到分离杂质的目的。2.2影响籽棉除杂效率的因素清杂效率是评价籽棉清理机清理效果的最主要性能指标。清杂效率的高低对整个棉花加工能否顺利进行、皮棉加工质量、加工设备的使用寿命及吨皮棉的动力消耗等都有直接影响。为了保证加工设备的正常运转，提高皮棉加工质量，必须使籽棉清理机达到最佳的清杂效率[11]。本课题结合倾斜式籽棉清理机工作原理，分析影响籽棉除杂效率的因素有以下几个方面：（1）生产率一般来讲，生产率越高，刺钉滚筒的负荷就越大，籽棉越不容易被打松撕扯，因此，清杂效率就低；相反，生产率较低时，籽棉能被刺钉充分的打击和撕扯，籽棉中的杂质就会被大量排出，此时清杂效率就高。因此生产率不应过高。其生产率与刺钉辊除杂效率的关系如图2.6所示。由图看出，在刺钉辊转速为9.42m/s，回潮率为9.8%的情况下，且生产率为700kg/h时，可以达到最佳清理效率，为38.8%，此后随着生产效率的增加将导致清理效率的下降。图2.6刺钉辊除杂效率与生产率的关系（2）籽棉含水量与含杂量对于回潮率低的籽棉，因为籽棉和杂质之间的粘附力小，籽棉团比较膨松，所以杂质容易被清除，从而清杂效率高；反之，若籽棉的回潮率高，则杂质与籽棉团的粘附力大，杂质就不易被从籽棉团中分离出来，从而清杂效率低。另外，对于含杂高的籽棉，清杂效率高，反之则低，这是因为含杂多的籽棉，籽棉团外表面附着的杂质也多，从而易被清除，而含杂少的籽棉，不孕籽等天然杂质占的比重大，所以不易被清除。（3）刺钉滚筒的线速度MQZX-10型籽棉清理机属于冲击式清花机，它主要依靠刺钉对籽棉的击打与撕扯作用来达到除杂的目的，因此，在其它条件一定的情况下，刺钉辊转速越高，籽棉受到的冲击力就越强烈，籽棉中的杂质就越融易打落，其除杂效率就高。但是，过高线速度反而会产生新的杂质，所以其线速度应控制在一定范围内。有研究表明，一般情况下刺钉的线速不得高于11m/s。一般情况下加工正常成熟的籽棉，其值设定为8-9m/s为宜，此时清杂率达35%，如果加工成熟度差的籽棉，其值应设置为5-6m/s为宜。其除杂效率与刺钉辊转速之间的关系如图2.7所示。图2.7刺钉辊转速与除杂效率关系（4）相邻两刺钉辊间距如果相邻两个刺钉辊间距大，则排杂效果好，但同时也可能会排落单粒籽棉。反之，如间距过小，不仅杂质较难排出，甚至可能造成两刺钉同时作用在同一团籽棉上，从而产生干涉，使棉籽破碎，影响到皮棉质量，若机器的配合间隙过大或松动甚至可能发生两刺钉辊碰撞造成严重的机械事故。因此，两相邻刺钉间距应控制在合适的范围内[12]。（5）刺钉辊与格条栅之间的距离刺钉辊与格条栅之间的距离对除杂效率骑着决定性的因素。若间距过大，由于籽棉较小，刺钉对籽棉的打击频率降低，会使籽棉的速度较刺钉速度小很多，此时容易产生堵塞或仅对籽棉产生揉搓现象，不仅杂质不能清除，还可能打破籽棉产生新的杂质或瑕点；相反，若间距过小，则可能导致籽棉被压卡在两刺钉之间，此时籽棉随刺钉辊一起转动，格条栅对籽棉的摩擦力变小，因此刺钉的拍作用也就减弱，从而影响除杂效率。因此，刺钉辊与格条栅之间的距离对除杂效率影响较大，且其间距还应根据籽棉的性质品质进行调节，以达到最佳除杂效率。实验表明，其间距一般取18-25为宜。（6）刺钉辊筒数量刺钉辊筒数量越多，则籽棉被拍打的次数越多，除杂效率也就相应提高，但同时也应看到，此类冲击和打击式籽棉清理机对棉纤维会产生一定的影响，会造成棉纤维和籽棉的损伤，造成新的瑕点，降低棉纱强度等，因此在实际应用中一般去5-7个刺钉辊为宜[13]。3数控籽棉清理机的部分设计3.1方案分析由上一章节关于影响籽棉清理机除杂效率因素的分析并结合MQZX-10型籽棉清理机的实际情况，得知本课题关于通过喂入的籽棉性状做出自适应调节以提高生产率的可行方法主要有两种，其一是改变刺钉辊的转速以达到改变除杂效率的目的；其二是改变刺钉辊与格条栅之间距离从而改变除杂率。本课题主要采取后者并给出可行方案。3.2总体设计方案为实现对MQZX-10型籽棉清理机的籽棉清理部分的改装，需要加装以下三套系统，即性状识别反馈系统，步进电机及驱动控制系统，自适应调节机构。本课题主要针对后两套系统进行研究。其各部分工作要求为：（1）性状识别反馈系统本系统主要用于测量喂入籽棉的回潮率含杂率等性状，然后将所得结果转换为电信号输送给步进电机及控制系统，从而进行自适应调节。（2）步进电机及驱动控制系统本课题考虑到需要根据籽棉性状控制格条栅与刺钉的间距，因此采用步进电机并由驱动系统根据性状识别反馈系统传来的信号进行分析，并控制步进电机的正反转，通过自适应调节机构控制格条栅的升降。步进电机应选用大功率电机，用以驱动六个固定在一起的格条栅，其质量约为200kg；控制器对于整个系统起着桥梁作用，它接受由性状识别反馈系统传来的信息，通过分析得出此状态下的最佳参数，然后控制步进电机正反转，实现对格条栅的调节。本系统控制器采用80C51单片机实现电机的驱动，该系列单片机在我国普及的时间比较早，开发和应用实例较多，资源丰富。（3）自适应调节机构自适应调剂机构主要包括提升机构和传动机构。提升机构由一套平行四边形机构组成，由四个支撑杆分别连接在已经通过螺栓固定在一起的六个格条栅的四端，四个支撑杆的下部由推杆和横杆组成的矩形限制住其相对位置。在每个支撑杆的底部装有由深沟球轴承构成的滚轮，可沿轨道滚动，以使此四边形机构提升格条栅时轻便。推杆主要承受由电动机经传动机构传来的力，此力通过推杆及横杆传递到四个支撑杆上，使四个支撑杆同步运动。支撑杆底部的深沟球轴承在轨道上滑动，改变着支撑杆与轨道平面的夹角，从而起到升降格条栅的目的，调节了格条栅与刺钉辊之间的距离。如图3.1所示。图3.1平行四边形机构传动机构由传动丝杠组成，采用此种螺旋传动机构主要是将电动机的旋转运动变为直线运动且控制方便，同时能传递一定的力。步进电机通过联轴器与传动丝杠一端相连，另一端通过丝杠螺母与推杆相连，随着电动机通过联轴器带动传动丝杠的正反向转动，丝杠螺母做轴向移动，从而推拉推杆使推杆移动，改变支撑该与滚道的夹角，达到调节格条栅的目的。传动机构如图3.2所示图3.2传动机构3.3主要机构详细设计针对MQZX-10型籽棉清理机的各参数及自动化改造所要实现功能，以下详细介绍主要机构参数及结构。3.3.1刺钉辊刺钉辊是整个籽棉清理机中最重要的清理部件，它由刺钉辊筒和焊接在其上的刺钉组成的，其内部为空心构造。刺钉辊筒大体有三种：一种是大直径辊筒，此种辊筒直径大但是刺钉细、矮。直径大会使籽棉均布于辊筒表面的机会多，而小且矮的刺钉又会对籽棉起抖动作用，因此出来的棉花比较均匀。第二种是中等直径辊筒，此种辊筒类型的刺钉相对高且粗，具有较强的松懈籽棉的能力。第三种是小直径辊筒，这种辊筒具有较好的缠绕效果，有利于回收绳索、布条、粗长麻等杂质。MQZX-10型籽棉清理机的刺钉辊直径为286mm，有效长度为1460mm，单个刺钉采用直径10mm的圆钢制成，高度为49mm为了使籽棉清理效率达到最佳，通常将刺钉间隔排列，即在刺钉辊的第一截面圆上均布6个刺钉，每个刺钉相距60°，在与此相距25mm的第二个截面圆上均布的6个刺钉与上第一截面圆的刺钉均匀错开30°。在刺钉辊的径向上，每列共有28个刺钉，且每相邻两个刺钉间的距离为50mm，这样不仅能够比较充分的拍打籽棉，有利于使籽棉膨松并除杂，同时也可以增加转动的平稳性。刺钉辊局部视图如图3.3所示，其三维建模如图3.4所示。图3.3刺钉辊局部视图图3.4刺钉辊三维建模3.3.2刺钉辊机架刺钉辊机架包括与刺钉辊相配合的格条栅、支撑刺钉辊的轴承以及刺钉辊轴承支座。本设计选用的格条栅必须和刺钉辊筒的形状相配合，即与刺钉辊构成成同心圆。而格条栅为可上下移动的活动部件，其与刺钉辊之间的可变间隙为12-27mm,因此不能严格保证格条栅在任意位置与刺钉辊构成同心圆的关系，考虑到有15mm的调整间隙以及刺钉辊的最大直径，以调整间隙的中部附近为格条栅的基准半径并圆整，此时有较好的同心性，因此取其值为210mm。格条栅的圆弧对应于刺钉辊筒的中心角ψ必须取选取合适的数值。如果角度过大，则籽棉易随刺钉转动一周后返回而造成重复打击，此时易产生索丝、棉结等疵点；如果这个角度过小，则格条栅之间的连接部位变宽，易使籽棉在此处停留，引起堵塞，同时还减少了籽棉与格条栅的摩擦作用范围，是除杂效率降低。研究表明，一般ψ控制在110°-115°时效果最佳。格条栅由直径为10mm，长度为1510mm的精拔管、侧板和加强肋组成，性状为筛网状。其三维建模如图3.5所示。图3.5格条栅三维建模刺钉辊轴承采用6010轴承，其基本额定动载荷Cr=22.0kN。轴承支座的三维建模如图3.6所示图3.6刺钉辊轴承支座三维建模3.3.3自适应调节机构平行四边形机构平行四边形机构的功用是支撑六个连接在一起的格条栅并使其在倾斜角度27°的机架上做垂直于机架导轨平面的微量垂直移动，使格条栅与刺钉辊之间的间隙在12-27mm之间变动，其调动距离为15mm。设支撑杆长为x，则，由此可计算得出支撑杆长应约为137.6mm，即支撑杆上部与格条栅螺栓连接处的圆心与支撑杆下部与深沟球轴承连接处的圆心之间的距离为137.6mm，此时支撑杆在两个极限位置，即支撑杆垂直于地面与支撑杆垂直于滚道时，格条栅正好实现沿轨道垂直方向上15mm的间隙调节。如图3.7所示。图3.7平行四边形机构示意图支撑杆与格条栅采用螺栓连接，螺栓与支撑杆采用间隙配合，以使支撑杆可以绕螺栓转动，螺栓采用六角头铰制孔用螺栓，M10，l=89mm，l0=18mm，ds=11mm，螺栓材料选用Q235A，查表知，由于是变载荷，所以，取值为5则按静载荷的值降低20%-30%而，取其80%则对螺栓进行校核：剪切强度FR作用在螺栓上的径向力，六个格条栅总重量约为200kg则m为接触面数目，所以m=2挤压强度所以因此螺栓满足要求。支撑杆底部采用深沟球轴承作为滑轮，其型号为6206，基本额定动载荷Cr=19.5kN。支撑杆的三维建模如图3.8所示图3.8支撑杆的三维建模传动机构为了实现简单而且可靠的传动，本文选用了梯形螺纹普通丝杠，螺距p＝5mm，由螺纹副耐磨性计算公式[14]，可得螺纹中经 式中，d2为螺纹中径；取=2.5，许用压强[p]=10×106MPa；丝杠公称直d=28mm,d2=25.5mm，丝杠总长110mm，其中螺纹长度为85mm。通过对螺纹牙强度、螺杆强度、自锁和螺杆稳定性校核，得此螺杆符合强度要求。传动丝杠的三维建模如图3.9所示。图3.9传动丝杠的三维建模3.3.4电机的选型本课题电机选用大功率步进电机，步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲时，它便转过一定的角度，这个角度成为步距角β，简称为步距。脉冲一个一个的输入，电动机便一步一步地转动，步进电动机因此而得名。步进电机的位移量与输入脉冲数量严格成比例，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关[15]。为了方便精确控制如位移、速度、加速度等参数，因此选择步进电机。本课题选用110BYG450B-02型步进电机，其参数如表3.1所示表3.1110BYG450B-02型步进电机型号相数步矩角电压电流定位转矩保持转矩转动惯量110BGY450B-0240.9080-32560.618联轴器与轴承步进电机与滑动丝杠通过联轴器联机，联轴器通过滚动轴承固定在轴承支座上，滚动轴承受来自于联轴器、滑动丝杠以及丝杠螺母自身的重量而产生的径向力，不受或只受很小的轴向力。滚动轴承选用6010，基本额定动载荷Cr=22.0kN。滚动轴承固定在丝杠轴承支座上，而后者又固定在电机支座上，一起构成传动系统。本机构籽棉清理部分三维建模如图3.10所示图3.10籽棉清理机籽棉清理部分三维建模4步进电机驱动控制系统设计4.1系统组成及功能步进电机不能直接接到交流电源上工作，而必须使用专用设备，即步进电机驱动器。步进电机系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。因此选择合适的驱动器对步进电机系统的工作来说至关重要。步进电机驱动器一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等部分组成。环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。此信号由环形分配器出来后送入信号放大与处理级，将信号放大，放大后的信号进入推动级，推动级将较小的信号放大，变成足以推动驱动级输入的较大的信号。而保护级的作用是保护驱动级的安全[16]。本系统采用单片机控制，由性状识别反馈系统将信号传给单片机，单片将不同性状时的CP脉冲传给步进电机的驱动电源，以控制步进电机的正反转。当丝杠螺母处于两极限位置时，平行四边形机构也将处于极限位置，此时作为滚轮的滚动轴承将碰到限位开关，此时单片机将使电机停止步进电机停止转动并亮灯报警。4.2驱动控制系统设计4.2.1单片机的选择本课题的单片机选用80C51单片机，因为介绍80C51系列单片机的书籍比较多，为初学者以及查阅相关资料提供了方便。同时80C51系列单片机的开发工具比较多，在网上可以免费下载，很容易建立学习、开发环境。另外，该系列单片机在我国普及的时间比较早，开发和应用实例都比较多，在学习编写程序时有丰富的实例可以参考和借鉴。80C51系列单片机最早是由Intel公司开发的，Intel公司在1980年推出MCS-51单片机，也成80C51单片机。由于820C51单片机应用早，影响大，已成为事实上的工业标准。后来很多著名厂商如Atmel、Philps等公司申请了版权，生产了各种与80C51兼容的单片机系列。虽然制造工艺在不断地改进，但内核去没有变化，我们称这些与80C51内核相同的单片机为80C51系列单片机或51单片机。这类单片机的指令系统完全兼容，而且大多数管脚也兼容。开发软件和工具也一样，统称为80C51开发系统、开发环境等。常用的ASM51、KeilC51、MedWin等均是80C51系列单片机的开发工具软件[16]。4.2.2环形分配器四相混合式或反应式步进电动机，有双四拍或四相八拍两种励磁方式，拍数都是2的幂，因此，计数器可以直接使用通用二进制计数器。如图4.1所示。图4.1四相电动机环形分配器计数器选用74LS191，这是一种二—十六进制同步可逆计数器，时钟脉冲CP端（14脚）引入，控制器发出来的时钟脉冲经过LS14两级施密特触发的反相器，对时钟脉冲进行整形，有一定的防干扰作用，计数器的输出QA-QD直接接EPROM2716的低四位地址线A0-A3，这样可以通选2716的十六个地址（00H-0FH）。存储器的内容冲数据线读出，用低四位数据线（D0-D3）作为四相驱动器各相输入线。EPROM2716的第四条地址线A4作为励磁方式的转换信号输入端，其他地址线都接地。当A4为低电平时，可选通000H-00FH空间的十六个地址；当A4为高电平时，可选通010H-01FH之间的十六个地址。LS191第5脚为加减法输入控制端，用该输入端作为方向输入的控制信号，当低电平时执行加法计数，即是正转状态，当为高电平时，执行减法计数，即是反转状态。LS191的数据输入端A、B、C、D各管脚接地，而脚11是置数端，当为高电平时，LS191为计数状态；当为低电平时，191停止计数，而把数据端内容(ABCD)装入计数器。因此，管脚11通过电阻10kΩ拉到高电平，引出线作为清零端（复位），当输入一个低电平脉冲时，191输出为零，可通选2716的地址000H或010H(视A4状态而定)，2716输出状态为A（四相八拍时）或AB（双四拍时）。2716的管脚OE和DE分别为输出允许和片选端，一直接地使之处于通选状态。地址线A4作为方式控制端，当A4=0时，选通000H-00FH空间，为四相八拍状态；当A4=1时，选通010H-01FH空间，为双四拍状态。在需要零状态时，可以将零状态内容的第四位存储0[17]。.环形分配器电源部分电路图如图3.2所示图3.2环形分配器电源部分4.2.3功率放大电路由于从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要很大的电流（一般为1-10A）才足以驱动步进电机旋转。一般采用功率放大器将环形分配器送来的脉冲电流进行放大，且功率放大器的负载为步进电机的绕组，是感性负载，故与一般功率放大器相比，步进电机使用的功率放大器有其特殊性，入电感较大会影响快速性、感性负载会带来功率管保护问题等。可见，功率放大电路地性能对步进电机的运行性能影响很大。驱动电路的核心问题是如何提高步进电机的快速性和平稳性。驱动电路组早采用的是单电压驱动电路，后来出现了高低压驱动电路、斩波电路等。本课题选用自激式斩波恒流驱动电路，工作电压为80V，相电流为3A。如图3.3所示，用该电源组成四相混合式步进电机驱动器，则各项电路均与该单元电路相同。5结论本课题在MQZX-10型籽棉清理机的基础上进行了加装改造，完成了以下成果：（1）通过建立籽棉团在刺钉上的受力状态，分析了籽棉在MQZX-10型籽棉清理机受力情况，并结合影响籽棉除杂效率的各因素寻找出了一个最为有效便捷的方式来达到控制籽棉除杂效率方法。（2）根据理论分析设计出自适应调节机构，以平行四边形机构为提升机构保证了六个格条栅在平面上运动的一致性，而螺旋传动的方式使电机与平行四边形机构的连接更为紧密，控制更精确方便。完成了对步进电机及驱动控制系统的设计，其与自适应调节机构一起共同完成了对格条栅与刺钉辊间隙的自适应调节。（3）运用SolidWorks对籽棉清理机籽棉清理部分进行三维建模，使各机构及其配合更明了。虽然本课题完成对籽棉清理部分的改造，但同时也认识到对于本类课题还有许问题有待更深入地研究探讨。就棉花清理整个步骤来说，本课题只是对其籽棉清理部分进行改造，其后续如皮棉清理等部分有待进一步改进，以使其自动化程度更高，提高企业生产率。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现\t"_blan