激光内雕机（精选3篇）
激光内雕机 篇1
随着农业经济的发展和林业专业户的相继出现, 以及地方购机补贴政策的进一步落实, 作为使用量大、覆盖面广的修剪 (采茶) 机, 在销量逐年增加的同时, 市场竞争也日趋激烈。为了满足用户提出的新要求, 拓展市场占有率, 各类生产厂家纷纷开动脑筋, 采用新工艺, 研制新产品。而江南某地一家生产企业用激光技术加工修剪 (采茶) 机刀片, 更以其独特的新颖性, 不仅能产生出品质优良的新刀片, 而且生产成本也有所降低, 在使厂家自身受益的同时, 也受到了一方农户的欢迎。
1 刀片使用现状
修剪 (采茶) 机的特点, 就是将偏心轮安装在刀片的曲柄上, 然后由主机上的汽油发动机 (以7000r/min的速度) 来带动, 上下刀片贴合并沿弧形方向作高速相对滑动;上下刀片各有28齿, 形成28把双面剪刀, 进行修剪或采摘茶叶, 因而上下刀片齿部贴合间隙的大小、刀齿的耐磨性能和切削锋利程度等, 都将直接影响到作业的实效和工作质量。从修剪 (采茶) 的实际操作来看, 在正常使用情况下, 刀片早期的失效形式主要有:
(1) 刀片在高速相对滑动的过程中, 由于齿尖磨损、杂质嵌入刀片基体间隙而引起刀片的翘齿, 在剪切作业中会折断枝叶, 从而影响下一季茶叶的产出和品质。
(2) 曲柄与刀体的联接, 采用的是铆接形式, 铆接部位在工作时会受到一个较大的拉力作用, 应力较为集中, 从而常常会引起早期脆断的现象。因而刀片的设计, 应充分考虑到这些因素的存在。
2 新工艺特点
2.1 激光原理
Laser一词是“Light Amplification by Stimulation of Radiation”的字头缩写, 意思是通过辐射受激发射实现光放大, 简称为激光。激光器的特点是, 它可达性好, 工艺灵活, 适合于复杂零件的加工, 无需外加冷却介质;它发出来的光波长相同、相干, 能量高度集中, 单位面积上功率大, 当它扫描工件表面时, 会使表面快速加热, 由于停留的时间短暂, 传热慢, 仅表面层被加热, 当激光射线一扫而过后, 很快就会冷却下来, 从而起到了很好的表面淬火作用。经激光处理过的表面, 具有硬度高、组织细、热影响区 (HAZ小、淬火应力及变形小等优点, 提高了抗疲劳强度。
2.2 加工方法
正因为激光器发出来的光, 有这样的奇妙性, 针对以上所述修剪 (采茶) 机刀片使用的特点, 于是江南那家刀具生产企业在2006年底从楚天某地一家激光器专业生产企业购置了一台激光器, 用激光器发出来的激光对刀片刃口部分表面进行淬火处理。刀片的材料通常为45Mn钢, 在表面热处理以前, 其机加工性能与普通钢件材料没有多少差别, 塑性好, 易成形。机加工完毕后, 对刃口部位表面进行热处理, 表面硬度将急剧增加, 从而呈现出刃口部位坚硬、切削锋利、刀背整体塑性较好的特性, 可以使磨损情况大为改观, 短片情况大量减少, 有效延长了刀片整体使用寿命 (激光扫描时的电流大小和移动速度是非常重要的技术参数, 是经反复调试后确定的, 不同用途、材质和厚度的刀片, 会有很大的不同, 为该企业加工的核心技术) 。
2.3 适用性
对于一家具体修剪 (采茶) 机刀片生产厂家来说, 一次性生产的同种规格刀片的数量总是有限的, 通常厂家都是以销定产。由于数量小, 用户要货又往往比较急, 因而用传统的热处理方法去加工, 势必成本较高, 而且质量也未必能得到保证。而采用了激光热处理方法后, 操作灵活, 控制容易, 不受数量限制, 仅对刀片刃口段进行加热处理, 冷却速度快, 因而刃口锋利, 质量更有保证。实际上, 凡是用于切削的薄片类刀片或刀具, 采用激光加工热处理, 到目前为止, 应该说是最理想的加工方法。
3 实效和市场
3.1 实际效果
经用激光进行表面热处理的修剪 (采茶) 机刀片, 从售后产品跟踪及用户反馈回来的信息来看, 不难发现有这样两个变化: (1) 翘齿失效之现象明显得到了改观, 而且刀片的耐磨性也得到了提高, 使用寿命也有所增长 (经抽样统计, 大约可增加12%以上) ; (2) 由于激光热处理时, 对刃口部分加热的时间极短, 冷却快, 刀片背部几乎没有受到影响, 因而塑性好, 耐冲击能力强, 刀片在高速相对滑动的过程中, 遇上硬枝条而断片的情况明显减少, 生产率也有所提高。不仅如此, 用激光热处理还能使厂家的生产成本大为降低, 尤其是在少件或小批量生产的情况下, 更凸突现其优越性。据初步统计, 生产成本比传统方法可降低大约为8%～10%, 由于销售价位不变, 因而利润更为可观。此外, 用户在使用中通过比较后, 一致认为, 该产品的质量已达到国际同类产品先进水平, 在采茶量和使用寿命等指标方面, 已超过了进口的日韩同类产品。
3.2 市场前景
以江南那家生产修剪 (采茶) 机刀片企业为例, 在尚未使用激光技术的2006年以前, 其刀片的销售量还不足2万套, 而时隔不到两年后, 由于用上了激光新技术, 产品的信誉度提高了, 尽管遇到了世界金融危机, 2008年的销售形势依然喜人。据该厂销售部门透露, 到2008年12月初, 已销售了近2.5万套刀片, 其中有20%为出口, 出口欧美和东南亚各国。
目前, 在我国的南方, 集体林场、茶场使用修剪 (采茶) 机已经得到了普及, 它们未来的趋势必然是向更高层次的方向发展, 向科技要效益, 在 (水果、茶叶) 深加工上下功夫, 努力打造新品牌, 从而会对修剪 (采茶) 机械提出更高更多的要求。而个体农户使用修剪 (采茶) 机亦已起步, 普及速度正在加快。据一份资料显示, 在未来的5年中, 在我国南方还将会新增修剪 (采茶) 机用户不少于700～800万, 用激光新技术加工的价廉物美刀片, 必然会受到人们的青睐, 而成为首选。此外, 若开拓思路, 打开国际大市场的话, 市场那就更大了。可以这样说, 用激光新技术加工修剪 (采茶) 机刀片, 将是未来高质量刀片加工的趋势。
参考文献
[1]陈海魁.机械基础[M].北京:中国劳动社会保障出版社, 2001
[2]凌勇坚等.修剪机在环太湖区域良性发展[J].农机市场, 2005 (10)
激光内雕机 篇2
关键词：激光,清平机,前轮调节,极值触发,仿真
0 引言
随着节水灌溉技术的不断推广和农田水利工程建设的不断发展,农田平整作业成为农田基础建设与改良的重要措施之一。研究表明,当平整土地达到±2cm以内,每公顷可节水30%～50%,还可增肥,作物产量提高20%以上。反之,如果土地不平整,并且存在杂物,如废地膜、硬秸秆、杂草、砖石和瓦块等,会造成农田耕作与田间管理困难、灌溉时浪费水源及种子出苗率低等问题[1,2,3]。激光扫平技术的推广应用使激光平地技术日臻完善。参考文献中所提及的激光农田平地机技术都是指拖式铲斗型平地机。此类平地机施工精度较低;采用取高补低、铲壅结合的方式工作,在超过标准高度的区域铲土壅入铲斗,在低于目标高度的区域铲斗中的土自然卸出进行回填。由于铲斗容积有限,高差稍大就要进行多次铲削,拖拉机对土壤的压实情况严重,土层中出现砖块或较粗壮植物根茎等情况下铲刀更是无能为力。本文针对这些问题设计研究了新型激光测控全自动清平机。所谓清平是取清理平整之意,在取平过程中能将各种常见障碍清理。该清平机属于自走式两点激光检测自动调平设备,实验表明控制精度最高可达4mm,可为农田水利建设及机场建设等工程施工提供方便快捷而精准的作业系统。本文内容主要涉及前轮调节极值触发型激光测控全自动清平机。笔者将实验数据导入三维软件Pro/Engineer环境,构建地面模型,利用运动仿真手段再现实验过程,分析了清平机工作过程中出现波浪形高程轨迹曲线的原因,并提出了清平机机械结构和控制策略的改进方案,新的方案在实验中取得了理想的清平效果。
1 清平机工作原理与总体结构
前轮调节极值触发型激光测控全自动清平机与拖式清平机的主要区别在于拖式工作系统,即拖拉机在前工作机在后,工作机即铲斗靠液压升降调整机构调整铲刀刃口在高度方向的位置。本文所研究的前轮调节极值触发型激光测控全自动清平机主体结构如图1所示。其前轮即调整轮,行走于由工作部件所加工过的地面,工作部件—刀轴将待清除土层铣削后,碎土杂物由输送机构取走,此处不予详述。后轮也行走于已清平地面,在行进过程中不参与调平。
在工作区域设立一固定激光发射点建立激光参考平面G,在主工作部件刀轴的轴心两侧设置激光接收器检测刀轴位置与姿态。当刀轴偏离其工作目标平面时,通过调整两个调整轮相对于清平机底盘在垂直方向的位置来改变底盘的姿态,达到调整刀轴行进于目标工作平面最终得到所要平面的目的。每个激光接收器由上下两片硅光电池构成。在极值触发方式下,为了保证控制精度同时减轻调整系统的负担,取控制精度要求范围的20%～25%作为传感器两个硅光电池片边沿之间的距离,此距离称为传感器精度。前轮能在竖直方向相对清平机底盘作上下调整。工作过程中,当某一激光接收器的上侧硅光电池受到激光照射,说明该侧偏高,控制器便发出指令上调该侧前轮使该侧刀轴端下降直至调至上下极值的中间位置完成一次调整,调整部件采用交流永磁电机驱动。
2 实验结果的软件复现
在某工程建设场地进行清平实验,传感器精度调整为4mm。在清平过程中任取一段进行检测,按每行进30mm读取一次相对于设定高度的偏差(mm)。节选75个数据如下:6,9,13,16,20,18,16,15,14,12,10,6,6,8,11,12,15,19,19,18,17,15,14,13,9,5,8,10,13,17,19,20,19,17,16,14,10,7,5,7,11,14,17,19,18,16,15,14,13,11,8,5,8,12,16,18,19,18,17,15,13,9,7,5,7,8,12,15,18,20,19,18,16,15,13。
该组样本的平均值为13.29,样本标准差为4.49。依照这些实验数据在Pro/Engineer环境中建立实验结果的地面模型,使用凸轮副约束将清平机模型中刀轴的圆周面、前轮和后轮的胎面始终保持与实验地面模型相贴合。其次,定义车速与实验实测行进相等为6.6m/min,驱动车身在地面模型上沿直线向前运动,进行运动学仿真。在此过程中,由于地面的凸凹不平,致使前轮相对于清平机底盘被动地做上下调整运动。运动仿真完成后建立分析,以便于进行进一步的实验效果分析。
建立的第1个分析是整个运动仿真过程的20s时间内各时刻刀轴、前轮和后轮3个轴心的高度。分析结果如图2所示,可以发现刀轴中心的高度紧随前轮轴心,它们的轨迹接近余弦曲线,说明刀轴中心的实际高度滞后于前轮的高度变化约0.5s,相对应的距离滞后约为55mm。而后轮的轴心高度变化与刀轴轴心高度的变化近似相反,说明在刀轴向上抬起的过程中后轮正在沿刀轴所加工的地面向下滑行,可以看出前轮调整极值触发方式下,后轮沿轨迹线的被动颠簸会加剧刀轴的上下波动。
建立的第2个分析是将前轮轴心相对于清平机底盘的调整量与前轮轴心高度、刀轴中心高度在同一坐标系下显示,结果如图3所示。从图3中可以看到调整量由高到低,然后由低到高,再次由高到低的变化趋势。调整机构采用永磁同步电机作为动力,正反两个方向的调整量在空载条件下与时间应呈相同斜率的线性关系。而图3中反应调整量变化的曲线走势表明,前轮下调时的曲线比上调时的曲线更为平缓,说明上调切出土层与下调切入土层相比,切入过程比较缓慢。同时从图3中可以发现在第4s和第16s两个时刻,也是由下调改为上调的转折点处,调整量均有不同程度的调整量突变。由于清平机采取的是动力刀轴逆铣方式进行切削,切削抗力是向清平下方和后方偏斜,而在上调过程中调整机构除了抵抗切削抗力外还要抵抗机体重力。证明上调之初刀轴抬起困难,一段短暂的僵持后底盘连同刀轴迅速抬起。
3 调平机构与调平机理的改进
针对上调与下调过程中调整负载的不同,在清平机调整机构中添加弹性元件用以平衡绝大部分的重力。通过合理的设计和选用弹性元件,5%～15%的重力在调整过程中仍由调整机构承担,其余的重力由弹性元件在调整过程中承担;另外采用极值触发不对称时间量调整的方式。调整过程按照极值间距与调整速度的比值作为调整时间量进行操作。满行程的调整总时长为:Tt=p/Vt。其中,p为调整行程的总长,Vt为调整速度。调整过程中当超高时激光接收器的下侧硅光电池受到激光照射,下调指令被触发,调整延续保持时间为0.6Tt,之后立即进行0.6Tt的上调以恢复下调量以防止刀轴超高后由调整造成俯冲。当超低时激光接收器的上侧硅光电池受到激光照射,上调指令被触发,调整延续保持时间为0.4Tt,之后也立即再给予0.4Tt的下调恢复,以防止过量的上调。
针对实验过程中所表现出的后轮行走于已加工表面进一步影响后续加工过程,使波浪持续加剧的情形,首先在清平机主体结构上作适当改进。令前轮与后轮的轴距等于刀轴与前轮轴距的整数倍,避免前轮降(升)与后轮升(降)的重叠加剧轨迹波动。
经改进后的清平机进行实地实验,传感器精度仍调整为4mm,按行驶距离每30mm读取1次相对于设定高度高程(mm)的检测数据如下:8,9,10,12,15,17,14,13,10,8,8,9,8,8,9,9,13,15,17,18,15,13,10,8,8,9,8,8,10,13,15,16,14,13,11,9,9,9,9,10,9,9,8,11,14,15,17,16,13,11,9,10,10,9,8,9,12,15,16,14,13,10,9,9,8,9,10,10,12,15,17,17,14,11,10。该组样本的平均值为11.41,样本标准差为2.98。与前一实验相比标准差减小49%,可见控制策略与结构的调整显著提高了清平作业精度。
4 结论
本文通过在三维实体仿真软件环境下,复现实验过程,从中分析出现清平误差的根源,发现了前后轮互相影响加剧清平过程中波浪形加工曲线这一问题,进而提出了结构改进方案和基于极值触发后的调整及恢复控制策略。实验表明,改进工作起到了显著的作用,清平精度得到大幅提高。
参考文献
[1]刘刚,林建涵,司永胜.激光控制平地系统设计与试验分析[J].农业机械学报,2006,37(1):71-74.
[2]李庆,罗锡文,汪懋华,等.采用倾角传感器的水田激光平地机设计[J].农业工程学报,2007,23(4):88-92.
[3]杨红帆,肖丽晶,赵军,等.1PJ-3型激光平地机的设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2008,14(1):47-50.
激光内雕机 篇3
激光测距机在军用和民用方面具有广阔的应用前景。该机一般由激励源、发射机、光学系统、接收机、终端机等组成。由于其对各个分机的工作时序要求严格,所以核心控制部件8751单片机,软件以往都是采用汇编语言进行编程的。采用汇编语言编程研制周期长,调试和排错困难,程序的可读性和可移植性差。德国Keil Software公司开发的Keil Cx51是一种专为8x51单片机设计的高效率C语言编译器,生成的程序代码运行速度高,所需要的存储器空间小,已广泛应用于单片机的开发。
1 Keil C语言的功能与特点
Keil C语言符合ANSI标准,既具有一般高级语言的特点,又能直接对计算机的硬件进行操作,表达和运算能力也较强。
用Keil C语言编程有如下特点:
a) 软件的结构清晰,有条理,便于移植;
b) 可读性强,易于查错,易于维护;
c) 生成代码效率高,同样的源文件在它的编译下生成最少的可执行代码;
d) 支持字符型、浮点型、长整型、数组、指针、联合和结构体数据类型;
e) 提供了与汇编语言程序的接口,实现与汇编语言的相互调用;
f) 在项目管理和源程序编辑、编译、调试和注释方面接近于VC++编译器,支持重载和递归;
g) 支持软件模拟仿真和用户目标板在线调试。
我们工程中应用的是Keil C开发软件V7.0的Cx51编译器,Windows集成开发环境为μVision3。该版本支持Atmel,Analog Device,Dallas,Infineon,Philips,Temic,SST,TI等公司推出的各具特点的增强型8x51系列单片机。
2 Keil C 的应用技巧
2.1 精确延时
应用void _nop_(void)函数实现,该函数声明包含在头文件INTRINS.H中,_nop_()产生一条8x51单片机的NOP指令,该函数延时精度为一个机器周期。
对于较长时间软件精确延时的办法,在工程实践中对比了其他延时方式,认为相对于其他形式的延时,以下两种方式更有规律可循,也更容易计算使用:
a)对于小于515个机器周期的延时,函数形式为:
void delaychr(unsigned char i){ while(--i); } i<= 255;
延时时间为5+i×2个机器周期,延时精度为2个机器周期。
以delaychr(2)为例,生成的源码如下:
C:0x08F5 7F64 MOV R7,#0x02
C:0x08F7 12000D LCALL delaychr(C:000D)
C:0x000D DFFE DJNZ R7,delaychr(C:000D)
C:0x000F 22 RET
其中MOV,LCALL,RET共耗费5个机器周期,DJNZ需要2×2共4个机器周期。
b)对于小于524 542且大于515个机器周期的延时,函数形式为:
void delayInt( unsigned int j) { while(--j); } j <= 0xFFFF;
延时时间约为 8×j个机器周期,可实现几百毫秒以内的精确延时,延时精度为8个机器周期。
2.2 嵌入汇编
个别情况下,仍需要应用嵌入汇编的办法来解决问题,实际上可视为函数的调用,不过此时被调函数是采用汇编语言编写的。如创建myfunc.asm文件,内容如下:
将该程序加入到工程中,则直接在C程序段中调用delay(i)函数即可。
2.3 多字节数据输入输出
对2个以上字节组成的数据(即多个字节表示一个数),但一次只能传递1个字节时,输入输出操作用union方式较为方便。union由相关的变量组成,这些变量构成了联合的成员,但是这些成员只能有一个起作用,因为union的实质是对同一块内存进行不同方式的对待处理。所以union特别适合作输入输出时用,比如通过串口输入两字节的整型数,定义如下结构:
分别把接收到的各个字节对应放入ch[]数组,计算时直接使用juli变量进行运算即可,输出的结果放入juli变量,然后分别对应输出ch[]数组各个字节即可。
2.4 控制和状态字节操作
通常控制和状态字节,每一位对应某一状态,但输入与输出是按字节进行传输的,为方便操作,首先通过bdata关键字定义变量为“可位操作”,然后通过“位地址”变量来实现具体操作某一位。
具体实例如下:
bdata unsigned char control; //开关状态存储变量,可位操作
sbit fs = control^0; //发射开关,0为不发射,1为发射
sbit gz=control^1; //工作自校开关,0为工作,1为自校
fs=1; //对control的第0位进行操作
2.5 中断处理
Keil C可直接编写8051单片机的中断服务函数程序,为此增加了一个扩展关键字interrupt。定义中断服务函数的一般形式为:函数类型 函数名(形式参数表)[interrupt n],其中n为中断号。例如void dingshi(void) interrupt 1{…}即是一例。值得注意的是:中断函数不能进行参数传递,不能有返回值,不能被直接调用。
与一般C语言(尤其是VC++)的区别:
a)VC中的int 类型的数据内存的排列为低位在前高位在后,而在Keil C中是高位在前低位在后,如整型变量值0x1234以图1所示的方式保存在内存中。这一点在使用union方式进行数据输入输出时应特别注意。
b)VC中短整型、整型、长整型一般为2,4,4个字节,而在Keil C中分别是2,2,4个字节。此外,在Keil C中的float类型和double类型也相同,都为4个字节。
c)VC中定义函数内的局部变量可以在任何地方定义,但在Keil C中需要一进入函数就定义局部变量,否则会编译出错。
3 在激光测距机中的应用
3.1 激光测距机的工作原理
脉冲激光测距机的激光器产生激光脉冲,照射被测目标,照射激光被目标反射,部分反射光回到探测点经光学天线接收进入接收机,经电路处理,测量出自激光发射到接收之间的时间间隔t,则被测距离R为:
undefined
式中:c为光速。
终端机作为激光测距机的控制与信息处理中心,接收上一级的控制命令,转化为内部指令分发给各分机,完成整机的时序控制、工作模式控制,完成距离测量、角度测量、图像生成,对各分机进行状态巡检,完成信息的汇总、分析、输出、显示等。其具体意义为:
a) 控制功能。通过软件读取开关状态或通过通信获得系统指令,决定终端机是处于自检状态还是工作状态,控制激光器是否发射激光,决定当前激光的发射频率,控制激光的连续发射时间等。
b) 测距功能。最常用的是直接计数法。直接计数法测量原理为:测距机发射激光时产生主波信号,接收激光时产生回波信号,让计数器以主波作为计数的开门信号、回波作为计数的关门信号,对计数时钟进行计数达到时间测量的目的 。直接计数法原理图如图2所示。
3.2 硬件电路原理
硬件电路原理如图3所示。
3.3 软件实现
终端机软件流程图如图4所示。
单片机在读入数据时,包括2字节整型数据和可位寻址数据。2字节整型数据为系统的引导距离数据,可位寻址数据如系统的单字节指令、状态巡检字和按键输入字。对于多字节数据,采用2.3节union的方式读入,然后直接按整型数进行处理,尤其在各种数学计算中显得非常直观简单。对于系统指令等每一位都有具体含义的字节,采用2.4节介绍的bdata的方式,对各位变量直接判断操作即可。输出与输入采用的方式一样。
在测距过程中有严格的时序要求,利用2.1节介绍的C语言方式和2.2节介绍的嵌入汇编语言的方式来实现对各种长度的精确延时。
在操作控制过程中,利用高级语言良好的结构性轻松实现对各种状态的判断,编写程序的各个分支,利用C语言的模块性来实现对各个分机的控制。
在计算过程中C语言的优点就更明显,汇编语言的除法有10多种,并且仅双字节除以双字节的汇编子程序就要103行语句,而C语言的除法只有一种,只要一行语句,就可保证不会出错。
在处理激光重频问题中,因为要求有准确的测距频率,我们还应用了2.5节介绍的技巧,应用定时中断函数加以解决。
上述方法已应用于工程中,取得了良好的效果。
4 结束语
使用Keil C来开发激光测距机系统,既不会降低对硬件的控制能力,也不会使代码长度增加多少,非常利于维护与移植。此外,用Keil C编写程序比汇编更符合人们的思考习惯,开发者可以更专心于算法,减少了开发和调试的时间。总而言之,应用Keil C语言对激光测距机进行编程是可行的,是能适应测距机发展的一种方式。
参考文献
[1]徐爱钧,彭秀华.keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2]马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3]马忠梅,刘滨,等.单片机C语言Windows环境编程宝典[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.