棉花打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫 杰，張學(xué)軍* ，史增錄，鄢金山，丁永前，李 楊

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊830052;2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830052;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031)

目前，已經(jīng)出現(xiàn)的棉花打頂機(jī)具主要存在仿形效果不理想的問題，致使在棉花打頂過(guò)程中出現(xiàn)漏打頂、打頂過(guò)度、平切頂?shù)痊F(xiàn)象，這嚴(yán)重影響到棉花打頂機(jī)具的工作質(zhì)量和打頂效果，降低棉花的質(zhì)量和產(chǎn)量。究其原因，主要是在于棉花打頂機(jī)仿形部分與切割器匹配不同步，導(dǎo)致切割器高度控制系統(tǒng)提前動(dòng)作或者是動(dòng)作滯后。如何準(zhǔn)確地把握好打頂機(jī)切割器與仿形部分的匹配時(shí)間成為解決這一問題的關(guān)鍵［1－7］。

馬強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種超聲波測(cè)高棉花打頂裝置［8］，該裝置在棉花打頂過(guò)程中，切割器控制電機(jī)時(shí)刻動(dòng)作，容易造成打頂時(shí)機(jī)錯(cuò)誤，打頂效果差等問題，而且增大電機(jī)負(fù)荷，降低電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命，增加了棉花打頂機(jī)構(gòu)故障率，使用不方便。針對(duì)這一問題，結(jié)合棉花種植規(guī)律和棉花打頂農(nóng)藝的要求，筆者設(shè)計(jì)出打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠針對(duì)不同的棉花行株距設(shè)定不同的切割器動(dòng)作時(shí)間，具有廣泛的適應(yīng)性。并且，切割器控制電機(jī)只有在接收到調(diào)整控制信號(hào)之后才動(dòng)作，其他時(shí)間保持狀態(tài)不變，降低了電機(jī)負(fù)荷，提高了電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，故障率大幅下降，同時(shí)有效地提高了切割器的穩(wěn)定性，避免由于地形和人為控制速度不精確等原因造成的漏打、過(guò)打等問題。

1 自動(dòng)測(cè)距控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、行走輪、編碼器、切割器、棉花株高測(cè)量系統(tǒng)、控制器、步進(jìn)電機(jī)、連桿、四桿機(jī)構(gòu)和蓄電池幾部分構(gòu)成。

1.2 自動(dòng)測(cè)距控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要由24V直流蓄電池、行走輪、旋轉(zhuǎn)編碼器和單片機(jī)主控制系統(tǒng)4部分組成。其中，蓄電池固定于行走輪機(jī)架上，數(shù)字式光電旋轉(zhuǎn)編碼器用聯(lián)軸器固于行走輪的中心軸連接，中央控制元件的單片機(jī)系統(tǒng)固定于打頂機(jī)機(jī)架上。

1.3 工作原理 基于單片機(jī)的棉花打頂裝置自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)采用24V直流電源供電，整個(gè)打頂裝置在工作時(shí)由人工推動(dòng)向前行走。作業(yè)時(shí)，隨著試驗(yàn)裝置的前進(jìn)，與地輪軸向連接的光電編碼器與地輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)，單片機(jī)獲取編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)并計(jì)數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)待打頂?shù)拿尢锩藁ㄐ兄昃嘣O(shè)定相應(yīng)的動(dòng)作脈沖信號(hào)數(shù)，當(dāng)記錄的脈沖信號(hào)達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出高度調(diào)整控制信號(hào)，帶動(dòng)割刀調(diào)整高度，提高打頂精確性，避免切割器高度控制電機(jī)時(shí)刻響應(yīng)造成的電能浪費(fèi)。

2 鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 光電編碼器設(shè)計(jì) 在田間試驗(yàn)過(guò)程中，由于地形復(fù)雜等原因，容易產(chǎn)生棉花打頂試驗(yàn)裝置后退或者原定前后擺動(dòng)的問題。此時(shí)，編碼器仍然會(huì)產(chǎn)生脈沖，控制器測(cè)得的脈沖數(shù)據(jù)會(huì)累加，造成切割器高度控制器誤動(dòng)作。為避免這種情況的產(chǎn)生，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入方向脈沖這一參數(shù)。編碼器產(chǎn)生A、B兩相方波脈沖信號(hào)，如圖2所示。在打頂機(jī)正常前進(jìn)過(guò)程中，編碼器產(chǎn)生正向脈沖，即A相位超前B相位90度。當(dāng)打頂機(jī)在工作過(guò)程中向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，編碼器差生A相滯后B相90度的脈沖。此時(shí)，控制芯片中的脈沖累加計(jì)數(shù)器記為負(fù)數(shù)，打頂機(jī)正常前進(jìn)后，脈沖累加計(jì)數(shù)器收到正常的正脈沖，當(dāng)正正負(fù)脈沖代數(shù)和達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，打頂機(jī)高度控制器發(fā)出控制信號(hào)［9－10］。

2.2 地輪設(shè)計(jì) 行走輪是棉花打頂試驗(yàn)裝置自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一?？紤]到打頂期棉田地形復(fù)雜，此棉花打頂試驗(yàn)裝置以人手推前進(jìn)的方式，行走輪設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮打頂機(jī)的越障以及能夠碾碎土塊等問題。這樣能夠減小行走輪測(cè)量過(guò)程中的誤差，提高棉花打頂機(jī)響應(yīng)過(guò)程中的精確度。其次，棉花打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)的距離測(cè)量參數(shù)和地輪的直徑關(guān)系密切，在編碼器精度一定的情況下，較大的行走輪直徑能夠提高測(cè)距的精度，減小由于震動(dòng)等原因產(chǎn)生的誤差。設(shè)計(jì)采用600線編碼器，為了避免由于機(jī)械震動(dòng)造成切割器誤動(dòng)作，動(dòng)作脈沖數(shù)應(yīng)不小于50。結(jié)合新疆地區(qū)的棉花種植模式中行株距通常在100～300 mm之間［11］，為了保證最小株距前提下系統(tǒng)的穩(wěn)定，經(jīng)公式(1)計(jì)算可得，棉花打頂機(jī)行走輪直徑取382 mm。

其中:n—編碼器線數(shù);n0—避免誤動(dòng)作最小脈沖數(shù);d—行走輪直徑，mm;l—棉花行株距，mm。

上式中n取值600;n0取值50;l取100 mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 棉花打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)原理如圖3 所示，以 MC9S12XS128 單片機(jī)為控制核心［12－13］，測(cè)量元件采用歐姆龍E6B2-CWZ6C型600線沖編碼器。編碼器A、B相為數(shù)字量輸出型式，因此可以直接與單片機(jī)I/O口相連。當(dāng)打頂機(jī)前進(jìn)一定距離時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖累加達(dá)到動(dòng)作值，單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)割刀升降至對(duì)應(yīng)高度，最終完成棉花打頂工作。

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 新疆棉花種植根據(jù)棉花品種和棉花采摘的方式不同，有著多種種植模式，不同種植模式中棉株行距也有所不同。為了擴(kuò)大棉花打頂機(jī)的適應(yīng)性，提高機(jī)器的使用效率，棉花打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)中，切割器響應(yīng)動(dòng)作脈沖數(shù)可設(shè)定不同數(shù)值，從而適應(yīng)不同的種植模式，棉花打頂機(jī)打頂精度更高，效果更好。

設(shè)計(jì)流程如下:棉花打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)開機(jī)，開機(jī)后對(duì)棉株行株距參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，打頂機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，脈沖計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到株距參數(shù)設(shè)定值之后，單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，電機(jī)響應(yīng)控制信號(hào)，最終調(diào)整切割器到設(shè)定的高度完成打頂工作。流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在一種超聲波測(cè)高棉花打頂裝置基礎(chǔ)之上，針對(duì)其無(wú)法根據(jù)棉花株距不同調(diào)整切割器動(dòng)作時(shí)間，而使得打頂機(jī)切割器控制電機(jī)時(shí)刻處于動(dòng)作狀態(tài)的弊端，設(shè)計(jì)了棉花打頂機(jī)自動(dòng)測(cè)距控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，量式光電編碼器E6B2-CWZ6作為測(cè)量元件，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)的脈沖信號(hào)用能夠根據(jù)棉花種植過(guò)程中不同的行株距，設(shè)定不同的切割器高度調(diào)整控制時(shí)間，實(shí)現(xiàn)棉花打頂?shù)木_操作，提高了棉花打頂成功率，更加符合人工打頂?shù)臈l件。同時(shí)避免打頂機(jī)切割器控制電機(jī)時(shí)刻處于動(dòng)作狀態(tài)時(shí)損耗過(guò)快，降低能耗，延長(zhǎng)了棉花打頂機(jī)的有效工作時(shí)間和使用壽命。進(jìn)一步提高了棉花打頂機(jī)的工作效率，降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。

［1］彭強(qiáng)吉.棉花打頂機(jī)自動(dòng)仿形切割系統(tǒng)的研究［D］.石河子:石河子大學(xué)，2013.

［2］張明輝.棉花打頂機(jī)自動(dòng)仿形升降控制系統(tǒng)的研究［D］.石河子:石河子大學(xué)，2014.

［3］胡斌，羅昕，王維新，等.3MDZK-12型組控式單行仿形棉花打頂機(jī)的研制［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008(5):73 －75，78.

［4］劉光輝，胡斌，楊旭海，等.棉花打頂機(jī)切割器高度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011(1):115－118.

［5］胡斌，羅昕，畢新勝，等.3MD-12型棉花打頂機(jī)的研究設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2003(1):88 －89，92.

［6］周海燕，尹素珍，朱立成，等.3WDZ-6型自走式棉花打頂機(jī)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010(S1):86－89.

［7］羅昕，胡斌，王維新，等.3MDZK-12型組控式單行仿形棉花打頂機(jī)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008(11):136 －138.

［8］馬強(qiáng)，史增錄，張學(xué)軍，等.基于超聲波技術(shù)的棉花打頂裝置設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014(8):28 －29，32.

［9］杜穎財(cái)，王希軍，王樹潔，等.增量式編碼器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012(11):993－998.

［10］方艷輝.增量式編碼器全數(shù)字量相加技術(shù)的研究［D］.長(zhǎng)春:中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)，2005.

［11］王新燕，葛軍，王春麗.新疆棉花高密度栽培模式的形成和推廣［J］.新疆農(nóng)業(yè)科技，2005(6):16－17.

［12］謝敏.基于MC9S12XS128智能小車控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］.南昌:南昌航空大學(xué)，2012.

［13］葉繼英，沈曉群，李莉莉.基于MC9S12XS單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(5):458－461.