基于平行四桿機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

李兆東 張姁 張苗苗 汪榮 韓建鋒 劉佳柏

摘要：為快速、準(zhǔn)確、方便地測(cè)量不同農(nóng)業(yè)物料的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)，結(jié)合Arduino UNO單片機(jī)和藍(lán)牙遙控技術(shù)，研制了一種基于平行四桿機(jī)構(gòu)的手機(jī)藍(lán)牙無線遙控的散粒摩擦系數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置。結(jié)果表明，與常規(guī)測(cè)量裝置對(duì)比驗(yàn)證，該裝置可以快速、便捷并準(zhǔn)確地測(cè)量出不同農(nóng)業(yè)物料相對(duì)于不同材質(zhì)平面的靜滑動(dòng)摩擦角和摩擦系數(shù)，可為種子篩選、窩眼選、電力選、帶選以及各種清選部件、種箱導(dǎo)種板傾角、排種器的型孔和型槽所處位置的角度等各種運(yùn)輸、貯運(yùn)部件設(shè)計(jì)提供了必要的基礎(chǔ)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：平行四桿機(jī)構(gòu);藍(lán)牙遙控;靜滑動(dòng)摩擦系數(shù);測(cè)量裝置

中圖分類號(hào)：S237? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）02-0120-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.027? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

農(nóng)業(yè)物料的摩擦性能，是影響設(shè)計(jì)種箱導(dǎo)種板傾角、排種器的型孔或型槽所處位置的角度等重要參數(shù)[1]。研究物料與工作部件之間的摩擦特性對(duì)確定和選擇工作表面的參數(shù)，使之有效地完成預(yù)定的加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義[2]。

世界上對(duì)于種子物理特性的研究不少[3，4]。中國(guó)主要采用斜面法和拖重法，其中拖重法比斜面法要困難，尤其當(dāng)種子重量輕、尺寸小時(shí)[1]。基于斜面法測(cè)定農(nóng)業(yè)物料的靜滑動(dòng)摩擦特性的裝置，一般利用繩索的拉動(dòng)來控制面板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，由量角器、旋轉(zhuǎn)面板以及調(diào)整繩索或齒輪組成，需人工轉(zhuǎn)動(dòng)控制、人工讀數(shù)。人工測(cè)量時(shí)主要存在以下的問題：人工操作無法精密控制面板轉(zhuǎn)速，使試驗(yàn)中會(huì)有角加速度存在。面板自帶的角加速度，面板轉(zhuǎn)過角度變化的不平穩(wěn)性將使得試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)十分粗糙[5-8]。另外不完備的裝置極易產(chǎn)生種子灑落等問題，影響下次試驗(yàn)。人工讀數(shù)存在隨機(jī)誤差，人工通過量角器讀取角度時(shí)，讀數(shù)的大小與讀取者的所在位置有關(guān)，因此讀取數(shù)值經(jīng)常會(huì)有偏差且精度一般停留在1°。且這種裝置大、安裝復(fù)雜、費(fèi)工費(fèi)時(shí)，試驗(yàn)過程繁瑣，延長(zhǎng)了農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)的時(shí)間[9-11]。另一種裝置，如電腦摩擦特性測(cè)定儀，價(jià)格昂貴、連接復(fù)雜、體積龐大，沒有電腦的分析無法得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于種子摩擦特性測(cè)定性價(jià)比比較低。

因此，依據(jù)平面力學(xué)原理，設(shè)計(jì)并研制了一種基于平行四桿機(jī)構(gòu)的手機(jī)藍(lán)牙無線控制的散粒摩擦系數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，該裝置能準(zhǔn)確、方便地自動(dòng)測(cè)量顯示農(nóng)業(yè)物料的摩擦角和摩擦系數(shù)，并可以用手機(jī)藍(lán)牙無線操控，精確、方便。

1? 裝置組成

該系統(tǒng)主要由平行四桿機(jī)構(gòu)、顯示和藍(lán)牙無線控制系統(tǒng)組成。其中裝置結(jié)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)架、齒輪組、軸承、面板、收集箱和殼體等。顯示和藍(lán)牙無線控制模塊。

2? 測(cè)量原理

2.1? 力學(xué)原理

根據(jù)牛頓第二定律，在忽略空氣阻力的情況下，當(dāng)農(nóng)業(yè)物料在不同材質(zhì)平面滑動(dòng)時(shí)，物料的摩擦力與重力滿足以下公式：

通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)測(cè)量裝置存在角加速度，而該裝置在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及單片機(jī)控制下，可實(shí)現(xiàn)低勻角速度運(yùn)動(dòng)，因角速度很低，裝置可視為靜止?fàn)顟B(tài)。

2.2? 角度計(jì)算

由步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理可知，經(jīng)過單片機(jī)產(chǎn)生脈沖頻率，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)面板旋轉(zhuǎn)。該裝置通過單片機(jī)記錄產(chǎn)生脈沖數(shù)目，由于每一個(gè)脈沖都將使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，通過單片機(jī)記錄產(chǎn)生的脈沖數(shù)目即步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)走過的步數(shù)，乘以此時(shí)步距角的大小，除以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)目，即是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度[12，13]。因此可得：

numsteps是步進(jìn)電機(jī)走過的步數(shù);θperstep是步進(jìn)電機(jī)的步距角;k是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)目，可根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境手動(dòng)調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)經(jīng)過LCD1602顯示屏實(shí)時(shí)顯示面板旋轉(zhuǎn)角度（θ）及摩擦系數(shù)（μ）。通過手機(jī)藍(lán)牙可以快速、準(zhǔn)確控制面板的運(yùn)動(dòng)。

2.3? 機(jī)構(gòu)可行性分析

通過繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖，計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，可以確定機(jī)構(gòu)是否具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而判斷設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否符合要求。自由度計(jì)算公式

式中，F(xiàn)為自由度數(shù)目;n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù);PL為低副數(shù)目;PH為高副數(shù)目。

本研究平行四桿機(jī)構(gòu)。

由活動(dòng)構(gòu)件為構(gòu)件1、構(gòu)件3、構(gòu)件4，且存在2個(gè)活動(dòng)構(gòu)件與機(jī)架的轉(zhuǎn)動(dòng)副，1個(gè)桿件與桿件間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中構(gòu)件3處的轉(zhuǎn)動(dòng)副安裝從動(dòng)齒輪與步進(jìn)電機(jī)齒輪配合，給桿件二一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩。

將n=3，PL=4，PH=0代入式（4）得：F=1。

根據(jù)當(dāng)主動(dòng)件個(gè)數(shù)>自由度個(gè)數(shù)，機(jī)構(gòu)無法運(yùn)動(dòng);主動(dòng)件個(gè)數(shù)<自由度個(gè)數(shù)，機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)，而自由度等于1，且有一個(gè)主動(dòng)件時(shí)，便可以得到確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)符合機(jī)械傳動(dòng)的要求。

曲柄作為主動(dòng)件時(shí)，平行四桿機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)不確定性的問題，設(shè)計(jì)的曲柄角度旋轉(zhuǎn)范圍為0°～90°，不存在曲柄與連桿共線的時(shí)刻，故而巧妙地避免了該可能性。

平行四桿機(jī)構(gòu)最短桿與最長(zhǎng)桿之和等于其余兩桿之和，符合桿長(zhǎng)條件。平行四桿機(jī)構(gòu)，連桿和從動(dòng)件之間壓力角越大傳力效果越好，大部分種子的摩擦角不會(huì)超過50°，該裝置初始時(shí)設(shè)計(jì)的壓力角為90°，到達(dá)最高位置時(shí)壓力角不會(huì)小于40°，傳力性能非常好[14]。

考慮電機(jī)的相關(guān)參數(shù)以及齒輪質(zhì)量、齒輪孔、不根切條件與安裝位置等因素，本研究設(shè)計(jì)的齒輪機(jī)構(gòu)是模數(shù)為m=1，齒數(shù)為Z1=17和Z2=25，傳動(dòng)比為1.47的一對(duì)齒輪。選取小齒輪作為主動(dòng)件與電機(jī)進(jìn)行安裝，可實(shí)現(xiàn)減速，且面板運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

ωD=1.47ωm? （5）

式中，ωD為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s;ωm為面板運(yùn)動(dòng)角速度，rad/s。

通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪組正、反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使平行四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)面板圍繞定點(diǎn)進(jìn)行順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。開始時(shí)，面板處于初始位置，可將不同材質(zhì)的板子放置在面板表面，待鋪滿農(nóng)業(yè)物料后，放置匯聚塊，可以使物料滑落進(jìn)入收集箱內(nèi)，便于下次試驗(yàn)。通過手機(jī)藍(lán)牙串口軟件控制面板正轉(zhuǎn)，農(nóng)業(yè)物料在重力和摩擦力的合力作用下開始下滑，當(dāng)大部分農(nóng)業(yè)物料滑落時(shí)，控制電機(jī)暫停，此時(shí)，面板保持該位置，農(nóng)業(yè)物料將滑落進(jìn)入收集箱內(nèi)，LCD1602顯示屏顯示此時(shí)的靜滑動(dòng)摩擦角度及對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)。再通過手機(jī)藍(lán)牙串口控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，面板將自動(dòng)歸回原先的初始位置并停止，可進(jìn)行下組試驗(yàn)。

2.3.1? 面板參數(shù)的確定? 為保證試驗(yàn)板平鋪物料數(shù)量能夠具有說明性，參考過去試驗(yàn)工具，初定面板長(zhǎng)寬為250 mm×154 mm?？紤]面板要比試驗(yàn)板長(zhǎng)與寬，用于盛放試驗(yàn)板不同材料的板材[12]，故確定面板最終尺寸長(zhǎng)度l=266 mm，寬度b=156 mm，厚度h=1 mm，不銹鋼板材質(zhì)。

2.3.2? 電機(jī)參數(shù)的確定? 根據(jù)上述采用SoildWorks設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模調(diào)整并修改得到的面板和桿件的設(shè)計(jì)尺寸[15]：

式中，m板為面板及工作板質(zhì)量，kg;G板為面板及工作板重力，N;G桿1、G桿2分別為桿一、桿二的重力，N;ρ為鋼的密度，g/cm3;l為面板長(zhǎng)度，mm;b為面板寬度，mm;h為面板厚度，mm;Mmax為所需的最大理論力矩，N·m;L2max為桿二長(zhǎng)，m。

因滑條等重力計(jì)算方法同面板，故由式（6）可得，

M電機(jī)max為電機(jī)最大工作力矩，N·m;nmin為電機(jī)工作最小轉(zhuǎn)速，r/min;a為機(jī)械損失。考慮證機(jī)械損失，a取20%，則安全系數(shù)為1.2，根據(jù)上式得，電機(jī)最大力矩M電機(jī)max=1.2 N·m。

2.4? 控制部分的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)組成。采用常用藍(lán)牙HC-05無線模塊與Arduino UNO單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過藍(lán)牙串口軟件與藍(lán)牙模塊建立串口通信，當(dāng)藍(lán)牙模塊未與手機(jī)藍(lán)牙建立連接時(shí)，藍(lán)牙模塊指示燈進(jìn)入快閃模式;當(dāng)藍(lán)牙模塊已經(jīng)與手機(jī)藍(lán)牙建立連接，藍(lán)牙模塊指示燈進(jìn)入正常模式。在最初使用時(shí)，需要進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)，初始密碼是1234。下次使用時(shí)，就不需要再配對(duì)藍(lán)牙。使用手機(jī)藍(lán)牙串口軟件發(fā)送命令指令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制面板的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、暫停、開始以及旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)的功能。

由Arduino UNO單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度。因此，通過手機(jī)藍(lán)牙串口軟件調(diào)節(jié)脈沖周期，改變脈沖頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)面板旋轉(zhuǎn)速度，可以有效控制面板旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，使測(cè)量更加精準(zhǔn)。藍(lán)牙HC-05無線模塊與單片機(jī)Arduino UNO串口連接，與單片機(jī)進(jìn)行串口通信。受測(cè)量工具精度以及試驗(yàn)者因素影響，計(jì)算數(shù)據(jù)較人工量取數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，該裝置所使用的57BYG250B兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)兩相步進(jìn)電機(jī)的特性，控制程序內(nèi)通過定義變量numstep記錄電機(jī)走過的脈沖數(shù)，通過式（3）計(jì)算面板旋轉(zhuǎn)角度。顯示模塊是通過LCD1602顯示屏和I2C轉(zhuǎn)接板組合。利用中間I2C轉(zhuǎn)接板，I2C串行總線通信，可大幅度減少對(duì)單片機(jī)IO的占用[12]。故將編寫、調(diào)試好的Arduino UNO單片機(jī)通過I2C轉(zhuǎn)接板與LCD1602串行通信，單片機(jī)控制程序通過定時(shí)產(chǎn)生中斷，及時(shí)刷新液晶顯示屏上的摩擦角度和摩擦系數(shù)，系統(tǒng)初始化時(shí)顯示屏?xí)@示“Loading”字樣，然后開始顯示實(shí)時(shí)面板角度、對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)以及此時(shí)脈沖周期。

經(jīng)加工得到的實(shí)物裝置，為驗(yàn)證測(cè)定農(nóng)業(yè)物料靜滑動(dòng)摩擦角度的準(zhǔn)確度，開展在手機(jī)藍(lán)牙控制下的農(nóng)業(yè)物料靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)角度修正試驗(yàn)，進(jìn)行了50次種子摩擦系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)，將人工實(shí)際量角器測(cè)得角度與顯示屏顯示的角度值進(jìn)行比較，驗(yàn)證角度計(jì)算程序的誤差，標(biāo)準(zhǔn)差為0.11，說明系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，且可由其均值1.38作為控制程序中計(jì)算摩擦角度的修正系數(shù)b。

式中，θperstep為步距角，°;θ為面板角度，°;n為電機(jī)內(nèi)部齒輪數(shù);k為細(xì)分?jǐn)?shù);numstep為單片機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)目，a為齒輪傳動(dòng)比;b為修正系數(shù)，μ為靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)。根據(jù)式（9）即可編寫系統(tǒng)的測(cè)量程序[16]。

2.5? 系統(tǒng)工作過程

該裝置具體工作流程。

3? 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1? 穩(wěn)定性試驗(yàn)

在控制模塊穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)手機(jī)藍(lán)牙串口軟件控制步進(jìn)電機(jī)依次進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止運(yùn)動(dòng)、開始轉(zhuǎn)動(dòng)為1次試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)100次，并建立相關(guān)模型求得變異系數(shù)。

式中，C.V為變異系數(shù)，SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差，MN為平均值，Xi為第i次試驗(yàn)結(jié)果，N為試驗(yàn)總次數(shù)。設(shè)試驗(yàn)中控制可全部實(shí)現(xiàn)結(jié)果為1，反之未能實(shí)現(xiàn)記錄為0，建立概率統(tǒng)計(jì)模型。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到樣本平均值、樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差，由式（10）得，MN=0.96，SD=0，C.V=0，變異系數(shù)很小，故該裝置的藍(lán)牙控制模塊具有良好的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2? 種子驗(yàn)證試驗(yàn)

選取5種經(jīng)濟(jì)作物種子作為研究對(duì)象。2018年4月25日于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電園實(shí)驗(yàn)室完成。

3.2.1? 試驗(yàn)方法

1）選取豆角、香菜、青菜、菠菜和蘿卜顆粒飽滿的種子各5 g分開放置于盒子1、2、3、4、5中。

2）將測(cè)量裝置通電開啟、手機(jī)藍(lán)牙與裝置藍(lán)牙模塊配對(duì)連接。

3）將待測(cè)試的板材放置于面板表面，盒子1中的種子倒在裝置的面板上，平鋪開，放置好匯聚塊，手機(jī)藍(lán)牙控制面板開始轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄大部分種子滑落時(shí)顯示屏的數(shù)據(jù)，重復(fù)10次試驗(yàn)，計(jì)算平均值。

4）10次試驗(yàn)結(jié)束后，依次將盒子2、3、4、5中的種子倒在面板上，依照步驟3同樣各進(jìn)行10次試驗(yàn)，觀察并記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算平均值。

5）拆裝試驗(yàn)板，將鋼板依次換成鋁板、亞格力板、PVC板，重復(fù)步驟2、3，觀察并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17，18]，計(jì)算平均值。

3.2.2? 結(jié)論與分析? 與手動(dòng)量角器測(cè)量相比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，誤差主要存在于試驗(yàn)操作的規(guī)范[19]。從表2中可以看出，與其他種子相比，菠菜種子的在各種板材上的摩擦系數(shù)都較大，而在PVC板上時(shí)，摩擦系數(shù)較小，平均為0.52，在鋼板上摩擦系數(shù)較大，平均為0.61。青菜在鋁板面的摩擦系數(shù)最小，平均為0.41，在PVC板上摩擦系數(shù)最大，平均為0.54。香菜在PVC板上摩擦系數(shù)最大，平均為0.49，豆角在鋁板上摩擦系數(shù)最大，平均為0.53。香菜和蘿卜種子在鋼板面時(shí)摩擦系數(shù)較小，分別為0.40、0.42，蘿卜的摩擦系數(shù)在亞格力板時(shí)最小，平均為0.40，在PVC板上摩擦系數(shù)最大，平均為0.45。

4? 結(jié)論

采用平行四桿機(jī)構(gòu)與Arduino UNO單片機(jī)結(jié)合技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種通過手機(jī)藍(lán)牙串口軟件控制、能有效改善傳統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、誤差較大等缺陷且可實(shí)現(xiàn)角度自動(dòng)測(cè)量與顯示的種子靜滑動(dòng)摩擦特性智能測(cè)定系統(tǒng)，能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出農(nóng)業(yè)物料與不同材質(zhì)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，具有高效、精確、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，可為以后種子機(jī)械化播種、清選、加工及儲(chǔ)運(yùn)等各類裝備設(shè)計(jì)提供參考。

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