棉花高度仿形裝置研究

彭強(qiáng)吉++馬繼春++宋和平++何青海++呂愛(ài)民

摘要：針對(duì)現(xiàn)有棉花打頂設(shè)備作業(yè)過(guò)程中棉花頂部仿形效果差，且受作業(yè)環(huán)境影響比較明顯的問(wèn)題，提出了仿形板與角度傳感器相結(jié)合的方案，研制了一種基于FPGA的棉花高度仿形裝置。確定了打頂期內(nèi)棉株的彈性模量，并運(yùn)用有限元仿真軟件模擬了棉株受力狀態(tài)，確定了核心部件仿形板的材料屬性及尺寸參數(shù)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)γ藁ǜ叨冗M(jìn)行仿形，機(jī)具作業(yè)速度在3.24 km/h內(nèi)時(shí)，打頂率最高可達(dá)90.0%，打頂效果較好，機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為棉花打頂機(jī)械化提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：棉花；高度仿形；彈性模量；智能控制；打頂機(jī)械化；試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： S224.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0356-03

收稿日期：2015-11-12

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2014EEP005）。

作者簡(jiǎn)介：彭強(qiáng)吉（1984—），男，山東臨沂人，碩士，助理工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail：pengqiangji1984@126.com。

[JP3]棉花是我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)作物，種植管理復(fù)雜，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，除打頂、采收環(huán)節(jié)外，已基本實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化[1-2]。棉花打頂是棉花生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)備受關(guān)注，棉花高度仿形是棉花打頂?shù)暮诵募夹g(shù)之一，仿形效果直接影響打頂效果[3-4]。

現(xiàn)階段棉花高度仿形主要有非接觸式、接觸式2種形式。非接觸式主要有利用超聲波傳感器技術(shù)[5]、激光傳感器技術(shù)[6]、遙感技術(shù)[7]、近紅外多光譜傳感器及光譜分割技術(shù)[8]、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)[9]等方法檢測(cè)棉花高度進(jìn)行仿形。雖然上述技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟，但是在田間復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下，受機(jī)械振動(dòng)、泥土灰塵較多、雨天、早上露水較大等問(wèn)題的影響十分明顯；接觸式仿形主要有預(yù)設(shè)高度及地輪對(duì)地面仿形實(shí)現(xiàn)棉花高度仿形[10]、仿形板與接近開(kāi)關(guān)對(duì)棉花高度仿形[11]等方法，仿形精度有待提高。

鑒于棉花打頂機(jī)特定的作業(yè)環(huán)境，上述仿形技術(shù)未能推廣使用。針對(duì)上述問(wèn)題本研究提出了角度傳感器與仿形板相結(jié)合的方案，研制了一種基于FPGA的棉花高度仿形裝置，實(shí)現(xiàn)了在田間復(fù)雜環(huán)境下棉花高度精準(zhǔn)仿形，研究成果有助于研制新型棉花打頂機(jī)械，為促進(jìn)棉花打頂機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1設(shè)計(jì)原理

該仿形裝置利用仿形板與棉花頂部接觸，依靠棉花頂部對(duì)仿形板的支撐力來(lái)測(cè)量棉花的高度；仿形板隨棉花的高低起伏擺動(dòng)，帶動(dòng)角度傳感器角度變化，通過(guò)角度換算出棉花實(shí)際生長(zhǎng)高度。為便于直觀表示效果，將棉花頂部簡(jiǎn)化用光滑曲線連接，其理想狀態(tài)下效果圖如圖1所示，實(shí)線為棉花實(shí)際生長(zhǎng)高度，虛線為棉花與仿形板接觸后棉花高度，雙點(diǎn)劃線為按仿形高度打頂后的棉花高度。

該仿形裝置優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)田間復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低；該研究為促進(jìn)棉花打頂機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

[TPPQJ1.tif]

1.2裝置結(jié)構(gòu)

仿形裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由轉(zhuǎn)軸、FPGA控制器、角度傳感器、固定板、連接板、安裝板、仿形板等組成。角度傳感器通過(guò)螺栓安裝在固定板上，傳感器軸與轉(zhuǎn)軸一端固定連接，轉(zhuǎn)軸另一端與軸承配合相連；轉(zhuǎn)軸與仿形板一端固定；安裝板上開(kāi)有安裝孔可通過(guò)螺栓安裝在打頂設(shè)備上。

工作過(guò)程中仿形板與被測(cè)棉株頂部接觸，隨棉花的頂部高低起伏變化，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，角度傳感器將信號(hào)傳遞到控制器，控制器換算出棉花高度變化值[12]。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

仿形板的結(jié)構(gòu)參數(shù)是該仿形裝置的核心部件，直接影響高度仿形效果。為更好地確定其參數(shù)，擬通過(guò)試驗(yàn)對(duì)棉株受力特性進(jìn)行研究，然后運(yùn)用有限元虛擬仿真的方法確定仿形板材料屬性及結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1棉株力學(xué)特性

以中棉915為研究對(duì)象，選取山東省濱州無(wú)棣機(jī)采棉基地處于打頂期內(nèi)的棉花作為試驗(yàn)樣品。棉田種植密度10.5萬(wàn)株/hm2，采集試樣時(shí)間2015年8月2號(hào)，隨機(jī)選取株高[CM（25]相差不多的棉花12株，去枝葉，測(cè)量直徑及株高，標(biāo)號(hào)，放[CM）]

[FK（W16][TPPQJ2.tif]

入密封袋中帶回。

根據(jù)棉株在田間時(shí)根部固定、莖稈懸空這一生長(zhǎng)特性，給棉株離地面高度為h的部位施加一水平推力F，使得棉株在水平方向上移動(dòng)距離為ω，構(gòu)成懸臂梁模型，如圖3所示。

[FK（W13][TPPQJ3.tif]

懸臂梁的撓曲線方程為[11]

[JZ（]ω=-[SX（]Fh33EI[SX）]；[JZ）][JY]（1）

從而得出彈性模量為

[JZ（]E=-[SX（]Fh33Iω[SX）]=-[SX（]32h3F3πωd4[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：E為彈性模量；I為慣性矩，kg·m2；ω為水平移動(dòng)距離，m；F為水平推力，N；h為水平推力作用點(diǎn)離地面高度，m；d為棉株直徑，m。

對(duì)所取棉株試樣分3段進(jìn)行測(cè)量，并且多次測(cè)量取平均值。利用游標(biāo)卡尺測(cè)量棉株的直徑d（精度0.02 mm）；鋼板尺測(cè)量高度h及位移ω（精度1 mm）；推力通過(guò)電子數(shù)顯推拉力計(jì)進(jìn)行測(cè)量（精度0.01 N）。

2.2仿形板設(shè)計(jì)

仿形板結(jié)構(gòu)如圖4所示，整體由1塊板材鈑金成型。為增加接觸面積及減小阻力，仿形板前端彎折成120°，工作時(shí)最低位置為前端成垂直狀態(tài)，此時(shí)夾角最大，最高位置為水平，此時(shí)夾角為零。擺動(dòng)范圍即為棉花高度仿形范圍。仿形板中間較長(zhǎng)，且在中部對(duì)稱(chēng)位置開(kāi)有均布的螺栓孔，可以根據(jù)實(shí)際情況增加或減少螺栓來(lái)增減仿形板質(zhì)量；板材后端有少許弧度，降低對(duì)棉花頂部的損傷。

將仿形板進(jìn)行簡(jiǎn)化稱(chēng)直線進(jìn)行換算，板長(zhǎng)L，則高度變化值Δh=Lsinθ；板長(zhǎng)L取400 mm，仿形高度變化范圍為 300 mm，Δh最大值為300 mm，此時(shí)θ最大值約為49°，寬度根據(jù)打頂設(shè)備扶禾器間距取170 mm，如圖5所示。

2.3有限元仿真

2.3.1軟件選用

分析軟件ABAQUS，整個(gè)有限元模型的建立采用前處理軟件Hypermesh完成，解算器采用Abaqus完成。

2.3.2材料設(shè)定

實(shí)地田間測(cè)量表明，絕大部分機(jī)采棉棉株高度在720～830 mm之間，棉株直徑變化范圍為3～20 mm。建模時(shí)為了保證模型與真實(shí)棉株的相近，取棉株高度 780 mm，棉株根部直徑15 mm，棉株頂端直徑4 mm，將棉株簡(jiǎn)化為線彈性材料。

根據(jù)試驗(yàn)所得彈性模量，擬將棉株分為3段模擬，低端為近地部分，占棉株總長(zhǎng)度35%，取彈性模量5 200 Pa；中間段為棉株總長(zhǎng)度的60%，取彈性模量3 200 Pa；頂部占棉稈總長(zhǎng)度的5%，取彈性模量，1 000 Pa，整株泊松比取0.3。

仿形板導(dǎo)入時(shí)不設(shè)置材料屬性。

2.3.3網(wǎng)格劃分

棉株有限元模型采用實(shí)體單元（八節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8I及四節(jié)點(diǎn)四面體單元C3D4）模擬，直徑從底部15 mm線性變化到末端直徑4mm；仿形板采用殼單元模擬（四節(jié)點(diǎn)四邊形單元S4R及三節(jié)點(diǎn)三角形單元S3R），具體模型見(jiàn)圖6。

2.3.4約束、加載及結(jié)果分析

棉稈的底部為全約束，仿形板鉸接中心RP-1處只保留沿z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，施加重力場(chǎng)，棉稈與仿形板間定義接觸關(guān)系，模擬棉株頂部與仿形板的接觸受力過(guò)程，進(jìn)而得到棉株變形云圖。通過(guò)棉株頂部與仿形板的接觸試驗(yàn)，修改仿形板厚度及材料屬性，得出各條件下的應(yīng)力云圖。通過(guò)對(duì)比分析，最終確定仿形板采用0.3 mm厚鍍鋅鋼板制作。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由控制器、打頂伺服電機(jī)、升降伺服電機(jī)、速度檢測(cè)傳感器等組成，其中控制器是以XLINX公司的XC3S500

[FK（W13][TPPQJ6.tif]

為主控制芯片，其數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快；控制器設(shè)計(jì)有16路的通用輸入輸出接口；4路繼電器輸出；4路PWM輸出；能夠滿足打頂控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能要求。整個(gè)控制系統(tǒng)軟硬件由山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院自行研制。

作業(yè)過(guò)程中仿形裝置檢測(cè)棉花高度，將信號(hào)輸入給 FPGA 控制器；控制器啟動(dòng)打頂伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)切削刀旋轉(zhuǎn)工作，并根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度控制升降伺服電機(jī)響應(yīng)升降時(shí)間，從而精準(zhǔn)的完成打頂作業(yè)。

控制原理是角度變化與電壓變化相對(duì)應(yīng)，+5 V電壓對(duì)應(yīng)90°，控制器通過(guò)電壓變化計(jì)算出棉花高度變化值，實(shí)現(xiàn)棉株高度仿形。角度傳感器選用WYH-3型角度傳感器（北京通磁偉業(yè)傳感技術(shù)有限公司），分辨率小于0.001°，360°可轉(zhuǎn)，正弦輸出，90°線性，無(wú)觸點(diǎn)磨損，壽命長(zhǎng)，可連續(xù)分辨。

4結(jié)果與分析

棉花高度仿形裝置安裝在智能精準(zhǔn)棉花打頂機(jī)上（專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)：CN104186067A），于2015年8月7日在山東省濱州市無(wú)棣縣機(jī)采棉試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了田間試驗(yàn)（圖7）[12]。

[FK（W12][TPPQJ7.tif]

打頂率是指被打下棉頂?shù)拿拗陻?shù)量占處理區(qū)內(nèi)棉株總數(shù)的比例，用%表示，是評(píng)價(jià)棉花打頂機(jī)的重要指標(biāo)之一。田間性能試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

從表1可知，速度在3.24 km/h內(nèi)時(shí)，打頂率較高，能夠較好地完成打頂作業(yè)，速度增加到3.60 km/h時(shí)打頂率下降明顯。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS，對(duì)作業(yè)速度與打頂率進(jìn)行單因素方差分析（表2）可知，速度P=0.001<0.01，差異極顯著，即速度是影響該機(jī)具打頂率的一個(gè)重要因素，進(jìn)而表明作業(yè)速度對(duì)本研究設(shè)計(jì)的仿形裝置影響明顯。

5結(jié)論及建議

試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究提出的仿形板與角度傳感器相結(jié)合的的方案切實(shí)可行，該研究為促進(jìn)棉花打頂機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，確定了作業(yè)速度是影響打頂率極為重要的因素，也是影響仿形裝置的性能的主要因素。對(duì)打頂期內(nèi)的棉花彈性模量的測(cè)定，應(yīng)采用更加先進(jìn)的技術(shù)手段；在作業(yè)速度適應(yīng)方面，應(yīng)該進(jìn)行多因素試驗(yàn)，對(duì)該仿形裝置進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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