膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 磊，劉 巧，張宏文，劉恩博，趙永滿

(石河子大學(xué) a.機(jī)械電氣工程學(xué)院；b.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000)

膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 磊a，劉 巧b，張宏文a，劉恩博b，趙永滿a

(石河子大學(xué) a.機(jī)械電氣工程學(xué)院；b.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000)

為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)膠棒滾筒采棉機(jī)采摘過(guò)程的工作狀態(tài)，揭示膠棒滾筒采摘頭工作機(jī)理，研究了各因素對(duì)采摘頭采摘性能的影響。在已有的膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，研制出基于LabVIEW虛擬儀器的采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)3部分組成，可實(shí)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)可調(diào)及其參數(shù)設(shè)定，采摘過(guò)程中的滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和各電機(jī)扭矩及功率的實(shí)時(shí)采集、顯示與工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并具有數(shù)據(jù)保存功能。試驗(yàn)表明：測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量轉(zhuǎn)速差<4%。該研究可為膠棒滾筒采摘頭工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工作機(jī)理研究和工作參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

膠棒滾筒；采摘頭；采摘性能；LabVIEW；測(cè)控系統(tǒng)

0 引言

棉花機(jī)械化采收季節(jié)性強(qiáng)、收獲期短，在進(jìn)行新型棉花收獲機(jī)采摘頭關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)優(yōu)化和采摘性能試驗(yàn)時(shí)，易受場(chǎng)地、氣候、機(jī)械可靠性等外部因素影響，且存在測(cè)試部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)不易調(diào)整、測(cè)試儀器安裝調(diào)試?yán)щy和易受干擾、試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不便等諸多問(wèn)題。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)條件可控，測(cè)試方法先進(jìn)，測(cè)試部件結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)精確可調(diào)，可有效提高研發(fā)效率和準(zhǔn)確性，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期[1-3]。

膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)是棉花收獲機(jī)采摘關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)優(yōu)化和采摘性能優(yōu)化的室內(nèi)專用試驗(yàn)設(shè)備，可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拈_(kāi)展試驗(yàn)研究[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)膠棒滾筒采棉機(jī)和類似機(jī)型有關(guān)采摘性能試驗(yàn)研究文獻(xiàn)較少，對(duì)采摘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)對(duì)棉花采收性能影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。

為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)膠棒滾筒采棉機(jī)采摘過(guò)程的工作狀態(tài)、揭示膠棒滾筒采摘頭工作機(jī)理、研究各因素對(duì)采摘頭采摘性能的影響，在已有的膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，研制出基于LabVIEW虛擬儀器的采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)3部分組成，可實(shí)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)可調(diào)及參數(shù)設(shè)定，采摘過(guò)程中的滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和各電機(jī)扭矩及功率的實(shí)時(shí)采集、顯示與工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并具有數(shù)據(jù)保存功能。該研究可為膠棒滾筒采摘頭工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工作機(jī)理研究和工作參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)主要由棉株輸送裝置、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和上位機(jī)等組成。膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2-4]。

1.輸送帶驅(qū)動(dòng) 2.采摘頭驅(qū)動(dòng) 3.風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 4.棉株輸送裝置 5.上位機(jī) 6.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x 7.變頻器控制柜 8.串口總線及電纜線圖1 膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Test-bed of cotton picking head with rubber-bar roller

試驗(yàn)時(shí)，將預(yù)處理過(guò)的成熟棉株裝夾在按機(jī)采棉種植模式66cm+10cm排列的輸送帶棉株夾具中，啟動(dòng)上位機(jī)并進(jìn)入膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，設(shè)定文件名和保存路徑，并處于“記錄狀態(tài)”；按照試驗(yàn)計(jì)劃，設(shè)定采摘頭滾筒轉(zhuǎn)速、棉株輸送帶轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；依次開(kāi)啟采摘頭滾筒電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)，待試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，開(kāi)啟棉株輸送帶電機(jī)，開(kāi)始棉花采摘試驗(yàn)。此時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)將通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)顯示并采集試驗(yàn)臺(tái)輸送帶電機(jī)、滾筒電機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值、扭矩值和功率值。當(dāng)輸送帶上的棉株運(yùn)轉(zhuǎn)至輸送帶下部時(shí)，依次關(guān)閉棉株輸送帶電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)及采摘頭滾筒電機(jī)，完成數(shù)據(jù)保存。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理

膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PC機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊與下位機(jī)(變頻器)連接通訊控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并借助K 8514 F/RS485七通道光隔離測(cè)頻模塊采集JN338A扭矩傳感器的頻率值輸入到數(shù)據(jù)采集軟件，同時(shí)將頻率值經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓U信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)采集軟件。

由于JN338A扭矩傳感器輸出的扭矩頻率值與對(duì)應(yīng)扭矩值呈線性關(guān)系，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換的扭矩輸出電壓與輸入頻率也呈線性關(guān)系，測(cè)量輸出電壓值，可獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩值。

JN338A扭矩傳感器采用測(cè)速碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量，可根據(jù)測(cè)速盤(pán)齒數(shù)和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的輸出頻率值計(jì)算出各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值n，計(jì)算公式為

式中n—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速值；

f—實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速輸出頻率值；

Z—傳感器測(cè)速盤(pán)齒數(shù)(JN338A測(cè)速盤(pán)齒數(shù)為60)。

根據(jù)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值n和扭矩值T，功率值P的計(jì)算公式為

式中T—電機(jī)輸出扭矩值；

P—電機(jī)輸出功率值；

n—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速值。

2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集模塊和串口總線相結(jié)合的硬件模式。以基于LabVIEW的PC機(jī)作為人機(jī)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制指令的發(fā)送和實(shí)時(shí)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。測(cè)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊和上位機(jī)等組成，如圖2所示。測(cè)控系統(tǒng)是基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的交互式測(cè)控程序，采用RS232串口總線技術(shù)，采用平衡發(fā)送和差分接收的方式傳輸信號(hào)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)控制指令代碼按照通訊協(xié)議編寫(xiě)成命令，由計(jì)算機(jī)發(fā)出，經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器發(fā)送給變頻器控制電機(jī)運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集模塊將由K8514F/RS485測(cè)頻模塊獲取的頻率值和經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換器獲取的標(biāo)準(zhǔn)電壓值，并反饋給計(jì)算機(jī)。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)框圖Fig.2 Measurement and control system diagram

2.1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成

膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件由三相異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、扭矩傳感器、測(cè)頻模塊、F/V信號(hào)轉(zhuǎn)換器及RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊等部分組成。測(cè)控系統(tǒng)所選用的硬件技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)控系統(tǒng)硬件技術(shù)參數(shù)

2.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW語(yǔ)言的膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件[5-7]，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與變頻器、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器的通信，主要包括人機(jī)交互和應(yīng)用管理兩個(gè)模塊。人機(jī)交互模塊是一個(gè)交互式程序界面，通過(guò)該界面可在PC端設(shè)定及顯示試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。應(yīng)用管理模塊實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)啟?？刂?、試驗(yàn)臺(tái)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和保存等功能。

2.2.1 測(cè)控系統(tǒng)控制面板

膠棒滾筒采摘頭驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)操作面板主要包括滾筒電動(dòng)機(jī)、輸送帶電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速設(shè)定和控制、扭矩和轉(zhuǎn)速曲線顯示和數(shù)據(jù)采集的功能。試驗(yàn)時(shí)，不僅能實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)臺(tái)的工作狀態(tài)，而且能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，同時(shí)通過(guò)RS485總線采集轉(zhuǎn)速信號(hào)和扭矩信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示和保存。操作面板界面如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of measurement and control system

2.2.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序

測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信及各驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟?？刂坪妥冾l速度控制。按照試驗(yàn)要求，調(diào)整控制面板的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，預(yù)先設(shè)定各驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，依次啟動(dòng)滾筒電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和棉株輸送帶電動(dòng)機(jī)，通過(guò)控制程序的PID控制策略發(fā)送至變頻器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序框圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序框圖Fig.4 Program block diagram of motor drive control

2.2.3 數(shù)據(jù)采集程序

測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用K8514F/RS485七路路隔離測(cè)頻模塊，采集JN338A扭矩傳感器的頻率值，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得出頻率和電壓的關(guān)系。根據(jù)文中1.2節(jié)的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率計(jì)算公式，計(jì)算出各電動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率值，在上位機(jī)的操作面板上顯示，并生成對(duì)應(yīng)曲線，完成數(shù)據(jù)采集和保存。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.5 Program block diagram of data acquisition

2.2.4 數(shù)據(jù)保存程序

數(shù)據(jù)保存程序先將滾筒電機(jī)、輸送帶電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率數(shù)據(jù)打包，生成數(shù)組，再與獲取的日期時(shí)間參數(shù)連接，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成電子表格數(shù)據(jù)，添加存放到指定的文件中完成保存。圖6為數(shù)據(jù)保存程序的程序框圖。

圖6 數(shù)據(jù)保存程序框圖Fig.6 Program block diagram of data preservation

3 測(cè)試

為驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，統(tǒng)收式采棉機(jī)的采摘頭采摘速比K值的取值范圍一般為5～12。當(dāng)K值為5時(shí)，采棉機(jī)作業(yè)速度(即棉株輸送帶速度)0.7～1.2m/s，滾筒轉(zhuǎn)速n取320～560r/min[3-4，8]。借助調(diào)試完成的膠棒滾筒采摘頭試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，以采摘頭滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，調(diào)整上位機(jī)頻率值，發(fā)送給變頻器驅(qū)動(dòng)采摘頭滾筒電機(jī)，再由上位機(jī)采集采摘頭滾筒轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值與理論值關(guān)系如表2所示，其轉(zhuǎn)速差均<4%。經(jīng)多次測(cè)量，系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)可靠。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

4 結(jié)論

1)利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)研制了一套可用于膠棒滾筒采摘頭采摘性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，具有良好的可操作性和人機(jī)交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)滾筒電機(jī)、輸送帶電機(jī)和風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速設(shè)定和控制，為膠棒滾筒棉花收獲裝備的設(shè)計(jì)及工作參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

2)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速和功率曲線顯示，以及數(shù)據(jù)采集和保存功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控膠棒滾筒棉花收獲裝備工作狀態(tài)。

3)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的轉(zhuǎn)速差均<4%。由此表明，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)工作性能可靠、測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確。

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Design of Measure and Control System for Test-bed of Cotton Picking Head with Rubber-bar Roller

Wang Leia, Liu Qiaob, Zhang Hongwena, Liu Enbob, Zhao Yongmana

(Shihezi University, a.College of Mechanical Electrical Engineering; b.College of Information Science and Technology，Shihezi 832000，China)

To precisely monitor working conditon of picker picking process having rubber-bar roller, reveal operational principle of picking head with rubber-bar roller, and study the effect of factors on picking performance of picking head. a measure and control system for test-bed of cotton picking head with rubber-bar roller was designed based on LabVIEW. The system, mainly including drive control system, data collection system and upper-computer, can achieve the roller speed, conveyor speed and fan speed continuously adjustable and parameter settings, do real-time acquisition, display and working status monitoring of roller and conveyor speed, torque and power during picking, and have data preservation function. Measure and control system has speed difference <4% according to the test. This provides the theoretical basis and technical support for the monitoring of working state, work mechanism and optimization of working parameters for picker having rubber-bar roller.

roller with rubber stick; picking head; picking performance; labVIEW; measure and control system

2016-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51605314，50865011)；石河子大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(RCZX201309)

王 磊(1983-),男，山東滕州人，講師，碩士，(E-mail)wl_mac@shzu.edu.cn。

張宏文(1969-)，男，山東東明人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)zhw195959@126.com。

S225.91+1

A

1003-188X(2018)02-0090-05