聯(lián)合收割機高位卸糧自動化控制系統(tǒng)設(shè)計*

蔣建東，李聰聰，毛智琳，章恩光

(1.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310017；2.星光農(nóng)機股份有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引 言

在聯(lián)合收割機作物過程中，卸糧是一個重要流程，其速度關(guān)系著聯(lián)合收割機的工作效率。高位卸糧主要是卸糧筒和內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)攪龍配合，將收割機糧倉內(nèi)的谷物輸送到一定高度的卸糧口處，通過卸糧口對準卸糧平臺輸出谷物。相對傳統(tǒng)卸糧方式，高位卸糧有卸糧范圍大、角度多、支持行走卸糧等優(yōu)點。

近年來，國內(nèi)外開展了聯(lián)合收割機高位卸糧自動化系統(tǒng)的研究[1-7]。孫新華、孟憲成等人[8]提出了一種散裝汽車卸糧平臺，根據(jù)作業(yè)需要調(diào)節(jié)高度和控制流量，有效減少了糧食的落地和拋撒；郭興、王海鷹等人[9]提出一種基于PLC的大型散糧筒倉控制系統(tǒng)，提高了散糧筒倉控制系統(tǒng)的通用性和可靠性。當前的聯(lián)合收割機卸糧的自動化水平低，大多采用復雜的人工手柄式操作，卸糧效率和準確性低。

為實現(xiàn)聯(lián)合收割機卸糧的自動化，本文提出一種聯(lián)合收割機高位卸糧自動化控制系統(tǒng)，進行二自由度機構(gòu)作業(yè)任務操作邏輯秩序優(yōu)化、最小數(shù)量位置感應傳感器系統(tǒng)和傻瓜式自動操作控制算法設(shè)計以及高位卸糧自動化控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)[10]，并通過控制實驗驗證。

1 高位卸糧機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)及運動分析

高位卸糧機構(gòu)的3D結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高位卸糧機構(gòu)3D示意圖

整個卸糧機構(gòu)的運動模式可以簡化為具有兩個自由度，水平旋轉(zhuǎn)角度和升降傾角。當聯(lián)合收割機糧倉儲滿或者有卸糧要求時，通過工作人員的控制自動或者手動使出糧口到達指定位置，將糧食輸送到卸糧平臺，完成載糧任務。

高位卸糧機構(gòu)運動原理圖如圖2所示。

圖2 高位卸糧機構(gòu)運動原理圖

以整個卸糧機構(gòu)最低點(即與糧箱接觸點)為原點，桿O-A-B-C就是整個卸糧機構(gòu)在三維坐標系中的簡化桿，OA垂直于AB,AB垂直于BC，OA=1 644 mm，AB=420.5 mm，BC=3 755 mm，C端是卸糧口。在此坐標系中，卸糧口C的理想位置用坐標來表示為(X,Y,Z)=(3 755,420.5,1 644)。整個機構(gòu)有兩個方向的自由度：(1)BC桿提升角度α；(2)OA繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度β。

實際簡化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高位卸糧簡化結(jié)構(gòu)

初始位置的機構(gòu)為O-A-C，0A=420.5 mm,AC=3 755 mm,交Y軸于點N，∠AON=10°為實際機構(gòu)初始偏轉(zhuǎn)角度，∠AOB=100°即為機構(gòu)所定的旋轉(zhuǎn)角β。C點為卸糧口初始點，其坐標(ZC=1 644)為：

|ON|=|OA|/cos(∠AON)=420.5/cos10°=427
|AN|=|OA|·tan(∠AON)=420.5/tan10°=74
|NC|=|AC|-|AN|=3 755-74=3 681
|MN|=|NC|·cos(∠MNC)=3 681/cos80°=639
|MC|=|NC|·sin(∠MNC)=3 681/sin80°=3 625

XC=|MC|=3625;YC=ON+MN=
427+639=1 066

(1)

卸糧位置的機構(gòu)為O-B-Z，|OB|=420.5 mm,|BZ|=3 755 mm,顯然Z點作為卸糧口目標點其坐標為(XZ,YZ)=(420.5,-3 755)(Z=1 644)。所以，可得目標點與初始點的距離為：

(2)

2 控制系統(tǒng)平臺及硬件架構(gòu)

卸糧機構(gòu)的自動操作由操作人員控制水平驅(qū)動電機和垂直驅(qū)動油缸，實現(xiàn)機構(gòu)空間運動及姿態(tài)，保證卸糧點C到達預定卸糧空間位置，完成卸糧任務。其中包括一鍵發(fā)出宏指令，實現(xiàn)卸糧口C自動運動到目標位置進行卸糧，以及一鍵收回宏指令集，實現(xiàn)卸糧結(jié)束后卸糧機構(gòu)自動返回到初始位置和狀態(tài)。

其控制系統(tǒng)硬件總體方案如圖4所示。

圖4 高位卸糧機構(gòu)自動控制系統(tǒng)總體方案

筆者采用人工按鍵進行控制操作，并根據(jù)運動功能分析，主要需要限制最高、最低、最左、最右4個機構(gòu)的極限位置。本文采用4個接近開關(guān)(傳感器)，將其信號連接到51單片機上，4個接近開關(guān)分別兩兩安裝在能夠測量到卸糧筒水平旋轉(zhuǎn)和升降位置信息的適當位置。根據(jù)目標位置要求，通過預先設(shè)置好接近開關(guān)的位置參數(shù)，確定了卸糧筒的上、下、左、右4個極限位置，當運動到極限位置時，接近開關(guān)觸發(fā)信息傳入單片機分析處理，發(fā)出控制信息通過繼電器控制電機或者電磁閥控制液壓油缸啟停工作而進行下一步過程，最終使得卸糧口停在指定位置。

控制系統(tǒng)單片機部分是整個控制電路設(shè)計的中樞部分，主要包括電源、信號輸入、單片機MCU、繼電器輸出以及狀態(tài)信號等5部分，其原理電路和實物如圖5所示。

圖5 高位卸糧機構(gòu)自動控制器電路原理

3 自動控制程序及流程圖

控制系統(tǒng)分為手動控制和自動控制兩種模式，其流程如圖6所示。

圖6 自動控制程序流程圖

具體流程為：自動控制模式下分為一鍵發(fā)出和一鍵返回兩種命令，一鍵發(fā)出命令發(fā)出后，首先控制器控制液壓油缸運動，推動第二糧筒抬升，觸發(fā)接近開關(guān)4發(fā)出信號，控制器接收信號后控制油缸停止運動，然后控制器再發(fā)出控制驅(qū)動電機運動的信號，驅(qū)動電機帶動第一糧筒開始向左運轉(zhuǎn)，直到觸發(fā)接近開關(guān)1。接近開關(guān)1發(fā)出信號，控制器接受信號后控制東區(qū)點擊停止運轉(zhuǎn)，高位卸糧筒到達工位點，開始卸糧工作。卸糧結(jié)束后，按下一鍵發(fā)出命令按鈕，控制器控制驅(qū)動電機向右轉(zhuǎn)動，帶動第一、二糧筒轉(zhuǎn)動，觸發(fā)接近開關(guān)3，接近開關(guān)3發(fā)出信號，接收器接收到信號后控制驅(qū)動電機停止運轉(zhuǎn)，然后控制器發(fā)出信號控制油缸向下運動，帶動第二糧筒運轉(zhuǎn)，直到觸發(fā)接近開關(guān)2，接近開關(guān)2發(fā)出信號，控制器接收到信號后，發(fā)出命令控制油缸停止運轉(zhuǎn)，高位卸糧筒到達初始位置，完成整個卸糧過程。

根據(jù)實際情況，操作人員需要對糧筒的位置進行微調(diào)時，進入手動調(diào)節(jié)模式。向上抬升第二糧筒，觸發(fā)接近開關(guān)4時無法繼續(xù)向上運動；向下降低第一糧筒，觸發(fā)接近開關(guān)2時無法繼續(xù)向下運動；順時針調(diào)節(jié)第一糧筒，觸發(fā)接近開關(guān)1時無法繼續(xù)順時針運動；逆時針調(diào)節(jié)第一糧筒，觸發(fā)接近開關(guān)3時無法繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)。以上功能是為了避免糧筒超調(diào)相撞造成機械損壞。

4 卸糧機構(gòu)自動化控制系統(tǒng)測試

為了測定高位卸糧自動化控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在星光4LZ-5.0Z履帶式自走式全喂入聯(lián)合收割機進行實驗驗證。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過傳輸單元傳輸?shù)缴衔粰C界面上，如圖7所示。

圖7 高位卸糧機構(gòu)自動控制測試軟件界面

傳輸單元數(shù)據(jù)通過串行通訊接口實時發(fā)送到上位機，在上位機軟件界面上顯示，并以文本的形式存儲數(shù)據(jù)。上位機界面分別包括傳輸協(xié)議設(shè)定部分、糧筒2的上升高度、糧筒1的旋轉(zhuǎn)角度、接近開關(guān)1～4的閉合狀態(tài)等數(shù)據(jù)的顯示。

經(jīng)過多次的現(xiàn)場測試與調(diào)整，本文設(shè)計的高位卸糧機構(gòu)自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)卸糧任務的自動化操作，并能實現(xiàn)卸糧機構(gòu)的一鍵發(fā)出和一鍵收回的宏指令自動化操作。機構(gòu)位置與自動執(zhí)行時間測試數(shù)據(jù)如圖(8,9)所示。

圖8 糧筒2的高度變化

圖9 糧筒1的角度變化

通過機構(gòu)一鍵式自動操作與人工機械手柄操作對比測試結(jié)果顯示：控制系統(tǒng)發(fā)出一鍵發(fā)出命令后，糧筒2首先向上抬升，然后糧筒1順時針旋轉(zhuǎn)，糧筒2上升的高度約2 000 mm，糧筒1旋轉(zhuǎn)的角度約150°，整個過程大約用時5.3 s，相比于人工調(diào)節(jié)用時25 s，時間降低了4倍，卸糧作業(yè)操作效率得到了較大的提升。

5 結(jié)束語

針對聯(lián)合收割機人工卸糧效率低下問題，本研究提出了一種履帶式聯(lián)合收割機高位卸糧自動化控制系統(tǒng)，并針對系統(tǒng)的操作效果和穩(wěn)定性，在星光4LZ-5.0Z履帶式自走全喂入聯(lián)合收割機上進行了實驗驗證。

實驗結(jié)果表明：相比于人工調(diào)節(jié)用時，自動卸糧機構(gòu)操作用時降低了4倍，且具有效率高、可靠性好等優(yōu)點。