高精度農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

黎虹　李光

摘要：針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)精度不夠高、靈敏度較低的難題，提出基于天平原理與不平衡力矩理論相結(jié)合的高精度農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由V型塊、十字刀口、電控升降臺(tái)等構(gòu)成，并通過H系列水平傳感器、高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器實(shí)時(shí)采集相應(yīng)信息，通過采集與通信系統(tǒng)后進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、通信與分析，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的精確性，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的誤差進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施和優(yōu)化方案，提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好和檢測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，有很好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;質(zhì)心;測(cè)量系統(tǒng);機(jī)械系統(tǒng);采集與通信系統(tǒng);控制系統(tǒng);天平原理;不平衡力矩理論

中圖分類號(hào)： S220.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）04-0201-03

質(zhì)心即平均質(zhì)量中心，它是科學(xué)領(lǐng)域計(jì)算中經(jīng)常須要采用的一個(gè)參數(shù)，質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有非常廣泛的應(yīng)用，它為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活及科學(xué)研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其測(cè)量精度的高低直接影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力性能、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性等，因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和更強(qiáng)的研究意義。

通過查閱國內(nèi)外的研究文獻(xiàn)可知，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量設(shè)備大多基于多點(diǎn)稱重法、不平衡力矩法及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量法，其中美國Space Electronics公司利用不平衡力矩原理研制的KSR型質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)心測(cè)量精度可達(dá)到0.020 mm;西安交通大學(xué)以三點(diǎn)稱重法為基礎(chǔ)提出一種自動(dòng)調(diào)平及自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)，其質(zhì)心測(cè)量精度優(yōu)于0.100 mm;鄭州機(jī)械研究所結(jié)合多點(diǎn)稱重法和刀口天平法，設(shè)計(jì)了一種新型質(zhì)心測(cè)量機(jī)構(gòu)，其質(zhì)心測(cè)量精度可達(dá)0.020 mm;中國航天科技集團(tuán)有限公司提出基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量法的質(zhì)心測(cè)量機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用倒置的扭擺平臺(tái)來測(cè)量農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)心，其測(cè)量精度為 0.100 mm[1-4];盡管國內(nèi)學(xué)者在質(zhì)心測(cè)試方法和技術(shù)的研究上有了一些創(chuàng)新和發(fā)展，但測(cè)量精度與國外高水平儀器設(shè)備相比還有一定的差距，存在測(cè)量精度低、穩(wěn)定性差、靈敏度較低等問題，不能滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械姿態(tài)高精度的要求。因此，基于農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量的檢測(cè)需求，本研究綜合傳統(tǒng)測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于天平原理與不平衡力矩理論檢測(cè)質(zhì)量偏心產(chǎn)生的力矩，進(jìn)而測(cè)量農(nóng)業(yè)機(jī)械徑向質(zhì)心的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用十字刀口、V型塊與電控升降臺(tái)結(jié)構(gòu)以及高精度稱質(zhì)量和采集與通信技術(shù)，并配合相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，以期解決農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)精度、靈敏度低和可靠性差的難題。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本研究以天平原理與不平衡力矩理論為依據(jù)，采用V型塊、十字刀口、電控升降臺(tái)、支撐平面等構(gòu)成農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)，并采用H系列水平傳感器、高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器實(shí)時(shí)采集相應(yīng)信息[5]，通過采集與通信系統(tǒng)后進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、通信與分析，進(jìn)而提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和可靠性，其工作原理見圖1。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)，待測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械放置在V型塊2上，V型塊2通過螺栓固定在測(cè)量平臺(tái)3上，測(cè)量平臺(tái)3上端左側(cè)固定有H系列水平傳感器4，H系列水平傳感器4實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的水平度情況;測(cè)量平臺(tái)3下端中部通過螺釘連接固定有十字刀口1，十字刀口1的外端通過爪型支撐架7與電控升降臺(tái)5相接，測(cè)量平臺(tái)3下端左測(cè)設(shè)置有高精度稱質(zhì)量傳感器8，高精度稱質(zhì)量傳感器8與電控升降臺(tái)5相接，電控升降臺(tái)5的下端為支撐平面9，所述支撐平面9通過大升降臺(tái)6與隔振光學(xué)平臺(tái)10連接[6]，該農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量裝置還包括通過立柱固定在隔振光學(xué)平臺(tái)10上的光柵尺位移傳感器11。

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量時(shí)，被測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械放置在固定的V型塊上，通過電控升降臺(tái)的起降控制測(cè)量平臺(tái)上十字刀口的工作，十字刀口的靈敏度很高，不需要移動(dòng)被測(cè)物體即可測(cè)出2個(gè)方向農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心的位置。本系統(tǒng)中的高精度稱質(zhì)量傳感器用來測(cè)量周期性變化的力值;H系列水平傳感器用來檢測(cè)測(cè)量平臺(tái)的水平度;光柵尺位移傳感器用來測(cè)量位移，通過高精度稱質(zhì)量傳感器、H系列水平傳感器和光柵尺位移傳感器的實(shí)時(shí)在線測(cè)量[3，7]，測(cè)量結(jié)果通過采集與通信系統(tǒng)后進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)，即可測(cè)量出農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心位置。

3 采集與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集與通信系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)連接的紐帶，包括運(yùn)動(dòng)控制器、通用串行總線（USB）采集模塊和光柵尺采集卡，該系統(tǒng)可保證數(shù)據(jù)的采集與通信穩(wěn)定可靠。運(yùn)動(dòng)控制器使用以太網(wǎng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用Visual Basic上位機(jī)軟件通過程序控制運(yùn)動(dòng)控制器，進(jìn)而控制電控升降臺(tái)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)通過高精度稱質(zhì)量傳感器、光柵尺位移傳感器和H系列水平傳感器采集到的3個(gè)參數(shù)配合來實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的精確控制。高精度稱質(zhì)量傳感器負(fù)責(zé)采集農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心的偏心量，并將此偏心量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，USB采集模塊將此電信號(hào)進(jìn)行后續(xù)信號(hào)調(diào)理后，通過USB口發(fā)給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。光柵尺位移傳感器將采集到的位移量傳輸至光柵尺采集卡上，光柵尺采集卡實(shí)時(shí)將采集到的信息傳輸至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。H系列水平傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量平臺(tái)的水平度情況，并通過485通信與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接[8-9]。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)使用微軟公司開發(fā)的Visual Basic軟件進(jìn)行軟件編譯和用戶操作界面設(shè)計(jì)，農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)見圖3，其工作流程為農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)初始化成功后，對(duì)電控升降臺(tái)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括速度、最小步距等信息，電控升降臺(tái)的位置確定后，采用H系列水平傳感器檢測(cè)測(cè)量平臺(tái)水平信息，將已知質(zhì)心位置的農(nóng)業(yè)機(jī)械放置在V型塊上，采用高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器采集相應(yīng)的質(zhì)量與距離數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)對(duì)質(zhì)心量進(jìn)行測(cè)量并完成對(duì)已知質(zhì)心農(nóng)業(yè)機(jī)械的標(biāo)定;然后將待測(cè)質(zhì)心農(nóng)業(yè)機(jī)械放置在V型塊上，輸入上次標(biāo)定的數(shù)據(jù)，采用高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器再次采集相應(yīng)的質(zhì)量與距離數(shù)據(jù)，進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)，得到待測(cè)質(zhì)心農(nóng)業(yè)機(jī)械的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算并保存測(cè)量結(jié)果，打印輸出，完成農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量的全過程[10]。

5 農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量模型的建立

農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量模型原理如圖4所示。

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量分布不均，受制造過程中各種誤差的影響而產(chǎn)生偏心，在此種情況下質(zhì)量中心量就是質(zhì)量偏心量。令被測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量為M，半徑為R，稱質(zhì)量傳感器到刀口軸線的距離為L，刀口軸線到農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量中心的距離為s，因加工誤差等原因，假設(shè)在0°位置有一偏心質(zhì)量m，高精度稱質(zhì)量傳感器測(cè)得的力為F1，對(duì)刀口軸線取力矩平衡得

6 提高農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的精度分析

6.1 十字刀口的設(shè)計(jì)

十字刀口是農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵部件，應(yīng)具備以下要求：（1）十字刀口的材料為T10，淬火硬度達(dá)到HRC60，耐磨性、硬度及韌性高;（2）刀口的刃口直線度小于1 μm;（3）刀口支撐面保持完好。

6.2 V型塊的設(shè)計(jì)

V型塊是農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的重要輔助工具，應(yīng)具備以下要求：（1）表面精度等級(jí)為1級(jí)，端面表面粗糙度Ra為0.1 μm;（2）具有足夠的剛度和強(qiáng)度;（3）工作面的長度滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械的測(cè)試要求，以提高定位穩(wěn)定性。

6.3 電控升降臺(tái)的設(shè)計(jì)

本研究農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過上位機(jī)軟件控制運(yùn)動(dòng)控制器，并通過運(yùn)動(dòng)控制器輸出脈沖的方式控制電控升降臺(tái)，電控升降臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方式，其中電控升降臺(tái)為北京天瑞中海精密儀器有限公司的 EVS50-Z 高精度升降臺(tái)，負(fù)載質(zhì)量為500 kg，最小步距為 1 μm，定位精度為2 μm，可用于工作臺(tái)的高精度升降。

7 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)及創(chuàng)新點(diǎn)分析

本農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心位置的理論值為0，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上進(jìn)行加質(zhì)量，所測(cè)得的偏心量就是質(zhì)心值。在本試驗(yàn)過程中，被測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量為18 560 g，高精度稱質(zhì)量傳感器到刀口軸線的距離為150 mm，在被測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的0°位置施加20 g的偏心質(zhì)量，此時(shí)高精度稱質(zhì)量傳感器測(cè)得的力為F1;然后將被測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)高精度稱質(zhì)量傳感器測(cè)得的力為F2，由公式（5）得被測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)心e，農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心的多次測(cè)量結(jié)果見表1，由具體測(cè)量數(shù)據(jù)可知，最大誤差優(yōu)于002 mm，達(dá)到了較高的測(cè)量精度。

本研究提出一種基于天平原理與不平衡力矩理論檢測(cè)質(zhì)量偏心產(chǎn)生的力矩，進(jìn)而測(cè)量農(nóng)業(yè)機(jī)械徑向質(zhì)心的測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行不確定度分析，通過對(duì)V型塊、十字刀口和電控升降臺(tái)的設(shè)計(jì)提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的加工精度和裝配精度，進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差，高精度稱質(zhì)量傳感器提高了測(cè)量精度，采集與通信系統(tǒng)保證了采集與通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，采用最小二乘法[11]將粗大誤差和隨機(jī)誤差進(jìn)行剔除，通過上述方面提高系統(tǒng)精度。

8 結(jié)束語

本研究以農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)心為試驗(yàn)對(duì)象，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種高精度農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用V型塊、十字刀口、電控升降臺(tái)等構(gòu)成農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)，并采用H系列水平傳感器、高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器實(shí)時(shí)采集相應(yīng)信息，通過采集與通信系統(tǒng)后進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、通信與分析，驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的精確性，提出系統(tǒng)的改進(jìn)措施和優(yōu)化方案，進(jìn)而提高測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，完善農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的性能，具有良好的科學(xué)性和實(shí)用性。農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量時(shí)的空間位置測(cè)量會(huì)向著三維測(cè)量的方向發(fā)展，激光作為長度溯源的關(guān)鍵設(shè)備，未來激光跟蹤儀等三維設(shè)備會(huì)逐漸被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)心測(cè)量中。

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