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棉花打顶机切割器高度自动控制系统的设计夹具

2020-01-08

目前,制约棉花打顶机发展的主要原因是棉株高度自动检测困难,打顶精度不高。因此,迫切需要研制出打顶精度高、综合性能好的棉花打顶机。而棉花打顶机切割器高度自动控制系统是棉花打顶机的重要组成部分,其工作性能将直接影响整机工作的精度和效率,最终影响到棉花的总产量。切割器过高会出现漏打顶,未能去除棉株的顶端优势,使整株成铃数减少;切割器过低会造成打顶过高,不但增加花蕾的损失率,而且容易使整机作业负荷增大。

3MDZK-12型组控式单行仿形棉花打顶机切割器的离地高度由操作人员通过升降踏板带动不等臂平行四杆机构进行人工调节;而田块地表的起伏不平,棉株的高低都是随机变化的,操作人员只能根据实时观察判断和工作经验进行操纵,造成操作困难,很难满足工作要求。因此,本文根据3MDZK-12型组控式单行仿形棉花打顶机切割器的工作要求,以AT89C52单片机为核心,设计棉株高度自动检测及切割器高度自动控制系统,为提高机具自动化水平提供依据。

1切割器液压控制系统分析1.1切割器高度的液压系统控制原理:2010-03-23基金项目:兵团科技支疆项目(2009Z14)通讯作者:胡斌(1968-),男,湖北英山人,教授,硕士生导师,(E- 3MDZK-12型组控式单行仿形棉花打顶机切割器的液压升降机构示意图,如所示。从中可看出,液压油缸上端与机架固定铰接,下端铰接在滚筒式切割器的连杆支架上,通过液压油缸的长度变化进而控制切割器的高度升降。由单片机进行运算并发出指令,驱动多路换向电磁阀,来自油泵的压力油经多路换向阀进入油缸,使切割器提升或下降到合适位置;当棉花打顶机不工作时,液压油经多路换向阀流回油箱。

本系统选择电液比例方向阀作为控制阀。电液比例方向阀可在不同方向上对负载流量或压力进行连续控制。在实际使用时只需改变阀的控制电流,即可控制阀的输出压力或流量。在棉花打顶机切割器高度控制的液压系统中,加入电液比例方向阀,再加上由单片机及其外围电路组成的控制器,采用PID控制算法构成电液比例控制系统。其液压控制系统简图,如1.2切割器高度与棉株高度之间的相互关系根据棉花打顶的农艺要求,计算出滚筒式切割器中心高度H与棉株高度h之间的相互关系。滚筒式切割器的直径D=400mm11,平均去顶高度为40mm,计算得出H=h+(D/2-40),H=(h+160)mm,如图滚筒式切割器中心离地高度与棉株高度间的关系对该控制系统的要求就是能达到中所示的效果,但是要做到切割器精确地跟踪棉株高低变化对执行器来说是比较困难的,而且过度频繁地调节切割器高度也会增加对整个控制系统和机构的磨损。因此,该控制系统每隔段时间对植株的高度进行次采样,计算输出一次切割器升降的平均高度,保证控制精度在±20mm范围内即可。

2棉株高度及切割器离地高度的自动检测2.1棉株高度的自动检测如果采用接触式传感器检测棉株高度,将会增加棉花收获时的损失率。由于棉花打顶机是在作业过程中对切割器离地高度进行自动调整,且棉花打顶机工作在振动、多尘的环境中,因此传感器应具有适应这种环境的能力。

超声波测距、图像处理探测技术和红外测距是应用较为广泛的非接触检测方法。超声波测距虽然技术不复杂,但其经济成本较高。图像处理探测技术虽然能够较好地探测出靶标的外形,但因其复杂性、稳定性较差、数据处理量较大、响应速度较慢和成本较高等问题,使得此技术大多还处于。对其进行分析简化不难得出其运动位置关系,如(b)图所示。

液压缸杆的伸缩带动滚筒式切割器中心以点为圆心,以oe为半径做圆周摆动运动,其运动轨迹如(b)虚线所示。液压缸杆初始长度为m伸缩量为x,ad杆长度为m +x其中,ab杆,ob杆,od杆,oe杆长度均为已知,分别用11,12,3,4表示,机架高度c长度用乙表示。则有以点为原点,b,c为x轴,轴建立直角坐标系,那么d点的坐标为(os队sing),其运动轨迹函数为根据位置关系,得出以下方程H?切割器中心离地高度;h一机架ab段长度;h一机架b段长度;h一切割器连杆支架d段长度;h一切割器连杆支架e段长度;l5?机架横梁的离地高度;m?液压油缸的初始长度。

因此,只要测出提升液压油缸的当前位置就可以求出切割器当前的离地高度。考虑到液压缸为活塞型液压缸,本文采用电位器电路来检测液压缸的当前位置,如所示2.通过电位器电路将液压油缸的当前位置转换为与之呈一定关系的电压输出。输出电压U是经电位器分压后得到的,当无油压进入时,也即活塞杆零刻度=0;当液压缸达到满量程时U=U;当活塞杆处于任何一位置时,U0 3自动控制系统的硬件设计3.1自动控制系统的硬件构成的当前位置进行测量,按照PID控制算法对测量值进行处理,产生相应的控制信号,驱动电液比例阀动作,从而使切割器跟随棉株的高低而升降。控制系统中主控单元采用8位AT89C52单片机,外围电路包括输入输出信号处理电路等。

3.2单片机系统AT89C52单片机系统内部带有8K的闪存ROM,因此不用外接程序存储器;根据需要扩展8K数据存储器,选用6264芯片。

3.3位置测量及A/D转换电路液压缸位置的测量采用电位器电路。电位器电路输出信号较大,一般不需放大,但带动负载能力不强,接一运算放大器进行阻抗匹配及放大。该电路采用OP07运算放大器对其信号进行匹配放大。放大后的信号输入A/D转换器,转换为数字量送入单片机进行处理。

A/D转换器采用A/D串行芯片TLC1543,该芯片是CMOS、具有11路10位分辨率的开关电容逐次逼近模/数转换器。片内设有自动采样-保持电路,在转换结束时,用“转换结束”信号(EOC)输出端变高来指示转换的完成4. 3.4D/A转换电路该控制系统的执行机构是电液比例方向阀,控制电压为0~10V.单片机的输出信号经过8位D/A转换芯片DAC0832转换,并进行比例放大后,实现对电液比例方向阀的控制5. 4自动控制系统的软件设计根据该自动控制系统的控制要求,整个软件系统由主程序模块、红外检测模块、外部中断模块和通信模块组成,采用C51语言编程。设计思路如下:开机时首先进行系统初始化,启动红外检测系统并对当前的棉株高度值进行测量,将采集到的数据送单片机进行处理,同时位置传感器检测液压缸位置信息,送单片机的RAM存储器;最后单片机对测量到的棉株高度值和液压缸位置信息进行比较运算,根据PID控制算法策略来控制比例放大器,经比例放大器放大,控制液压方向阀的进油和出油,进而控制切割器的升降量,使切割器高度稳定在设定的控制范围内。设计主程序流程图如所示6. 5结语12型组控式单行仿形棉花打顶机的基础上,以AT89C52单片机为核心,设计了棉株高度自动检测以及切割器高度自动控制系统,解决了人工手动控制打顶高度的不足,实现了系统根据红外传感器检测到的棉株高度来自动控制切割器的离地高度,该系统结构简单,容易实现。在3MDZK-12型组控式单行仿形棉花打顶机上应用该控制系统,可使切割器按照棉株高度的变化进行自动调节,提高了棉花生产的自动化水平,降低了农工的劳动强度。

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