姚愷涵，陳文滔，沈杰知

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350028）

基于Arduino的菌草切割試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

姚愷涵，陳文滔，沈杰知

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350028）

設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)刀具角度的菌草切割試驗(yàn)臺(tái)，并以Arduino做為核心控制器件開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)也能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)在切割過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速，可以為進(jìn)一步的菌草切割機(jī)的研發(fā)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

Arduino；巨菌草；切割器；試驗(yàn)臺(tái)

巨菌草（JUNCAO）是一種具有綜合開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的草本植物，主要適宜用于栽培食用菌、藥用菌。菌草的篩選需要經(jīng)過(guò)科學(xué)試驗(yàn)，以保證菌草所栽培的食（藥）用菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量符合有機(jī)食品、綠色食品的標(biāo)準(zhǔn)[1]。隨著菌業(yè)的迅猛發(fā)展，菌草種植面積也不斷地?cái)U(kuò)大，實(shí)施菌草機(jī)械化收割，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，提高資源利用率等具有直接推動(dòng)作用，因此有必要開(kāi)展菌草切割相關(guān)方面的試驗(yàn)?；诖?，文章設(shè)計(jì)了一種采用Arduino為核心控制器件的試驗(yàn)臺(tái)，以測(cè)試在不同轉(zhuǎn)速和切削速度下的切割力，為后續(xù)設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)多自由度單圓盤(pán)式切割實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究在不同刀具、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、切入角度、推進(jìn)速度下對(duì)巨菌草莖稈的切割力和切割效果的影響，從而得到收割巨菌草莖稈的高效低能耗方式[2]。

1 菌草切割試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 切割器的選擇

圓盤(pán)式切割裝置，運(yùn)動(dòng)時(shí)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)、振動(dòng)小，因此切割速度高、切割力大，并以此減少切割時(shí)間和切割時(shí)的阻力。由于可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整切割角度，使得切割表面較平整、刀具不易折斷、切割能力強(qiáng)，對(duì)于表皮比較堅(jiān)硬的作物具有很好的收割能力。通常表皮比較堅(jiān)硬的作物如甘蔗、菌草的作物都使用圓盤(pán)式切割裝置。

圓盤(pán)鋸是巨菌草切割機(jī)的主要工作部件，圓盤(pán)鋸的覆蓋面積應(yīng)大于巨菌草的叢生面積，根據(jù)實(shí)地考察巨菌草種植基地，發(fā)現(xiàn)巨菌草的叢生面積在300～350mm之間。因此取圓盤(pán)鋸的直徑為350mm，厚度為3mm，鋼材選用65Mn，表1是圓盤(pán)鋸的主要參數(shù)。

表1 圓盤(pán)鋸的主要參數(shù)

1.2 調(diào)角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求在切割過(guò)程中，能夠調(diào)整刀具與莖稈的相對(duì)角度，從而可以研究不同切割角度下的切割力。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中采用圖1所示的裝置實(shí)現(xiàn)切割角度的調(diào)整和鎖定。如圖所示通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄，改變連接桿件的長(zhǎng)度，以達(dá)到調(diào)節(jié)傾角的目的。調(diào)整到適合的角度時(shí)，將緊定螺釘鎖緊，可鎖定切割角度進(jìn)行切割。設(shè)計(jì)中選用牙型角α=60°的普通三角螺紋，自鎖性能好，強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割試驗(yàn)臺(tái)如圖所示，圓盤(pán)鋸片通過(guò)雙螺母鎖定在刀軸上，刀軸通過(guò)彈性聯(lián)軸器與扭矩傳感器聯(lián)結(jié)，扭矩傳感器的另一端則通過(guò)彈性聯(lián)軸器和電機(jī)輸出軸聯(lián)結(jié)。整個(gè)軸向部件安裝在支架上，支架由調(diào)角機(jī)構(gòu)與機(jī)架聯(lián)結(jié)。

綜合尺寸、重量及切割時(shí)強(qiáng)度等多方面考慮，機(jī)架選用20mm×20mm的鋁合金型材，刀軸選用普通的45鋼。

圖1 切割試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

安裝在電機(jī)軸上的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器不僅能夠測(cè)量切削過(guò)程中的扭矩，同時(shí)也能測(cè)量電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)臺(tái)選用的是YH502動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，該傳感器采用了應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非接觸電源供電與信號(hào)輸出，具有精度高性能穩(wěn)定可靠量程范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

考慮到直流無(wú)刷電機(jī)具有體積小、工作可靠、調(diào)速可靠等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)臺(tái)選用最大轉(zhuǎn)速為4500r/min，最大扭矩為10Nm，額定功率為500W的直流無(wú)刷電機(jī)。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)要求能夠在計(jì)算機(jī)界面上啟動(dòng)和停止切割電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)工作需求自行設(shè)置，比如可以完成一個(gè)典型的工況，即電機(jī)按以下3個(gè)階段運(yùn)行：第1階段加速；第2階段恒速；第3階段減速。控制系統(tǒng)的上位機(jī)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示切削過(guò)程中的切削力和轉(zhuǎn)速[4]。

MATLAB是用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，而Arduino開(kāi)發(fā)板是一種越來(lái)越受到歡迎的開(kāi)源硬件。因此結(jié)合本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的要求，采用Arduino作為核心控制器件，且利用MATLAB軟件編寫(xiě)上位機(jī)界面。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

巨菌草實(shí)驗(yàn)材料取自福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究中心，選取生長(zhǎng)良好的巨菌草植株100株，采集高度在距地面約為80mm的收割區(qū)的一整節(jié)莖稈，稈徑為15～30mm范圍，試樣直徑按間隔5mm分為5組。試樣要求通直、無(wú)蟲(chóng)害、無(wú)明顯缺陷、表皮無(wú)損傷或開(kāi)裂。

對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和切割角度進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為500、1000、2000、3000、4000r/min，切割角度為0、5、10、15、20°一共做25組實(shí)驗(yàn)，每組做五次實(shí)驗(yàn)。為方便起見(jiàn)，將扭矩傳感器的數(shù)據(jù)折算成切割力，并選擇穩(wěn)定區(qū)域的值作為切割力值[3]。折算后，典型的動(dòng)態(tài)切割力曲線如圖所示。

圖3 動(dòng)態(tài)切割力曲線

以試驗(yàn)因素的水平作為橫坐標(biāo)，切割力為縱坐標(biāo),繪制趨勢(shì)圖可用于分析該試驗(yàn)因素對(duì)相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響趨勢(shì)[4]。由圖4可以看出試驗(yàn)臺(tái)切割速度越大，切割力越小。隨著切割器角度的增加切割力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。最佳切割角度在15°附近，最佳參數(shù)組合為切割速度4000r/min，切割角度為15°，切割力最小平均值為113N。

圖4 不同切割角度的切割力

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的切割力

3 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整刀具切割角度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用Arduino為核心控制器件，可以通過(guò)上位機(jī)界面控制切割速度，能將切割過(guò)程的中速度、扭矩等信號(hào)采集，并顯示在上位機(jī)界面?；谠O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同轉(zhuǎn)速和切割角度下，切割菌草所需的切割力，為后續(xù)的山地菌草設(shè)備開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)[5]。

[1]謝焰鋒，許林，戢小梅，陳法志，羅梓珊，王湛昌.巨菌草單寧成分的提取和測(cè)定[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2015（17）:4250-4252.

[2]林興生，林占熺，林冬梅，林輝，羅海凌，胡應(yīng)平，林春梅，朱朝枝.菌草作為生物質(zhì)燃料的初步研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),2013，33（1）:82-86.

[3]廖宜濤，廖慶喜，田波平，舒彩霞，王靜，馬愛(ài)麗.收割期蘆竹底部莖稈機(jī)械物理特性參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23（4）:124-129.

[4]趙春花，張鋒偉，曹致中.豆禾牧草莖稈的力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25（9）:122-126.

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10.3969/j.issn.1007-550X.2017.04.006

2017-03-18

姚愷涵（1995- ），男，福建省龍海市人，在校本科生，主要學(xué)習(xí)研究的方向?yàn)榛贏rduino單片機(jī)的控制。