王 磊，劉 巧，張宏文，劉恩博，趙永滿

(石河子大學 a.機械電氣工程學院；b.信息科學與技術(shù)學院，新疆 石河子 832000)

膠棒滾筒采摘頭試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

王 磊a，劉 巧b，張宏文a，劉恩博b，趙永滿a

(石河子大學 a.機械電氣工程學院；b.信息科學與技術(shù)學院，新疆 石河子 832000)

為準確監(jiān)測膠棒滾筒采棉機采摘過程的工作狀態(tài)，揭示膠棒滾筒采摘頭工作機理，研究了各因素對采摘頭采摘性能的影響。在已有的膠棒滾筒采摘頭試驗臺的基礎(chǔ)上，研制出基于LabVIEW虛擬儀器的采摘頭試驗臺測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由驅(qū)動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機3部分組成，可實現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度和風機轉(zhuǎn)速的連續(xù)可調(diào)及其參數(shù)設(shè)定，采摘過程中的滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、風機轉(zhuǎn)速和各電機扭矩及功率的實時采集、顯示與工作狀態(tài)監(jiān)測，并具有數(shù)據(jù)保存功能。試驗表明：測控系統(tǒng)的測量轉(zhuǎn)速差<4%。該研究可為膠棒滾筒采摘頭工作狀態(tài)監(jiān)測、工作機理研究和工作參數(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；測控系統(tǒng)

0 引言

棉花機械化采收季節(jié)性強、收獲期短，在進行新型棉花收獲機采摘頭關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作參數(shù)優(yōu)化和采摘性能試驗時，易受場地、氣候、機械可靠性等外部因素影響，且存在測試部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)不易調(diào)整、測試儀器安裝調(diào)試困難和易受干擾、試驗數(shù)據(jù)測量不便等諸多問題。室內(nèi)臺架試驗條件可控，測試方法先進，測試部件結(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臺是棉花收獲機采摘關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作參數(shù)優(yōu)化和采摘性能優(yōu)化的室內(nèi)專用試驗設(shè)備，可根據(jù)試驗目的開展試驗研究[3]。國內(nèi)外對膠棒滾筒采棉機和類似機型有關(guān)采摘性能試驗研究文獻較少，對采摘頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)對棉花采收性能影響的研究未見報道。

為準確監(jiān)測膠棒滾筒采棉機采摘過程的工作狀態(tài)、揭示膠棒滾筒采摘頭工作機理、研究各因素對采摘頭采摘性能的影響，在已有的膠棒滾筒采摘頭試驗臺的基礎(chǔ)上，研制出基于LabVIEW虛擬儀器的采摘頭試驗臺測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由驅(qū)動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機3部分組成，可實現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度和風機轉(zhuǎn)速的連續(xù)可調(diào)及參數(shù)設(shè)定，采摘過程中的滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、風機轉(zhuǎn)速和各電機扭矩及功率的實時采集、顯示與工作狀態(tài)監(jiān)測，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、工作機理研究和工作參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 試驗臺結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 試驗臺結(jié)構(gòu)

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

1.輸送帶驅(qū)動 2.采摘頭驅(qū)動 3.風機驅(qū)動 4.棉株輸送裝置 5.上位機 6.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀 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臺Fig.1 Test-bed of cotton picking head with rubber-bar roller

試驗時，將預處理過的成熟棉株裝夾在按機采棉種植模式66cm+10cm排列的輸送帶棉株夾具中，啟動上位機并進入膠棒滾筒采摘頭試驗臺測控系統(tǒng)，設(shè)定文件名和保存路徑，并處于“記錄狀態(tài)”；按照試驗計劃，設(shè)定采摘頭滾筒轉(zhuǎn)速、棉株輸送帶轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速；依次開啟采摘頭滾筒電機、風機電機，待試驗臺運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，開啟棉株輸送帶電機，開始棉花采摘試驗。此時，測控系統(tǒng)將通過數(shù)據(jù)采集模塊實時顯示并采集試驗臺輸送帶電機、滾筒電機和風機電機的轉(zhuǎn)速值、扭矩值和功率值。當輸送帶上的棉株運轉(zhuǎn)至輸送帶下部時，依次關(guān)閉棉株輸送帶電機、風機電機及采摘頭滾筒電機，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臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PC機作為上位機，通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊與下位機(變頻器)連接通訊控制驅(qū)動電機運行，并借助K 8514 F/RS485七通道光隔離測頻模塊采集JN338A扭矩傳感器的頻率值輸入到數(shù)據(jù)采集軟件，同時將頻率值經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標準的電壓U信號，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應扭矩值呈線性關(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，測量輸出電壓值，可獲取驅(qū)動電機的扭矩值。

JN338A扭矩傳感器采用測速碼盤實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)速測量，可根據(jù)測速盤齒數(shù)和實測轉(zhuǎn)速的輸出頻率值計算出各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速值n，計算公式為

式中n—電機輸出轉(zhuǎn)速值；

f—實測轉(zhuǎn)速輸出頻率值；

Z—傳感器測速盤齒數(shù)(JN338A測速盤齒數(shù)為60)。

根據(jù)各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速值n和扭矩值T，功率值P的計算公式為

式中T—電機輸出扭矩值；

P—電機輸出功率值；

n—電機輸出轉(zhuǎn)速值。

2 試驗臺測控系統(tǒng)

膠棒滾筒采摘頭試驗臺測控系統(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機作為人機交互平臺，實現(xiàn)試驗臺各驅(qū)動系統(tǒng)控制指令的發(fā)送和實時工作狀態(tài)的監(jiān)測。測控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動控制模塊和上位機等組成，如圖2所示。測控系統(tǒng)是基于LabVIEW軟件開發(fā)的交互式測控程序，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，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。驅(qū)動控制指令代碼按照通訊協(xié)議編寫成命令，由計算機發(fā)出，經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器發(fā)送給變頻器控制電機運行。數(shù)據(jù)采集模塊將由K8514F/RS485測頻模塊獲取的頻率值和經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換器獲取的標準電壓值，并反饋給計算機。

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

2.1 測控系統(tǒng)的硬件組成

膠棒滾筒采摘頭試驗臺測控系統(tǒng)硬件由三相異步電動機、變頻器、扭矩傳感器、測頻模塊、F/V信號轉(zhuǎn)換器及RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊等部分組成。測控系統(tǒng)所選用的硬件技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測控系統(tǒng)硬件技術(shù)參數(shù)

2.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于LabVIEW語言的膠棒滾筒采摘頭試驗臺測控軟件[5-7]，實現(xiàn)PC機與變頻器、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器的通信，主要包括人機交互和應用管理兩個模塊。人機交互模塊是一個交互式程序界面，通過該界面可在PC端設(shè)定及顯示試驗臺驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)。應用管理模塊實現(xiàn)三相異步電動機啟?？刂?、試驗臺實時工作狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和保存等功能。

2.2.1 測控系統(tǒng)控制面板

膠棒滾筒采摘頭驗臺測控系統(tǒng)操作面板主要包括滾筒電動機、輸送帶電動機和風機電動機的啟停、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。試驗時，不僅能實時顯示試驗臺的工作狀態(tài)，而且能夠?qū)﹄妱訖C的速度進行準確控制，同時通過RS485總線采集轉(zhuǎn)速信號和扭矩信號，實時顯示和保存。操作面板界面如圖3所示。

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

2.2.2 電動機驅(qū)動控制程序

測控系統(tǒng)通過電動機驅(qū)動控制程序，實現(xiàn)上位機與下位機的串口通信及各驅(qū)動電動機的啟停控制和變頻速度控制。按照試驗要求，調(diào)整控制面板的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，預先設(shè)定各驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速，依次啟動滾筒電動機、風機電動機和棉株輸送帶電動機，通過控制程序的PID控制策略發(fā)送至變頻器，實現(xiàn)電動機驅(qū)動控制。電動機驅(qū)動控制程序框圖如圖4所示。

圖4 電動機驅(qū)動控制程序框圖Fig.4 Program block diagram of motor drive control

2.2.3 數(shù)據(jù)采集程序

測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用K8514F/RS485七路路隔離測頻模塊，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)速和功率計算公式，計算出各電動機的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率值，在上位機的操作面板上顯示，并生成對應曲線，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、輸送帶電機、風機電機的轉(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 測試

為驗證測控系統(tǒng)的實際應用效果，統(tǒng)收式采棉機的采摘頭采摘速比K值的取值范圍一般為5～12。當K值為5時，采棉機作業(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臺測控系統(tǒng)，以采摘頭滾筒驅(qū)動電機為例，調(diào)整上位機頻率值，發(fā)送給變頻器驅(qū)動采摘頭滾筒電機，再由上位機采集采摘頭滾筒轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速實測值與理論值關(guān)系如表2所示，其轉(zhuǎn)速差均<4%。經(jīng)多次測量，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)準確，系統(tǒng)可靠。

表2 試驗結(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臺測控系統(tǒng)，具有良好的可操作性和人機交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)滾筒電機、輸送帶電機和風機電動機的啟停、轉(zhuǎn)速設(shè)定和控制，為膠棒滾筒棉花收獲裝備的設(shè)計及工作參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

2)試驗臺測控系統(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監(jiān)控膠棒滾筒棉花收獲裝備工作狀態(tài)。

3)對試驗臺測控系統(tǒng)進行測試，測得的轉(zhuǎn)速差均<4%。由此表明，試驗臺測控系統(tǒng)工作性能可靠、測量參數(shù)準確。

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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

國家自然科學基金項目(51605314，50865011)；石河子大學高層次人才科研啟動項目(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，碩士生導師，博士，(E-mail)zhw195959@126.com。

S225.91+1

A

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