宋 歡，王維新，李 霞，沈曉晨，程福祥，閆毅敏

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

棉花機(jī)械打頂工作是棉花實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]，對(duì)棉花的豐產(chǎn)起著關(guān)鍵的作用。目前，從最初的馬拉式棉花打頂機(jī)[2]到現(xiàn)在的各種自適應(yīng)棉花打頂機(jī)，經(jīng)過歷次國(guó)內(nèi)外技術(shù)改進(jìn)[3-6]，已基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。然而，棉花打頂需要在不破壞棉株自然生長(zhǎng)狀態(tài)的前提下進(jìn)行[7-11]，其要求遠(yuǎn)在一般自動(dòng)化程度之上，對(duì)棉花高度的識(shí)別和升降一直存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[12-13]。

制約當(dāng)前棉花打頂機(jī)[14-18]可靠性的關(guān)鍵之一在于根據(jù)棉株的農(nóng)藝要求進(jìn)行即時(shí)的仿形升降[19-22]。常用的升降平臺(tái)可以利用氣動(dòng)、液動(dòng)或電動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由石河子大學(xué)研制的3MD-12型棉花打頂機(jī)[15-16]采用的就是拖拉機(jī)后懸掛液壓升降的工作方式。該機(jī)型雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了刀具的升降，但由于誤差較大導(dǎo)致打頂效果不佳。周海燕[6]等采用激光傳感器結(jié)合液壓油缸設(shè)計(jì)出3WDZ-6型自走式棉花打頂機(jī)，雖然誤差不大，但忽略了系統(tǒng)響應(yīng)性，且成本高。目前看來，液壓作為升降機(jī)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)形式[23-25]，具有可以頻繁啟動(dòng)、載重量大的優(yōu)點(diǎn)，但其控制系統(tǒng)比較繁雜，在棉花打頂機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，由于控制系統(tǒng)所要求的即時(shí)性和精準(zhǔn)度很高，使用液壓式升降已無法達(dá)到令人滿意的效果。為了解決這些問題，本文采用直線步進(jìn)電機(jī)作為升降系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，基于步進(jìn)升降原理設(shè)計(jì)了新型棉花打頂機(jī)的升降控制系統(tǒng)。通過棉花打頂機(jī)的升降控制試驗(yàn)可以看出：基于步進(jìn)升降的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)度高、即時(shí)性強(qiáng)、無污染和成本低等優(yōu)點(diǎn)，有效地改善了升降機(jī)構(gòu)的實(shí)用性，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)棉花打頂機(jī)提供了新的思路。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

棉花打頂機(jī)主要由機(jī)架、懸掛裝置、步進(jìn)升降裝置、行走裝置、免分禾滑動(dòng)打頂裝置和工業(yè)相機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。懸掛裝置由減震懸掛架和斜拉架構(gòu)成，減震懸掛架設(shè)在機(jī)架前部。步進(jìn)升降裝置由直線步進(jìn)電機(jī)裝置、軸承、吊環(huán)、滑輪桿和滑輪構(gòu)成：直線步進(jìn)電機(jī)裝置設(shè)在機(jī)架內(nèi)側(cè)，軸承設(shè)在直線步進(jìn)電機(jī)裝置下部，吊環(huán)設(shè)在軸承下部，軸承與直線步進(jìn)電機(jī)裝置和吊環(huán)相連，滑輪桿與吊環(huán)接合，滑輪設(shè)在滑輪桿兩端；行走裝置由旋轉(zhuǎn)板、彈簧、地輪及行走架構(gòu)成；免分禾滑動(dòng)打頂裝置由滾動(dòng)絲桿步進(jìn)電機(jī)裝置和滑動(dòng)軌道構(gòu)成：滾動(dòng)絲桿步進(jìn)電機(jī)裝置設(shè)在機(jī)架的下部，由兩臺(tái)絲桿步進(jìn)電機(jī)、滾動(dòng)絲桿、絲桿軸承、連軸桿及限位開關(guān)構(gòu)成，限位開關(guān)設(shè)在連軸桿頂端；滑動(dòng)軌道設(shè)在絲桿步進(jìn)電機(jī)裝置前部。打頂裝置由異步電機(jī)、滾動(dòng)環(huán)、電機(jī)座、電機(jī)軸、電機(jī)軸承、打頂?shù)?、定滑輪及滑軸構(gòu)成，異步電機(jī)設(shè)在電機(jī)座中，電機(jī)軸設(shè)在電機(jī)座下部，打頂?shù)对O(shè)在電機(jī)軸下部。

1.懸掛架 2.直線步進(jìn)電機(jī) 3.軸承 4.仿形行走地輪5.絲桿步進(jìn)電機(jī) 6.滑輪桿 7.滑動(dòng)軌道 8.工業(yè)相機(jī) 9.機(jī)架

1.2 總體設(shè)計(jì)

棉花打頂機(jī)的升降控制系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制器為核心，當(dāng)通入的交流電經(jīng)過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)闹绷骺刂齐妷簳r(shí)，將驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)使能端分別與控制器各軸的脈沖端相連，直線電機(jī)引出線端與開關(guān)電源相連；通過控制直線步進(jìn)電機(jī)速度，導(dǎo)桿將以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)，加以控制直線電機(jī)的方向，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)從多速正反轉(zhuǎn)到導(dǎo)桿上下升降的自如轉(zhuǎn)變過程；在導(dǎo)桿上下升降過程中，其底端所嵌套的軸承將帶動(dòng)方鋁和滑塊共同隨著導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)保持同步。根據(jù)棉花生長(zhǎng)的農(nóng)藝要求，考慮到棉株頂端莖部的粗細(xì)不一，故利用變速打頂?shù)姆绞綄?duì)不同粗細(xì)的棉花頂端進(jìn)行切割，即棉莖較細(xì)時(shí)采用低速切割，棉莖較粗時(shí)采用高速切割。總體機(jī)架由控制器進(jìn)行編程并發(fā)出命令，直線電機(jī)執(zhí)行升降任務(wù)，變速打頂裝置實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到精確導(dǎo)程定位并打頂?shù)哪康摹?/p>

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 主要硬件部分

直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器是構(gòu)成棉花打頂機(jī)升降系統(tǒng)不可分割的三大部分[26]。

棉花打頂?shù)膶?shí)際精度要求較高，將直線電機(jī)作為升降系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，這是因?yàn)槠渥陨碛兄S多其他升降元件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用單極性直流電源供電，由脈沖發(fā)生控制、功率驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等單元組成，相當(dāng)于開關(guān)的組合單元。只要各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[26-27]。

棉花打頂機(jī)升降控制系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)連接圖

2.2 控制設(shè)計(jì)

該棉花打頂機(jī)升降平臺(tái)主要由兩臺(tái)兩相混合直線步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行升降動(dòng)作，要求在給定脈沖輸入步數(shù)、工作電流或者不同轉(zhuǎn)速和高度的多種因素情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)同步的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)任務(wù)要求，所配運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)該具有雙軸控制的硬件支持。

這里選取Z軸和C軸分別對(duì)應(yīng)直線電機(jī)a和直線電機(jī)b的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了得到兩臺(tái)電機(jī)相同的動(dòng)作過程，首先應(yīng)該定義兩臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，即控制器內(nèi)部相應(yīng)虛擬端口的正負(fù)限。外部連接包括限位開關(guān)、傳感器、繼電器及啟停按鈕等輸入，輸出包含報(bào)警指示。

根據(jù)棉花打頂?shù)霓r(nóng)藝要求：當(dāng)打頂高度控制在3～7cm時(shí)，綜合效益最佳。因此，需要在棉花打頂機(jī)升降高度最低點(diǎn)和最高點(diǎn)分設(shè)限位開關(guān)，并分別在滑動(dòng)導(dǎo)軌的最上端固定一個(gè)擋塊，在與直線電機(jī)輸出桿的最下端相等的滑動(dòng)導(dǎo)軌位置固定一個(gè)擋塊。無論哪一端的擋塊接觸到了滑塊上的開關(guān)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)，通過與控制單元相連，這個(gè)開關(guān)信號(hào)就會(huì)決定著控制指令的下一步運(yùn)行情況，即是否繼續(xù)上升或者下降。限位控制電路圖如圖3所示。控制器內(nèi)部設(shè)有14路光電隔離24V輸入及8路光電隔離24V輸出，能夠完全滿足實(shí)驗(yàn)所需要的外部拓展。

圖3 限位控制電路圖

為了驗(yàn)證直線步進(jìn)電機(jī)的可控性并制定出可行的工作模式，在無臺(tái)車速度、工作電流及其他因素的控制下，確定出升降平臺(tái)進(jìn)行虛擬打頂工作時(shí)所能達(dá)到的上限速度范圍有助于試驗(yàn)的進(jìn)一步開展。按照棉花打頂?shù)墓ぷ鞣绞?，?dāng)上位控制機(jī)接收到外界生長(zhǎng)環(huán)境的變化情況時(shí)，檢測(cè)到棉株的高度并判斷是否處于工作區(qū)，由上位機(jī)軟件對(duì)控制器進(jìn)行編程，使之能夠自動(dòng)運(yùn)行。

為了保證打頂?shù)募皶r(shí)性和可靠性，則升降過程所需的理想時(shí)間t應(yīng)該滿足

1s

由于每株棉花的高度不一，新疆目前棉株高度普遍在50～60cm，長(zhǎng)勢(shì)較好的可達(dá)70～80cm，已知設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)上切刀在原點(diǎn)時(shí)距離地面高780mm，選取試驗(yàn)棉株高度范圍為650～700mm。

假設(shè)切刀處于原點(diǎn)高度，與正下方的棉株頂尖距離為w，則w范圍為80～130mm。進(jìn)而打頂下限范圍h1和上限范圍h2確定為

h1∈{110，150}

h2∈{160，200}

當(dāng)取h={130，180}時(shí)，可以保證多數(shù)棉株的打頂要求。根據(jù)約束條件

則有

所以，F(xiàn)∈{6500，10800}。其中，h為升降距離，F(xiàn)為升降速度。

由于控制器所能達(dá)到的最大運(yùn)動(dòng)速度為9 000mm/min (當(dāng)脈沖當(dāng)量為0.001mm時(shí))，所以升降速度F應(yīng)控制在6 500～9 000mm/min之間。

2.3 通訊

棉花打頂升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)涉及到雙軸電機(jī)的多種運(yùn)動(dòng)控制，復(fù)雜的程序編譯可能引起控制器的卡死等不正常狀態(tài)，影響整機(jī)的可靠性，所以編寫的程序要盡量簡(jiǎn)單易懂。該控制器內(nèi)部存有25條控制指令，不但能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、暫停、報(bào)警、急停及延時(shí)等簡(jiǎn)單動(dòng)作，還能通過上位機(jī)在線更改、擦除和編輯，或?qū)λ俣饶Ｊ胶椭付ㄗ鴺?biāo)等模式進(jìn)行設(shè)置。由于單片機(jī)的功能有限，如果通過單片機(jī)完成一些動(dòng)作需要復(fù)雜的語言編譯，并且要外加較多的通訊連接數(shù)據(jù)線，容易造成系統(tǒng)之間的干涉，所以通過上位PC機(jī)軟件對(duì)棉花打頂升降進(jìn)行一些關(guān)鍵的動(dòng)作指令編譯(見圖4)，以期方便、快捷地完成打頂機(jī)基本的作業(yè)功能。

圖4 動(dòng)作指令編輯

首先對(duì)整個(gè)打頂機(jī)進(jìn)行檢查和調(diào)試，觀察是否能正常工作，將打頂指令編寫到運(yùn)動(dòng)控制器中，方可下地。從第1顆棉株開始，啟動(dòng)工作模式，打頂電機(jī)隨即開始轉(zhuǎn)動(dòng)，激光傳感器進(jìn)行第1顆棉株的高度檢測(cè)。此時(shí)，激光檢測(cè)程序?qū)γ拗觏敹伺c傳感器的正向距離判斷，如果檢測(cè)到信號(hào)，則開始打頂；如果未檢測(cè)到信號(hào)，則繼續(xù)上升或下降，直至檢測(cè)到距離信號(hào)，再對(duì)棉株進(jìn)行打頂。此過程中，限位開關(guān)將直線電機(jī)升降的高度極限接電信號(hào)傳輸?shù)娇刂贫丝?，限制棉株出現(xiàn)超范圍的升降。

整體系統(tǒng)控制方案如圖5所示。系統(tǒng)的主控單元為TC55運(yùn)動(dòng)控制器，通過不斷地對(duì)棉株頂端進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，并傳遞信號(hào)到主控單元，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)放大等信號(hào)處理后再傳遞給直線升降電機(jī)，進(jìn)而完成棉株打頂作業(yè)。在此過程中，由限位控制打頂?shù)纳捣秶?，最終再將信號(hào)回傳給主控單元，實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖5 總體控制方案

3 試驗(yàn)

3.1 田間棉株高度測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)及分析

具體試驗(yàn)方法是先人工測(cè)量出全部標(biāo)號(hào)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有效棉株的高度(過低和過高的可以舍棄樣本)，然后用棉花打頂試驗(yàn)臺(tái)架再對(duì)該棉田開始進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)過程中，觀察棉株頂尖打頂?shù)娜ロ敻叨取⒋蝽敽蟮拿拗旮叨燃奥┐虻拿拗陻?shù)等并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)到電腦中。臺(tái)架行走在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的距離、平均速度理論上要相等，對(duì)于行走地輪的前進(jìn)速度，由于測(cè)試距離不遠(yuǎn)，利用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)后計(jì)算得出。

一共要標(biāo)記15組數(shù)據(jù)，按照擬定方案進(jìn)行，完成對(duì)所有試驗(yàn)小區(qū)的測(cè)試[28]。將記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成折線圖，如圖6所示。由圖6可以直觀地看出：經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)架所削去的高度為52.5mm，相比于其他組有著不小的誤差。造成這種誤差的原因可能源于土地坎坷等外界環(huán)境因素的干擾。

圖6 打頂前后對(duì)照?qǐng)D

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

為了更加直觀地觀察和分析棉花打頂升降系統(tǒng)的控制過程，根據(jù)上述試驗(yàn)裝置進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。假設(shè)升降高度已經(jīng)確定，將上述程序通過上位機(jī)與控制器的連接進(jìn)行編譯下載到控制器中，然后給各模塊供電，繼而檢測(cè)直線步進(jìn)電機(jī)的升降性能。試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)步進(jìn)升降棉花打頂升降控制平臺(tái)的目的是為了改進(jìn)傳統(tǒng)的液壓升降式控制系統(tǒng)，減少響應(yīng)時(shí)間，提高定位精度，為實(shí)際機(jī)型設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過對(duì)步進(jìn)機(jī)理的研究，可得出影響打頂即時(shí)性的主要因素為臺(tái)車速度V、工作電流I及升降高度H。

根據(jù)模擬控制平臺(tái)試驗(yàn)，可以確定電機(jī)工作電流為1～4.2A，升降高度為130～180mm，臺(tái)車速度控制在0.5～1m/s。為了滿足打頂?shù)募磿r(shí)性要求，選取響應(yīng)時(shí)間T為試驗(yàn)指標(biāo)。T越小，系統(tǒng)即時(shí)性就越高；T越大，系統(tǒng)即時(shí)性就越低。假設(shè)響應(yīng)時(shí)間與臺(tái)車速度V、響應(yīng)時(shí)間T及升降高度H存在函數(shù)關(guān)系T=f(V，I，H)，應(yīng)用星點(diǎn)設(shè)計(jì)理論安排試驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]，進(jìn)行三因素五水平的數(shù)據(jù)分析。對(duì)各因素編碼如表2所示，依照表3進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表2 因素水平編碼

續(xù)表2

表3 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

3.3 模型的建立與檢驗(yàn)

應(yīng)用Design-expert軟件對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到響應(yīng)時(shí)間T與各因素編碼值的二次多項(xiàng)回歸方程為

T=1.91+0.42A-0.36B+0.41C-0.36A·B-

0.34A·C+0.15B·C+1.44A2+0.81B2-0.37C2方差分析如表4所示。從分析報(bào)告中可以看出：因素A、B的Pr>F值均小于0.000 1，說明臺(tái)車速度和升降高度對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響均為高度顯著；因素水平C的Pr>F值是小于0.05的，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響為顯著；系統(tǒng)模型的Pr>F值小于0.000 1，說明該回歸模型具有高度的顯著性。

表4 回歸模型的方差分析

其失擬項(xiàng)的Pr>F值大于0.05，模擬失擬項(xiàng)不顯著，該模型的決定系數(shù)R2為0.973 3，其數(shù)值比較接近于1，具有一定相關(guān)度。其失擬項(xiàng)的Pr>F值大于0.1，模擬失擬項(xiàng)不顯著。因此，模型整體擬合度較好，利用此模型可以反映出實(shí)際響應(yīng)時(shí)間。

3.4 交互作用分析

為了進(jìn)一步確定臺(tái)車速度、工作電流和升降高度對(duì)于升降系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是否存在顯著的影響效果，需要通過求得每?jī)蓚€(gè)因素之間的響應(yīng)曲面進(jìn)行交互作用分析[4]。確定因素C為零水平，得到因素A、B對(duì)于響應(yīng)時(shí)間T的響應(yīng)曲面，如圖8所示。當(dāng)臺(tái)車速度一定、工作電流增大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨之減??；當(dāng)工作電流一定、臺(tái)車速度增大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨之增大。確定因素B為零水平，得到因素A、C對(duì)于響應(yīng)時(shí)間T的響應(yīng)曲面。當(dāng)臺(tái)車速度一定、升降高度增加時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨之增大；當(dāng)升降高度一定、臺(tái)車速度增大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨之增大。同理，確定因素A為零水平，得到因素B、C對(duì)于響應(yīng)時(shí)間T的響應(yīng)曲面。當(dāng)工作電流一定、升降高度增加時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨之增大；當(dāng)升降高度一定、工作電流增加時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨之減小。結(jié)合表4和圖8可知：AB交互作用的Pr>F值為0.027，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響顯著；次之為AB；而BC的交互作用對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響不顯著。

圖8 各因素對(duì)響應(yīng)時(shí)間影響的響應(yīng)曲面

3.5 參數(shù)優(yōu)化

通過以上分析可知：制約打頂試驗(yàn)指標(biāo)的因素不一，且各因素及交互因素的影響效果顯著性多樣，在升降性能穩(wěn)定的前提下，獲取最小的響應(yīng)時(shí)間才能保證整機(jī)的即時(shí)性。以響應(yīng)時(shí)間T取最小值為系統(tǒng)模型的優(yōu)化目標(biāo)，數(shù)學(xué)關(guān)系建立為

目標(biāo)函數(shù)：minT(A,B,C)

經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化，得到每個(gè)因素的最佳值如下：臺(tái)車速度為0.625m/s，工作電流為2.6A，升降高度為130mm，則響應(yīng)時(shí)間為1.18s。

3.6 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性，采用上述最優(yōu)參數(shù)(臺(tái)車速度為0.625m/s，工作電流為2.6A，升降高度為130mm)進(jìn)行3次試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。3次試驗(yàn)的綜合平均值為1.23s，與預(yù)測(cè)值1.18s相比，相對(duì)誤差約為4.06%。這說明，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較吻合，可以利用響應(yīng)面法對(duì)模型優(yōu)化。

表5 響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)論

1) 利用直線步進(jìn)電機(jī)作為棉花打頂機(jī)升降平臺(tái)的執(zhí)行工件，基于直線步進(jìn)升降原理設(shè)計(jì)出打頂升降控制系統(tǒng)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器和直線步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了一套全新的升降模式。通過數(shù)據(jù)整理確定出：在無干擾因素環(huán)境下，最大升降速度的控制范圍是6 500～9 000mm/min。

2)采用中心組合試驗(yàn)方法，進(jìn)行以系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)分析，得出臺(tái)車速度與升降高度對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響均為極顯著，工作電流次之。

3)通過建立系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與臺(tái)車速度、工作電流、升降高度的二次多項(xiàng)式回歸模型，得到最優(yōu)參數(shù)組合：臺(tái)車速度為0.625m/s，工作電流為3A，升降高度為130mm。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，與預(yù)測(cè)響應(yīng)時(shí)間1.18s相比，誤差為4.06%，模型可靠性較高。