李兆東 張姁 張苗苗 汪榮 韓建鋒 劉佳柏

摘要：為快速、準確、方便地測量不同農業(yè)物料的靜滑動摩擦系數，結合Arduino UNO單片機和藍牙遙控技術，研制了一種基于平行四桿機構的手機藍牙無線遙控的散粒摩擦系數自動測量裝置。結果表明，與常規(guī)測量裝置對比驗證，該裝置可以快速、便捷并準確地測量出不同農業(yè)物料相對于不同材質平面的靜滑動摩擦角和摩擦系數，可為種子篩選、窩眼選、電力選、帶選以及各種清選部件、種箱導種板傾角、排種器的型孔和型槽所處位置的角度等各種運輸、貯運部件設計提供了必要的基礎參數。

關鍵詞：平行四桿機構;藍牙遙控;靜滑動摩擦系數;測量裝置

中圖分類號：S237? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）02-0120-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.027? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

農業(yè)物料的摩擦性能，是影響設計種箱導種板傾角、排種器的型孔或型槽所處位置的角度等重要參數[1]。研究物料與工作部件之間的摩擦特性對確定和選擇工作表面的參數，使之有效地完成預定的加工工藝具有重要的指導意義[2]。

世界上對于種子物理特性的研究不少[3，4]。中國主要采用斜面法和拖重法，其中拖重法比斜面法要困難，尤其當種子重量輕、尺寸小時[1]?；谛泵娣y定農業(yè)物料的靜滑動摩擦特性的裝置，一般利用繩索的拉動來控制面板的轉動角度，由量角器、旋轉面板以及調整繩索或齒輪組成，需人工轉動控制、人工讀數。人工測量時主要存在以下的問題：人工操作無法精密控制面板轉速，使試驗中會有角加速度存在。面板自帶的角加速度，面板轉過角度變化的不平穩(wěn)性將使得試驗所測數據十分粗糙[5-8]。另外不完備的裝置極易產生種子灑落等問題，影響下次試驗。人工讀數存在隨機誤差，人工通過量角器讀取角度時，讀數的大小與讀取者的所在位置有關，因此讀取數值經常會有偏差且精度一般停留在1°。且這種裝置大、安裝復雜、費工費時，試驗過程繁瑣，延長了農業(yè)裝備設計的時間[9-11]。另一種裝置，如電腦摩擦特性測定儀，價格昂貴、連接復雜、體積龐大，沒有電腦的分析無法得到試驗數據，用于種子摩擦特性測定性價比比較低。

因此，依據平面力學原理，設計并研制了一種基于平行四桿機構的手機藍牙無線控制的散粒摩擦系數自動測量裝置，該裝置能準確、方便地自動測量顯示農業(yè)物料的摩擦角和摩擦系數，并可以用手機藍牙無線操控，精確、方便。

1? 裝置組成

該系統(tǒng)主要由平行四桿機構、顯示和藍牙無線控制系統(tǒng)組成。其中裝置結構包括步進電機、電機架、齒輪組、軸承、面板、收集箱和殼體等。顯示和藍牙無線控制模塊。

2? 測量原理

2.1? 力學原理

根據牛頓第二定律，在忽略空氣阻力的情況下，當農業(yè)物料在不同材質平面滑動時，物料的摩擦力與重力滿足以下公式：

通過手動轉動的摩擦系數測量裝置存在角加速度，而該裝置在步進電機驅動器以及單片機控制下，可實現(xiàn)低勻角速度運動，因角速度很低，裝置可視為靜止狀態(tài)。

2.2? 角度計算

由步進電機的運動原理可知，經過單片機產生脈沖頻率，控制步進電機驅動面板旋轉。該裝置通過單片機記錄產生脈沖數目，由于每一個脈沖都將使步進電機旋轉一個步距角，通過單片機記錄產生的脈沖數目即步進電機已經走過的步數，乘以此時步距角的大小，除以步進電機驅動器的細分數目，即是步進電機旋轉的角度[12，13]。因此可得：

numsteps是步進電機走過的步數;θperstep是步進電機的步距角;k是步進電機驅動器的細分數目，可根據試驗環(huán)境手動調節(jié)。

該系統(tǒng)經過LCD1602顯示屏實時顯示面板旋轉角度（θ）及摩擦系數（μ）。通過手機藍牙可以快速、準確控制面板的運動。

2.3? 機構可行性分析

通過繪制機構運動示意圖，計算機構自由度，可以確定機構是否具有確定的相對運動，從而判斷設計的機構是否符合要求。自由度計算公式

式中，F(xiàn)為自由度數目;n為活動構件數;PL為低副數目;PH為高副數目。

本研究平行四桿機構。

由活動構件為構件1、構件3、構件4，且存在2個活動構件與機架的轉動副，1個桿件與桿件間的轉動副，其中構件3處的轉動副安裝從動齒輪與步進電機齒輪配合，給桿件二一個驅動力矩。

將n=3，PL=4，PH=0代入式（4）得：F=1。

根據當主動件個數>自由度個數，機構無法運動;主動件個數<自由度個數，機構確定運動，而自由度等于1，且有一個主動件時，便可以得到確定的運動規(guī)律，故本機構設計符合機械傳動的要求。

曲柄作為主動件時，平行四桿機構存在運動不確定性的問題，設計的曲柄角度旋轉范圍為0°～90°，不存在曲柄與連桿共線的時刻，故而巧妙地避免了該可能性。

平行四桿機構最短桿與最長桿之和等于其余兩桿之和，符合桿長條件。平行四桿機構，連桿和從動件之間壓力角越大傳力效果越好，大部分種子的摩擦角不會超過50°，該裝置初始時設計的壓力角為90°，到達最高位置時壓力角不會小于40°，傳力性能非常好[14]。

考慮電機的相關參數以及齒輪質量、齒輪孔、不根切條件與安裝位置等因素，本研究設計的齒輪機構是模數為m=1，齒數為Z1=17和Z2=25，傳動比為1.47的一對齒輪。選取小齒輪作為主動件與電機進行安裝，可實現(xiàn)減速，且面板運動規(guī)律為：

ωD=1.47ωm? （5）

式中，ωD為電機轉動角速度，rad/s;ωm為面板運動角速度，rad/s。

通過步進電機驅動齒輪組正、反方向轉動，使平行四桿機構帶動面板圍繞定點進行順、逆時針旋轉。開始時，面板處于初始位置，可將不同材質的板子放置在面板表面，待鋪滿農業(yè)物料后，放置匯聚塊，可以使物料滑落進入收集箱內，便于下次試驗。通過手機藍牙串口軟件控制面板正轉，農業(yè)物料在重力和摩擦力的合力作用下開始下滑，當大部分農業(yè)物料滑落時，控制電機暫停，此時，面板保持該位置，農業(yè)物料將滑落進入收集箱內，LCD1602顯示屏顯示此時的靜滑動摩擦角度及對應的摩擦系數。再通過手機藍牙串口控制步進電機反轉，面板將自動歸回原先的初始位置并停止，可進行下組試驗。

2.3.1? 面板參數的確定? 為保證試驗板平鋪物料數量能夠具有說明性，參考過去試驗工具，初定面板長寬為250 mm×154 mm?？紤]面板要比試驗板長與寬，用于盛放試驗板不同材料的板材[12]，故確定面板最終尺寸長度l=266 mm，寬度b=156 mm，厚度h=1 mm，不銹鋼板材質。

2.3.2? 電機參數的確定? 根據上述采用SoildWorks設計軟件進行三維設計、參數化建模調整并修改得到的面板和桿件的設計尺寸[15]：

式中，m板為面板及工作板質量，kg;G板為面板及工作板重力，N;G桿1、G桿2分別為桿一、桿二的重力，N;ρ為鋼的密度，g/cm3;l為面板長度，mm;b為面板寬度，mm;h為面板厚度，mm;Mmax為所需的最大理論力矩，N·m;L2max為桿二長，m。

因滑條等重力計算方法同面板，故由式（6）可得，

M電機max為電機最大工作力矩，N·m;nmin為電機工作最小轉速，r/min;a為機械損失?？紤]證機械損失，a取20%，則安全系數為1.2，根據上式得，電機最大力矩M電機max=1.2 N·m。

2.4? 控制部分的設計

控制系統(tǒng)組成。采用常用藍牙HC-05無線模塊與Arduino UNO單片機控制步進電機的運動，通過藍牙串口軟件與藍牙模塊建立串口通信，當藍牙模塊未與手機藍牙建立連接時，藍牙模塊指示燈進入快閃模式;當藍牙模塊已經與手機藍牙建立連接，藍牙模塊指示燈進入正常模式。在最初使用時，需要進行藍牙配對，初始密碼是1234。下次使用時，就不需要再配對藍牙。使用手機藍牙串口軟件發(fā)送命令指令，實現(xiàn)手機控制面板的正轉、反轉、暫停、開始以及旋轉速度調節(jié)的功能。

由Arduino UNO單片機產生不同頻率的脈沖，控制步進電機的旋轉角速度。因此，通過手機藍牙串口軟件調節(jié)脈沖周期，改變脈沖頻率，進而調節(jié)面板旋轉速度，可以有效控制面板旋轉的平穩(wěn)性，使測量更加精準。藍牙HC-05無線模塊與單片機Arduino UNO串口連接，與單片機進行串口通信。受測量工具精度以及試驗者因素影響，計算數據較人工量取數據更加準確，該裝置所使用的57BYG250B兩相混合式步進電機，根據兩相步進電機的特性，控制程序內通過定義變量numstep記錄電機走過的脈沖數，通過式（3）計算面板旋轉角度。顯示模塊是通過LCD1602顯示屏和I2C轉接板組合。利用中間I2C轉接板，I2C串行總線通信，可大幅度減少對單片機IO的占用[12]。故將編寫、調試好的Arduino UNO單片機通過I2C轉接板與LCD1602串行通信，單片機控制程序通過定時產生中斷，及時刷新液晶顯示屏上的摩擦角度和摩擦系數，系統(tǒng)初始化時顯示屏會顯示“Loading”字樣，然后開始顯示實時面板角度、對應摩擦系數以及此時脈沖周期。

經加工得到的實物裝置，為驗證測定農業(yè)物料靜滑動摩擦角度的準確度，開展在手機藍牙控制下的農業(yè)物料靜滑動摩擦系數測量系統(tǒng)角度修正試驗，進行了50次種子摩擦系數測量試驗，將人工實際量角器測得角度與顯示屏顯示的角度值進行比較，驗證角度計算程序的誤差，標準差為0.11，說明系統(tǒng)相對穩(wěn)定，且可由其均值1.38作為控制程序中計算摩擦角度的修正系數b。

式中，θperstep為步距角，°;θ為面板角度，°;n為電機內部齒輪數;k為細分數;numstep為單片機發(fā)送的脈沖數目，a為齒輪傳動比;b為修正系數，μ為靜滑動摩擦系數。根據式（9）即可編寫系統(tǒng)的測量程序[16]。

2.5? 系統(tǒng)工作過程

該裝置具體工作流程。

3? 驗證試驗

3.1? 穩(wěn)定性試驗

在控制模塊穩(wěn)定性測試試驗中，設計手機藍牙串口軟件控制步進電機依次進行正轉、反轉、停止運動、開始轉動為1次試驗，重復試驗100次，并建立相關模型求得變異系數。

式中，C.V為變異系數，SD為標準偏差，MN為平均值，Xi為第i次試驗結果，N為試驗總次數。設試驗中控制可全部實現(xiàn)結果為1，反之未能實現(xiàn)記錄為0，建立概率統(tǒng)計模型。試驗數據處理，得到樣本平均值、樣本標準偏差，由式（10）得，MN=0.96，SD=0，C.V=0，變異系數很小，故該裝置的藍牙控制模塊具有良好的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2? 種子驗證試驗

選取5種經濟作物種子作為研究對象。2018年4月25日于安徽農業(yè)大學機電園實驗室完成。

3.2.1? 試驗方法

1）選取豆角、香菜、青菜、菠菜和蘿卜顆粒飽滿的種子各5 g分開放置于盒子1、2、3、4、5中。

2）將測量裝置通電開啟、手機藍牙與裝置藍牙模塊配對連接。

3）將待測試的板材放置于面板表面，盒子1中的種子倒在裝置的面板上，平鋪開，放置好匯聚塊，手機藍牙控制面板開始轉動，記錄大部分種子滑落時顯示屏的數據，重復10次試驗，計算平均值。

4）10次試驗結束后，依次將盒子2、3、4、5中的種子倒在面板上，依照步驟3同樣各進行10次試驗，觀察并記錄數據，并計算平均值。

5）拆裝試驗板，將鋼板依次換成鋁板、亞格力板、PVC板，重復步驟2、3，觀察并記錄試驗數據[17，18]，計算平均值。

3.2.2? 結論與分析? 與手動量角器測量相比，試驗數據較為準確，誤差主要存在于試驗操作的規(guī)范[19]。從表2中可以看出，與其他種子相比，菠菜種子的在各種板材上的摩擦系數都較大，而在PVC板上時，摩擦系數較小，平均為0.52，在鋼板上摩擦系數較大，平均為0.61。青菜在鋁板面的摩擦系數最小，平均為0.41，在PVC板上摩擦系數最大，平均為0.54。香菜在PVC板上摩擦系數最大，平均為0.49，豆角在鋁板上摩擦系數最大，平均為0.53。香菜和蘿卜種子在鋼板面時摩擦系數較小，分別為0.40、0.42，蘿卜的摩擦系數在亞格力板時最小，平均為0.40，在PVC板上摩擦系數最大，平均為0.45。

4? 結論

采用平行四桿機構與Arduino UNO單片機結合技術，設計了一種通過手機藍牙串口軟件控制、能有效改善傳統(tǒng)裝置結構復雜、操作繁瑣、誤差較大等缺陷且可實現(xiàn)角度自動測量與顯示的種子靜滑動摩擦特性智能測定系統(tǒng)，能快速、準確地測量出農業(yè)物料與不同材質的滑動摩擦系數，具有高效、精確、省時的優(yōu)點，可為以后種子機械化播種、清選、加工及儲運等各類裝備設計提供參考。

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