羅應(yīng)娜

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

0 引言

隨著我國土地流轉(zhuǎn)的加快，農(nóng)戶種植土地的規(guī)模加大，種植業(yè)的機(jī)械化程度加大，大型農(nóng)用機(jī)械已經(jīng)開始得到廣泛的使用，如加大幅度的插秧機(jī)、播種機(jī)和收割機(jī)[1-2]。整地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的環(huán)節(jié)之一，平坦的田地可以節(jié)約種植用水，使土壤顆?；?，促進(jìn)土壤熟化[3]；翻松土壤，使土壤中的肥料和雜質(zhì)翻到下層中，可保持土壤通氣，減少土壤中厭氧菌的滋生，且對于農(nóng)作物根系的下伸和生長、農(nóng)作物的發(fā)芽和結(jié)果有益。我國的水稻種植基本還是使用20世紀(jì)90年代的旋耕機(jī)，不適應(yīng)目前的種植規(guī)模，提高旋耕機(jī)的技術(shù)性能非常必要[4-6]。傳統(tǒng)的旋耕機(jī)是采用三點(diǎn)懸掛，其耕幅已不能適應(yīng)現(xiàn)代的種植寬幅，需要研制出旋耕機(jī)沿耕寬方向的工作深度不受拖拉機(jī)機(jī)體的橫向傾斜而變化的水平自動控制系統(tǒng)，使得旋耕機(jī)始終處于水平狀態(tài)，各部位的耕深一致，保證旋耕作業(yè)后水田平整[7-14]。

旋耕機(jī)主要以拖拉機(jī)為動力，由控制系統(tǒng)、機(jī)架、傳動機(jī)構(gòu)、刀輥、擋土罩及平土拖板等裝置構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)數(shù)字化控制重點(diǎn)的是自主控制旋耕深度，而中間的信息交換是其困難之處，不同的控制系統(tǒng)采用方式不同，兩者之間很難兼容，而CNC技術(shù)可以克服這點(diǎn)。CNC技術(shù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次開放，有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能力，使控制系統(tǒng)容錯力高、兼容性高，且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，上層信息與下層信息溝通及時，可實(shí)時控制調(diào)整機(jī)械。

本文設(shè)計(jì)了基于CNC技術(shù)的農(nóng)業(yè)旋耕機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，分析了采用CNC技術(shù)控制旋耕機(jī)整地、深松，并驗(yàn)證了CNC技術(shù)的可操作性。

1 控制系統(tǒng)工作原理

旋耕機(jī)與拖拉機(jī)配套使用，旋耕機(jī)上主要機(jī)械結(jié)構(gòu)有發(fā)動機(jī)、水平調(diào)節(jié)桿、刀片、各類傳動軸和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由發(fā)動機(jī)提供動力經(jīng)傳動軸輸出到各結(jié)構(gòu)上，其最重要的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)。旋耕機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制理論是利用CNC技術(shù)控制旋耕機(jī)的旋耕深度和旋耕機(jī)的行走速率，采用計(jì)算機(jī)與傳感器相結(jié)合。其中，主要是利用傳感器采集田地信息，將信息反饋到控制中心進(jìn)行分析，輸出結(jié)果對水平調(diào)節(jié)桿控制升降，達(dá)到旋耕深度均勻，行走速度平穩(wěn)及保障旋耕工作質(zhì)量的目的。

控制系統(tǒng)以傳感器采集旋耕深度檢測信號a(t)為負(fù)反饋，與旋耕機(jī)工作時的設(shè)定信號b(t)構(gòu)成環(huán)形控制分析系統(tǒng)，單片機(jī)中設(shè)定信號b(t)與旋耕機(jī)上安裝的傳感器檢測的信號a(t)相比較：當(dāng)設(shè)定信號大于檢測信號時，即實(shí)際的旋耕深度小于設(shè)定的旋耕深度，控制系統(tǒng)就會發(fā)出信號，減少輸出功率，降低旋耕機(jī)的行走速度或停下來，控制水平桿下降，調(diào)整刀片旋耕深度達(dá)到設(shè)定值再繼續(xù)工作前進(jìn)；當(dāng)設(shè)定信號小于檢測信號時，即實(shí)際旋耕深度滿足設(shè)定的旋耕深度，甚至大于設(shè)定旋耕深度，這時控制系統(tǒng)輸出信號，命令旋耕機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)行下一步土壤的旋耕?？刂葡到y(tǒng)工作程序如圖1所示。

圖1 CNC技術(shù)控制系統(tǒng)工作程序Fig.1 CNC technology control system work procedures

控制系統(tǒng)是對采集信號進(jìn)行換算、比較，并分析出比較結(jié)果生成信號并輸出判斷信號，調(diào)整機(jī)具達(dá)到要求?？刂菩疃群托凶咚俣戎饕抢酶淖儼l(fā)動機(jī)的輸出功率，主要要用變頻器來完成，變換頻率可以控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動速率，從而控制行走速率和旋耕深度。單片機(jī)主要任務(wù)是對信號進(jìn)行數(shù)字化、預(yù)加重、濾波、加窗等處理，并將分析的結(jié)果輸出。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)組成

基于CNC技術(shù)的數(shù)字化控制系統(tǒng)由旋耕機(jī)上的定位節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)和傳感器組成，以單片機(jī)為控制中心，通過接受傳感器檢測的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上進(jìn)行分析，根據(jù)田地的實(shí)際情況調(diào)整旋耕機(jī)的水平度，進(jìn)行旋耕。旋耕機(jī)的主要部件包括5大塊:控制系統(tǒng)、機(jī)架、傳動機(jī)構(gòu)、刀輥、擋土罩及平土拖板。其中，刀輥是旋耕機(jī)的主要工作部件，由刀軸、刀座和旋耕刀片組成，如圖2所示。

2.2 性能參數(shù)

2.2.1 旋耕深度

旋耕深度應(yīng)事先在控制系統(tǒng)中初始設(shè)置，作為參數(shù)來控制實(shí)際旋耕深度，也是控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。不同耕種情況的旋耕深度不同，應(yīng)根據(jù)種植作物設(shè)置深度。土壤的性能也會影響到旋耕深度，如土壤含水量、土壤密實(shí)度及土壤中含砂石量等。根據(jù)檢測的土壤性能，保證農(nóng)作物適宜耕作，選取合適的旋耕深度為初始旋耕深度。

圖2 旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 A brief introduction to the structure of rotary

2.2.2 旋耕幅寬

發(fā)動機(jī)的功率大小會限制旋耕幅寬，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時確定發(fā)動機(jī)的型號是必要的，如要根據(jù)發(fā)動機(jī)的額定功率確定旋耕幅寬，可以根據(jù)已有資料來參考，通常選擇發(fā)動機(jī)額定功率的0.26～0.29倍。

2.2.3 理論生產(chǎn)率

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的旋耕幅寬、旋耕機(jī)的行走速度和偏差系數(shù)。理論生產(chǎn)率為

理論生產(chǎn)率=0.1×旋耕幅寬×速度

(1)

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)中最重要的是確定驅(qū)動輪和行走輪的直徑，行走輪直徑?jīng)Q定旋耕部件的人土位置。

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

為了測試在實(shí)際情況下旋耕機(jī)旋耕深度和速率控制的精度，選擇一塊100m×100m的干地種植地作為實(shí)驗(yàn)地，在旋耕機(jī)上安裝好傳感器，設(shè)置控制系統(tǒng)的初始參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

基于CNC技術(shù)的農(nóng)業(yè)旋耕機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)性能測試，初始旋耕深度設(shè)置8、9、10、11、12、13、14、15cm 8個旋耕深度試驗(yàn)，旋耕機(jī)在地里自由行駛，每個旋耕深度進(jìn)行3次試驗(yàn)，并將旋耕深度進(jìn)行手工檢測，并用速度測定儀表檢測旋耕機(jī)的行走速度。檢測數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

上述數(shù)據(jù)檢測結(jié)果表明：旋耕深度的平均誤差最大4.4%，可以滿足耕地要求。由表2數(shù)據(jù)中可以看出：3組試驗(yàn)的旋耕速度相差不大，即基于CNC技術(shù)的農(nóng)業(yè)旋耕機(jī)數(shù)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定；仿真試驗(yàn)中多個檢測點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)，其精度都控制在可接受的范圍內(nèi)，滿足田地整平的要求。

表1 旋耕深度檢測數(shù)據(jù)Table 1 Rotation depth detection data

表2 旋耕速度檢測數(shù)據(jù)Table 2 Rotation speed detection data m/s

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于CNC技術(shù)的農(nóng)業(yè)旋耕機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，旋耕深度和旋耕速度的精度比較高，旋耕深度的偏差在5%以下，在可接受的范圍內(nèi)。試驗(yàn)驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)的精確度。CNC技術(shù)把旋耕機(jī)的數(shù)字控制提到了更高的技術(shù)平臺，減少了農(nóng)業(yè)種植中需要的勞動量，為農(nóng)作物提供了良好的生長環(huán)境，有益于農(nóng)作物產(chǎn)量的提升，實(shí)現(xiàn)了旋耕作業(yè)的智能化，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)提供了參考。