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.信息科學與技術學院，新疆 石河子 832000)

膠棒滾筒采摘頭試驗臺測控系統(tǒng)設計

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鍵部件結構設計、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，且存在測試部件結構和參數(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，測試部件結構及工作參數(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鍵部件結構設計、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采摘性能試驗研究文獻較少，對采摘頭結構參數(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)與技術支持。

1 試驗臺結構及工作原理

1.1 試驗臺結構

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構如圖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)，設定文件名和保存路徑，并處于“記錄狀態(tài)”；按照試驗計劃，設定采摘頭滾筒轉(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，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)所選用的硬件技術參數(shù)如表1所示。

表1 測控系統(tǒng)硬件技術參數(shù)

2.2 測控系統(tǒng)軟件設計

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)三相異步電動機啟停控制、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?？刂坪妥冾l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 試驗結果

續(xù)表2

4 結論

1)利用LabVIEW虛擬儀器技術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)速設定和控制，為膠棒滾筒棉花收獲裝備的設計及工作參數(shù)優(yōu)化提供技術支持。

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