黎虹　李光

摘要：針對當前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)精度不夠高、靈敏度較低的難題，提出基于天平原理與不平衡力矩理論相結(jié)合的高精度農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由V型塊、十字刀口、電控升降臺等構(gòu)成，并通過H系列水平傳感器、高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器實時采集相應信息，通過采集與通信系統(tǒng)后進入農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)對測量的數(shù)據(jù)進行采集處理、通信與分析，驗證測量系統(tǒng)的精確性，并對測量系統(tǒng)的誤差進行分析，提出改進措施和優(yōu)化方案，提高測量系統(tǒng)的可靠性。試驗結(jié)果表明，該農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)具有檢測精度高、自動化程度高、穩(wěn)定性好和檢測方便等優(yōu)點，有很好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械;質(zhì)心;測量系統(tǒng);機械系統(tǒng);采集與通信系統(tǒng);控制系統(tǒng);天平原理;不平衡力矩理論

中圖分類號： S220.2? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0201-03

質(zhì)心即平均質(zhì)量中心，它是科學領(lǐng)域計算中經(jīng)常須要采用的一個參數(shù)，質(zhì)心測量系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有非常廣泛的應用，它為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活及科學研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其測量精度的高低直接影響農(nóng)業(yè)機械的動力性能、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性等，因此，農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量具有更廣泛的應用領(lǐng)域和更強的研究意義。

通過查閱國內(nèi)外的研究文獻可知，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量設(shè)備大多基于多點稱重法、不平衡力矩法及轉(zhuǎn)動慣量法，其中美國Space Electronics公司利用不平衡力矩原理研制的KSR型質(zhì)心測量系統(tǒng)的質(zhì)心測量精度可達到0.020 mm;西安交通大學以三點稱重法為基礎(chǔ)提出一種自動調(diào)平及自動旋轉(zhuǎn)的質(zhì)心測量系統(tǒng)，其質(zhì)心測量精度優(yōu)于0.100 mm;鄭州機械研究所結(jié)合多點稱重法和刀口天平法，設(shè)計了一種新型質(zhì)心測量機構(gòu)，其質(zhì)心測量精度可達0.020 mm;中國航天科技集團有限公司提出基于轉(zhuǎn)動慣量法的質(zhì)心測量機構(gòu)，該機構(gòu)采用倒置的扭擺平臺來測量農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)心，其測量精度為 0.100 mm[1-4];盡管國內(nèi)學者在質(zhì)心測試方法和技術(shù)的研究上有了一些創(chuàng)新和發(fā)展，但測量精度與國外高水平儀器設(shè)備相比還有一定的差距，存在測量精度低、穩(wěn)定性差、靈敏度較低等問題，不能滿足農(nóng)業(yè)機械姿態(tài)高精度的要求。因此，基于農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量的檢測需求，本研究綜合傳統(tǒng)測量方法的優(yōu)點，提出一種基于天平原理與不平衡力矩理論檢測質(zhì)量偏心產(chǎn)生的力矩，進而測量農(nóng)業(yè)機械徑向質(zhì)心的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用十字刀口、V型塊與電控升降臺結(jié)構(gòu)以及高精度稱質(zhì)量和采集與通信技術(shù)，并配合相應的軟件設(shè)計，以期解決農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)精度、靈敏度低和可靠性差的難題。

1 農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本研究以天平原理與不平衡力矩理論為依據(jù)，采用V型塊、十字刀口、電控升降臺、支撐平面等構(gòu)成農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)，并采用H系列水平傳感器、高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器實時采集相應信息[5]，通過采集與通信系統(tǒng)后進入農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對測量的數(shù)據(jù)進行采集處理、通信與分析，進而提高測量系統(tǒng)的精度和可靠性，其工作原理見圖1。

2 農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)設(shè)計

圖2為農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)，待測農(nóng)業(yè)機械放置在V型塊2上，V型塊2通過螺栓固定在測量平臺3上，測量平臺3上端左側(cè)固定有H系列水平傳感器4，H系列水平傳感器4實時監(jiān)控平臺的水平度情況;測量平臺3下端中部通過螺釘連接固定有十字刀口1，十字刀口1的外端通過爪型支撐架7與電控升降臺5相接，測量平臺3下端左測設(shè)置有高精度稱質(zhì)量傳感器8，高精度稱質(zhì)量傳感器8與電控升降臺5相接，電控升降臺5的下端為支撐平面9，所述支撐平面9通過大升降臺6與隔振光學平臺10連接[6]，該農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量裝置還包括通過立柱固定在隔振光學平臺10上的光柵尺位移傳感器11。

在進行農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量時，被測農(nóng)業(yè)機械放置在固定的V型塊上，通過電控升降臺的起降控制測量平臺上十字刀口的工作，十字刀口的靈敏度很高，不需要移動被測物體即可測出2個方向農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心的位置。本系統(tǒng)中的高精度稱質(zhì)量傳感器用來測量周期性變化的力值;H系列水平傳感器用來檢測測量平臺的水平度;光柵尺位移傳感器用來測量位移，通過高精度稱質(zhì)量傳感器、H系列水平傳感器和光柵尺位移傳感器的實時在線測量[3，7]，測量結(jié)果通過采集與通信系統(tǒng)后進入農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)，即可測量出農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心位置。

3 采集與通信系統(tǒng)設(shè)計

采集與通信系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)連接的紐帶，包括運動控制器、通用串行總線（USB）采集模塊和光柵尺采集卡，該系統(tǒng)可保證數(shù)據(jù)的采集與通信穩(wěn)定可靠。運動控制器使用以太網(wǎng)和計算機控制系統(tǒng)相連接，計算機控制系統(tǒng)采用Visual Basic上位機軟件通過程序控制運動控制器，進而控制電控升降臺的驅(qū)動步進電機，同時通過高精度稱質(zhì)量傳感器、光柵尺位移傳感器和H系列水平傳感器采集到的3個參數(shù)配合來實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)的精確控制。高精度稱質(zhì)量傳感器負責采集農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心的偏心量，并將此偏心量轉(zhuǎn)化為相應的電信號，USB采集模塊將此電信號進行后續(xù)信號調(diào)理后，通過USB口發(fā)給計算機控制系統(tǒng)。光柵尺位移傳感器將采集到的位移量傳輸至光柵尺采集卡上，光柵尺采集卡實時將采集到的信息傳輸至計算機控制系統(tǒng)。H系列水平傳感器實時監(jiān)控測量平臺的水平度情況，并通過485通信與計算機控制系統(tǒng)連接[8-9]。

4 農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)使用微軟公司開發(fā)的Visual Basic軟件進行軟件編譯和用戶操作界面設(shè)計，農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)見圖3，其工作流程為農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)初始化成功后，對電控升降臺進行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括速度、最小步距等信息，電控升降臺的位置確定后，采用H系列水平傳感器檢測測量平臺水平信息，將已知質(zhì)心位置的農(nóng)業(yè)機械放置在V型塊上，采用高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器采集相應的質(zhì)量與距離數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)對質(zhì)心量進行測量并完成對已知質(zhì)心農(nóng)業(yè)機械的標定;然后將待測質(zhì)心農(nóng)業(yè)機械放置在V型塊上，輸入上次標定的數(shù)據(jù)，采用高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器再次采集相應的質(zhì)量與距離數(shù)據(jù)，進入農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)，得到待測質(zhì)心農(nóng)業(yè)機械的測量結(jié)果，計算并保存測量結(jié)果，打印輸出，完成農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量的全過程[10]。

5 農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)測量模型的建立

農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)的測量模型原理如圖4所示。

由于農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)復雜，質(zhì)量分布不均，受制造過程中各種誤差的影響而產(chǎn)生偏心，在此種情況下質(zhì)量中心量就是質(zhì)量偏心量。令被測農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量為M，半徑為R，稱質(zhì)量傳感器到刀口軸線的距離為L，刀口軸線到農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量中心的距離為s，因加工誤差等原因，假設(shè)在0°位置有一偏心質(zhì)量m，高精度稱質(zhì)量傳感器測得的力為F1，對刀口軸線取力矩平衡得

6 提高農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)的精度分析

6.1 十字刀口的設(shè)計

十字刀口是農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)實現(xiàn)精確測量的關(guān)鍵部件，應具備以下要求：（1）十字刀口的材料為T10，淬火硬度達到HRC60，耐磨性、硬度及韌性高;（2）刀口的刃口直線度小于1 μm;（3）刀口支撐面保持完好。

6.2 V型塊的設(shè)計

V型塊是農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)中實現(xiàn)精確測量的重要輔助工具，應具備以下要求：（1）表面精度等級為1級，端面表面粗糙度Ra為0.1 μm;（2）具有足夠的剛度和強度;（3）工作面的長度滿足農(nóng)業(yè)機械的測試要求，以提高定位穩(wěn)定性。

6.3 電控升降臺的設(shè)計

本研究農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)通過上位機軟件控制運動控制器，并通過運動控制器輸出脈沖的方式控制電控升降臺，電控升降臺采用步進電機閉環(huán)控制方式，其中電控升降臺為北京天瑞中海精密儀器有限公司的 EVS50-Z 高精度升降臺，負載質(zhì)量為500 kg，最小步距為 1 μm，定位精度為2 μm，可用于工作臺的高精度升降。

7 系統(tǒng)測試試驗及創(chuàng)新點分析

本農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)采用標準樣件進行實際測量，標準農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心位置的理論值為0，在農(nóng)業(yè)機械上進行加質(zhì)量，所測得的偏心量就是質(zhì)心值。在本試驗過程中，被測農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量為18 560 g，高精度稱質(zhì)量傳感器到刀口軸線的距離為150 mm，在被測農(nóng)業(yè)機械的0°位置施加20 g的偏心質(zhì)量，此時高精度稱質(zhì)量傳感器測得的力為F1;然后將被測農(nóng)業(yè)機械旋轉(zhuǎn)180°，此時高精度稱質(zhì)量傳感器測得的力為F2，由公式（5）得被測農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)心e，農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心的多次測量結(jié)果見表1，由具體測量數(shù)據(jù)可知，最大誤差優(yōu)于002 mm，達到了較高的測量精度。

本研究提出一種基于天平原理與不平衡力矩理論檢測質(zhì)量偏心產(chǎn)生的力矩，進而測量農(nóng)業(yè)機械徑向質(zhì)心的測量系統(tǒng)，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進行不確定度分析，通過對V型塊、十字刀口和電控升降臺的設(shè)計提高農(nóng)業(yè)機械的加工精度和裝配精度，進一步減小系統(tǒng)誤差，高精度稱質(zhì)量傳感器提高了測量精度，采集與通信系統(tǒng)保證了采集與通信數(shù)據(jù)準確可靠，采用最小二乘法[11]將粗大誤差和隨機誤差進行剔除，通過上述方面提高系統(tǒng)精度。

8 結(jié)束語

本研究以農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)心為試驗對象，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量方法的基礎(chǔ)上設(shè)計一種高精度農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用V型塊、十字刀口、電控升降臺等構(gòu)成農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量機械系統(tǒng)，并采用H系列水平傳感器、高精度稱質(zhì)量傳感器和光柵尺位移傳感器實時采集相應信息，通過采集與通信系統(tǒng)后進入農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量控制系統(tǒng)對測量的數(shù)據(jù)進行采集處理、通信與分析，驗證測量系統(tǒng)的精確性，提出系統(tǒng)的改進措施和優(yōu)化方案，進而提高測量系統(tǒng)的準確性和可靠性，完善農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量系統(tǒng)的性能，具有良好的科學性和實用性。農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量時的空間位置測量會向著三維測量的方向發(fā)展，激光作為長度溯源的關(guān)鍵設(shè)備，未來激光跟蹤儀等三維設(shè)備會逐漸被應用到農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量中。

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