大葱茎秆起拔力测试系统的设计与试验.pdf

大 葱 茎 秆 起 拔 力 测 试 系 统 的 设 计 与 试 验 贾 智 博 1 , 侯 加 林 1,2 , 刘 敬 伟 1 , 邵 伟 1 , 吴 彦 强 1 , 牛 子 儒 1 1. 山 东 农 业 大 学 机 械 与 电 子 工 程 学 院, 山 东 泰 安 271018; 2. 山 东 省 园 艺 机 械 与 装 备 重 点 实 验 室, 山 东 泰 安 271018 摘 要 针 对 大 葱 在 输 送 夹 持 中 的 断 茎、 堵 塞 等 问 题, 结 合 大 葱 收 获 时 的 受 力 特 性, 设 计 了 一 套 测 量 大 葱 茎 秆 起 拔 力 的 测 试 系 统, 并 对 该 测 试 系 统 进 行 了 机 械、 电 路 及 软 件 等3 大 部 分 的 设 计。 该 系 统 主 要 由 控 制 系 统、 执 行 机 构、 信 息 采 集 模 块 和 人 机 交 互 界 面4 部 分 组 成, 可 以 实 现 数 据 的 实 时 显 示、 存 储、 下 载 及 曲 线 绘 制 等 功 能, 还 能 完 成 最 大 拉 力 等 参 数 的 计 算。 试 验 结 果 表 明 该 测 试 系 统 精 度 高、 稳 定 性 好, 测 量 误 差 不 超 过1, 可 以 满 足 大 葱 茎 秆 起 拔 力 试 验 检 测 的 需 求, 为 进 一 步 研 究 茎 秆 的 力 学 性 能 提 供 了 方 便。 关 键 词 大 葱 茎 秆; 起 拔 力; 测 试 系 统; 力 学 性 能 中 图 分 类 号 S237 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号1003-188X201902-0109-05 0 引 言 随 着 农 业 工 程 学 科 的 迅 速 发 展, 深 入 研 究 农 业 工 程 涉 及 的 农 业 物 料 力 学 问 题, 愈 益 显 得 重 要 [1-2] 。 大 葱 作 为 我 国 重 要 的 香 辛、 保 健 蔬 菜, 已 经 成 为 我 国 区 域 规 模 种 植 的 经 济 作 物 之 一, 有 着 不 可 代 替 的 地 位 [3] 。 随 着 我 国 种 植 结 构 的 调 整 和 大 葱 种 植 规 模 的 增 大, 农 民 对 大 葱 收 获 机 械 化 的 要 求 也 越 来 越 高。 目 前, 大 葱 联 合 收 获 机 一 般 包 括 挖 掘、 夹 持 输 送、 去 土 及 收 集 等 几 个 工 作 过 程 [4] 。 为 了 给 大 葱 收 获 机 夹 持 输 送 装 置 的 设 计 提 供 理 论 依 据, 需 要 研 究 大 葱 茎 秆 的 相 关 力 学 特 性 [5-6] 。 目 前, 国 内 外 对 于 大 葱 茎 秆 力 学 性 能 的 试 验 研 究 很 少, 茎 秆 力 学 性 能 指 标 的 研 究 也 主 要 依 靠 于 万 能 试 验 机 及 一 些 小 型 试 验 仪 器 [6-7] 。 万 能 试 验 机 虽 然 是 一 种 高 精 度 的 测 量 仪 器, 应 用 范 围 较 广, 但 体 积 庞 大、 造 价 昂 贵, 只 能 在 室 内 进 行 试 验, 无 法 大 规 模 使 用, 限 制 了 试 验 地 点。 小 型 试 验 仪 器 虽 然 可 以 进 行 茎 秆 力 学 特 性 的 测 量, 但 由 于 其 精 度 较 低, 手 动 控 制 较 多, 人 为 造 成 的 误 差 较 大, 且 试 验 地 点 要 求 受 限, 只 能 在 特 定 的 环 境 中 使 用。 针 对 上 述 问 题, 同 时 考 虑 到 大 葱 茎 秆 的 起 拔 力 特 收 稿 日 期 2017-09-27 基 金 项 目 国 家 特 色 蔬 菜 产 业 技 术 体 系 项 目CARS-24-D-01; 山 东 省 农 机 装 备 研 发 创 新 计 划 项 目2017YF001; 山 东 省 现 代 农 业 产 业 技 术 体 系 建 设 项 目SDAIT-05-11 作 者 简 介 贾 智 博1992-, 男, 山 东 邹 城 人, 硕 士 研 究 生,E-mail 。 通 讯 作 者 侯 加 林1963-, 男, 山 东 高 密 人, 教 授, 博 士 生 导 师,E- 。 性, 设 计 了 一 套 适 用 于 田 间 试 验 的 大 葱 茎 秆 起 拔 力 测 试 系 统, 研 究 大 葱 在 收 获 期 的 起 拔 力 特 性, 通 过 传 感 器 与 上 位 机 实 现 起 拔 力 的 采 样 与 记 录, 可 以 实 时 观 测 到 大 葱 力 学 性 能 的 变 化 规 律, 有 效 地 提 高 了 试 验 数 据 的 精 度。 1 系 统 构 成 根 据 收 获 机 械 在 田 间 作 业 时 对 茎 秆 产 生 的 主 要 力 学 形 式, 设 计 制 作 了 大 葱 茎 秆 力 学 特 性 测 试 系 统。 试 验 系 统 包 括 控 制 系 统、 执 行 机 构、 信 息 采 集 及 人 机 交 互 界 面4 部 分, 如 图1 所 示。 信 息 采 集 模 块 由 拉 压 力 传 感 器 及 其 变 送 器 组 成, 可 采 集 试 验 过 程 中 大 葱 茎 秆 的 力 学 特 性 数 据; 控 制 系 统 由STM32 主 控 制 器 和 上 位 机 组 成, 完 成 试 验 数 据 的 处 理 和 传 输; 执 行 机 构 由 两 相 四 线 的 步 进 电 机 完 成; 人 机 交 互 界 面 主 要 进 行 试 验 数 据 的 实 时 显 示。 图1 系 统 组 成 Fig.1 Systemcomposition 9 0 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 2 系 统 设 计 2.1 机 械 系 统 设 计 机 械 系 统 主 要 由 步 进 电 机、 联 轴 器、 导 程 丝 杠、 拉 压 力 传 感 器 及 夹 持 装 置 等 组 成, 整 体 结 构 如 图2 所 示。 1. 支 撑 柱 2. 步 进 电 机 3. 联 轴 器 4. 配 重 柱 5. 导 程 丝 杠 6. 导 柱 7. 支 撑 杆 8. 拉 压 力 传 感 器 9. 夹 持 装 置 10. 调 节 旋 钮 11. 底 板 图2 试 验 台 主 体 结 构 简 图 Fig.2 Themainstructureofthetestbed 2.1.1 夹 持 部 分 设 计 如 何 夹 持 是 整 个 试 验 过 程 中 的 核 心, 直 接 影 响 到 试 验 的 相 关 参 数。 考 虑 到 大 葱 茎 秆 本 身 清 脆 的 特 性 及 大 葱 收 获 时 茎 秆 的 受 力 情 况, 设 计 加 工 了 如 图3 所 示 的 夹 持 装 置。 图3 夹 持 装 置 结 构 简 图 Fig.3 Structureoftheclampingdevice 该 夹 持 装 置 设 计 为U 型 槽 结 构,U 型 槽 内 两 侧 各 设 有1 个 夹 持 垫 片, 一 侧 的 夹 持 垫 片 固 定, 另 一 侧 的 夹 持 垫 片 可 活 动 连 接 在U 型 槽 上。 通 过 调 节 按 钮 调 节 两 个 夹 持 垫 片 之 间 的 间 距, 以 适 应 不 同 直 径 大 葱 茎 秆 的 夹 持。 为 了 减 小 大 葱 茎 秆 在 试 验 过 程 中 的 损 伤, 夹 持 垫 片 上 相 对 设 有 橡 胶 垫。 2.1.2 传 动 部 分 设 计 传 动 部 分 的 设 计 采 用 导 程 丝 杠 加 螺 栓 固 定 的 方 式 带 动 夹 持 机 构 和 传 感 器 运 动 工 作, 导 程 丝 杠 下 方 通 过 联 轴 器 与 步 进 电 机 连 接。 具 体 结 构 如 图4 所 示。 1. 导 程 丝 杠 2. 联 轴 器 3. 步 进 电 机 4. 夹 持 装 置 5. 传 感 器 图4 主 机 架 侧 视 图 Fig.4 Sideviewofmainframe 设 导 程 丝 杠 间 距 为 L, 步 进 电 动 机 的 步 进 角 为 α, 电 动 机 的 控 制 频 率 为 P, 试 验 速 度 设 为 V, 行 程 位 移 设 置 为 S, 夹 持 起 拔 的 线 速 度 计 算 公 式 可 表 示 为 V S T T 360 S L α P 式 中 T 试 验 所 需 时 间s。 2.2 控 制 系 统 设 计 控 制 系 统 用 来 控 制 试 验 平 台 的 启 动 与 停 止, 并 可 对 大 葱 茎 秆 起 拔 状 态 的 参 数 进 行 测 量 与 信 息 传 送, 主 要 由 基 于ARMCortex-M3 内 核 的STM32F103 增 强 型 单 片 机 完 成 [8-9] 。 该 单 片 机 具 有 高 性 能、 低 成 本、 低 功 耗 的 特 点 [10] , 同 时 搭 载 的3.2 寸TFT 液 晶 屏 可 以 实 时 显 示 试 验 过 程 中 力 学 特 性 的 变 化 规 律。 图5 为 该 控 制 系 统 的 结 构 示 框 图。 2.2.1 信 号 放 大 电 路 设 计 信 号 放 大 电 路 由 负 电 压 产 生 电 路 和 信 号 放 大 器 组 成 [11] 。 负 电 压 产 生 电 路 由78L08 稳 压 芯 片 和ICL7660S 电 压 变 换 器 组 成。 该 芯 片 具 有 线 性 度 和 稳 定 的 增 益, 能 够 满 足 电 压 转 换 的 需 求。 信 号 放 大 器 采 用OP07 芯 片 组 建。 OP07 芯 片 是 0 1 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 一 种 低 噪 声、 非 斩 波 稳 零 的 双 极 性 运 算 放 大 器 集 成 电 路 [12] , 其 低 失 调、 高 开 环 增 益 的 特 性 适 用 于 放 大 传 感 器 的 微 弱 信 号。 拉 压 力 传 感 器 输 出 电 压 振 幅 范 围0 20mV, 而A/D 转 换 的 输 入 电 压 要 求 为3.3V, 因 此 放 大 环 节 要 有165 倍 左 右 的 增 益。 差 动 放 大 电 路 如 图6 所 示。 图5 控 制 系 统 结 构 框 图 Fig.5 Structurediagramofcontrolsystem 图6 差 动 放 大 电 路 Fig.6 Differentialamplifier 2.2.2 A/D 转 换 电 路 设 计 A/D 转 换 电 路 选 用AD0809 芯 片 设 计。 AD0809 是 带 有8 位A/D 转 换 器、8 路 多 路 开 关 及 微 处 理 机 兼 容 的 控 制 逻 辑 的CMOS 组 件, 它 是 逐 次 逼 近 式A/D 转 换 器, 可 以 和 单 片 机 直 接 接 口, 将 信 号 放 大 器 传 来 的 模 拟 信 号 转 换 成 数 字 信 号 传 到 上 位 机 显 示。 2.3 软 件 系 统 设 计 软 件 系 统 主 要 是 上 位 机 通 讯 程 序 的 设 计, 通 过 MicrosoftVisualC6.0 开 发 环 境 和C 等 编 程 语 言 设 计 开 发 了 上 位 机 数 据 采 集 接 收 界 面 [13-14] 。 通 过 STM32 主 控 制 器 与 上 位 机 之 间 的 串 口 通 信, 能 在 上 位 机 数 据 采 集 接 收 界 面 实 现 试 验 数 据 的 实 时 显 示、 历 史 查 询、 数 据 下 载、 曲 线 绘 制 等 功 能, 可 以 通 过 上 位 机 数 据 采 集 接 收 界 面 实 时 观 察 大 葱 茎 秆 的 运 动 过 程 和 受 力 状 态。 上 位 机 界 面 如 图7 所 示。 图7 上 位 机 界 面 Fig.7 Interfaceofpositionmachine 3 试 验 与 结 果 分 析 大 葱 茎 秆 起 拔 力 试 验 使 用 上 述 自 制 茎 秆 力 学 特 性 测 试 仪 进 行, 其 主 要 技 术 参 数 如 表1 所 示。 表1 大 葱 茎 秆 起 拔 力 测 试 仪 主 要 技 术 参 数 Table1 Maintechnicalparametersofcontrolsystem 参 数 单 位 数 值 外 形 尺 寸 长 宽 高 mm 150210400 运 动 速 度 mm/s 03 运 动 行 程 mm 200 传 感 器 量 程 kg 40 测 试 精 度 1.03 配 套 动 力 W 20 步 进 电 机 扭 矩 Nm 8.5为 了 测 定 起 拔 力 模 块 的 精 度, 选 用 不 同 质 量 的 标 准 砝 码, 分 别 在 万 能 试 验 机 和 该 测 试 系 统 上 进 行 对 比 测 量, 结 果 如 表2 所 示。 表2 起 拔 力 模 块 精 度 测 试 Table2 Accuracytestofthepullingforcemodule 实 际 拉 力 /N 测 试 结 果/N 测 试 系 统 万 能 试 验 机 相 对 误 差/ 测 试 系 统 万 能 试 验 机 平 均 误 差/ 测 试 系 统 万 能 试 验 机 14.7 14.9 14.4 1.36 2.04 19.6 19.8 19.2 1.02 2.04 29.4 29.7 28.8 1.01 2.04 0.90 1.84 58.8 59.2 57.9 0.68 1.53 117.7 118.2 115.9 0.42 1.53 1 1 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 由 表2 可 知 该 测 试 仪 起 拔 力 模 块 的 测 量 精 度 为 0.90, 优 于 万 能 试 验 机 的 测 量 精 度; 但 是, 在 稳 定 性 方 面, 万 能 试 验 机 的 误 差 波 动 更 小。 试 验 样 品 选 取 山 东 农 业 大 学 葱 姜 蒜 试 验 站 收 获 期 的 元 藏 大 葱, 取 样 时 间 为2016 年10 月20 号 到11 月16 号, 每 隔5 天 进 行1 次 试 验。 每 次 试 验 结 束 后, 将 试 验 样 品 称 重, 然 后 将 其 放 入 烘 干 机 干 燥, 计 算 其 含 水 率。 图8 是 大 葱 茎 秆 含 水 率 随 时 间 的 变 化 规 律。 图8 茎 秆 含 水 率 的 变 化 Fig.8 Changeofstemmoisturecontent 由 图8 可 知 这 段 时 间 内, 大 葱 茎 秆 含 水 率 下 降 约10。 这 表 明, 距 收 获 期 越 近, 大 葱 茎 秆 的 含 水 率 越 低。 其 原 因 是 天 气 比 较 干 燥, 土 壤 含 水 率 相 对 较 低, 植 株 逐 渐 老 化。 进 行 起 拔 力 试 验 的 同 时, 对 土 壤 的 相 关 参 数 进 行 了 测 量, 包 括 土 壤 硬 度、 含 水 率 及 容 重。 测 得 的 结 果 为 土 壤 硬 度155psi 磅/ 平 方 英 寸、 含 水 率22.23、 容 重1.25g/cm 3 。 在 实 际 测 量 中, 选 取 直 径 为14.5mm0.2mm 的 大 葱 茎 秆 为 试 验 对 象, 在 松 土 的 前 提 下, 使 用 起 拔 力 测 试 仪 测 量 不 同 加 载 速 度 下 大 葱 茎 秆 受 力 的 变 化 规 律。 速 度 分 别 设 定 为20、30、40mm/min, F- T 曲 线 如 图9 所 示。 图9 不 同 加 载 速 度 大 葱 茎 秆 的F-T 曲 线 Fig.9 F-Tcurveofscallionstalkwithdifferentspeed 由 图9 可 知 在 一 定 范 围 内, 随 着 加 载 速 度 的 增 大, 起 拔 力 从110N 增 大 到160N, 拔 取 大 葱 所 需 的 时 间 逐 渐 变 短。 这 是 由 于 大 葱 植 株 的 纤 维 化 程 度 越 来 越 高, 使 大 葱 茎 秆 的 韧 性、 强 度 不 断 增 大。 在 取 样 期 间 内, 针 对 不 同 含 水 率 的 大 葱 茎 秆, 在 松 土 的 前 提 下, 选 取 直 径 相 同 的 大 葱 进 行 起 拔 力 试 验, 加 载 速 度 统 一 设 定 为30mm/min。 结 果 显 示 随 着 生 长 期 的 增 长, 大 葱 茎 秆 的 起 拔 力 逐 渐 增 大。 为 进 一 步 反 应 茎 秆 起 拔 力 变 化 的 规 律, 将 大 葱 茎 秆 生 长 时 间 因 素 转 换 为 含 水 率, 通 过MatLab 软 件 拟 合 出 茎 秆 起 拔 力 与 含 水 率 之 间 的 函 数 关 系 式, 即 F 0 .07856 X 2 - 12 .615 X 568 .24 R 0 .986 式 中 F 大 葱 茎 秆 起 拔 力N;X 大 葱 茎 秆 含 水 率;R 拟 合 系 数。 由 函 数 关 系 式 可 知 大 葱 茎 秆 的 起 拔 力 与 含 水 率 之 间 大 致 呈 二 次 函 数 关 系, 拟 合 系 数 为0.986。 4 结 论 1 针 对 大 葱 在 输 送 夹 持 中 的 断 茎、 堵 塞 等 问 题, 设 计 了 便 携 式 数 控 大 葱 起 拔 力 测 试 系 统, 采 用 拉 压 力 2 1 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 传 感 器、 夹 持 装 置、 控 制 器 一 体 化 的 结 构, 有 效 减 小 了 试 验 台 的 体 积 与 质 量, 可 以 带 到 大 葱 生 长 现 场 进 行 试 验。 试 验 系 统 的 加 载 速 度 和 夹 持 装 置 根 据 需 要 均 可 调 节, 采 集 数 据 的 测 试 精 度0.90, 满 足 试 验 要 求。 2 通 过MicrosoftVisualC6.0 开 发 环 境 和C 等 编 程 语 言 设 计 开 发 的 上 位 机 数 据 采 集 接 收 界 面, 较 好 地 完 成 了 试 验 数 据 曲 线 的 实 时 显 示 与 存 储, 减 轻 了 试 验 数 据 处 理 的 劳 动 强 度。 3 通 过 对 大 葱 茎 秆 的 相 关 试 验 可 以 看 出 大 葱 茎 秆 的 含 水 率 随 收 获 期 的 临 近 而 降 低, 并 且 随 着 受 力 速 度 及 含 水 率 的 不 同 而 呈 现 出 不 同 的 力 学 特 性。 对 于 直 径 相 同 的 大 葱, 在 一 定 范 围 内, 受 力 速 度 增 大, 拔 取 大 葱 的 起 拔 力 增 大; 含 水 率 降 低, 拔 取 大 葱 的 起 拔 力 增 大。 参 考 文 献 [1] 吕 宗 迎, 侯 加 林, 郎 需 强, 等. 小 麦 茎 秆 力 学 特 新 测 试 系 统 [J]. 农 业 机 械 学 报,2012,43S184-89. 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ShandongProvincialKeyLaboratoryofHorticulturalMachineriesandEquipments,Tai’an271018,China A b s t r a c tThispaperaimsattheproblemofbrokenstemsandjamsintheprocessofcarryingscallion,andcombinesthe mechanicalcharacteristicsofscallionwhenharvested,akindofcontrolsystemeasuringthepullingforceofscallions wasdesigned.Thecontrolsystemwasdesignedwiththreepartsmechanical,circuitandsoftware,mainlyincludecontrol section,cutivebody,inationcollectionandHMIHuman-computerinteractioninterface.Thesystemcanrealize real-timedisplay,storage,downloadandcurvedrawingofdata.Atthesametime,itcancompletethecalculationofthe parameterssuchasmaximumtension.Theexperimentresultsshowthatthesystemisreliableandhasthefeaturesofhigh precision,withthedeviationofcollectiondatalowerthan1,whichcanfulfillthesystemrequirements.Itprovidescon- venienceforfurtherstudyingthemechanicalpropertiesofstems. K e y w o r d sscallionstalk;pullingforce;testsystem;mechanicalproperty 3 1 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期