聯合收割機高位卸糧自動化控制系統設計*

蔣建東，李聰聰，毛智琳，章恩光

(1.浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310017；2.星光農機股份有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引 言

在聯合收割機作物過程中，卸糧是一個重要流程，其速度關系著聯合收割機的工作效率。高位卸糧主要是卸糧筒和內部的旋轉攪龍配合，將收割機糧倉內的谷物輸送到一定高度的卸糧口處，通過卸糧口對準卸糧平臺輸出谷物。相對傳統卸糧方式，高位卸糧有卸糧范圍大、角度多、支持行走卸糧等優點。

近年來，國內外開展了聯合收割機高位卸糧自動化系統的研究[1-7]。孫新華、孟憲成等人[8]提出了一種散裝汽車卸糧平臺，根據作業需要調節高度和控制流量，有效減少了糧食的落地和拋撒；郭興、王海鷹等人[9]提出一種基于PLC的大型散糧筒倉控制系統，提高了散糧筒倉控制系統的通用性和可靠性。當前的聯合收割機卸糧的自動化水平低，大多采用復雜的人工手柄式操作，卸糧效率和準確性低。

為實現聯合收割機卸糧的自動化，本文提出一種聯合收割機高位卸糧自動化控制系統，進行二自由度機構作業任務操作邏輯秩序優化、最小數量位置感應傳感器系統和傻瓜式自動操作控制算法設計以及高位卸糧自動化控制系統設計開發[10]，并通過控制實驗驗證。

1 高位卸糧機構機械結構及運動分析

高位卸糧機構的3D結構示意圖如圖1所示。

圖1 高位卸糧機構3D示意圖

整個卸糧機構的運動模式可以簡化為具有兩個自由度，水平旋轉角度和升降傾角。當聯合收割機糧倉儲滿或者有卸糧要求時，通過工作人員的控制自動或者手動使出糧口到達指定位置，將糧食輸送到卸糧平臺，完成載糧任務。

高位卸糧機構運動原理圖如圖2所示。

圖2 高位卸糧機構運動原理圖

以整個卸糧機構最低點(即與糧箱接觸點)為原點，桿O-A-B-C就是整個卸糧機構在三維坐標系中的簡化桿，OA垂直于AB,AB垂直于BC，OA=1 644 mm，AB=420.5 mm，BC=3 755 mm，C端是卸糧口。在此坐標系中，卸糧口C的理想位置用坐標來表示為(X,Y,Z)=(3 755,420.5,1 644)。整個機構有兩個方向的自由度：(1)BC桿提升角度α；(2)OA繞Z軸旋轉角度β。

實際簡化結構如圖3所示。

圖3 高位卸糧簡化結構

初始位置的機構為O-A-C，0A=420.5 mm,AC=3 755 mm,交Y軸于點N，∠AON=10°為實際機構初始偏轉角度，∠AOB=100°即為機構所定的旋轉角β。C點為卸糧口初始點，其坐標(ZC=1 644)為：

|ON|=|OA|/cos(∠AON)=420.5/cos10°=427
|AN|=|OA|·tan(∠AON)=420.5/tan10°=74
|NC|=|AC|-|AN|=3 755-74=3 681
|MN|=|NC|·cos(∠MNC)=3 681/cos80°=639
|MC|=|NC|·sin(∠MNC)=3 681/sin80°=3 625

XC=|MC|=3625;YC=ON+MN=
427+639=1 066

(1)

卸糧位置的機構為O-B-Z，|OB|=420.5 mm,|BZ|=3 755 mm,顯然Z點作為卸糧口目標點其坐標為(XZ,YZ)=(420.5,-3 755)(Z=1 644)。所以，可得目標點與初始點的距離為：

(2)

2 控制系統平臺及硬件架構

卸糧機構的自動操作由操作人員控制水平驅動電機和垂直驅動油缸，實現機構空間運動及姿態，保證卸糧點C到達預定卸糧空間位置，完成卸糧任務。其中包括一鍵發出宏指令，實現卸糧口C自動運動到目標位置進行卸糧，以及一鍵收回宏指令集，實現卸糧結束后卸糧機構自動返回到初始位置和狀態。

其控制系統硬件總體方案如圖4所示。

圖4 高位卸糧機構自動控制系統總體方案

筆者采用人工按鍵進行控制操作，并根據運動功能分析，主要需要限制最高、最低、最左、最右4個機構的極限位置。本文采用4個接近開關(傳感器)，將其信號連接到51單片機上，4個接近開關分別兩兩安裝在能夠測量到卸糧筒水平旋轉和升降位置信息的適當位置。根據目標位置要求，通過預先設置好接近開關的位置參數，確定了卸糧筒的上、下、左、右4個極限位置，當運動到極限位置時，接近開關觸發信息傳入單片機分析處理，發出控制信息通過繼電器控制電機或者電磁閥控制液壓油缸啟停工作而進行下一步過程，最終使得卸糧口停在指定位置。

控制系統單片機部分是整個控制電路設計的中樞部分，主要包括電源、信號輸入、單片機MCU、繼電器輸出以及狀態信號等5部分，其原理電路和實物如圖5所示。

圖5 高位卸糧機構自動控制器電路原理

3 自動控制程序及流程圖

控制系統分為手動控制和自動控制兩種模式，其流程如圖6所示。

圖6 自動控制程序流程圖

具體流程為：自動控制模式下分為一鍵發出和一鍵返回兩種命令，一鍵發出命令發出后，首先控制器控制液壓油缸運動，推動第二糧筒抬升，觸發接近開關4發出信號，控制器接收信號后控制油缸停止運動，然后控制器再發出控制驅動電機運動的信號，驅動電機帶動第一糧筒開始向左運轉，直到觸發接近開關1。接近開關1發出信號，控制器接受信號后控制東區點擊停止運轉，高位卸糧筒到達工位點，開始卸糧工作。卸糧結束后，按下一鍵發出命令按鈕，控制器控制驅動電機向右轉動，帶動第一、二糧筒轉動，觸發接近開關3，接近開關3發出信號，接收器接收到信號后控制驅動電機停止運轉，然后控制器發出信號控制油缸向下運動，帶動第二糧筒運轉，直到觸發接近開關2，接近開關2發出信號，控制器接收到信號后，發出命令控制油缸停止運轉，高位卸糧筒到達初始位置，完成整個卸糧過程。

根據實際情況，操作人員需要對糧筒的位置進行微調時，進入手動調節模式。向上抬升第二糧筒，觸發接近開關4時無法繼續向上運動；向下降低第一糧筒，觸發接近開關2時無法繼續向下運動；順時針調節第一糧筒，觸發接近開關1時無法繼續順時針運動；逆時針調節第一糧筒，觸發接近開關3時無法繼續逆時針旋轉。以上功能是為了避免糧筒超調相撞造成機械損壞。

4 卸糧機構自動化控制系統測試

為了測定高位卸糧自動化控制系統的可靠性和穩定性，在星光4LZ-5.0Z履帶式自走式全喂入聯合收割機進行實驗驗證。傳感器采集的數據通過傳輸單元傳輸到上位機界面上，如圖7所示。

圖7 高位卸糧機構自動控制測試軟件界面

傳輸單元數據通過串行通訊接口實時發送到上位機，在上位機軟件界面上顯示，并以文本的形式存儲數據。上位機界面分別包括傳輸協議設定部分、糧筒2的上升高度、糧筒1的旋轉角度、接近開關1～4的閉合狀態等數據的顯示。

經過多次的現場測試與調整，本文設計的高位卸糧機構自動控制系統能實現卸糧任務的自動化操作，并能實現卸糧機構的一鍵發出和一鍵收回的宏指令自動化操作。機構位置與自動執行時間測試數據如圖(8,9)所示。

圖8 糧筒2的高度變化

圖9 糧筒1的角度變化

通過機構一鍵式自動操作與人工機械手柄操作對比測試結果顯示：控制系統發出一鍵發出命令后，糧筒2首先向上抬升，然后糧筒1順時針旋轉，糧筒2上升的高度約2 000 mm，糧筒1旋轉的角度約150°，整個過程大約用時5.3 s，相比于人工調節用時25 s，時間降低了4倍，卸糧作業操作效率得到了較大的提升。

5 結束語

針對聯合收割機人工卸糧效率低下問題，本研究提出了一種履帶式聯合收割機高位卸糧自動化控制系統，并針對系統的操作效果和穩定性，在星光4LZ-5.0Z履帶式自走全喂入聯合收割機上進行了實驗驗證。

實驗結果表明：相比于人工調節用時，自動卸糧機構操作用時降低了4倍，且具有效率高、可靠性好等優點。