高精度農業機械質心測量系統的設計與研究

黎虹　李光

摘要：針對當前傳統的農業機械質心測量系統精度不夠高、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合的高精度農業機械質心測量系統，該系統由V型塊、十字刀口、電控升降臺等構成，并通過H系列水平傳感器、高精度稱質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后進入農業機械質心測量控制系統，農業機械質心測量控制系統對測量的數據進行采集處理、通信與分析，驗證測量系統的精確性，并對測量系統的誤差進行分析，提出改進措施和優化方案，提高測量系統的可靠性。試驗結果表明，該農業機械質心測量系統具有檢測精度高、自動化程度高、穩定性好和檢測方便等優點，有很好的推廣前景。

關鍵詞：農業機械;質心;測量系統;機械系統;采集與通信系統;控制系統;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

質心即平均質量中心，它是科學領域計算中經常須要采用的一個參數，質心測量系統在農業生產方面具有非常廣泛的應用，它為農業生產生活及科學研究提供了重要的基礎數據，其測量精度的高低直接影響農業機械的動力性能、操縱穩定性和乘坐舒適性等，因此，農業機械質心測量具有更廣泛的應用領域和更強的研究意義。

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

1 農業機械質心測量系統總體方案設計

本研究以天平原理與不平衡力矩理論為依據，采用V型塊、十字刀口、電控升降臺、支撐平面等構成農業機械質心測量機械系統，并采用H系列水平傳感器、高精度稱質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后進入農業機械質心測量控制系統，該系統對測量的數據進行采集處理、通信與分析，進而提高測量系統的精度和可靠性，其工作原理見圖1。

2 農業機械質心測量機械系統設計

圖2為農業機械質心測量機械系統，待測農業機械放置在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上端左側固定有H系列水平傳感器4，H系列水平傳感器4實時監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下端左測設置有高精度稱質量傳感器8，高精度稱質量傳感器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]，該農業機械質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。

在進行農業機械質心測量時，被測農業機械放置在固定的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個方向農業機械質心的位置。本系統中的高精度稱質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]，測量結果通過采集與通信系統后進入農業機械質心測量控制系統，即可測量出農業機械質心位置。

3 采集與通信系統設計

采集與通信系統是農業機械質心測量機械系統與農業機械質心測量控制系統連接的紐帶，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，該系統可保證數據的采集與通信穩定可靠。運動控制器使用以太網和計算機控制系統相連接，計算機控制系統采用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動步進電機，同時通過高精度稱質量傳感器、光柵尺位移傳感器和H系列水平傳感器采集到的3個參數配合來實現對農業機械質心測量機械系統的精確控制。高精度稱質量傳感器負責采集農業機械質心的偏心量，并將此偏心量轉化為相應的電信號，USB采集模塊將此電信號進行后續信號調理后，通過USB口發給計算機控制系統。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。H系列水平傳感器實時監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連接[8-9]。

4 農業機械質心測量控制系統設計

農業機械質心測量控制系統使用微軟公司開發的Visual Basic軟件進行軟件編譯和用戶操作界面設計，農業機械質心測量控制系統見圖3，其工作流程為農業機械質心測量控制系統初始化成功后，對電控升降臺進行設置，設置的參數包括速度、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，將已知質心位置的農業機械放置在V型塊上，采用高精度稱質量傳感器和光柵尺位移傳感器采集相應的質量與距離數據，農業機械質心測量控制系統對質心量進行測量并完成對已知質心農業機械的標定;然后將待測質心農業機械放置在V型塊上，輸入上次標定的數據，采用高精度稱質量傳感器和光柵尺位移傳感器再次采集相應的質量與距離數據，進入農業機械質心測量控制系統，得到待測質心農業機械的測量結果，計算并保存測量結果，打印輸出，完成農業機械質心測量的全過程[10]。

5 農業機械質心測量系統測量模型的建立

農業機械質心測量系統的測量模型原理如圖4所示。

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

6 提高農業機械質心測量系統的精度分析

6.1 十字刀口的設計

十字刀口是農業機械質心測量機械系統實現精確測量的關鍵部件，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型塊的設計

V型塊是農業機械質心測量機械系統中實現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業機械的測試要求，以提高定位穩定性。

6.3 電控升降臺的設計

本研究農業機械質心測量系統的計算機控制系統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 系統測試試驗及創新點分析

本農業機械質心測量系統采用標準樣件進行實際測量，標準農業機械質心位置的理論值為0，在農業機械上進行加質量，所測得的偏心量就是質心值。在本試驗過程中，被測農業機械的質量為18 560 g，高精度稱質量傳感器到刀口軸線的距離為150 mm，在被測農業機械的0°位置施加20 g的偏心質量，此時高精度稱質量傳感器測得的力為F1;然后將被測農業機械旋轉180°，此時高精度稱質量傳感器測得的力為F2，由公式（5）得被測農業機械的質心e，農業機械質心的多次測量結果見表1，由具體測量數據可知，最大誤差優于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量偏心產生的力矩，進而測量農業機械徑向質心的測量系統，構建了農業機械質心測量系統的數學模型，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計提高農業機械的加工精度和裝配精度，進一步減小系統誤差，高精度稱質量傳感器提高了測量精度，采集與通信系統保證了采集與通信數據準確可靠，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精度。

8 結束語

本研究以農業機械的質心為試驗對象，在傳統農業機械質心測量方法的基礎上設計一種高精度農業機械質心測量系統，該系統采用V型塊、十字刀口、電控升降臺等構成農業機械質心測量機械系統，并采用H系列水平傳感器、高精度稱質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后進入農業機械質心測量控制系統，農業機械質心測量控制系統對測量的數據進行采集處理、通信與分析，驗證測量系統的精確性，提出系統的改進措施和優化方案，進而提高測量系統的準確性和可靠性，完善農業機械質心測量系統的性能，具有良好的科學性和實用性。農業機械質心測量時的空間位置測量會向著三維測量的方向發展，激光作為長度溯源的關鍵設備，未來激光跟蹤儀等三維設備會逐漸被應用到農業機械質心測量中。

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