基于CNC技術的農業旋耕機數字化控制系統研究

羅應娜

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120)

0 引言

隨著我國土地流轉的加快，農戶種植土地的規模加大，種植業的機械化程度加大，大型農用機械已經開始得到廣泛的使用，如加大幅度的插秧機、播種機和收割機[1-2]。整地是農業生產環節中最重要的環節之一，平坦的田地可以節約種植用水，使土壤顆粒化，促進土壤熟化[3]；翻松土壤，使土壤中的肥料和雜質翻到下層中，可保持土壤通氣，減少土壤中厭氧菌的滋生，且對于農作物根系的下伸和生長、農作物的發芽和結果有益。我國的水稻種植基本還是使用20世紀90年代的旋耕機，不適應目前的種植規模，提高旋耕機的技術性能非常必要[4-6]。傳統的旋耕機是采用三點懸掛，其耕幅已不能適應現代的種植寬幅，需要研制出旋耕機沿耕寬方向的工作深度不受拖拉機機體的橫向傾斜而變化的水平自動控制系統，使得旋耕機始終處于水平狀態，各部位的耕深一致，保證旋耕作業后水田平整[7-14]。

旋耕機主要以拖拉機為動力，由控制系統、機架、傳動機構、刀輥、擋土罩及平土拖板等裝置構成。實現旋耕機數字化控制重點的是自主控制旋耕深度，而中間的信息交換是其困難之處，不同的控制系統采用方式不同，兩者之間很難兼容，而CNC技術可以克服這點。CNC技術控制系統的結構層次開放，有網絡設計能力，使控制系統容錯力高、兼容性高，且可以實現遠程控制，上層信息與下層信息溝通及時，可實時控制調整機械。

本文設計了基于CNC技術的農業旋耕機數字化控制系統，分析了采用CNC技術控制旋耕機整地、深松，并驗證了CNC技術的可操作性。

1 控制系統工作原理

旋耕機與拖拉機配套使用，旋耕機上主要機械結構有發動機、水平調節桿、刀片、各類傳動軸和計算機控制系統，由發動機提供動力經傳動軸輸出到各結構上，其最重要的設計是控制系統。旋耕機實現數字化控制理論是利用CNC技術控制旋耕機的旋耕深度和旋耕機的行走速率，采用計算機與傳感器相結合。其中，主要是利用傳感器采集田地信息，將信息反饋到控制中心進行分析，輸出結果對水平調節桿控制升降，達到旋耕深度均勻，行走速度平穩及保障旋耕工作質量的目的。

控制系統以傳感器采集旋耕深度檢測信號a(t)為負反饋，與旋耕機工作時的設定信號b(t)構成環形控制分析系統，單片機中設定信號b(t)與旋耕機上安裝的傳感器檢測的信號a(t)相比較：當設定信號大于檢測信號時，即實際的旋耕深度小于設定的旋耕深度，控制系統就會發出信號，減少輸出功率，降低旋耕機的行走速度或停下來，控制水平桿下降，調整刀片旋耕深度達到設定值再繼續工作前進；當設定信號小于檢測信號時，即實際旋耕深度滿足設定的旋耕深度，甚至大于設定旋耕深度，這時控制系統輸出信號，命令旋耕機繼續前進，進行下一步土壤的旋耕?？刂葡到y工作程序如圖1所示。

圖1 CNC技術控制系統工作程序Fig.1 CNC technology control system work procedures

控制系統是對采集信號進行換算、比較，并分析出比較結果生成信號并輸出判斷信號，調整機具達到要求。控制旋耕深度和行走速度主要是利用改變發動機的輸出功率，主要要用變頻器來完成，變換頻率可以控制發動機的轉動速率，從而控制行走速率和旋耕深度。單片機主要任務是對信號進行數字化、預加重、濾波、加窗等處理，并將分析的結果輸出。

2 控制系統

2.1 控制系統組成

基于CNC技術的數字化控制系統由旋耕機上的定位節點、上位機和傳感器組成，以單片機為控制中心，通過接受傳感器檢測的數據，在上位機上進行分析，根據田地的實際情況調整旋耕機的水平度，進行旋耕。旋耕機的主要部件包括5大塊:控制系統、機架、傳動機構、刀輥、擋土罩及平土拖板。其中，刀輥是旋耕機的主要工作部件，由刀軸、刀座和旋耕刀片組成，如圖2所示。

2.2 性能參數

2.2.1 旋耕深度

旋耕深度應事先在控制系統中初始設置，作為參數來控制實際旋耕深度，也是控制系統工作的基礎。不同耕種情況的旋耕深度不同，應根據種植作物設置深度。土壤的性能也會影響到旋耕深度，如土壤含水量、土壤密實度及土壤中含砂石量等。根據檢測的土壤性能，保證農作物適宜耕作，選取合適的旋耕深度為初始旋耕深度。

圖2 旋耕機結構簡圖Fig.2 A brief introduction to the structure of rotary

2.2.2 旋耕幅寬

發動機的功率大小會限制旋耕幅寬，設計控制系統時確定發動機的型號是必要的，如要根據發動機的額定功率確定旋耕幅寬，可以根據已有資料來參考，通常選擇發動機額定功率的0.26～0.29倍。

2.2.3 理論生產率

根據設計計算的旋耕幅寬、旋耕機的行走速度和偏差系數。理論生產率為

理論生產率=0.1×旋耕幅寬×速度

(1)

2.3 結構參數

結構參數中最重要的是確定驅動輪和行走輪的直徑，行走輪直徑決定旋耕部件的人土位置。

3 仿真試驗與結果

3.1 試驗基本條件

為了測試在實際情況下旋耕機旋耕深度和速率控制的精度，選擇一塊100m×100m的干地種植地作為實驗地，在旋耕機上安裝好傳感器，設置控制系統的初始參數進行試驗。

基于CNC技術的農業旋耕機數字化控制系統性能測試，初始旋耕深度設置8、9、10、11、12、13、14、15cm 8個旋耕深度試驗，旋耕機在地里自由行駛，每個旋耕深度進行3次試驗，并將旋耕深度進行手工檢測，并用速度測定儀表檢測旋耕機的行走速度。檢測數據如表1和表2所示。

3.2 試驗結果

上述數據檢測結果表明：旋耕深度的平均誤差最大4.4%，可以滿足耕地要求。由表2數據中可以看出：3組試驗的旋耕速度相差不大，即基于CNC技術的農業旋耕機數控系統工作穩定；仿真試驗中多個檢測點的檢測數據，其精度都控制在可接受的范圍內，滿足田地整平的要求。

表1 旋耕深度檢測數據Table 1 Rotation depth detection data

表2 旋耕速度檢測數據Table 2 Rotation speed detection data m/s

4 結論

設計的基于CNC技術的農業旋耕機數字化控制系統，旋耕深度和旋耕速度的精度比較高，旋耕深度的偏差在5%以下，在可接受的范圍內。試驗驗證了本控制系統的精確度。CNC技術把旋耕機的數字控制提到了更高的技術平臺，減少了農業種植中需要的勞動量，為農作物提供了良好的生長環境，有益于農作物產量的提升，實現了旋耕作業的智能化，為現代農業機械化生產提供了參考。