ZTR割草機自動變割幅結構及控制系統設計

2019-12-22 08:24:56馮運發王新彥田啟航葉凱強

農機化研究 2019年5期

馮運發，王新彥，田啟航，呂峰，尹磊，葉凱強

(江蘇科技大學機械學院，江蘇鎮江 212000)

0 引言

隨著乳品業的迅猛發展及高爾夫球、網球、足球等運動的興起，我國的牧草產業及草坪的需求量正在迅速的發展。對于這些大型的場所使用的割草機一般以小型汽油機或柴油機為動力系統，以小型汽油機作為動力的較為普遍。零轉彎半徑(ZTR)割草機是一種以汽油機為動力系統的坐騎式割草機，作業前進速度最高可達11.2km/h，并可以實現原地轉向，工作效率高。但是，目前市場上銷售的ZTR割草機都是定割幅的，包括1.2、1.5、1.8m等，無法滿足不同空間的割草需求[1-2 ]，若前方障礙物間距小于割幅寬度，割草機就無法通過；反之，若在較寬闊的草地上作業時，定割幅又限制了其割草效率。

江蘇科技大學的王新彥教授及周浩等人發明的兩種變割幅割草器，一種是在現有1.2m刀盤的結構基礎上左右各添加1個副刀盤,將3種不同尺寸的副刀盤進行組合,可以實現1.5、1.8、2.3m 3種寬度的割草器，其缺點是只能組合成3種寬度，且副刀盤比較笨重，更換時費時又費力[3]；另一種是在現有刀盤的前方增加了兩個可以伸縮的副刀盤，并分別由一個液壓馬達帶動刀盤轉動，4個液壓缸控制兩個刀盤的伸縮，實現了從1.2～2.3m的無極變割幅[4]，但液壓系統復雜且笨重，在劇烈的震動下容易出現漏油等狀況。常州市福美好機械有限公司發明了一種拖拉機后掛式可伸縮割草機[4]，通過輸入軸、齒輪箱將動力從拖拉機傳遞給割草器，并由兩個油缸控制割幅的變化，實現了割幅的變化；但是，由于結構設計不夠合理，當割幅變至最大時，中間會出現漏割的現象。

針對上述問題，筆者設計了一種全自動無極變割幅割草器，由鋰電池為動力源，在原1.2m刀盤的兩端分別增加兩個可以前后旋轉的副刀盤。工作時，CCD相機實時采集障礙物信息，由圖像識別算法判斷前方障礙物信息，然后傳輸給PLC控制割草機割幅寬度，從而實現了從1.2～1.8m的無極自動變割幅。

1 自動變割幅割草器結構設計

ZRT割草機這種較大型的割草機在較寬闊的草地上作業時，寬割幅能提高其工作效率；但是，如果在空間狹窄，或者樹木、景觀石等障礙物間的距離較小時，割草機就無法通過，出現漏割的情況，事后還要由人工采用其他形式的割草機徹底完成割草作業，費時又費力。此時，如果割草機可以自動改變割草機的割幅寬度，將明顯提高ZRT割草機的工作效率。本文以揚州維邦園林機械有限公司生產的WBZ12219K-S ZRT割草機為原始研究對象，對其割草器進行重新設計，如圖1所示。

1.1 割草器總體結構設計

自動變割幅割草器的結構示意圖如圖2所示。該割草器在原有的1.2m主刀盤的基礎上在兩側分別增加了一個外徑350mm的副刀盤，以實現從1.2～1.8m無極變割幅的目的。左右兩個副刀盤通過連接板、支撐滑輪及電動推桿與主刀盤相連，通過電動推桿的伸縮控制副刀盤的前后旋轉以實現變割幅，電動推桿的一端鉸接于焊接在主刀盤上的支持板上，另一端固定在副刀盤的蓋板上；副刀盤上的刀片轉動主要靠雙層帶輪軸經由三角皮帶帶動；在兩個副刀盤轉動的極限位置上，即1.2、1.8m的位置均安裝有磁性開關，以防止發生轉動過量，發生碰撞的情況。

1.割草器 2.車架

1.右副刀盤 2.主刀盤 3.車架 4.左副刀盤

1.2 主要技術參數

自動變割幅割草機主要技術參數：

割幅/m： 1.2～1.8

割刀轉速/r·min-1： 3 600

割刀數量： 5片(主割刀3個，副割刀2個)

配套動力/kW： 13.97

驅動速度/km·h-1：前進最大值11.2,

后退最大值6.4

主割刀長度/mm： 406.4(16英寸)

副割刀長度/mm： 330

切割方式：旋刀式

1.3 副刀盤結構設計

副刀盤的結構設計最主要的是如何實現其自動旋轉，具體結構如圖3和圖4所示。

1.內卡簧 2.平鍵 3.法蘭軸承座 4.副刀盤割刀 5.雙層帶輪軸 6.外卡簧 7.支撐滾輪 8.滾輪固定板 9.主刀盤割刀 10.深溝球軸承6205-2Z 11.法蘭軸承座 12.副刀盤割刀軸 13.深溝球軸承6204-2Z 14.平鍵

1.雙層帶輪 2.連接板 3.三角帶 4.磁性開關 5.曲線槽 6.副刀盤外殼 7.副刀盤帶輪 8.張緊輪 9.伺服電動推桿 10.推桿固定板

副刀盤內部結構圖中，包括與主刀盤的連接結構及傳動結構。副刀盤主要由連接板、支撐滾輪支撐固定，利用電動推桿的伸縮控制副刀盤在曲線槽上旋轉，以達到改變割幅的目的。電動推桿由伺服電機帶動，可以實現在任意位置停止，在副刀盤旋轉的極限位置上分別安裝了兩個磁性開關，以防止旋轉越位，發生碰撞事件。

1.4 割刀及副刀盤運動分析

1.4.1 割刀運動分析

割刀長度有兩種，但其結構都相同，在割草的過程中割刀高速旋轉，由刀片的刃部割斷草。割刀的運動由自旋轉和割草機的運動組成，割刀上隨意一點相對地面的軌跡是余擺線[5]，如圖5所示。割刀上任意一點的運動軌跡可以使用方程進行表示，即

(1)

式中r—割刀半徑(m)；

t—旋轉時間(min)；

ω—割刀旋轉角速度(rad/s)；

V—割草機前進速度(m/s)。

圖5 割刀運動軌跡

1.4.2 副刀盤運動分析

副刀盤的運動是由電動推桿的伸縮控制的，割幅調整示意圖如圖6所示。其中，O1、O2位置分別為副刀盤的兩個極限位置，在O1處是整個割草器割幅為1.8m，在O2位置時割幅為1.2m。為了防止漏割現象，主刀盤割刀軌跡重疊20mm，副刀盤在O1位置與主刀盤割刀軌跡重疊20mm。伺服電動推桿的伸縮速度V=40mm/s，從O1位置到O2位置長度變化ΔL為126.5mm，可求得所需伸縮時間為t=ΔL/V=3.16s。測得θ=52.5°，所以可以求得副刀盤旋轉平均角速度為

ω=θ/180°/t=0.09rad/s

(2)

式中V—伺服電動推桿速度(mm/s)；

ω—副刀盤旋轉平均角速度(rad/s)；

θ—副刀盤旋轉的最大角度。

1.主刀盤 2.伺服電動推桿 3.副刀盤

2 控制系統設計

自動變割幅割草機的核心部分也是其難點是控制系統的設計，主要分為兩個部分：一是視覺算法的實現部分；二是驅動控制部分，即PLC程序及與上位機的串口通信。

2.1 控制系統硬件平臺搭建

系統的組成包括供電模塊、CCD采集模塊、中央處理單元(PC)、控制模塊(PLC)及電動推桿旋轉系統等，如圖7所示。

圖7 控制系統硬件構成

PC機與PLC通過串口通信協議進行實時信息交換，CCD視覺傳感器采集割草機前方障礙物情況，將采集的信息傳遞給PC進行算法計算判定，決策割幅是否變化，然后再將決策信息傳遞給PLC，PLC可以控制報警系統或者控制伺服電機驅動副刀盤進行旋轉。

2.2 視覺算法建立

該算法的實現平臺是專業圖像處理庫軟件HALCON，在此軟件上進行算法的編寫，然后與C#語言進行聯合編程，具體算法流程如圖8所示。

圖8 圖像算法流程圖

使用CCD攝像機拍攝前方圖像,經過對圖像的預處理、圖像分割等技術,提取出障礙物區域, 并通過算法計算出兩障礙物(樹木)的間距。然后，對所提取的兩樹木的間距進行區分，分為以下3種情況：①LAB>1.8m；②1.2m

2.3 PC機與PLC通信

所采用的PLC為三菱FX系列，其程序開發平臺是GX Developer，在此平臺上進行程序的編寫后傳輸到三菱PLC上；然后，采用串口通信協議與PC機進行通信，PC機與PLC串口通信所使用編程電纜為SC-09，而筆記本需要另外添加USB-RS232轉換接口才可以通信。上位機通信程序的編寫可以使用高級語言有C++、VB及LABVIEW。因為C#汲取了C和C++的優點并去其復雜性，開發學習相對簡單，所以本文采用編程語言C#。開發平臺為Visual Studio 2012，所采用的控件是SerialPort,通過通信協議設置相關參數即可通過串口連接上PLC[6-7]。