棉花高度仿形裝置研究

彭強吉++馬繼春++宋和平++何青海++呂愛民

摘要：針對現有棉花打頂設備作業過程中棉花頂部仿形效果差，且受作業環境影響比較明顯的問題，提出了仿形板與角度傳感器相結合的方案，研制了一種基于FPGA的棉花高度仿形裝置。確定了打頂期內棉株的彈性模量，并運用有限元仿真軟件模擬了棉株受力狀態，確定了核心部件仿形板的材料屬性及尺寸參數。田間試驗結果表明，該裝置能夠對棉花高度進行仿形，機具作業速度在3.24 km/h內時，打頂率最高可達90.0%，打頂效果較好，機具結構設計合理，為棉花打頂機械化提供了技術支持。

關鍵詞：棉花；高度仿形；彈性模量；智能控制；打頂機械化；試驗

中圖分類號： S224.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0356-03

收稿日期：2015-11-12

基金項目：山東省自然科學基金（編號：ZR2014EEP005）。

作者簡介：彭強吉（1984—），男，山東臨沂人，碩士，助理工程師，從事農業機械化工程研究。E-mail：pengqiangji1984@126.com。

[JP3]棉花是我國重要經濟作物，種植管理復雜，在整個生產過程中，除打頂、采收環節外，已基本實現全程機械化[1-2]。棉花打頂是棉花生產的關鍵技術，近年來備受關注，棉花高度仿形是棉花打頂的核心技術之一，仿形效果直接影響打頂效果[3-4]。

現階段棉花高度仿形主要有非接觸式、接觸式2種形式。非接觸式主要有利用超聲波傳感器技術[5]、激光傳感器技術[6]、遙感技術[7]、近紅外多光譜傳感器及光譜分割技術[8]、機器視覺技術[9]等方法檢測棉花高度進行仿形。雖然上述技術在工業領域應用比較成熟，但是在田間復雜作業環境下，受機械振動、泥土灰塵較多、雨天、早上露水較大等問題的影響十分明顯；接觸式仿形主要有預設高度及地輪對地面仿形實現棉花高度仿形[10]、仿形板與接近開關對棉花高度仿形[11]等方法，仿形精度有待提高。

鑒于棉花打頂機特定的作業環境，上述仿形技術未能推廣使用。針對上述問題本研究提出了角度傳感器與仿形板相結合的方案，研制了一種基于FPGA的棉花高度仿形裝置，實現了在田間復雜環境下棉花高度精準仿形，研究成果有助于研制新型棉花打頂機械，為促進棉花打頂機械化技術的推廣應用提供理論依據。

1設計原理及結構

1.1設計原理

該仿形裝置利用仿形板與棉花頂部接觸，依靠棉花頂部對仿形板的支撐力來測量棉花的高度；仿形板隨棉花的高低起伏擺動，帶動角度傳感器角度變化，通過角度換算出棉花實際生長高度。為便于直觀表示效果，將棉花頂部簡化用光滑曲線連接，其理想狀態下效果圖如圖1所示，實線為棉花實際生長高度，虛線為棉花與仿形板接觸后棉花高度，雙點劃線為按仿形高度打頂后的棉花高度。

該仿形裝置優點是能夠適應田間復雜的作業環境，結構相對簡單，成本低；該研究為促進棉花打頂機械化技術的推廣應用提供了理論依據。

[TPPQJ1.tif]

1.2裝置結構

仿形裝置結構如圖2所示，主要由轉軸、FPGA控制器、角度傳感器、固定板、連接板、安裝板、仿形板等組成。角度傳感器通過螺栓安裝在固定板上，傳感器軸與轉軸一端固定連接，轉軸另一端與軸承配合相連；轉軸與仿形板一端固定；安裝板上開有安裝孔可通過螺栓安裝在打頂設備上。

工作過程中仿形板與被測棉株頂部接觸，隨棉花的頂部高低起伏變化，進而帶動轉軸旋轉，角度傳感器將信號傳遞到控制器，控制器換算出棉花高度變化值[12]。

2關鍵部件設計

仿形板的結構參數是該仿形裝置的核心部件，直接影響高度仿形效果。為更好地確定其參數，擬通過試驗對棉株受力特性進行研究，然后運用有限元虛擬仿真的方法確定仿形板材料屬性及結構參數。

2.1棉株力學特性

以中棉915為研究對象，選取山東省濱州無棣機采棉基地處于打頂期內的棉花作為試驗樣品。棉田種植密度10.5萬株/hm2，采集試樣時間2015年8月2號，隨機選取株高[CM（25]相差不多的棉花12株，去枝葉，測量直徑及株高，標號，放[CM）]

[FK（W16][TPPQJ2.tif]

入密封袋中帶回。

根據棉株在田間時根部固定、莖稈懸空這一生長特性，給棉株離地面高度為h的部位施加一水平推力F，使得棉株在水平方向上移動距離為ω，構成懸臂梁模型，如圖3所示。

[FK（W13][TPPQJ3.tif]

懸臂梁的撓曲線方程為[11]

[JZ（]ω=-[SX（]Fh33EI[SX）]；[JZ）][JY]（1）

從而得出彈性模量為

[JZ（]E=-[SX（]Fh33Iω[SX）]=-[SX（]32h3F3πωd4[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：E為彈性模量；I為慣性矩，kg·m2；ω為水平移動距離，m；F為水平推力，N；h為水平推力作用點離地面高度，m；d為棉株直徑，m。

對所取棉株試樣分3段進行測量，并且多次測量取平均值。利用游標卡尺測量棉株的直徑d（精度0.02 mm）；鋼板尺測量高度h及位移ω（精度1 mm）；推力通過電子數顯推拉力計進行測量（精度0.01 N）。

2.2仿形板設計

仿形板結構如圖4所示，整體由1塊板材鈑金成型。為增加接觸面積及減小阻力，仿形板前端彎折成120°，工作時最低位置為前端成垂直狀態，此時夾角最大，最高位置為水平，此時夾角為零。擺動范圍即為棉花高度仿形范圍。仿形板中間較長，且在中部對稱位置開有均布的螺栓孔，可以根據實際情況增加或減少螺栓來增減仿形板質量；板材后端有少許弧度，降低對棉花頂部的損傷。

將仿形板進行簡化稱直線進行換算，板長L，則高度變化值Δh=Lsinθ；板長L取400 mm，仿形高度變化范圍為 300 mm，Δh最大值為300 mm，此時θ最大值約為49°，寬度根據打頂設備扶禾器間距取170 mm，如圖5所示。

2.3有限元仿真

2.3.1軟件選用

分析軟件ABAQUS，整個有限元模型的建立采用前處理軟件Hypermesh完成，解算器采用Abaqus完成。

2.3.2材料設定

實地田間測量表明，絕大部分機采棉棉株高度在720～830 mm之間，棉株直徑變化范圍為3～20 mm。建模時為了保證模型與真實棉株的相近，取棉株高度 780 mm，棉株根部直徑15 mm，棉株頂端直徑4 mm，將棉株簡化為線彈性材料。

根據試驗所得彈性模量，擬將棉株分為3段模擬，低端為近地部分，占棉株總長度35%，取彈性模量5 200 Pa；中間段為棉株總長度的60%，取彈性模量3 200 Pa；頂部占棉稈總長度的5%，取彈性模量，1 000 Pa，整株泊松比取0.3。

仿形板導入時不設置材料屬性。

2.3.3網格劃分

棉株有限元模型采用實體單元（八節點六面體單元C3D8I及四節點四面體單元C3D4）模擬，直徑從底部15 mm線性變化到末端直徑4mm；仿形板采用殼單元模擬（四節點四邊形單元S4R及三節點三角形單元S3R），具體模型見圖6。

2.3.4約束、加載及結果分析

棉稈的底部為全約束，仿形板鉸接中心RP-1處只保留沿z軸的旋轉自由度，施加重力場，棉稈與仿形板間定義接觸關系，模擬棉株頂部與仿形板的接觸受力過程，進而得到棉株變形云圖。通過棉株頂部與仿形板的接觸試驗，修改仿形板厚度及材料屬性，得出各條件下的應力云圖。通過對比分析，最終確定仿形板采用0.3 mm厚鍍鋅鋼板制作。

3控制系統設計

控制系統由控制器、打頂伺服電機、升降伺服電機、速度檢測傳感器等組成，其中控制器是以XLINX公司的XC3S500

[FK（W13][TPPQJ6.tif]

為主控制芯片，其數據處理能力強，響應速度快；控制器設計有16路的通用輸入輸出接口；4路繼電器輸出；4路PWM輸出；能夠滿足打頂控制系統的各項性能要求。整個控制系統軟硬件由山東省農業機械科學研究院自行研制。

作業過程中仿形裝置檢測棉花高度，將信號輸入給 FPGA 控制器；控制器啟動打頂伺服電機驅動切削刀旋轉工作，并根據機具前進速度控制升降伺服電機響應升降時間，從而精準的完成打頂作業。

控制原理是角度變化與電壓變化相對應，+5 V電壓對應90°，控制器通過電壓變化計算出棉花高度變化值，實現棉株高度仿形。角度傳感器選用WYH-3型角度傳感器（北京通磁偉業傳感技術有限公司），分辨率小于0.001°，360°可轉，正弦輸出，90°線性，無觸點磨損，壽命長，可連續分辨。

4結果與分析

棉花高度仿形裝置安裝在智能精準棉花打頂機上（專利申請公布號：CN104186067A），于2015年8月7日在山東省濱州市無棣縣機采棉試驗場進行了田間試驗（圖7）[12]。

[FK（W12][TPPQJ7.tif]

打頂率是指被打下棉頂的棉株數量占處理區內棉株總數的比例，用%表示，是評價棉花打頂機的重要指標之一。田間性能試驗參數如表1所示。

從表1可知，速度在3.24 km/h內時，打頂率較高，能夠較好地完成打頂作業，速度增加到3.60 km/h時打頂率下降明顯。利用統計分析軟件SPSS，對作業速度與打頂率進行單因素方差分析（表2）可知，速度P=0.001<0.01，差異極顯著，即速度是影響該機具打頂率的一個重要因素，進而表明作業速度對本研究設計的仿形裝置影響明顯。

5結論及建議

試驗結果表明，本研究提出的仿形板與角度傳感器相結合的的方案切實可行，該研究為促進棉花打頂機械化技術的推廣應用提供了理論依據。對試驗結果進行了統計分析，確定了作業速度是影響打頂率極為重要的因素，也是影響仿形裝置的性能的主要因素。對打頂期內的棉花彈性模量的測定，應采用更加先進的技術手段；在作業速度適應方面，應該進行多因素試驗，對該仿形裝置進一步優化設計。

[HS2][HT8.5H]參考文獻：[HT8.SS]

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