基于Arduino的菌草切割試驗臺的設計

姚愷涵，陳文滔，沈杰知

（福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350028）

基于Arduino的菌草切割試驗臺的設計

姚愷涵，陳文滔，沈杰知

（福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350028）

設計了可以調節刀具角度的菌草切割試驗臺，并以Arduino做為核心控制器件開發了控制系統，該系統不僅可以調節電機的轉速，同時也能檢測試驗臺在切割過程中產生的扭矩和轉速，可以為進一步的菌草切割機的研發提供試驗數據和設計參考。

Arduino；巨菌草；切割器；試驗臺

巨菌草（JUNCAO）是一種具有綜合開發利用價值的草本植物，主要適宜用于栽培食用菌、藥用菌。菌草的篩選需要經過科學試驗，以保證菌草所栽培的食（藥）用菌的營養物質含量符合有機食品、綠色食品的標準[1]。隨著菌業的迅猛發展，菌草種植面積也不斷地擴大，實施菌草機械化收割，對提高勞動生產率、降低生產成本，提高資源利用率等具有直接推動作用，因此有必要開展菌草切割相關方面的試驗。基于此，文章設計了一種采用Arduino為核心控制器件的試驗臺，以測試在不同轉速和切削速度下的切割力，為后續設備的開發提供依據。通過設計多自由度單圓盤式切割實驗臺，研究在不同刀具、刀盤轉速、切入角度、推進速度下對巨菌草莖稈的切割力和切割效果的影響，從而得到收割巨菌草莖稈的高效低能耗方式[2]。

1 菌草切割試驗臺的機械結構

1.1 切割器的選擇

圓盤式切割裝置，運動時做回轉運動，運轉較平穩、振動小，因此切割速度高、切割力大，并以此減少切割時間和切割時的阻力。由于可以根據需要進行調整切割角度，使得切割表面較平整、刀具不易折斷、切割能力強，對于表皮比較堅硬的作物具有很好的收割能力。通常表皮比較堅硬的作物如甘蔗、菌草的作物都使用圓盤式切割裝置。

圓盤鋸是巨菌草切割機的主要工作部件，圓盤鋸的覆蓋面積應大于巨菌草的叢生面積，根據實地考察巨菌草種植基地，發現巨菌草的叢生面積在300～350mm之間。因此取圓盤鋸的直徑為350mm，厚度為3mm，鋼材選用65Mn，表1是圓盤鋸的主要參數。

表1 圓盤鋸的主要參數

1.2 調角結構設計

試驗臺設計要求在切割過程中，能夠調整刀具與莖稈的相對角度，從而可以研究不同切割角度下的切割力。試驗臺設計中采用圖1所示的裝置實現切割角度的調整和鎖定。如圖所示通過旋轉調節手柄，改變連接桿件的長度，以達到調節傾角的目的。調整到適合的角度時，將緊定螺釘鎖緊，可鎖定切割角度進行切割。設計中選用牙型角α=60°的普通三角螺紋，自鎖性能好，強度能夠滿足設計的要求。

1.3 整體結構設計

切割試驗臺如圖所示，圓盤鋸片通過雙螺母鎖定在刀軸上，刀軸通過彈性聯軸器與扭矩傳感器聯結，扭矩傳感器的另一端則通過彈性聯軸器和電機輸出軸聯結。整個軸向部件安裝在支架上，支架由調角機構與機架聯結。

綜合尺寸、重量及切割時強度等多方面考慮，機架選用20mm×20mm的鋁合金型材，刀軸選用普通的45鋼。

圖1 切割試驗臺結構圖

安裝在電機軸上的動態扭矩傳感器不僅能夠測量切削過程中的扭矩，同時也能測量電機輸出軸的轉速，試驗臺選用的是YH502動態扭矩傳感器，該傳感器采用了應變片電測技術，實現非接觸電源供電與信號輸出，具有精度高性能穩定可靠量程范圍廣等優點。

考慮到直流無刷電機具有體積小、工作可靠、調速可靠等優點，試驗臺選用最大轉速為4500r/min，最大扭矩為10Nm，額定功率為500W的直流無刷電機。

1.4 控制系統設計

設計的試驗臺要求能夠在計算機界面上啟動和停止切割電機，電機的轉速能夠根據工作需求自行設置，比如可以完成一個典型的工況，即電機按以下3個階段運行：第1階段加速；第2階段恒速；第3階段減速。控制系統的上位機界面能夠實時顯示切削過程中的切削力和轉速[4]。

MATLAB是用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，而Arduino開發板是一種越來越受到歡迎的開源硬件。因此結合本實驗臺的要求，采用Arduino作為核心控制器件，且利用MATLAB軟件編寫上位機界面。

圖2 控制系統示意圖

2 實驗結果與分析

巨菌草實驗材料取自福建農林大學菌草研究中心，選取生長良好的巨菌草植株100株，采集高度在距地面約為80mm的收割區的一整節莖稈，稈徑為15～30mm范圍，試樣直徑按間隔5mm分為5組。試樣要求通直、無蟲害、無明顯缺陷、表皮無損傷或開裂。

對刀盤轉速和切割角度進行試驗，轉速分別設定為500、1000、2000、3000、4000r/min，切割角度為0、5、10、15、20°一共做25組實驗，每組做五次實驗。為方便起見，將扭矩傳感器的數據折算成切割力，并選擇穩定區域的值作為切割力值[3]。折算后，典型的動態切割力曲線如圖所示。

圖3 動態切割力曲線

以試驗因素的水平作為橫坐標，切割力為縱坐標,繪制趨勢圖可用于分析該試驗因素對相應的評價指標的影響趨勢[4]。由圖4可以看出試驗臺切割速度越大，切割力越小。隨著切割器角度的增加切割力呈現出先減小后增大的趨勢。最佳切割角度在15°附近，最佳參數組合為切割速度4000r/min，切割角度為15°，切割力最小平均值為113N。

圖4 不同切割角度的切割力

圖5 不同轉速下的切割力

3 結論

文章設計了一個能夠實現調整刀具切割角度的實驗臺。實驗臺采用Arduino為核心控制器件，可以通過上位機界面控制切割速度，能將切割過程的中速度、扭矩等信號采集，并顯示在上位機界面。基于設計的實驗臺，研究了不同轉速和切割角度下，切割菌草所需的切割力，為后續的山地菌草設備開發提供設計依據[5]。

[1]謝焰鋒，許林，戢小梅，陳法志，羅梓珊，王湛昌.巨菌草單寧成分的提取和測定[J].湖北農業科學,2015（17）:4250-4252.

[2]林興生，林占熺，林冬梅，林輝，羅海凌，胡應平，林春梅，朱朝枝.菌草作為生物質燃料的初步研究[J].福建林學院學報,2013，33（1）:82-86.

[3]廖宜濤，廖慶喜，田波平，舒彩霞，王靜，馬愛麗.收割期蘆竹底部莖稈機械物理特性參數的試驗研究[J].農業工程學報,2007,23（4）:124-129.

[4]趙春花，張鋒偉，曹致中.豆禾牧草莖稈的力學特性試驗[J].農業工程學報,2009,25（9）:122-126.

[5]沈成，李顯旺，田昆鵬，等.苧麻莖稈力學模型的試驗分析[J].農業工程學報,2015,31（20）:26-33.

TH122

：A

：1007-550X（2017）04-0052-03

10.3969/j.issn.1007-550X.2017.04.006

2017-03-18

姚愷涵（1995- ），男，福建省龍海市人，在校本科生，主要學習研究的方向為基于Arduino單片機的控制。