ZTR割草機(jī)自動(dòng)變割幅結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮運(yùn)發(fā)，王新彥，田啟航，呂 峰，尹 磊，葉凱強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

隨著乳品業(yè)的迅猛發(fā)展及高爾夫球、網(wǎng)球、足球等運(yùn)動(dòng)的興起，我國(guó)的牧草產(chǎn)業(yè)及草坪的需求量正在迅速的發(fā)展。對(duì)于這些大型的場(chǎng)所使用的割草機(jī)一般以小型汽油機(jī)或柴油機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)，以小型汽油機(jī)作為動(dòng)力的較為普遍。零轉(zhuǎn)彎半徑(ZTR)割草機(jī)是一種以汽油機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)的坐騎式割草機(jī)，作業(yè)前進(jìn)速度最高可達(dá)11.2km/h，并可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，工作效率高。但是，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的ZTR割草機(jī)都是定割幅的，包括1.2、1.5、1.8m等，無(wú)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(jī)就無(wú)法通過(guò)；反之，若在較寬闊的草地上作業(yè)時(shí)，定割幅又限制了其割草效率。

江蘇科技大學(xué)的王新彥教授及周浩等人發(fā)明的兩種變割幅割草器，一種是在現(xiàn)有1.2m刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上左右各添加1個(gè)副刀盤(pán),將3種不同尺寸的副刀盤(pán)進(jìn)行組合,可以實(shí)現(xiàn)1.5、1.8、2.3m 3種寬度的割草器，其缺點(diǎn)是只能組合成3種寬度，且副刀盤(pán)比較笨重，更換時(shí)費(fèi)時(shí)又費(fèi)力[3]；另一種是在現(xiàn)有刀盤(pán)的前方增加了兩個(gè)可以伸縮的副刀盤(pán)，并分別由一個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，4個(gè)液壓缸控制兩個(gè)刀盤(pán)的伸縮，實(shí)現(xiàn)了從1.2～2.3m的無(wú)極變割幅[4]，但液壓系統(tǒng)復(fù)雜且笨重，在劇烈的震動(dòng)下容易出現(xiàn)漏油等狀況。常州市福美好機(jī)械有限公司發(fā)明了一種拖拉機(jī)后掛式可伸縮割草機(jī)[4]，通過(guò)輸入軸、齒輪箱將動(dòng)力從拖拉機(jī)傳遞給割草器，并由兩個(gè)油缸控制割幅的變化，實(shí)現(xiàn)了割幅的變化；但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，當(dāng)割幅變至最大時(shí)，中間會(huì)出現(xiàn)漏割的現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)無(wú)極變割幅割草器，由鋰電池為動(dòng)力源，在原1.2m刀盤(pán)的兩端分別增加兩個(gè)可以前后旋轉(zhuǎn)的副刀盤(pán)。工作時(shí)，CCD相機(jī)實(shí)時(shí)采集障礙物信息，由圖像識(shí)別算法判斷前方障礙物信息，然后傳輸給PLC控制割草機(jī)割幅寬度，從而實(shí)現(xiàn)了從1.2～1.8m的無(wú)極自動(dòng)變割幅。

1 自動(dòng)變割幅割草器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZRT割草機(jī)這種較大型的割草機(jī)在較寬闊的草地上作業(yè)時(shí)，寬割幅能提高其工作效率；但是，如果在空間狹窄，或者樹(shù)木、景觀石等障礙物間的距離較小時(shí)，割草機(jī)就無(wú)法通過(guò)，出現(xiàn)漏割的情況，事后還要由人工采用其他形式的割草機(jī)徹底完成割草作業(yè)，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。此時(shí)，如果割草機(jī)可以自動(dòng)改變割草機(jī)的割幅寬度，將明顯提高ZRT割草機(jī)的工作效率。本文以揚(yáng)州維邦園林機(jī)械有限公司生產(chǎn)的WBZ12219K-S ZRT割草機(jī)為原始研究對(duì)象，對(duì)其割草器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖1所示。

1.1 割草器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)變割幅割草器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該割草器在原有的1.2m主刀盤(pán)的基礎(chǔ)上在兩側(cè)分別增加了一個(gè)外徑350mm的副刀盤(pán)，以實(shí)現(xiàn)從1.2～1.8m無(wú)極變割幅的目的。左右兩個(gè)副刀盤(pán)通過(guò)連接板、支撐滑輪及電動(dòng)推桿與主刀盤(pán)相連，通過(guò)電動(dòng)推桿的伸縮控制副刀盤(pán)的前后旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)變割幅，電動(dòng)推桿的一端鉸接于焊接在主刀盤(pán)上的支持板上，另一端固定在副刀盤(pán)的蓋板上；副刀盤(pán)上的刀片轉(zhuǎn)動(dòng)主要靠雙層帶輪軸經(jīng)由三角皮帶帶動(dòng)；在兩個(gè)副刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的極限位置上，即1.2、1.8m的位置均安裝有磁性開(kāi)關(guān)，以防止發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)量，發(fā)生碰撞的情況。

1.割草器 2.車(chē)架

1.右副刀盤(pán) 2.主刀盤(pán) 3.車(chē)架 4.左副刀盤(pán)

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

自動(dòng)變割幅割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

割幅/m： 1.2～1.8

割刀轉(zhuǎn)速/r·min-1： 3 600

割刀數(shù)量： 5片(主割刀3個(gè)，副割刀2個(gè))

配套動(dòng)力/kW： 13.97

驅(qū)動(dòng)速度/km·h-1： 前進(jìn)最大值11.2,

后退最大值6.4

主割刀長(zhǎng)度/mm： 406.4(16英寸)

副割刀長(zhǎng)度/mm： 330

切割方式： 旋刀式

1.3 副刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

副刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是如何實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

1.內(nèi)卡簧 2.平鍵 3.法蘭軸承座 4.副刀盤(pán)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(pán)割刀 10.深溝球軸承6205-2Z 11.法蘭軸承座 12.副刀盤(pán)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(kāi)關(guān) 5.曲線槽 6.副刀盤(pán)外殼 7.副刀盤(pán)帶輪 8.張緊輪 9.伺服電動(dòng)推桿 10.推桿固定板

副刀盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中，包括與主刀盤(pán)的連接結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。副刀盤(pán)主要由連接板、支撐滾輪支撐固定，利用電動(dòng)推桿的伸縮控制副刀盤(pán)在曲線槽上旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到改變割幅的目的。電動(dòng)推桿由伺服電機(jī)帶動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在任意位置停止，在副刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的極限位置上分別安裝了兩個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，以防止旋轉(zhuǎn)越位，發(fā)生碰撞事件。

1.4 割刀及副刀盤(pán)運(yùn)動(dòng)分析

1.4.1 割刀運(yùn)動(dòng)分析

割刀長(zhǎng)度有兩種，但其結(jié)構(gòu)都相同，在割草的過(guò)程中割刀高速旋轉(zhuǎn)，由刀片的刃部割斷草。割刀的運(yùn)動(dòng)由自旋轉(zhuǎn)和割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)組成，割刀上隨意一點(diǎn)相對(duì)地面的軌跡是余擺線[5]，如圖5所示。割刀上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以使用方程進(jìn)行表示，即

(1)

式中r—割刀半徑(m)；

t—旋轉(zhuǎn)時(shí)間(min)；

ω—割刀旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

V—割草機(jī)前進(jìn)速度(m/s)。

圖5 割刀運(yùn)動(dòng)軌跡

1.4.2 副刀盤(pán)運(yùn)動(dòng)分析

副刀盤(pán)的運(yùn)動(dòng)是由電動(dòng)推桿的伸縮控制的，割幅調(diào)整示意圖如圖6所示。其中，O1、O2位置分別為副刀盤(pán)的兩個(gè)極限位置，在O1處是整個(gè)割草器割幅為1.8m，在O2位置時(shí)割幅為1.2m。為了防止漏割現(xiàn)象，主刀盤(pán)割刀軌跡重疊20mm，副刀盤(pán)在O1位置與主刀盤(pán)割刀軌跡重疊20mm。伺服電動(dòng)推桿的伸縮速度V=40mm/s，從O1位置到O2位置長(zhǎng)度變化ΔL為126.5mm，可求得所需伸縮時(shí)間為t=ΔL/V=3.16s。測(cè)得θ=52.5°，所以可以求得副刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)平均角速度為

ω=θ/180°/t=0.09rad/s

(2)

式中V—伺服電動(dòng)推桿速度(mm/s)；

ω—副刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)平均角速度(rad/s)；

θ—副刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的最大角度。

1.主刀盤(pán) 2.伺服電動(dòng)推桿 3.副刀盤(pán)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)變割幅割草機(jī)的核心部分也是其難點(diǎn)是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要分為兩個(gè)部分：一是視覺(jué)算法的實(shí)現(xiàn)部分；二是驅(qū)動(dòng)控制部分，即PLC程序及與上位機(jī)的串口通信。

2.1 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

系統(tǒng)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(dòng)推桿旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等，如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

PC機(jī)與PLC通過(guò)串口通信協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，CCD視覺(jué)傳感器采集割草機(jī)前方障礙物情況，將采集的信息傳遞給PC進(jìn)行算法計(jì)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(bào)警系統(tǒng)或者控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)副刀盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

2.2 視覺(jué)算法建立

該算法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)是專(zhuān)業(yè)圖像處理庫(kù)軟件HALCON，在此軟件上進(jìn)行算法的編寫(xiě)，然后與C#語(yǔ)言進(jìn)行聯(lián)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(jī)拍攝前方圖像,經(jīng)過(guò)對(duì)圖像的預(yù)處理、圖像分割等技術(shù),提取出障礙物區(qū)域, 并通過(guò)算法計(jì)算出兩障礙物(樹(shù)木)的間距。然后，對(duì)所提取的兩樹(shù)木的間距進(jìn)行區(qū)分，分為以下3種情況：①LAB>1.8m；②1.2m

2.3 PC機(jī)與PLC通信

所采用的PLC為三菱FX系列，其程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)是GX Developer，在此平臺(tái)上進(jìn)行程序的編寫(xiě)后傳輸?shù)饺釶LC上；然后，采用串口通信協(xié)議與PC機(jī)進(jìn)行通信，PC機(jī)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(zhuǎn)換接口才可以通信。上位機(jī)通信程序的編寫(xiě)可以使用高級(jí)語(yǔ)言有C++、VB及LABVIEW。因?yàn)镃#汲取了C和C++的優(yōu)點(diǎn)并去其復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以本文采用編程語(yǔ)言C#。開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Visual Studio 2012，所采用的控件是SerialPort,通過(guò)通信協(xié)議設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可通過(guò)串口連接上PLC[6-7]。

圖9 割草機(jī)工作示意圖

2.3.1 串口通信參數(shù)設(shè)置

串口通信是利用ASCII碼字符進(jìn)行信息的傳輸，可以很好地使上位機(jī)(PC)與下位機(jī)(PLC)進(jìn)行命令與數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。比較常用的通信參數(shù)是通信端口、波特率(a)、數(shù)據(jù)位(c)、停止位(d)和校驗(yàn)位(b)，可以通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試，如圖10所示。

圖10 串口調(diào)試助手

在參數(shù)的設(shè)置時(shí)，要保證各參數(shù)與PLC內(nèi)部設(shè)置參數(shù)一致，否則無(wú)法進(jìn)行聯(lián)通。如串口助手上參數(shù)設(shè)置為串口為COM1，波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，無(wú)校驗(yàn)位，則PLC通信端口也要設(shè)置為相同的參數(shù)[8]。

2.3.2 通信代碼設(shè)計(jì)

PC與PLC之間實(shí)現(xiàn)串口通信的相關(guān)代碼如下：

private void OpenSerialPort()

{

serialPort.PortName = "COM4";

serialPort.BaudRate = 9600;

serialPort.DataBits = 8;

serialPort.Parity=

System.IO.Ports.Parity.None;

serialPort.StopBits =

System.IO.Ports.StopBits.One;

bool Flag =

SerialCommunicationObject.OpenCom

(ref serialPort);

if (Flag)

{

this.SerialState_label.Text = "打開(kāi)串口成

功";

}

else

{

this.SerialState_label.Text = "打開(kāi)串口失敗";

}

}

上述程序中首先將串口打開(kāi)，然后設(shè)置串口參數(shù)包括串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及奇偶校驗(yàn)，并在窗口文本框中顯示串口打開(kāi)是否成功。

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)變割幅割草機(jī)的性能，在學(xué)校的綠化草坪區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，分兩種情況共進(jìn)行20次試驗(yàn)。其中，晴天10次，陰天10次，樹(shù)木間距范圍為1.1～2.3m，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 自動(dòng)變割幅割草機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

從表1中看出：該割草機(jī)工作性能良好，實(shí)際測(cè)量距離與軟件測(cè)量結(jié)果平均誤差為3.85mm，誤差值與實(shí)際距離的比值即為相對(duì)誤差率，平均值為0.24%，割草機(jī)變割幅后的單位區(qū)域內(nèi)漏割率為1.19%。實(shí)際測(cè)量軟件界面如圖11所示。

圖11 測(cè)量軟件界面圖

4 結(jié)論

1)提出了ZTR割草機(jī)旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)變割幅割草器的設(shè)計(jì)思想，使用方便快捷，可以滿足不同環(huán)境空間的要求，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高了割草效率。

2)利用圖像識(shí)別技術(shù)尤其是HALCON機(jī)器視覺(jué)軟件進(jìn)行算法的編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)速度快、識(shí)別精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)采集及處理，避免了因人工誤判障礙物間距出現(xiàn)漏割或碰撞的情況。

3)運(yùn)用Visual Studio 2012的SerialPort控件實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與三菱PLC的串口通信，可以保證通信的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)在編寫(xiě)的軟件中驗(yàn)證了它的穩(wěn)定性和可靠性。