煙葉自動分級裝置中吸取機構優化分析

蘇國樟

（貴州水利水電職業技術學院，貴州 貴陽 551416）

煙葉是貴州地區重要的經濟作物，但目前煙葉分級仍依賴人工分揀實現，加上煙農隊伍的減少，因此貴州地區煙葉產業面臨著發展難的現實問題[1]。隨著市場對煙葉分級的要求越來越高[2]，為進一步提高農業機械化程度，研究煙葉自動分級裝置尤為重要[3]。現有針對煙葉分級的研究包括何艷等基于機器視覺技術的煙葉分級特征提取研究[4]，張磊團隊通過建立煙葉的顏色和長度特征數據庫，從而實現煙葉的特征提取[5]等。本文所研究的煙葉自動分級裝置主要由煙葉吸取、位姿校正、單張鋪平、煙葉分揀四部分組成，該裝置工作流程如圖1所示。

圖1 煙葉分級裝置工作流程

基于上述需求，需要設計一種煙葉吸取裝置，該裝置如圖2所示。由于系統控制要求較高，電氣驅動系統采用伺服系統執行單元，具體選用伺服驅動器及交流永磁同步伺服電機HF-SP81。烤煙煙葉在吸取過程中需由伺服電機帶動吸取機構下降，接觸到煙葉后達到一定壓力值開始吸取動作，隨后將吸取的煙葉放置到傳送帶上，吸取過程中若壓力不穩定易造成煙葉破損。為解決此問題，筆者設計在吸取裝置內加入彈性元件，通過MATLAB軟件中的SIMULINK模塊對伺服系統建立仿真模型，利用該模型開展剛性吸取裝置及彈性吸取裝置分析。

圖2 煙葉吸取裝置

1 組成部分

建立伺服控制電氣系統數學模型及仿真分析有著現實意義[6]，數學模型的建立為提高伺服系統動態性能及精度提供了一種方法[7]。研究表明，采用數學模型進行仿真可有效縮短設備研發周期、提高系統的穩定性[8]。筆者設計的煙葉自動分級吸取裝置驅動部分主要由伺服驅動器、伺服電機、滾珠絲杠副、力傳感器、彈簧組成[9]，伺服系統組成如圖3所示。

圖3 伺服系統組成

2 伺服系統各部分數學模型

2.1 伺服驅動器數學模型

本系統采用的伺服驅動器為三菱的MR-J3，伺服驅動器數學模型是由壓力控制單元、速度控制單元組成，其基本數學模型為：

式中，uq(t)為電樞回路輸入電壓，Ka為增益倍數，取4。uc(t)為力控制電壓，uɡ(t)為速度環反饋電壓，Kf為速度反饋系數，取4×10-4，ωr(t)為電機角速度。

2.2 伺服電機數學模型

本系統采用的電機為三菱的HF-SP81，其為交流永磁同步電機（PMSM），在磁路不飽和、不計磁滯和渦流損耗的影響、空間磁場呈正弦分布的條件下，永磁同步電機轉子為圓筒形Ld=Lq=L，且摩擦忽略不計。電機的傳遞模型如下：

式中，繞組等效電阻R=1.2 Ω，電樞電感L=0.5 H，轉動慣量J=17.8×10-4kg·m2，負載TL=3 N·m，轉矩系數Kc=1.8。伺服電機模型框圖如圖4所示。

圖4 伺服電機模型框圖

2.3 滾珠絲杠的數學模型

未加入彈性元件前，假設該部分為剛性連接，且滾珠絲杠副及絲杠的質量和負載相比可以忽略不計，所以電機轉速就是絲杠轉速。總體的傳遞函數應該為：

加入彈性元件后，接觸時有幾何變形關系為：

式中，x為工作臺移動的距離，x1為彈簧被壓縮的距離。

所以總體的傳遞函數應該為：

2.4 仿真對比

在SIMULINK中建立系統傳遞框圖，并基于系統傳遞框圖開展仿真分析，當調整彈簧剛度K時，可以得到不同的壓力-時間響應曲線。系統傳遞框圖如圖5所示。

圖5 系統傳遞框圖

將剛性吸取機構壓力-時間響應曲線1（見圖6）和彈性吸取機構壓力-時間響應曲線2（見圖7）進行對比，發現加入彈性元件后吸取機構最終吸取時分布在煙葉表面的系統壓力最大超調量大幅降低50%，系統達到穩態的時間是差不多的，所以加入彈性元件可以使煙葉吸取時分布在煙葉表面的壓力更穩定。仿真結果證明，彈性吸取機構在吸取煙葉時的壓力值穩定，不易對煙葉造成損壞，能夠實現煙葉的穩定吸取。

圖6 壓力-時間響應曲線1

圖7 壓力-時間響應曲線2

3 結語

筆者通過研究煙葉自動分級裝置中煙葉吸取機構，建立常見伺服驅動控制系統數學模型，利用SIMULINK建立電氣系統仿真模型。通過仿真分析，加入彈性元件進行前后對比，最終仿真結果表明，加入彈性元件可以使煙葉吸取時的壓力更穩定，有利于保護煙葉不破損。實驗表明，仿真分析有利于幫助理解知識[10]，同時本研究也為其他農業機械吸取裝置設計提供了一定的參考。