CN104663637A - 一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷杆平衡和高度自动调节的装置及方法。包括机械部分：喷雾机主架、喷杆、滚柱和液压缸；控制部分超声波测距传感器、数据采集器、控制器、显示触摸屏、功率放大模块、比例换向阀。通过显示触摸屏设定喷杆的作业高度，超声波测距传感器检测喷杆左右两末端离地高度值，控制器将所测喷杆两末端离地高度值与设定的作业高度值进行比较处理后，输出比例换向阀的控制信号，由比例换向阀驱动左右两侧的液压缸带动喷杆上下移动，实现喷杆的平衡调节并保持喷杆的作业高度。利用本发明所述装置及方法可以提高雾滴的分布均匀性和雾滴的附着性能，达到节约农药、减少环境污染的目的。

Description

一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法

技术领域

本发明属于植保机械领域，尤其是涉及一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法。

背景技术

如今，喷杆式喷雾机已经成为一种重要的植保工具。但是在喷杆式喷雾机作业时，喷杆垂直方向上不规则的运动会大大降低喷雾的分布均匀性，这种不均匀性会使喷药过量区域的农作物农药残留超标，而漏喷处的农作物遭受病虫草等灾害。为了保证作物的正常生长，施药时往往采用加大施药量的方法来弥补这种不足，这样不仅会造成农药的浪费，还会造成环境的污染。同时，喷杆垂直方向上不规则的运动还可能造成喷杆末端触地，造成喷雾机损坏。另外，当喷杆的作业高度发生变化时，还会影响雾滴的附着性能。因此，研发一种喷杆平衡和高度自动调节的装置具有重要意义。

专利申请号为200620021828.6，公开了一种喷杆式喷雾机自动平衡悬浮机构，该机构在喷杆和喷雾机主体之间加装平衡装置，可减小喷杆的不规则运动，在一定程度上提高施药均匀性，但无法主动调节喷杆的位姿。专利申请号为201010603644.1，公开了一种自平衡喷杆喷雾机，其机械部分由行走底盘、喷雾机主体、移动架、喷杆、静液压缸和动液压缸等组成。喷雾机作业时，控制器根据倾角传感器检测到的喷杆的水平角度，通过控制动液压缸的流量和方向来实现喷杆位姿的调节，但其喷杆作业高度的调节是通过静液压缸带动喷杆组件上下移动实现的，在作业过程中无法实时调节喷杆的作业高度。专利申请号为201210541005.6，公开了一种可主动调节位姿的喷杆，其机械部分由直流伺服电机、主动滑轮、两只辅助滑轮、蜗轮蜗杆减速器、机架、液压升降架、缆绳、升降液压缸及喷杆组件等组成；控制部分由距离传感器、控制器等组成。喷雾机在作业时，置于喷杆组件两末端的距离传感器检测到喷杆组件两末端各自距离作物的距离后，控制系统控制直流伺服电机驱动缆绳调节喷杆，使喷杆组件保持与作物面平行的位姿，但其作业高度的调节是通过升降液压缸带动喷杆组件上下移动实现的，在作业过程中也无法实时调节喷杆的作业高度。文献《喷杆高度调节系统设计与试验》(王松林等，农机化研究，2014年第8期，第161～164页)设计了三段式的高度自动调节喷杆，采用三个安装在三段喷杆(左段喷杆、中段喷杆和右段喷杆)上的接触传感器实时检测喷杆与地面的高度，通过控制器控制液压油缸来调整每段喷杆的高度。该系统可以有效的调节喷杆的位姿，并保持喷杆的作业高度。但此装置在中段喷杆高度调整时，会影响左右两段喷杆的高度，使得喷杆平衡及高度调节的时间较长，该装置在设定喷杆高度时需要调整接触传感器，使用上也较为麻烦。

本发明提供的可自动调节喷杆平衡和高度的装置及方法，在喷杆式喷雾机作业前可通过显示触摸屏设定喷杆作业高度，方便操作人员使用。在喷杆式喷雾机工作时，该装置及方法不仅可以有效地调节喷杆的平衡，还可以使喷杆保持一定的作业高度。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法，使喷杆式喷雾机工作时能够实时、有效地调节喷杆的平衡，还可以使喷杆与地面保持一定的作业高度，从而提高雾滴的分布均匀性和雾滴的附着性能，达到节约农药、减少环境污染的目的。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种喷杆平衡和高度自动调节装置，包括机械部分和控制部分，

所述机械部分包括喷雾机主架、喷杆、滚柱、液压缸A和液压缸B；所述喷雾机主架的左右两侧各包括两根与地面垂直且相互平行的长竖梁，位于一侧的两根长竖梁之间均形成导轨，所述导轨相互平行；所述喷杆通过至少一个滚柱分别与喷雾机主架上的两个导轨连接；所述液压缸A的底部安装在喷雾机主架底部左侧与地面平行的纵梁A上，其顶部安装在喷杆中段的左侧竖梁上；液压缸B的底部安装在喷雾机主架底部右侧与地面平行的纵梁B上，其顶部安装在喷杆中段的右侧竖梁上；

所述控制部分包括超声波测距传感器、数据采集器、控制器、显示触摸屏、模拟量输出及功率放大模块和比例换向阀，所述数据采集器、显示触摸屏和模拟量输出及功率放大模块均与控制器连接，所述超声波测距传感器连接数据采集器，所述模拟量输出及功率放大模块连接比例换向阀；

所述超声波测距传感器用于测量喷杆末端离地高度值，所述数据采集器用于将所述离地高度值的信号传递给控制器，所述控制器用于比对离地高度值并发出相应的控制信号；所述显示触摸屏用于设定初始作业高度值，并传输到控制器中；所述模拟量输出及功率放大模块用于接受控制器发出的控制信号并控制比例换向阀，所述比例换向阀用于驱动液压缸A和液压缸B。

进一步的，所述超声波测距传感器为超声波测距传感器A和超声波测距传感器B，且分别位于喷杆的左右两末端。

进一步的，所述比例控制阀为两个，分别用于驱动液压缸A和液压缸B带动喷杆上下移动。

进一步的，所述喷杆分别通过滚柱A和滚柱B与喷雾机主架上的两导轨连接。

一种喷杆平衡和高度自动调节方法，包括下列步骤：

(1)喷杆式喷雾机作业前，操作人员根据作物的实际高度通过显示触摸屏设定喷杆作业高度值；

(2)作业中，由超声波测距传感器A和超声波测距传感器B测得喷杆左右两末端离地高度值的模拟信号；数据采集器将所述模拟信号转换成数字信号并传送至控制器；

(3)控制器将所测得的喷杆左右两末端离地高度值与通过显示触摸屏设定的作业高度值进行比较，发出相应的控制信号；

(4)模拟量输出及功率放大模块接受控制器发出的控制信号，并控制比例换向阀A和比例换向阀B分别驱动液压缸A和液压缸B带动喷杆上下移动，从而调节喷杆的平衡和高度。

进一步的，所述控制器的具体控制方法为：

(1)通过公式Δ_l＝h_l-h，得出喷杆左侧所需调节的高度Δ_l，其中h_l为喷杆左端离地高度值，h为设定作业高度值，通过公式Δ_r＝h_r-h，得出喷杆右侧所需调节的高度Δ_r，其中h_r为喷杆右端离地高度值，h为设定作业高度值；

(2)通过Δ_l与Δ_r得出液压缸A和液压缸B的动作方向；

(3)通过公式t_l＝|Δ_l|/v_l得出液压缸A将喷杆左侧调至设定的作业高度所需的最少时间t_l，其中v_l为液压缸A在其所要动作方向上的最大调节速度，t_r＝|Δ_r|/v_r得出液压缸B将喷杆右侧调至设定的作业高度所需的最少时间t_r，其中v_r为液压缸B在其所要动作方向上的最大调节速度；

(4)取t_l和t_r中较大的值作为液压缸A和液压缸B调节的基准时间t，通过公式v＝|Δ|/t确定t_l和t_r中较小的所对应液压缸的调节速度v，其中Δ为t_l和t_r中较小的一侧喷杆所需调节的高度；

(5)控制器对t_l和t_r中较大一侧的比例换向阀发出控制该液压缸动作方向和在该方向以最大速度调节的控制信号，对t_l和t_r中较小一侧的比例换向阀发出控制该侧液压缸动作方向和在该方向以速度v调节的控制信号，使得两侧液压缸按基准时间t可以将喷杆左右两侧同时调平。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的喷杆平衡和高度自动调节装置及方法，通过设置超声波测距传感器、数据采集器、控制器、显示触摸屏、模拟量输出及功率放大模块、比例换向阀、液压缸等部件，实现了喷雾机工作时不仅可以有效地调节喷杆的平衡，还可以使喷杆与地面保持一定的作业高度。喷杆式喷雾机作业时，控制系统将喷杆两侧高度同时调至设定的作业高度值作为调节目标，加快了调节的速度，有效调节了喷杆的平衡，并保证了喷杆的离地作业高度，提高了雾滴的分布均匀性和雾滴的附着性能，节约了农药的使用量，减少了环境的污染。

(2)在喷杆式喷雾机作业前设定喷杆高度时，通过显示触摸屏，可根据作物的实际高度设定喷杆的作业高度，使用方便。

附图说明

图1为本发明喷杆式喷雾机的轴测图；

图2为本发明喷雾机主架的轴测图；

图3为本发明喷杆的轴测图；

图4为控制部分结构示意图；

图5为喷杆平衡和高度自动调节方法流程图。

附图标记说明如下：

1-喷雾机主架，2-喷杆，3-滚柱A，4-滚柱B，5-液压缸A，6-液压缸B，7-超声波测距传感器A，8超声波测距传感器B，9-长竖梁A，10-长竖梁B，11-长竖梁C，12-长竖梁D，13-纵梁A，14-纵梁B，15-喷杆中段左侧竖梁，16-喷杆中段右侧竖梁，17-数据采集器，18-控制器，19-显示触摸屏，20-模拟量输出及功率放大模块，21-比例换向阀A，22-比例换向阀B。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2和图3所示，本发明的机械部分包括：机械部分由喷雾机主架1、喷杆2、滚柱A3、滚柱B4、液压缸A5和液压缸B6组成，喷雾机主架1左侧含有与地面垂直且相互平行的长竖梁A9和长竖梁B10，长竖梁A9和长竖梁B10之间形成一个导轨，喷雾机主架1右侧含有与地面垂直的且相互平行的长竖梁C11和长竖梁D12，长竖梁C11和长竖梁D12之间形成一个导轨；喷杆2通过喷雾机主架1上的导轨、滚柱A3和滚柱B4安装在喷雾机主架1上；液压缸A5的底部安装在喷雾机主架1底部左侧与地面平行的纵梁A13上，顶部安装在喷杆2中段的左侧竖梁15上；液压缸B6的底部安装在喷雾机主架1底部右侧与地面平行的纵梁B14上，顶部安装在喷杆2中段的右侧竖梁16上；液压缸A5和液压缸B6驱动喷杆2在喷雾机主架1上沿导轨上下移动，以实现喷杆的平衡调节并使喷杆保持一定的作业高度。

如图4所示，本发明控制部分由超声波测距传感器A7、超声波测距传感器B8、数据采集器17、控制器18、显示触摸屏19、模拟量输出及功率放大模块20、比例换向阀A21和比例换向阀B22组成。超声波测距传感器A7和超声波测距传感器B8分别安装于喷杆2左右两侧的末端；超声波测距传感器A7和超声波测距传感器B8分别与数据采集器17相连接，数据采集器17、显示触摸屏19和模拟量输出及功率放大模块20分别与控制器18相连接，比例换向阀A21和比例换向阀B22分别与模拟量输出及功率放大模块20相连接。

本发明的工作过程及调节方法如下：

喷杆式喷雾机作业前，操作人员可以根据作物的实际高度通过显示触摸屏19设定喷杆作业高度值。

作业时，由超声波测距传感器A7和超声波测距传感器B8测得喷杆2左右两末端离地高度值的模拟信号经过数据采集器17转换成数字信号传送到控制器18，控制器18将喷杆2左右两末端的离地高度值与通过显示触摸屏19设定的作业高度值进行比较，发出控制信号。控制信号通过模拟量输出及功率放大模块20控制比例换向阀A21和比例换向阀B22，由比例换向阀A21和比例换向阀B22分别驱动液压缸A5和液压缸B6带动喷杆2上下移动。

如图5所示，本发明的控制系统将喷杆两侧高度同时调至设定的作业高度值作为调节目标，控制器18具体的控制方法如下：

第一步，通过公式Δ_l＝h_l-h，得出喷杆2左侧所需调节的高度Δ_l，其中h_l为喷杆2左端离地高度值，h为设定作业高度值，通过公式Δ_r＝h_r-h，得出喷杆2右侧所需调节的高度Δ_r，其中h_r为喷杆2右端离地高度值，h为设定作业高度值；

第二步，通过Δ_l与Δ_r得出液压缸A5和液压缸B6的动作方向：Δ_l为正值，液压缸A5需要带动喷杆左侧下降，Δ_l为负值，液压缸A5需要带动喷杆左侧上升；Δ_r为正值，液压缸B6需要带动喷杆右侧下降，Δ_r为负值，液压缸B6需要带动喷杆右侧上升；

第三步，通过公式t_l＝|Δ_l|/v_l得出得出液压缸A5将喷杆2左侧调至设定的作业高度所需的最少时间t_l，其中v_l为液压缸A5在其所要动作方向上的最大调节速度，t_r＝|Δ_r|/v_r得出液压缸B6将喷杆2右侧调至设定的作业高度所需的最少时间t_r，其中v_r为液压缸B6在其所要动作方向上的最大调节速度；

第四步，取t_l和t_r中较大的作为液压缸A5和液压缸B6调节的基准时间t，通过公式v＝|Δ|/t确定t_l和t_r中较小的所对应液压缸的调节速度v，其中Δ为t_l和t_r中较小的一侧喷杆所需调节的高度；

第五步，控制器18对t_l和t_r中较大一侧的比例换向阀发出控制该液压缸动作方向和在该方向以最大速度调节的控制信号，对t_l和t_r中较小一侧的比例换向阀发出控制该侧液压缸动作方向和在该方向以速度v调节的控制信号，使得两侧液压缸按基准时间t可以将喷杆(2)左右两侧同时调平。

下面以喷杆2左端高于设定作业高度值，右端低于设定作业高度值为例，具体说明控制器18的控制方法。

喷杆2左端高于设定的作业高度值，左侧所需调节的高度Δ_l为正值，液压缸A5需要带动喷杆左侧下降，将Δ_l的绝对值除以液压缸A5下降的最大速度，得到液压缸A5将喷杆左侧调至设定的作业高度所需最少时间t_l；喷杆2右端低于设定的作业高度值，右侧所需调节的高度Δ_r为负值，液压缸B6需要带动喷杆右侧上升，将Δ_r的绝对值除以液压缸B6上升的最大速度，可以得到液压缸B6将喷杆右侧调至设定的作业高度所需最少时间t_r。

由于控制系统以将喷杆两侧高度同时调至设定的作业高度值作为调节目标，而此时t_l和t_r分别是液压缸A5和液压缸B6将喷杆调节至设定作业高度所需的最少时间，所以取t_l和t_r中较大的作为调节的基准时间t。如果此时t_l大于t_r，则将t_l作为调节的基准时间t，再将右侧所需调节的高度Δ_r的绝对值除以基准时间t，得出液压缸B6的所需的上升速度v。

最后，控制器18对比例换向阀A21发出控制液压缸A5以最大的下降速度调节的控制信号，对比例换向阀B22发出控制液压缸B6以上升速度v调节的控制信号。经过上述处理后，就可以使得喷杆的两侧在相同的基准时间t同时调至设定的作业高度值，实现喷杆的平衡并保持喷杆的作业高度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种喷杆平衡和高度自动调节装置，其特征在于，包括机械部分和控制部分，

所述机械部分包括喷雾机主架(1)、喷杆(2)、滚柱、液压缸A(5)和液压缸B(6)；所述喷雾机主架(1)的左右两侧各包括两根与地面垂直且相互平行的长竖梁，位于一侧的两根长竖梁之间均形成导轨，所述导轨相互平行；所述喷杆(2)通过至少一个滚柱分别与喷雾机主架(1)上的两个导轨连接；所述液压缸A(5)的底部安装在喷雾机主架(1)底部左侧与地面平行的纵梁A(13)上，其顶部安装在喷杆(2)中段的左侧竖梁(15)上；液压缸B(6)的底部安装在喷雾机主架(1)底部右侧与地面平行的纵梁B(14)上，其顶部安装在喷杆(2)中段的右侧竖梁(16)上；

所述控制部分包括超声波测距传感器、数据采集器(17)、控制器(18)、显示触摸屏(19)、模拟量输出及功率放大模块(20)和比例换向阀，所述数据采集器(17)、显示触摸屏(19)和模拟量输出及功率放大模块(20)均与控制器(18)连接，所述超声波测距传感器连接数据采集器(17)，所述模拟量输出及功率放大模块(20)连接比例换向阀；

所述超声波测距传感器用于测量喷杆(2)末端离地高度值，所述数据采集器(17)用于将所述离地高度值的信号传递给控制器(18)，所述控制器(18)用于比对离地高度值并发出相应的控制信号；所述显示触摸屏(19)用于设定初始作业高度值，并传输到控制器(18)中；所述模拟量输出及功率放大模块(20)用于接受控制器(18)发出的控制信号并控制比例换向阀，所述比例换向阀用于驱动液压缸A(5)和液压缸B(6)。

2.根据权利要求1所述的一种喷杆平衡和高度自动调节装置，其特征在于，所述超声波测距传感器为超声波测距传感器A(7)和超声波测距传感器B(8)，且分别位于喷杆(2)的左右两末端。

3.根据权利要求1所述的一种喷杆平衡和高度自动调节装置，其特征在于，所述比例控制阀为两个，分别用于驱动液压缸A(5)和液压缸B(6)带动喷杆(2)上下移动。

4.根据权利要求1所述的一种喷杆平衡和高度自动调节装置，其特征在于，所述喷杆(2)分别通过滚柱A(3)和滚柱B(4)与喷雾机主架(1)上的两导轨连接。

5.一种喷杆平衡和高度自动调节方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1，喷杆式喷雾机作业前，操作人员根据作物的实际高度通过显示触摸屏(19)设定喷杆作业高度值；

步骤2，作业中，由超声波测距传感器A(7)和超声波测距传感器B(8)测得喷杆(2)左右两末端离地高度值的模拟信号；数据采集器(17)将所述模拟信号转换成数字信号并传送至控制器(18)；

步骤3，控制器(18)将所测得的喷杆(2)左右两末端离地高度值与通过显示触摸屏(19)设定的作业高度值进行比较，发出相应的控制信号；

步骤4，模拟量输出及功率放大模块(20)接受控制器(18)发出的控制信号，并控制比例换向阀A(21)和比例换向阀B(22)分别驱动液压缸A(5)和液压缸B(6)带动喷杆(2)上下移动，从而调节喷杆的平衡和高度。

6.根据权利要求5所述的一种喷杆平衡和高度自动调节方法，其特征在于，所述步骤3中控制器(18)的具体控制方法为：

步骤3.1，通过公式Δ_l＝h_l-h，得出喷杆(2)左侧所需调节的高度Δ_l，其中h_l为喷杆(2)左端离地高度值，h为设定作业高度值，通过公式Δ_r＝h_r-h，得出喷杆(2)右侧所需调节的高度Δ_r，其中h_r为喷杆(2)右端离地高度值，h为设定作业高度值；

步骤3.2，通过Δ_l与Δ_r得出液压缸A(5)和液压缸B(6)的动作方向；

步骤3.3，通过公式t_l＝|Δ_l|/v_l得出液压缸A(5)将喷杆(2)左侧调至设定的作业高度所需的最少时间t_l，其中v_l为液压缸A(5)在其所要动作方向上的最大调节速度，t_r＝|Δ_r|/v_r得出液压缸B(6)将喷杆(2)右侧调至设定的作业高度所需的最少时间t_r，其中v_r为液压缸B(6)在其所要动作方向上的最大调节速度；

步骤3.4，取t_l和t_r中较大的值作为液压缸A(5)和液压缸B(6)调节的基准时间t，通过公式v＝|Δ|/t确定t_l和t_r中较小的所对应液压缸的调节速度v，其中Δ为t_l和t_r中较小的一侧喷杆(2)所需调节的高度；

步骤3.5，控制器(18)对t_l和t_r中较大一侧的比例换向阀发出控制该液压缸动作方向和在该方向以最大速度调节的控制信号，对t_l和t_r中较小一侧的比例换向阀发出控制该侧液压缸动作方向和在该方向以速度v调节的控制信号，使得两侧液压缸按基准时间t可以将喷杆(2)左右两侧同时调平。