CN104996181B - 一种棉花打顶机及其打顶控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种棉花打顶机，属于农业机械技术领域。该机包括安置在机架上的割刀装置、升降装置和自动控制装置；割刀装置包括一对割刀，其刀轴与齿轮形成周向约束的轴向移动副；升降装置的升降伺服电机通过升降驱动齿轮与垂向齿条啮合，垂向齿条的上端与刀轴顶部的水平连接板固定连接；自动控制装置包括行走测速传感器及棉株测高传感器，各传感器的输出端分别通过智能控制电路接升降伺服电机的受控端。本发明实现灵巧准确的仿形运动，并使棉花植株经过双割刀之间被切断，因此打顶可靠稳定。

Description

一种棉花打顶机及其打顶控制方法

技术领域

本发明涉及一种棉花机械，尤其是一种棉花打顶机，同时涉及其及其打顶控制方法，属于农业机械技术领域。

背景技术

棉花打顶是指按农艺要求切掉棉花顶心的“一叶一心”或“两叶一心”。漏切或者过切都将影响未来的棉花产量。

检索发现，为了解决棉花人工打顶劳动强度大、效率低、工作环境恶劣的问题，申请号为200910113205.X的中国发明专利公开了一种仿形棉花打顶机，包括悬挂牵引架、机架、传动机构和旋转打顶刀，机架上设有测高感应器，该测高感应器包含向下的浮动摆杆和感应滑板，机架另一端设有与机架铰接的打顶刀架，所述打顶刀设置于打顶刀架的端部，打顶刀架与机架之间设有打顶刀浮动驱动机构，打顶刀架与浮动摆杆设有连杆和行程开关。虽然与原有技术相比，该发明具有可以针对地形情况对不同高度的棉花测量并仿形等优点，但是由于接触式摆杆传感器测量柔软而有弹性的棉花顶芽会产生误差，加之用行程开关将打顶高度分为两档，高度浮动精度不够，且单圆盘刀划切不够可靠。

此外，申请号为201010148027.7的中国发明专利公开了一种棉花打顶机，包括机架、动力机构、传动机构和打顶刀，其特点是机架上设有悬挂架，悬挂架下悬吊有悬浮式仿形机构，该悬浮式仿形机构包含伸缩架，伸缩架悬吊于悬挂架下，伸缩架下部设有滑行靴板，所述滑行靴板与悬挂架之间设有平衡机构，平衡机构包含由滑轮和拉绳组成的滑轮机构，拉绳的一端与滑行靴板连接，拉绳的另一端设有平衡锤，所述的打顶刀设置于滑行靴板上。与原有技术相比，该发明通过悬吊于悬挂架下的伸缩架和滑行靴板直接对棉株的高低进行仿形，但是由于打顶刀本身有一定质量，加上与打顶刀质量近似的配重，而棉花顶芽柔软，难以推动浮动机构使之及时升降仿形，并且打顶刀也是单刀，不够可靠。

此外，现有技术打顶机的缺乏进行速度的联动控制，因此当行进速度较快时，容易出现漏打的现象。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种仿形控制灵巧准确、打顶操作可靠稳定的棉花打顶机。

为了达到以上目的，本发明棉花打顶机的基本技术方案为：包括悬挂在行走机械后的机架以及安置在所述机架上的割刀装置、升降装置和自动控制装置；

所述割刀装置包括一对分别安装在对应垂向刀轴下端的割刀，两刀轴分别与支撑在机架上的一对相互啮合齿轮形成周向约束的轴向移动副，所述齿轮之一与割刀驱动电机带动的皮带盘同轴固连；

所述升降装置包括安置在机架上的升降伺服电机，所述升降伺服电机通过升降驱动齿轮与垂向齿条啮合，所述垂向齿条的上端与所述刀轴顶部的水平连接板固定连接，所述连接板的两侧分别与两刀轴的顶部构成轴向约束的可旋转支撑；

所述自动控制装置包括安置在行走机械上的行走测速传感器和安置在所述机架前上方的棉株测高传感器，所述测速传感器以及棉株测高传感器的信号输出端分别通过智能控制电路接所述升降伺服电机的受控端，用以根据测速和测距信号确定升降伺服电机的转速，并根据测高信号确定升降伺服电机的转角。

工作时，测高传感器采集的棉株高度以及测速传感器采集的行进速度信号输入自动控制装置的智能控制电路后，该电路将根据棉株高度信号控制升降伺服电机的转角，通过齿轮齿条机构使割刀按需升降至合适高度，同时根据前后两次棉株高度信号的时间间隔和行进速度信号的关系控制升降伺服电机的转速，从而使升降速度与行进速度相配，保证割刀可以及时抵达需打顶棉花植株合适位置，实现灵巧准确的仿形运动，为避免遗漏创造良好条件。接着，棉花植株经过双割刀之间被切断，因此打顶可靠稳定。

本发明进一步的完善是，所述升降伺服电机通过与之同轴的升降驱动齿轮与约束在机架升降导轨中的垂向齿条传动啮合。

本发明更进一步的完善是，所述割刀为盘刀，所述盘刀具有径向延伸且周向均布的刀齿，两盘刀的刀齿呈犬牙交错状。

本发明再进一步的完善是，所述机架由多个相同的机架单元组合而成。

本发明还进一步的完善是，所述自动控制装置由智能控制电路构成，所述智能控制电路含有测高的光栅以及测速的光电编码器，各传感器的信号输出端分别接智能控制器件的各对应输入端，所述智能控制器件的控制输出端分别通过伺服驱动器芯片接对应的升降伺服电机的受控端，并通过驱动芯片分别接对应的割刀驱动电机。

本发明棉花打顶机的打顶控制方法为，智能控制器件按以下基本步骤进行相应控制：

步骤一、接收来自测高传感器的棉株高度信号和来自测速传感器的行进速度信号；

步骤二、计算此次棉株高度信号反映的棉株高度与前次棉株高度信号确定的当前切刀高度的差值，若差值大于预定阈值，则进行下一步；否则返回上一步；

步骤三、根据此次棉株高度信号与前次棉株高度信号的时间间隔及此次行进速度信号反映的行进速度，算出待打顶棉株距离；

步骤四、根据高度差值和棉株距离求得升降伺服电机对应割刀升降高度的转角以及最低转速；

步骤五、输出转角及大于最低转速的控制信号，驱动升降伺服电机带动割刀到达打顶高度；

步骤六、根据行进速度和进行时间以及棉株距离判断是否已到位打顶，如否则返回上一步；如是则进行下一步；

步骤七、判断是否收到打顶结束信号，如否则返回步骤一；如是则停机。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的安装使用状态示意图。

图2为本发明一个实施例的自动控制装置框图。

图3为本发明一个实施例的结构示意图，其中（a）为图1的A向示图，（b）为图1的B向拆掉回转电机后的示图，C为图1的B向拆掉回转电机后的局部剖视图。

图4为图3的俯视图。

图5为图3升起状态的侧视图。

图6为图3降下状态的侧视图。

图7为图3实施例的切刀装置结构示意图。

图8为图7的仰视图。

图9为图3实施例的自动控制装置电路原理图。图中D-1.割刀步进电机驱动器件、D-2.升降伺服电机驱动器件、D-3.ARM控制板卡、D-4.电源组接口、D-5.光栅传感器接口、D-6.速度传感器接口。

图10为图3实施例的自动控制过程逻辑框图。

具体实施方式

本实施例的棉花打顶机如图1所示，作为行走机械的拖拉机1后悬挂机架2。如图3、图4所示，机架2由多个（本实施例为三个）相同的机架单元2-1左右组合而成，每个机架单元2-1分别安置有割刀装置3、升降装置4和自动控制装置5。

割刀装置3如图7所示，一对盘刀（也可以是甩刀或其它切刀）3-1分别安装在对应的垂向刀轴3-6的下端。盘刀3-1如图8所示，具有径向延伸且周向均布的刀齿，两盘刀的刀齿呈犬牙交错状，因此可以在旋转过程中可靠切割。两刀轴3-6分别穿过一对相互啮合的齿轮3-5，并借助滑键3-9形成周向约束的轴向移动副，两齿轮3-5分别与对应的齿轮座3-4固连，齿轮座3-4通过轴承支撑在固连于机架安装板3-2上的轴承座3-3上，从而形成机架对齿轮的轴向约束、周向自由的支撑结构，齿轮座之一外圆具有与盘刀驱动电机3-8传动连接的皮带槽，从而使齿轮之一成为盘刀驱动电机3-8带动的主动齿轮，而另一则成为从动齿轮。

升降装置4如图5、图6所示（参见图3、图4），包括安置在机架2上的升降伺服电机4-1，升降伺服电机4-1通过与之同轴的升降驱动齿轮4-2与约束在机架2的升降导轨4-4中的垂向齿条4-3啮合，该垂向齿条4-3的上端与刀轴3-6顶部的水平连接板3-7固定连接，该连接板3-7的两侧分别与两刀轴3-6的顶部通过轴承构成轴向约束的可旋转支撑。因此，当升降伺服电机旋转时，可以通过升降装置带动割刀装置按需上下升降到合适高度位置。

自动控制装置5包括安置在行走机械上的行走测速传感器和安置在机架前上方的棉株测高传感器。本实施例的测速传感器采用两个增量式的光电编码器，型号为TRD-J1000-RZ，用于监测拖拉机的行进速度。棉株测高传感器采用对射型的光栅传感器，光栅分辨率5mm，用于检测前行方向的棉株高度，由于安装在机架前上方，因此可以在割刀到达相应位置之前，利用棉株对光的遮挡，测出棉株的高度位置。各传感器的信号输出端分别通过智能控制电路接升降伺服电机的受控端，用以根据测速和测距信号确定升降伺服电机的转速，并根据测高信号确定升降伺服电机的转角。

具体的智能控制电路如图9所示（参见图2），其中下侧自左至右分别为电源端、测高的光栅传感器以及测速的光电编码器，各传感器的信号输出端分别接智能ARM控制板卡的各对应输入端，该智能控制器件的控制输出端分别通过其周围的三个伺服驱动器芯片接对应的升降伺服电机的受控端，并通过上侧的三个驱动芯片u1、u2、u3分别接对应的割刀驱动电机。

工作时，如图10所示，智能控制器件得电后，初始化系统变量，确定运动原点，判断拖拉机开始运转进行后，按以下步骤进行相应控制：

步骤一、接收来自测高传感器的棉株高度信号和来自测速传感器的行进速度信号；

步骤二、计算此次棉株高度信号反映的棉株高度与前次棉株高度信号确定的当前切刀高度的差值，若差值大于预定阈值，则进行下一步；否则返回上一步；

步骤三、根据此次棉株高度信号与前次棉株高度信号的时间间隔及此次行进速度信号反映的行进速度（通常为匀速），算出待打顶棉株距离；

步骤四、根据高度差值和棉株距离求得升降伺服电机对应割刀升降高度的转角以及最低转速，以便依次确定打顶割刀的运动轨迹；

步骤五、输出转角及大于最低转速约50%的控制信号，驱动升降伺服电机带动割刀到达打顶高度；

步骤六、根据行进速度和进行时间以及棉株距离判断是否已到位打顶，如否则返回上一步；如是则进行下一步；

步骤七、判断是否收到打顶结束信号，如否则返回步骤一；如是则停机。

本实施例借助对剪切割的双盘刀（甩刀也可）克服了单刀划切时棉株的让刀问题，可以确保切割稳定可靠。同时，将测速测高传感器有机结合，通过综合计算，控制割刀可以及时抵达需打顶棉花植株合适位置，从而确保按农艺要求切掉棉花顶心的“一叶一心”或“两叶一心”，实现了灵巧准确的仿形运动，避免漏切或者过切，为未来棉花的高产奠定良好的基础。

Claims (6)

1.一种棉花打顶机，包括悬挂在行走机械后的机架以及安置在所述机架上的割刀装置、升降装置和自动控制装置；其特征在于：

所述割刀装置包括一对分别安装在对应垂向刀轴下端的割刀，两刀轴分别与支撑在机架上的一对相互啮合齿轮形成周向约束的轴向移动副，所述齿轮之一与割刀驱动电机带动的皮带盘同轴固连；

所述升降装置包括安置在机架上的升降伺服电机，所述升降伺服电机通过升降驱动齿轮与垂向齿条啮合，所述垂向齿条的上端与所述刀轴顶部的水平连接板固定连接，所述连接板的两侧分别与两刀轴的顶部构成轴向约束的可旋转支撑；

所述自动控制装置包括安置在行走机械上的行走测速传感器和安置在所述机架前上方的棉株测高传感器，所述测速传感器以及棉株测高传感器的信号输出端分别通过智能控制电路接所述升降伺服电机的受控端，用以根据测速和测距信号确定升降伺服电机的转速，并根据测高信号确定升降伺服电机的转角。

2.根据权利要求1所述的棉花打顶机，其特征在于：所述升降伺服电机通过与之同轴的升降驱动齿轮与约束在机架升降导轨中的垂向齿条传动啮合。

3.根据权利要求2所述的棉花打顶机，其特征在于：所述割刀为盘刀，所述盘刀具有径向延伸且周向均布的刀齿，两盘刀的刀齿呈犬牙交错状。

4.根据权利要求3所述的棉花打顶机，其特征在于：所述机架由多个相同的机架单元组合而成。

5.根据权利要求4所述的棉花打顶机，其特征在于：所述自动控制装置由智能控制电路构成，所述智能控制电路含有测高的光栅传感器以及测速的光电编码器，各传感器的信号输出端分别接智能控制器件的各对应输入端，所述智能控制器件的控制输出端分别通过伺服驱动器芯片接对应的升降伺服电机的受控端，并通过驱动芯片分别接对应的割刀驱动电机。

6.根据权利要求1至5任一所述棉花打顶机的打顶控制方法，其特征在于：所述智能控制器件按以下步骤进行相应控制：

步骤一、接收来自测高传感器的棉株高度信号和来自测速传感器的行进速度信号；

步骤二、计算此次棉株高度信号反映的棉株高度与前次棉株高度信号确定的当前切刀高度的差值，若差值大于预定阈值，则进行下一步；否则返回上一步；

步骤三、根据此次棉株高度信号与前次棉株高度信号的时间间隔及此次行进速度信号反映的行进速度，算出待打顶棉株距离；

步骤四、根据高度差值和棉株距离求得升降伺服电机对应割刀升降高度的转角以及最低转速；

步骤五、输出转角及大于最低转速的控制信号，驱动升降伺服电机带动割刀到达打顶高度；

步骤六、根据行进速度和进行时间以及棉株距离判断是否已到位打顶，如否则返回上一步；如是则进行下一步；

步骤七、判断是否收到打顶结束信号，如否则返回步骤一；如是则停机。