CN108377676A - 一种深松机及其深松入土角实时控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深松机，其包括多组深松机作业单体，每组深松机作业单体包括液压缸及仿生指爪机构，液压缸与仿生指爪机构铰接。同时公开了一种深松入土角实时控制系统，包括主控制器、触屏显示器、多个单体控制器、多个传感器组；触屏显示器与主控制器通过电路连接；多个单体控制器分别与主控制器通过电路连接；每个单体控制器与一组传感器组连接，传感器组安装在深松机作业单体上，包括三位四通电磁比例换向阀、轴销传感器、深松铲柄角度传感器、超声波传感器；三位四通电磁比例换向阀与液压缸油路连接，轴销传感器置于液压缸与四连杆机构的铰接处，深松铲柄角度传感器固定在深松铲柄上，超声波传感器固定在深松铲柄角度传感器两侧。

Description

一种深松机及其深松入土角实时控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种仿生指爪机构的深松入土角实时控制系统和方法，属于土壤深松耕作领域。

背景技术

土壤深松是机械化保护性耕作的关键技术，它能够打破犁底层，改善土壤固液气三相比，增强土壤蓄水能力，促进植物根系发育，达到增产增收的目的。深松机具的入土性能是深松机性能的一项重要指标。市场上大多数的深松机的入土角是固定的，即使可变，变化范围也很小。土壤深松作业工况复杂，不同地块的土壤耕作比阻差异较大，同一地块的土壤其耕作比阻也有所差异，因而为了提高深松作业效果，减少耕作阻力，需要结合深松作业实际时刻调节深松铲的入土角，使其工作在最佳状态。此外，市场上的深松机多为整体式，即深松铲和深松机刚性连接，这种深松机在作业时，当单个深松铲阻力变大时会影响整体的作业效果和效率，所以需要实现在深松作业过程中各深松铲能够根据作业阻力自我调节深松入土角的大小。

如何有效的解决深松铲入土角自由控制，使其保持在最佳范围内工作，且设计一种机构用于深松机，使其根据自身深松阻力的变化自我调节入土角和作业深度，避免对整机作业的影响，是当前深松机研发过程中亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术中的不足和缺陷，根据仿生学原理，仿掘土动物的指爪工作过程，本发明提供了一种具有仿生指爪机构的深松机，并设计了深松机的深松入土角实时控制系统和控制方法，本发明能够有效的解决深松铲作业过程中入土角的大范围调节，通过控制器控制三位四通电磁比例换向阀控制液压缸的伸缩，进而分别调节各仿生指爪机构深松铲的入土角。当深松阻力变化时，深松机作业单体可以实现自我调节入土角和作业深度，从而避免对整机作业的影响，当作业阻力超过额定值时，液压缸控制连杆机构，使得深松铲逆时针翻转，躲避过载区域，起到过载保护的作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种深松机，包括深松机架、上悬挂、下悬挂、多组深松机作业单体；多组多组深松机作业单体依次并列固定在深松机架上；所述深松机作业单体包括液压缸及仿生指爪机构，液压缸与仿生指爪机构铰接，通过控制液压缸缸体伸缩可带动仿生指爪机构运动；所述仿生指爪机构包括连接架、四连杆机构及深松铲，所述连接架一端固定在深松机架上，连接架另一端与四连杆机构铰接；液压缸一端通过液压支架与连接架铰接，液压缸另一端与四连杆机构铰接，四连杆机构与深松铲的深松铲柄铰接。

所述深松机的深松入土角实时控制系统，包括主控制器、触屏显示器、多个单体控制器、多个传感器组；所述单体控制器及传感器组的数量与所述深松机作业单体的数量一致；触屏显示器与主控制器通过电路连接；多个单体控制器分别与主控制器通过电路连接；每个单体控制器与一组传感器组连接，传感器组安装在对应的深松机作业单体上，传感器组包括三位四通电磁比例换向阀、轴销传感器、深松铲柄角度传感器、超声波传感器；三位四通电磁比例换向阀分别与所述液压缸的进油油路和回油油路连接，轴销传感器置于液压缸与所述四连杆机构的铰接处，深松铲柄角度传感器固定在深松铲柄上，超声波传感器固定在深松铲柄角度传感器两侧；角度传感器将深松铲的倾角传送给主控制器；超声波传感器将测得距离传送给主控制器用于计算深松作业深度；轴销传感器将液压缸所受压力传送给主控制器；主控制器综合处理接收的数据，并向各单体控制器发送指令，分别控制对应的深松机作业单体的液压缸缸体伸缩，进而控制所述仿生指爪机构的深松铲的入土角。

本发明同时提供一种所述深松机的深松入土角实时控制系统，角度传感器置于深松铲柄上端，深松铲柄上端与地面平齐时，角度传感器置零，所述超声波传感器置于深松铲柄上端并与水平面呈45°，通过超声波传感器采集的距离S₁及深松铲柄角度传感器采集到的倾角θ，结合深松铲的尺寸参数L₁，L₂可计算出深松深度H₂：

H₂＝H₃-H₁

H₁＝S₁*sin(θ+45°)

H₃＝L₁*cosθ+L₂*sinθ

所述深松机的深松入土角实时控制系统，液压缸缸体的伸缩长度决定了深松铲入土角α的大小，入土角α的大小与深松铲柄角度传感器采集度数θ满足如下方程：α＝θ+23°。

本发明还提供一种所述深松入土角实时控制系统的控制方法，包括如下步骤：

一、作业前，通过触摸显示屏对控制系统进行初始化，将各深松机作业单体的液压缸缸体收回，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于最大值；

二、作业时，通过触摸显示屏输入深松作业单体仿生指爪机构的作业入土角的大小，主控制器根据入土角的大小设定值控制三位四通电磁比例换向阀使得液压缸的缸体伸长，并通过仿生指爪机构控制深松铲入土角变化，当达到设定值时，主控制器控制三位四通电磁比例换向阀使其置于中位；

三、主控制器计算出的各深松单体的轴销压力在水平方向和竖直方向上的分力，入土角的大小以及深松作业深度，并通过触摸显示屏显示；

四、作业时，当轴销传感器采集到的轴销传感器水平方向的分力超过限定值时，意味着单体耕作受阻，则控制器控制三位四通电磁比例换向阀，使其控制液压缸收缩，深松入土角变大，躲避耕作比阻较大区域，其后，控制器控制三位四通电磁比例换向阀换向，使其控制液压缸伸长，恢复入土角到设定值；

五、作业结束后，点击触摸显示屏，通过主控制器控制三位四通电磁比例换向阀，将液压缸缸体收回，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于相对最大值；

六、运输状态下，点击触摸显示屏，通过主控制器控制三位四通电磁比例换向阀，将液压缸缸体伸到最长，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于最小值，将深松铲收回。

本发明的有益效果是：

仿生动物指爪运动机构用于深松铲耕作，并通过控制系统控制电磁比例换向阀实现液压缸伸缩长度，从而带动仿生指爪机构来调节深松铲的入土角，提高深松铲的入土性能。同时针对不同地块的土壤耕作比阻变化自动调节入土角，使深松铲入土角达到最佳工作角度。在每组深松单体的耕作阻力突变时，各单体仿生指爪机构自动调节深松铲入土角避免单体对整机耕作状态的影响。运输状态下，通过液压缸带动仿生指爪机构将深松铲收回，提高运输通过性。

附图说明

图1为本发明一种具有仿生指爪机构的深松机总体结构示意图

图2为本发明一种具有仿生指爪机构的深松机深的主视图

图3为本发明深松机作业单体主视图

图4为本发明深松入土角实时控制系统

图5为本发明通过仿生指爪机构调节深松入土角示意图

图6为本发明深松机液压装置示意图

图7为本发明深松作业入土角调节过程示意图

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

如图1所示，一种深松机，包括深松入土角实时控制系统、深松机架3、上悬挂2、下悬挂4、三组深松机作业单体1，三组深松机作业单体1分别通过U形螺栓35依次并列固定在深松机架3上，每两组深松单体1的间距为60cm，深松入土角实时控制系统用于控制各组深松机作业单体1的深松入土角。

如图2、图3所示，每个深松机作业单体均包括连接架32、三号连杆333、二号连杆332、四号连杆334、一号连杆331、液压缸31、液压支架311、深松铲柄341、U型螺栓35、深松铲尖342。所述连接架32一端通过U形螺栓固定在深松机架3上，所述液压支架311固定在连接架32上，所述液压缸31一端通过铰链铰接到液压支架311上，所述液压缸31另一端铰接到一号连杆331，所述一号连杆331通过铰链铰接到连接架32，所述二号连杆332通过铰链铰接到连接架32，所述四号连杆334通过铰链铰接到二号连杆332，所述二号连杆332通过铰链铰接到三号连杆333，所述三号连杆333通过铰链铰接到一号连杆331，所述四号连杆334通过铰链铰接到深松铲柄341，所述三号连杆333通过铰链铰接到深松铲柄341，所述深松铲尖342通过内六角螺栓连接到深松铲柄341，所述深松铲柄角度传感器38固定在深松铲柄341上。

所述三号连杆333、二号连杆332、四号连杆334、一号连杆331构成四连杆机构，液压缸与四连杆机构铰接，连接架一端固定，另一端与四连杆机构铰接，四连杆机构与深松铲34铰接。通过四连杆机构，可以实现深松铲入土角度的调节，其运动原理如图5所示。

所述液压缸及仿生指爪机构构成仿生指爪机构，液压缸与仿生指爪机构铰接，通过深松入土角实时控制系统控制液压缸缸体伸缩，可带动仿生指爪机构运动，进而调节各深松机作业单体的入土角度。

如图4所示，深松入土角实时控制系统，其用于控制各组深松机作业单体的深松入土角。深松入土角实时控制系统包括主控制器、触屏显示器、三个单体控制器、三个传感器组。触屏显示器与主控制器通过电路连接，触屏显示器与主控制器置于拖拉机中。多个单体控制器分别与主控制器通过电路连接；每个单体控制器与一组传感器组连接，每个传感器组包括三位四通电磁比例换向阀36、轴销传感器37、深松铲柄角度传感器38、超声波传感器39；三位四通电磁比例换向阀安装在液压缸支架上且三位四通电磁比例换向阀分别连接液压缸的进油油路和回油油路，轴销传感器置于液压缸与四连杆机构的铰接处，深松铲柄角度传感器固定在深松铲柄上，超声波传感器固定在深松铲柄角度传感器两侧。角度传感器将深松铲的倾角传送主控制器并通过触屏显示器进行显示；超声波传感器也将测得距离传送主控制器并通过触屏显示器进行显示，用于计算耕深；轴销传感器将液压缸所受压力(即耕作阻力)传送给主控制器并通过触屏显示器进行显示。主控制器综合处理接收的数据，并根据需要向各单体控制器发送指令，分别控制对应的液压缸缸体伸缩，进而控制指爪机构深松铲的入土角。

角度传感器置于深松铲柄上端，深松铲柄上端与地面平齐时，角度传感器置零，超声波传感器置于深松铲柄上端并与水平面呈45°，如图5所示，通过超声波传感器采集的距离S₁及深松铲柄角度传感器采集到的倾角θ，结合深松铲的尺寸参数L₁，L₂可计算出深松深度H₂：

H₂＝H₃-H₁

H₁＝S₁*sin(θ+45°)

H₃＝L₁*cosθ+L₂*sinθ

如图5所示，通过液压缸缸体的伸缩控制指爪机构，实现深松铲入土角调节，液压缸缸体的伸缩长度决定了深松铲入土角α的大小，入土角α的大小等于深松铲柄角度传感器采集度数θ加上铲刃倾角23°，即：α＝θ+23°。

如图6所示，液压缸、M型三位四通电磁比例换向阀、液压回油口T、液压进油口P构成液压系统，液压回油口T与拖拉机液压回油口连接，液压回油口P与拖拉机进油口连接，液压进油口P分别与三组三位四通电磁比例换向阀的P口连接，液压进油口T分别与三组三位四通电磁比例换向阀的T口连接，通过控制电路控制三位四通电磁比例换向阀阀体左右移动，实现液压缸缸体的伸缩。

如图7所示，深松入土角实时控制系统根据每组深松单体针对不同区域的土壤耕作比阻的变化，自动调节深松铲的入土角：当耕作比阻变大时，液压缸伸长，深松铲角度变小，更深变小，如图6，由位置Ⅱ变化至位置Ⅰ，当耕作比阻变小时，液压缸缩短，深松铲角度有大变大，更深变大，如图6，逐渐变化至位置Ⅲ；如图2所示，耕作结束后，通过液压缸缸体伸长到最大，仿生指爪机构可将深松铲收回，提高机具的运输通过性。通过以上调节过程，使深松铲入土角始终保持在最佳工作角度，提高深松作业效果，同时避免深松单体对整机作业的影响。

所述深松入土角实时控制系统的控制方法，包括如下步骤：

一、作业前，通过触摸显示屏对控制系统进行初始化，将各深松机作业单体的液压缸缸体收回，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于相对最大值。

二、作业时，通过触摸显示屏输入深松作业单体仿生指爪机构的作业入土角的大小，主控制器根据入土角的大小设定值控制三位四通电磁比例换向阀使得液压缸的缸体伸长，并通过仿生指爪机构控制深松铲入土角变化，当达到设定值时，主控制器控制三位四通电磁比例换向阀使其置于中位。

三、触摸显示屏显示主控制器计算出的各深松单体轴销压力在水平方向和竖直方向上的分力、入土角的大小和深松作业深度。

四、作业时，当轴销传感器采集到的轴销传感器水平方向的分力超过限定值时，意味着单体耕作受阻，则控制器控制三位四通电磁比例换向阀，使其控制液压缸收缩，深松入土角变大，躲避耕作比阻较大区域，其后，控制器控制三位四通电磁比例换向阀换向，使其控制液压缸伸长，恢复入土角到设定值；

五、作业结束后，点击触摸显示屏，通过主控制器控制三位四通电磁比例换向阀，将液压缸缸体收回，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于相对最大值。

六、运输状态下，点击触摸显示屏，通过主控制器控制三位四通电磁比例换向阀，将液压缸缸体伸到最长，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于相对最小值，将铲柄收回。

Claims (5)

1.一种深松机，其特征在于，包括深松机架、上悬挂、下悬挂、多组深松机作业单体；多组多组深松机作业单体依次并列固定在深松机架上；所述深松机作业单体包括液压缸及仿生指爪机构，液压缸与仿生指爪机构铰接，通过控制液压缸缸体伸缩可带动仿生指爪机构运动；所述仿生指爪机构包括连接架、四连杆机构及深松铲，所述连接架一端固定在深松机架上，连接架另一端与四连杆机构铰接；液压缸一端通过液压支架与连接架铰接，液压缸另一端与四连杆机构铰接，四连杆机构与深松铲的深松铲柄铰接。

2.一种如权利要求1所述的深松机的深松入土角实时控制系统，其特征在于，包括主控制器、触屏显示器、多个单体控制器、多个传感器组；所述单体控制器及传感器组的数量与所述深松机作业单体的数量一致；触屏显示器与主控制器通过电路连接；多个单体控制器分别与主控制器通过电路连接；每个单体控制器与一组传感器组连接，传感器组安装在对应的深松机作业单体上，传感器组包括三位四通电磁比例换向阀、轴销传感器、深松铲柄角度传感器、超声波传感器；三位四通电磁比例换向阀分别与所述液压缸的进油油路和回油油路连接，轴销传感器置于液压缸与所述四连杆机构的铰接处，深松铲柄角度传感器固定在深松铲柄上，超声波传感器固定在深松铲柄角度传感器两侧；角度传感器将深松铲的倾角传送给主控制器；超声波传感器将测得距离传送给主控制器用于计算深松作业深度；轴销传感器将液压缸所受压力传送给主控制器；主控制器综合处理接收的数据，并向各单体控制器发送指令，分别控制对应的深松机作业单体的液压缸缸体伸缩，进而控制所述仿生指爪机构的深松铲的入土角。

3.如权利要求2所述的深松入土角实时控制系统，其特征在于，所述角度传感器置于深松铲柄上端，深松铲柄上端与地面平齐时，角度传感器置零，所述超声波传感器置于深松铲柄上端并与水平面呈45°，通过超声波传感器采集的距离S₁及深松铲柄角度传感器采集到的倾角θ，结合深松铲的尺寸参数L₁，L₂可计算出深松深度H₂：

H₂＝H₃-H₁

H₁＝S₁*sin(θ+45°)

H₃＝L₁*cosθ+L₂*sinθ。

4.如权利要求2所述的深松入土角实时控制系统，其特征在于，所述液压缸缸体的伸缩长度决定了深松铲入土角α的大小，入土角α的大小与深松铲柄角度传感器采集度数θ满足如下方程：α＝θ+23°。

5.一种如权利要求2所述的深松入土角实时控制系统的控制方法，包括如下步骤：

一、作业前，通过触摸显示屏对控制系统进行初始化，将各深松机作业单体的液压缸缸体收回，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于最大值；

二、作业时，通过触摸显示屏输入深松作业单体仿生指爪机构的作业入土角的大小，主控制器根据入土角的大小设定值控制三位四通电磁比例换向阀使得液压缸的缸体伸长，并通过仿生指爪机构控制深松铲入土角变化，当达到设定值时，主控制器控制三位四通电磁比例换向阀使其置于中位；

三、主控制器计算出的各深松单体的轴销压力在水平方向和竖直方向上的分力，入土角的大小以及深松作业深度，并通过触摸显示屏显示；

四、作业时，当轴销传感器采集到的轴销传感器水平方向的分力超过限定值时，意味着单体耕作受阻，则控制器控制三位四通电磁比例换向阀，使其控制液压缸收缩，深松入土角变大，躲避耕作比阻较大区域，其后，控制器控制三位四通电磁比例换向阀换向，使其控制液压缸伸长，恢复入土角到设定值；

五、作业结束后，点击触摸显示屏，通过主控制器控制三位四通电磁比例换向阀，将液压缸缸体收回，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于相对最大值；

六、运输状态下，点击触摸显示屏，通过主控制器控制三位四通电磁比例换向阀，将液压缸缸体伸到最长，控制仿生指爪机构，并使深松铲柄入土角置于最小值，将深松铲收回。