CN108458969A - 一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统；第一轴承组和第二轴承组均包括两个相对设置的立式轴承，面板轴的两端分别设于第一轴承组的两个立式轴承内，曲柄轴设于第二轴承组的两个立式轴承之间，面板与面板轴连接且与面板轴同步转动，面板内侧壁上固定有两根平行设置的第一连杆，两根第一连杆的另一端均铰接有第二连杆，两根第二连杆的另一端均与曲柄轴连接且曲柄轴贯穿两根第二连杆；壳体外壁设有单片机、电机驱动器、无线蓝牙遥控模块、显示模块。本发明不仅解决了人工测定过程的繁杂性，而且避免了人工测定结果读数不精准的问题，并且提高了对测定过程的调控效率以及调控效果，使测定结果保持更高的精度。

Description

一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统

技术领域

本发明涉及种子静滑动摩擦系数测定技术领域，尤其涉及一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统。

背景技术

种子静滑动摩擦系数可为机械化播种、收获和加工等部件设计提供摩擦特性参数。目前，国内外对于种子静滑动摩擦系数测定的装置还没有比较完善的仪器，一般利用齿轮与齿条的咬合控制斜面板的上升速度，虽然让面板可以做到匀速上升，但依旧没有达到斜面板匀角速度变化的规律。上述方法，面板运动都是由人工控制的，费工费时，且转动不平稳，变化的角速度使面板常具有角加速度，使实验数据有误差。另一方面由于上述方法只能人工读取量角器上的数值，故对角度的测量十分粗糙，无法满足农业对于机械装备设计的需求。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统。

本发明提出的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，包括：壳体、第一轴承组、第二轴承组、面板轴、曲柄轴、面板、用户终端；

第一轴承组和第二轴承组体均设于壳体内侧壁上，第一轴承组设于第二轴承组上方，第一轴承组和第二轴承组均包括两个相对设置的立式轴承，面板轴的两端分别设于第一轴承组的两个立式轴承内，且面板轴与第一轴承组的两个立式轴承的内圈过盈配合，曲柄轴的第一端设于第二轴承组中的一个立式轴承内，第二端贯穿第二轴承组中的另一个立式轴承，且第二端连接有大齿轮，壳体内壁固定有电机架，电机架上固定有电机，电机轴靠近大齿轮的一端固定有小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合，壳体外壁设有收集槽；

面板与面板轴连接且与面板轴同步转动，面板内侧壁上固定有两根平行设置的第一连杆，两根第一连杆的另一端均铰接有第二连杆，两根第二连杆的另一端均与曲柄轴连接且曲柄轴贯穿两根第二连杆；

壳体外壁设有单片机、电机驱动器、无线蓝牙遥控模块、显示模块；

无线蓝牙遥控模块分别与用户终端和单片机通信连接，单片机分别与电机驱动器连接，电机驱动器与电机连接；

无线蓝牙遥控模块用于接收用户终端发出的脉冲信号、方向信号和启停信号且将接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号发送至单片机，单片机用于接收无线蓝牙遥控模块发送的脉冲信号、方向信号和启停信号且将接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号发送至电机驱动器，电机驱动器用于接收单片机发送的脉冲信号、方向信号和启停信号且基于接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号调整电机的转动频率、转动方向和启停；

单片机用于获取脉冲数目、电机驱动器的细分数目、电机的步距角，并基于上述脉冲数目、电机驱动器的细分数目、电机的步距角计算种子静滑动摩擦系数；

显示模块与单片机通信连接且用于显示单片机发送的种子静滑动摩擦系数。

优选地，单片机具体用于：

获取脉冲数目numsteps、电机驱动器的细分数目k、电机的步距角perstep；

基于下述公式计算种子静滑动摩擦角度θ，所述公式为：

θ＝numsteps×perstep/k；

基于下述公式计算种子静滑动摩擦系数μ，所述公式为：

μ＝tanθ。

优选地，显示模块还用于显示单片机发送的种子静滑动摩擦角度θ。

优选地，第一轴承组与第二轴承组之间的间距与两根第二连杆的长度相等。

优选地，第一轴承组与第二轴承组之间的间距为60mm。

优选地，小齿轮通过D字型异型键与电机轴固定。

优选地，面板上设有抽插槽，抽插槽内放置有实验板，实验板上设有两块可移动的汇聚板。

优选地，两根第二连杆与曲柄轴连接的一端的两个侧面均设有轴向定位元件。

本发明提出的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，采用无线蓝牙遥控模块来对测定过程进行远程调控，将用户需求下发至单片机，再利用单片机来实现种子静滑动摩擦系数的测定，不仅解决了人工测定过程的繁杂性，而且避免了人工测定结果读数不精准的问题，并且提高了对测定过程的调控效率以及调控效果，使测定结果保持更高的精度。本发明利用壳体、两根第一连杆、两根第二连杆和面板构成两对对称的平行四杆机构，该两对对称的平行四杆机构中，有一对平行四杆机构为虚约束，通过两对平行四杆机构的配合作用，实现通过计算出种子静滑动摩擦角来计算种子静滑动摩擦系数，并对采集参数和结果进行显示，一方面避免实验过程的繁杂，另一方面避免了人工读数精度低的问题，全面提高本系统的适用性和实用性。

附图说明

图1为一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提出的一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统。

参照图1，本发明提出的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，包括：壳体8、第一轴承组、第二轴承组、面板轴6、曲柄轴9、面板1、用户终端；

第一轴承组和第二轴承组体均设于壳体8内侧壁上，第一轴承组设于第二轴承组上方，第一轴承组与第二轴承组之间的间距为60mm；第一轴承组和第二轴承组均包括两个相对设置的立式轴承4，面板轴6的两端分别设于第一轴承组的两个立式轴承4内，且面板轴6与第一轴承组的两个立式轴承4的内圈过盈配合，曲柄轴9的第一端设于第二轴承组中的一个立式轴承内，第二端贯穿第二轴承组中的另一个立式轴承，且第二端连接有大齿轮，壳体8内壁固定有电机架11，电机架11用短螺栓与壳体8固定，电机架11上固定有电机2，本实施方式中，电机轴、曲柄轴9轴线在同一水平面上；电机轴靠近大齿轮的一端固定有小齿轮3，小齿轮3通过D字型异型键与电机轴固定，小齿轮3与大齿轮啮合，大小齿轮3端面对齐且中心距为21mm，壳体8外壁设有收集箱7，收集箱7用于收集测试的种子，防止种子滑落；

面板1与面板轴6连接且与面板轴6同步转动，面板1内侧壁上固定有两根平行设置的第一连杆10，两根第一连杆10的另一端均铰接有第二连杆11，两根第二连杆11的另一端均与曲柄轴9连接且曲柄轴9贯穿两根第二连杆11，两根第二连杆11与曲柄轴9连接的一端的两个侧面均设有轴向定位元件，保证两根第二连杆11与曲柄轴9的稳定连接并随着曲柄杆同步转动；如此，壳体8、两根第一连杆10、两根第二连杆11和面板1构成两对对称的平行四杆机构，保证测试过程的稳定性；

面板1上设有抽插槽，抽插槽内放置有实验板，实验板上设有两块可移动的汇聚板5，利用上述部件来对测试种子的滑动方向进行调整，使测试种子能够落入收集箱7内，防止测试种子滑落或不定向移动的问题。

壳体8外壁设有单片机、电机驱动器、无线蓝牙遥控模块、显示模块；

无线蓝牙遥控模块分别与用户终端和单片机通信连接，单片机分别与电机驱动器连接，电机驱动器与电机2连接；

无线蓝牙遥控模块用于接收用户终端发出的脉冲信号、方向信号和启停信号且将接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号发送至单片机，单片机用于接收无线蓝牙遥控模块发送的脉冲信号、方向信号和启停信号且将接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号发送至电机驱动器，电机驱动器用于接收单片机发送的脉冲信号、方向信号和启停信号且基于接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号调整电机2的转动频率、转动方向和启停；本实施方式中，用户通过用户终端发出调控信号，然后无线蓝牙遥控模块将用户的调控信号发送至单片机，单片机根据实际的调控信号来调节电机2的运行状态，从而对种子静滑动系数进行准确的测定。

单片机用于获取脉冲数目、电机驱动器的细分数目、电机2的步距角，并基于上述脉冲数目、电机驱动器的细分数目、电机2的步距角计算种子静滑动摩擦系数；具体地，单片机具体用于：

获取脉冲数目numsteps、电机驱动器的细分数目k、电机2的步距角perstep；

基于下述公式计算种子静滑动摩擦角度θ，所述公式为：

θ＝numsteps×perstep/k；

基于下述公式计算种子静滑动摩擦系数μ，所述公式为：

μ＝tanθ。

显示模块与单片机通信连接且用于显示单片机发送的种子静滑动摩擦角度θ和种子静滑动摩擦系数μ，使用户能够直观地查看测定参数，避免人工读数不精准的问题。

在进一步的实施例中，第一轴承组与第二轴承组之间的间距与两根第二连杆11的长度相等。

在进一步的实施例中，单片机采用Arduino单片机，Arduino单片机的RX、TX分别与无线蓝牙遥控模块的RX、TX连接；电机2采用步进电机2，电机驱动器的接口A+、A-、B+、B-分别与步进电机2的接口A+、A-、B+、B-对应连接，且电机驱动器的脉冲、方向、使能接口分别并与单片机13引脚、7引脚和GND引脚对应连接，且采用共阴极接法；显示模块采用LCD1602液晶显示屏，液晶显示屏与IIC模块连接，通过IIC模块与单片机通过IIC近距离通信，IIC模块的SCL、SDA引脚与单片机的SCL、SDA引脚对应连接；上述步进电机驱动器采用TB6600步进电机驱动器，所述TB6600步进电机驱动器具有光电耦合器，并由24V直流电源供电；所述单片机包括16MHz石英晶体振荡器、拥有16KB Flash存储空间的ATmega168微处理器和复合电路，并采用AC-DC适配器供电。

为验证本实施方式的可行性和精度，下面结合实施例进行说明：

1)选取豆角、香菜、青菜和菠菜颗粒饱满的种子各5g分开放置于盒子1、2、3中。

2)将待测试的板材放置与面板1表面上，盒子1中的种子倒在本装置的面板1上，平铺开，放置好汇聚块，记录大部分种子滑落时显示屏的数据，重复8次实验，计算平均值。

3)8次实验结束后，依次将盒子2、3中的种子倒在此钢板上，依照步骤2同样各进行8次实验，观察并记录数据，并计算平均值。

4)拆装实验板，将钢板依次换成铝板、亚格力板、PVC板，重复步骤2、3的过程，观察并记录实验数据，并计算平均值；

实验结果如下表所示：

与手动量角器测量相比，发现试验数据较为准确，误差主要存在于试验操作的规范。根据试验结果可得，菠菜种子的摩擦系数与其它种子相比，在各种板材上摩擦系数都较大，而在PVC板上时，摩擦系数较小，平均为0.52，在钢板上摩擦系数较大，平均为0.61。青菜种子的摩擦系数在铝板面时最小，平均为0.41，在PVC板上摩擦系数最大，平均为0.54。香菜在PVC板上摩擦系数最大，平均为0.49，豆角在铝板上摩擦系数最大，平均为0.53。香菜和豆角种子在钢板面时摩擦系数较小，分别为0.40，0.43。

采用平行四杆机构与Arduino UNO单片机组合技术，设计了一种通过手机蓝牙串口软件控制、能有效改善传统装置结构复杂、操作繁琐、误差较大等缺陷且可实现角度自动测量与显示的种子静滑动摩擦特性智能测定系统，能快速、准确地测量出农业物料与不同材质的滑动摩擦系数，具有高效、精确、省时的优点，可为以后种子机械化播种、清选、加工及储运等各类装备设计提供参考。分析本装置不足之处在于不能完全自动化，即自动检测物料的滑落，实现彻底解放人的参与。

本实施方式提出的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，采用无线蓝牙遥控模块来对测定过程进行远程调控，将用户需求下发至单片机，再利用单片机来实现种子静滑动摩擦系数的测定，不仅解决了人工测定过程的繁杂性，而且避免了人工测定结果读数不精准的问题，并且提高了对测定过程的调控效率以及调控效果，使测定结果保持更高的精度。本实施方式利用壳体8、两根第一连杆10、两根第二连杆11和面板1构成两对对称的平行四杆机构，该两对对称的平行四杆机构中，有一对平行四杆机构为虚约束，通过两对平行四杆机构的配合作用，实现通过计算出种子静滑动摩擦角来计算种子静滑动摩擦系数，并对采集参数和结果进行显示，一方面避免实验过程的繁杂，另一方面避免了人工读数精度低的问题，全面提高本系统的适用性和实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，包括：壳体(8)、第一轴承组、第二轴承组、面板轴(6)、曲柄轴(9)、面板(1)、用户终端；

第一轴承组和第二轴承组体均设于壳体(8)内侧壁上，第一轴承组设于第二轴承组上方，第一轴承组和第二轴承组均包括两个相对设置的立式轴承(4)，面板轴(6)的两端分别设于第一轴承组的两个立式轴承(4)内，且面板轴(6)与第一轴承组的两个立式轴承(4)的内圈过盈配合，曲柄轴(9)的第一端设于第二轴承组中的一个立式轴承内，第二端贯穿第二轴承组中的另一个立式轴承，且第二端连接有大齿轮，壳体(8)内壁固定有电机架(11)，电机架(11)上固定有电机(2)，电机轴靠近大齿轮的一端固定有小齿轮(3)，小齿轮(3)与大齿轮啮合，壳体(8)外壁设有收集箱(7)；

面板(1)与面板轴(6)连接且与面板轴(6)同步转动，面板(1)内侧壁上固定有两根平行设置的第一连杆(10)，两根第一连杆(10)的另一端均铰接有第二连杆(11)，两根第二连杆(11)的另一端均与曲柄轴(9)连接且曲柄轴(9)贯穿两根第二连杆(11)；

壳体(8)外壁设有单片机、电机驱动器、无线蓝牙遥控模块、显示模块；

无线蓝牙遥控模块分别与用户终端和单片机通信连接，单片机分别与电机驱动器连接，电机驱动器与电机(2)连接；

无线蓝牙遥控模块用于接收用户终端发出的脉冲信号、方向信号和启停信号且将接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号发送至单片机，单片机用于接收无线蓝牙遥控模块发送的脉冲信号、方向信号和启停信号且将接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号发送至电机驱动器，电机驱动器用于接收单片机发送的脉冲信号、方向信号和启停信号且基于接收到的脉冲信号、方向信号和启停信号调整电机(2)的转动频率、转动方向和启停；

单片机用于获取脉冲数目、电机驱动器的细分数目、电机(2)的步距角，并基于上述脉冲数目、电机驱动器的细分数目、电机(2)的步距角计算种子静滑动摩擦系数；

显示模块与单片机通信连接且用于显示单片机发送的种子静滑动摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，单片机具体用于：

获取脉冲数目numsteps、电机驱动器的细分数目k、电机(2)的步距角perstep；

基于下述公式计算种子静滑动摩擦角度θ，所述公式为：

θ＝numsteps×perstep/k；

基于下述公式计算种子静滑动摩擦系数μ，所述公式为：

μ＝tanθ。

3.根据权利要求2所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，显示模块还用于显示单片机发送的种子静滑动摩擦角度θ。

4.根据权利要求1所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，第一轴承组与第二轴承组之间的间距与两根第二连杆(11)的长度相等。

5.根据权利要求1或4所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，第一轴承组与第二轴承组之间的间距为60mm。

6.根据权利要求1所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，小齿轮(3)通过D字型异型键与电机轴固定。

7.根据权利要求1所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，面板(1)上设有抽插槽，抽插槽内放置有实验板，实验板上设有两块可移动的汇聚板(5)。

8.根据权利要求1所述的基于平行四杆机构的种子静滑动摩擦系数测定系统，其特征在于，两根第二连杆(11)与曲柄轴(9)连接的一端的两个侧面均设有轴向定位元件。