CN108507769A - 喷杆仿形精度动态测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种喷杆仿形精度动态测试系统及测试方法，所述测试系统设有高度模拟转台和测距传感器，高度模拟转台设有曲面凸台，其顶面为高低起伏的曲面，作为喷杆主动仿形系统传感器的反射面，曲面凸台顶面的外沿设有环形凸缘；所述测距传感器包括第一、第二传感器，第一传感器在线监测地面到凸缘的距离，第二传感器在线监测同时刻地面到喷杆的距离,测试系统通过两个第一传感器采集的数据计算预模拟地面的坡度角，通过左右两个第二传感器采集的数据计算出喷杆的侧倾角，可对比出仿形误差。本发明可模拟田间地形变化或者作物高度变化，在线监测喷杆主动仿形装置的跟踪误差，对目前市场上的喷杆或者喷臂的主动仿形装置进行客观的测试和评价。
Description
技术领域
本发明属于农业机械化技术领域，具体涉及一种喷杆仿形精度动态测试系统及测试方法。
背景技术
喷杆式喷雾机主要用于喷洒化学农药，进行植物保护，在其作业过程中，不平整的路面会使喷杆产生不规律的运动，尤其是喷杆的倾斜，会直接导致喷杆上喷嘴离地高度的变化，改变喷杆喷雾的沉积分布形态，出现化学农药过喷和漏喷现象，对作物的产量产生副作用。为了改善这种现象，目前大型喷杆喷雾机都配备了喷杆仿形装置或者两侧喷臂的仿形装置，根据控制方式分为主动仿形和被动仿形两种。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种可以客观评价喷杆或者喷臂主动仿形性能的测试系统及测试方法。
本发明的技术方案为：
一种喷杆仿形精度动态测试系统，设有测控单元和安装待测喷杆的多自由度运动模拟平台，其特征在于，还包括测试时分别设置在喷杆左右两侧悬臂下方的高度模拟转台，两高度模拟转台放置在等高的基准水平面上；
所述高度模拟转台设有曲面凸台、回转机构和非接触式测距传感器，所述回转机构包括驱动曲面凸台旋转的伺服系统，所述伺服系统包括控制器、伺服电机和转速检测装置，所述控制器和非接触式测距传感器分别与测控单元连接，由控制器按照测控单元发送的期望转速值和通过转速检测装置反馈的实际转速值的差，调节控制量；测控单元则根据非接触式测距传感器采集的数据分析喷杆的仿形误差；
所述曲面凸台的顶面为高低起伏的曲面，作为喷杆主动仿形系统传感器的反射面，曲面凸台顶面的外沿设有凸出于其侧壁的环形凸缘；所述非接触式测距传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设置在曲面凸台凸缘的下方，用于在线监测所述基准水平面到曲面凸台凸缘的距离；第二传感器用于在线监测同一时刻所述基准水平面到喷杆的距离,测试系统通过左右两个第一传感器采集的数据计算预模拟地面的坡度角，通过左右两个第二传感器采集的数据计算出喷杆的侧倾角，根据两角度对比出仿形误差。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
所述曲面凸台设有多个用于移栽作物的等深栅格，在曲面凸台顶面沿圆周均匀分布，更加真实的模拟高低变化的作物冠层。
所述回转机构设有回转托盘、回转支承、底座和行星齿轮减速器；
所述底座包括底板和立式钢圈，底板呈正方形，钢圈同心固定在底板上，且与底板之间通过多个加强筋加强连接，所述加强筋包括外加强筋和内加强筋，所述外加强筋沿底板的对角线布置，内加强筋对应外加强筋的位置；
所述行星齿轮减速器的固定座安装在所述底板上，其输入端与伺服电机传动连接，输出端安装有法兰盘，通过所述法兰盘与回转托盘连接，带动回转托盘和曲面凸台旋转；
所述回转支承由内圈、外圈和滚动体组成，其外圈固定在底座的立式钢圈上，内圈与回转托盘连接；
所述回转托盘由上部的平面板体和下部的环形凸缘构成，所述平面板体用于安装曲面凸台，固定在回转支承的内圈上，其中部设有圆孔，两侧为对称的两臂，两臂的外缘呈圆弧形；回转托盘的环形凸缘亦包括内圈和外圈，其外圈与平面板体之间的夹角卡在回转支承内圈上，其内圈固定在行星齿轮减速器输出端的法兰盘上。
一种基于如上所述喷杆仿形精度动态测试系统的测量方法，其特征在于，包括：
将喷杆及其主动仿形系统的悬架通过夹具固定在多自由度运动模拟平台上，将喷杆主动仿形系统的传感器安装在喷杆上，在喷杆的左右侧悬臂的下方分别设置一高度模拟转台，以高度模拟转台的顶面作为主动仿形系统传感器的反射面；
启动喷杆的主动仿形系统、所述高度模拟转台和多自由度运动模拟平台，通过多自由度运动模拟平台模拟喷雾机底盘在田间作业的运动工况，通过调节高度模拟转台曲面凸台的转速模拟喷雾机的不同行驶速度，并针对第一传感器的位置，调节左右两个高度模拟转台的旋转方向，使左右两个第一传感器检测点的高低位置不始终相同，以模拟地面坡度的变化，使喷杆主动仿形系统根据变化的地形做出相应的反应；
测控单元根据所述非接触式测距传感器采集的信号计算出各时刻左侧曲面凸台与右侧曲面凸台距离所述基准水平面的高差、左侧喷杆与右侧喷杆距离所述基准水平面的高差，并结合两组测距传感器的安装距离，计算出预模拟地面的坡度角和喷杆相对水平面的侧倾角，两角度的差值即为喷杆的仿形误差。
进一步的，根据采集的地面坡度角、喷杆侧倾角、转台转速，实验结束后统计记录模拟地面坡度角的幅值、喷杆侧倾角的幅值，绘制二者的频率响应曲线，根据曲线判断喷杆在不同曲面凸台转速下对不同波长坡度变化的实时跟踪能力。
进一步的，可在曲面凸台顶部设置多个沿曲面凸台顶面圆周均匀分布的等深栅格，将作物移栽到栅格中，模拟出与曲面凸台顶面高低变化一致的作物冠层，测试高度变化的作物冠层对喷杆主动仿形精度的影响
有益效果：
本发明测试系统及测试方法，可以模拟田间地形变化或者作物高度变化，在线监测喷杆主动仿形装置的跟踪误差，对目前市场上的喷杆或者喷臂的主动仿形装置进行客观的测试和评价，有助于提高喷杆仿形系统控制器的精度，其规划设计合理，易于实现，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明测试系统的结构示意图；
图2为高度模拟转台的结构示意图；
图3为高度模拟转台的结构示意图；
图4为高度模拟转台的局部结构示意图；
图5为高度模拟转台的局部结构示意图；
图6为高度模拟转台局部结构的剖面示意图；
图7为高度模拟转台的局部结构示意图；
图8为高度模拟转台的底座的结构示意图；
图9为高度模拟转台回转托盘的结构示意图；
图10为高度模拟转台回转托盘的结构示意图；
图11为高度模拟转台回转托盘的剖面示意图；
图12为测控单元的控制流程图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。
如图1所示的一种喷杆仿形精度动态测试系统，由测控单元、多自由度运动模拟平台、高度模拟转台等部分组成。
所述高度模拟转台包括曲面凸台1、回转机构2和非接触式测距传感器3等等组成部分，回转机构2和非接触式测距传感器3分别与所述测控单元连接。
所述曲面凸台1的顶面为高低起伏的曲面，作为喷杆主动仿形系统传感器的反射面，曲面凸台顶面的外沿设有凸出于其侧壁的环形凸缘10，如图2所示。
所述回转机构包括回转托盘4、回转支承5、底座6、伺服系统和行星齿轮减速器：
所述回转托盘4由上部的平面板体和下部的环形凸缘构成，如图9所示，所述平面板体用于安装曲面凸台，固定在回转支承5的内圈上，其中部设有圆孔，两侧为对称的两臂，两臂的外缘呈圆弧形，所述圆孔外围还设有便于安装内部零件和走线的孔槽。所述回转托盘4的环形凸缘亦包括内圈和外圈，其外圈与平面板体之间的夹角卡在回转支承5内圈上，如图6所示，其内圈则固定在行星齿轮减速器输出端的法兰盘上。
所述底座6包括底板和立式钢圈，如图8所示，底板呈正方形，四个角倒45°角，内部轴向布置圆孔，8个小圆孔围绕一个大圆孔，钢圈同心固定在底板上，且与底板之间通过多个加强筋加强连接，所述加强筋包括外加强筋和内加强筋，斜楞式的外加强筋沿底板的对角线布置，矩形的内加强筋对应外加强筋的位置设置。
所述伺服系统由控制器、功率驱动装置、转速检测装置和伺服电机7组成，以伺服电机7作为动力源，经过行星齿轮减速器减速后，带动上部的曲面凸台1转动。所述控制器与测控单元连接，接收测控单元发送的指令，并接收转速检测装置反馈的信号，通过比对实验人员设定的期望转速和实际转速的差值，调节伺服电机7的输出值，将误差控制在可以接受的范围内。所述转速检测装置可采用旋转编码器或旋转变压器等角度传感器，安装在回转托盘4外圈与行星齿轮减速器的固定座之间。
所述行星齿轮减速器的固定座安装在底座6的底板上，其输入端与伺服电机7传动连接，输出端安装有法兰盘，通过所述法兰盘与回转托盘4连接，带动回转托盘4和曲面凸台1旋转。
所述回转支承5由内圈、外圈和滚动体组成，其外圈固定在底座立式钢圈的顶部，内圈与回转托盘4通过圆周均布的螺钉连接。
所述非接触式测距传感器3可采用超声波或激光传感器，优选采用激光传感器。测试时，两个高度模拟转台需放置在等高的基准水平面上，本实施例中即为水平地面，所述非接触式测距传感器3包括第一传感器和第二传感器，第一传感器用于在线监测地面到曲面凸台凸缘10的距离，第二传感器用于在线监测同一时刻地面到喷杆的距离。
所述测控单元设有测控计算机7，测控计算机7安装有数据采集卡和控制量输出卡，通过上位机软件采集四个激光测距传感器的数值和旋转编码器的数值，根据激光传感器的数值计算出喷杆相对地面的侧倾角θ1和模拟地面的坡度角θ2，预模拟地面的坡度角和喷杆相对地面倾斜角的差值表示主动喷杆的仿形误差e；根据转速检测装置输出的数据计算出曲面凸台1的转速，根据当前测得转速和期望的转速，计算出伺服电机的控制电压，并由控制量输出卡发送控制信号给伺服系统控制器，实现对电机速度的闭环控制。实验人员可以根据喷雾机田间实际行驶速度来设置高度模拟转台的期望转速。
采用上述测试系统进行喷杆仿形精度动态测试的过程如下：
1)将喷杆及其主动仿形系统的悬架通过夹具固定在多自由度运动模拟平台上，将喷杆主动仿形系统的传感器安装在喷杆上，在喷杆的左右侧悬臂的下方的水平地面上分别设置一高度模拟转台，如图1所示，高度模拟转台位于喷杆传感器的正下方，以高度模拟转台的顶面作为主动仿形系统传感器的反射面；
2)启动喷杆的主动仿形系统、所述高度模拟转台和多自由度运动模拟平台，通过多自由度运动模拟平台模拟喷雾机底盘在田间作业的运动工况，通过调节高度模拟转台曲面凸台的转速模拟喷雾机以不同速度行驶时的地面坡度变化，并针对第一传感器的位置，调节左右两个高度模拟转台的旋转方向，使左右两个第一传感器检测点的高低位置不始终相同，以模拟地面坡度的变化，使喷杆主动仿形系统根据变化的地形做出相应的反应，如图1所示，两高度模拟转台结构相同，转向相反，一高一低；
4)测控单元根据测距传感器采集的信号计算出各时刻左侧曲面凸台与右侧曲面凸台凸缘距离地面的高差、左侧喷杆与右侧喷杆距离地面的高差，并结合两组测距传感器的安装距离，计算出模拟地形的坡度角和喷杆相对地面的侧倾角，具体过程如下：
设左侧高度模拟转台的测距传感器为第二传感器3-1、第一传感器3-2，右侧高度模拟转台设有第一传感器3-3、第二传感器3-4，第二传感器3-1用于测量地面到左侧喷杆的距离为H1，第一传感器3-2用于测量地面到左侧曲面凸台凸缘的距离H2，第一传感器3-3用于测量地面到右侧曲面凸台凸缘的距离H3，第二传感器3-4用于测量地面到右侧喷杆的距离H4；
设两第一传感器之间的安装距离为L1，两第二传感器之间的安装距离为L2，本实施例中第一、第二传感器安装位置贴近，忽略偏差，统一设为L；
计算喷杆相对水平地面的侧倾角和预模拟地面的坡度角(交底里好像写反了)，则主动喷杆的仿形误差e＝θ1-θ2。
试验过程中，可以改变高度模拟转台的转速n，重复多次试验,利用记录的预模拟地面的坡度角幅值、喷杆侧倾角幅值及对应的转台转速n，绘制二者的频率响应曲线，根据曲线判断喷杆对不同波长地形的跟踪能力。
所述曲面凸台包括两种形式：一种为光滑的曲面，用于测试喷杆对地面的仿形精度，如图2所示；一种为栅格型曲面，用于测试喷杆对作物冠层的仿形精度，如图3所示，等深的多个栅格在曲面凸台顶面沿圆周均匀分布，用于将小麦、油菜、棉花等作物移栽到栅格中，更加真实的模拟作物冠层高度变化对喷杆主动仿形精度的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种喷杆仿形精度动态测试系统，设有测控单元和安装待测喷杆的多自由度运动模拟平台，其特征在于，还包括测试时分别设置在喷杆左右两侧悬臂下方的高度模拟转台，两高度模拟转台放置在等高的基准水平面上；
所述高度模拟转台设有曲面凸台(1)、回转机构(2)和非接触式测距传感器(3)，所述回转机构(2)包括驱动曲面凸台(1)旋转的伺服系统，所述伺服系统包括控制器、伺服电机和转速检测装置，所述控制器和非接触式测距传感器(3)分别与测控单元连接，由控制器按照测控单元发送的期望转速值和通过转速检测装置反馈的实际转速值的差，调节控制量；测控单元则根据非接触式测距传感器(3)采集的数据分析喷杆的仿形误差；
所述曲面凸台(1)的顶面为高低起伏的曲面，作为喷杆主动仿形系统传感器的反射面，曲面凸台(1)顶面的外沿设有凸出于其侧壁的环形凸缘(10)；所述非接触式测距传感器(3)包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设置在曲面凸台(1)凸缘的下方，用于在线监测所述基准水平面到曲面凸台凸缘的距离；第二传感器用于在线监测同一时刻所述基准水平面到喷杆的距离,测试系统通过左右两个第一传感器采集的数据计算预模拟地面的坡度角，通过左右两个第二传感器采集的数据计算出喷杆的相对水平面的侧倾角，根据两角度对比出仿形误差。
2.根据权利要求1所述的一种喷杆仿形精度动态测试系统，其特征在于，所述曲面凸台(1)设有多个用于移栽作物的等深栅格(11)，在曲面凸台顶面沿圆周均匀分布。
3.根据权利要求1或2所述的一种喷杆仿形精度动态测试系统，其特征在于，所述回转机构设有回转托盘(4)、回转支承(5)、底座(6)和行星齿轮减速器；
所述底座(6)包括底板和立式钢圈，底板呈正方形，钢圈同心固定在底板上，且与底板之间通过多个加强筋加强连接，所述加强筋包括外加强筋和内加强筋，所述外加强筋沿底板的对角线布置，内加强筋对应外加强筋的位置；
所述行星齿轮减速器的固定座安装在所述底板上，其输入端与伺服电机传动连接，输出端安装有法兰盘，通过所述法兰盘与回转托盘(4)连接，带动回转托盘(4)和曲面凸台(1)旋转；
所述回转支承(5)由内圈、外圈和滚动体组成，其外圈固定在底座的立式钢圈上，内圈与回转托盘(4)连接；
所述回转托盘(4)由上部的平面板体和下部的环形凸缘构成，所述平面板体用于安装曲面凸台(1)，固定在回转支承(5)的内圈上，其中部设有圆孔，两侧设有对称的两臂，两臂的外缘呈圆弧形；回转托盘(4)的环形凸缘亦包括内圈和外圈，其外圈与平面板体之间的夹角卡在回转支承(5)内圈上，其内圈则固定在行星齿轮减速器输出端的法兰盘上。
4.一种基于如权利要求1所述喷杆仿形精度动态测试系统的测量方法，其特征在于，包括：
将喷杆及其主动仿形系统的悬架通过夹具固定在多自由度运动模拟平台上，将喷杆主动仿形系统的传感器安装在喷杆上，在喷杆的左右侧悬臂的下方分别设置一高度模拟转台，以高度模拟转台曲面凸台(1)的顶面作为主动仿形系统传感器的反射面；
启动喷杆的主动仿形系统、所述高度模拟转台和多自由度运动模拟平台，通过多自由度运动模拟平台模拟喷雾机底盘在田间作业的运动工况，通过调节高度模拟转台曲面凸台的转速模拟喷雾机以不同行驶速度行驶时地面坡度变化，并针对第一传感器的位置，调节左右两个高度模拟转台的旋转方向，使左右两个第一传感器检测点的高低位置不始终相同，以模拟地面坡度的变化，使喷杆主动仿形系统根据变化的地形做出相应的反应；
测控单元根据所述非接触式测距传感器(3)采集的信号计算出各时刻左侧曲面凸台与右侧曲面凸台的凸缘距离所述基准水平面的高差、左侧喷杆与右侧喷杆距离所述基准水平面的高差，并结合两组测距传感器的安装距离，计算出模拟地面的坡度角和喷杆相对水平面的侧倾角，两角度的差值即为喷杆的仿形误差。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：
根据采集的地面坡度角、喷杆侧倾角、转台转速曲线，实验结束后统计记录模拟地面坡度角的幅值、喷杆侧倾角的幅值，绘制二者的频率响应曲线，根据曲线判断喷杆在不同曲面凸台转速下对不同波长坡度变化的实时跟踪能力。
6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，
在曲面凸台顶部设置多个沿曲面凸台顶面圆周均匀分布的等深栅格，将作物移栽到栅格中，模拟出与曲面凸台顶面高低变化一致的作物冠层，测试高度变化的作物冠层对喷杆主动仿形精度的影响。
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