CN108668545A - 一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置，由控制器、液压油缸、内置于液压油缸的位移传感器、角度传感器、电磁换向阀、液压泵和农具位置侧倾俯仰控制算法模块等构成。控制器安装在仪表台上，通过信号线分别与角度传感器、内置位移传感器、电磁换向阀、液压泵连接；农具位置侧倾俯仰控制算法模块用于控制农具离地高度、农具侧倾角及农具俯仰角。可根据实际耕作环境及耕作要求，控制农具的位置、侧倾角和俯仰角。操纵省力，节能环保。

Description

一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置
技术领域
本发明涉及农业机械，是一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置。
背景技术
在中国，丘陵的国土面积占全国的43％以上，人口占全国的50％以上，耕地面积占全 国的31.5％，粮食产量占全国的35.5％(2011年)，是中国重要的粮食、油料等农作物的生 产基地，在中国农业生产中占有非常重要的地位。与中国广大平原地区较高农业机械化水平 相比，丘陵山区农业机械化水平还很低，已成为中国全面实现农业机械化的瓶颈。丘陵地区 农业机械化水平低的原因除了包括丘陵山区农机作业水平低，作业条件恶劣以外，更重要的 原因是现有的农业机械缺乏对山区坡地作业的适应性。农机具作业缺乏对坡地的适应性，表 现在车辆底盘难以保持水平、容易倾翻，严重影响操作人员安全；农具缺乏对坡地作业的仿 形，导致作业质量差。为此，最近一些能够适应坡地作业的可调平的车辆底盘被提出，西北 农业大学提出一种可调平底盘的小型履带式拖拉机，江苏大学提出一种底盘可调平的轮式拖 拉机。当拖拉机的底盘具有坡地可调平功能时，拖拉机的悬挂机构需要控制农具的姿态，实 现旋耕机或犁具对坡地的仿形作业，保证耕深的均匀性，避免农具作业时的偏牵引现象。为 此，一些高校和研究院所分别在传统的三点悬挂机构进行改进，利用一个提升臂和提升杆控 制对应的下拉杆位置，实现农具耕作深度和农具倾斜角度姿态控制。由于传统的三点悬挂杆 件中，农具具有一个绕驱动桥转动的自由度和另一个自由度是农具绕竖直方向的横向摆动自 由度，提升臂只能控制绕驱动桥转动的自由度(该自由度可以控制农具高度位置)，无法限制 农具的横向摆动自由度；当农具在坡地作业时，农具重力会使农具产生横向摆动，从而导致 农具耕作时的偏牵引现象，影响了拖拉机农具组的坡地作业直线行驶性和安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构合理、使用可靠、精准控制的拖拉机三自由度农具悬挂装 置的控制装置，解决拖拉机悬挂山地坡地作业时的农具位置和姿态调节，实现农具与坡地地 形的仿行作业，满足现代农业机械和精细农业技术的发展要求。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的 控制装置，包括拖拉机本体和农具挂接框，位置提升臂和拉杆与所述拖拉机本体转动副连接， 提升油缸的活塞杆与所述位置提升臂的中部连接，所述位置提升臂的末端通过提升拉杆与所 述拉杆的中部铰接，所述拉杆的输出端与所述农具挂接框通过虎克铰连接，所述拉杆与所述 拖拉机本体之间的转动副处安装有第一角度传感器；第一液压油缸末端与所述拖拉机本体球 副连接，第一液压油缸的活塞杆输出端与所述农具挂接框球副连接，第一液压油缸的活塞杆 上安装有第一位移传感器；第二液压油缸末端与所述拖拉机本体球服连接，第二液压油缸的 活塞杆输出端与所述农具挂接框球副连接，第二液压油缸的活塞杆上安装有第二位移传感器。
上述方案中，第一电磁换向阀通过液压回路与所述第二液压油缸连接；第二电磁换向阀 通过液压回路与所述提升油缸连接；第三电磁换向阀通过液压回路与所述第一液压油缸连 接；液压泵通过液压回路分别与所述第一电磁换向阀、所述第二电磁换向阀和所述第三电磁 换向阀连接。
上述方案中，所述第二位移传感器、所述第一位移传感器、所述第一角度传感器、所述 第一电磁换向阀、所述第二电磁换向阀和所述第三电磁换向阀均与控制器电连接。
上述方案中，所述虎克铰包括第一轴、第二轴和U形块，所述第一轴的两端对应安装在 所述U形块的两臂上，所述第一轴的两端与所述U形块的两臂通过转动副连接，所述U形 块的底板与所述拉杆固定连接，所述第二轴的轴线与所述U形块的两臂平行，所述第一轴穿 过所述第二轴，所述第一轴和所述第二轴之间转动副连接，所述第二轴与所述农具挂接框之 间圆柱副连接。
本发明还提供一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制方法，包括如下步骤：控制器实 时采集第二位移传感器信号、对比控制器中控制算法模块计算的第二液压油缸的活塞杆长度 控制目标值，输出控制信号，控制第一电磁换向阀来调节第二液压油缸的活塞杆伸长或缩 短，将第二液压油缸的长度调整到控制器中控制算法模块计算的第二液压油缸的长度控制目 标值；控制器实时采集第一位移传感器信号、对比控制器中控制算法模块计算的第一位移传 感器活塞杆长度控制目标值，输出控制信号，控制第三电磁换向阀来调节第一位移传感器的 活塞杆伸长或缩短，将第一位移传感器的活塞杆长度调整到控制器中控制算法模块计算的第 一位移传感器长度控制目标值；控制器实时采集第一角度传感器信号、对比控制器中控制算 法模块计算的拉杆相对拖拉机机体的角度控制目标值，输出控制信号，控制第二电磁换向阀 来调节提升油缸活塞杆的伸长或缩短，通过提升油缸活塞杆的伸长或缩短将拉杆相对拖拉机 机体角度值调整到控制器中控制算法模块计算的拉杆相对拖拉机机体角度控制目标值。
本发明所述技术方案的益处：(1)本发明可实现对三自由度悬挂机构挂接的农具的高度 位置、侧倾角和俯仰角度控制。(2)本发明可用于底盘自动调平的拖拉机农具组在坡地的 作业，通过农具位置和姿态的调节实现农具与坡地地形的仿形作业，提高耕作深度的横向均 匀性。
附图说明
图1为本发明控制装置结构示意图。
图2为本发明控制装置连接原理图。
图3为本发明控制装置中虎克铰的结构示意图。
图4为本发明的农具挂接框位置、侧倾角和俯仰角的反解分析图。
图5为本发明的挂接旋耕机坡地仿形作业图。
图中：1控制器；2提升油缸；3位置控制臂；4提升拉杆；5第二液压油缸；6第二位 移传感器；7农具挂接框；8拉杆；9第一位移传感器；10第一角度传感器；11第一液压油 缸；12液压泵；13第一电磁换向阀；14第二电磁换向阀；15第三电磁换向阀；16农具；17 左伸缩立柱；18第三位移传感器；19右立柱传感器；20第四位移传感器；21第一轴；22U 形块；23第二轴。
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。
本实施例提供的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置如图1所示，包括拖拉机 本体、控制器1和农具挂接框，控制器1安装在仪表台上，位置提升臂3和拉杆8与所述拖 拉机本体转动副连接，提升油缸2的活塞杆与所述位置提升臂3的中部连接，所述位置提升 臂3的末端通过提升拉杆4与所述拉杆8的中部铰接，所述拉杆8的输出端与所述农具挂接 框7通过虎克铰连接，其中虎克铰包括第一轴21、第二轴23和U形块22，所述第一轴21的两端对应安装在所述U形块22的两臂上，所述第一轴21的两端与所述U形块22的两臂 通过转动副连接，所述U形块22的底板与所述拉杆8固定连接，所述第二轴23的轴线与所 述U形块22的两臂平行，所述第一轴21穿过所述第二轴23，所述第一轴21和所述第二轴 23之间转动副连接，所述第二轴23与所述农具挂接框7之间圆柱副连接(如图3所示)， 所述拉杆8与所述拖拉机本体之间的转动副处安装有第一角度传感器10；第一液压油缸11 末端与所述拖拉机本体球副连接，第一液压油缸11的活塞杆输出端与所述农具挂接框7球副 连接，第一液压油缸11的活塞杆上安装有第一位移传感器9；第二液压油缸5末端与所述拖 拉机本体球服连接，第二液压油缸5的活塞杆输出端与所述农具挂接框7球副连接，第二液 压油缸5的活塞杆上安装有第二位移传感器6。如图2所示，控制器1通过信号线分别与第 二位移传感器6、第一位移传感器9、第一电磁换向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换 向阀15连接；第一角度传感器10固定在拖拉机机体上，其角度测量轴与拉杆8的转轴刚性 连接，输出拉杆8相对拖拉机机体的相对角度信号；第二位移传感器6内置于第二液压油缸5的活塞杆上，输出第二液压油缸5活塞杆的长度信号；第一位移传感器9内置于第一液压 油缸11的活塞杆上，输出第一液压油缸11活塞杆的长度的信号；第一电磁换向阀13通过液 压回路与第二液压油缸5连接；第二电磁换向阀14通过液压回路与提升油缸2连接；第三电 磁换向阀15通过液压回路与第一液压油缸11连接；液压泵12通过液压回路分别与第一电磁 换向阀13、第二电磁换向阀14、第三电磁换向阀15连接。控制器1内设计了农具位置、倾 斜角和俯仰角的控制算法模块。
控制器1内的控制算法模块可根据农具位置、侧倾角和俯仰角控制目标设定值计算出第 二液压油缸5长度控制目标值、第一液压油缸11长度控制目标值和拉杆8相对拖拉机机体的 角度控制目标值。计算原理如下。
如图4所示，农具16通过三点挂接在农具挂接框7上，G点为农具的重心位置，农具的位置姿态和农具挂接框7一致，即调节农具挂接框7的位置姿态就可以调节农具的位置和姿态。在图4中，AD表示第一液压油缸11单元，CF表示第二液压油缸5单元，VK表示提 升油缸2，TI表示位置控制臂3，IQ表示提升拉杆4，BE表示拉杆8，A,B,C,T为拖拉机机 体上的联接点，D、F、E为农具挂接框7上的联接点。以B为原点建立固定坐标系B-XYZ， y轴为B点转动副方向，z轴竖直向上，因此，x轴方向被确定。运动平面DEF表示农具挂接 框7，以E点为原点建立动坐标系E-XYZ，x轴，y轴分别为U型副两个转动方向，显然z 轴在平面DEF上。运动面DEF的仰俯角目标设置值可通过相对E-xyz坐标系的y轴转动β 角表示，运动面DEF的侧倾角目标设定值可通过绕x轴转动α角表示。运动平面DEF的位 置可由E点在B-XYZ的位置坐标(XE,0,ZE)表示。D点、F点在动坐标系E-XYZ中的坐标 为(XD E,YD E,ZD E),(XF E,YF E,ZF E)，且为已知量；B点转动副转角为θ，AD长度为l1，BE 长度为l2，CF长度为l3，FD长度已知，设为l4，ED长度已知，设为l5，FE长度已知，设为 为l6。在固定坐标系B-XYZ中，A点坐标已知，为(XA,YA,ZA，1)；B点坐标已知，为 (XB,YB,ZB,1)；C点坐标已知，为(XC,YC,ZC,1)；D点坐标为(XD,YD,ZD,1)，为未知量； E点坐标为(XE,YE,ZE,1)，为未知量；F点坐标为(XF,YF,ZF,1)，为未知量；进一步，设拉 杆8与B-XYZ中X轴的夹角为θ，农具距离地面位置高度目标设定值为h，地面到拖拉机机 体B点的高度为hB可测量获得，可得到关系式：
坐标系E-XYZ中X轴转动β的坐标变换矩阵为：
坐标系E-XYZ中X轴转动α的坐标变换矩阵为：
坐标系E-XYZ平移到坐标系B-XYZ的坐标变换矩阵为：
由此可得D点和F点在坐标系B-XYZ上的坐标为：
液压油缸(11)AD长度l1、液压油缸(5)CF的长度l2可用下式求出：
根据式(1)-式(8)可根据农具位置为位置目标设定值h，农具侧倾角目标设定值α农 具俯仰角目标设定值β的角度计算出拉杆8相对拖拉机机体角度控制目标值θ、第一液压油 缸单元AD的长度控制目标值，第二液压油缸单元CF的长度控制目标值。
控制器1根据采集的第二液压油缸5的长度信号，第一液压油缸11的长度信号和拉杆8 相对拖拉机机体的角度信号，对比控制器1中控制算法模块计算的第二液压油缸5活塞杆长 度控制目标值l2、第一液压油缸11活塞杆长度控制目标值l1和拉杆8相对拖拉机机体的角度 控制目标值θ，输出控制信号控制第一电磁换向阀13，第三电磁换向阀15和第二电磁换向阀 14，来调节第二液压油缸5、第一液压油缸11和提升油缸2的活塞杆伸长或缩短，将第二液 压油缸5活塞杆的长度、第一液压油缸11活塞杆的长度和拉杆8相对拖拉机机体的角度调整 到控制算法模块计算的第二液压油缸5活塞杆长度控制目标值l2、第一液压油缸11活塞杆长 度控制目标值l1和拉杆8相对拖拉机机体的角度控制目标值θ，最终获得农具高度位置目标设 定值h,农具侧倾角目标设定值为α，农具俯仰角目标设定值β。
一种拖拉机3自由度农具悬挂机构的控制装置应用案例如图5所示，若某山地拖拉机底 盘是可自动调平，即，拖拉机在坡地上作业时，通过驱动桥上的伸缩立柱高度S1，S2调整拖 拉机底盘处于水平状态。在应用中，山地拖拉机底盘通过带有本文所述控制装置的三自由度 农具悬挂机构挂接旋耕机，在水平地面上，如农具的初始安装后，农具距地面高度位置为h1,， 侧倾角为α1，仰俯角为β1。测得地面到拖拉机机体B点的高度为hB。第一步：在坡地作业 时，在驱动桥左伸缩立柱17安装第三位移传感器18测得左伸缩立柱17的长度信号；在右伸 缩立柱19安装第四位移传感器20，测得右伸缩立柱19的长度信号。将控制器1通过信号线 连接第三位移传感器18和第四位移传感器19，采集左伸缩立柱18和右伸缩立柱19的长度 信号，计算出坡地倾斜角α2，α2就为农具侧倾目标设定值；同时，测得地面到拖拉机机体B 点的高度为hB。若需要使得农具达地面高度位置为h2,h2为农具位置目标设定值，如需要调 节农具仰俯角β2，那么农具的位置、侧倾角和仰俯角目标设定值为h2,α2,β2。第二步：通过 控制器1计算出拉杆8相对拖拉机机体角度控制目标值θ、第一液压油缸11活塞杆AD的长 度控制目标值l1，第二液压油缸5活塞杆CF的长度控制目标值l2。第三步：控制器1根据采 集的第二液压油缸5的活塞杆长度信号，第一液压油缸11活塞杆的长度信号和拉杆8相对拖 拉机机体的角度信号，对比控制器1中控制算法模块计算的第二液压油缸5的活塞杆长度控 制目标值l2、第一液压油缸11活塞杆的长度控制目标值l1和拉杆8相对拖拉机机体的角度控 制目标值θ，输出控制信号控制第一电磁换向阀13，第三电磁换向阀15和第二电磁换向阀 14，来调节第二液压油缸5的活塞杆长度、第一液压油缸11活塞杆的长度和液压缸2的伸长 或缩短，将第二液压油缸5的活塞杆长度、第一液压油缸11活塞杆的长度和拉杆8相对拖拉 机机体的角度调整到控制算法模块计算的第二液压油缸5活塞杆长度控制目标值l2、第一液 压油缸11活塞杆的长度控制目标值l1和拉杆8相对拖拉机机体的角度控制目标值θ，最终获 得农具高度位置目标设定值h2,农具侧倾角目标设定值为α2，农具俯仰角目标设定值β2。

Claims (5)

1.一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置，包括拖拉机本体和农具挂接框(7)，其特征在于，位置提升臂(3)和拉杆(8)与所述拖拉机本体转动副连接，提升油缸(2)的活塞杆与所述位置提升臂(3)的中部连接，所述位置提升臂(3)的末端通过提升拉杆(4)与所述拉杆(8)的中部铰接，所述拉杆(8)的输出端与所述农具挂接框(7)通过虎克铰连接，所述拉杆(8)与所述拖拉机本体之间的转动副处安装有第一角度传感器(10)；第一液压油缸(11)末端与所述拖拉机本体球副连接，第一液压油缸(11)的活塞杆输出端与所述农具挂接框(7)球副连接，第一液压油缸(11)的活塞杆上安装有第一位移传感器(9)；第二液压油缸(5)末端与所述拖拉机本体球服连接，第二液压油缸(5)的活塞杆输出端与所述农具挂接框(7)球副连接，第二液压油缸(5)的活塞杆上安装有第二位移传感器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置，其特征在于，第一电磁换向阀(13)通过液压回路与所述第二液压油缸(5)连接；第二电磁换向阀(14)通过液压回路与所述提升油缸(2)连接；第三电磁换向阀(15)通过液压回路与所述第一液压油缸(11)连接；液压泵(12)通过液压回路分别与所述第一电磁换向阀(13)、所述第二电磁换向阀(14)和所述第三电磁换向阀(15)连接。
3.根据权利要求1所述的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置，其特征在于，所述第二位移传感器(6)、所述第一位移传感器(9)、所述第一角度传感器(10)、所述第一电磁换向阀(13)、所述第二电磁换向阀(14)和所述第三电磁换向阀(15)均与控制器(1)电连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制装置，其特征在于，所述虎克铰包括第一轴(21)、第二轴(23)和U形块(22)，所述第一轴(21)的两端对应安装在所述U形块(22)的两臂上，所述第一轴(21)的两端与所述U形块(22)的两臂通过转动副连接，所述U形块(22)的底板与所述拉杆(8)固定连接，所述第二轴(23)的轴线与所述U形块(22)的两臂平行，所述第一轴(21)穿过所述第二轴(23)，所述第一轴(21)和所述第二轴(23)之间转动副连接，所述第二轴(23)与所述农具挂接框(7)之间圆柱副连接。
5.一种拖拉机三自由度农具悬挂机构的控制方法，包括如下步骤：控制器(1)实时采集第二位移传感器(6)信号、对比控制器(1)中控制算法模块计算的第二液压油缸(5)的活塞杆长度控制目标值，输出控制信号，控制第一电磁换向阀(13)来调节第二液压油缸(5)的活塞杆伸长或缩短，将第二液压油缸(5)的长度调整到控制器(1)中控制算法模块计算的第二液压油缸(5)的长度控制目标值；控制器(1)实时采集第一位移传感器(9)信号、对比控制器(1)中控制算法模块计算的第一位移传感器(11)活塞杆长度控制目标值，输出控制信号，控制第三电磁换向阀(15)来调节第一位移传感器(11)的活塞杆伸长或缩短，将第一位移传感器(11)的活塞杆长度调整到控制器(1)中控制算法模块计算的第一位移传感器(11)长度控制目标值；控制器(1)实时采集第一角度传感器(10)信号、对比控制器(1)中控制算法模块计算的拉杆(8)相对拖拉机机体的角度控制目标值，输出控制信号，控制第二电磁换向阀(14)来调节提升油缸(2)活塞杆的伸长或缩短，通过提升油缸(2)活塞杆的伸长或缩短将拉杆(8)相对拖拉机机体角度值调整到控制器(1)中控制算法模块计算的拉杆(8)相对拖拉机机体角度控制目标值。
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