胶棒滚筒采摘头试验台测控系统设计

王 磊，刘 巧，张宏文，刘恩博，赵永满

(石河子大学 a.机械电气工程学院；b.信息科学与技术学院，新疆 石河子 832000)

胶棒滚筒采摘头试验台测控系统设计

王 磊a，刘 巧b，张宏文a，刘恩博b，赵永满a

(石河子大学 a.机械电气工程学院；b.信息科学与技术学院，新疆 石河子 832000)

为准确监测胶棒滚筒采棉机采摘过程的工作状态，揭示胶棒滚筒采摘头工作机理，研究了各因素对采摘头采摘性能的影响。在已有的胶棒滚筒采摘头试验台的基础上，研制出基于LabVIEW虚拟仪器的采摘头试验台测控系统。该系统由驱动控制系统、数据采集系统和上位机3部分组成，可实现滚筒转速、输送带速度和风机转速的连续可调及其参数设定，采摘过程中的滚筒转速、输送带速度、风机转速和各电机扭矩及功率的实时采集、显示与工作状态监测，并具有数据保存功能。试验表明：测控系统的测量转速差<4%。该研究可为胶棒滚筒采摘头工作状态监测、工作机理研究和工作参数的优化提供理论依据与技术支持。

胶棒滚筒；采摘头；采摘性能；LabVIEW；测控系统

0 引言

棉花机械化采收季节性强、收获期短，在进行新型棉花收获机采摘头关键部件结构设计、工作参数优化和采摘性能试验时，易受场地、气候、机械可靠性等外部因素影响，且存在测试部件结构和参数不易调整、测试仪器安装调试困难和易受干扰、试验数据测量不便等诸多问题。室内台架试验条件可控，测试方法先进，测试部件结构及工作参数精确可调，可有效提高研发效率和准确性，缩短了产品的研发周期[1-3]。

胶棒滚筒采摘头试验台是棉花收获机采摘关键部件结构设计、工作参数优化和采摘性能优化的室内专用试验设备，可根据试验目的开展试验研究[3]。国内外对胶棒滚筒采棉机和类似机型有关采摘性能试验研究文献较少，对采摘头结构参数、工作参数对棉花采收性能影响的研究未见报道。

为准确监测胶棒滚筒采棉机采摘过程的工作状态、揭示胶棒滚筒采摘头工作机理、研究各因素对采摘头采摘性能的影响，在已有的胶棒滚筒采摘头试验台的基础上，研制出基于LabVIEW虚拟仪器的采摘头试验台测控系统。该系统由驱动控制系统、数据采集系统和上位机3部分组成，可实现滚筒转速、输送带速度和风机转速的连续可调及参数设定，采摘过程中的滚筒转速、输送带速度、风机转速和各电机扭矩及功率的实时采集、显示与工作状态监测，并具有数据保存功能。该研究可为胶棒滚筒采摘头工作状态监测、工作机理研究和工作参数的优化提供理论依据与技术支持。

1 试验台结构及工作原理

1.1 试验台结构

胶棒滚筒采摘头试验台主要由棉株输送装置、驱动控制系统和上位机等组成。胶棒滚筒采摘头试验台总体结构如图1所示[2-4]。

1.输送带驱动 2.采摘头驱动 3.风机驱动 4.棉株输送装置 5.上位机 6.转矩转速测量仪 7.变频器控制柜 8.串口总线及电缆线图1 胶棒滚筒采摘头试验台Fig.1 Test-bed of cotton picking head with rubber-bar roller

试验时，将预处理过的成熟棉株装夹在按机采棉种植模式66cm+10cm排列的输送带棉株夹具中，启动上位机并进入胶棒滚筒采摘头试验台测控系统，设定文件名和保存路径，并处于“记录状态”；按照试验计划，设定采摘头滚筒转速、棉株输送带转速和风机转速；依次开启采摘头滚筒电机、风机电机，待试验台运转稳定后，开启棉株输送带电机，开始棉花采摘试验。此时，测控系统将通过数据采集模块实时显示并采集试验台输送带电机、滚筒电机和风机电机的转速值、扭矩值和功率值。当输送带上的棉株运转至输送带下部时，依次关闭棉株输送带电机、风机电机及采摘头滚筒电机，完成数据保存。

1.2 数据采集系统工作原理

胶棒滚筒采摘头试验台数据采集系统由PC机作为上位机，通过RS232/RS485转换模块与下位机(变频器)连接通讯控制驱动电机运行，并借助K 8514 F/RS485七通道光隔离测频模块采集JN338A扭矩传感器的频率值输入到数据采集软件，同时将频率值经F/V转换器转换为标准的电压U信号，输入到数据采集软件。

由于JN338A扭矩传感器输出的扭矩频率值与对应扭矩值呈线性关系，经F/V转换的扭矩输出电压与输入频率也呈线性关系，测量输出电压值，可获取驱动电机的扭矩值。

JN338A扭矩传感器采用测速码盘实现电动机的转速测量，可根据测速盘齿数和实测转速的输出频率值计算出各驱动电机的转速值n，计算公式为

式中n—电机输出转速值；

f—实测转速输出频率值；

Z—传感器测速盘齿数(JN338A测速盘齿数为60)。

根据各驱动电机的转速值n和扭矩值T，功率值P的计算公式为

式中T—电机输出扭矩值；

P—电机输出功率值；

n—电机输出转速值。

2 试验台测控系统

胶棒滚筒采摘头试验台测控系统采用数据采集模块和串口总线相结合的硬件模式。以基于LabVIEW的PC机作为人机交互平台，实现试验台各驱动系统控制指令的发送和实时工作状态的监测。测控系统主要由数据采集模块、驱动控制模块和上位机等组成，如图2所示。测控系统是基于LabVIEW软件开发的交互式测控程序，采用RS232串口总线技术，采用平衡发送和差分接收的方式传输信号，具有传输距离远、抗干扰能力强等特点。驱动控制指令代码按照通讯协议编写成命令，由计算机发出，经RS232/485转换器发送给变频器控制电机运行。数据采集模块将由K8514F/RS485测频模块获取的频率值和经F/V转换器获取的标准电压值，并反馈给计算机。

图2 测控系统框图Fig.2 Measurement and control system diagram

2.1 测控系统的硬件组成

胶棒滚筒采摘头试验台测控系统硬件由三相异步电动机、变频器、扭矩传感器、测频模块、F/V信号转换器及RS232/RS485转换模块等部分组成。测控系统所选用的硬件技术参数如表1所示。

表1 测控系统硬件技术参数

2.2 测控系统软件设计

基于LabVIEW语言的胶棒滚筒采摘头试验台测控软件[5-7]，实现PC机与变频器、转速扭矩传感器的通信，主要包括人机交互和应用管理两个模块。人机交互模块是一个交互式程序界面，通过该界面可在PC端设定及显示试验台驱动系统的参数。应用管理模块实现三相异步电动机启停控制、试验台实时工作状态监测、数据采集和保存等功能。

2.2.1 测控系统控制面板

胶棒滚筒采摘头验台测控系统操作面板主要包括滚筒电动机、输送带电动机和风机电动机的启停、转速设定和控制、扭矩和转速曲线显示和数据采集的功能。试验时，不仅能实时显示试验台的工作状态，而且能够对电动机的速度进行准确控制，同时通过RS485总线采集转速信号和扭矩信号，实时显示和保存。操作面板界面如图3所示。

图3 测控系统界面Fig.3 Interface of measurement and control system

2.2.2 电动机驱动控制程序

测控系统通过电动机驱动控制程序，实现上位机与下位机的串口通信及各驱动电动机的启停控制和变频速度控制。按照试验要求，调整控制面板的转速调节旋钮，预先设定各驱动电动机的转速，依次启动滚筒电动机、风机电动机和棉株输送带电动机，通过控制程序的PID控制策略发送至变频器，实现电动机驱动控制。电动机驱动控制程序框图如图4所示。

图4 电动机驱动控制程序框图Fig.4 Program block diagram of motor drive control

2.2.3 数据采集程序

测控系统数据采集用K8514F/RS485七路路隔离测频模块，采集JN338A扭矩传感器的频率值，经F/V转换，得出频率和电压的关系。根据文中1.2节的扭矩、转速和功率计算公式，计算出各电动机的扭矩、转速和功率值，在上位机的操作面板上显示，并生成对应曲线，完成数据采集和保存。数据采集程序框图如图5所示。

图5 数据采集程序框图Fig.5 Program block diagram of data acquisition

2.2.4 数据保存程序

数据保存程序先将滚筒电机、输送带电机、风机电机的转速、扭矩和功率数据打包，生成数组，再与获取的日期时间参数连接，统一转换成电子表格数据，添加存放到指定的文件中完成保存。图6为数据保存程序的程序框图。

图6 数据保存程序框图Fig.6 Program block diagram of data preservation

3 测试

为验证测控系统的实际应用效果，统收式采棉机的采摘头采摘速比K值的取值范围一般为5～12。当K值为5时，采棉机作业速度(即棉株输送带速度)0.7～1.2m/s，滚筒转速n取320～560r/min[3-4，8]。借助调试完成的胶棒滚筒采摘头试验台测控系统，以采摘头滚筒驱动电机为例，调整上位机频率值，发送给变频器驱动采摘头滚筒电机，再由上位机采集采摘头滚筒转速。转速实测值与理论值关系如表2所示，其转速差均<4%。经多次测量，系统测量数据准确，系统可靠。

表2 试验结果

续表2

4 结论

1)利用LabVIEW虚拟仪器技术研制了一套可用于胶棒滚筒采摘头采摘性能试验台测控系统，具有良好的可操作性和人机交互界面，能够实现滚筒电机、输送带电机和风机电动机的启停、转速设定和控制，为胶棒滚筒棉花收获装备的设计及工作参数优化提供技术支持。

2)试验台测控系统能够实现扭矩、转速和功率曲线显示，以及数据采集和保存功能，能够实时监控胶棒滚筒棉花收获装备工作状态。

3)对试验台测控系统进行测试，测得的转速差均<4%。由此表明，试验台测控系统工作性能可靠、测量参数准确。

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Design of Measure and Control System for Test-bed of Cotton Picking Head with Rubber-bar Roller

Wang Leia, Liu Qiaob, Zhang Hongwena, Liu Enbob, Zhao Yongmana

(Shihezi University, a.College of Mechanical Electrical Engineering; b.College of Information Science and Technology，Shihezi 832000，China)

To precisely monitor working conditon of picker picking process having rubber-bar roller, reveal operational principle of picking head with rubber-bar roller, and study the effect of factors on picking performance of picking head. a measure and control system for test-bed of cotton picking head with rubber-bar roller was designed based on LabVIEW. The system, mainly including drive control system, data collection system and upper-computer, can achieve the roller speed, conveyor speed and fan speed continuously adjustable and parameter settings, do real-time acquisition, display and working status monitoring of roller and conveyor speed, torque and power during picking, and have data preservation function. Measure and control system has speed difference <4% according to the test. This provides the theoretical basis and technical support for the monitoring of working state, work mechanism and optimization of working parameters for picker having rubber-bar roller.

roller with rubber stick; picking head; picking performance; labVIEW; measure and control system

2016-12-02

国家自然科学基金项目(51605314，50865011)；石河子大学高层次人才科研启动项目(RCZX201309)

王 磊(1983-),男，山东滕州人，讲师，硕士，(E-mail)wl_mac@shzu.edu.cn。

张宏文(1969-)，男，山东东明人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)zhw195959@126.com。

S225.91+1

A

1003-188X(2018)02-0090-05