一种作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置和方法与流程

1.本发明涉及一种农业物料力学特性检测装置，特别是一种作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置和方法。


背景技术：

2.玉米、大豆等农作物的精量播种是现代化农业机械的重要发展方向之一，为实现对排种器等关键部件的优化设计，对作物籽粒的排种过程进行动力学分析和离散元仿真，必须要获取作物籽粒与其他材料之间的静摩擦系数。
3.斜面法是一种现有技术常用的测量农业物料静摩擦系数的试验方法。现有技术中，公告号为cn107421883a的中国发明专利公开了一种静摩擦系数测定装置及测定方法，其中测定装置包括旋转板、固定板、转轴、角位移传感器、物料板及平衡物块，所述固定板位于旋转板的下方，固定板和旋转板通过转轴连接，转轴安装的位置偏离旋转板的中间位置，在旋转板、固定板和转轴之间形成一个夹角，所述角位移传感器固定在一侧转轴上，物料板和平衡物块均置于旋转板上，分别在转轴的两端，物料板置于旋转板长端，平衡物块置于旋转板短端；文献“玉米籽粒的物理力学特性研究”利用人工手动调节丝母丝杠机构使斜面产生倾角，当玉米籽粒发生滑动或者有下滑趋势时手动测量斜面倾斜角度，测量结果易受人为因素干扰；公告号为cn102878910a的中国发明专利公开了一种用于散粒体物料摩擦角和摩擦系数测量的斜面仪装置，该装置利用人工手动转动配备自锁机构的摇杆机构控制斜面倾斜角度，采用圆弧尺和直尺测量角度，测量结果误差较大；文献“面向定向种植的玉米粒群批量整列与分选系统的研制”中静摩擦系数测定试验台利用转动手动摇柄控制平面倾斜角度，利用数显测斜仪测量倾斜角度，测量精度仅为
±
0.2
°
，测量精度较差；公告号为cn103202734b的中国发明专利公开了一种静摩擦系数测定装置及测定方法，该装置无法实现斜面的匀速转动，且物料开始发生滑动时斜面无法停止转动导致测量误差较大；也有采用光电传感器实现籽粒滑动状态的自动识别，但测量结果存在滞后性且无法直接显示静摩擦系数。
4.综上所述，现有的静摩擦力测定试验台主要存在以下问题：
5.(1)斜面倾斜角度由人工手动或步进电机驱动，被测物料易受振动影响，导致测试结果存在较大的随机误差；
6.(2)无法准确识别物料的临界滑动状态；
7.(3)斜面倾斜角度通过人工手动测量或数显测斜仪测量，测量结果精度低且易受人为因素干扰；
8.(4)试验装置自动化程度低，无法实现对物料静摩擦系数的自动测量。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置和方法，以克服静摩擦力测定试验存在易受人为因素干扰、测量
精度低及自动化水平低等问题。
10.为了实现上述目的，本发明提供了一种作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，包括：
11.试验台，包括底座和试验平台，被测材料和被测作物籽粒放置于所述试验平台上；
12.驱动机构，包括直流无刷电机和减速机，所述直流无刷电机安装在所述底座的后端，所述减速机与所述直流无刷电机连接；
13.传动机构，包括同步带传动机构和光轴，所述光轴安装在所述底座的前端并通过所述同步带传动机构与所述减速机连接，所述试验平台通过半拼合式固定轴环与所述光轴连接；以及
14.控制装置，包括控制器和与所述控制器连接的单圈绝对值编码器、对射式激光传感器、电机驱动器和限位机构，所述单圈绝对值编码器安装在所述光轴的一端，所述对射式激光传感器安装在所述试验平台上，所述电机驱动器与所述直流无刷电机连接，所述限位机构安装在所述底座上并与所述光轴连接。
15.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述限位机构包括安装座、0
°
限位开关和90
°
限位开关，所述安装座安装在所述底座上，所述0
°
限位开关和90
°
限位开关分别安装在所述安装座的第一支座和第二支座上，所述光轴穿过所述第一支座和第二支座，所述0
°
限位开关和90
°
限位开关分别位于所述光轴的前后两侧，用于所述试验平台的0
°
与90
°
限位。
16.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述单圈绝对值编码器通过内部盲孔固定于所述光轴的左端，所述单圈绝对值编码器的分辨率为15位，检测误差为0.01
°
。
17.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述被测材料通过限位夹固定在所述试验平台上，所述限位夹通过第一螺栓固定于所述试验平台上方且间隙可调，用于夹持不同厚度的所述被测材料。
18.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述限位夹的内表面分布有条状纹理，以增加夹持稳定性。
19.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述对射式激光传感器通过第二螺栓连接固定于所述试验平台的长槽孔处，所述对射式激光传感器的前后位置及安装高度的调节通过所述第二螺栓调节，以适应不同直径的被测作物籽粒静摩擦系数的测量。
20.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述被测作物籽粒位于所述被测材料上，所述被测作物籽粒的初始位置与所述对射式激光传感器成一条直线放置。
21.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述同步带传动机构用于将动力由所述驱动机构平稳传递给所述光轴，包括电机端同步带轮、同步带和光轴端同步带轮，所述电机端同步带轮与所述减速机的输出轴连接，所述光轴端同步带轮与所述光轴连接，所述同步带张紧在所述电机端同步带轮和光轴端同步带轮上。
22.上述的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，其中，所述控制装置还包括用于人机交互的触摸屏，所述触摸屏安装于所述控制器的前面板上，并通过485总线与所述电机驱动器和单圈绝对值编码器通讯，所述前面板上还设置有绿色指示灯、红色指示灯和电源
开关旋钮。
23.为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种作物籽粒静摩擦系数自动检测试验方法，其中，包括如下步骤：
24.s100、将被测材料固定于试验平台上方，将被测作物籽粒放置于所述被测材料上，根据所述被测作物籽粒的外形尺寸调整对射式激光传感器的安装位置，保证所述被测作物籽粒的初始位置与所述对射式激光传感器成一条直线放置；
25.s200、直流无刷电机启动，驱动所述试验平台保持低速平稳转动，当所述试验平台转动到一定角度，所述被测作物籽粒开始出现滑动，所述对射式激光传感器立即检测到所述被测作物籽粒临界滑动状态的变化，控制器向电机驱动器发出停止信号，所述直流无刷电机停止并进入自锁状态；以及
26.s300、当试验平台停止转动时，单圈绝对值编码器测量所述试验平台的旋转角度，所述控制器根据所述旋转角度计算得出所述被测作物籽粒的静摩擦系数。
27.本发明的技术效果在于：
28.1)本发明利用直流无刷电机 同步带驱动，能够实现试验平台的低速平稳传动，监控人工手动调节产生的随机误差，相比于步进电机驱动方案的震动更小，在保证检测精度的同时提高了试验装置的自动化水平；
29.2)被测作物籽粒的临界滑动状态由对射式激光传感器检测，取代了用人眼判断的方式，判断准确且反应速度快，避免了试验结果受人为误差的影响；
30.3)试验平台转动角度由15位分辨率高精度单圈绝对值编码器检测，取代了以往用圆弧尺或数显测斜仪的测量方式，提高了试验平台转动角度的测量精度；
31.4)触摸屏运行作物籽粒静摩擦系数自动检测程序，可实现静摩擦系数的自动运算、多次试验结果求平均、实验数据导出等多种操作，简化了试验流程，在保证检查精度的同时减少了试验时间。
32.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
33.图1为本发明一实施例的检测试验装置结构示意图；
34.图2为本发明一实施例的控制装置结构框图；
35.图3为本发明一实施例的限位机构结构示意图；
36.图4为本发明一实施例的检测试验方法流程图。
37.其中，附图标记
38.1 试验台
39.11 底座
40.12 试验平台
41.13 半拼合式固定轴环
42.14 轴承座
43.15 限位夹
44.2 驱动机构
45.21 直流无刷电机
46.22 减速机
47.3 传动机构
48.31 电机端同步带轮
49.32 光轴端同步带轮
50.33 同步带
51.34 光轴
52.4 控制装置
53.41 控制器
54.42 触摸屏
55.43 单圈绝对值编码器
56.44 对射式激光传感器
57.45 电机驱动器
58.46 限位机构
59.461 安装座
60.462 0
°
限位开关
61.463 90
°
限位开关
62.5 被测作物籽粒
63.6 被测材料
具体实施方式
64.下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
65.在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”“下”“左”“右”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述本发明的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。
66.参见图1及图2，图1为本发明一实施例的检测试验装置结构示意图，图2为本发明一实施例的控制装置4结构框图。本发明的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验装置，包括：试验台1，包括底座11和试验平台12，被测材料6和被测作物籽粒5放置于所述试验平台12上，所述被测材料6通过限位夹15固定在所述试验平台12上，所述限位夹15通过第一螺栓固定于所述试验平台12上方且间隙可调，用于夹持不同厚度的所述被测材料6，所述限位夹15的内表面分布有条状纹理，以增加夹持稳定性，所述被测作物籽粒5位于所述被测材料6上，所述被测作物籽粒5的初始位置与所述对射式激光传感器44成一条直线放置；驱动机构2，包括直流无刷电机21和减速机22，所述直流无刷电机21通过电机支架和螺栓固定安装在所述底座11的后端，所述减速机22与所述直流无刷电机21连接；传动机构3，包括同步带传动机构和光轴34，所述光轴34安装在所述底座11的前端并通过所述同步带传动机构与所述减速机22连接，本实施例的所述光轴34两端分别固定在轴承座14上，轴承座14通过螺栓固定在底座11前端；所述试验平台12通过半拼合式固定轴环13与所述光轴34紧固连接；以及控制装置4，用于实现作物籽粒静摩擦系数自动检测，包括控制器41和与所述控制器41连接的单圈绝对值编码器43、对射式激光传感器44、电机驱动器45和限位机构46，控制器41优选为
plc控制器并位于试验平台12右侧，用于传感器数据采集以及电机启停控制，通过采集传感器信号并进行逻辑判断对电机驱动器45发出启停控制信号；所述单圈绝对值编码器43安装在所述光轴34的一端，所述对射式激光传感器44安装在所述试验平台12上，所述电机驱动器45与所述直流无刷电机21连接，用于驱动直流无刷电机21从而实现对试验平台12旋转角度的控制，直流无刷电机21采用速度控制模式，启停由电机驱动器45进行控制；所述限位机构46安装在所述底座11上并与所述光轴34连接。所述控制装置4还可包括用于人机交互的触摸屏42，所述触摸屏42安装于所述控制器41的前面板上，用于试验启停控制以及试验结果的显示，并通过485总线通讯方式与所述电机驱动器45和单圈绝对值编码器43通讯，所述前面板上还可设置有绿色指示灯、红色指示灯和电源开关旋钮。
67.本实施例中，所述单圈绝对值编码器43用于测量试验平台12旋转角度，通过内部盲孔固定于所述光轴34的左端，所述单圈绝对值编码器43的分辨率优选为15位，检测误差优选为0.01
°
，能够实现对试验平台12转动角度的高精度检测。所述对射式激光传感器44用于作物籽粒临界滑动状态的判断，通过第二螺栓连接固定于所述试验平台12的长槽孔处，所述对射式激光传感器44的前后位置及安装高度的调节通过所述第二螺栓调节，以适应不同直径的被测作物籽粒5静摩擦系数的测量。所述对射式激光传感器44检测被测作物籽粒5的临界滑动状态，激光信号的开关状态作为电机停止信号用于控制直流无刷电机21停止。当试验平台12由水平状态开始转动时，被测作物籽粒5与对射式激光传感器44成一条直线摆放，激光信号被阻挡；当试验平台12转动到一定角度，被测作物籽粒5开始滑动瞬间激光信号接通，电机驱动器45接收此信号并控制直流无刷电机21停止转动，试验平台12同时停止转动。
68.本实施例的所述同步带传动机构用于将动力由所述驱动机构2平稳传递给所述光轴34，包括电机端同步带轮31、同步带33和光轴端同步带轮32，所述电机端同步带轮31与所述减速机22的输出轴连接，所述光轴端同步带轮32与所述光轴34连接，所述同步带33张紧在所述电机端同步带轮31和光轴端同步带轮32上。该同步带传动机构属于啮合型带传动，传动精度高且无弹性滑动，能够吸收电机低转速转动产生的振动，保证试验平台12在低转速下能实现稳速平稳转动，减小试验误差。
69.参见图3，图3为本发明一实施例的限位机构46结构示意图。本实施例的所述限位机构46包括安装座461、0
°
限位开关462和90
°
限位开关463，所述安装座461安装在所述底座11上，所述0
°
限位开关462和90
°
限位开关463分别固定安装在所述安装座461的第一支座和第二支座上，所述光轴34穿过所述第一支座和第二支座，所述0
°
限位开关462和90
°
限位开关463分别位于所述光轴34的前后两侧，用于所述试验平台12的0
°
与90
°
限位。
70.参见图4，图4为本发明一实施例的检测试验方法流程图。本发明的作物籽粒静摩擦系数自动检测试验方法，包括如下步骤：
71.步骤s100、首先将被测材料6通过限位夹15固定于试验平台12上方，将被测作物籽粒5放置于所述被测材料6上，根据所述被测作物籽粒5的外形尺寸调整对射式激光传感器44的安装位置，保证所述被测作物籽粒5的初始位置与所述对射式激光传感器44成一条直线放置；
72.步骤s200、当被测作物籽粒5放置位置正确即对射式激光传感器44信号被被测作物籽粒5遮挡时，控制箱绿色指示灯亮起，表示试验准备工作完成，可以进行试验，操作人员
点击触摸屏42上的开始试验按钮，直流无刷电机21启动，驱动所述试验平台12保持低速平稳转动，当所述试验平台12转动到一定角度，所述被测作物籽粒5开始出现滑动，对射式激光传感器44由断开转成接通状态，所述对射式激光传感器44立即检测到所述被测作物籽粒5临界滑动状态的变化，控制器41通过对对射式激光传感器44信号的变化做出逻辑判断，向电机驱动器45发出停止信号，所述直流无刷电机21停止并进入自锁状态；以及
73.步骤s300、当试验平台12停止转动时，单圈绝对值编码器43测量所得角度为所述试验平台12的旋转角度，即为被测作物籽粒5静摩擦力角α，所述控制器41根据所述旋转角度，采用静摩擦系数计算公式f＝tanα，自动计算得出所述被测作物籽粒5的静摩擦系数f，并可将实验结果显示在触摸屏42上。
74.本发明具有测量精度高、操作步骤简单、自动化水平高等特点。
75.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。