高精度农业机械质心测量系统的设计与研究

黎虹　李光

摘要：针对当前传统的农业机械质心测量系统精度不够高、灵敏度较低的难题，提出基于天平原理与不平衡力矩理论相结合的高精度农业机械质心测量系统，该系统由V型块、十字刀口、电控升降台等构成，并通过H系列水平传感器、高精度称质量传感器和光栅尺位移传感器实时采集相应信息，通过采集与通信系统后进入农业机械质心测量控制系统，农业机械质心测量控制系统对测量的数据进行采集处理、通信与分析，验证测量系统的精确性，并对测量系统的误差进行分析，提出改进措施和优化方案，提高测量系统的可靠性。试验结果表明，该农业机械质心测量系统具有检测精度高、自动化程度高、稳定性好和检测方便等优点，有很好的推广前景。

关键词：农业机械;质心;测量系统;机械系统;采集与通信系统;控制系统;天平原理;不平衡力矩理论

中图分类号： S220.2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）04-0201-03

质心即平均质量中心，它是科学领域计算中经常须要采用的一个参数，质心测量系统在农业生产方面具有非常广泛的应用，它为农业生产生活及科学研究提供了重要的基础数据，其测量精度的高低直接影响农业机械的动力性能、操纵稳定性和乘坐舒适性等，因此，农业机械质心测量具有更广泛的应用领域和更强的研究意义。

通过查阅国内外的研究文献可知，国内外农业机械质心测量设备大多基于多点称重法、不平衡力矩法及转动惯量法，其中美国Space Electronics公司利用不平衡力矩原理研制的KSR型質心测量系统的质心测量精度可达到0.020 mm;西安交通大学以三点称重法为基础提出一种自动调平及自动旋转的质心测量系统，其质心测量精度优于0.100 mm;郑州机械研究所结合多点称重法和刀口天平法，设计了一种新型质心测量机构，其质心测量精度可达0.020 mm;中国航天科技集团有限公司提出基于转动惯量法的质心测量机构，该机构采用倒置的扭摆平台来测量农业机械的质心，其测量精度为 0.100 mm[1-4];尽管国内学者在质心测试方法和技术的研究上有了一些创新和发展，但测量精度与国外高水平仪器设备相比还有一定的差距，存在测量精度低、稳定性差、灵敏度较低等问题，不能满足农业机械姿态高精度的要求。因此，基于农业机械质心测量的检测需求，本研究综合传统测量方法的优点，提出一种基于天平原理与不平衡力矩理论检测质量偏心产生的力矩，进而测量农业机械径向质心的测量系统，该系统采用十字刀口、V型块与电控升降台结构以及高精度称质量和采集与通信技术，并配合相应的软件设计，以期解决农业机械质心测量系统精度、灵敏度低和可靠性差的难题。

1 农业机械质心测量系统总体方案设计

本研究以天平原理与不平衡力矩理论为依据，采用V型块、十字刀口、电控升降台、支撑平面等构成农业机械质心测量机械系统，并采用H系列水平传感器、高精度称质量传感器和光栅尺位移传感器实时采集相应信息[5]，通过采集与通信系统后进入农业机械质心测量控制系统，该系统对测量的数据进行采集处理、通信与分析，进而提高测量系统的精度和可靠性，其工作原理见图1。

2 农业机械质心测量机械系统设计

图2为农业机械质心测量机械系统，待测农业机械放置在V型块2上，V型块2通过螺栓固定在测量平台3上，测量平台3上端左侧固定有H系列水平传感器4，H系列水平传感器4实时监控平台的水平度情况;测量平台3下端中部通过螺钉连接固定有十字刀口1，十字刀口1的外端通过爪型支撑架7与电控升降台5相接，测量平台3下端左测设置有高精度称质量传感器8，高精度称质量传感器8与电控升降台5相接，电控升降台5的下端为支撑平面9，所述支撑平面9通过大升降台6与隔振光学平台10连接[6]，该农业机械质心测量装置还包括通过立柱固定在隔振光学平台10上的光栅尺位移传感器11。

在进行农业机械质心测量时，被测农业机械放置在固定的V型块上，通过电控升降台的起降控制测量平台上十字刀口的工作，十字刀口的灵敏度很高，不需要移动被测物体即可测出2个方向农业机械质心的位置。本系统中的高精度称质量传感器用来测量周期性变化的力值;H系列水平传感器用来检测测量平台的水平度;光栅尺位移传感器用来测量位移，通过高精度称质量传感器、H系列水平传感器和光栅尺位移传感器的实时在线测量[3，7]，测量结果通过采集与通信系统后进入农业机械质心测量控制系统，即可测量出农业机械质心位置。

3 采集与通信系统设计

采集与通信系统是农业机械质心测量机械系统与农业机械质心测量控制系统连接的纽带，包括运动控制器、通用串行总线（USB）采集模块和光栅尺采集卡，该系统可保证数据的采集与通信稳定可靠。运动控制器使用以太网和计算机控制系统相连接，计算机控制系统采用Visual Basic上位机软件通过程序控制运动控制器，进而控制电控升降台的驱动步进电机，同时通过高精度称质量传感器、光栅尺位移传感器和H系列水平传感器采集到的3个参数配合来实现对农业机械质心测量机械系统的精确控制。高精度称质量传感器负责采集农业机械质心的偏心量，并将此偏心量转化为相应的电信号，USB采集模块将此电信号进行后续信号调理后，通过USB口发给计算机控制系统。光栅尺位移传感器将采集到的位移量传输至光栅尺采集卡上，光栅尺采集卡实时将采集到的信息传输至计算机控制系统。H系列水平传感器实时监控测量平台的水平度情况，并通过485通信与计算机控制系统连接[8-9]。

4 农业机械质心测量控制系统设计

农业机械质心测量控制系统使用微软公司开发的Visual Basic软件进行软件编译和用户操作界面设计，农业机械质心测量控制系统见图3，其工作流程为农业机械质心测量控制系统初始化成功后，对电控升降台进行设置，设置的参数包括速度、最小步距等信息，电控升降台的位置确定后，采用H系列水平传感器检测测量平台水平信息，将已知质心位置的农业机械放置在V型块上，采用高精度称质量传感器和光栅尺位移传感器采集相应的质量与距离数据，农业机械质心测量控制系统对质心量进行测量并完成对已知质心农业机械的标定;然后将待测质心农业机械放置在V型块上，输入上次标定的数据，采用高精度称质量传感器和光栅尺位移传感器再次采集相应的质量与距离数据，进入农业机械质心测量控制系统，得到待测质心农业机械的测量结果，计算并保存测量结果，打印输出，完成农业机械质心测量的全过程[10]。

5 农业机械质心测量系统测量模型的建立

农业机械质心测量系统的测量模型原理如图4所示。

由于农业机械结构复杂，质量分布不均，受制造过程中各种误差的影响而产生偏心，在此种情况下质量中心量就是质量偏心量。令被测农业机械的质量为M，半径为R，称质量传感器到刀口轴线的距离为L，刀口轴线到农业机械质量中心的距离为s，因加工误差等原因，假设在0°位置有一偏心质量m，高精度称质量传感器测得的力为F1，对刀口轴线取力矩平衡得

6 提高农业机械质心测量系统的精度分析

6.1 十字刀口的设计

十字刀口是农业机械质心测量机械系统实现精确测量的关键部件，应具备以下要求：（1）十字刀口的材料为T10，淬火硬度达到HRC60，耐磨性、硬度及韧性高;（2）刀口的刃口直线度小于1 μm;（3）刀口支撑面保持完好。

6.2 V型块的设计

V型块是农业机械质心测量机械系统中实现精确测量的重要辅助工具，应具备以下要求：（1）表面精度等级为1级，端面表面粗糙度Ra为0.1 μm;（2）具有足够的刚度和强度;（3）工作面的长度满足农业机械的测试要求，以提高定位稳定性。

6.3 电控升降台的设计

本研究农业机械质心测量系统的计算机控制系统通过上位机软件控制运动控制器，并通过运动控制器输出脉冲的方式控制电控升降台，电控升降台采用步进电机闭环控制方式，其中電控升降台为北京天瑞中海精密仪器有限公司的 EVS50-Z 高精度升降台，负载质量为500 kg，最小步距为 1 μm，定位精度为2 μm，可用于工作台的高精度升降。

7 系统测试试验及创新点分析

本农业机械质心测量系统采用标准样件进行实际测量，标准农业机械质心位置的理论值为0，在农业机械上进行加质量，所测得的偏心量就是质心值。在本试验过程中，被测农业机械的质量为18 560 g，高精度称质量传感器到刀口轴线的距离为150 mm，在被测农业机械的0°位置施加20 g的偏心质量，此时高精度称质量传感器测得的力为F1;然后将被测农业机械旋转180°，此时高精度称质量传感器测得的力为F2，由公式（5）得被测农业机械的质心e，农业机械质心的多次测量结果见表1，由具体测量数据可知，最大误差优于002 mm，达到了较高的测量精度。

本研究提出一种基于天平原理与不平衡力矩理论检测质量偏心产生的力矩，进而测量农业机械径向质心的测量系统，构建了农业机械质心测量系统的数学模型，并进行不确定度分析，通过对V型块、十字刀口和电控升降台的设计提高农业机械的加工精度和装配精度，进一步减小系统误差，高精度称质量传感器提高了测量精度，采集与通信系统保证了采集与通信数据准确可靠，采用最小二乘法[11]将粗大误差和随机误差进行剔除，通过上述方面提高系统精度。

8 结束语

本研究以农业机械的质心为试验对象，在传统农业机械质心测量方法的基础上设计一种高精度农业机械质心测量系统，该系统采用V型块、十字刀口、电控升降台等构成农业机械质心测量机械系统，并采用H系列水平传感器、高精度称质量传感器和光栅尺位移传感器实时采集相应信息，通过采集与通信系统后进入农业机械质心测量控制系统，农业机械质心测量控制系统对测量的数据进行采集处理、通信与分析，验证测量系统的精确性，提出系统的改进措施和优化方案，进而提高测量系统的准确性和可靠性，完善农业机械质心测量系统的性能，具有良好的科学性和实用性。农业机械质心测量时的空间位置测量会向着三维测量的方向发展，激光作为长度溯源的关键设备，未来激光跟踪仪等三维设备会逐渐被应用到农业机械质心测量中。

参考文献：

[1]刘 鑫. 汽车质心位置确定方法与试验设备的选用[J]. 汽车研究与开发，2001，9（4）：33-34.

[2]Fabbri A，Molari G. Static measurement of the centre of gravity height on narrow-track agricultural tractors[J]. Biosystems Engineering，2004，87（3）：299-304.

[3]王保贵，张洪伟，赵 阳. 质心测量平台实现方法及精度分析[J]. 测试技术学报，2008，22（3）：198-202.

[4]卢志辉，孙志扬，李祥云，等. 高精度质心测量方法研究[J]. 兵工学报，2009，30（12）：1748-1752.

[5]Jin Y H，Qin K Y，Zhang X. Discrete spectrum correction based on centroid method[C]. The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instrument，2007：1-4.

[6]赵新通，赵 强. 车辆质心测量系统受力分析[J]. 机械工程师，2004（5）：33-34

[7]丁军辉，郑建辉，梁 明. 导弹质心定位设备测量误差分布研究[J]. 战术导弹技术，2011（1）：72-75.

[8]杜明芳，张之江，陆利坤. 飞行物体质心的测定[J]. 计量技术，2002（9）：31-32.

[9]张鹰华，樊新华，张雷雨，等. 基于四点支撑法的导弹质量质心测量系统设计及误差分析[J]. 机械设计与研究，2016，32（3）：96-99.

[10]于大泳，从大成，韩俊伟. 质心测试平台的运动学及其误差模型研究[J]. 机床与液压，2006（3）：105-107.

[11]刘 伟，赵庆展，汪传建，等. 基于最小二乘支持向量机的无人机遥感影像分类[J]. 江苏农业科学，2017，45（9）：187-191.单慧勇，林宇浩，于 镓，等. 温室二氧化碳气肥环境调控系统设计[J]. 江苏农业科学，2019，47（4）：204-208.