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遥控立木整枝机电源控制系统
目录
第一章前言2
1.1研究背景2
1.2研究意义3
1.3国外对比4
1.4研究目的5
第2章无线遥控发射系统的电源优化6
2.1.达林顿管光电耦合器6
2.2系统电源控制系统--------------------------------------------------------------------------7
2.3发射系统电源供电能力测试9
第3章无线遥控接收系统的电源优化11
3.1执行机构控制要求11
3.2接收系统电源控制电路12
3.3接收系统电源供电能力测试14
第4章结论15
参考文献:
16
致谢----------------------------------------------------------18
自己的东西在论文中的体现?
第1章前言
1.1立木整枝机的研究背景
国内对修剪机械的研制起步较晚,且产量低,品种少,都是以生产手动式高枝修剪机为主。
但目前我国对机动型高枝修剪机具的研制已取得了一定的成果。
孙坤龙、乔弘等设计的5XY-5便携式液压剪枝机,采用套装式快速偏心锁紧伸缩杆,以小型汽油机为动力,经带传动减速,再由卸荷轮带动高填充齿轮泵,将机械能转化为液压能,并通过联动操纵机构控制组合控制阀,推动执行油缸使剪枝机构动作,完成剪枝作业。
该机型剪枝直径可达30mm,剪枝高度5m。
背负式可调高枝修剪机和多功能高枝修剪锯等多以小型汽油机为动力,通过软轴传动带动锯链或圆锯片工作,其结构简单,成本低,工作效率高,切口平滑,视角和操作角度较合理,安全性能也较好,还便于维修,但此类修剪机均存在操纵杆重,锯切振动幅度较大,国产汽油机噪声大以及消音效果差等缺点,不能满足对工作舒适性的要求。
1.2研究意义
电源控制系统的性能好坏直接影响着整枝机能否正常稳定的工作,因此研究电源系统的性能是有实际价值的,进入21世纪,为适应城市绿化不断发展的需要,整个园林机械行业都在快速发展。
作为其重要分支的树木整枝修剪机械的研发工作也在不断地深入。
树木整枝修剪机械正在向操作自动化、人性化、高效环保及安全可靠的方向发展,而且电源系统的研制有着十分重要的意义。
工林整枝是保证林木快速生长和大中径级无节材培育的重要抚育工序。
通过遥控自动立木整枝机进行整枝作业不仅可以减少或消除木材节疤、提高木材通直度和圆满度、减少病虫害的发生、减少风雪害的发生、减少森林火灾发生的危险性、促进树木快速生长;还可以减少工人疲劳和因爬树作业造成的伤亡。
自动立木整枝机的研制成功和应用,不仅可提高优质木材生产率,在减少森林遭风雪及虫害的危险性,减少林业工人的疲劳与伤亡率,促进林业机械的自动化发展方面具有重要的意义。
1.3国外对比
国外对树木整枝修剪机械的研究起步较早,机型也比较齐全。
美国和瑞典等国家生产的手动无动力整枝机基本上是在对常用鱼头锯进行改进的基础上,增加一些简单辅助构件和安装有伸缩功能的工作杆等,作业高度可达6m。
其优点是简单、实用、造价低,对工人素质要求也较低,这就初步解决了爬树作业的问题,但其存在夹锯、劳动强度大、效率低和容易断锯等缺陷。
在机动型高枝修剪机械方面,主要有日本的爱丽斯(ARS)、小松、德国的斯蒂尔和瑞典的胡斯华纳等公司生产的高枝锯,它们都是以汽油机作为液压传动的动力,带动液压泵和装在锯头部的小型液压电动机及链条锯工作,锯径可达20cm,振动小,切口平滑,效果好,修剪效率高,修剪高度可达5m,但造价较高,维修、保养以及对操作人员的素质要求也都较高。
在机动型高枝修剪机械方面,主要有日本的爱丽斯(ARS)、小松、德国的斯蒂尔和瑞典的胡斯华纳等公司生产的高枝锯,它们都是以汽油机作为液压传动的动力,带动液压泵和装在锯头部的小型液压电动机及条锯工作,锯径可达20cm,振动小,切口平滑,效果好,修剪效率高,修剪高度可达5m,但造价较高,维修保养以及对操作人员的素质要求也都较高由于人工修剪受到修剪高度等的限制,随着科学技术的发展,一些国家开始研究将自动化技术应用于高空剪枝,且己取得了一定的成果。
日本SEIREI公司生产的自动立木整枝机,采用密码潜入数字式抗干扰无线遥控技术,具有反力装置的锯链式锯切机构和低压轮胎爬树机构等,通过遥控器控制其爬上树干进行修剪工作,但此机型具有一定的局限性,对树干通直度有较高的要求。
还有的采用自动升降台进行高枝修剪,如意大利的萨斯马升降台是在四轮车架上安装四个升降台,每个升降台有独立的液压系统单独控制其工作位置;水平方向最大伸出长度可达到7.5m,最大起升高度是6m。
瑞典的阿弗龙升降台是装在三轮车上,工作台的升降由液压系统控制。
此外,工作台升降还有用钢索绞盘机控制的,其最大起升高度可达20m。
1.4研究目的
林木的整枝有利于工业用材林的质量和利用效率,作为代表当前林木整枝技术最高技术水平的自动立木整枝机,研究遥控立木整枝机有助于节约时间,提高劳动效率,更加自动化和人性化,加快树木整枝修剪的开发,使其结构合理,工作视角良好,操作规范。
高效环保,21世纪以来,人们更加注意环保,各国的法律,法规正在渐渐完善,对于主要在城市露天作业的园林绿化设备来说环保方面的压力越来越大,比如美国很多州的法律都要求所有机器必须达到一定的排放量和噪音才能进入该区,因此,不少大型园林机械设备的制造企业已经或正在采取设施,研制生产污染低的设备,甚至无污染的绿色环保型的园林绿色机械产品。
产品安全性有三个方面:
机械本身的安全性,要防止机械发生意外故障或被毁坏;操作人员的安全性,要防止操作人员在操作中受伤害,周围人群的安全性,要防止机械在操作中伤害他人。
这三个方面是很重要的。
新一代低噪音,低污染的小型汽油机也开始投放市场。
机械产品的环保性能必将成为其质量的一个重要指标。
第2章无线遥控发射系统的电源优化
2.1.达林顿管光电耦合器
光电耦合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
(图2-1)光电耦合器实物图
光电耦合器的种类较多,常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。
(外形有金属圆壳封装,塑封双列直插等)。
2.2发射系统电源控制系统
自动立木整枝机无线遥控发射系统主要由控制指令输入电路,CPLD控制电路,通信编码电路以及发射电路组成,其主要功能是发射可靠地遥控按键命令信息,无线遥控发射系统采用+9V可充电电池供电,所以在发射系统设计时必须考虑最大程度优化电源电路,降低系统消耗一起延长电源工作发射时间,根据实际整枝工艺要求该发射系统作业时属于间断方式。
在没有控制任务时发射电路和CPLD芯片做无功消耗,所以从该环节入手来降低发射系统的功耗是比较有效的优化途径。
所以设计自动立木整枝机无线遥控发射系统电源优化控制电路如图(2-2-1)所示
图2-2-1发射系统电源控制电路
Powercontrolcircuitoftransmittingsystem
图2-2-1中主要采用达林顿管光电耦合器TLP627作为发射系统通电控制环节的电子开关。
从而使得此光电耦合器TLP627的输出端三极管导通后将充电电池组+9v的电压直接输入给三端稳压器L7805CN。
此时,三端稳压器L7805cN的输出端+5v的直流电压可为发射系统中的CPLD和其他芯片供电。
由CPLD电路仿真波形图2-2-2可知,每一次有效按键(图2-2-2中为下降按键)信息经CPLD的逻辑运算后均会为发射电路提供一个高电平的发射允许信号(图2-2-2中为FS—NAME),这个使能信号通过反相驱动器74LS06为通信编码电路和发射电路提供+9V的电压。
由此可实现每按一次键通信编码电路和发射电路通电一次,发射短时间的射频载波信号.这种电源通电控制电路有两个优点,其一是所发射的载波虽是工作在业余频段,但因其比起连续发射占用有限信道的时间短,不会对同频率的设备造成较严重的干扰;其二:
是系统按键形成“无电源开关”,短时间发射可以节约电源的消耗以达到节能的目的。
图2-2-2按键信号仿真模拟图
2.3发射系统电源供电能力测试
自动立木整枝机无线遥控发射系统各个元器件工作电流数据如表2.2所示。
由表1可计算出立木整枝机无线遥控发射系统在工作时的时的电流为335毫安,工程估算系数一般取0.7到0.9,我们可以取0.8。
因此发射系统工作时间的总电流I=335/0.8=420毫安。
而每次遥控按键的最长时间为20毫秒,则自动立木整枝机无线遥控发射系统每操作一次按键的的电量Q=420*20=8400(毫安/毫秒)
表2-3-1发射系统各元器件工作电流
元器件
名称
CPLD芯片
发射电流
通信编码器
HS2262
光电耦合器
TLP627
发射指示灯
电流/ma
160
110
25
20
20
当自动立木整枝机无线遥控发射系统采用电容量为800mA*h的镍氢充电电池供电时,发射系统可以操作的总发射次数C=800*3600000/8400=3.42*10^5(次)
对于人工林中需要整枝的树木,多为数年生的树木,其高度都在20米以下,一般的整枝高度不应该炒过树木的1/3-1/2,因此自动立木整枝机的整枝高度可以定位在10到15之间,对人工侧柏林树木的生长情况进行实地测量,统计结果均表明:
平均最低需切削德邦树枝高度为1.5米左右,平均最小枝与枝间的距离为10厘米。
于是,一棵树最多需切削的树枝数为75条。
整枝作业速度为2.5m/min,上升时的行走速度为4.5米/分钟,下降时的行走速度为8米/分钟,故无故障情况下进行立木整枝机时操纵流程如图2-3
图2-3无故障立木整枝机操作流程图
由图2-3可见。
无故障立木整枝时每棵树需要操作无线遥控发射器按键次数为8次,因此在考虑排除故障等整枝操作情况时需要操作无线遥控发射器12次。
由立木整枝作业的高度和自动立木整枝机的运行速度可以计算出每棵树整枝和移机总共所需要时间约为6分钟,于是每天可以整枝大约80棵左右的树木,每天是8小时的工作时间计算,则在不考虑充电电池自行放电的情况下,自动立木整枝机手拿式无线遥控发射器供电电池可以供电时间约t=3.42*10^5/(80*12)=356.25
可见,该系统采用按键式无电源开关等节能技术切实可行的。
第3章无线遥控接收系统的电源优化
3.1执行机构控制要求
自动立木整枝机在工作的时候,其怠速,行走,作业,三种不同工作状态下臂的位置所需要的输出功率主要是通过二冲程汽油油门开启大小来调节;其中位,上升,下降三种不同运行方向是通过动力及传动系统中离合器的位置来控制。
在立木整枝机无线遥控接收系统中,用两台永磁式直流减速电动机作为执行机构来分别控制动力及传动系统中离合器的位置和二冲程汽油机开启的大小程度(简称油门电动机)使得功率和方向两组控制信号相互独立。
在系统通电,断电或者是紧急停止时,两台电动机的初始状态分别是中位和怠速位置以保证动作控制基点的一致性,两台电动机输出转轴与所对应的工作状态示意图3-1-1
图3-1-1电动机转臂位置—状态示意图
3.2接收系统电源控制电路
自动立木整枝机无线遥控接收系统安装于机械的本体,随整枝机一起绕立木树干做螺旋运动。
无线遥控接收系统面板上设置有电源启动和停止按键,但该按键无自锁能力,仅用于执行系统通电和断电的操作,自动立木整枝机无线遥控发射系统主要由接收电路,通信解码电路,CPLD控制电路及电动机接口电路组成,其主要完成信号的接收并有效控制电动机的运动逻辑。
接收系统电源控制电路见下图。
当系统通电即电源启动开关K闭合的瞬间通电控制环节光电耦合器TLP627导通,将充电电池组+9V的电压输入给DC/DCA0505S—1W和稳压块78L05CN,DC/DC输出执行电动机所需要的+6V或—6V电压,稳压块78LO5CN输出电路中CPLD芯片等所需的+5V的电压。
由于开关K没有自锁能力,等松开开关K时光电耦合器TLP627断开使得DC/DC和稳压块失电,从而导致整个控制系统断电因此,必须对电源的控制系统进行优化设计以保证电源控制系统在通电后具有自己保持的功能。
有图可见,系统电源启动开关K闭合后经上拉电阻R32将CPLD中电源开关输出信号CLK置为高电平即CLK=1。
自动立木整枝机无线遥控接收系统CPLD数字逻辑电路中对此信号进行处理来进行延时断电控制,其仿真结果如图6所示,图6中当CLK为高电平时延时系统断电控制信号经过图5中反相器后将固态继电器SSPJGG—3FA输出端导通,固态继电器的输出电池组+9V的电压输入给DC/DC和稳压块。
因此图5所示的电源控制系统电路中只要有开关K闭合后可以保证系统电压,实现接收系统的电源“自锁”的功能。
由图3-2-1可见,当系统断电即电源停止开关G闭合后使得CPLD中电源开关输入信号CLK为低电平即CLK=0。
由内部数字电路仿真结果图3-2-2可知,此时系统延时断电控制信号YS输出为低电平,该低电平信号对电容C4充电使得固态继电器以确保两台电动机有足够的时间来恢复到初始位置。
图3-2-1接受系统电源控制图
图3-2-2接受系统电源控制仿真波形图
可见,通过无线遥控接收系统CPLD内部电路及电源控制硬件电路的优化设计使得电源控制电路能够实现:
为了工作电源在通电操作后必须具有自己保持的功能,以实现及时接收控制信号去驱动电动机及执行机构;二为系统断电操作后通过改变电容C4的参数来提供足够的延时断电时间,以保证电动机恢复至初始位置两点功能,提高了系统工作的可靠性。
3.3接收系统电源供电能力测试
自动立木整枝机无线遥控系统各元器件工作电流数据如表3.3所示
表3-3-1接受系统各元器件工作电波
在每棵立木整枝机作业中,在图表2中CPLD芯片和电源指示灯为连续工作状态,而电动机,通信解码器,电动机驱动隔离光电耦合器及接受信号指示灯为间断工作方式(即有控制信号时才消耗电能),因为,当工程系数取0.8时,计算自动立木整枝机无线遥控接收系统在工作时的电流必须分为连续电流I1和间断电流I2两部分:
I1=170/0.8=213Ma,I2=488/0.8=611Ma.
每棵平均最长工作时间按五分钟计算,于是接收系统中连续工作器件的电量Q=213乘5等于1065毫安每分钟
有上述分析可知,每棵树整枝过程中执行电动机需要完成12个动作。
电动机的转速为10r/min。
每执行一个动作电动机的工作时间约为1s,则接收系统中间断工作器件的电量Q2=610乘12乘1/60=122毫安/分钟
于是,整枝过程中每棵树的总的电量是1065+122=1187毫安分钟
当立木整枝机无线遥控接收系统采用容量为2500mAh,镍氢充电电池供电时所允许的最多整枝树量126棵。
若按每天整枝80棵树木计算需要,则该无线遥控自动立木整枝机接收系统充电电池的供电能力可以满足该机器一天的工作要求。
第4章结论
无线遥控自动立木整枝机为便携式林业机械,其控制系统电源的效率直接影响到该系统的整体性能.本文对无线遥控自动立木整枝机控制系统电源进行了优化设计,并根据实际的整枝工艺和控制系统各元器件的能量消耗情况对电源的供电能力进行了测试.结果表明:
该电源控制优化方案能满足无线遥控自动立木整枝机实际作业的需求。
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致谢
在写论文过程中遇到了很多困难。
在此特别感谢张老师的指导。
从选定课题到完成项目和论文,张老师一直关心项目设计和论文写作进度,细心地指出设计的不合理之处和待改善之处,提出最优设计方案建议,并且认真地给我修改论文。
张老师诲人不倦的工作作风,一丝不苟的工作态度,严肃认真的治学风格给我留下深刻的影响,值得我永远学习。
在此,谨向导师张蓓蕾老师致以崇高的敬意和衷心的感谢!
我还要向组员致谢,感谢各位对我的指导和鼓励,令合作项目得以顺利进行。
在攻读学士学位期间,感谢学院领导和老师的教导和帮助,我从他们身上学到了很多专业知识与为人处事的道理,树立了正确的人生价值观,培养了科学严谨的治学态度。
感谢同学对我的关心和照顾,班集体、年级集体、学院集体、学校集体都给了我自豪感和归属感。
最后,谨向本论文所参阅的所有文献资料的编著者表示谢意,您们的工作为本项目奠定了基础。
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