基于Arduino的菌草切割试验台的设计

姚恺涵，陈文滔，沈杰知

（福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350028）

基于Arduino的菌草切割试验台的设计

姚恺涵，陈文滔，沈杰知

（福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350028）

设计了可以调节刀具角度的菌草切割试验台，并以Arduino做为核心控制器件开发了控制系统，该系统不仅可以调节电机的转速，同时也能检测试验台在切割过程中产生的扭矩和转速，可以为进一步的菌草切割机的研发提供试验数据和设计参考。

Arduino；巨菌草；切割器；试验台

巨菌草（JUNCAO）是一种具有综合开发利用价值的草本植物，主要适宜用于栽培食用菌、药用菌。菌草的筛选需要经过科学试验，以保证菌草所栽培的食（药）用菌的营养物质含量符合有机食品、绿色食品的标准[1]。随着菌业的迅猛发展，菌草种植面积也不断地扩大，实施菌草机械化收割，对提高劳动生产率、降低生产成本，提高资源利用率等具有直接推动作用，因此有必要开展菌草切割相关方面的试验。基于此，文章设计了一种采用Arduino为核心控制器件的试验台，以测试在不同转速和切削速度下的切割力，为后续设备的开发提供依据。通过设计多自由度单圆盘式切割实验台，研究在不同刀具、刀盘转速、切入角度、推进速度下对巨菌草茎秆的切割力和切割效果的影响，从而得到收割巨菌草茎秆的高效低能耗方式[2]。

1 菌草切割试验台的机械结构

1.1 切割器的选择

圆盘式切割装置，运动时做回转运动，运转较平稳、振动小，因此切割速度高、切割力大，并以此减少切割时间和切割时的阻力。由于可以根据需要进行调整切割角度，使得切割表面较平整、刀具不易折断、切割能力强，对于表皮比较坚硬的作物具有很好的收割能力。通常表皮比较坚硬的作物如甘蔗、菌草的作物都使用圆盘式切割装置。

圆盘锯是巨菌草切割机的主要工作部件，圆盘锯的覆盖面积应大于巨菌草的丛生面积，根据实地考察巨菌草种植基地，发现巨菌草的丛生面积在300～350mm之间。因此取圆盘锯的直径为350mm，厚度为3mm，钢材选用65Mn，表1是圆盘锯的主要参数。

表1 圆盘锯的主要参数

1.2 调角结构设计

试验台设计要求在切割过程中，能够调整刀具与茎秆的相对角度，从而可以研究不同切割角度下的切割力。试验台设计中采用图1所示的装置实现切割角度的调整和锁定。如图所示通过旋转调节手柄，改变连接杆件的长度，以达到调节倾角的目的。调整到适合的角度时，将紧定螺钉锁紧，可锁定切割角度进行切割。设计中选用牙型角α=60°的普通三角螺纹，自锁性能好，强度能够满足设计的要求。

1.3 整体结构设计

切割试验台如图所示，圆盘锯片通过双螺母锁定在刀轴上，刀轴通过弹性联轴器与扭矩传感器联结，扭矩传感器的另一端则通过弹性联轴器和电机输出轴联结。整个轴向部件安装在支架上，支架由调角机构与机架联结。

综合尺寸、重量及切割时强度等多方面考虑，机架选用20mm×20mm的铝合金型材，刀轴选用普通的45钢。

图1 切割试验台结构图

安装在电机轴上的动态扭矩传感器不仅能够测量切削过程中的扭矩，同时也能测量电机输出轴的转速，试验台选用的是YH502动态扭矩传感器，该传感器采用了应变片电测技术，实现非接触电源供电与信号输出，具有精度高性能稳定可靠量程范围广等优点。

考虑到直流无刷电机具有体积小、工作可靠、调速可靠等优点，试验台选用最大转速为4500r/min，最大扭矩为10Nm，额定功率为500W的直流无刷电机。

1.4 控制系统设计

设计的试验台要求能够在计算机界面上启动和停止切割电机，电机的转速能够根据工作需求自行设置，比如可以完成一个典型的工况，即电机按以下3个阶段运行：第1阶段加速；第2阶段恒速；第3阶段减速。控制系统的上位机界面能够实时显示切削过程中的切削力和转速[4]。

MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，而Arduino开发板是一种越来越受到欢迎的开源硬件。因此结合本实验台的要求，采用Arduino作为核心控制器件，且利用MATLAB软件编写上位机界面。

图2 控制系统示意图

2 实验结果与分析

巨菌草实验材料取自福建农林大学菌草研究中心，选取生长良好的巨菌草植株100株，采集高度在距地面约为80mm的收割区的一整节茎秆，秆径为15～30mm范围，试样直径按间隔5mm分为5组。试样要求通直、无虫害、无明显缺陷、表皮无损伤或开裂。

对刀盘转速和切割角度进行试验，转速分别设定为500、1000、2000、3000、4000r/min，切割角度为0、5、10、15、20°一共做25组实验，每组做五次实验。为方便起见，将扭矩传感器的数据折算成切割力，并选择稳定区域的值作为切割力值[3]。折算后，典型的动态切割力曲线如图所示。

图3 动态切割力曲线

以试验因素的水平作为横坐标，切割力为纵坐标,绘制趋势图可用于分析该试验因素对相应的评价指标的影响趋势[4]。由图4可以看出试验台切割速度越大，切割力越小。随着切割器角度的增加切割力呈现出先减小后增大的趋势。最佳切割角度在15°附近，最佳参数组合为切割速度4000r/min，切割角度为15°，切割力最小平均值为113N。

图4 不同切割角度的切割力

图5 不同转速下的切割力

3 结论

文章设计了一个能够实现调整刀具切割角度的实验台。实验台采用Arduino为核心控制器件，可以通过上位机界面控制切割速度，能将切割过程的中速度、扭矩等信号采集，并显示在上位机界面。基于设计的实验台，研究了不同转速和切割角度下，切割菌草所需的切割力，为后续的山地菌草设备开发提供设计依据[5]。

[1]谢焰锋，许林，戢小梅，陈法志，罗梓珊，王湛昌.巨菌草单宁成分的提取和测定[J].湖北农业科学,2015（17）:4250-4252.

[2]林兴生，林占熺，林冬梅，林辉，罗海凌，胡应平，林春梅，朱朝枝.菌草作为生物质燃料的初步研究[J].福建林学院学报,2013，33（1）:82-86.

[3]廖宜涛，廖庆喜，田波平，舒彩霞，王静，马爱丽.收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究[J].农业工程学报,2007,23（4）:124-129.

[4]赵春花，张锋伟，曹致中.豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J].农业工程学报,2009,25（9）:122-126.

[5]沈成，李显旺，田昆鹏，等.苎麻茎秆力学模型的试验分析[J].农业工程学报,2015,31（20）:26-33.

TH122

：A

：1007-550X（2017）04-0052-03

10.3969/j.issn.1007-550X.2017.04.006

2017-03-18

姚恺涵（1995- ），男，福建省龙海市人，在校本科生，主要学习研究的方向为基于Arduino单片机的控制。