RU2724386C1 - Mechatronic profilograph - Google Patents

Abstract

FIELD: instrument engineering.SUBSTANCE: invention relates to agricultural instrument-making. Mechatronic profilograph comprises solid base, level, angular sensor, electronic unit, laptop, moving arm with counterweight, laser position sensor, screw mechanism with carriage, electric motor with cylindrical gear. In order to rotate screw mechanism, providing movement of carriage with laser sensor in radial direction, electric motor is additionally installed. Signal processing electronic unit is connected by cables to sensors, electric motors and laptop equipped with measurement information system and computer control for coordinated operation of electric motors during measurement.EFFECT: higher reliability of measuring surface parameters throughout the analyzed area due to broader functional capabilities of the device.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в том числе цифровом земледелии, почвоведении и природообустройстве.The invention relates to instrumentation and can be used in various sectors of the economy, including digital farming, soil science and environmental engineering.

Известен бесконтактный профилограф [1], состоящий из массивного основания со стержнями для фиксации на поверхности почвы, на которое с помощью подшипника устанавливается ось, в нижней части которой крепится энкодер - угловой датчик, а в верхней части перпендикулярно закреплено подвижное плечо. На одной стороне подвижного плеча располагается противовес, а на другой - лазерный датчик положения, установленный с помощью стержня, что позволяет изменять начальное положение лазерного датчика по вертикали. В верхней части оси установлен электронный блок обработки сигналов, который подсоединен с помощью USB-кабеля к ноутбуку. На оси также крепится уровень.Known non-contact profilograph [1], consisting of a massive base with rods for fixing on the soil surface, on which an axis is mounted using a bearing, in the lower part of which an encoder is mounted - an angular sensor, and a movable shoulder is fixed perpendicularly in the upper part. A counterweight is located on one side of the movable arm, and a laser position sensor mounted with a rod on the other, which allows you to change the initial vertical position of the laser sensor. In the upper part of the axis is an electronic signal processing unit, which is connected using a USB cable to the laptop. A level is also attached to the axis.

Недостатком известного бесконтактного профилографа является, то, что сканирование выполняется только по окружности и отсутствует конструктивная возможность измерять параметры дневной поверхности почвы по всей исследуемой площади экспериментальной площадки в полевых условиях.A disadvantage of the known non-contact profilograph is that the scan is performed only around the circumference and there is no constructive ability to measure the parameters of the daily surface of the soil over the entire investigated area of the experimental site in the field.

Известен полевой бесконтактный профилограф, содержащий массивное основание со стержнями для фиксации на поверхности почвы [2], на которое устанавливается стержень, в верхней части которого крепится уровень, угловой датчик и с помощью подшипника перпендикулярно закреплено подвижное плечо с противовесом с одной стороны и лазерным датчиком положения с другой стороны, установленного с помощью винтового механизма с кареткой, что позволяет изменять начальное положение лазерного датчика в радиальном направлении, причем в нижней части стержня установлен двигатель, передающий крутящий момент через цилиндрическую и коническую передачу, для перемещения каретки и вращения подвижного плеча, а в верхней части стержня установлен электронный блок обработки сигналов, который подсоединен кабелями к датчикам и с помощью USB-кабеля к ноутбуку.Known field non-contact profilograph containing a massive base with rods for fixing on the soil surface [2], on which a rod is mounted, in the upper part of which a level is attached, an angular sensor and a movable shoulder with a counterweight on one side and a laser position sensor are perpendicularly fixed with a bearing on the other hand, mounted using a screw mechanism with a carriage, which allows you to change the initial position of the laser sensor in the radial direction, and in the lower part of the rod there is a motor that transmits torque through a cylindrical and bevel gear to move the carriage and rotate the movable arm, and An electronic signal processing unit is installed on the upper part of the rod, which is connected by cables to the sensors and using a USB cable to the laptop.

Недостатком известного бесконтактного профилографа является то, что сканирование выполняется только по окружности или спирали Архимеда с заданным и постоянным шагом, отсутствует конструктивная возможность измерять параметры поверхности по всей исследуемой площади и задавать различную траекторию перемещения лазерного датчика над поверхностью.A disadvantage of the known non-contact profilograph is that scanning is performed only along a circle or Archimedes spiral with a given and constant step, there is no constructive ability to measure surface parameters throughout the studied area and to set a different trajectory of the laser sensor over the surface.

Техническим результатом является повышение достоверности измерения параметров поверхности по всей исследуемой площади за счет расширения функциональных возможностей устройства.The technical result is to increase the reliability of measuring surface parameters over the entire investigated area by expanding the functionality of the device.

Технический результат достигается тем, что мехатронный профилограф содержит массивное основание, на которое устанавливается стержень, в верхней части которого крепится уровень, угловой датчик и с помощью подшипника перпендикулярно закреплено подвижное плечо с противовесом с одной стороны и лазерным датчиком положения с другой стороны, установленного с помощью винтового механизма с кареткой и электродвигателя, что позволяет изменять начальное положение лазерного датчика в радиальном направлении, причем в нижней части стержня установлен электродвигатель, передающий крутящий момент через цилиндрическую передачу, для вращения подвижного плеча, а в верхней части стержня установлен электронный блок обработки сигналов, который подсоединен кабелями к датчикам, электродвигателям и ноутбуку, оснащенному информационной системой измерения и компьютерным управлением для согласованной работы электродвигателей в процессе измерения.The technical result is achieved by the fact that the mechatronic profilograph contains a massive base on which a rod is mounted, in the upper part of which a level is attached, an angular sensor and a movable shoulder with a counterweight on one side and a laser position sensor on the other side mounted using a screw mechanism with a carriage and an electric motor, which allows you to change the initial position of the laser sensor in the radial direction, and in the lower part of the rod there is an electric motor that transmits torque through a cylindrical gear to rotate the movable arm, and an electronic signal processing unit is installed in the upper part of the rod, which connected by cables to sensors, electric motors and a laptop equipped with an information measurement system and computer control for the coordinated operation of electric motors in the measurement process.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема мехатронного профилографа.In FIG. 1 is a schematic diagram of a mechatronic profilograph.

Устройство состоит из массивного основания 1 для фиксации на поверхности почвы, на которое устанавливается стержень 2, в верхней части которого крепится уровень 3, угловой датчик 4 и с помощью подшипника перпендикулярно закреплено подвижное плечо 5 с противовесом 6 с одной стороны и лазерным датчиком положения 7 с другой стороны, установленного с помощью винтового механизма 8 с кареткой 9 и электродвигателя 10, что позволяет изменять начальное положение лазерного датчика в радиальном направлении, причем в нижней части стержня 2 установлен электродвигатель 11, передающий крутящий момент через цилиндрическую передачу 12, для вращения подвижного плеча 5, а в верхней части стержня установлен электронный блок обработки сигналов 13, который подсоединен кабелями к датчикам 4 и 7, электродвигателям 10 и 11, ноутбуку 14, оснащенному информационной системой измерения и компьютерным управлением для согласованной работы электродвигателей 10 и 11 в процессе измерения.The device consists of a massive base 1 for fixing on the soil surface, on which a rod 2 is mounted, in the upper part of which a level 3 is attached, an angular sensor 4 and a movable arm 5 with a counterweight 6 on one side and a laser position sensor 7 s are fixed perpendicularly with a bearing on the other hand, mounted by means of a screw mechanism 8 with a carriage 9 and an electric motor 10, which allows you to change the initial position of the laser sensor in the radial direction, and in the lower part of the rod 2 there is an electric motor 11 that transmits torque through a cylindrical gear 12, for rotating the movable arm 5 and in the upper part of the rod there is an electronic signal processing unit 13, which is connected by cables to the sensors 4 and 7, electric motors 10 and 11, a laptop 14 equipped with an information measurement system and computer control for the coordinated operation of electric motors 10 and 11 during the measurement process.

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

Предварительно мехатронный профилограф устанавливается в центре исследуемого участка строго вертикально по уровню 3 во всех направлениях, перемещая плечо 5 по окружности. Каретка 9 с лазерным датчиком 7 должна располагаться на периферии исследуемого участка в исходном положении. Электрическое питание для датчиков угла, положения и электродвигателей подается от ноутбука 14.Pre-mechatronic profiler is installed in the center of the investigated area strictly vertically at level 3 in all directions, moving shoulder 5 around the circumference. The carriage 9 with the laser sensor 7 should be located on the periphery of the investigated area in the initial position. Electrical power for angle sensors, position sensors and electric motors is supplied from laptop 14.

Запускается компьютерная программа на ноутбуке 14, информационная система измерения и компьютерное управление. Включается электродвигатель 11, передающий крутящий момент через цилиндрическую передачу 12, который медленно вращает подвижное плечо 5 вокруг стержня 2. Выполняя один оборот лазерный датчик положения 7 сканирует поверхность почвы по окружности на периферии исследуемого участка и передает информацию через электронный блок 13 в ноутбук 14.A computer program is started on laptop 14, a measurement information system and computer control. An electric motor 11 is turned on, transmitting torque through a cylindrical gear 12, which slowly rotates the movable arm 5 around the rod 2. Performing one revolution, the laser position sensor 7 scans the surface of the soil around the circumference at the periphery of the test area and transmits information through the electronic unit 13 to the laptop 14.

В ноутбуке 14 информация о профиле анализируется информационной системой измерения и задается компьютерным управлением, соответствующая задачам исследования, траектория перемещения лазерного датчика 7 над поверхностью исследуемой площади, например, по траектории в виде параболической спирали. Так компьютерное управление согласовано задействует электродвигатели 10 и 11, передающие крутящий момент для медленного перемещения в радиальном направлении каретки 9 и лазерного датчика 7 с помощью винтового механизма 8 и вращения подвижного плеча 5 вокруг основания 1 через цилиндрическую передачу 12.In laptop 14, profile information is analyzed by the measurement information system and set by computer control corresponding to the research tasks, the trajectory of the laser sensor 7 above the surface of the investigated area, for example, along a trajectory in the form of a parabolic spiral. So computer control consonantly uses electric motors 10 and 11, transmitting torque for slow movement in the radial direction of the carriage 9 and the laser sensor 7 using a screw mechanism 8 and the rotation of the movable arm 5 around the base 1 through a cylindrical gear 12.

Угловой датчик 4 замеряет положение подвижного плеча 5 относительно основания 1. В основе работы лазерного датчика 7 используется принцип оптической триангуляции. С датчиков 4 и 7 мгновенные значения величин расстояния и угла поворота пересылается через электронный блок обработки сигналов 13 на ноутбук 14. Компьютерная программа позволяет представить информацию в полярных координатах для 2-х параметров: расстояние между датчиком положения и поверхностью почвы, а также соответствующий этому положению угол поворота от нулевой отметки. В ноутбуке 14 информация о профиле анализируется информационной системой измерения и строится профиль поверхности исследуемой площади.The angular sensor 4 measures the position of the movable arm 5 relative to the base 1. The principle of optical triangulation is used at the heart of the operation of the laser sensor 7. From sensors 4 and 7, the instantaneous values of the distance and the angle of rotation are sent via the electronic signal processing unit 13 to the laptop 14. The computer program allows you to present information in polar coordinates for 2 parameters: the distance between the position sensor and the soil surface, as well as corresponding to this position angle of rotation from the zero mark. In laptop 14, profile information is analyzed by the measurement information system and a surface profile of the area under study is built.

Устройство является мехатронным, поскольку относится к классу машин, базирующихся на использовании в них точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления, отмеченных в описании изобретения.The device is mechatronic, because it belongs to the class of machines based on the use of precision mechanics, electric drives, electronics, computer control, mentioned in the description of the invention.

Источники, принятые во внимание в заявкеSources taken into account in the application

1. Васильев, С.А. Разработка методов и технических средств контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах: дисс. докт. техн. наук: 06.01.02 / Васильев Сергей Анатольевич; [Место защиты: Рос. гос. аграр. ун-т]. - Чебоксары, 2016. - 345 с.1. Vasiliev, S.A. Development of methods and technical means of control of anti-erosion technologies on sloping agrolandscapes: Diss. Doct. tech. Sciences: 06.01.02 / Vasiliev Sergey Anatolevich; [Place of protection: Ros. state agrarian. un-t]. - Cheboksary, 2016 .-- 345 p.

2. Патент РФ №2707907. Полевой бесконтактный профилограф для спиралевидного сканирования / Васильев С.А., Федорова А. А., Александров Р.И. - опубл. 02.12.2019, Бюл. №34.2. RF patent №2707907. Field non-contact profiler for spiral scanning / Vasiliev S.A., Fedorova A.A., Aleksandrov R.I. - publ. 12/02/2019, Bull. Number 34.

Claims (1)

Мехатронный профилограф, содержащий массивное основание, уровень, угловой датчик, электронный блок, ноутбук, подвижное плечо с противовесом, лазерный датчик положения, винтовой механизм с кареткой, электродвигатель с цилиндрической передачей, отличающийся тем, что для вращения винтового механизма, обеспечивающего перемещение каретки с лазерным датчиком в радиальном направлении, дополнительно установлен электродвигатель, причем электронный блок обработки сигналов подсоединен кабелями к датчикам, электродвигателям и ноутбуку, оснащенному информационной системой измерения и компьютерным управлением для согласованной работы электродвигателей в процессе измерения.A mechatronic profilograph containing a massive base, level, angle sensor, electronic unit, laptop, movable shoulder with a counterweight, a laser position sensor, a screw mechanism with a carriage, an electric motor with a cylindrical gear, characterized in that for rotation of the screw mechanism for moving the carriage with a laser the sensor in the radial direction, an additional motor is installed, and the electronic signal processing unit is connected by cables to the sensors, electric motors and a laptop equipped with an information measurement system and computer control for the coordinated operation of electric motors in the measurement process.

Images