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    基于慧魚搭載的小型精密播種機

    2023-11-14 12:05:30吳慶達潘雪熒
    關(guān)鍵詞:種器開溝播種機

    吳慶達 潘雪熒 王 柱

    (聊城大學(xué)東昌學(xué)院,聊城 252000)

    20 世紀90 年代以來,我國逐步推廣精密播種機。精密播種機根據(jù)作物種類,分為玉米及大豆精密播種機、谷物(小麥)精密播種機等;根據(jù)配套動力,分為小型、中型和大型精密播種機;根據(jù)排種器形式,分為機械式和氣力式兩大類精密播種機,其中機械式又可分為錐盤式、紋盤式、水平圓盤式和帶夾式等[1]。

    隨著現(xiàn)代高標準農(nóng)田的建設(shè)和發(fā)展,加上我國地形多樣、耕地種植分散、單個農(nóng)戶種植規(guī)模較小的特點,我國對小型播種機的需求量越來越大[2]。農(nóng)作物播種作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的一環(huán),具有穩(wěn)產(chǎn)保供、降本增效、節(jié)約資源、減少損耗等功能,因此利用播種機科學(xué)種植意義重大。精密播種可以保證種子在田間合理分布,播種量精確,株距均勻,播種深度一致,為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件,既節(jié)省了種子,又保證了作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對小型精密播種機的需求越來越迫切[3-4]。

    慧魚創(chuàng)意組合模型涉及機械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機器人技術(shù)等領(lǐng)域,利用工業(yè)標準的基本構(gòu)件,如機械元件、電氣元件和氣動元件,輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件設(shè)計機械結(jié)構(gòu)[5]。文章基于慧魚組件設(shè)計播種機的機械結(jié)構(gòu),編寫了播種機的運行控制程序,并通過慧魚組件搭建的播種機實物模型,展示了相應(yīng)的功能,實現(xiàn)了開溝深度任意調(diào)節(jié)、定距播種、定量排種、覆土掩埋的功能,同時在結(jié)構(gòu)上進行改進設(shè)計,實現(xiàn)了間作播種。

    1 機械系統(tǒng)設(shè)計方案

    根據(jù)國內(nèi)外播種機的發(fā)展趨勢,以通用性、適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活為原則,設(shè)計了一款能同時完成播種施肥工作的小型精密播種機。精密播種機實物模型,如圖1 所示。該機結(jié)構(gòu)簡單,能滿足客戶對小面積土地作業(yè)的操作靈活性需求。設(shè)計雙溝道排種,可隨意搭載合適的排種器,實現(xiàn)農(nóng)作物的間作種植[6]。播種機在整體設(shè)計上采用分模塊設(shè)計,各模塊相連形成一個完整的系統(tǒng)。它主要包括開溝模塊、種子下播模塊、排肥模塊和覆土模塊。

    圖1 精密播種機實物模型

    1.1 開溝模塊

    小型精密播種機設(shè)計了雙開溝結(jié)構(gòu)(見圖2),可同時進行雙排開溝作業(yè)。開溝器的設(shè)計理念為旋轉(zhuǎn)刨坑式,開溝器深度的調(diào)整依托螺旋傳動機構(gòu),即螺母固定在機架上,螺桿做直線運動,從而實現(xiàn)開溝器的上下移動,達到控制調(diào)節(jié)播種深度的效果。

    圖2 開溝模塊

    1.2 種子下播模塊

    基于慧魚組件搭建了排種器,如圖3 所示。排種器與種箱相連,通過種子自身重力實現(xiàn)種子從種箱向排種器的自動下落。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,排種器每次能夠容納3 粒種子。排種器下端直接與漏斗連接,通過導(dǎo)軌將種子輸送到播種漏斗。每通過相同的時間間隔,控制器控制編碼電機轉(zhuǎn)過固定的角度,從而帶動排種器轉(zhuǎn)動固定角度,有效定量定距進行播種,是精密播種的重要一環(huán)。

    圖3 種子下播模塊

    1.3 排肥模塊

    種肥箱一分為二,后面為肥箱,前面為種箱,如圖4 所示。排肥器設(shè)計為氣壓攆推式,選用慧魚中的自復(fù)位彈簧氣缸、氣閥、氣泵組件搭建小型氣動系統(tǒng)。當(dāng)排種器工作時,氣閥關(guān)閉,氣缸在自復(fù)位彈簧的作用下收起,實現(xiàn)肥料的下放。該模塊不僅可以松散化肥料防止粘黏,還能有效控制肥料與種子之間的間距,起到保護種子的作用。

    圖4 種肥箱

    1.4 覆土模塊

    覆土模塊如圖5 所示。它在機體后方用雙邊齒條與覆土板連接,通過雙邊齒條的上下移動控制覆土量及覆土厚度,為作物生長提供合適的環(huán)境。

    圖5 覆土模塊

    2 控制程序設(shè)計

    2.1 執(zhí)行部件配置

    精密播種機播種作業(yè)由各個機構(gòu)協(xié)同運作完成,各機構(gòu)執(zhí)行部件配置如表1 所示。

    表1 執(zhí)行部件配置表

    2.2 控制程序設(shè)計

    設(shè)計的小型精密播種機選用慧魚TXT 控制器,利用ROBO PRO 軟件編寫精密播種的控制程序,如圖6 所示。上電初始化完成后,播種開始,M1、M2電機開始運作,推動整機前進。M3、M4電機正傳,帶動螺旋傳動機構(gòu)運動使開溝器下放,當(dāng)碰到底部限位開關(guān)時停止下放。在下降過程中,M5、M6電機同時啟動,開溝器正向旋轉(zhuǎn)進行開溝。播種機前進,在前進過程中M8、M9電機啟動,帶動覆土板在雙邊齒條上向下運動,到達指定高度后停止下放。前進一段距離后,M7電機動作,帶動排種器按照設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)開始排種。光敏傳感器檢測到排種一次后,電磁閥門動作一次,使得氣壓閥門間接動作定量排肥一次。到達耕地盡頭時,M3、M4反轉(zhuǎn),開溝器提升,M5、M6停止運作。當(dāng)最后一次排肥結(jié)束后,整機停止運作進入初始化狀態(tài),待機等待下一行的播種。

    圖6 播種機播種運行程序

    2.3 各部分機構(gòu)控制程序

    初始化檢測控制。啟動后,M3、M4 電機反轉(zhuǎn),使開溝器上升,其余電機為停止?fàn)顟B(tài),檢測I1 數(shù)字量是否為1,是則檢測I4,否則M3、M4 電機繼續(xù)反轉(zhuǎn),直至開溝器升至上限位。然后檢測I4 數(shù)字量是否為1,是則電機停止,否則EM1 M4、EM2 M1 電機繼續(xù)反轉(zhuǎn),直至覆土板升至上限位。使EM2 M2、EM2 M3 電磁閥處于工作狀態(tài),肥箱氣壓閥門為常閉狀態(tài)。初始化程序,如圖7 所示。

    圖7 初始化程序

    前進動力系統(tǒng)。M1正轉(zhuǎn),播種機前進;M1反轉(zhuǎn),播種機倒退。M2正轉(zhuǎn),左向轉(zhuǎn)彎;M2反轉(zhuǎn),右向轉(zhuǎn)彎。也可將自動控制模式電路切換至藍牙控制器,利用慧魚組件自帶一體藍牙控制裝置,控制機身前進、后退及轉(zhuǎn)向。

    開溝機構(gòu)動作。在播種機接收到播種信號后,M3、M4動作,使開溝器下降,在SQ2數(shù)字量為1 時停止。同時,M5、M6動作,進行開溝掘土。

    覆土板機構(gòu)。當(dāng)播種機前進到達設(shè)定時間后,M8、M9下降動作,在SQ3輸入數(shù)字量為1 時停止下降。

    排肥排種機構(gòu)。在播種機前進一定距離后,光敏傳感器I5 接收到種子下播信號,EM1 M3 動作,進行播種。旋轉(zhuǎn)同時,EM2 M2、EM2 M3 電磁閥關(guān)閉,氣壓閥門打開,實現(xiàn)施肥,施肥固定時間,氣壓閥門關(guān)閉。排種器每間隔固定的時間進行旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)種子的精準定距播種,依次循環(huán)。

    排肥排種機構(gòu)。在播種機前進一定距離后,M7動作,排種器每間隔固定的時間進行旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)種子的精準定距播種。旋轉(zhuǎn)同時光敏傳感器接收到信號,YV1、YV2電磁閥關(guān)閉,氣壓閥門打開,實現(xiàn)施肥。隨后,氣壓閥門關(guān)閉,依次循環(huán)。

    當(dāng)播種到耕地盡頭時,M3、M4反向動作,使開溝器上升,同時M5、M6停止動作使開溝器停止旋轉(zhuǎn)。當(dāng)SQ1為1 時,M3、M4停止動作。當(dāng)排肥器排完最后一株肥料時,排種器驅(qū)動電機M7停止工作,M8、M9反向動作。當(dāng)觸碰到行程開關(guān)SQ4時,M8、M9停止動作。程序回到初始化,準備下一行播種或結(jié)束播種。播種機整體運行程序,如圖8 所示。

    圖8 播種機整體運行程序

    3 結(jié)語

    基于慧魚技術(shù)設(shè)計的小型精密播種機,實現(xiàn)了開溝深度任意調(diào)節(jié)、定距播種、定量排種、覆土掩埋的功能,并設(shè)計了雙排開溝器,實現(xiàn)了播種機的間作播種。

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