智能單粒排種裝置設(shè)計

關(guān)鍵詞：單粒排種；漏播調(diào)控；重播調(diào)控；播種機(jī)；排種裝置

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備從初級機(jī)械化階段到以電控技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)自動化應(yīng)用，正朝著以信息技術(shù)為核心的智能化發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位越來越重要[1]。智能播種是智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有精準(zhǔn)、高效、標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、連續(xù)播種，也可以保證播種后種子行距、株距、播深等指標(biāo)的精準(zhǔn)性和一致性，還可以提高作物品質(zhì)、作業(yè)效率和糧食產(chǎn)量[2]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近年來我國種植行業(yè)市場規(guī)模呈現(xiàn)快速增長趨勢，其中智能播種機(jī)受到市場廣泛關(guān)注，政府在財政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠和研發(fā)資金等方面給予了重視和支持。

國外在精量播種控制技術(shù)上的研究較早較深，所研究產(chǎn)品的精度也較高。意大利馬斯奇奧ISOTRONIC電控播種機(jī)由驅(qū)動馬達(dá)直接驅(qū)動排種盤，實(shí)現(xiàn)分段播種控制，避免重播、漏播[3]。國內(nèi)精量播種機(jī)智能化研究程度還有差距，多數(shù)研究是針對漏播、重播檢測技術(shù)方面，或是電控排種技術(shù)方面，也有根據(jù)檢測到的漏播情況，及時啟動補(bǔ)種系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時補(bǔ)種。但一些研究系統(tǒng)功能單一、精確度不高，難以滿足未來我國播種作業(yè)智能化發(fā)展的需求[4-5]。

智能排種裝置是智能播種機(jī)的核心部件，現(xiàn)有的智能排種裝置無論是氣力式，還是機(jī)械式，在排種過程中都不可避免地存在漏播、重播現(xiàn)象，直接影響播種合格率。針對以上問題，設(shè)計了一種智能單粒排種裝置，直接對排種盤錐形孔內(nèi)的種子進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測到的漏播、重播情況做出相應(yīng)的實(shí)時調(diào)控，不僅實(shí)現(xiàn)了較高的排種合格率，也提高了播種智能化水平。

1 排種裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能單粒排種裝置由種箱、氣吹腔體組合、排種盤組合、弧形護(hù)板組合和控制器組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1 氣吹腔體組合

氣吹腔體組合包括氣吹腔體、風(fēng)嘴和調(diào)節(jié)板，如圖2所示。種子流從種箱進(jìn)入氣吹腔體里形成充種區(qū)和正壓氣流從風(fēng)嘴進(jìn)入清走排種盤錐形孔內(nèi)多余種子。氣吹腔體頂部一側(cè)開有圓形口，風(fēng)嘴從圓形口進(jìn)入，并且風(fēng)嘴口位于氣吹腔體底端一側(cè)的弧形口處；另一側(cè)開有長方形口與種箱相連接，沿種箱的斜側(cè)面進(jìn)入氣吹腔體設(shè)有調(diào)節(jié)板，用于調(diào)節(jié)充種區(qū)的種子數(shù)量。氣吹腔體底端一側(cè)開有弧形口，與排種盤組合、弧形護(hù)板組合相連。智能單粒排種裝置工作時，要保證氣吹腔體組合具有良好的密封性[6]。

1.2 排種盤組合

排種盤組合是智能單粒排種裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)單粒排種的關(guān)鍵部件，它是由排種盤、左側(cè)板、右側(cè)板、帶座軸承、扇形護(hù)板、主步進(jìn)電機(jī)和副步進(jìn)電機(jī)組成，如圖2所示。排種盤由主步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它旋轉(zhuǎn)1周完成錐形孔內(nèi)種子充填、風(fēng)嘴下清走多余種子、排種區(qū)排出單粒種子和扇形護(hù)板作用下運(yùn)送重播種子回到充種區(qū)[7]。排種盤外圓周均布24個錐形孔，每個錐形孔底部有Φ2.5mm的底孔，底孔為通孔，排種盤中心圓軸一端由帶座軸承支撐，帶座軸承固定在右側(cè)板上，另一端與主步進(jìn)電機(jī)的圓方軸相連。左側(cè)板和右側(cè)板分別設(shè)置在排種盤兩側(cè)且平行對稱，主步進(jìn)電機(jī)直接固定在左側(cè)板上，副步進(jìn)電機(jī)固定于右側(cè)板上。扇形護(hù)板設(shè)計在右側(cè)板的外側(cè)，由副步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動，扇形護(hù)板底端的弧形折彎穿過右側(cè)板上的弧形通孔插到左側(cè)板上的弧形通孔內(nèi)，并且能沿左、右側(cè)板上的弧形通孔進(jìn)行往返轉(zhuǎn)動。扇形護(hù)板底端的弧形折彎平時在小弧形護(hù)板的外側(cè)待命，工作時轉(zhuǎn)動到排種口處，封閉排種區(qū)，然后隨排種盤轉(zhuǎn)回原位置。

1.3 弧形護(hù)板組合

弧形護(hù)板組合是智能單粒排種裝置的監(jiān)測部件，負(fù)責(zé)向控制器實(shí)時提供感應(yīng)到的漏播、重播信息，由大弧形護(hù)板、小弧形護(hù)板、對射紅外傳感器（發(fā)射端、接收端）和微型稱重傳感器組成，如圖3所示。大弧形護(hù)板和小弧形護(hù)板分別位于排種盤圓周外側(cè)，其頂端與氣吹腔體相重合，大弧形護(hù)板的底端距離垂直中心線（排種盤）20mm，并與小弧形護(hù)板底端形成間隔45°的排種區(qū)。對射紅外傳感器發(fā)射端安裝在大弧形護(hù)板頂部并在垂直中心線上（排種盤），對射紅外傳感器接收端安裝于排種盤錐形孔底孔下方也在垂直中心線上（排種盤），對射紅外傳感器發(fā)射端的光源信號可以通過排種盤上每個錐形孔的底孔到達(dá)對射紅外傳感器接收端[8]。微型稱重傳感器直接安裝在弧形片的正下方，并位于大弧形護(hù)板底端的方形通孔內(nèi)，方形通孔中心、弧形片中心、微型稱重傳感器感應(yīng)中心與旋轉(zhuǎn)到此處排種盤上錐形孔的中心相一致，弧形片與大弧形護(hù)板的弧度一樣、弧面一致并與方形通孔的間隙均為0.25mm，弧形片的面積大于排種盤上錐形孔的頂圓面積，要保證排種盤錐形孔內(nèi)的種子被微型稱重傳感器感應(yīng)到[9]。

1.4 控制器

控制器是智能單粒排種裝置的控制核心，用于接收對射紅外傳感器和微型稱重傳感器的感應(yīng)數(shù)據(jù)信息，以及排種要求信息，并通過程序控制，向主步進(jìn)電機(jī)和副步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖信號?？刂破鬟x用艾莫訊AMSAMOTIONAMX-224型PLC。

2 工作過程和設(shè)計原理

智能單粒排種裝置的工作過程有一般正常工作過程、監(jiān)測到漏播并調(diào)控過程和監(jiān)測到重播并調(diào)控過程。

2.1 工作過程

智能單粒排種裝置工作時，種子從種箱進(jìn)入到氣吹腔體的底端，正壓氣流從風(fēng)嘴吹入氣吹腔體內(nèi)并直接吹到排種盤的錐形孔內(nèi)。排種盤根據(jù)控制器發(fā)出的脈沖信號，通過主步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。排種盤上的錐形孔轉(zhuǎn)到氣吹腔體底端的充種區(qū)時，錐形孔內(nèi)充入多粒種子，當(dāng)轉(zhuǎn)動到風(fēng)嘴下時，由于錐形孔底端有底孔，在底孔處產(chǎn)生壓差，錐形孔內(nèi)保留一粒種子，其他多余的種子在折射氣流作用下飛出錐形孔，被保留下的種子隨著排種盤轉(zhuǎn)動并經(jīng)過弧形護(hù)板頂端的對射紅外傳感器發(fā)射端。對射紅外傳感器發(fā)射端發(fā)出的紅外線只能經(jīng)過排種盤上每個錐形孔內(nèi)的底孔到達(dá)接收端，當(dāng)錐形孔內(nèi)有種子時，種子堵住了底孔，對射紅外傳感器接收端接收不到從發(fā)射端發(fā)出的紅外線，當(dāng)錐形孔內(nèi)沒有種子時，對射紅外傳感器接收端接收到從發(fā)射端發(fā)出的紅外線，同時向控制器傳送漏播信號，智能單粒排種裝置隨即進(jìn)行漏播調(diào)控。當(dāng)排種盤錐形孔內(nèi)的種子經(jīng)過弧形護(hù)板底端的微型稱重傳感器時，微型稱重傳感器感應(yīng)到某個錐形孔內(nèi)的種子質(zhì)量gt;1.5倍的平均單粒種子質(zhì)量時，同時向控制器傳送重播信號，智能單粒排種裝置隨即進(jìn)行重播調(diào)控[10-11]。最后，總是保證有且只有一粒種子從智能單粒排種裝置的排種區(qū)排出。

2.2 正常工作原理

一般正常工作時，控制器接收到的排種間隔時間，在控制器沒有收到漏播信號和重播信號的情況下，會在每個排種間隔時間內(nèi)向主步進(jìn)電機(jī)發(fā)出1個脈沖信號，隨即主步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種盤轉(zhuǎn)動（角位移）15°，每個排種間隔時間內(nèi)有一粒種子從智能單粒排種裝置的排種區(qū)排出。排種間隔時間ΔT計算公式為

排種盤外圓周均布有24個錐形孔，1個脈沖信號轉(zhuǎn)動（角位移）15°，2個脈沖信號轉(zhuǎn)動（角位移）30°，3個脈沖信號轉(zhuǎn)動（角位移）45°，依此類推，24個脈沖信號轉(zhuǎn)動360°，即排種盤轉(zhuǎn)動1圈。

2.3 漏播調(diào)控工作原理

當(dāng)對射紅外傳感器監(jiān)測到漏播時，控制器收到漏播信號，同時沒有種子的錐形孔記憶為N號，在第N號錐形孔進(jìn)入排種區(qū)的ΔT內(nèi)，控制器向主步進(jìn)電機(jī)發(fā)出2個脈沖信號，排種盤轉(zhuǎn)動（角位移）30°，第N+1號錐形孔內(nèi)的單粒種子從排種區(qū)排出。如果第N+1號錐形孔內(nèi)沒有種子（連續(xù)2個漏播），那么有3個脈沖信號，排種盤轉(zhuǎn)動（角位移）45°，第N+2號錐形孔內(nèi)的單粒種子排出。如果第N+2號錐形孔內(nèi)也沒有種子（連續(xù)3個漏播），那么有4個脈沖信號，排種盤轉(zhuǎn)動（角位移）60°，第N+3號錐形孔內(nèi)的單粒種子排出。如果第N+3號錐形孔內(nèi)仍然沒有種子（連續(xù)4個漏播），控制器發(fā)出漏播報警信號[12]。

2.4 重播調(diào)控工作原理

當(dāng)微型稱重傳感器監(jiān)測到重播時，控制器收到重播信號，同時將多余種子的錐形孔記憶為M號，在第M號錐形孔即將進(jìn)入排種區(qū)前，控制器向副步進(jìn)電機(jī)發(fā)出3個反向脈沖信號，副步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動扇形護(hù)板反向轉(zhuǎn)動45°，在不影響第M-1號錐形孔內(nèi)種子排出情況下，快速封住排種區(qū)。然后，在第M號的ΔT/2內(nèi)，控制器向主步進(jìn)電機(jī)發(fā)出1個脈沖信號，并且主步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種盤快速轉(zhuǎn)動（角位移）15°；在第M號剩下的ΔT/2內(nèi)，控制器向主步進(jìn)電機(jī)和副步進(jìn)電機(jī)同時各發(fā)出1個脈沖信號，并且主步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種盤和副步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動扇形護(hù)板同向同步轉(zhuǎn)動（角位移）15°，此時第M+1號錐形孔內(nèi)的單粒種子排出；第M號錐形孔內(nèi)多余種子沒有排出，在扇形護(hù)板的封堵下隨排種盤轉(zhuǎn)動回到氣吹腔體底端的充種區(qū)，扇形護(hù)板回到原位置待命。如果第M+1號錐形孔內(nèi)也有多余種子（連續(xù)2個重播），那么在第M號錐形孔即將進(jìn)入排種區(qū)前，扇形護(hù)板快速封住排種區(qū)；在ΔT/2內(nèi)，主步進(jìn)電機(jī)收到2個脈沖信號并驅(qū)動排種盤快速轉(zhuǎn)動（角位移）30°；在剩下的ΔT/2內(nèi)，控制器向主步進(jìn)電機(jī)和副步進(jìn)電機(jī)同時各發(fā)出1個脈沖信號，主步進(jìn)電機(jī)和副步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動排種盤、扇形護(hù)板同向同步轉(zhuǎn)動（角位移）15°，此時第M+2號錐形孔內(nèi)的單粒種子排出；第M號和第M+1號錐形孔內(nèi)的多余種子沒有排出，將在扇形護(hù)板的封堵下隨排種盤轉(zhuǎn)動回到氣吹腔體底端的充種區(qū)。如果第M+2號錐形孔內(nèi)還有多余種子（連續(xù)3個重播），控制器將發(fā)出重播報警信號[13]。

3 排種性能試驗

根據(jù)GB/T6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗方法》，以先玉335為試驗玉米種子，在JPS-12型排種器性能檢測實(shí)驗臺上進(jìn)行試驗[14-15]。設(shè)定排種間距（播種株距）30cm，選取排種間隔時間0.1～1.0s之間10個數(shù)值，計算出相應(yīng)的播種速度V作為排種器性能檢測實(shí)驗臺種子輸送帶速度V輸，并在1.0～2.0kPa風(fēng)壓區(qū)間內(nèi)選擇與排種間隔時間相對應(yīng)的風(fēng)壓P，獲得排種性能試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，在0.30s≤ΔT≤1.00s、1.08km/h≤V≤3.6km/h低速播種下，漏播指數(shù)、重播指數(shù)和單粒合格指數(shù)均非常良好；0.15s≤ΔT≤0.30s、3.6km/h≤V≤7.2km/h中速播種下，漏播指數(shù)變化較小，重播指數(shù)略有升高，單粒合格指數(shù)稍稍下降；0.10s≤ΔT≤0.15s、7.2km/h≤V≤10.8km/h高速播種下，漏播指數(shù)稍有增大，重播指數(shù)升高，單粒合格指數(shù)下降。隨著播種速度變大，電路響應(yīng)時間、扇形護(hù)板轉(zhuǎn)動回位時間和排種盤轉(zhuǎn)動慣量均會影響排種性能。

4 結(jié)束語

（1）對射紅外傳感器直接監(jiān)測排種盤錐形孔內(nèi)是否存在無種粒情況，通過及時改變排種盤在轉(zhuǎn)到排種口時的轉(zhuǎn)速來消除漏播情況發(fā)生，這種在排種裝置內(nèi)部頂端的監(jiān)測受灰塵等因素的影響極小，有效解決了排種裝置在排種過程中漏播問題。

（2）微型稱重傳感器通過感應(yīng)排種盤錐形孔內(nèi)種粒的質(zhì)量，判斷是否有重播情況發(fā)生，并與扇形護(hù)板和主、副步進(jìn)電機(jī)配合調(diào)控，極大地降低了重播指數(shù)。

（3）通過對該智能單粒排種裝置排種性能檢測試驗，結(jié)果表明，漏播指數(shù)、重播指數(shù)和單粒合格指數(shù)等均滿足設(shè)計要求。