智能单粒排种装置设计

关键词：单粒排种；漏播调控；重播调控；播种机；排种装置

0 引言

随着农业现代化进程加快，农业机械装备从初级机械化阶段到以电控技术为基础实现自动化应用，正朝着以信息技术为核心的智能化发展，农业机械智能化在现代农业生产中的地位越来越重要[1]。智能播种是智慧农业生产中的关键环节，具有精准、高效、标准、节能和环保等优点，可以实现快速、精准、连续播种，也可以保证播种后种子行距、株距、播深等指标的精准性和一致性，还可以提高作物品质、作业效率和粮食产量[2]。统计数据显示，近年来我国种植行业市场规模呈现快速增长趋势，其中智能播种机受到市场广泛关注，政府在财政补贴、税收优惠和研发资金等方面给予了重视和支持。

国外在精量播种控制技术上的研究较早较深，所研究产品的精度也较高。意大利马斯奇奥ISOTRONIC电控播种机由驱动马达直接驱动排种盘，实现分段播种控制，避免重播、漏播[3]。国内精量播种机智能化研究程度还有差距，多数研究是针对漏播、重播检测技术方面，或是电控排种技术方面，也有根据检测到的漏播情况，及时启动补种系统装置，实现实时补种。但一些研究系统功能单一、精确度不高，难以满足未来我国播种作业智能化发展的需求[4-5]。

智能排种装置是智能播种机的核心部件，现有的智能排种装置无论是气力式，还是机械式，在排种过程中都不可避免地存在漏播、重播现象，直接影响播种合格率。针对以上问题，设计了一种智能单粒排种装置，直接对排种盘锥形孔内的种子进行监测，并根据监测到的漏播、重播情况做出相应的实时调控，不仅实现了较高的排种合格率，也提高了播种智能化水平。

1 排种装置结构设计

智能单粒排种装置由种箱、气吹腔体组合、排种盘组合、弧形护板组合和控制器组成，结构如图1所示，主要技术参数如表1所示。

1.1 气吹腔体组合

气吹腔体组合包括气吹腔体、风嘴和调节板，如图2所示。种子流从种箱进入气吹腔体里形成充种区和正压气流从风嘴进入清走排种盘锥形孔内多余种子。气吹腔体顶部一侧开有圆形口，风嘴从圆形口进入，并且风嘴口位于气吹腔体底端一侧的弧形口处；另一侧开有长方形口与种箱相连接，沿种箱的斜侧面进入气吹腔体设有调节板，用于调节充种区的种子数量。气吹腔体底端一侧开有弧形口，与排种盘组合、弧形护板组合相连。智能单粒排种装置工作时，要保证气吹腔体组合具有良好的密封性[6]。

1.2 排种盘组合

排种盘组合是智能单粒排种装置的执行机构，是实现单粒排种的关键部件，它是由排种盘、左侧板、右侧板、带座轴承、扇形护板、主步进电机和副步进电机组成，如图2所示。排种盘由主步进电机驱动做旋转运动，它旋转1周完成锥形孔内种子充填、风嘴下清走多余种子、排种区排出单粒种子和扇形护板作用下运送重播种子回到充种区[7]。排种盘外圆周均布24个锥形孔，每个锥形孔底部有Φ2.5mm的底孔，底孔为通孔，排种盘中心圆轴一端由带座轴承支撑，带座轴承固定在右侧板上，另一端与主步进电机的圆方轴相连。左侧板和右侧板分别设置在排种盘两侧且平行对称，主步进电机直接固定在左侧板上，副步进电机固定于右侧板上。扇形护板设计在右侧板的外侧，由副步进电机驱动转动，扇形护板底端的弧形折弯穿过右侧板上的弧形通孔插到左侧板上的弧形通孔内，并且能沿左、右侧板上的弧形通孔进行往返转动。扇形护板底端的弧形折弯平时在小弧形护板的外侧待命，工作时转动到排种口处，封闭排种区，然后随排种盘转回原位置。

1.3 弧形护板组合

弧形护板组合是智能单粒排种装置的监测部件，负责向控制器实时提供感应到的漏播、重播信息，由大弧形护板、小弧形护板、对射红外传感器（发射端、接收端）和微型称重传感器组成，如图3所示。大弧形护板和小弧形护板分别位于排种盘圆周外侧，其顶端与气吹腔体相重合，大弧形护板的底端距离垂直中心线（排种盘）20mm，并与小弧形护板底端形成间隔45°的排种区。对射红外传感器发射端安装在大弧形护板顶部并在垂直中心线上（排种盘），对射红外传感器接收端安装于排种盘锥形孔底孔下方也在垂直中心线上（排种盘），对射红外传感器发射端的光源信号可以通过排种盘上每个锥形孔的底孔到达对射红外传感器接收端[8]。微型称重传感器直接安装在弧形片的正下方，并位于大弧形护板底端的方形通孔内，方形通孔中心、弧形片中心、微型称重传感器感应中心与旋转到此处排种盘上锥形孔的中心相一致，弧形片与大弧形护板的弧度一样、弧面一致并与方形通孔的间隙均为0.25mm，弧形片的面积大于排种盘上锥形孔的顶圆面积，要保证排种盘锥形孔内的种子被微型称重传感器感应到[9]。

1.4 控制器

控制器是智能单粒排种装置的控制核心，用于接收对射红外传感器和微型称重传感器的感应数据信息，以及排种要求信息，并通过程序控制，向主步进电机和副步进电机发出脉冲信号。控制器选用艾莫讯AMSAMOTIONAMX-224型PLC。

2 工作过程和设计原理

智能单粒排种装置的工作过程有一般正常工作过程、监测到漏播并调控过程和监测到重播并调控过程。

2.1 工作过程

智能单粒排种装置工作时，种子从种箱进入到气吹腔体的底端，正压气流从风嘴吹入气吹腔体内并直接吹到排种盘的锥形孔内。排种盘根据控制器发出的脉冲信号，通过主步进电机驱动，进行旋转运动。排种盘上的锥形孔转到气吹腔体底端的充种区时，锥形孔内充入多粒种子，当转动到风嘴下时，由于锥形孔底端有底孔，在底孔处产生压差，锥形孔内保留一粒种子，其他多余的种子在折射气流作用下飞出锥形孔，被保留下的种子随着排种盘转动并经过弧形护板顶端的对射红外传感器发射端。对射红外传感器发射端发出的红外线只能经过排种盘上每个锥形孔内的底孔到达接收端，当锥形孔内有种子时，种子堵住了底孔，对射红外传感器接收端接收不到从发射端发出的红外线，当锥形孔内没有种子时，对射红外传感器接收端接收到从发射端发出的红外线，同时向控制器传送漏播信号，智能单粒排种装置随即进行漏播调控。当排种盘锥形孔内的种子经过弧形护板底端的微型称重传感器时，微型称重传感器感应到某个锥形孔内的种子质量gt;1.5倍的平均单粒种子质量时，同时向控制器传送重播信号，智能单粒排种装置随即进行重播调控[10-11]。最后，总是保证有且只有一粒种子从智能单粒排种装置的排种区排出。

2.2 正常工作原理

一般正常工作时，控制器接收到的排种间隔时间，在控制器没有收到漏播信号和重播信号的情况下，会在每个排种间隔时间内向主步进电机发出1个脉冲信号，随即主步进电机驱动排种盘转动（角位移）15°，每个排种间隔时间内有一粒种子从智能单粒排种装置的排种区排出。排种间隔时间ΔT计算公式为

排种盘外圆周均布有24个锥形孔，1个脉冲信号转动（角位移）15°，2个脉冲信号转动（角位移）30°，3个脉冲信号转动（角位移）45°，依此类推，24个脉冲信号转动360°，即排种盘转动1圈。

2.3 漏播调控工作原理

当对射红外传感器监测到漏播时，控制器收到漏播信号，同时没有种子的锥形孔记忆为N号，在第N号锥形孔进入排种区的ΔT内，控制器向主步进电机发出2个脉冲信号，排种盘转动（角位移）30°，第N+1号锥形孔内的单粒种子从排种区排出。如果第N+1号锥形孔内没有种子（连续2个漏播），那么有3个脉冲信号，排种盘转动（角位移）45°，第N+2号锥形孔内的单粒种子排出。如果第N+2号锥形孔内也没有种子（连续3个漏播），那么有4个脉冲信号，排种盘转动（角位移）60°，第N+3号锥形孔内的单粒种子排出。如果第N+3号锥形孔内仍然没有种子（连续4个漏播），控制器发出漏播报警信号[12]。

2.4 重播调控工作原理

当微型称重传感器监测到重播时，控制器收到重播信号，同时将多余种子的锥形孔记忆为M号，在第M号锥形孔即将进入排种区前，控制器向副步进电机发出3个反向脉冲信号，副步进电机驱动扇形护板反向转动45°，在不影响第M-1号锥形孔内种子排出情况下，快速封住排种区。然后，在第M号的ΔT/2内，控制器向主步进电机发出1个脉冲信号，并且主步进电机驱动排种盘快速转动（角位移）15°；在第M号剩下的ΔT/2内，控制器向主步进电机和副步进电机同时各发出1个脉冲信号，并且主步进电机驱动排种盘和副步进电机驱动扇形护板同向同步转动（角位移）15°，此时第M+1号锥形孔内的单粒种子排出；第M号锥形孔内多余种子没有排出，在扇形护板的封堵下随排种盘转动回到气吹腔体底端的充种区，扇形护板回到原位置待命。如果第M+1号锥形孔内也有多余种子（连续2个重播），那么在第M号锥形孔即将进入排种区前，扇形护板快速封住排种区；在ΔT/2内，主步进电机收到2个脉冲信号并驱动排种盘快速转动（角位移）30°；在剩下的ΔT/2内，控制器向主步进电机和副步进电机同时各发出1个脉冲信号，主步进电机和副步进电机分别驱动排种盘、扇形护板同向同步转动（角位移）15°，此时第M+2号锥形孔内的单粒种子排出；第M号和第M+1号锥形孔内的多余种子没有排出，将在扇形护板的封堵下随排种盘转动回到气吹腔体底端的充种区。如果第M+2号锥形孔内还有多余种子（连续3个重播），控制器将发出重播报警信号[13]。

3 排种性能试验

根据GB/T6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》，以先玉335为试验玉米种子，在JPS-12型排种器性能检测实验台上进行试验[14-15]。设定排种间距（播种株距）30cm，选取排种间隔时间0.1～1.0s之间10个数值，计算出相应的播种速度V作为排种器性能检测实验台种子输送带速度V输，并在1.0～2.0kPa风压区间内选择与排种间隔时间相对应的风压P，获得排种性能试验数据如表2所示。

由表2可知，在0.30s≤ΔT≤1.00s、1.08km/h≤V≤3.6km/h低速播种下，漏播指数、重播指数和单粒合格指数均非常良好；0.15s≤ΔT≤0.30s、3.6km/h≤V≤7.2km/h中速播种下，漏播指数变化较小，重播指数略有升高，单粒合格指数稍稍下降；0.10s≤ΔT≤0.15s、7.2km/h≤V≤10.8km/h高速播种下，漏播指数稍有增大，重播指数升高，单粒合格指数下降。随着播种速度变大，电路响应时间、扇形护板转动回位时间和排种盘转动惯量均会影响排种性能。

4 结束语

（1）对射红外传感器直接监测排种盘锥形孔内是否存在无种粒情况，通过及时改变排种盘在转到排种口时的转速来消除漏播情况发生，这种在排种装置内部顶端的监测受灰尘等因素的影响极小，有效解决了排种装置在排种过程中漏播问题。

（2）微型称重传感器通过感应排种盘锥形孔内种粒的质量，判断是否有重播情况发生，并与扇形护板和主、副步进电机配合调控，极大地降低了重播指数。

（3）通过对该智能单粒排种装置排种性能检测试验，结果表明，漏播指数、重播指数和单粒合格指数等均满足设计要求。