气动射种装置的设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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摘 要 I 摘要 本研究的核心是气动射种，这是一种（与土壤）非接触式的播种方式。 为了进一 步探索 气动射种的可行性， 专门设计并试制了气动射种 试验装置。 气动射种试验装置由 机架、步进电机、射种元件、电磁铁、电磁阀，控制电路等 组成。用步进电机驱动排种器；电磁铁和电磁阀分别控制射种元件中排种阀和电磁阀的开关；控制电路实现步进电机、电磁铁和电磁阀的协调动作，完成送种、排种、射种这一工作过程；同时通过修改程序来控制试验参数；对射种元件中关键部件（排种腔体、喷嘴）的设计采用理论分析结合实际的方法，得出合理的形状和尺寸。装置的工作原理是： 排种器排种后开启排种阀，种子落入排种腔体后关闭排种阀，开启电磁阀，种子随着高速气流通过喷嘴喷射而出，完成一次射种。 本论文 首次提出了气动射种这一新型的非接触式播种方式，经过理论上的深入探讨，开始气动射种装置的研发，旨在开辟气动射种这一非接触式播种研究新领域，探索气动射种播种的机理和方法。 关键词 ： 气动射种 ， 播种方式 ， 射种器 ， 农业技术 ， 播种器装置 参 考 文 献 29 参考文献 1浅析播种机的现状与发展趋势 2节水从农业开始 农业部发展计划司司长薛亮谈节水农业 3 )7 4 -a 45 5on 6 773 7., of on 955 8., ,1016 9工厂电气控制技术。机械工业出版社， 10丁至成等著农机测试技术 1983 11刁培松，杜瑞成，杨自栋，杨善东 J10032005）0112杨善东流体射种元件试制及射种试验研究 13邱宣怀等编机械设计北京，高等教育出版社， 14成大先主编机械设计手册北京，机械工业出版社， 15钱汝鼎 北京，北京航空学院出版社 16费建国高压水射流喷嘴的流量系数及与能量转换效率的关系长春光学精密机械学院学报 32136 17杜维义高压水射流系统中胶管的选择与喷嘴的计算流体机械 40144 19 18 进电机说明书 19王鸿钰等步进电机控制技术入门同济大学出版社， 1990 20徐惊雷等冲击射流的研究概述力学与实践 817 毕业设计 (论文 ) 气动射种装置的设计 学 院： 轻工与农业工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 陈卫海 学 号： 0312103737 指导教师： 彭丽芳 刁培松 2007 年 6 月 目 录 录 摘要 I 录 一章 绪论 1 课 题 的 提 出 及 意义 1 播 种 机 械 的 发 展 现 状 与 趋势 1 国内外播种机的发展现状 1 1 . 2 . 2 播 种 机 械 的 发 展 趋势 2 机 电 一 体 化 与 农 业 机械 3 1 . 3 . 1 机 电 一 体 化 技 术 与 播 种 机 械 的 结合 5 动射种的研究现状 6 1 . 5 主 要 研 究 内容 6 本章小结 7 第 二 章 机 械 装 置 的 设计 8 2 . 1 总 体 设 计 方案 8 装置总体设计 8 行走装置 的设计 9 目 录 射种装置 的设计 9 送种 机 构 的 设计 11 其它附属设备的设计、选择及注意事项 13 1 喷嘴 的设计 13 2 种箱 的设计 16 输种管 的设计 16 2 . 6 . 4 排 种 器 机 械 结构 16 本章小结 17 第三章 气动射种 装置的电路设计 18 控制 系统 概述 18 控制电路综述 18 步进电机 的选择 19 步 进 电 机 的 工 作 原理 1 9 步进电机的优点 20 3 . 2 . 3 驱 动 控 制 系 统 的 组成 20 步进电 机的应用 21 3 . 2 . 5 控 制 系 统 的 程 序 运行 2 3 电磁铁的选择和控制 24 电磁铁的选择 24 电磁铁 的 控制 24 选 择 和 控制 25 优点 25 目 录 V 选择 25 控 制 电 路 的 设计 26 本章小结 26 第 四 章 结论 27 结论 27 参考文献 29 致谢 30 39 第一章 绪论 1 第一章 绪论 课题的提出及意义 迄今农作物机械化播种基本都是由入土装置先入土再将种子播入土壤的 方式。由于入土装置与土壤直接作用，传统播种方式动力消耗较大，且不能适应近年来发展起来的多种先进农艺技术要求。 随着我国农村经济结构的调整和农业产业化区域布局的初步形成，以及农业向环保、节水和可持续化发展的趋势，对农业资源的合理利用和农业装备的技术水平都有了新的要求，并且 多种先进农业播种技术也不断涌现， 机电一体化也技术越来越多的应用于农业机械领域。 近几年年来，传统播种方式已经不能满足飞速发展的农业新技术的 要求，在农业新技术领域，旱作农业、精准农业、节水农业都对播种提出了新的要求。例如，它需要播种机械根据土壤肥力等条件的变化来决定不同的播种密度和不同的播种深度。这种更具质量化、智能化的播种要求靠接触式播种实现是及其困难的，因此，对非接触式播种机械的设计和研发成为必然。气动射种装置是设想利用高压气流在不影响种子发芽的损伤程度内将种子播种到土壤中去，省略了入土装置，降低了能耗。本设计设想希望能通过本次研究，开辟气动射种这一非接触式播种研究的新领域，并为以后的非接触式播种机械的开发和研制提供理论支持，如研制成功，必 将带来播种机械化领域的一场革命。 种机械的发展现状与趋势 内外播种机的发展现状 在国外： 目前国外精密播种机已达到相当完善的程度，在精密播种机上除了设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、洒农药装置外，其排种装置多采用新的工作原理，包括各种气 吸 式排种原理与机械式排种原理，以保证单粒精密播种。另外，液压技术及电子技术也在播种机上得以应用。 20 世纪 80 年代，美国、澳大利亚、加拿大、法国等西方国家开始研制并广泛使用气力式精密播种机械，其中气流一阶分配式集排排种系统大量应用在谷物条播机上。 在国内 ： 我 国的播种机以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机目前仍占主导地位。全国有 500 家左右的企业生产播种机，其中第一章 绪论 2 只有 10 家生产与大中型拖拉机配套的播种机，与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量已占到全国播种机产量的 90%以上。近几年，我国的联合作业播种机发展也较快，其机具主要有播种一 施肥 联合作业机、耕作 播种联合作业机、松土 施肥 覆膜 穴播联合作业机和施水 播种联合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业机。 我国从 20 世纪 60 年代开始发展精密播种机械，过程经过了仿制、自行研制、到应用的发展 阶段。现在 精少量播种机具推广势头强劲，小麦精少量播种机和中耕作物精密播种机推广应用迅速。 种机械的发展趋势 随着我国农村经济的调整和农业产业化区域布局的初步形成，以及农业向环保节水可可持续 化发展的趋势，对农业资源的合理利用和播种机械的技术水平都有了新的要求。由于现代的农业播种机械是实现农业资源的持续、合理利用的重要手段，因此 21 世纪我国的农业播种机械的发展方向是： 1、发展有利于耕地资源保护的 联合 播种机械； 。播种联合作业是指在播种的同时，完成耕整地、施肥、喷洒液等作业，其优点是一次可以完成多 项作业，作业效率高，保证及时播种，提高产量，可以充分利用配套动力，节省能源，降低作业成本，与传统播种方法相比，联合播种的劳动消耗的作业费用约降低 30%。 2、发展有利于节水和水资源有效利用的播种机械； 随着全球淡水资源的匮乏，特别是我国属于严重缺水国家，发展节水农业具有深远的意义和广阔的前景。从 1996 年开始，农业部累计投资 1 亿多元，建设了一批旱作节水农业示范基地和行走式节水灌溉示范区，通过农艺、农机、生物、工程等综合措施的应用，完成了一批以坡改梯生土熟化农田工程、集雨节水补灌等为重点的高标准基础设施建设，有 效改善了旱区农业基本条件。农业部还在全国各地累计推广了水稻 “ 浅湿晒 ” 灌溉、 “ 坐水种 ” 、 “ 行走式节水 ” 、施用抗旱保水剂、地膜与生物覆盖等节水农业技术措施 亩左右，发展田间及大棚集雨节水和喷、微、渗灌等技术措施 1000万亩。 21世纪我国农业发展将面临严峻的水资源供求矛盾的挑战。大力发展节水农业，实现我国农业可持续发展，已引起中央和各有关方面的高度重视。目前农业部已组织编制了全国节水农业发展规划（ 2001）和西部地区节水农业规划（ 2001），对我国节水农业的下一步发展展示了蓝 图 2。 3、发展能有效提高生产效率、降低能耗的播种机械； 传统的 播种装置和土壤直接接触，用播种机的开沟器现在土地表面开道沟，然后通过输种管利用种子第一章 绪论 3 自身的重力滑落到土壤中的这接触式播种耗能费时，开发研制新型的节能降耗的播种机械将成为必然。 4、发展自动化、智能化更高的播种机械。 目前国外正在发展一些新的播种技术，如日本提出适合蔬菜的静电播种，英国提出适合于蔬菜的液体播种、适合于牧草的超音速播种，还有目前广泛应用的种子带播种等。例如液压等新技术在国外播种机的应用也日益广泛。美国塞科尔 5000 型气压式播种机用液压 马达驱动风机；东德 A 697 型精密播种机装有供驱动排种锥体的液压马达，当地轮滑动时，液压马达启动，以保证排种锥体的转速与机器前进速度相协调， 同时 也用以操作开沟器的升降，在大宽幅的播种机上还用液压折叠机架，以便安全运输 近年来，随着立体农业、节水农业、精细农业口号的提出，我国的农业机械装备的类型、功能也在不断变化，应用领域压在逐年扩大。电子技术和计算机技术的发展以及先进的制造技术、新材料的涌现，推动农业机械特别是播种机械向智能化和自动化的方向发展，使得原来传统机械本来无法作业的项目也逐渐实现了机械化。农业机械 化技术、自动化技术和智能化技术的相互补充、相互促进，与生物技术一起推动了播种机械化发展史的迅速前行。 电一体化与农业机械 采用机电一体化技术的农业机械，极大的改进了农 业机械 的 质量和 性能， 使得农业机械更具智能化。 目前，国外越来越多的播种机采用机电一体化技术，提高了播种机的工作可靠性、简化操作、减轻劳动强度、减少辅助时间、提高劳动生产率。 1966 年， 司就在播种机上采用了光电传感器用于监视单行播种。 80 年代，又采用了基于雷达的测速仪用来测量行走速度、播种精度和谷物漏播的监视装置， 利用微处理器控制肥料分配与喷灌，以及一个液晶显示器用于显示发动机速度、拖拉机滑移率、行走速度和每小时的工作面积 3。 美国 80 年代中期研制出一种播种机监视系统 ，该监视系统可以用于所有类型的播种机，包括谷物条播机、气吸式播种机和蔬菜播种机。排种传感器和速度传感器传递数据，显示某行工作正常；同时 示播种面积、速度、每行播种量和粒距。并能实现故障报警 4。 1982 年，日本研制出一套排种系统，该系统由一圆盘式排种器和一个周期性驱动电路组成，周期时间同种子和种道分离时间相一致，种子在种道上的运输第一章 绪论 4 由电磁设备控制，这样种子被连续排至种沟 5。 日本 90 年代初又研制了一套电磁操作的排种装置，用于电子控制的气力精播机。该系统由一个高性能的电磁阀、一个数据采集与控制器和一个排种器组成。该控制系统主要用于控制电磁阀的动作，排种性能可以根据种子下落间隔进行调整。试验室测试结果表明，该系统能保证较好的排种精度，调整排种参数更加容易，而且全面提高了播种机的使用效率 6。 日本 近年来在研究蔬菜播种机施肥和排种的排量自动控制系统，该系统首先获取地轮地转速信号，并根据这个信号控制排肥和排种轴地转速来控制排量。这样排种和排肥不受拖拉机速度地影响 7。 1995 年，波兰科学家开发了一套 排种器地电子控制系统。该控制系统与 种机配套使用，也可以用于具有相同结构的其他播种机。该系统可根据工作幅宽、地轮半径及不同机型进行编程。使用该系统可以提高工作效率，改进操作条件 8。 国内精密播种机监控系统的研究起步较晚，主要是引进国外的产品。 1996年山东农业大学 研制了精密播种机工况自动监视及播种量数显系统；中国农业大学近几年也将虚拟仪器用于农机控制检测对农机的各项性能进行控制检测。 电一体化技术与播种机械的结合 准确而 精密 的 播种 不但 可以节省种子， 节省 田间 移苗、补苗 所需要的劳 动 力 ，而且 有利于作物生长，便于田间管理。在国外，不 但 玉米、甜菜、大豆等作物大量采用精密播种，而且部分传统的谷物条播也采用精密播种，据介绍 准确而精密的播种可以 比传统的播种方式增产 10精密播种是一种先进的 播种 技术，需要 有更先进的 排种、送种的机械装置，更需要有精确度较高的控制系统 。气 吸式播种机对种子要求不严格，容易达到精密点播，作业速度也比机械式高，因此在玉米、大豆、棉花等作物的精密播种机上采用的越来越普遍 。近几年来， 在农业新技术领域， 随着 旱作农业、精准农业、节水农业 口号的提出， 对播种 机械提出了更高 的要求。例如，它需要播种机 械根据土壤肥力等条件的变化来决定不同的播种密度和不同的播种深度；甚至更根据作物生长的需水量来来严格控制播种时水的用量。 这种更具质量化、智能化的播种要求 都要求有精确、智能的控制系统，和机械控制系统相比较，电气控制系统更能满足未来播种机械的需求， 所以要进一步提高精 密播种质量，采用机电一体化技术是 开发质量化、智能化农业机械的 必由之路。 第一章 绪论 5 所谓 机电一体化技术是由微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合技术，一般由以下几部分组成：机械本体部分、动力部分、传感部分、驱动部分、执行部分、控制及信息处理部分。 近年来，由于 计算机 技术 的迅速 发展， 电气控制元件的不断完善， 大量的电气元件被广泛应用于农业机械，并且都达到了理想的预期目标。 早在 80 年代初，西方国家就开始 将 电子技术应用于农业机械的转速测量，联合收割机的损失监视、速度控制，喷灌流速的测量等，并不断致力于降低产品造 价、改进工作性能及改善农业环境影响的研究。这类系统一般包括传感器、显示屏、控制单元、执行机构、专家系统等。 从目前农业机械的发展趋势看来，在未来的农业机械发展领域，机电一体化技术将被广泛的应用于各种类型的农业机械，将使传统的农业机械发生质的飞跃。将极大的提高播种的质量，节省能源，提高劳动生产率。 动 射种研究现状 刁培松教授根据我国现阶段对播种机械的高质量化、智能化的要求，提出了气动射种这一概念， 目前在播种领域 国内外还没有相关 气动射种的 研究。本研究将 对气动射种的可行性进行了初步的研究，并初步对气动射种 的各种基本因素，比如射种压力、喷嘴大小、高压气流的流速、射种腔体的密封要求、喷嘴离地面的高度等进行初步摸索，虽然气动射种属于比较先进的播种方式，较传统的接触式播种方式具有较多的优越性，但它尚处于理论探讨和试验阶段，仍需要投入更多的人力、物力和财力进行更多的试验研究，以达到实际性的应用。 要研究内容 本课题综合了机械技术、电子技术和 制技术，对气动射种领域进行初步研究，为播种方式提供一种新的思路，所以研究的内容也仅仅是做初步的基础性研究。 1、 针对气动射种的特点设计一套可行的机械试验性装置，并 用本套装置进行试验研究。 2、 对具体的试验装置做出一套便于修改的控制电路，实现对排种和气动射种的控制。实验装置用精密的电气化元件 制器控制排种和气动射种。精确度上达到了良好的预期效果 3、 进行具体试验，对本套装置的排种器进行排种试验，同时利用本套装置做气动射种的试验。找出射种深度和具体压力、射种时间的关系，确定影响射种第一章 绪论 6 深度的参数，建立数学模型。 4、 根据试验结果找出本套装置需要完善的地方。 如果本项研究 的初步试验获得成功，将继续进行以下深入的研究： 1、 研究种子的耐冲击和耐磨擦特性。 种子在射入 土壤的过程中，会受到强烈的冲击和剧烈的磨擦。播种质量要求，对种子的冲击和磨擦应当不影响种子的正常发芽和生长。影响对种子的冲击和磨擦的主要因素是射入速度和土壤的物理特性，在一定的土壤条件下，对种子的冲击和磨擦取决于射入速度。通过理论分析和试验寻找出种子在一定的土壤条件下，种子能够正常发芽、出苗的最高射种速度。这个速度称为耐冲击速度，记为 2、实验研究满足直接射种的土壤临界状态的物理特性参数。例如当某种土壤的物理特性参数优于临界特性参数时，则可以直接射种；当某种土 壤的物理特性参数次于临界特性参数时，通过改善土壤的物理特性参数（如耕、松耕、改变土壤含水量等）实现直接射种。如果改变土壤的物理特性参数后，土壤特性优于临界物理特性参数，则可以直接射种，否则不能直接射种，要对种子进行防护处理。 3、种子防护研究。对于不能直接射种的种子，应对其进行防护处理，提高其 耐冲击和耐磨擦特性 。 4、射种器的基本形式与设计参数研究 章小结 本章主要介绍了国内外播种机的发展现状、发展趋势，以及机电一体化技术应用于农业机械的一些情况。指出气动射种是一种先进的非接触的播种形式，是对农业播 种领域的另一种尝试，并对它的研究现状和未来进行初步概述。 第三章 气动射种装置的电路设计 17 第三章 气动射种装置的电路设计 制装置的设计 本装置中的控制主要是对牵引电磁阀、步进电动机、 二位二通电磁阀的通电 、延时及断电的控制。 初步应用 制器 进行控制 ， 其控制流程图如图 6 所示 。具体控制过程为：系统初始化，牵引电磁铁和步进电动机同时得电工作，通电延时 5 秒，电磁铁断电，延时 5 秒；二位二通电磁阀得电，延时 2 秒，电磁阀断电，一个循环结束，系统控制进入下一个循环。 如图 3示 图 3制流程图 第三章 气动射种装置的电路设计 18 制电路综述 根据装置的动作顺序，控制电路采取开环控制：直接对 气动 电磁阀和 牵引 电磁铁进行控制，同时对步进电机进行起停控制。具体的控制过程为：（ 1）步进电机的驱动轴转动 一定的角 度实现排种后停止，等待下一次 的脉冲 信号（ 2） 牵引电磁铁通电吸合将种子排入射种腔中，然后断电复位；（ 3） 气动 电磁阀通电吸合实现一次射种后断电复位。一 次射种完成后进入下一次射种循环 。这是一个循环过程，期间并没有反馈信息，所以无论是软件还是硬件的设计都应该采取简单可靠的方式设计。从步进电机动作停止到送种电磁铁动作，中间需要有一段时间的延时，这样才能保证种子落入进种口。送种电磁铁的通电和断电之间也有延时，这个时间并不 确定 还 需要具体试验过程中随时的调整，通过对试验结果的分析来确定最佳的时间，因为时间的长短关系到射种腔里面的气压大小的问题。电磁阀的通、断电延时也需要在试验过程中调整。 进电机的选择 步进电机的基本原理 步 进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号作为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，转子角位移的大小及转速分别与输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电 机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为 “步距角 ”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控 制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为 100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电机的优点 1、步进电机的角位移 与输入的脉冲数严格成正比，它没有累计误差，具有第三章 气动射种装置的电路设计 19 良好的跟随性。 2、由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，即非常简单、廉价，又非常可靠，同时，可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3、步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 4、 动作灵敏： 步进电机因为加速性能优越 ,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。 5、 开回路控制、不必依赖 传感器定位： 步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器 (速发电机 )及位置传感器 (就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。 6、 中低速时具备高转矩： 步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。 7 、 高信赖性： 使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。 8、 小型 、高功率： 步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。 9、 高精度的定位： 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以 5 相步进电机为例：其定位基本单位 (分辨率 )为 全步级 )/半步级 )，是非常小的；停止定位精度误差皆在 3 分 (以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。 (步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度 ) 10、 位置及速度控制： 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵 活的角度控制 (位置控制 )，并可得到与该脉冲信号周波数 (频率 )成比例的回转速度。 动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下： 第三章 气动射种装置的电路设计 20 1、脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或 生，一般脉冲信号的占空比为 右，电机转速越高，占空比则越大。 2、信号分配 感应子式步进电机以二 、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为 ；二相八拍为 ,步距角为 。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为 步 距 角 为 ； 四 相 八 拍 为步距角为 ）。 3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 4、细分驱动器 在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机， 细分驱动器的原理是通过改变相邻（ A， B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的 ，如下图示。 步进电机的应用 （一）步进电机的选择 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 第三章 气动射种装置的电路设计 21 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上 ，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 /（五相电机）、 （二、四相电机）、 /3 度 （三相电机）等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况 下，静力矩应为摩擦负载的 2内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤： 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： 第三章 气动射种装置的电路设计 22 P= M =2n/60 P=20 其 P 为功率单位为 瓦，为每秒角速度，单位为弧度， n 为每分钟转速， 米 P=200(半步工作） 其中 f 为每秒脉冲数 （简称 (二）、 应用中的注意点 1、 步进电机 在 1000）间 通过减速装置 在此间工作，工作效率高，噪音低 。因此步进电机一般应在低速 场合使用。 2、 步进电机 在整步状态时整振动比较大，所 以步进电机最好不要使用整步状态。 3、 值得注意的是 只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外，其他电机的电压值 并 不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议： 57用直流 2486用直流 50V,110用高于直流 80V），当然 12 伏的电压除 12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。 4、 转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用 逐渐升频提速，一 可使 电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位 精度。 6、 高精度时，应通过机械减速、提高电机速度 ,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵 7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8、电机在 600）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 9、应遵循先选电机后选驱动的原则。 第三章 气动射种装置的电路设计 23 制系统的程序运行 图 3制系统原理图 图 3控制系统的原理接线图，图 4 中 出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时 至 输入接点 经 至 部的 数 脉冲数，当达到预定值时发生中断，使 脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图 3 3制梯形图 控制系统的运行程序：第一句是将 零，即为 行计数做准备 ;第二句第五句是建立参数表，参数存放在以 首地址的数据寄存器区 ;最后一句是启动 令，执行到这句则从 始取出设定的参数并完成相应的控制要求。 由第一句可知第一个参数是 式的特征值 ，由此规定了输出方式。第二个参数是 应脉冲频率为 500是 出频率为 500三个参数是 按此频率发 1000 个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是 以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。 第三章 气动射种装置的电路设计 24 磁铁的选择和控制 磁铁的选择 该套系统所采用的牵引电磁铁为 列，适用于交流 50 赫兹电压至 380伏的控制线路中，作为机械设备及自动化系 统的各种操作机构的远距离控制之用，其中额定吸力有 358，但是额定吸力越大，相应的电磁铁的体积越大，占用的空间越大，不利于装配及整体布置。电磁铁的选用不仅决定于复位弹簧的选择类型，也取决于其所控制的机构所要实现的功能。对于送种机构，电磁铁牵引活塞杆只是将种子输送到射水腔内，阻力并不很大，电磁铁选用 。 磁铁的控制 电磁铁的驱动电压为 220V，电路无法直接提供驱动电源，需要另外加继电器作为驱动开关。继电器选用 943其额定工作电 压 250V，可以在 220电器采用 5V 电压驱动，通过单片机的指令来控制继电器的开、合，继而控制电磁铁的吸合。其控制原理如图 3所示。 可编程控制器（ 简称 20 世纪 70 年代美国数字设备公司（ 美国通用公司 应用于自动装配线上的能适应工业环境的通用控制装置，取得试用后已很快的速度发展起来。 在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种控制设备，由于它具有功能强 、可靠性高、配 置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点， 已经被广泛应用于自动控制的各电磁铁控制回路 控制信号 9103 220 图 3磁铁控制示意图 第三章 气动射种装置的电路设计 25 个领域，并成为生产自动化的支柱产业。 优点 1、可靠性高，抗干扰能力强。 在各种恶劣的环境下工作，且可靠性很高，远远超过了传统的继电器控制和计算机控制系统，可以说到目前为止尚无任何一种控制系统的可靠性达到和超过 2、编程简单，易于掌握。使用面向问题、面向控制过程的梯形图编程语言，使得即使是未掌握专门计算机知识的人也能很快掌握。 3、组合灵活，使用方便。用户无需进行硬件的二次开发，因为它可以灵活方便 的 组合成各种不同模型、不同功能的控制系统。控制系统接线简单，工作量小，使用、维护都很方便。 4、功能好，通用性好。它运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。 5、开发周期短，成功率高。 6、体积小，重量轻，功耗低。 用了半导体集成电器 ，其体积小，重量轻，功耗低，是一种理想的机电一体化控制器。 选择 取了继电器控制的优点又才采用了微型计算机（简称 术，但和比在工作原理、 工作方式、还是 在用途性存在很大差别。 1、 干扰能力较 2、 编程比 单 3、 成的控制系统设计调试周期短 4、 于操作，人员培训时间短 5、 于维修 随着 能的不断增强，越来越多的采用微机技术，两者之间的界限也越来越模糊， 考虑各方面因素，例如：气动射种装置仅限于初级试验阶段，试验装置体积小且需要不断组合、调试，资金有限，试验工作环境恶劣要求控制系统有较高的抗干扰能力，另外本人在计算机编程方面理论知识秋欠缺，对于 有第三章 气动射种装置的电路设计 26 所了解，总上各种因素本装置采用 为气动射种装置的 控制系统。 控制电路的设计 用控制器的 为控制器的输出口，来实现对步进电机的控制，来实现步进电机的准确排种，用中间继电器 制控制开启排种活塞的牵引电磁铁 中间继电器 制气动电磁阀的开启、闭合，同时在控制电路中加入必要的 安全保护环节，设计控制回路如下图 3示。 图 3制电路的设计 章小结 本章介绍了气动射种试验装置的控制电路的各控制元件的 选择和控制，合理地选择了电路所需的元器件，特别是步进电机和 选择和控制。顺利实现了对排种电磁铁、电磁阀、步进电机的控制。因本设计是初步进行，尚有众多不足之处，有待进一步改进和完善。 第二章 机械装置的设计 7 第二章 机械装置的设计 体设计方案 气动射种装置是将机械技术、电子技术、 技术综合应用于农业 机械领域的一种新型机电一体化装置，可分为气动射种装置和电气控制两大部分。 试验的基本过程分为 制步进电机排种、电磁铁控制排种 活塞 送种和 气动 电磁阀控制高压气流射种三个部分。本套装置仅针对单粒种子进行试验，所以排种机构采用窝眼式排种器，用步进电机驱动窝眼式排种器排种。在试验过程中要实现送种和射种的高度协调配合，就必须有一套精确的控制机构。 其精确的控制和众多优越于单片机的性能而被用于射种装置 的控 制系统 。具体的工作循环流程为： 制步进电机排种 开启排种阀关闭排种阀开启电磁阀气动射种关闭电磁阀步进电机排种，重复上述循环。总体设计方案如图 2示： 图 2验装置的总体方案 置总体设计 本套装置设计成两大部分：机械排种、送种装置和电气控制部分。机械排种、送种装置又可分为 动力部件和执行机构两部分，只要集中在一个整体的机架内，机架至于车架之上；电气控制系统 独立于机械排种、送种装置之外，其目的是不仅便于进行接线、检修等操作而且使该装置的安全系数大大提高；因属初步的实验性 研究，高压气体压缩机暂时独立于两大部分之外，用高压输气管道进行连接。 装置的工作过程为：步进电机动作驱动排种器的主轴实现排种，经过一定的延时后，排种电磁铁吸合将种子送入种腔，然后电磁铁断电在自然状态，排种 活第二章 机械装置的设计 8 塞 在复位弹簧的作用下闭合， 气动 电磁阀得电吸合实现高压输气，射种完毕后松开电磁阀。一个完整的射种过程就完成了。 走装置的设计 在研制的初级阶段，以实现该播种方式为目标，设计一个单行播种的装置。随着播种的成功，逐步扩展到多行播种。行走装置包括车架装置和机架装置。 车架装置是推动播种装置前进以保证连续 播种，单行播种装置应用手推地轮装置，利用四个地轮和人的动力前进播种；车架总体结构图如图 2示。 车架竖梁设置滑道，使得机架可以上下滑动，便于调节喷嘴离地面的高度。 根据人的身高，作业时扶手的顶部到地面的垂直距离设置 约 为 760据作业时人体和机器的平衡习惯，扶手在水平方向的投影距离 约 为 310 机架装置用来放置各种播种部件，如排种腔体 、牵引电磁铁等射种部件 。机架总体结构图如图 2示。 图 2架侧视图 图 2架侧视图 种装置的设计 本装置的关键部件为射种元件，其性能直接决定了试验的成功与否。这一部分对密封性有很高的要求，进气腔体和排种腔都要求承受 1压力，同时还要保证其它地方无气体溢出。排种部分要顺利的将种子排入排种腔，而不会被排种阀带回。 本研究先初步设计一种射种器， 进行射种实现的实验。 在此基础上进行如下实验研究，建立相关的模型，然后再进行射种器的改进设计，经过多次第二章 机械装置的设计 9 反复，获得射种器的设计参数，用于指导射种器的设计。 射种器的主要硬件构成部件有种子排种阀、腔体、喷嘴、和用于产生气体的二位二通电磁阀。从 输种管下来的种子在排种阀下移的时候掉进种子腔体。由于种子腔体是一个圆柱形，喷嘴是一个漏斗形的用弹性塑料制造，种子只能掉落在喷嘴的最底部，无法停留在上面的任何一个位置，在喷嘴最底部开了一个直径小于种子的小口，使种子不能靠自身的重力滑落到加速管中，只能等待高压气体压入加速管中。二位二通电磁阀向腔体中输送高压气体，把喷嘴上面的种子压入加速管中，并在加速管中对种子进行加速，使种子产生巨大的动能，直接射入土壤中。射种器的总体结构图如图 2示。 在此装置中，排种阀除了使种子进入腔体外，还起着密封气体的作用。 另外，种子在喷嘴最部，用自身的体积封住喷嘴底部的小口，也起到密封气体的作用。 图 2动射种元件示意图 1二位二通电磁阀 2接头 3十字槽凹穴六角螺栓 4平垫圈 5 螺杆 6 六角螺母 7 复位弹簧 8 压板 9 腔体 10 排种活塞 11 密封垫 12 喷嘴 喷嘴 第二章 机械装置的设计 10 种机构的设计 1、 送种机构的设计要求：顺利地送种。种子送入种腔后，排种活塞返回时不至于将种子带回，这样将不能实现排种。本套机构采用种子的自重 送种 ：种子经过落种口进入送种腔后，随着活塞的向 下运动种子也在自重和排种阀压板的作用下进入射种腔，通过控制活塞在腔体内的时间，可以控制排种准确度。由于振动和种子自重的原因，种子会落入腔体中，经过一定的时间后，排种电磁铁断电，排种活塞恢复到初始状态，完成一次排种。 2、 排种活塞的设计：送种阀的作用不仅是排种还有密封送种腔体的作用。所以送种阀下端设计成锥形，上端为圆柱形，起压种作用以免种子粘在腔壁上。如图 4 中 10 所示。 3、 送种腔体的设计：腔体的设计示意图如 2示： 图 2种腔体示意图 1送种腔 2射种腔 送种腔体采用有机玻璃 加工而成，选材的原因： 一是有 玻璃 钢 是一种透明的材料，这样在具体的试验过程中可以方便的观察种子在排种腔中的运动状态，可以方便的调节具体的参数如：排种时间、压力等来控制排种，同时对试验结果的分析也有重要的作用。二是可以较好的密封。排种活塞采用 45#钢制作，与送种腔体不属于同一种材料，这样在密封方面可以很好的实现。送种腔的下部设计成锥形是考虑到种子能顺利的进入排种阀的锥面上。射种腔的设计充分考虑到顺利第二章 机械装置的设计 11 排种和尽量减少 气体 的压力损失。 试验对象绿豆的直径最大为 3所以为了保证种子能顺利地排出腔体，由于所以若要种子 落在射种腔里，就需要射种腔的直径 D 与排种阀的直径 d 之差： 3 考虑到气体管道截面突然扩大而造成的损失：气体通过管道截面突然扩大处的流动情况如图 2 6 所示。在突然扩大的 1 2 截面之间，流动分为两个区域：区是流动核心区；区是涡 流区 图 2 6 截面扩大时流体运动情况示意图 在两个区域的界面上，流体质点不断进行交换，在两个区域速度分布都在发生剧烈地变化，而在涡流区速度的大小及方向均在急剧地改变着。在突然扩大截面 1 1 上，核心区流体压强按静压强分布规律，在涡流区内压强不遵循静压强 分布规律（在近似计算中假定按静压强分布规律在工程上是准确的）。假定流经管道截面突然扩大的流体是不可压缩的稳定紊流运动。由于 1 2 截面间距离短，忽略沿程损失及管道切向应力的作用。根据 12伯努利方程、动量方程和连续方程得出：能量损失： 2221 1 112(1 ) 22w s v vh s g g （ 2 或 2222 2 221( 1 ) 22w s v vh s g g 其中1、2为突然扩大局部阻力系数， 式 22112(1 ) （ 2 （ 2一个理论近似表达式，局部压力阻力系数（ 2与截面积之比有关。 所以如果想要减少压力损失就需要缩小两个截面之差，根据的分析，取射种腔的直径为： 40体的形状 如图 2 6 所示，这样既可以减小两个截面之差，又可以满足顺利排种的需要。 第二章 机械装置的设计 12 它附属设备的设计、选择及注意事项 嘴的设计 确定喷嘴喷口面积对整个水射流系统有着重要的作用。若喷口面积偏大，则会使喷射平均动能大大下降，若喷口面积偏小，又会产生相应的回流，也会使喷嘴动能下降。这就要求合理的设计喷嘴的喷口尺寸。一般的射流喷嘴喷口设计成圆形，这样也是为了减小能量的损失，在保证能排出种子的前提下喷口直径越小越好。 试验是以绿豆种子为对象，必须保证喷嘴出口能容纳下一粒绿豆。绿豆的最大直径为 3体的尺寸：出口尺寸为 6嘴的入口尺寸设计为14嘴作为一种能
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