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气动射种装置的设计【带UG三维】【30张图纸】【全套图纸】【优秀】

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上机架盖.exb

压板.exb

吊杆.exb

喷嘴.exb

密封嘴.exb

射种器组装图.exb

总装图.exb

扶手支撑.exb

把手.exb

排种活塞.exb

接头.exb

支架板.exb

机架上横梁.exb

机架下横梁.exb

机架焊合.exb

机架竖梁.exb

机架竖梁1.exb

机架纵梁.exb

电气图.exb

种箱下料图.exb

腔体.exb

螺杆.exb

装配图.exb

车架上横梁.exb

车架下横梁.exb

车架焊合.exb

车架竖梁.exb

车架竖梁1.exb

车架纵上梁.exb

车架纵下梁.exb

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关键词：: 气动射种装置设计 ug 三维 30 图纸全套优秀优良

资源描述：

气动射种装置的设计

33页 20000字数+说明书+开题报告+任务书+UG三维图+答辩PPT+30张CAXA图纸

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上机架盖.dwg

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喷嘴.dwg

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射种器组装图.dwg

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总装图.dwg

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扶手支撑.exb

把手.exb

排种活塞.dwg

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接头.exb

支架板.dwg

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机架上横梁.exb

机架下横梁.exb

机架焊合.dwg

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种箱下料图.dwg

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车架上横梁.exb

车架下横梁.exb

车架焊合.dwg

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车架竖梁.exb

车架竖梁1.exb

车架纵上梁.exb

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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

摘要I

AbstractII

目录III

第一章绪论1

　　　1.1 课题的提出及意义1

　　　1.2 播种机械的发展现状与趋势1

　　　　1.2.1 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

　　　1.3 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

1.4气动射种的研究现状6

　　　1.5 主要研究内容6

　　　1.6 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

　　　2.2 装置总体设计8

　　　2.3 行走装置的设计9

　　　2.4 射种装置的设计9

　　 2.5 送种机构的设计11

　　　2.6 其它附属设备的设计、选择及注意事项13

　　　 2.6.1 喷嘴的设计13

　　　 2.6.2 种箱的设计16

　　　 2.6.3 输种管的设计16

　　　 2.6.4 排种器机械结构16

　　　2.7 本章小结17

第三章气动射种装置的电路设计18

　　　3.1 控制系统概述18

　　　 3.1.1 控制电路综述18

　　　3.2 步进电机的选择19

　　　 3.2.1 步进电机的工作原理19

　　　 3.2.2 步进电机的优点20

　　　 3.2.3 驱动控制系统的组成20

　　　 3.2.4 步进电机的应用21

　　　 3.2.5 控制系统的程序运行23

　　　3.3 电磁铁的选择和控制24

　　　 3.3.1 电磁铁的选择24

　　　 3.3.1 电磁铁的控制24

　　　3.4 PLC的选择和控制25

　　　 3.4.1 PLC的优点25

　　　 3.4.2 PLC的选择25

　　　3.5. 控制电路的设计26

　　　3.6 本章小结26

第四章结论27

　　　结论27

参考文献29

致谢30

1.4气动射种研究现状

　　　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。

1.5主要研究内容

　　　本课题综合了机械技术、电子技术和PLC控制技术，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PLC控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

1.6本章小结

　　　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。

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内容简介：: 毕业设计任务书（理工）学院轻工与农业工程学院学生姓名陈卫海专业机械设计及其自动化班级03级（1）班学号0312103737指导教师刁培松职称教授彭丽芳副教授课题名称气动射种装置的设计起止日期自 20 07 年 3 月 5 日起至 20 07 年 6 月 29 日一、课题来源、目的与要求：目前国内外的播种机械，都由入土器将种子送入土壤，需要较大的动力消耗；在土壤温度较大时，无论穴播还是条播，都很难保证播种质量，水田无法播种。本研究提出一种非接触式播种方法，即无入土装置、向土壤中射入种子的方法，并计划研制出气动射种穴播机。研制的目的在于减少播种能耗、便于实现精量播种、节约种子、开辟气动射种研究的新领域。气动射种的理论研究，国内外尚未见到有关报道。气动射种播种机目前国内外仍属空白。二、主要设计内容：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。采用这种传统的（与土壤）接触式播种方式，不能适应近年来发展起来的多种先进农艺技术要求，如地膜覆盖播种、精准农业、节水农业及液体肥料施肥等；由于入土装置与土壤直接作用，因此动力消耗较大；在土壤湿度较大时很难保证播种质量甚至无法播种。为解决上述问题，提出气动射种装置开发及其设计参数研究课题。气动射种目前国内外尚无研究报道，设想由高压气体把种子无损伤地射到土壤指定位置，省略了入土装置，是一种非接触式播种方式。拟通过本研究，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，试验总结出射种器设计参数的确定方法。本研究对于旱作农业和覆膜播种具有重要的基础理论意义和直接的应用前景，如研究成功，将带来播种机械化由接触式到非接触式的一场革命。三、主要设计技术指标与参数：1、主要研究内容进行气动射种的理论研究，进行射种深度与射种速度、气压、种子尺寸、距离以及土壤状况等的试验研究，找出其相关关系数学模型。开发出能够对流体压力、射种量、射种时间间隔等参数自动控制的单子叶小种子植物气动射种器件。 2、特点和创新开辟流体射种研究的新领域；进行流体射种的基础理论研究；研制出（机器与土壤）非接触式流体射种器件。3、主要技术指标射种频率 3次/秒。流体压力、射种量、射种时间间隔等参数自动控制4、主要经济指标与有入土器播种器件相比减少能耗30%。四、分阶段指导性进度计划：1-2周: 资料搜集,外文翻译3-6周: 设计方案论证、确定；7-12周：初步总体设计13-14周：优化设计15-16周：撰写论文；16周：毕业答辩五、主要参考文献资料：1、中国农业机械化科学研究院。农业机械设计手册（上、下）。北京机械工业出版社2、畜牧业机械化。北京出版社，1979。3、农业机械（北方版）。北京；中国农业机械出版社，19814、三菱PLC。北京航空航天大学出版社，2003.6指导教师（签字）： 20 年月日系主任（签字）： 20 年月日注：本表由指导教师填写，经系主任审定后下发学生。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 月毕业论文开题报告（理工类）设计题目气动射种装置的设计学生姓名陈卫海学号0312103737专业机械设计制造及其自动化一、课题的目的意义：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。二、近几年来国内外研制状况：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，包括各种气力式排种原理与机械式排种原理，以保证单粒精密播种。在国内：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，机电一体化技术越来越多的应用于农业机械领域。本设计针对近年来发展起来的多种先进农艺技术，如地膜覆盖播种、精准农业、节水农业及液体肥料施肥等，对气动射种这一课题进行试验研究。气动射种目前国内外尚无研究报道，是一种（与土壤）非接触式播种方式，即无入土装置，由高压气流将种子播到土壤中去。本研究开辟了气动射种研究的新领域，探索新的区别于传统播种方式的新的播种方法。三、设计方案的可行性分析和预期目标：可行性分析：气动射种就是利用高压气流在不损伤种子的情况下，把种子射到土壤的指定深度，以达到播种目的。气动播种器是其核心部件，气动播种器应能够实现精良进种、密封、进气、射种等一系列动作过程。气动射种器及其机构由机架、气动射种元件、控制电路等组成，是一个机电一体化智能集成系统。其工作原理是：在二次给种阀关闭时，由步进电机驱动排种器，将一穴种子排入气动射种元件上部的二次给种阀，二次给种阀牵引电磁铁在气动电磁阀关闭时打开二次给种阀，将一穴种子投入射种器，然后关闭二次给种阀；气动电磁阀牵引电磁铁在二次给种阀关闭时打开，种子被高压气体射入土壤中，然后进行下一次循环；此过程由控制电路进行智能控制。预期目标： 1、进行气动射种的理论研究，进行射种深度与射种速度、气压、种子尺寸、距离以及土壤状况等的试验研究，找出其数学模型。2、开发出气动射种机构。3、研制出能够对气压、射种量、射种时间间隔、入土距离等参数自动控制的气动射种穴播机。四、所需要的仪器设备、材料：计算机步进电机CAXA电子图版2005机械设计手册三菱PLC五、课题分阶段进度计划：序号起止日期工作内容阶段成果11-2周搜集相关资料.初步的外文翻译完成外文翻译23-4周熟悉气动播种播种的原理,完成开题报告完成开题报告35-6周提出设计方案，对射种装置进行总体设计完成初步设计47-8周绘制相关零件图纸，完成零件图纸绘制59-10周改进图纸，绘制装配图完成图纸改进，零件装配611-12周进一步改进图纸，设计装置控制部分完成电气图纸设计713-14周撰写毕业论文完成毕业论文815-16周准备毕业答辩指导教师意见签字： 200 年月日气动射种装置的设计陈卫海主要设计内容气动射种机械装置设计了解查询相关资料了解本课题的目的意义翻译相关外文资料初步拟定设计方案三维制图总体方案设计结论车架装置的设计机架装置的设计控制系统的设计控制元件的选择控制电路的设计射种装置的设计学习UG三维制图软件初步制作气动射种装置的三维造型一总体方案的拟定工作循环流程为 PLC控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所示二气动射种机械装置的设计 1 车架装置的设计车架装置是推动播种装置前进以保证连续播种因本射种装置为初步的实验装置故暂手推地轮装置利用四个地轮和人的动力前进播种 2 机架装置的设计机架装置用来放置各种射种器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下 3 射种装置的设计 1 送种腔体采用玻璃钢加工而成选材的原因是玻璃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 2 较好的密封 3 排种部分要顺利的将种子排入排种腔体而不会被排种活塞带回 4 排种活塞排种后迅速复位并将腔体密封压板喷嘴排种活塞气动电磁阀螺杆排种腔体接头 3 1射种器的设计机理 1 由于试验对象绿豆的直径最大为3mm 为了保证种子能顺利地排出腔体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 D d 3mm 2 考虑到气体管道截面突然扩大而造成的损失就要尽量缩小两个截面之差下图为在截面突然扩大时气体的运动情况 3 根据的努利方程动量方程和连续方程得出能量损失其中为突然扩大局部阻力系数 v1 v2为在两个截面的流体速度其中是一个理论近似表达式局部压力阻力系数仅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 4 初步方案拟定后气动射种装置的三维模拟初步方案拟定以后首先使用UG三维造型软件设计出整个实验装置的零件有些尽是外形相似如步进电机牵引电磁铁等然后试用三维造型软件将个零部件组装模拟出初步设想的气动射种的实验装置为以后的改进绘图提供方便装配后的三维模拟造型如下图示三气动射种实验装置控制系统的设计1 控制系统的设计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PLC控制器进行控制其控制流程图如下图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 2 控制系统的概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 3 控制电路的设计用控制器的CP DIR OPIR作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KA1控制控制开启排种活塞的牵引电磁铁YA1 用中间继电器KA2控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示四结论主要结论本课题主要是对气动射种这一非接触式播种方式进行研究力图在播种机械的设计上开辟一个新的研究领域实现由传统的接触式播种向非接触式播种的转变这项技术将对播种理论及播种机械的研究方面产生开拓性创新性的意义将对以后的质量化智能化的农业机械发展产生深远的影响本论文主要对此进行基础性的研究主要完成了以下工作 1 对影响气动射种的因素进行初步的预测通过讨论分析找出影响气动射种的主要影响因素如土壤条件高压气流的压力射种的时间射种的深度等 2 在总体方案拟定以后利用UG三维造型软件初步模拟出气动射种实验装置的总体结构为以后对装置的制造和改进提供方便 3 为了准确的控制送种排种射种等动作选用PLC作为控制核心部件对机械装置中的步进电机排种电磁铁电磁阀的动作进行精确控制 4 针对气动射种非接触播种的特点设计并制造一台气动射种试验装置特别是对排种腔体喷嘴等关键部件的设计进行了相应的理论分析在对腔体的密封效果方面进行了仔细反复的如选材在气动电磁阀的选择上进行了反复的推敲思考在装置整体的设计方面努力做到了可靠紧凑以及美观 5 在总体设计初步完成后又对实验装置的进行不断的改进力求使装置更简洁更美观装置的简化使其可以在以后的实验过程中对装置中某些部件进行方便的维修更换由于时间短促有限对气动射种播种的研究仅限于初步的研究有许多工作还没有完成 1 装置的局限性本套试验装置的试验对象仅限于绿豆这一种种子而对于其他的种子要重新设计相应的部件在播种广度上仅限于单行播种播种效率比较低 2 装置的自动化程度不够高目前还需靠人力驱动 3 实验装置中尚有许多不足之处有待在实验过程中根据实验的情况进行确定例如在不同土壤条件上所需气流的不同压力射种深度射种时间和高压气流的线性关系等 4 在试验研究方面对某些气动射种的机理研究不够透彻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请各位老师提出宝贵建议谢谢目录摘要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，播种器装置目录IAbstractThe core of the research is pneumatic seeding which is kind of planting whose character is untouched soil. This equipment is comprised of trestle, stepper motor, seed-shooting components, electromagnet, and pneumatic jet valve. The stepper motor drives seed-falling devicel;the electromagnets and pneumatic jet valve control the switch of seed-falling valve and pneumatic-jet valve respectively; Control circuit coordinates the stepper motor and the electromagnet, Completed the work process of delivery-seed, arrange-seed, shooting-seed.; and seed-falling cavity and pneumatic jet nozzle were designed based on the analysis of theory and fact. Operation principle of the equipment is as follows: opening the seed-falling valve, when the seed fall into the cavity, the seed-falling valve was closed. Then opening the pneumatic jet valve, the seed with pneumatic jet through nozzle.the pneumatic shooting-seed comes out which is a new type un-contacted seeding manner. By the in-depth theoretic research, now start to explode the equipment of pneumatic seeding. aim to cut new research domain which is pneumatic shooting-seed and no contacting semination, exploring mechanism and method of pneumatic shooting-seed.Key words: pneumatic shooting-seed,the manner of seeding,shooting-seed appliance,agriculture technology,seeding implement 目录II目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1 课题的提出及意义11.2 播种机械的发展现状与趋势11.2.1 国内外播种机的发展现状11.2.2 播种机械的发展趋势21.3 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 1.4 气动射种的研究现目录III状61.5 主要研究内容61.6 本章小结7第二章机械装置的设计82.1 总体设计方案82.2 装置总体设计82.3 行走装置的设计92.4 射种装置的设计9 2.5 送种机构的设计112.6 其它附属设备的设计、选择及注意事项13 2.6.1 喷嘴的设计13 2.6.2 种箱的设计16 2.6.3 输种管的设目录IV计16 2.6.4 排种器机械结构162.7 本章小结17第三章气动射种装置的电路设计183.1 控制系统概述18 3.1.1 控制电路综述183.2 步进电机的选择19 3.2.1 步进电机的工作原理19 3.2.2 步进电机的优点20 3.2.3 驱动控制系统的组成20 3.2.4 步进电机的应用21 3.2.5 控制系统的程序运行23目录V3.3 电磁铁的选择和控制24 3.3.1 电磁铁的选择24 3.3.1 电磁铁的控制243.4 PLC 的选择和控制25 3.4.1 PLC 的优点25 3.4.2 PLC 的选择253.5. 控制电路的设计263.6 本章小结26第四章结论27 结论27参考文献29致谢目录VI30第一章绪论1.1 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，目录VII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。1.2 播种机械的发展现状与趋势1.2.1 国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。1.2.2 播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目录VIII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3.4 亿亩左右，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（2001-2015 年）和西部地区节水农业规划（2001-2005 年），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A697 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。目录IX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。1.3 机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，DickeyJohn 公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Pioneer ，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 LCD 显示播种面积、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 UKS-1 型排种器地电子控制系统。该控制系统与 s078 polonez 播种机配套使用，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。目录X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。1.3.1 机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 10-30。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。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。 1.4 气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。本研究将对目录XI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。1.5 主要研究内容本课题综合了机械技术、电子技术和 PLC 控制技术，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 PLC 控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。maxV2、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目录XII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1.6 本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。第二章第二章机械装置的设计机械装置的设计2.1 总体设计方案气动射种装置是将机械技术、电子技术、PLC 等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 PLC 控制步进电机排种、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。PLC 以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：PLC 控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 2-1 所示：目录XIII图 2-1 实验装置的总体方案 2.2 装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。2.3 行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 2-2 所示。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 760mm；根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 310mm。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 2-3 所示。目录XIV 图 2-2 车架侧视图图 2-3 机架侧视图2.4 射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 1-2MPa 的压力，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 2-4 所示。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。目录XV图 2-4 气动射种元件示意图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 2.5 送种机构的设计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。目录XVI3、送种腔体的设计：腔体的设计示意图如 2-5 所示：图 2-5 送种腔体示意图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 3mm，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：D-d3mm。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 26 所示。在突然扩大的 12 截面之间，流动分为两个区域：区是流动核心区；区是涡流区目录XVII图 26 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11 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 12 截面间距离短，忽略沿程损失及管道切向应力的作用。根据 1-1、2-2 的伯努利方程、动量方程和连续方程得出：能量损失：（2-1）22211112(1)22wsvvhsgg或 22222221(1)22wsvvhsgg其中、为突然扩大局部阻力系数，v1、v2为在两个截面的流体速度。在式 2-112中（2-2） 2112(1)ss（2-1）是一个理论近似表达式，局部压力阻力系数（2-2）仅与截面积之比有关。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：40mm。具体的形状如图 26 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。2.6 其它附属设备的设计、选择及注意事项2.6.1 喷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3mm，具体的尺寸：出口尺寸为 d26mm，喷嘴的入口尺寸设计为 d114mm。喷目录XVIII嘴作为一种能量转换的机械元件，其能量转换效率也是设计时应该考虑的关键参数。液流由高压泵增压后通过高压管到达高压喷嘴，由高压喷嘴将其转化为高压高速气流，在此转换过程中存在流量损失，而流过喷嘴液流的实际流量与理论流量之比，也就是喷嘴的流量系数集中反映了这种损失。下面按照高压气流在流道中的性质，采用连续方程和欧拉方程推导高压气流喷嘴流量系数的表达式。如图 2-7 所示为高压气射流喷嘴的结构示意图，在喷嘴流道中流过的高压气流属于不可压稳定无漩流，对此流动建立如图 2-8 所示的柱坐标系，在离进rx（，）水口 X 处的截面上，其流量：ii图 27 喷嘴结构示意图目录XIX图 2-8 喷嘴流道中流过的高压气流所建立的柱坐标系rx（，）（2-0( , , )2iriiv rxrdr3） 0022( , )2( )( )( )iiririiiiiv r x rdrV x rdrV xrV x A式中截面的平均流速；iVii 截面的截面积。iAii在喷嘴中流动的高压气流不仅是不可压缩稳定无漩流，而且瞬间压强 P 满足关系式于是其速度压强分布如图 2-9 所示，存在的损失仅是摩擦损失，其值一般都是很小的。因此截面的平均流速和压强 P 的关系可以利用非粘性流体的连续方程iV图 2-9 i-i 截面的流速、压强分布.0Pdivpvt和欧拉方程（2-4）21()02iiiiiiPHVW 目录XX以喷嘴中流体的性质为边界条件积分求得。结果为（2-5）212iiiiPHV 常数式中拉普拉斯标符号；气流密度；截面上势函数。iii在式 2-5 中，当以 x 轴为基准线时，仅为摩擦引起的水头损失。假设在进口i1-1 截面上，则从进口 1-1 截面到任意截面，根据喷嘴中气流特点由量10 ii纲法（2-6）2/2iiV 式中摩擦阻力系数于是从进口到出口的过程中22201100111222iPPHVVV得出 (2-7)211002()(1)PPVV假设喷嘴中的气流为理想流动，则0，于是（2-8）211002()(1)PPVV式中理想流动时 0-0 截面处的平均速度。0V那么高压气体从喷嘴中流出而形成高压射流时，其实际出流为0Q (2-9)211000002()(1)PPVQVAAAA理想出流：（2-10）211000002()PPVQVAAAA目录XXI式中理想流动时 0-0 截面的流量，其流量系数0Q (2-11)0011QCQ从 2-11 可以看出，射流喷嘴的流量系数与孔口出流的孔口流量系数相同，也仅与喷嘴的摩擦阻力系数有关，即流量系数是喷嘴自身阻力引起的能量损失，喷嘴的摩擦阻力越小，流量系数越大，液流在喷嘴中的能量损失也越小1516。在此，为了尽可能的减小喷嘴的流量系数，采用图 2-8 所示的喷嘴形状，同时在加工过程中提高内孔的加工精度，减小摩擦阻力。2.6.2 种箱设计种箱用于盛放待播的种子，随着播种的不断进行，种箱里的种子应该自动下滑，其形状采用播种机普遍使用的方形形状，种箱下端用适当的锥度过渡，种箱尺寸的大小根据播种装置的整体尺寸进行合理的设计。本设计中种子箱的形状如图 2-10 所示。2.6.3 输种管设计输种管是连接排种漏斗和排种腔体的柔性过渡管，其作用是将种子从排种漏斗输送到排种腔体并为下一步的射种做准备。输种管应有一定的弹性，以便保证和排种漏斗连接时的可靠性。结构形状如图 2-11 所示。图 2-10 种箱图 2-11 排种管2.6.4 排种器机械结构窝眼式精密排种器的机械结构如图 2-12 所示。步进电机控制控制排种轴的转动，排种口下方连接排种漏斗。其中窝眼的直径大小由种子的类型决定，以绿豆为例，绿豆的直径最大为 6mm 左右，所以窝眼的直径选择 6mm。窝眼式精密排种器上的窝眼径向角度应该由步进电机的步踞角来确定，以便实现精密排种。通过对排种器目录XXII进行多次排种试验，排种器每次排出 1 粒或两粒种子。图 2-12 排种器总体示意图1步进电机 2种箱 3窝眼式槽轮 4机架盖板 5-排种器 2.7 本章小结本章主要介绍了气动射种实验装置的车架装置、机架装置、气动射种装置的设计过程，并对气动射种中的某些关键部件进行理论分析，力求使实验装置变得简化，为以后实验过程中更换某些不合理的部件或者检修提供方便。第三章第三章气动射种装置的电路设计气动射种装置的电路设计3.1 控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 PLC 控制器进行控制，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 3-1 所示目录XXIII图 3-1 控制流程图3.1.1 控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，这样才能保目录XXIV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。3.2 步进电机的选择3.2.1 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。 3.2.2 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(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR)，就能以输入的脉目录XXV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 0.72(全步级)/0.36(半步级)，是非常小的；停止定位精度误差皆在3 分(0.05)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。 3.2.3 驱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：1、脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或 CPU 产生，一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4 左右，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 1.8 度；二相八拍为,步距角为 0.9 度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为 AB-BC-CD-DA-AB,步距角为 1.8 度；四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距目录XXVI角为 0.9 度）。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。3.2.4、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。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 0.36 度/0.72 度（五相电机）、0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3 度（三相电机）等。目录XXVII2、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 2-3 倍内好，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： P= M =2n/60目录XXVIII P=2nM/60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，M 为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作）其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS)(二）、应用中的注意点 1、步进电机在 1000-3000PPS(0.9 度）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：57BYG 采用直流 24V-36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 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 600PPS（0.9 度）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。目录XXIX3.2.5 控制系统的程序运行图 3-2 控制系统原理图图 3-2 是控制系统的原理接线图，图 4 中 Y7 输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 Y7 接至 PLC 的输入接点X0，并经 X0 送至 PLC 内部的 HSC。HSC 计数 Y7 的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使 Y7 的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图 3-3 控制梯形图控制系统的运行程序：第一句是将 DT9044 和 DT9045 清零，即为 HSC 进行计数做准备;第二句第五句是建立参数表，参数存放在以 DT20 为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动 SPD0 指令，执行到这句则从 DT20 开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 K0，是 PULSE 方式的特征值，由此规定了输出方式。第二个参数是 K70，对应脉冲频率为 500Hz，于是 Y7 发出频率为 500Hz 的脉冲。第三个参数是 K1000，即按此频率发 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 K0，所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，使目录XXX之达到预定位置后自动停止。3.3 电磁铁的选择和控制3.3.1 电磁铁的选择该套系统所采用的牵引电磁铁为 MQ1 系列，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 0.7kg、1.5kg、3kg、5kg、8kg 等，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 MQ1-1.5N 型。3.3.2 电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 943-1C-5DS 型其额定工作电压 250V，可以在 220V 的电压条件下工作。继电器采用 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 3-4 中所示。3.4 PLC 的选择及控制可编程控制器（Programmable Controller），简称 PLC，是 20 世纪 70 年代美国数字设备公司（DEC）为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。PLC 是在集成电路、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个领域，并成为生产自动化的支柱产业。3.4.1 PLC 的优点1、可靠性高，抗干扰能力强。PLC 能在各种恶劣的环境下工作，且可靠性很高，电磁铁控制回路控制信号9103220图 3-4 电磁铁控制示意图目录XXXI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 PLC。 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。PLC 采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。3.4.2 PLC 的选择 PLC 吸取了继电器控制的优点又才采用了微型计算机（简称 MC）技术，但和 MC相比在工作原理、工作方式、还是在用途性存在很大差别。1、PLC 抗干扰能力较 MC 高2、PLC 的编程比 MC 简单3、PLC 组成的控制系统设计调试周期短4、PLC 易于操作，人员培训时间短5、PLC 便于维修随着 PLC 功能的不断增强，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

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