CN102273342A - 一种穴盘育苗精量播种机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穴盘育苗精变量播种机，包括振动台组件，所述振动台组件包括压电元件和尺寸满足吸种盘1~2行孔的吸种要求的窄种子盘，所述压电元件安装在窄种子盘上，所述压电元件外接有驱动电源。本发明的优点是：减小种子盘的尺寸能节约成本；能解决种子偏集导致吸种不能进行的问题；大大降低功率消耗和各种噪声如电磁噪声、气力噪声、机械噪声；易于实现可靠性控制和调整，使用寿命和安全性大大提高；采用集中驱动方式能保证打穴机构的打穴头位置、吸种孔位置分别与穴盘上放种孔位置相对应以完成播种机的精密播种过程。有利于应用推广，能够节省大量人力、物力，改善从事栽培技术人员的工作环境和劳动强度，并取得较好的经济和社会效益。

Description

一种穴盘育苗精量播种机

 

技术领域

本发明所述的项目属于设施栽培工厂化穴盘育苗精密播种技术领域，具体涉及一种能够完成1~多粒/穴的精变量播种要求的穴盘育苗精变量播种机。

背景技术

穴盘育苗精量播种设备是工厂化育秧育苗技术中的一个关键设备。其中最主要的装置是精密播种装置。主要应用于培育蔬菜、花卉、林木以及水稻等秧苗的精密排种、播种。具有节省优良种子用量、出苗率高且整齐、增产增收等优点。

精密播种装置种子盘内的种子为散粒物料。散粒体动力学理论表明，为使物料运动更均匀、稳定，必须减少散粒体的内摩擦系数，增加其流动性。特定物料的内摩擦系数基本是常数，要想在不改变其物态的情况下改变其内摩擦系数是不可能的。所以为改善其流动性，广泛采用振动使物料形成“准流体”，使种子相互分离。振动气吸式播种装置就是采用激振机构的激励使种子产生“沸腾”运动而克服种子间内摩擦力，达到相互分离的目的，以有利于气力吸种部件在气力作用下吸种，完成精密播种，吸种率达到播种农艺要求的95%以上。振动气吸式穴盘精密播种装置由精密吸种部件和种子盘振动台两部分组成。按振动工作原理研究出了电磁振动式、气力振动式、机械振动式、液压振动式等，按吸种部件结构形状研究出了吸盘/吸板式、吸针式、吸嘴式、滚筒式等。所谓振动-气吸式穴盘育苗精播装置其播种原理大多由以上振动方式与吸种部件组合而成，在实际推广应用中其性能、应用范围、播种效率等参数相差较大，如：吸盘式每次播种一盘，效率高，对种子要求不高，但不能连续播种、漏播种多、种子易偏集而使播种中断；吸针式效率低，吸种率高、可播小种子；吸嘴式能播种大种子但易堵塞、对种子要求高等。播种装置主要由吸种部件及其气吸组件和种子盘及其振动台两部分所组成。吸种部件及其气吸组件主要由吸种盘、气室、转换开关、接管和气源等组成。吸种盘上钻有与育苗穴盘相匹配的吸种孔，以保证“对靶”放种。吸种盘孔的排列及其大小等几何参数由播种农艺要求来确定，如选用54㎝*28㎝的穴盘时，不同的农艺要求有72~288穴可供选择，则吸种孔的大小、形状、排列等与所播种的种子种类、大小、形状相对应。种子盘振动台由种子盘、振动台和播种架(图1中未画出)等组成。精密播种的工作原理或播种过程如下：打开激振器，选择合适的振动参数，使种子盘内的种子相互分离，呈“沸腾”运动状态，以利于吸种盘吸种。进行吸种时，将气力吸种部件移动到种子盘振动台正上方，调节气力吸种部件的转换开关(完成气路转换的装置)使气源和气室接通(吸气管与风机的进风口联接)，气室形成负压，抛起的种子在气力作用下，被吸附在吸盘上均布的吸种孔上；吸种后将吸盘移到育苗穴盘的上方适当位置，气室与气源通路切断，同时气室与大气相通，迅速释放负压，种子靠自重（也可由气吹力）落入育秧育苗穴盘，实现“对靶”播种。

目前存在的问题：

1）使用寿命及维护保养要求高，零部件结构多而复杂，加工制造、安装、使用中精度要求高，如种子盘在振动中要求保持一直水平，否则会产生种子严重偏集，致吸种不能进行；

2）功率消耗大，工作噪声大，如电磁噪声、气力噪声、机械噪声；

3）种子盘上的种子还由于振动台面加工制造误差、质量分布不均匀、复位弹簧参数不均一等原因引起振动的不均匀性容易产生种子偏集，致吸种不能进行；

4）振动参数调整到吸种较好的状态比较难。由于存在以上问题，特别是种子偏集问题长期不能解决，致使该吸盘式的推广应用受到很大的制约。

5）精密播种机在播种过程中还有“对靶”播种的同步控制要求等。

6）现有振动方式在播种小种子时有时须特别处理，增加了播种成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种穴盘育苗精变量播种机。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种穴盘育苗精变量播种机，包括振动台组件，所述振动台组件包括压电元件和尺寸满足吸种盘1~2行孔的吸种要求的窄种子盘，所述压电晶体安装在窄种子盘上，所述压电元件外接有驱动电源。

本发明是以压电振动器为振动激励源，吸种部件为吸盘式吸种盘。压电振动器利用压电元件的逆压电效应产生振动，即在外加电场的作用下，压电元件在极化方向产生相应的几何应变或机械微位移及驱动力，该应变与外加电压具有较好的线性关系，控制外加电场电压大小及频率即可产生相应的振动。

本发明主要采取的方法、思路如下：1）以压电振动器为振动源，解决微小种子的播种问题，压电振动具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、无噪声、无电磁干扰、低电压驱动及易于微型化的优点。2）为保证压电振动器的机电驱动力有效性，对种子盘尺寸及其材料、结构等进行了重大改进：一是现种子盘宽度尺寸设计为穴盘1~2行播种宽度替代现有与穴盘等宽的种子盘，称之为窄种子盘；二是种子盘的材料选用轻质、高刚度材料，如不锈钢、铝合金、有机玻璃等板材。不需要用较大尺寸及较厚的材料；三是结构上进行了简化设计，降低了加工、制造、安装等方面的误差； 3）采用一台调速电机与电磁离合制动器相配合，在机电控制系统的控制下驱动吸种盘、穴盘及打穴机构实现打穴机构与穴盘、吸种盘和穴盘运动同步控制及其“对靶”放种；4）将该项重大改进思路应用于其他振动方式时，解决了各类振动方式组合的振动-气吸式穴盘育苗装置存在的诸如种子偏集、机械噪声、功耗大、机械结构复杂等几个比较明显的系统性问题，取得了超过预期的效果，对推广应用该项精密/精量播种技术起到相当的促进作用。

压电元件的种类很多，目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导体)；三是新型压电材料， 又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。根据实际情况出发，本发明优选采用压电陶瓷叠堆（即多层陶瓷晶片）作为振动驱动元件，既能产生一定的驱动力，又能承受一定的机械载荷。

所述振动台组件还包括底座、复位弹簧、第一级柔性铰链放大机构、第二级柔性铰链放大机构、导柱、导套，在窄种子盘的两端分别安装有所述压电陶瓷叠堆，所述压电陶瓷叠堆与第一级柔性铰链放大机构的A、B面粘接，第一级柔性铰链放大机构与第二级柔性铰链放大机构结构相同，第一级柔性铰链放大机构安装在第二级柔性铰链放大机构中，导套的顶端与窄种子盘连接、底端与导柱的顶端连接，导柱的底端固定在底座上；复位弹簧套在所述导柱外并且复位弹簧上端与导套相连、下端与导柱相连，起着支持复位作用。

所述窄种子盘的尺寸根据播种时用的穴盘孔尺寸而定，为1~2行所播种时的穴盘孔宽度。当行间距大时取1行，小时取2行，总宽一般不超过55mm。

所述播种机还包括动力同步驱动传动系统、吸种盘、穴盘、打穴机构和可编程控制器PLC，所述动力同步驱动传动系统包括电机和传动机构，电机通过传动机构分别与吸种盘、穴盘、打穴机构的传动轴相连；在吸种盘、打穴机构的传动轴上分别装有电磁离合制动器，在穴盘上安装有速度传感器，在打穴机构、播种位置处分别安装有光电开关，在播种位置处还安装有行程控制开关；所述PLC控制器接收光电开关、行程控制开关和速度传感器发出的信号，输出控制吸种盘、穴盘、打穴机构的同步运动信号。其中可编程控制器PLC、电磁离合制动器、行程控制开关、光电开关、速度传感器均包括在机电控制系统中。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）大大减少了种子盘的制造尺寸，只有原来宽度尺寸的十分之一左右，种子盘的自重也相应比例大大下降，能节约制造、使用、材料、人工、能源消耗等各项成本；

（2）由于宽度设计成种子振动后只要能满足吸种盘1~2行孔的吸种要求，所以不会出现种子偏集的现象，解决了一直困扰宽种子盘振动气吸盘式精量播种装置种子偏集导致吸种不能进行的问题。由于宽种子盘的宽度等较大，种子盘在振动时的平顺性、振动台的振动特性参数、振动台各零部件的结构参数、安装精度很难保证达到要求，如多根振动弹簧参数及双导向或多导向装置的运动参数不可能保证完全相等、安装制造误差产生附加振动，致使种子偏集现象是无法完全消除的，也使振动台的设计、制造变得复杂困难要求越来越高； 

（3）能大大降低功率消耗和各种噪声如电磁噪声、气力噪声、机械噪声；

（4）工作电流、电压等控制工作参数变得较小，对各种机械、元器件的要求大大降低，易于实现可靠性控制和调整，使用寿命和安全性大大提高；

（5）该播种机采用集中驱动方式，即用一台电机驱动与电磁离合器接通或断开的配合，实现了打穴、吸种、放种的循环运动的同步控制。因此，本发明将有力地促进振动-气吸盘式精密播种机械推广应用，能够节省大量人力、物力，改善从事栽培技术人员的工作环境和劳动强度，并取得较好的经济和社会效益。

附图说明

图1a为穴盘育苗精密播种机结构及工作原理示意图；

图1b为机电控制系统的结构示意图；

图2a为窄种子盘及压电振动组件结构示意图；

图2b为图2a的左视图；

图3铰链放大机构结构示意图；

图4压电陶瓷叠堆的结构示意图； 

图5机电控制系统示意简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做一个详细说明。

如图1a至图5所示，一种穴盘育苗精量播种机，包括吸种盘及其气力组件、吸种盘弹性返回架组件6、振动台组件4、穴盘及其输送机构组件9、打穴机构2、动力驱动同步传动系统1。

动力驱动传动系统1由一台0.25kw、型号为Co².7124的调速电机、齿轮传动机构3、链轮传动机构等组成分别对吸种盘5、穴盘8、打穴机构2的驱动。在吸种盘5、打穴机构2的传动轴上分别装有0.2kw电磁离合制动器13和电磁离合制动器15。机电控制系统12根据相应的测量信号控制电磁离合制动器13和电磁离合制动器15的接通和断开吸种盘5、打穴机构2的运动，使打穴机构2、吸种盘5同步分别与穴盘8，即保证打穴机构2的打穴头14位置、吸种孔位置分别与穴盘8上放种孔位置相对应，完成打穴、吸种、放种等的运动循环以完成播种机的精密播种过程。

打穴机构2为滚压辊结构形式，滚压辊圆周方向上分布有与穴盘8相应的行、列穴孔排列的打穴头14。

穴盘及其输送机构组件9的尺寸规格由农艺要求选择的穴盘规格而定，由穴盘、输送带、托辊及其传动机构、机架等组成，输送带为符合国标的粮食用橡胶输送带，机架为不锈钢或铝合金焊接而成。穴盘及其输送机构组件9在动力系统的驱动下完成对穴盘8的同步驱动。

吸种盘及其气力组件包括吸种盘5、空压机及其气力调节系统组件（图1所示中未全部画出）。空压机及其气力调节系统组件不是本发明的重点，因此只作一些主要说明，未画出全部图示，主要由空气压缩机、气力调节回路（图示1中未画出）组成。空压机直接外购，气力调节回路（图示1中未画出）由电磁式方向控制阀、压力或流量控制阀等组成，方向控制阀控制正负压、泄压，压力或流量控制阀控制正负压力大小以满足不同种子吸种、放种要求，均根据设计参数外购。正常工作时由系统提供负压到各吸种孔吸种；当出现有的类型种子堵塞吸孔时采用正压清种、负压吸种。

吸种盘弹性返回架组件6包括弹簧返回架及机架。弹簧返回架由卷簧及其调节装置、返回架组成。吸种盘5由厚度为5~8mm有机玻璃制成；卷弹簧为厚度0.20mm、宽度20mm、长度为1600mm的65Mn片材绕制而成，并将其一端固定安装于直径为Φ200mm的铝合金板压制而成的返回架中，返回架固定安装于机架尾部；调节装置置于返回架卷弹簧出口处，为一滚珠通过螺钉可调其与卷弹簧之间的压力，以调节吸种盘返回放种时的速度。

振动台组件4包括底座48、复位弹簧42、第一级柔性铰链放大机构45、第二级柔性铰链放大机构47、压电陶瓷叠堆46、导柱41、导套43及窄种子盘44。窄种子盘44由5mm厚度的有机玻璃粘结制成；窄种子盘44在压电陶瓷叠堆46、复位弹簧42、第一级柔性铰链放大机构45和第二级柔性铰链放大机构47等组成的压电振动台的激励下实现振动，种子产生“沸腾”运动以有利于吸种，如图3所示。两只压电陶瓷叠堆46分别安装在种子盘44两端，每只压电陶瓷叠堆额定电压200V，功率0.015kw，外形尺寸10㎜*10㎜*60㎜，标称位移60μm，最大可达78μm，最大推动力为120N，经验算满足设计振动强度要求。与该压电陶瓷叠堆相匹配的压电陶瓷专用驱动电源，输入220V/50Hz，输出-20~+300V/0~2kHz，波形：三角形波、矩形波、正弦波。压电陶瓷叠堆46的结构如图4所示，采用压电陶瓷30片10㎜*10㎜*2㎜粘接而成，可以直接购买也可自己制作。自己具体制作如下：采用具有两面涂敷（蒸发工艺）均匀的银电极的压电陶瓷片：10㎜*10㎜*2㎜*30片，将30片压电陶瓷片在力学上串联、电学上并联的设计思想将陶瓷片银电极接好，然后用胶水粘接在一起后压制封装。压电陶瓷叠堆46与位移放大机构中的第一级柔性铰链放大机构45在A、B面之间粘接装配，A、B面间采用制造公差负偏差对压电堆施加一定的机械预紧力，保证装配和振动可靠性。第二级与第一级柔性铰链结构相同。第一、二级柔性铰链放大机构的装配和压电陶瓷叠堆46与第一级柔性铰链45的装配方法相似，采用螺丝联结的方法。柔性铰链放大机构采用弹簧钢制作，弹性模量E=200，泊松比μ=0.25。复位弹簧42、导柱41、导套43组成导向定位装置。复位弹簧42起着对种子盘44的振动支持及其弹性回复等作用，弹簧外径为12mm、簧丝0.4mm、高40 mm。复位弹簧42套在导柱41外、上端与导套43相连，导套43与种子盘44装配形成导向和定位关系，限制种子盘44的运动为上下运动，同时其具有的结构刚度可以消除或减少振动台由于制造、安装等误差造成的质量偏心等缺陷产生的附加振动，防止种子向一侧偏集，工作时良好润滑。

窄种子盘44的尺寸根据播种时用的穴盘孔尺寸而定，为1~2行所播种时的穴盘孔宽度。当行间距大时取1行，小时取2行，总宽一般不超过55mm。

图5为机电控制系统12的监控系统结构示意图，主要由可编程控制器PLC、工业变频器、电磁离合制动器13及电磁离合制动器15、光电开关10和光电开关11、调速电机、行程控制开关7、速度传感器16、信号处理电路等组成。光电开关10和光电开关11分别安装在打穴机构2、播种位置处以检测穴盘的“有/到达”、“无/未到”；“有/到达”：当有穴盘到来时，则光电开关10和光电开关11的光被挡住，光电开关10和光电开关11发出一个脉冲信号，经机电控制系统12信号处理电路处理成TTL高电平、宽度为0.1ms的矩形脉冲信号送给系统，系统则根据具体控制要求通知相应的其他机构做好准备；“无/未到”：没有穴盘通过时，光电开关一直处于通光“0”电平状态，系统没有接受到信号。行程控制开关7的作用和光电开关的作用相似，主要检测吸种盘是否到播种位置，信号处理方式和光电开关相同或相似，这里不再重复。当有穴盘8通过时，机电控制系统12接受光电信号的同时查询速度传感器16采集的穴盘速度信号，将该速度信号转换成穴盘8位移量以控制打穴机构2上的电磁离合制动器13的通、断，实现打穴同步控制；另一方面该速度信号也是控制电机在穴盘8到位停止、加减速程序运行的信号，由软件程序计算处理后输出。行程控制开关7采集吸种盘5到达“播种位置”的到达信号送到机电控制系统PLC控制器中，PLC发出穴盘8减速运行、到位停止控制信号实现对穴盘8、吸种盘5的同步控制以完成“对靶”放种。总之，当检测到穴盘运动到打穴机构2下方确定打穴位置时由机电控制系统12发出控制信号实现以下工作或运动：1）接通打穴机构2的电磁离合制动器13实现打穴，穴盘在此过程中继续运动；2）与此同时接通吸种机构的电磁离合制动器15，吸种盘5完成吸种运动；3）当穴盘8运动到放种位置时触动行程开关7，穴盘8停止运动，机电控制系统12接通气力吸种部件的泄压阀泄压放种，实现精密播种。如须播种一穴多粒则由机电控制系统控制2）、3）过程多次完成即可。

其精密播种基本工艺过程如下：

第一步，搅拌、填土：首先搅拌机根据农艺要求将相应的营养基料搅拌均匀经过搅拌机上的提升机构将土料提升到育苗穴盘输送带上对穴盘实现填土；

第二步，打穴 ：在动力驱动传动系统驱动下，穴盘随穴盘输送带向前运动，同时打穴机构经由机电控制系统控制打穴头的运动，当打穴头位置与穴盘孔位置两者对应时，机电控制系统发出打穴指令将穴盘打上与所播种种子农艺要求的播种穴，穴盘继续向前运动；另一方面，在动力同步驱动传动系统的作用下，吸种盘及其气力组件经过窄种盘及其压电振动组件上方完成吸种运动，然后在吸种盘弹性返回架组件的弹性回复力作用下拉动吸种盘到放种位置，同时发出到达信号到机电控制系统；当穴盘移动到穴盘正上方放种位置时也发出相应的到达信号到机电控制系统，机电控制系统根据两个到达信号发出控制信号使气力组件泄压实现“对靶”放种，完成精密播种过程；该穴盘继续运动到后面的工序如覆土、浇水等。下一只穴盘循环以上精密播种工作过程。

Claims (5)

1.一种穴盘育苗精变量播种机，包括振动台组件（4），其特征在于：所述振动台组件（4）包括压电元件（46）和尺寸满足吸种盘1~2行孔的吸种要求的窄种子盘（44），所述压电晶体安装在窄种子盘（44）上，所述压电元件（46）外接有驱动电源。

2.根据权利要求1所述的一种穴盘育苗精变量播种机，其特征在于：所述压电元件（46）为压电陶瓷叠堆。

3.根据权利要求2所述的一种穴盘育苗精变量播种机，其特征在于：所述振动台组件还包括底座（48）、复位弹簧（42）、第一级柔性铰链放大机构（45）、第二级柔性铰链放大机构（47）、导柱（41）、导套（43），在窄种子盘（44）的两端分别安装有所述压电陶瓷叠堆（46），所述压电陶瓷叠堆（46）与第一级柔性铰链放大机构（45）的A、B面粘接，第一级柔性铰链放大机构（45）与第二级柔性铰链放大机构（47）结构相同，第一级柔性铰链放大机构（45）安装在第二级柔性铰链放大机构（47）中，导套（43）的顶端与窄种子盘（44）连接、底端与导柱（41）的顶端连接，导柱（41）的底端固定在底座（48）上；复位弹簧（42）套在所述导柱（41）外并且复位弹簧（42）上端与导套（43）相连、下端与导柱（41）相连，起着支持复位作用。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种穴盘育苗精变量播种机，其特征在于：所述窄种子盘（44）的尺寸根据播种时用的穴盘孔尺寸而定，为1~2行所播种时的穴盘孔宽度。

5.根据权利要求1所述的一种穴盘育苗精变量播种机，其特征在于：所述播种机还包括动力同步驱动传动系统（1）、吸种盘（5）、穴盘（8）、打穴机构（2）和可编程控制器PLC，所述动力同步驱动传动系统（1）包括电机和传动机构，电机通过传动机构分别与吸种盘（5）、穴盘（8）、打穴机构（2）的传动轴相连；在吸种盘（5）、打穴机构（2）的传动轴上分别装有电磁离合制动器，在穴盘（8）上安装有速度传感器（16），在打穴机构（2）、播种位置处分别安装有光电开关，在播种位置处还安装有行程控制开关（7）；所述PLC控制器接收光电开关、行程控制开关（7）和速度传感器（16）发出的信号，输出控制吸种盘（5）、穴盘（8）、打穴机构（2）的同步运动信号。

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