CN103141187A - 一种田间育秧精密播种机机电式调平装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种田间育秧精密播种机机电式调平装置，涉及农业机械领域。该装置包括PLC控制器、控制开关盒、信号采集单元、支撑腿升降系统、报警单元和水平状态检测单元。调平时，首先观察水平仪的数值，依据相应调平方法，经PLC控制器控制伺服电机转动，进而控制支撑腿的升降，实现田间育秧播种机的准确调平。其优点是：操作简单、方便，工作安全可靠，结构紧凑，调平快速、准确，能够提高精密播种机的工作效率。

Description

一种田间育秧精密播种机机电式调平装置

技术领域

本发明涉及农业机械的精密播种机技术领域，特别涉及一种基于PLC控制器的田间育秧精密播种机机电式调平装置。

背景技术

播种是农业生产过程中的一个重要技术环节，播种机则是实现机械化精密播种的核心部件。近年来，我国超级稻种植面积不断扩大，与常规水稻相比较，超级稻具有株型高大、茎秆粗壮、分粟力强、穗大粒多等优点，均采用稀疏种植，有利于分粟发生和单株生长，形成高产群体结构，平均比常规稻每亩少栽5000～7000穴。这对播种育秧技术提出了更高的标准，要求播种精度由3～5粒/穴提高至1～2粒/穴，精密播种已成为现代播种技术的主要特征。田间育秧气吸振动盘式精密播种机是利用种盘振动使物料形成“准流体”,使种子相互分离，以便气力吸种部件完成精密播种。在种子被抛掷过程中要求振动种盘做上下振动，种子做竖直上下运动。然而由于田间工况的不同，必然存在有的地方不平整的情况，这就需要一种水平调节装置使播种机振动种盘在播种过程中保持水平状态。

本发明的调平装置是一种基于PLC控制器的机电式调平装置，采用四点支撑结构，控制其中三个支腿的升降进行调平，可以精确实现两个方向角度调节的要求。装置在调平过程中，首先在播种机振动种盘横梁上安装两角度数码水平仪，水平仪能够即时显示x、y轴两个垂直方向上的倾斜角度。依据调平规则，确定需要调节的支腿，通过控制电机的转动从而控制支腿的升降，实现播种机调平，为实现气吸振动盘式田间育秧精密播种提供条件。

发明内容

本发明的目的是要提供一种田间育秧精密播种机机电式调平装置，可实现空间二维水平度的调节，满足播种机振动种盘保持水平状态的要求。

实现本发明的技术方案为：调平装置包括PLC控制器、控制开关盒、信号采集单元、支撑腿升降系统、报警单元和水平状态检测单元。

支撑腿升降系统一共四个，与精密播种机底部横梁相连，呈矩形对称布置；支撑腿升降系统的输入端接PLC控制器输出端；支撑腿升降系统由机架连接件、紧固螺钉、伺服电机、伺服电机驱动器、支撑架、圆锥滚子轴承、上行程接近开关、移动块、塑料导轨、下行程接近开关、行走轮连接件、轴承端盖、蜗轮、紧固螺钉、金属外壳、橡胶保护套、丝杠、螺母、支撑推杆、深沟球轴承、联轴器、固定螺孔、蜗杆组成；所述机架连接件与播种机底部横梁相连，用螺栓固定；金属外壳为圆柱筒形；紧固螺钉将机架连接件固定在金属外壳上部；紧固螺钉固定在金属外壳外侧，紧固螺钉与固定螺孔相连；伺服电机为无刷直流伺服电机，采用闭环控制，内置制动器；支撑架用螺钉固定在金属外壳上，伺服电机被固定在支撑架上；伺服电机经联轴器与蜗杆相连，伺服电机驱动蜗杆转动；伺服电机驱动器输出端接伺服电机输入端；蜗杆与蜗轮组成蜗轮蜗杆减速机构，蜗杆的展开螺旋角小于蜗杆蜗轮啮合齿间的当量摩擦角，蜗轮蜗杆传动机构为具有自锁性的蜗轮蜗杆传动机构；轴与蜗轮用平键固定连接，蜗轮转动带动轴转动，轴与丝杠相连，丝杠与螺母组成丝杠螺母传动机构，丝杠伸出金属外壳外；蜗轮、轴、丝杠和螺母四者中轴线在同一条直线上；支撑推杆为空心圆筒，支撑推杆套在丝杠外，螺母与支撑推杆的上端焊接，当螺母移动时，带动支撑推杆移动；支撑推杆的下端与行走轮连接件焊接，行走轮连接件与播种机行走轮连接；橡胶保护套为圆柱筒状，橡胶保护套套在支撑推杆外，橡胶保护套的上端通过强力胶与金属外壳下端相连；塑料导轨通过支撑架固定在橡胶保护套外侧，塑料导轨的轴线与支撑推杆的轴线平行，支撑推杆下端经连接件与移动块相连；移动块放置在塑料导轨中，支撑推杆移动带动移动块在塑料导轨内移动；移动块带有磁性，在塑料导轨上下两端分别装有上行程接近开关和下行程接近开关，安装位置对应支撑推杆的上、下极限位置，上行程接近开关和下行程接近开关为霍尔接近开关，上行程接近开关和下行程接近开关通过螺钉固定在塑料导轨上，并与电机及电机供电电源串联。

所述信号采集单元由压电式压力传感器、应变式扭矩传感器及调理电路组成，所述压电式压力传感器采用贴片形式安装在支撑腿升降系统的支撑推杆下端，应变式扭矩传感器安装于所述与蜗轮连接轴和所述丝杠之间的连接处，信号采集单元的输出端连接PLC控制器的输入端；报警单元为LED灯声光报警器，报警单元的输入端连接PLC控制器的输出端；水平状态检测单元采用二维数码电子水平仪，所述二维数码电子水平仪固定在播种机振动种盘横梁上；连接所述伺服电机的驱动器输入端接PLC控制器的输出端。

所述控制开关盒连接PLC控制器，控制开关盒上有九个按钮开关和一个八位置选择旋转开关，控制开关盒输出端接PLC控制器输入端；九个按钮开关分别贴有“快升”、“慢升”、“快降”、“慢降”、“电机停止”、“调平开始”、“故障判断报警关”、“虚腿检测处理关”、“调平结束”九个标签，按钮开关全部配有LED背景灯；“快升”按钮控制支撑腿的快速上升；“慢升”按钮控制支撑腿的慢速上升；“快降”按钮控制支撑腿的快速下降；“慢降”按钮控制支撑腿的慢速下降；“调平开始”和“调平结束”按钮分别控制调平主程序的开始和结束；“故障判断报警关”按钮控制“故障判断报警”操作的结束，“虚腿检测处理关”按钮控制“虚腿检测处理”操作的结束；八位置选择旋转开关分别贴有“1号支腿”、“2号支腿”、“3号支腿”、“4号支腿”、“1、2号支腿”、“2、4号支腿”、“3、4号支腿”、“1、3号支腿”八个标签，其中旋转开关“1号支腿”位置控制“1号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“2号支腿”位置控制“2号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“3号支腿”位置控制“3号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“4号支腿”位置控制“4号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“1、2号支腿”位置控制“1、2号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“2、4号支腿”位置控制“2、4号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“3、4号支腿”位置控制“3、4号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“1、3号支腿”位置控制“1、3号支腿”等速、同方向移动。

调平装置的软件包括主程序、故障判断报警子程序、信号采集子程序、电机控制子程序、“虚腿”检测处理子程序和报警子程序。信号采集子程序用于控制压力传感器测量压力值和控制扭矩传感器测量扭矩值，报警子程序用于启动声光报警器报警。电机控制子程序通过控制伺服电机驱动器，从而控制伺服电机。主程序内容：系统自检正常后，调用故障判断报警子程序，故障判断报警操作结束后，调用“虚腿”检测处理子程序。“虚腿”检测处理操作结束后，若接收到停止指令，主程序结束，调平完成。若没有接收到停止指令，主程序返回，重新调用故障判断报警子程序，直至接收到停止指令。故障判断报警子程序通过分析扭矩数值，判断传动机构是否出现故障，并决定是否报警。“虚腿”检测处理子程序通过分析支撑腿压力数值，判断是否存在“虚腿”，并使“虚腿”正常着地。

本发明的优点在于：

（1）调平装置结构简单、操作方便、易于控制、调平时间短、精确度高。

（2）调平装置结构紧凑，采用电机驱动，工作效率高，且能适应恶劣环境下的调平。

（3）调平时，当倾斜角度大于设定值时，通过控制开关，控制支腿快速移动。当角度小于设定值时，支撑腿慢速移动，不仅缩短了调平时间，而且有利于提高调平的准确性。

（4）将机械支撑传动技术和信号采集控制技术结合在一起，增强了该装置的实用性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。  

图1是精密播种机机电式调平装置基本组成图。

图2是水平仪安装和支撑腿布局示意图。

图3是支撑腿机构结构示意图。

图4是电机及其连接件结构示意图。

图5是调平主程序流程图。

图6是故障判断报警子程序流程图。

图7是“虚腿”检测处理子程序流程图。

图中：1--机架连接件、2--紧固螺钉、3--伺服电机、4--支撑架、5--圆锥滚子轴承、6--扭矩传感器、7--上行程接近开关、8--移动块、9--塑料导轨、10--下行程接近开关、11--行走轮连接件、12--轴承端盖、13--蜗轮、14--紧固螺钉、15--金属外壳、16--橡胶保护套、17--丝杠、18--螺母、19--支撑推杆、20--压力传感器、21--深沟球轴承、22--联轴器、23--固定螺孔、24--蜗杆。

具体实施方式

如图1所示，气吸振动盘式精密播种机调平装置包括控制单元、信号采集单元、支撑腿升降系统、报警单元和水平状态检测单元。控制单元由PLC控制器及调理电路组成，PLC控制器与播种机上的24V直流电源相连；信号采集单元由压电式压力传感器20、应变式扭矩传感器6及调理电路组成。支撑腿升降系统由机架连接件1、紧固螺钉2、伺服电机驱动器、伺服电机3、支撑架4、圆锥滚子轴承5、上行程接近开关7、移动块8、塑料导轨9、下行程接近开关10、行走轮连接件11、轴承端盖12、蜗轮13、紧固螺钉14、金属外壳15、橡胶保护套16、丝杠17、螺母18、支撑推杆19、深沟球轴承21、联轴器22、固定螺孔23、蜗杆24、控制开关盒等组成；应变式压力传感器20采用贴片形式安装在支撑推杆19下端，扭矩传感器6安装于蜗轮蜗杆传动机构和丝杠螺母传动机构之间，信号采集单元输出端接PLC控制器的输入端；报警单元为LED灯声光报警器，报警单元输入端接PLC输出端；水平状态检测单元采用二维数码电子水平仪。

如图2所示，水平仪被固定在播种机振动种盘横梁上，可以即时显示x、y轴两个垂直方向上的倾斜角度α、β。采用“四点支撑”，四个支撑腿对称矩形布置。根据水平仪显示的x轴、y轴方向倾角的正负，可判定出最高支撑腿，具体判定法则如下表所示：当α>0, β>0时，最高支撑腿为2号腿；当α>0,β<0,最高支撑腿为4号腿；当α<0,β>0,最高支撑腿为1号腿；当α<0,β<0,最高支撑腿为3号腿。

图5是调平主程序流程图。按下控制开关盒上的“调平开始”按钮，主程序启动，程序初始化，直至系统自检正常。调用故障判断报警子程序，在执行故障判断报警操作的同时，操作人员根据水平仪示数，执行支撑腿升降调平操作。故障判断报警操作结束后，调用“虚腿”检测处理子程序。“虚腿”检测处理操作结束后，若按下“调平结束”按钮，调平完成。若没有按下“调平结束”按钮，系统重新进行调用故障判断报警子程序操作，直到按下“调平结束”按钮，主程序结束。

图6是故障判断报警子程序流程图。程序流程：首先调用信号采集子程序，测量传动机构扭矩，然后对扭矩值进行判断、处理。当扭矩值大于设定值时，调用电机控制子程序,使电机停转，然后调用报警子程序，声光报警器报警。当扭矩值小于或等于最大设定值时，说明传动机构无故障，不报警。故障判断报警操作会一直重复执行，直到按下“故障判断报警关”按钮，操作结束。

图7是“虚腿”检测处理子程序流程图。程序流程：首先调用信号采集子程序，测量传动机构扭矩值和支腿压力值，然后对测量值进行判断、处理。当扭矩值大于设定值时，调用电机控制子程序,使电机停转，然后调用报警子程序，声光报警器报警。当扭矩值小于或等于最大设定值时，对压力值进行判断、处理。如果压力值小于设定值时，说明支撑腿为“虚腿”，没有正常着地。调用电机控制子程序,使支撑腿下降1cm；如果压力值大于或等于设定值时，说明说明支撑腿正常着地，不进行任何操作。“虚腿”检测处理操作会一直重复执行，直到按下“虚腿检测处理关”按钮，操作结束。

具体调平过程如下：

（1）按下控制开关盒上的“调平开始”按钮，调平开始；

（2）观察水平仪的示数，结合最高支撑腿的判定法则，确定最高支撑腿。假设最高支撑腿为支撑腿1(其他支撑腿为最高点的情况相似),根据水平仪的示数,可分别进行x、y轴方向的调节。如先进行x轴方向调节,其过程为支撑腿1、3不动,支撑腿2、4同时上升相同位移,即工作系统绕支撑腿1、3为轴线旋转。支撑腿2、4同时上升,时刻观察水平仪示数，直至|α| <4°,此时可认为x轴呈水平状态。这个过程分为粗调和精调,即当X轴方向倾斜角度|α| >10°时，系统粗调，八位置选择旋转开关旋转到“2、4号腿”位置，按动“快升”按钮。此时，支撑腿的动作速度较快;当X轴方向倾斜角度|α|<10°时,系统精调, 按动“慢升”按钮，支撑腿的动作速度较慢。当|α| <4°时，按下控制开关盒上的“电机停止”按钮，支撑腿停止运动，此时可认为x轴呈水平状态。y轴方向调节与x轴方向调节类似，其过程为支撑腿1、2不动,支撑腿3、4同时上升相同位移,即工作系统绕支撑腿1、2为轴线旋转。支撑腿3、4同时上升,时刻观察水平仪示数，直至|β| <4°,此时可认为y轴呈水平状态，该过程也分为粗调和精调。当x轴、y轴都呈水平状态时，可认为此时播种机已调平。调平过程中如果出现声光报警器报警,则要停机找出故障的原因，予以修复；

（3）按下“故障判断报警关”按钮，“虚腿”检测处理操作开始。如果支腿下降，说明存在“虚腿”，当各支腿静止不动时，按下“虚腿检测处理关”按钮，“虚腿”检测处理操作结束。此过程中如果出现声光报警器报警,则要停机找出故障的原因，予以修复；

（4）观察水平仪示数，如果由于各支腿之间的耦合或其它原因，导致播种机振动种盘又发生倾斜。则重复进行（2）、（3）操作，直至满足调平标准；

（5）按下控制开关盒上的“调平结束”按钮，调平结束。

基于PLC控制器的田间育秧精密播种机机电式调平装置，能够满足精密播种机振动种盘调水平的要求，为实现气吸振动盘式田间育秧精密播种提供条件。该装置操作方便、调平准确、调平时间短且精度较高，能实现恶劣环境下调水平的要求，还可以应用于其他的调平场合。

Claims (2)

1.一种田间育秧精密播种机机电式调平装置，其特征在于：包括PLC控制器、控制开关盒、信号采集单元、支撑腿升降系统、报警单元和水平状态检测单元；

支撑腿升降系统一共四个，与精密播种机底部横梁相连，呈矩形对称布置；支撑腿升降系统的输入端接PLC控制器输出端；支撑腿升降系统由机架连接件（1）、紧固螺钉（2）、伺服电机（3）、伺服电机驱动器、支撑架（4）、圆锥滚子轴承（5）、上行程接近开关（7）、移动块（8）、塑料导轨（9）、下行程接近开关（10）、行走轮连接件（11）、轴承端盖（12）、蜗轮（13）、紧固螺钉（14）、金属外壳（15）、橡胶保护套（16）、丝杠（17）、螺母（18）、支撑推杆（19）、深沟球轴承（21）、联轴器（22）、固定螺孔（23）、蜗杆（24）组成；所述机架连接件（1）与播种机底部横梁相连，用螺栓固定；金属外壳(15)为圆柱筒形；紧固螺钉(2)将机架连接件(1)固定在金属外壳(15)上部；紧固螺钉(14)固定在金属外壳(15)外侧，紧固螺钉(14)与固定螺孔(23)相连；伺服电机(3)为无刷直流伺服电机，采用闭环控制，内置制动器；支撑架(4)用螺钉固定在金属外壳(15)上，伺服电机(3)被固定在支撑架（4）上；伺服电机（3）经联轴器（22）与蜗杆（24）相连，伺服电机（3）驱动蜗杆（24）转动；伺服电机驱动器输出端接伺服电机（3）输入端；蜗杆（24）与蜗轮（13）组成蜗轮蜗杆减速机构，蜗杆（24）的展开螺旋角小于蜗杆蜗轮啮合齿间的当量摩擦角，蜗轮蜗杆传动机构为具有自锁性的蜗轮蜗杆传动机构；轴与蜗轮（13）用平键固定连接，蜗轮（13）转动带动轴转动，轴与丝杠（17）相连，丝杠（17）与螺母（18）组成丝杠螺母传动机构，丝杠（17）伸出金属外壳（15）外；蜗轮（13）、轴、丝杠（17）和螺母（18）四者中轴线在同一条直线上；支撑推杆（19）为空心圆筒，支撑推杆（19）套在丝杠（17）外，螺母（18）与支撑推杆（19）的上端焊接，当螺母（18）移动时，带动支撑推杆（19）移动；支撑推杆（19）的下端与行走轮连接件（11）焊接，行走轮连接件（11）与播种机行走轮连接；橡胶保护套（16）为圆柱筒状，橡胶保护套（16）套在支撑推杆（19）外，橡胶保护套（16）的上端通过强力胶与金属外壳（15）下端相连；塑料导轨（9）通过支撑架固定在橡胶保护套（16）外侧，塑料导轨（9）的轴线与支撑推杆（19）的轴线平行，支撑推杆（19）下端经连接件与移动块（8）相连；移动块（8）放置在塑料导轨（9）中，支撑推杆（19）移动带动移动块（8）在塑料导轨（9）内移动；移动块（8）带有磁性，在塑料导轨（9）上下两端分别装有上行程接近开关（7）和下行程接近开关（10），安装位置对应支撑推杆（19）的上、下极限位置，上行程接近开关（7）和下行程接近开关（10）为霍尔接近开关，上行程接近开关（7）和下行程接近开关（10）通过螺钉固定在塑料导轨（9）上，并与电机及电机供电电源串联；

所述信号采集单元由压电式压力传感器（20）、应变式扭矩传感器（6）及调理电路组成，所述压电式压力传感器（20）采用贴片形式安装在支撑腿升降系统的支撑推杆（19）下端，应变式扭矩传感器（6）安装于所述与蜗轮连接轴和所述丝杠（17）之间的连接处，信号采集单元的输出端连接PLC控制器的输入端；报警单元为LED灯声光报警器，报警单元的输入端连接PLC控制器的输出端；水平状态检测单元采用二维数码电子水平仪，所述二维数码电子水平仪固定在播种机振动种盘横梁上；连接所述伺服电机（3）的驱动器输入端接PLC控制器的输出端；所述控制开关盒连接PLC控制器。

2.根据权利要求1所述的一种田间育秧精密播种机机电式调平装置，其特征在于，所述控制开关盒上有九个按钮开关和一个八位置选择旋转开关，控制开关盒输出端接PLC控制器输入端；九个按钮开关分别贴有“快升”、“慢升”、“快降”、“慢降”、“电机停止”、“调平开始”、“故障判断报警关”、“虚腿检测处理关”、“调平结束”九个标签，按钮开关全部配有LED背景灯；“快升”按钮控制支撑腿的快速上升；“慢升”按钮控制支撑腿的慢速上升；“快降”按钮控制支撑腿的快速下降；“慢降”按钮控制支撑腿的慢速下降；“调平开始”和“调平结束”按钮分别控制调平主程序的开始和结束；“故障判断报警关”按钮控制“故障判断报警”操作的结束，“虚腿检测处理关”按钮控制“虚腿检测处理”操作的结束；八位置选择旋转开关分别贴有“1号支腿”、“2号支腿”、“3号支腿”、“4号支腿”、“1、2号支腿”、“2、4号支腿”、“3、4号支腿”、“1、3号支腿”八个标签，其中旋转开关“1号支腿”位置控制“1号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“2号支腿”位置控制“2号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“3号支腿”位置控制“3号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“4号支腿”位置控制“4号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“1、2号支腿”位置控制“1、2号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“2、4号支腿”位置控制“2、4号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“3、4号支腿”位置控制“3、4号支腿”等速、同方向移动；旋转开关“1、3号支腿”位置控制“1、3号支腿”等速、同方向移动。

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