CN111937543A - 一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置及平衡控制方法 - Google Patents
一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置及平衡控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置及平衡控制方法，属于农业智能装备领域。所述调平装置包括机架、振动种盘、倾角检测平台、可调振幅偏心连杆机构和伺服电动缸，其中振动种盘由可调振幅偏心连杆机构实现振幅调节，振动种盘下端固定的振动种盘托台通过弹簧与安装有双轴倾角传感器的倾角检测平台固定；倾角传感器采集倾角检测平台的倾斜度，并发送给主控单元，处理后输出脉冲通过伺服电机驱动器驱动伺服电动缸，完成倾角检测平台调平，从而实现振动种盘调平。本发明可对不同种子进行不同振幅的调整，提高种群沸腾效果的均匀度以及气振盘式育秧播种机的吸种率和播种效果。
Description
技术领域
本发明属于农业智能装备领域，具体涉及一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置及平衡控制方法。
背景技术
播种是农业生产过程中的重要技术环节，在育秧移栽的种植模式中播种育秧技术是直接关系到水稻生产能否实现优质、高产、高效的关键环节。播种装置是实现机械化精密播种技术的主要手段，气吸振动式精少量播种装置能够满足超级稻2±1粒/穴、高成苗率、壮秧等超级杂交稻育苗特有的农艺要求。目前气吸振动式精少量播种装置的种盘振动过程中，由于采用机械式振动方式，但在振动过程中种盘因工作环境、工作系统不稳定性以及不同的加种方式下会引起种盘不同方向和角度的偏移，使超级稻种群空间分布不均匀，影响了其吸种的稳定性，使吸种率下降。为了实现更好的播种效果，种盘在振动过程中的自动调平衡尤为重要。气振盘式育秧播种机振动种盘的倾斜角度对于种群的沸腾运动有很大的影响，进而影响到育秧机的吸种和作业效果，振动种盘的调平衡和大多数工程上的调平衡有很大的区别，振动种盘的调平衡是在种盘往复振动的同时对种盘进行调平衡，大多数工程调平衡是在静平面上进行调平衡，相比之下又复杂了很多。
现有技术中，中国专利(CN104041229A)公开了自适应斜种盘机构及控制方法，所设计的自适应斜种盘机构较为完整，能够实现种盘自适应工作，但其使用称重传感器检测种子在种盘中的分布情况来进行自适应调节，所需要的传感器较多，成本较高，且称重传感器信号易受电磁干扰影响，同时振动种盘振幅的调节在实际运用中非常重要，只能进行单一的种子播种。中国专利(CN208258373U)公开了一种可调平衡嵌入式气吸振动式精密播种装置，播种装置在结构和振动方式大大的改进了传统的播种装置，在种盘调平衡上使用分别布置在X、Y方向的两个与种盘啮合的齿轮调节种盘平衡，调平衡精度较低，且在种盘在振动过程中会受到振动力的影响。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置及平衡控制方法，实现对不同种子进行不同振幅的调整，提高气振盘式育秧播种机的吸种率和播种效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，包括机架、振动种盘、倾角检测平台、可调振幅偏心连杆机构和伺服电动缸，机架上端通过伺服电机支撑座固定伺服电动缸，伺服电动缸的丝杆穿过伺服电机支撑座与倾角检测平台固定，倾角检测平台上端固定弹簧的一端，弹簧的另一端固定振动种盘；机架中间位置通过直线轴承支撑座固定直线轴承，振动种盘底端固定连接杆一端，连接杆另一端穿过倾角检测平台与直线轴承上端形成移动副；
所述可调振幅偏心连杆机构包括交流电机、曲柄滑槽、曲柄滑块、丝杆、连杆和Y形接头；
所述直线轴承下端通过Y形接头与连杆一端转动连接，连杆另一端与曲柄滑块转动连接，曲柄滑块与丝杆配合传动，丝杆与曲柄滑槽转动连接，曲柄滑槽与交流电机的输出轴键连接。
进一步的技术方案，所述振动种盘与弹簧之间固定振动种盘托台。
进一步的技术方案，所述伺服电动缸的丝杆通过鱼眼接头与倾角检测平台底端的双耳连接头铰接。
进一步的技术方案，所述振动种盘侧面在距离盘底4cm处开有通风孔。
进一步的技术方案，所述倾角检测平台上设有双轴倾角传感器，双轴倾角传感器与主控单元信号连接，主控单元与伺服电动缸的步进电机驱动器信号连接。
更进一步的技术方案，所述弹簧另一端位于双耳连接头的中心位置。
一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置的平衡控制方法，双轴倾角传感器采集倾角检测平台平面与X0轴的夹角α、与Y0轴的夹角β，并发送给主控单元，当α或β的绝对值大于0.8°时，主控单元获取倾角检测平台各支撑点与平台几何中心的位置差，进一步获得各支撑点调整相对应的脉冲数，并发送给伺服电动缸的步进电机驱动器，进而带动振动种盘上下移动，实现振动种盘的平衡调节；所述X0轴、Y0轴为水平坐标系中两垂直坐标轴。
进一步，所述各支撑点与平台几何中心的位置差，由水平坐标系中各支撑点的纵坐标和支撑点在平台坐标系XYZ的坐标得到，具体为：所述支撑点为四个，四个支撑点与平台几何中心的位置差分别为：
其中a为X0方向上两个支撑点之间的距离，b为Y0方向上两个支撑点之间的距离。
进一步，所述脉冲数
其中m为步进电机驱动器的细分数，θ为步进电机的步距角，D为丝杆导程，i＝1、2、3、4。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果为：
(1)本发明机架上端通过伺服电机支撑座固定伺服电动缸，伺服电动缸的丝杆穿过伺服电机支撑座与倾角检测平台固定，倾角检测平台通过弹簧与振动种盘固定；伺服电动缸接收步进电机驱动器驱动信号，丝杠副产生位移，带动对应倾角检测平台上下移动，进而带动振动种盘上下移动；本发明可以实现振动种盘在振动过程自动调平衡，提高种群沸腾效果的均匀度，进而提高气振盘式育秧播种机的吸种率和播种效果。
(2)本发明机架中间位置通过直线轴承支撑座固定直线轴承，振动种盘底端固定连接杆一端，连接杆另一端穿过倾角检测平台与直线轴承上端形成移动副，直线轴承下端与可调振幅偏心连杆机构连接，通过可调振幅偏心连杆机构实现振动种盘的振幅调节，对不同种子进行不同振幅的调整。
附图说明
图1为本发明所述气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置结构示意图；
图2为本发明所述机架和曲柄连杆结构示意图；
图3为本发明所述伺服电动缸装配示意图；
图4为本发明所述倾角检测平台结构示意图；
图5为本发明所述可调振幅偏心连杆机构局部结构示意图；
图6为本发明所述伺服电动缸调平衡过程示意图；
图7为本发明所述倾角检测平台静力学模型示意图；
图8为本发明所述简化的伺服电动缸丝杆分布示意图；
图9为本发明所述振动种盘调平系统结构框图；
图10为本发明所述振动种盘调平自动控制主程序流程图。
图中：1-机架，1a-伺服电机支撑座，1b-直线轴承支撑座，2-振动种盘，3-倾角检测平台，4-可调振幅偏心连杆机构，4a-交流电机，4b-曲柄滑槽，4c-曲柄滑块，4d-丝杆，4e-连杆，4f-Y形接头，4g-滚轮螺栓轴承，5-伺服电动缸，6-弹簧，7-鱼眼接头，8-振动种盘托台，9-连接杆，10-直线轴承，11-双轴倾角传感器，12-双耳连接头。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，包括机架1、振动种盘2、倾角检测平台3、可调振幅偏心连杆机构4和伺服电动缸5；如图2所示，机架1四个拐角的杆状结构内侧均固定伺服电机支撑座1a；如图3所示，伺服电机支撑座1a下端固定伺服电动缸5，伺服电动缸5的丝杆穿过伺服电机支撑座1a，伺服电动缸5的丝杆与鱼眼接头7固定，鱼眼接头7与倾角检测平台3底端的双耳连接头12铰接，倾角检测平台3上端固定弹簧6的一端，弹簧6的另一端固定振动种盘托台8，弹簧6位于双耳连接头12中心位置；振动种盘托台8上端固定振动种盘2，振动种盘2侧面在距离盘底4cm处开有通风孔；如图2所示，机架1中间的杆状结构顶端固定直线轴承支撑座1b，直线轴承支撑座1b固定直线轴承10；振动种盘托台8底端螺栓连接连接杆9一端，连接杆9另一端穿过倾角检测平台3与直线轴承10上端形成移动副；直线轴承10下端通过Y形接头4f与连杆4e一端转动连接，连杆4e另一端与曲柄滑块4c转动连接，曲柄滑块4c与丝杆4d配合，丝杆4d通过滚轮螺栓轴承4g与曲柄滑槽4b连接，通过滚轮螺栓轴承4g转动丝杆4d，曲柄的长度l可以完成0～6cm调整，从而完成振动种盘2的振幅调节，丝杆4d通过轴承与曲柄滑槽4b转动连接，曲柄滑槽4b与交流电机4a的输出轴通过键连接。
如图4所示，倾角检测平台3上端安装有双轴倾角传感器11，双轴倾角传感器11与主控单元信号连接。伺服电动缸5工作时，接收步进电机驱动器驱动信号。
对于振动种盘2的调平衡，不同于其他平台的调平，首要是保证振动中不能出现整体移动，只能是四角向几何位置对齐，故采用“中心不动”调平法调平衡。所述“中心不动”是指在调节各支撑点连接的伺服电动缸5丝杆的长度时，保持平台几何中心P的位置不变，依次按如图6所示调整次序调节各支撑点与平台几何中心P处于同一水平高度，从而达到平台的水平状态；图6中I、II、III、IV表示四个伺服电动缸丝杆。接下来根据“三点或两条直线确定一个平面”的原理，调平衡的实质就是将两条相交直线调成水平，只要确定振动种盘2的倾角，就可以完成调平衡。在本发明中倾角检测平台3和振动种盘托台8通过弹簧6相固连，振动种盘托台8上固定振动种盘2；双轴倾角传感器11测取倾角检测平台3的倾角，即确定振动种盘2的倾角，然后通过主控单元调平后，输出控制信号，再通过依次驱动伺服电动缸5的丝杆伸出或缩回，完成振动种盘2的调平衡。接下来对振动种盘调平衡做进一步说明。
在本发明中通过倾角检测平台3调平从而带动振动种盘2调平，所以在本发明中的调平分析对象是倾角检测平台3，先对倾角检测平台3进行分析。平面ABCD上建立倾角检测平台3的平台坐标系XYZ，在工作状态下(即为需要调平时)，倾角检测平台3平面与X0的夹角为α、与Y0的夹角为β，X0Y0Z0为水平坐标系。假设在理想状态下只有转动，不考虑平面的形变等因素，对平台的调平衡可以看作是平面ABCD先绕X轴旋转α角，再绕Y轴旋转β角。由于各支撑点Li＝(Xi，Yi，0)(i＝1、2、3、4，分别表示四个支撑点)在平台坐标系中是可以获得的，只要建立平台坐标系和水平坐标系间的转换矩阵就可以知道各支撑点在水平坐标系的坐标。建立了如图7所示的倾角检测平台静力学模型示意图。
取倾角检测平台3上平面与弹簧6轴线相交的点为的支撑点，支撑点在坐标系X0Y0Z0中坐标为Li＝(Xi，Yi，0)，经过空间坐标变换，获取水平坐标系中各支撑点的坐标为L1i＝(X1i，Y1i，Z1i)，具体为：
由于倾角检测平台3的倾角比较小，一般α、β均小于5°，所以可近似的认为cosα＝1、cosβ＝1、sinα＝α、sinβ＝β；又因为Zi＝0，所以在水平坐标系中：
Z1i＝-cosβsinα·X1i-sinβ·Y1i≈α·Xi-β·Yi (2)
如图8所示，支撑点Li＝(Xi，Yi，0)在平台坐标系XYZ中的坐标为
由公式(2)和支撑点在平台坐标系XYZ的坐标，可得各支撑点与平台几何中心的位置差为：
式中：e1、e2、e3、e4(mm)分别为各支撑点与平台几何中心的位置差，a为X0方向上两个支撑点之间的距离(mm)，b为Y0方向上两个支撑点之间的距离(mm)。
伺服电动缸5由丝杠副、减速器、电机、承载套筒等组成，电机通过减速器将转矩传递给丝杆副，将电机的回转运动转换为丝杠副的直线往复运动。本实施例中，伺服电动缸5选择折返式(丝杠主轴与电机主轴在同一条线上)电动缸，电机为步进电动机。根据位置差调整步进电动机的转动，所对应的脉冲数Pi为：
式中，m为步进电机驱动器的细分数，θ为步进电机的步距角，D为丝杆导程。
自动调平衡系统组成如图9所示，主控单元选用三菱FX3uPLC，主控单元与双轴倾角传感器11通过RS板和RS指令进行数据串口通讯，双轴倾角传感器11采集倾角检测平台3平面与X0轴的夹角α、与Y0轴的夹角β，并发送给主控单元PLC，主控单元PLC根据公式(3)-(6)获取各支撑点与平台几何中心的位置差，根据公式(7)发送脉冲给步进电机驱动器，从而驱动伺服电动缸5进行调平衡。
系统的自动调平过程如图10所示，测量a、b的值并设置在主控单元PLC中；双轴倾角传感器11采集角度α和β，判断α或β的绝对值是否大于0.8°，如果是，则进行调平衡，由公式(3)-(6)计算各支撑点与平台几何中心的位置差e1、e2、e3、e4，由公式(7)计算各支撑点调整相对应的脉冲数P1、P2、P3、P4，发送脉冲给相应的步进电机，丝杠副产生位移，带动对应倾角检测平台3上下移动，进而带动振动种盘2上下移动。
一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置在使用时，通过机架1固定在气振盘式育秧播种机上，用于替代现有的振动种盘。同时将原有气振式育秧播种机的启动按钮、停机按钮和急停按钮信号写入主控单元，作为系统调平衡启动结束信号。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，其特征在于，包括机架(1)、振动种盘(2)、倾角检测平台(3)、可调振幅偏心连杆机构(4)和伺服电动缸(5)，机架(1)上端通过伺服电机支撑座(1a)固定伺服电动缸(5)，伺服电动缸(5)的丝杆穿过伺服电机支撑座(1a)与倾角检测平台(3)固定，倾角检测平台(3)上端固定弹簧(6)的一端，弹簧(6)的另一端固定振动种盘(2)；机架(1)中间位置通过直线轴承支撑座(1b)固定直线轴承(10)，振动种盘(2)底端固定连接杆(9)一端，连接杆(9)另一端穿过倾角检测平台(3)与直线轴承(10)上端形成移动副；
所述可调振幅偏心连杆机构(4)包括交流电机(4a)、曲柄滑槽(4b)、曲柄滑块(4c)、丝杆(4d)、连杆(4e)和Y形接头(4f)；
所述直线轴承(10)下端通过Y形接头(4f)与连杆(4e)一端转动连接，连杆(4e)另一端与曲柄滑块(4c)转动连接，曲柄滑块(4c)与丝杆(4d)配合传动，丝杆(4d)与曲柄滑槽(4b)转动连接，曲柄滑槽(4b)与交流电机(4a)的输出轴键连接。
2.根据权利要求1所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，其特征在于，所述振动种盘(2)与弹簧(6)之间固定振动种盘托台(8)。
3.根据权利要求1所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，其特征在于，所述伺服电动缸(5)的丝杆通过鱼眼接头(7)与倾角检测平台(3)底端的双耳连接头(12)铰接。
4.根据权利要求1所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，其特征在于，所述振动种盘(2)侧面在距离盘底4cm处开有通风孔。
5.根据权利要求1所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，其特征在于，所述倾角检测平台(3)上设有双轴倾角传感器(11)，双轴倾角传感器(11)与主控单元信号连接，主控单元与伺服电动缸(5)的步进电机驱动器信号连接。
6.根据权利要求3所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置，其特征在于，所述弹簧(6)另一端位于双耳连接头(12)的中心位置。
7.一种根据权利要求1所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置的平衡控制方法，其特征在于，双轴倾角传感器(11)采集倾角检测平台(3)平面与X0轴的夹角α、与Y0轴的夹角β，并发送给主控单元，当α或β的绝对值大于0.8°时，主控单元获取倾角检测平台(3)各支撑点与平台几何中心的位置差，进一步获得各支撑点调整相对应的脉冲数，并发送给伺服电动缸(5)的步进电机驱动器，进而带动振动种盘(2)上下移动，实现振动种盘(2)的平衡调节；所述X0轴、Y0轴为水平坐标系中两垂直坐标轴。
8.根据权利要求7所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置的平衡控制方法，其特征在于，所述各支撑点与平台几何中心的位置差，由水平坐标系中各支撑点的纵坐标和支撑点在平台坐标系XYZ的坐标得到，具体为：所述支撑点为四个，四个支撑点与平台几何中心的位置差分别为：
其中a为X0方向上两个支撑点之间的距离，b为Y0方向上两个支撑点之间的距离。
9.根据权利要求7所述的气振盘式育秧播种机振动种盘调平装置的平衡控制方法，其特征在于，所述脉冲数
其中m为步进电机驱动器的细分数，θ为步进电机的步距角，D为丝杆导程，i＝1、2、3、4。
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