曾雄梅 張 燕 馬 延（.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?5708；.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 6606）

中國是世界玉米第二生產(chǎn)大國。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，至2014年，中國玉米生產(chǎn)總面積高達(dá)3 600萬hm2，并呈遞增趨勢。然而對于玉米的脫粒工藝還存在很大的技術(shù)問題。目前大部分玉米的籽粒設(shè)備都是采用傳統(tǒng)的人工上料，再利用高速旋轉(zhuǎn)的釘齒或窄板齒打擊玉米粒從而實(shí)現(xiàn)玉米粒的脫落［2］。此方法不但浪費(fèi)人力資源、降低脫粒機(jī)的使用壽命，而且對玉米籽粒的損傷極大，會大大降低玉米籽粒的發(fā)芽率。本研究擬在傳統(tǒng)的玉米脫粒機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用螺旋擠搓的原理對玉米進(jìn)行脫粒，實(shí)現(xiàn)玉米粒在損傷率最小的情況下與玉米芯分離開來，同時(shí)采用STM32對玉米的上料過程進(jìn)行自動控制，實(shí)現(xiàn)玉米全自動化的上料操作。

1 樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

螺旋擠搓式自動玉米脫粒機(jī)包括驅(qū)動傳送帶運(yùn)送玉米果穗的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、帶傳感器完成玉米脫粒的螺旋擠搓式脫粒系統(tǒng)，以及STM32控制系統(tǒng)三大部分。通過三部分的協(xié)調(diào)和配合從而實(shí)現(xiàn)全自動的玉米脫粒過程。樣機(jī)總體框架見圖1。

圖1 自動玉米脫粒機(jī)總體框架Figure 1 The general framework of automatic corn threshing

2 樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)和工作流程

樣機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖2。工作流程：① 人工將玉米果穗送入喂料斗1，在STM32的控制下喂料斗1通過合、分閘門12實(shí)現(xiàn)玉米果穗的進(jìn)料。②由喂料斗閘門進(jìn)入的玉米果穗在重力的作用下下落至傳送帶3上，當(dāng)螺旋擠搓式裝置中的傳感器6檢測到無料信號時(shí)，STM32通過控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動傳送帶運(yùn)動，將玉米果穗送入螺旋擠搓式裝置中進(jìn)行脫粒。③ 經(jīng)螺旋擠搓分離后的玉米籽粒和玉米芯分別從螺旋擠搓式裝置的不同出口排出。

3 系統(tǒng)模塊組成

3.1 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是一種輸入脈沖信號而輸出對應(yīng)的角位移或直線位移的特種電機(jī)，它通過脈沖信號的作用實(shí)現(xiàn)特定角度的旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)行速度和位移的變化可通過改變輸入脈沖的數(shù)量和頻率來實(shí)現(xiàn)［3］。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)是其可實(shí)現(xiàn)快速的啟動和制動，輸出的步矩角和轉(zhuǎn)速不受輸入電壓紋波、不同負(fù)載及環(huán)境的影響。因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中［4］。

在本系統(tǒng)中，主要結(jié)合傳感器的檢測功能，通過STM32的控制作用來操縱步進(jìn)電機(jī)。手動打開控制步進(jìn)電機(jī)上電的電源開關(guān)，當(dāng)螺旋擠搓式裝置中的傳感器檢測到無料信號時(shí)，STM32便發(fā)出信號給喂料斗中閘門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)玉米果穗的自動上料，同時(shí)STM32發(fā)出控制信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動傳送帶工作，由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度和位移的變化可通過改變輸入脈沖的數(shù)量和頻率來實(shí)現(xiàn)，所以步進(jìn)電機(jī)能精確地控制傳送帶前進(jìn)的位移和速度，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)能快速地實(shí)現(xiàn)啟動和制動，因此在步進(jìn)電機(jī)的控制下能實(shí)現(xiàn)將玉米果穗準(zhǔn)確無誤地送入螺旋擠搓式裝置中。同理，當(dāng)螺旋擠搓式裝置中的傳感器檢測到裝置中玉米果穗已滿的信號時(shí)，STM32則控制喂料斗中閘門的關(guān)合，同時(shí)制動步進(jìn)電機(jī)。在玉米脫粒機(jī)運(yùn)行過程中，步進(jìn)電機(jī)則是以此過程不斷地循環(huán)工作?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的主電路圖見圖3。

圖2 樣機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Figure 2 The general mechanical structure diagram of the prototype

圖3 控制步進(jìn)電機(jī)的主電路圖Figure 3 The main control circuit diagram of step motor

3.2 螺旋擠搓式玉米脫粒系統(tǒng)

螺旋擠搓式玉米脫粒機(jī)的主要結(jié)構(gòu)見圖4。其設(shè)計(jì)是仿照人工擠搓原理來實(shí)現(xiàn)脫粒的。它包括螺旋滾筒、浮動齒、齒籠、外殼四大主要部分［5］。螺旋滾筒3是其核心部件，螺旋滾筒上安裝有板齒，板齒的高度為13mm，兩個(gè)相鄰板齒之間的夾角為12°，齒根直徑設(shè)計(jì)為10mm，使其滿足受力要求，板齒的頂端使用圓弧過渡，以減少頂端對玉米粒損傷。板齒的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動板齒運(yùn)動，板齒推動緊貼在其上方的玉米做螺旋運(yùn)動，運(yùn)動的玉米因受到板齒施加的沿軸線方向的力而與錐形上外殼2或下外殼7充分接觸產(chǎn)生摩擦力，玉米粒因摩擦力的作用而不斷與玉米芯分離。浮動齒4與齒籠8主要用于玉米尖部和芯部殘留玉米粒的脫落。浮動齒下連接有彈簧，其能根據(jù)玉米果穗的大小改變作用空間的大小，來避免玉米籽粒被擠破和保證玉米芯的完整。齒籠對浮動齒有很好的束縛和定位作用，它能隨螺旋滾筒一起運(yùn)動并承受剪切應(yīng)力。外殼由上、下箱蓋組成，其形狀做成錐形式，兩側(cè)及上部均開有孔分別用做出料口13和進(jìn)料口1。外殼與旋滾筒一起作用實(shí)現(xiàn)玉米果穗的脫粒工作。

圖4 螺旋擠搓式玉米脫粒機(jī)的主要結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Helix crowded main structure diagram and rubbing type corn thresher

圖5 板齒結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Board of tooth structure diagram

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)軟件部分是通過編寫程序運(yùn)行于STM32上來實(shí)現(xiàn)的，STM32為本系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動、喂料斗中閘門的打開與關(guān)斷、傳感器信號的采集與處理等，同時(shí)通過輔助功能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的顯示、按鍵控制等。系統(tǒng)的總體軟件流圖見圖6。

此單片機(jī)控制系統(tǒng)是以半導(dǎo)體公司推出的STM32系列中的增強(qiáng)型STM32F103RBT6為核心芯片組成的微控制器［6］。STM32F103RBT6具有 ARM32位 Cortex－M3CPU，最高工作頻率可達(dá)72MHz，具有64個(gè)引腳，其I/O口資源豐富，可用于液晶顯示、按鍵控制等輔助功能，并具有豐富的通信接口，如SPI、USART等［7］。本系統(tǒng)中主要利用其豐富的I/O口資源，結(jié)合驅(qū)動芯片L298N控制兩相四線式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作、并完成輔助模塊如藍(lán)牙通信、按鍵控制開斷、液晶顯示工作狀態(tài)等功能。各I/O口分配見表1，主控電路見圖7。

表1 各I/O口分配表Table 1 Each I/O port allocation table

圖6 系統(tǒng)總體軟件流圖Figure 6 The overall system software flow chart

圖7 STM32主控電路Figure 7 STM32main control circuit

5 步進(jìn)電機(jī)及螺旋式玉米脫粒機(jī)主要參數(shù)

（1）步進(jìn)電機(jī)：步矩角：1.8°；額定電流：6A；額定電壓：AC 18～80V/DC 24～110V；步距精度：±5%。

（2）玉米脫粒機(jī)：額定功率：1.1kW；額定電壓：220V；額定轉(zhuǎn)速：1 400r/min；破碎率：≤1.5%（不含自然破碎）；總損失率：＜1.0%。

6 試驗(yàn)效果分析

以傳統(tǒng)的打擊式玉米脫粒機(jī)和本設(shè)計(jì)中的螺旋擠搓式自動脫粒機(jī)為操作對象進(jìn)行試驗(yàn)，分別比較兩者的籽粒破碎率、脫粒損失率、工作效率及使用成本。從數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可知，螺旋擠搓式自動脫粒機(jī)的使用改善了玉米籽粒的性能、延長了機(jī)器使用壽命（延長了1～2年），同時(shí)比起傳統(tǒng)的玉米脫粒機(jī)，此螺旋擠搓式自動脫粒機(jī)由于實(shí)現(xiàn)自動化的上料操作，減少了人力的投入，使得使用成本降低。具有市場利用價(jià)值。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)在STM32的控制下，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的特性、螺旋擠搓的工作原理及傳感器的檢測作用，設(shè)計(jì)了自動玉米脫粒機(jī)，該機(jī)械的實(shí)現(xiàn)能有效降低傳統(tǒng)玉米脫粒機(jī)造成的玉米籽粒損傷率、脫粒損失率等。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動化上料操作，大大減少了人力投入，但仍存在籽粒破碎、效率低的缺點(diǎn)，這將是該機(jī)械后續(xù)的研究方向。

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