邢潔潔，徐麗明，袁全春，段壯壯，馬 帥，于暢暢

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馬齒型玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邢潔潔，徐麗明※，袁全春，段壯壯，馬 帥，于暢暢

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為了實(shí)現(xiàn)玉米種子的定向定距輸出，該文設(shè)計(jì)了一種玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置，并對(duì)其定向定距原理進(jìn)行了分析。該裝置包括側(cè)立排序機(jī)構(gòu)和定向定距機(jī)構(gòu)2部分。側(cè)立排序機(jī)構(gòu)能夠?qū)Τ啥延衩追N子進(jìn)行分散、排序輸送、分選和姿態(tài)變換使之變?yōu)橐涣谐蕚?cè)立姿態(tài)排序的玉米種子，定向定距機(jī)構(gòu)能夠?qū)?cè)立姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行定向和定距，使其尖端統(tǒng)一朝前、相鄰種子之間間距一致，然后排序輸出。以側(cè)立喂入軌道的傾角、振幅1、定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度和側(cè)立輸出軌道的振幅2為因素，以玉米種子的定向定距成功率和定距間距為指標(biāo)，對(duì)定向定距機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到最佳工作參數(shù)：為3°、1為0.3 mm、為30 °/s、2為0.3 mm。搭建玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明在最佳工作參數(shù)下該裝置工作穩(wěn)定，玉米種子定向定距成功率為90.7%，定距間距平均為45 mm。該研究為后續(xù)機(jī)械化玉米定向播種提供了參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；農(nóng)作物；玉米種子；側(cè)立姿態(tài)；定向；定距

0 引 言

玉米是中國重要的糧食作物，玉米定向播種能夠控制玉米種子的入土方位，使玉米植株葉片展開方向和果穗生長方向一致，有效改善作物在田間的光照和通風(fēng)情況，在此基礎(chǔ)上可以合理提高種植密度，以達(dá)到提高玉米單產(chǎn)的目的，并提高機(jī)械化收獲水平[1-4]。玉米種子的定向定距輸出和胚面動(dòng)態(tài)連續(xù)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化玉米定向播種的關(guān)鍵，而玉米種子的定向定距輸出又是玉米種子胚面動(dòng)態(tài)連續(xù)識(shí)別的基礎(chǔ)，因此玉米種子的定向定距輸出技術(shù)十分重要。但是目前國內(nèi)外關(guān)于玉米種子定向定距的研究較少，還沒有成熟的實(shí)現(xiàn)方案。徐麗明等[5-7]提出了一種玉米種子定向方法，可以實(shí)現(xiàn)玉米種子尖端統(tǒng)一朝前，并對(duì)定向方法進(jìn)行理論分析，但是無法對(duì)玉米種子進(jìn)行定距處理；劉聞鐸等[8]發(fā)明了一種定向種子塊制造設(shè)備，通過對(duì)穗選后的種穗種子排列條上涂粘結(jié)劑后脫粒取出種子條或使用種條鏟刀切下種子條用來制作玉米種子定向種塊，這種方法能較好地保持玉米生物學(xué)特性排列順序、無需進(jìn)行玉米胚面識(shí)別，但對(duì)玉米穗規(guī)格質(zhì)量要求較高，且依賴手工作業(yè)，效率低，鏟種時(shí)玉米籽粒損傷嚴(yán)重；趙學(xué)觀等[9]設(shè)計(jì)了玉米籽粒吸附擺放機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)定向播種的方法之一，但其前提是實(shí)現(xiàn)玉米種子的定向和定距。

在電磁振動(dòng)作用下，半馬齒長扁平型的玉米種子以平躺（水平）姿態(tài)被輸送時(shí)，尖端朝向是隨機(jī)無規(guī)律的[10]，而以側(cè)立姿態(tài)被輸送時(shí)，受自身形狀特點(diǎn)的影響，玉米種子只會(huì)有尖端朝前和尖端朝后2種自然狀態(tài)，且當(dāng)輸送軌道傾斜角度較小時(shí)，玉米種子能以這2種狀態(tài)穩(wěn)定地向前運(yùn)輸[5-7]。所以對(duì)側(cè)立姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行定向和定距會(huì)比較簡單，只需要通過某種方法將尖端朝后的玉米種子也變?yōu)榧舛顺埃瑫r(shí)對(duì)玉米種子進(jìn)行間距固定處理，即可實(shí)現(xiàn)玉米種子的定向和定距。

為了實(shí)現(xiàn)玉米種子的定向定距輸出，本研究以半馬齒長扁平型的玉米種子為研究和工作對(duì)象，在電磁振動(dòng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置，該裝置首先對(duì)成堆玉米種子進(jìn)行分散、排序和側(cè)立姿態(tài)變換，使之變?yōu)橐涣谐蕚?cè)立姿態(tài)排序的玉米種子，之后對(duì)側(cè)立姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行定向和定距，使其尖端統(tǒng)一朝前、且相鄰種子之間間距一致，然后排序輸出。利用ADAMS對(duì)該裝置的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化試驗(yàn)得到最佳工作參數(shù)，搭建玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)，以期為后續(xù)玉米種子的胚面識(shí)別、定向包裝以及機(jī)械化玉米定向播種提供參考。

1 玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置的設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本研究以鄭丹958玉米種子為對(duì)象，分級(jí)處理后選取半馬齒長扁平型的種子。隨機(jī)抽取100顆進(jìn)行測量，外形尺寸（長、寬、厚）分別在[11.5 mm，8.4 mm]，[9.4 mm，7.8 mm]，[5.3 mm，4.4 mm]區(qū)間內(nèi)。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種適用于玉米種子的定向定距裝置（圖1），該裝置可分為3部分：側(cè)立排序機(jī)構(gòu)、定向定距機(jī)構(gòu)和機(jī)架，其中定向定距機(jī)構(gòu)是該裝置的關(guān)鍵。

1. 圓周電磁振動(dòng)器 2.料斗 3.直線電磁振動(dòng)器1 4.支座1 5.步進(jìn)電機(jī) 6.定向定距功能模塊 7.底座 8.直線電磁振動(dòng)器2 9.支座2 10.機(jī)架

1.1.1 側(cè)立排序機(jī)構(gòu)

玉米種子在進(jìn)入定向定距機(jī)構(gòu)之前要求玉米種子呈側(cè)立姿態(tài)，并且玉米種子之間不能產(chǎn)生擁擠或交叉，根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)側(cè)立排序機(jī)構(gòu)。圓周電磁振動(dòng)料斗可以對(duì)成堆物料進(jìn)行分散和排序輸送[10-14]，本研究在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了側(cè)立排序機(jī)構(gòu)，包括圓周電磁振動(dòng)器和能對(duì)玉米種子進(jìn)行側(cè)立排序的料斗2部分。料斗的設(shè)計(jì)如圖2所示，料斗壁內(nèi)側(cè)有螺旋上升軌道，料斗壁外側(cè)有分選軌道和側(cè)立姿態(tài)變化軌道，螺旋上升軌道、分選軌道和側(cè)立姿態(tài)變化軌道的最大圓周半徑分別為125、156和168 mm，螺旋上升軌道螺距為25 mm[12]。

1. 料斗壁 2.料斗底面 3.螺旋上升軌道 4.限高刮板 5.過渡軌道 6.分選軌道 7.廢料排出口 8.分選缺口 9.限厚刮板 10.回料盒 11.側(cè)立姿態(tài)變化軌道 12.玉米種子 13.防擁擠區(qū)1 14.防擁擠區(qū)2

螺旋上升軌道寬9 mm，確保玉米種子只能單列向上輸送，上升軌道末端安裝有限高刮板，調(diào)節(jié)高度為7 mm，能夠?qū)⒍询B的、豎立的以及側(cè)立的玉米種子刮下掉入料斗中，確保從螺旋上升軌道末端輸出的玉米種子為單層，且呈水平姿態(tài)。

分選軌道上有分選缺口和限厚刮板，分選缺口形狀為由內(nèi)往外逐漸增大的“V”形（圖2b），尺寸正常的長扁平型玉米種子能順利通過該缺口，而尺寸偏小或形狀不規(guī)則的異形玉米種子則會(huì)從缺口處掉落，最后由廢料排出口排出機(jī)構(gòu)外；限厚刮板的高度可調(diào)，本研究設(shè)定為6 mm，目的是將厚度大于6 mm的異形玉米種子刮下掉落到廢料排出口。由分選軌道輸出的玉米種子進(jìn)入側(cè)立姿態(tài)變化軌道。

側(cè)立姿態(tài)變化軌道結(jié)構(gòu)如圖3所示，為一段1/4圓弧的“U”形軌道，軌道內(nèi)寬6 mm（只允許單列玉米種子通過），高10 mm，軌道截面沿圓弧順時(shí)針扭轉(zhuǎn)90°，由水平逐漸變?yōu)樨Q直。玉米種子以水平姿態(tài)進(jìn)入側(cè)立姿態(tài)變化軌道，在輸送的過程中隨著軌道的扭轉(zhuǎn)進(jìn)行姿態(tài)變換，最后變?yōu)閭?cè)立。

圖3 側(cè)立姿態(tài)變化軌道結(jié)構(gòu)示意圖

過渡軌道和分選軌道因軌道寬度不同，在連接處形成防擁擠區(qū)1，分選軌道和側(cè)立姿態(tài)變化軌道因軌道半徑不同在連接處形成防擁擠區(qū)2。防擁擠區(qū)的作用是：當(dāng)前方軌道上的玉米種子發(fā)生擁擠時(shí)，防擁擠區(qū)上的玉米種子就會(huì)脫離軌道，進(jìn)而緩解擁擠，防止玉米種子因相互擁擠在分選軌道上發(fā)生錯(cuò)誤分選，或在側(cè)立姿態(tài)變換軌道上產(chǎn)生側(cè)立交叉。

在圓周電磁振動(dòng)器的作用下，成堆玉米種子在料斗中經(jīng)過分散、排序輸送、分選和姿態(tài)變換過程后，變?yōu)橐涣谐蕚?cè)立姿態(tài)排序的玉米種子，之后進(jìn)入定向定距機(jī)構(gòu)。

1.1.2 定向定距機(jī)構(gòu)

剛進(jìn)入定向定距機(jī)構(gòu)的呈側(cè)立姿態(tài)的玉米種子有2種狀態(tài)：尖端朝前或尖端朝后。定向定距機(jī)構(gòu)能夠?qū)?cè)立姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行定向和定距作用，使其尖端統(tǒng)一朝前，且相鄰種子之間間距一致，然后排序輸出。該機(jī)構(gòu)主要由直線電磁振動(dòng)器、支座、底座、步進(jìn)電機(jī)、側(cè)立喂入軌道、定向定距轉(zhuǎn)盤、左右側(cè)板、側(cè)立輸出軌道等組成，其中側(cè)立喂入軌道、定向定距轉(zhuǎn)盤、左右側(cè)板和側(cè)立輸出軌道4部分組成定向定距功能模塊（圖4），該模塊是定向定距機(jī)構(gòu)的核心。側(cè)立喂入軌道和側(cè)立輸出軌道的截面尺寸與側(cè)立姿態(tài)變換軌道一致，只允許單列玉米種子側(cè)立通過，2個(gè)軌道分別安裝在2個(gè)直線電磁振動(dòng)器的支座上，傾斜角度可調(diào)。側(cè)立輸出軌道分為前后2段，2段之間有個(gè)4 mm高的臺(tái)階[6-7]。定向定距轉(zhuǎn)盤直徑110 mm、厚5 mm，圓周上均勻分布有若干個(gè)定向定距型孔（下文簡稱型孔）。定向定距轉(zhuǎn)盤平行處于左右側(cè)板正中間，2個(gè)側(cè)板間距與軌道內(nèi)寬一致（6 mm）。由步進(jìn)電機(jī)（35步進(jìn)電機(jī)）帶動(dòng)其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可調(diào)。

1.定向定距轉(zhuǎn)盤 2.側(cè)立喂入軌道 3.玉米種子 4.左右側(cè)板 5.型孔 6.側(cè)立輸出軌道

由側(cè)立排序機(jī)構(gòu)輸出的呈側(cè)立姿態(tài)的玉米種子首先排序進(jìn)入側(cè)立喂入軌道，在直線電磁振動(dòng)的作用下平穩(wěn)地輸送到定向定距轉(zhuǎn)盤入口處，經(jīng)過定向作用，玉米種子以尖端朝上的狀態(tài)依次進(jìn)入型孔，之后隨著轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在側(cè)立輸出軌道入口處以尖端朝前的狀態(tài)依次滑出型孔，經(jīng)過定距作用，玉米種子之間間距一致，最后在直線電磁振動(dòng)的作用下由側(cè)立輸出軌道進(jìn)行輸出，輸出的玉米種子尖端統(tǒng)一朝前，且間距一致。

1.2 定向定距原理

定向定距機(jī)構(gòu)在對(duì)側(cè)立姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米種子的定向和定距。定向定距機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)其功能需要理想的工作狀態(tài)，即工作參數(shù)要恰當(dāng)。該機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)包括：側(cè)立喂入軌道的傾角、定向定距轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速以及側(cè)立喂入軌道和側(cè)立輸出軌道的振幅（即2個(gè)直線電磁振動(dòng)器的振幅）。

1.2.1 定向原理

定向定距轉(zhuǎn)盤上的型孔是依據(jù)半馬齒長扁平型玉米種子的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)的，1個(gè)型孔只能容納1顆玉米種子，且玉米種子在型孔中隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)搖晃擺動(dòng)。定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面經(jīng)過特殊處理，比較粗糙。側(cè)立姿態(tài)的玉米種子與轉(zhuǎn)盤圓周表面產(chǎn)生摩擦的部位主要是尖端和主體的周邊輪廓（見圖5）。玉米種子尖端的材質(zhì)與玉米芯[15-16]類似，主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，尖端表面粗糙，與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面之間的摩擦系數(shù)較大；主體材質(zhì)主要是角質(zhì)胚乳[17-18]，表面是光滑的種皮，與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面之間的摩擦系數(shù)較小。

1.尖端 2.主體 3.主體的周邊輪廓

調(diào)節(jié)直線振動(dòng)器的振幅使側(cè)立喂入軌道中的玉米種子不會(huì)相互擁擠，受自身形狀特點(diǎn)（半馬齒長扁平型）的影響，此時(shí)側(cè)立的玉米種子只有尖端朝前和尖端朝后2種狀態(tài)。玉米種子接觸到定向定距轉(zhuǎn)盤的圓周表面時(shí)，轉(zhuǎn)盤開始低速轉(zhuǎn)動(dòng)，利用玉米種子的質(zhì)心偏移特性，在定向定距轉(zhuǎn)盤、側(cè)立喂入軌道以及后邊玉米種子的共同作用下，準(zhǔn)備進(jìn)入型孔的尖端朝前的玉米種子會(huì)發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使尖端朝上，而尖端朝后的玉米種子則會(huì)保持原有狀態(tài)不變，這樣2種狀態(tài)的玉米種子都會(huì)以尖端朝上的狀態(tài)進(jìn)入型孔中，之后隨定向定距轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)被帶到側(cè)立輸出軌道入口處時(shí)，在自身重力的作用下，以尖端朝前的狀態(tài)依次滑出型孔，進(jìn)入側(cè)立輸出軌道并在保持尖端朝前的狀態(tài)向前傳輸，實(shí)現(xiàn)使玉米種子尖端統(tǒng)一朝前的定向功能（圖4）。玉米種子定向過程的關(guān)鍵在于使玉米種子順利地以尖端朝上的狀態(tài)進(jìn)入到型孔中。

本文假設(shè)定向定距機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)理想，通過分析玉米種子在側(cè)立面（平行于定向定距轉(zhuǎn)盤平面）上的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來具體描述定向原理。

以玉米種子A為例進(jìn)行分析，在完全進(jìn)入型孔前，玉米種子A都處于動(dòng)不平衡狀態(tài)，除了自身重力外，還受到側(cè)立喂入軌道底面對(duì)其的激振力、定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面對(duì)其的推力1與摩擦力1，以及后邊玉米種子對(duì)其的推力2與摩擦力2，令1與1的合力為1，2與2的合力為2。玉米種子A尖端朝前時(shí)，其受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

0（轉(zhuǎn)盤剛開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)）時(shí)刻，玉米種子A與側(cè)立喂入軌道底面的接觸點(diǎn)為0，種子尖端與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面接觸。玉米種子A有繞點(diǎn)0順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩大小為

根據(jù)玉米種子的質(zhì)心偏移特性可知，重力作用線在點(diǎn)0右側(cè)，有利于玉米種子繞點(diǎn)0順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于玉米種子尖端與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面之間的摩擦系數(shù)較大，造成定向定距轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)種子A的摩擦力1較大，使1也較大。此時(shí)轉(zhuǎn)矩大于零，玉米種子將沿著側(cè)立喂入軌道底面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并在電磁振動(dòng)的作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。

1時(shí)刻，玉米種子A與側(cè)立喂入軌道底面的接觸點(diǎn)為1，種子主體的周邊輪廓與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面接觸，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩大小為

重力作用線在點(diǎn)1左側(cè)，但是力臂3很短，對(duì)玉米種子繞點(diǎn)1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)無作用，甚至有阻礙作用。由于種子主體的周邊輪廓與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面之間的摩擦系數(shù)較小，造成定向定距轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)種子A的摩擦力1較小，使1也較小，另外，對(duì)比圖6a和6b可知，相比0時(shí)刻，此時(shí)1和3都減小了，但1減小的幅度更大。由于以上原因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小甚至等于零，玉米種子將繼續(xù)沿著側(cè)立喂入軌道底面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或保持該動(dòng)作不變。

1. 定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面 2.側(cè)立喂入軌道底面 3.玉米種子A 4.型孔

1. Circumferential surface of directional and fixed-distance turntable 2.Bottom of lateral feeding orbit 3.Corn seed A 4.Hole

注 ：為玉米種子A的質(zhì)量，g；g為玉米種子A的重力，N；為側(cè)立喂入軌道底面對(duì)玉米種子A的激振力，N；1和1分別為來自定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面的摩擦力和推力，N；2和2分別為來自后邊玉米種子的摩擦力和推力，N；1為1與1的合力，N；2為2與2的合力，N；0和1分別為0和1時(shí)刻玉米種子A與側(cè)立喂入軌道底面的接觸點(diǎn)；1、2和3分別為1、2和距接觸點(diǎn)的力臂，mm；為玉米種子A的順時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩，N·mm；為定向定距轉(zhuǎn)盤圓周的角速度，(°)·s-1；為側(cè)立喂入軌道的傾角，(°)。

Note:is the quality of corn seed A, g;g is the gravity of corn seed A, N;is the vibration force acted on corn seed A form the bottom of lateral feeding orbit, N;1and1respectively are the friction and thrust from the circumferential surface of directional and fixed-distance turntable, N;2and2respectively are the friction and thrust from behind corn seeds, N;1is the resultant force of1and1, N;2is the resultant force of2and2, N;0and1respectively are the contact point between corn seed A and bottom of lateral feeding orbit at0and1;1,2and3respectively are the arm of force from1,2andto the contact point, mm;isthe clockwise torque of corn seed A, N·mm;is the angular velocity of directional and fixed-distance turntable, (°)·s-1;is inclination angle of lateral feeding orbit, (°).

圖6 玉米種子A尖端朝前時(shí)的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

Fig.6 Force and motion state of corn seed A when its tip faces forward

2時(shí)刻，定向定距轉(zhuǎn)盤的型孔轉(zhuǎn)到玉米種子A的下方，種子A以尖端朝上的狀態(tài)開始慢慢進(jìn)入型孔，3時(shí)刻玉米種子A完全進(jìn)入型孔，尖端朝上。玉米種子A尖端朝后時(shí)，其受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。

0時(shí)刻，玉米種子A與側(cè)立喂入軌道底面的接觸點(diǎn)為3，種子主體的周邊輪廓與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面接觸，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩大小為

重力作用線在點(diǎn)0￠左側(cè)，且力臂3較長，對(duì)玉米種子繞點(diǎn)0￠順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)阻礙作用較大。由于玉米種子周邊輪廓與定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面之間的摩擦力1較小，使1也較小。此時(shí)轉(zhuǎn)矩小于0，玉米種子將保持該動(dòng)作不變。

1時(shí)刻，種子A以尖端朝后的姿態(tài)開始慢慢進(jìn)入型孔，2時(shí)刻玉米種子A完全進(jìn)入型孔，尖端朝上。

注： O0￠為t0時(shí)刻玉米種子A與側(cè)立喂入軌道底面的接觸點(diǎn)。

由以上分析可知，當(dāng)定向定距機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)理想時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)入型孔的玉米種子無論是尖端朝前還是尖端朝后，都會(huì)以尖端朝上的狀態(tài)進(jìn)入到型孔中。

側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅對(duì)玉米種子在側(cè)立喂入軌道中的受力情況影響較大，傾角主要影響玉米種子在定向過程中重力作用線與接觸點(diǎn)的位置關(guān)系；振幅則會(huì)影響激振力和摩擦力的大小[19-22]，表現(xiàn)為：振幅增大會(huì)使激振力增大，而激振力增大會(huì)使定向定距轉(zhuǎn)盤對(duì)玉米種子A的推力和摩擦力也增大，即1增大。結(jié)合式（1）、式（2）、式（3）進(jìn)一步分析各工作參數(shù)對(duì)玉米種子定向過程的影響：傾角和振幅越大，無論尖端朝前還是尖端朝后，玉米種子A的順時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩都會(huì)增大，即種子越容易發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至?xí)痪砥鸬舫鰝?cè)立喂入軌道。由于玉米種子進(jìn)入和滑出型孔都需要一定的時(shí)間，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速過快可能會(huì)造成玉米種子沒有足夠的時(shí)間進(jìn)入或滑出型孔，甚至造成卡種現(xiàn)象。

所以當(dāng)工作參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)入型孔的尖端朝前的玉米種子可能無法產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而尖端朝后的玉米種子卻可能產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)，最后以尖端朝下的狀態(tài)進(jìn)入型孔，甚至一些玉米種子可能會(huì)被卷起從而無法順利進(jìn)入型孔，造成定向失敗。對(duì)于以尖端朝下的狀態(tài)進(jìn)入型孔的玉米種子，當(dāng)被帶到側(cè)立輸出軌道入口處時(shí)，會(huì)有2種運(yùn)動(dòng)情況：①隨著定向定距轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后掉落在機(jī)構(gòu)外；②以尖端朝后的狀態(tài)進(jìn)入到側(cè)立輸出軌道中。針對(duì)第2種情況，利用側(cè)立輸出軌道中間的臺(tái)階能對(duì)玉米種子進(jìn)行第2次定向作用[6-7]，可以使部分定向失敗的玉米種子（尖端朝后）在經(jīng)過這個(gè)臺(tái)階時(shí)，通過翻轉(zhuǎn)變成尖端朝前的狀態(tài)，而定向成功的玉米種子（尖端朝前）可以維持原有狀態(tài)直接通過。

1.2.2 定距原理

定向定距轉(zhuǎn)盤圓周上的型孔是均勻分布的，且轉(zhuǎn)盤是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的（假設(shè)角速度為），因此相鄰2顆玉米種子先后進(jìn)入側(cè)立輸出軌道的時(shí)間間隔（）是固定的；調(diào)節(jié)直線振動(dòng)器的振幅可以使玉米種子在軌道中以某一特定的傳輸速度前進(jìn)[23-25]。即，當(dāng)后1顆玉米種子進(jìn)入側(cè)立喂入軌道時(shí)，前1顆玉米種子已經(jīng)以速度前進(jìn)了一段時(shí)間（），使相鄰玉米種子之間形成固定的間距（定距間距），實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米種子的定距功能。假設(shè)定向定距轉(zhuǎn)盤圓周上的型孔數(shù)量為，則

其中設(shè)定=8，由式（5）可知，通過改變定向定距轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速或側(cè)立輸出軌道的振幅都可以對(duì)玉米種子的定距間距進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 定向定距機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)

定向定距機(jī)構(gòu)是玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的關(guān)鍵，玉米種子的定向定距成功率和定距間距是判斷定向定距機(jī)構(gòu)工作性能的標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)立玉米種子能順利地以尖端朝上的狀態(tài)進(jìn)入型孔，并以尖端朝前的狀態(tài)滑出型孔，即代表玉米種子定向定距成功。上文對(duì)該機(jī)構(gòu)定向定距原理的分析屬于定性分析，無法得到最佳工作參數(shù)，因此采用ADAMS仿真軟件[26-27]對(duì)定向定距機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到最佳工作參數(shù)，優(yōu)化定向定距機(jī)構(gòu)，為實(shí)際裝置的制作提供參考依據(jù)。

2.1 仿真模型的建立

定向定距機(jī)構(gòu)工作時(shí)，只有定向定距功能模塊與玉米種子直接接觸，因此本研究在建立仿真模型時(shí)可以對(duì)定向定距機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，只建立定向定距功能模塊的模型，然后為運(yùn)動(dòng)的部件添加合適的驅(qū)動(dòng)來模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)[7]和[25]的建模方法，首先運(yùn)用Solidworks軟件建立等比例的定向定距功能模塊裝配體模型，然后導(dǎo)入ADAMS仿真軟件，利用ADAMS的約束功能為各部件添加相關(guān)運(yùn)動(dòng)副，比如為固定的部件添加固定副，為旋轉(zhuǎn)部件添加旋轉(zhuǎn)副等。由于玉米種子尖端和主體的周邊輪廓材質(zhì)不同對(duì)玉米種子的定向影響較大，所以將玉米種子尖端與主體進(jìn)行分塊建模，賦予不同的材質(zhì)。玉米種子與定向定距功能模塊相關(guān)部件之間、不同玉米種子之間均添加接觸力[7]（每顆玉米種子需添加14個(gè)接觸力），玉米種子的尖端和主體與定向定距轉(zhuǎn)盤之間的摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.5和0.35。玉米種子越多，接觸力越多，模型越復(fù)雜，仿真越容易出錯(cuò)。為了降低出錯(cuò)概率，每個(gè)仿真模型中的玉米種子數(shù)量為6顆或8顆，尖端朝前和尖端朝后的數(shù)量各半，排序隨機(jī)。分別為側(cè)立喂入軌道和側(cè)立輸出軌道在振動(dòng)方向上添加正弦驅(qū)動(dòng)，模擬直線振動(dòng)器的振動(dòng)作用，頻率都為50 Hz，參數(shù)化振幅分別為1和2；為定向定距轉(zhuǎn)盤在圓周方向上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，模擬步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)作用，參數(shù)化角速度為；參數(shù)化側(cè)立喂入軌道的傾角為。參考文獻(xiàn)[7]對(duì)建好的仿真模型進(jìn)行合理性驗(yàn)證，結(jié)果顯示玉米種子在仿真模型中的運(yùn)動(dòng)效果符合實(shí)際，即該仿真模型可以代替實(shí)際裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 仿真試驗(yàn)

影響定向定距機(jī)構(gòu)功能的工作參數(shù)有：側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅1、定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度以及側(cè)立輸出軌道的振幅2，其中傾角、振幅1和角速度對(duì)定向定距成功率有影響，角速度和振幅2對(duì)定距間距有影響。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傾角大于10°后，玉米種子在側(cè)立喂入軌道中擁擠嚴(yán)重，所以設(shè)定傾角的試驗(yàn)范圍為0～10°；振幅1大于0.1 mm時(shí)，玉米種子才能在側(cè)立喂入軌道中前行，但大于0.6 mm后，玉米種子跳躍劇烈，所以設(shè)定振幅1的試驗(yàn)范圍為0.2～0.6 mm；該機(jī)構(gòu)的工作效率在1.5 s/顆左右即可，玉米種子進(jìn)入型孔的速率為1、1.5和2 s/顆時(shí)對(duì)應(yīng)的角速度分別為45、30和22.5 °/s；2的試驗(yàn)范圍與1一致為0.2～0.6 mm。

2.2.1 定向定距成功率優(yōu)化仿真試驗(yàn)

選側(cè)立喂入軌道的傾角、振幅1和定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度為因素，以玉米種子的定向定距成功率為指標(biāo)，進(jìn)行仿真正交試驗(yàn)，因素水平見表1。由于振幅2對(duì)玉米種子進(jìn)入和滑出型孔過程影響較小，因此先設(shè)定2為0.2 mm，保證玉米種子在側(cè)立輸出軌道中能平穩(wěn)前進(jìn)即可。采用L934正交表，每組試驗(yàn)利用10個(gè)模型（玉米種子數(shù)量為6顆和8顆的模型各5個(gè)）同時(shí)試驗(yàn)，即每組試驗(yàn)共70顆玉米種子。統(tǒng)計(jì)得出每組試驗(yàn)的定向定距成功率，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。、、為因素水平值。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平表

注： 傾角與振幅為側(cè)立喂入軌道的傾角與振幅；角速度為定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度。

Note: Inclination angle and amplitude are the inclination angle and amplitude of lateral output orbit; Angular velocity is the angular velocity of directional and fixed-distance turntable.

在各因素水平組合下，仿真過程中大部分玉米種子都能定向定距成功，但也有少數(shù)玉米種子會(huì)定向定距失敗，例如種子被轉(zhuǎn)盤卷起無法進(jìn)入型孔（圖8）或以尖端朝下的狀態(tài)進(jìn)入到型孔中。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

表3 成功率方差分析結(jié)果

注： 顯著性水平=0.05。

Note: Significance level=0.05.

圖8 玉米種子定向定距失敗

定向定距成功率越高表明定向定距機(jī)構(gòu)工作性能越好。由表2的極差分析可知，影響成功率指標(biāo)的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋簝A角、振幅1、角速度，其較優(yōu)因素水平組合為122，即傾角為2°、振幅1為0.3 mm、角速度為30 °/s，該狀態(tài)下定向定距成功率達(dá)到91.7%。

通過方差分析可以更準(zhǔn)確地判斷各因素水平對(duì)定向定距成功率的顯著性，由表3可知，對(duì)于成功率指標(biāo)，側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅12個(gè)因素是顯著的，而定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度并不顯著，造成角速度不顯著的原因可能是：在所選的3個(gè)水平下，定距轉(zhuǎn)盤與每顆玉米種子的接觸摩擦?xí)r間都能滿足要求。由于角速度不是顯著性因素，參考極差分析結(jié)果，可直接選定向定距轉(zhuǎn)盤的最佳角速度為30 °/s，對(duì)應(yīng)的工作效率為1.5 s/顆，可以滿足實(shí)際需求。對(duì)于顯著性因素振幅1，由于其可試驗(yàn)范圍較小，參考極差分析結(jié)果，也直接選側(cè)立喂入軌道的最佳振幅為0.3 mm。對(duì)于傾角，其可試驗(yàn)范圍較大，可能會(huì)錯(cuò)過最佳傾角。

為確定最佳傾角，在振幅1為0.3 mm、角速度為30°/s的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以成功率為指標(biāo)，對(duì)傾角進(jìn)行單因素試驗(yàn)。取傾角的試驗(yàn)范圍為0°～8°，平均取9個(gè)水平。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：傾角為3°時(shí)，玉米種子定向定距成功率達(dá)到最高（94.4%），即選側(cè)立喂入軌道的最佳傾角為3°。

2.2.2 定距間距測試仿真試驗(yàn)

結(jié)合定距原理可知，改變定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度和側(cè)立輸出軌道的振幅2可以調(diào)節(jié)定距間距，其中角速度已選定最佳值為30°/s。在側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅1分別為3°和0.3 mm、定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度為30°/s的基礎(chǔ)上，以玉米種子的定距間距為指標(biāo)，對(duì)側(cè)立輸出軌道的振幅2進(jìn)行單因素試驗(yàn)，2的試驗(yàn)范圍0.2～0.6 mm，平均取5個(gè)水平。結(jié)果表明：玉米種子的定距間距的范圍為39～47 mm，變化不大，即只改變側(cè)立輸出軌道的振幅2時(shí)，對(duì)玉米種子的定距間距的調(diào)節(jié)作用較小。本文選取側(cè)立輸出軌道的最佳振幅與側(cè)立喂入軌道一致為0.3 mm，此時(shí)，平均定距間距為43 mm。

最終確定該機(jī)構(gòu)最佳工作參數(shù)：側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅分別為3°和0.3 mm、定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度為30°/s、側(cè)立輸出軌道的振幅為0.3 mm，該狀態(tài)下玉米種子定向定距成功率為94.4%，平均定距間距為43 mm。

另外結(jié)合仿真過程和結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了工作參數(shù)外，側(cè)立喂入軌道中的玉米種子數(shù)量對(duì)玉米種子的定向定距成功率也有影響。相同參數(shù)下，玉米種子數(shù)量為6顆的模型的定向成功率要高于8顆的模型，后者在仿真時(shí)前2顆玉米種子的定向失敗概率最高，且第1顆玉米種子經(jīng)常會(huì)被卷起進(jìn)而無法進(jìn)入型孔，原因是，玉米種子數(shù)量越多，定向定距轉(zhuǎn)盤圓周表面對(duì)正在進(jìn)行定向作用的玉米種子的推力和摩擦力越大，導(dǎo)致其容易被卷起。

所以定向定距機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，不僅要調(diào)節(jié)各工作參數(shù)為最佳組合，還要保證側(cè)立喂入軌道中的玉米種子數(shù)量不能太多，本研究設(shè)定不能超過8顆。

3 玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置的性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)仿真優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，搭建玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置（圖9）進(jìn)行性能試驗(yàn)。調(diào)節(jié)側(cè)立排序機(jī)構(gòu)的工作電壓來改變振幅，使玉米種子能夠平穩(wěn)且較快地輸出[12]，依據(jù)仿真試驗(yàn)得到的最佳工作參數(shù)調(diào)節(jié)定向定距機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)：側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅分別為3°和0.3 mm，定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度為30°/s，側(cè)立輸出軌道的振幅為0.3 mm。振幅的調(diào)節(jié)方法是：利用電渦流位移傳感器（靈敏度2 V/mm）和PC配合實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道的振幅，從0 V開始逐漸加大直線電磁振動(dòng)器的工作電壓，當(dāng)振幅達(dá)到0.3 mm時(shí)停止[10]。由于定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度很低，為使步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)保持平穩(wěn)，且沒有振動(dòng)，本文利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（型號(hào)ZD-2HD43OS）設(shè)定步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)14HS2408）的細(xì)分?jǐn)?shù)為32[28-30]。

1. 側(cè)立排序機(jī)構(gòu) 2.定向定距機(jī)構(gòu) 3.機(jī)架 4.圓周電磁振動(dòng)器控制器 5.直線電磁振動(dòng)器控制器 6.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 7.成堆玉米種子

取分級(jí)處理后的300顆玉米種子進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)保持側(cè)立喂入軌道中的玉米種子數(shù)量在8顆以下，裝置的工作狀況見圖10。

1.呈 側(cè)立姿態(tài)排序的一列玉米種子2.側(cè)立姿態(tài)的玉米種子以尖端統(tǒng)一朝前的狀態(tài)輸出，且相鄰種子之間間距一致

成堆玉米種子在側(cè)立排序機(jī)構(gòu)的料斗中經(jīng)過分散、排序輸送、分選和姿態(tài)變換過程后，以側(cè)立姿態(tài)排序進(jìn)入定向定距機(jī)構(gòu)，期間尺寸偏小、厚度偏大或形狀不規(guī)則的異形玉米種子都被順利剔除，玉米種子在分選軌道和側(cè)立姿態(tài)變化軌道中不會(huì)發(fā)生擁擠（圖10a）。進(jìn)入側(cè)立喂入軌道后，呈側(cè)立姿態(tài)的玉米種子只有尖端朝前和尖端朝后2種狀態(tài)。在定向定距機(jī)構(gòu)的作用下，絕大部分玉米種子都能以尖端朝上的狀態(tài)依次進(jìn)入到型孔中，然后被旋轉(zhuǎn)的定向定距轉(zhuǎn)盤帶到側(cè)立輸出軌道入口處，以尖端朝前的姿態(tài)依次滑出型孔，進(jìn)入側(cè)立輸出軌道，最后輸出的玉米種子尖端統(tǒng)一朝前，且間距一致（圖10b）。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，裝置工作穩(wěn)定，玉米種子輸送平穩(wěn)。300顆種子中有272顆定向定距成功，成功率為90.7%，實(shí)際試驗(yàn)的成功率低于仿真試驗(yàn)，這是因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境不如仿真試驗(yàn)理想：實(shí)際的玉米種子形狀尺寸差異較大、裝置裝配精度不足等，但此誤差在可接受的范圍內(nèi)。對(duì)于定向失敗但以尖端朝后的狀態(tài)進(jìn)入到側(cè)立輸出軌道中的13顆玉米種子，經(jīng)過側(cè)立輸出軌道中間臺(tái)階的第2次定向作用后，其中9顆尖端朝后的玉米種子能夠通過翻轉(zhuǎn)也變成尖端朝前的狀態(tài)。另外定距間距基本一致，平均為45 mm，比仿真中的平均定距間距大2 mm，差別不大。

4 結(jié)論與討論

本文在電磁振動(dòng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置，并對(duì)其定向定距原理進(jìn)行了分析。該裝置包括側(cè)立排序機(jī)構(gòu)和定向定距機(jī)構(gòu)2部分，其中定向定距機(jī)構(gòu)是該裝置的關(guān)鍵。側(cè)立排序機(jī)構(gòu)由圓周電磁振動(dòng)器和料斗組成，能夠?qū)Τ啥延衩追N子進(jìn)行分散、排序輸送、分選和姿態(tài)變換使之變?yōu)橐涣谐蕚?cè)立姿態(tài)排序的玉米種子；定向定距機(jī)構(gòu)的核心部分是定向定距功能模塊，能夠?qū)?cè)立姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行定向和定距作用，使其尖端統(tǒng)一朝前，且相鄰種子之間間距一致，然后排序輸出。以側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅、定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度以及側(cè)立輸出軌道的振幅為因素，以玉米種子的定向定距成功率和定距間距為指標(biāo)，對(duì)定向定距機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到最佳工作參數(shù)：側(cè)立喂入軌道的傾角和振幅分別為3°和0.3 mm、定向定距轉(zhuǎn)盤的角速度為30°/s、側(cè)立輸出軌道的振幅為0.3 mm。搭建玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置，取300顆種子進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明在最佳工作參數(shù)下該裝置工作穩(wěn)定，玉米種子定向定距成功率為90.7%，定距間距平均為45 mm。該研究為后續(xù)玉米種子的動(dòng)態(tài)連續(xù)胚面識(shí)別、定向包裝以及機(jī)械化玉米定向播種提供了參考。

玉米機(jī)械化定向精量播種技術(shù)是未來發(fā)展主要方向之一，本文的玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置是以半馬齒長扁平型的玉米種子為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以在仿真和性能試驗(yàn)中未考慮對(duì)不同形狀玉米種子的適應(yīng)性。但在實(shí)際中玉米種子的形狀是多樣的（比如馬齒狀、圓扁形等），所以需要繼續(xù)研究，進(jìn)一步完善該裝置并進(jìn)行試驗(yàn)，以增強(qiáng)其對(duì)不同形狀玉米種子的適應(yīng)性。

[1] Bowers S A, Hayden C W. Influence of seed orientation on bean seedling emergence[J]. Agronomy Journal, 1972, 64(6): 736－738.

[2] Yarnia M, Tabrizi E F M. Effect of seed priming with different concentration of GA3, IAA and kinetin on azarshahr onion germination and seedling growth[J]. J Basic Appl Sci Res, 2012, 2(3): 2657－2661.

[3] Cole R J, Holl K D, Keene C L, et al. Direct seeding of late-successional trees to restore tropical montane forest[J]. Forest Ecology and Management, 2011, 261(10): 1590－1597.

[4] 侯彥龍，徐麗明，陳莉明. 玉米機(jī)械化定向播種技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(2)：10－14.

Hou Yanlong, Xu Liming, Chen Liming. The current situation and development trend of corn mechanization oriented seeding technology[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 34(2): 10－14. (in Chinese with English abstract)

[5] 徐麗明，王應(yīng)彪，趙學(xué)觀，等. 一種玉米種子定向方法及定向裝置：CN102893723A[P].2013-01-30.

[6] 王應(yīng)彪，趙學(xué)觀，徐麗明，等. 基于電磁振動(dòng)的玉米種子定向排序輸送技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(1)：79－88.

Wang Yingbiao, Zhao Xueguan, Xu Liming, et al. Experiment and directional movement technology of corn seed based on electromagnetic vibration[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 79－88. (in Chinese with English abstract)

[7] 邢潔潔，徐麗明，史麗娜，等. 玉米種子電磁振動(dòng)定向裝置仿真模型的建立與驗(yàn)證[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22(4)：129－134.

Xing Jiejie, Xu. Liming, Shi Lina, et al. Establishment and verification for the simulation model of directional device based on electromagnetic vibration for corn seeds[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(4): 129－134. (in Chinese with English abstract)

[8] 劉聞鐸，郭玉富，陳秀生，等. 一種玉米定向播種方法、定向種塊制造設(shè)備與播種塊裝置：CN101663935A[P].2010-03-10.

[9] 趙學(xué)觀，徐麗明，王應(yīng)彪，等. 基于Fluent與高速攝影的玉米種子定向吸附研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(10)：103－109，28.

Zhao Xueguan, Xu Liming, Wang Yingbiao, et al. Estimation of vehicle states based on adaptive model particle filter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 103－109, 28. (in Chinese with English abstract)

[10] 邢潔潔，徐麗明，史麗娜，等. 圓周電磁振動(dòng)下單粒玉米種子運(yùn)動(dòng)特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(23)：21－28.

Xing Jiejie, Xu Liming, Shi Lina, et al. Analysis of movement characteristics of single corn seed under circular electromagnetic vibration[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 21－28.(in Chinese with English abstract)

[11] 王應(yīng)彪，趙學(xué)觀，徐麗明，等. 振動(dòng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18(6)：231－236.

Wang Yingbiao, Zhao Xueguan, Xu Liming, et al. Progress of vibration technology application in agricultural production[J]. Journal of China Agricultural University, 2013, 18(6): 231－236. (in Chinese with English abstract)

[12] 邢潔潔，徐麗明，劉旭東，等. 電磁振動(dòng)料斗內(nèi)玉米種子分散與排序輸送仿真及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(13)：32－39.

Xing Jiejie, Xu Liming, Liu Xudong, et al. Simulation and test of corn seeds’ dispersion and arraying transport in electromagnetic vibration hopper[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[13] 許光馳，呂偉新，鈕艷華. 盤形振動(dòng)上料器的一種系統(tǒng)模型和模擬[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35(6)：96－98，101.

Xu Guangchi, Lü Weixin, Niu Yanhua. A systematic model and simulation of vibratory bowl feeder[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2007, 35(6): 96－98, 101. (in Chinese with English abstract)

[14] 李力，傅蔡安. 自動(dòng)送料零件的自然姿態(tài)編碼的研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(11)：73－74，76.

Li Li, Fu Caian. The research of coding the natural resting aspects of parts for automatic feeding[J]. Modular Machine Tool & Amp; Automatic Manufacturing Technique, 2005(11): 73－74, 76. (in Chinese with English abstract)

[15] 李昌文，張麗華，縱偉，等. 玉米芯的綜合利用研究技術(shù)進(jìn)展[J]. 食品研究與開發(fā)，2015(15)：139－143.

Li Changwen, Zhang Lihua, Zong Wei, et al. Research progress in comprehensive utilization of corn cobs[J]. Food Research and Development, 2015(15): 139－143. (in Chinese with English abstract)

[16] 葛菁萍，劉國明，孫紅兵，等. 響應(yīng)面法優(yōu)化玉米芯半纖維素水解條件[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(18)：64－68.

Ge Jingping, Liu Guoming, Sun Hongbing, et al. Response surface methodology to optimize the hydrolysis condition of corncob hemicellulose[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(18): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[17] 李心平，馬福麗，高連興. 玉米種子的跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(1)：113－116.

Li Xinping, Ma Fuli, Gao Lianxing. Dropping impact experiment on corn seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(1): 113－116. (in Chinese with English abstract)

[18] 袁月明，欒玉振. 玉米籽粒力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，18(4)：78－81.

Yuan Yueming, Luan Yüzhen. Experimental investigation of mechanical properties for corn kernels[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 1996, 18(4): 78－81. (in Chinese with English abstract with)

[19] 宋世國，王其超. 直線式電磁振動(dòng)上料器的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，1987，5(7)：30－35.

Song Shiguo, Wang Qichao. The design of linear magnetic vibrator feeder. Machine Design[J]. 1987, 5(7): 30－35.（in Chinese with English abstract)

[20] 王翔. 電磁振動(dòng)料斗動(dòng)態(tài)特性及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2011.

Wang Xiang. Dynamic Characteristics and Optimum Structure of Electromagnetic Vibratory Feeder[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[21] 董艷. 2BD-6水稻直播機(jī)電磁振動(dòng)排種器虛擬設(shè)計(jì)[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2005.

Dong Yan. Optimization Design on Electromagnetic Vibrated Seeding Apparatus of 2BD-6 Rice Direct-seeding Machine by Virtual Prototype Technology[D]. Nanning: Guangxi University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[22] 俞亞新，張斌，趙勻，等. 振動(dòng)式排種器上稻種有序排列運(yùn)動(dòng)分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，43(5)：902－906.

Yu Yaxin, Zhang Bin, Zhao Yun, et al. Movement analysis of rice seed embryo ordering in vibration seed-metering device[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2009, 43(5): 902－906. (in Chinese with English abstract)

[23] 鹿芳媛，馬旭，齊龍，等. 基于離散元法的雜交稻振動(dòng)勻種裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(10)：17－25.

Lu Fangyuan, Ma Xu, Qi Long, et al. Parameter optimization and experiment of vibration seed-uniforming device for hybrid rice based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 17－25. (in Chinese with English abstract)

[24] 權(quán)龍哲，奚德君，王建宇，等. 玉米粒群批量整列系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(7)：59－68.

Quan Longzhe, Xi Dejun, Wang Jianyu, et al. Parameters optimization and experiment of batch transportation for maize grain[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 59－68. (in Chinese with English abstract)

[25] 邢潔潔，徐麗明，袁全春，等. 直線電磁振動(dòng)下玉米種子定向傳輸?shù)哪M仿真試驗(yàn)與驗(yàn)證[J]. 中國國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22(10)：120－125.

Xing Jiejie, Xu Liming, Yuan Quanchun, et al. Simulation test and verification of corn seeds’ directional transmission under linear electromagnetic vibration[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(9): 120－125. (in Chinese with English abstract)

[26] 李超，邢潔潔，徐麗明，等. 柔性梳脫式釀酒葡萄脫粒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(6)：290－296. Li Chao, Xing Jiejie, Xu Liming, et al. Design and experiment of wine grape threshing mechanism with flexible combing striping monomer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 290－296.(in Chinese with English abstract)

[27] 王春耀，梁勤安，閔磊，等. 水果輸送過程中定向機(jī)理的分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(20)：95－98.

Wang Chunyao, Liang Qinan, Min Lei, et al. Analysis and test for orientation mechanism in fruit transportation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 95－98. (in Chinese with English abstract)

[28] 雷凱. 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2003.

Lei Kai. Study on Subdivision Driving Technique of Stepper Motor[D]. Suzhou: Suzhou University, 2003. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉寶志. 步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

Liu Baozhi. The Study of Exactly Control Stepping Motor[D]. Jinan: Shandong University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[30] 高偉康. 基于STM32的兩相四線步進(jìn)電機(jī)高精度驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[D]. 合肥：安徽理工大學(xué)，2017.

Gao Weikang. Design of High Precision Driver for Two Phase-for Wire Stepper Motor based on STM32[D]. Hefei: Anhui University of Science & Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

Design and test of dent corn seed directional and fixed-distance output device with lateral standing posture

Xing Jiejie, Xu Liming※, Yuan Quanchun, Duan Zhuangzhuang, Ma Shuai, Yu Changchang

(,,100083,)

Corn seeds’ directional and fixed-distance output and embryo surface’s identification are the keys of mechanically directional sowing of corn. Besides, corn seeds’ directional and fixed-distance output is also the base of embryo surface’s identification. However, at present, there are few studies on corn seeds’ directional and fixed-distance output, and there is even no practicable implementation. In order to deal with the problem, a dent corn seeds’ directional and fixed-distance output device with lateral standing posture was designed based on electromagnetic vibration in this paper, and implementation principles of orientation and fixing distance for corn seeds by this device were discussed. The device was composed of 2 parts: corn seeds’ arraying mechanism with lateral standing posture and corn seeds’ directional and fixed-distance mechanism. The second part was the crux of this device. The corn seeds’ arraying mechanism with lateral standing posture was made up of circular electromagnetic vibrator and hopper. After dispersion, orderly transportation, separation and posture transformation by corn seeds’ arraying mechanism with lateral standing posture, the stacked corn seeds became arrayed with lateral standing posture. After orientation and fixing distance by corn seeds’ directional and fixed-distance mechanism, the corn seeds arrayed with lateral standing posture were output with tip-forward state, and the spacing between adjacent seeds was consistent. The core part of corn seeds’ directional and fixed-distance mechanism was directional and fixed-distance function module, and it was a combination of lateral feeding orbit, directional and fixed-distance turntable, left and right side panels and lateral output orbit. Corn seeds’ directional and fixed-distance mechanism had 4 essential working parameters, namely inclination angle of lateral feeding orbit, amplitude of lateral feeding orbit, angular velocity of directional and fixed-distance turntable, and amplitude of lateral output orbit. The result of implementation principles showed that the 4 working parameters had great influence on the process of orienting and fixing distance for corn seeds. Inappropriate working parameters could cause unsuccessful orientation and fixing distance for corn seed. In order to optimize the working effect of corn seeds’ directional and fixed-distance mechanism, the simulation model of the directional and fixed-distance function module was established by software ADAMS (automatic dynamic analysis of mechanical systems), and then orthogonal tests and single-factor tests were carried out. The inclination angle of lateral feeding orbit, amplitude of lateral feeding orbit, angular velocity of directional and fixed-distance turntable and amplitude of lateral output orbit were taken as factors, the success rate of orientation and fixing distance for corn seed and the spacing between adjacent seeds as test indices. Based on the analysis of experimental results, the optimal working parameters were determined:Inclination angle of lateral feeding orbit is 3°, lateral feeding orbit is 0.3 mm,angular velocity of directional and fixed-distance turntable is 30 °/s, and amplitude of lateral output orbit is 0.3 mm. Under the condition, the success rate of orientation and fixing distance for corn seed reached 94.4%, and the average spacing between adjacent seeds was about 43 mm. In order to verify the accuracy and reliability of simulation optimization result, the practical dent corn seeds’ directional and fixed-distance output device with lateral standing posture was produced. According to the optimal working parameters obtained from the simulation test, the working parameters of the practical device were adjusted. The performance test was performed on the basis of 300 corn seeds and the results coincided with simulation very well, which were as follows: 1) The device worked stably under the condition; 2) The realistic success rate of orientation and fixing distance for corn seed was 90.7%; 3) The realistic average spacing between adjacent seeds was about 45 mm. Generally, this research provides the condition for embryo surface’s identification, directional packaging and mechanically directional sowing of corn.

mechanization; design; crops; corn seeds; lateral standing posture; orientation; fixing distance

2017-09-22

2018-01-16

國家自然基金項(xiàng)目（51475461）

邢潔潔，博士生，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化研究。Email：584731137@qq.com

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.007

S233.73

A

1002-6819(2018)-04-0055-09

邢潔潔，徐麗明，袁全春，段壯壯，馬 帥，于暢暢. 馬齒型玉米種子側(cè)立定向定距輸出裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(4)：55－63.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.007 http://www.tcsae.org

Xing Jiejie, Xu Liming, Yuan Quanchun, Duan Zhuangzhuang, Ma Shuai, Yu Changchang. Design and test of dentcorn seed directional and fixed-distance output device with lateral standing posture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 55－63. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.007 http://www.tcsae.org