水稻育秧生产线秧盘播种量称重装置研究

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水稻工厂化育秧是水稻移栽种植机械化生产过程中的关键环节,而精密播种装置是水稻育秧生产线中的重要组成部分,秧盘播种量作为一项重要的指标,是衡量水稻育秧生产线秧盘育秧播种装置播种性能的好坏和播种量一致性的重要依据。现有的水稻秧盘育秧生产线秧盘播种量计量主要采用人工方法提前进行标定,工作期间由人工监测,当出现变化时由人工观察纠正,不但劳动强度大,容易造成工人疲劳,且调控不及时和误差率高,制约着工厂化育秧生产线的生产效率。因此,为提高水稻育秧播种生产线的自动化程度和作业效率,降低劳动程度,需进行水稻育秧生产线秧盘播种量检测装置的研究,及时预报播种量并调控,提高育秧质量。本文在分析目前国内外播种量检测装置和称重装置发展现状的基础上,采用动态称重和动静结合称重两种方法分别研制了水稻育秧生产线秧盘播种量动态称重和动静结合称重装置,并分别进行了试验研究,得到两种装置的检测精度能满足不同育秧生产线作业精度要求,有效地提高了水稻育秧生产线的自动化程度和生产效率。本文的主要内容和结论如下:(1)构建水稻育秧生产线秧盘播种量动态称重和动静结合称重装置总体方案。基于称重机构的动力学分析,并结合育秧生产线的结构特点,构建了两种称重装置。一是确定了输送机构加速分离前后秧盘、动态称重的计量方案,称为动态称重装置;二是确定了加速分离前后秧盘、静态称重和推动输送的动态输送静态称重的计量方案,称为动静结合称重装置。设计安装于育秧生产线播种机构前后的称重机构,通过比较播种前后的秧盘重量差值,实现秧盘播种量称重。两种方案的结构特点是动态称重装置只需工厂化育秧生产线改变部分传动,不影响整机结构,而动静结合称重装置会改变除部分传动外,还会增加整机长度,需要进一步分析两种原理的计量精度和可靠性。(2)水稻育秧生产线秧盘播种量动态称重和动静结合称重装置关键部件设计。根据连续称重运动分析,建立了动态和动静态称重输送模型,研制出不同的辊轮式输送机构;结合辊轮输送机构,采用电阻应变式称重传感器,研制出动态称重机构和动静结合称重机构。设计了STM32F4单片机为两种装置的控制器,进行了传感器的优选,确定了系统的控制流程,完成了主程序和交互界面程序的编写。(3)水稻育秧生产线秧盘播种量动态称重算法优选及动态称重装置性能试验研究。通过分析动态称重技术以及称重系统的检测误差,采用巴特沃斯低通滤波器、卡尔曼滤波器和算术平均滤波器通过MATLAB仿真分析了各滤波算法对干扰信号的滤除效果,优选出卡尔曼滤波算法。在确定了动态称重装置关键技术参数的基础上,研制了动态称重装置原理样机。以生产率和播种量为试验因素,称重精度为指标进行基于卡尔曼滤波算法的动态称重装置试验。试验结果表明,播种量大小影响动态称重精度最显著,生产率对动态称重精度有一定的影响,低播量(40g~80g)时称重精度偏低,称重精度范围为87.92%~91.71%,平均称重精度为90.13%,大播量(100g~120g)时称重精度较高,称重精度范围为92.03%~95.85%,平均称重精度为93.65%。可以看出,当育秧播量较低时,精度较差,不适于计量;如育秧播量较高时,在精度要求不高的情况下可采用此方法,以避免对育秧机结构做较大的改进。(4)水稻育秧生产线秧盘播种量动静结合称重装置性能试验研究。通过理论分析,确定了动静结合称重装置关键技术参数,基于动静结合称重方法过程原理,研制了动静结合称重装置原理样机,实现了将高效的动态行进与高精度的静态称重相结合的称重方法;以生产率和播种量为试验因素,称重精度为试验指标进行动静结合称重装置样机试验;试验结果表明,播种量大小对动静结合称重精度有一定的影响,生产率对动静结合称重精度的影响不明显,低播量(40g~80g)时称重精度范围为99.27%~99.98%,平均称重精度为99.79%;大播量(100g~120g)时称重精度范围为99.72%~100%,平均称重精度为99.92%。由此可见,采用动静结合称重装置的称重精度较高平均称重精度高达99.7%,称重误差≤±0.00075kg,达到称重高精度标准,为此,优选动静结合称重装置作为育秧机秧盘育秧播种量称重的计量装置。
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