螺旋擠搓式自動玉米脫粒機的設計

曾雄梅 張 燕 馬 延（.海南大學機電工程學院，海南 ?？?5708；.中國石油大學機電工程學院，山東 青島 6606）

中國是世界玉米第二生產(chǎn)大國。據(jù)統(tǒng)計［1］，至2014年，中國玉米生產(chǎn)總面積高達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問題。目前大部分玉米的籽粒設備都是采用傳統(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現(xiàn)玉米粒的脫落［2］。此方法不但浪費人力資源、降低脫粒機的使用壽命，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)的玉米脫粒機的基礎上進行改進，利用螺旋擠搓的原理對玉米進行脫粒，實現(xiàn)玉米粒在損傷率最小的情況下與玉米芯分離開來，同時采用STM32對玉米的上料過程進行自動控制，實現(xiàn)玉米全自動化的上料操作。

1 樣機總體方案設計

螺旋擠搓式自動玉米脫粒機包括驅(qū)動傳送帶運送玉米果穗的步進電機系統(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)和配合從而實現(xiàn)全自動的玉米脫粒過程。樣機總體框架見圖1。

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

2 樣機整體結構和工作流程

樣機的總體機械結構見圖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實現(xiàn)玉米果穗的進料。②由喂料斗閘門進入的玉米果穗在重力的作用下下落至傳送帶3上，當螺旋擠搓式裝置中的傳感器6檢測到無料信號時，STM32通過控制步進電機的旋轉(zhuǎn)帶動傳送帶運動，將玉米果穗送入螺旋擠搓式裝置中進行脫粒。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 步進電機系統(tǒng)

步進電機是一種輸入脈沖信號而輸出對應的角位移或直線位移的特種電機，它通過脈沖信號的作用實現(xiàn)特定角度的旋轉(zhuǎn)，其運行速度和位移的變化可通過改變輸入脈沖的數(shù)量和頻率來實現(xiàn)［3］。步進電機的顯著特點是其可實現(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、不同負載及環(huán)境的影響。因此，步進電機被廣泛應用于控制系統(tǒng)中［4］。

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

圖2 樣機的總體機械結構圖Figure 2 The general mechanical structure diagram of the prototype

圖3 控制步進電機的主電路圖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的主要結構見圖4。其設計是仿照人工擠搓原理來實現(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，兩個相鄰板齒之間的夾角為12°，齒根直徑設計為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。板齒的結構示意圖見圖5。滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動板齒運動，板齒推動緊貼在其上方的玉米做螺旋運動，運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動并承受剪切應力。外殼由上、下箱蓋組成，其形狀做成錐形式，兩側及上部均開有孔分別用做出料口13和進料口1。外殼與旋滾筒一起作用實現(xiàn)玉米果穗的脫粒工作。

圖4 螺旋擠搓式玉米脫粒機的主要結構圖Figure 4 Helix crowded main structure diagram and rubbing type corn thresher

圖5 板齒結構示意圖Figure 5 Board of tooth structure diagram

4 系統(tǒng)軟件設計

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

此單片機控制系統(tǒng)是以半導體公司推出的STM32系列中的增強型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72MHz，具有64個引腳，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，結合驅(qū)動芯片L298N控制兩相四線式步進電機的運作、并完成輔助模塊如藍牙通信、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 步進電機及螺旋式玉米脫粒機主要參數(shù)

（1）步進電機：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：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 試驗效果分析

以傳統(tǒng)的打擊式玉米脫粒機和本設計中的螺旋擠搓式自動脫粒機為操作對象進行試驗，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)及分析結果可知，螺旋擠搓式自動脫粒機的使用改善了玉米籽粒的性能、延長了機器使用壽命（延長了1～2年），同時比起傳統(tǒng)的玉米脫粒機，此螺旋擠搓式自動脫粒機由于實現(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。具有市場利用價值。

7 結束語

本系統(tǒng)在STM32的控制下，結合步進電機的特性、螺旋擠搓的工作原理及傳感器的檢測作用，設計了自動玉米脫粒機，該機械的實現(xiàn)能有效降低傳統(tǒng)玉米脫粒機造成的玉米籽粒損傷率、脫粒損失率等。該設備實現(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，這將是該機械后續(xù)的研究方向。

1 李華.玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀及高產(chǎn)栽培技術體系探討［J］.吉林農(nóng)業(yè)，2014（20）：36.

2 李清龍.打擊式玉米脫粒機脫粒過程試驗研究及仿真分析［D］.長春：吉林大學，2014.

3 張明.步進電機的基本原理［J］.科技信息，2007（9）：83.

4 董桂菊.步進電機控制系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)機化研究，2002，24（3）：57～59.

5 柳建安，李偉杰.螺旋擠搓式玉米脫粒機的設計［J］.農(nóng)機化研究，2010，32（8）：82～85.

6 彭剛，徐慶江，張崇金，等.基于STM32單片機的RS485總線分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.伺服控制，2011（2）：64～67，84.

7 李濤.基于STM32的GPS車載終端的設計［D］.蘭州：蘭州交通大學，2013.