2024年6月11日发(作者：)

２０１　１年ｌ０月　农机化研究　第ｌＯ期　

ＪＰＳ一１　６播种机试验台的设计　

吴泽全，刘俊杰，杨旭　

（黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨　１５００８１）　

摘要：通过地坑模式的设计、机械结构的创新以及控制系统的改进，研究设计了ＪＰＳ一１６播种机试验台。电气　

控制系统以ＰＬＣ为核心，采用变频调速的方式控制各种试验转速；检测系统基于计算机视觉和传感器融合技术，　

可进行各种大中小型播种机及机械式、气力式排种器播种情况的实时工况模拟，并可对其精播、穴播与条播性能　

进行试验和检定。　

关键词：播种机；排种器；试验台；ＰＬＣ；计算机视觉　

中图分类号：￥２２３．２；ＴＰ３９１．４１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８Ｘ（２０１１）１０—００５９—０４　

０　引言　

播种机或排种器的室内模拟试验与性能检测技　

术　的研究与实践由来已久，从早期的人工涂抹黄油　

或铺沙式到当前的自动喷油刮种一体化设计，从光电　

法间接测试到计算机视觉检测【２　ｊ、传感器融合和智　

能控制，其技术水平日益提高，为探索播种机与排种　

器的内在规律、快捷研发新型产品、改进现有设备的　

性能　和创造良好的试验条件提供了更加可靠的设　

计依据。　

黑龙江省农机研究院与中国农机院呼和浩特分院　

在ＪＰＳ一１２排种器试验台　的基础上，通过地坑模式　

制逻辑，同时为适应现场环境，设计了两种控制方式，　

即机旁控制和试验间的远程控制；设计基于计算机视　

觉的排种图像采集处理系统［９］，能够生成各种性能检　

测报告。试验台整体结构见图１所示。　

试验台通过种床带的相对运动，模拟播种机或排　

种器的田间工作状况，并进行性能检测。其工作原理　

为：种子从排种器排出　黏附在种床带上由喷油涂油　

装置连续均匀涂布的油层上，并随种床带运动；种床　

带经过摄像箱时，安装在箱内的摄像机（配置直流照　

明光源）对落种区域连续摄像，图像检测软件系统进　

行实时分析、处理和计算，从而完成对种子的检测及　

粒距的测量。　

的设计、机械结构的创新和控制系统的改进，研究设　

计了ＪＰＳ一１６播种机试验台，可进行各种大中小型播　

种机及机械式、气力式排种器播种＿６　晴况的实时工况　

模拟，并可完成精播、穴播与条播性能的试验和检定。　

２主要机械部件的设计　

２．１试验台主体　

试验台主体主要由主体构架、种床带、传动机构　

和自动喷油刮种装置等组成，用于播种试验过程中模　

拟地面的运动情况，采用变频调速的方式对运动速度　

进行无级调节。　

１　总体结构及工作原理　

根据任务要求，设计０．９ｍ深的地坑，将试验台整　

体坐落其中，试验台前端安置承载钢板，可使播种机　

１）主构架底架采用三段式设计，总宽０．９ｍ，高　

驶入其上进行试验；以橡胶带作种床，通过变频电机　

进行无级调速　；设计了自动喷油刮种一体化装置，　

实现喷油、涂油、刮油种和滤油种等工作循环；设计排　

种器通用安装架，可挂装各类排种器，并能方便地进　

行不同高度和角度的调整；设计以ＰＬＣ为核心的电气　

控制系统ｌ８］，驱动各路电机的运转，并完成相应的控　

收稿日期：２０１０—０７—１９　

０．８８ｍ，长１２ｍ，由６３ｘ６３角钢组合而成。　

２）种床带采用元缝精密橡胶带，其特点是耐油和　

耐划。其传动机构装备双滚筒（主从传动轮有防跑偏　

结构），表面压纹，配置张紧机构（可调偏），上下两层　

种床带下安置托辊，并按不同位置间隔设置，以保证　

运行平稳，具有不打滑、振动小和噪音低等特点，符合　

标准试验室环境的振动和噪音要求。　

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（２０Ｏ７ＢＡＤ３５ＢＯ７）　

作者简介：吴泽全（１９７７一），男，河北三河人，工程师，（Ｅ—ｍａｉｌ）　

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ｗｚｑ＠ｙａｈｏｏ．ＣＯＩＴＩ．ｃｎ。　

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３）自动喷油刮种装置的工作原理为：喷油泵将油　

箱内的油泵到台架上的矩形喷油嘴，并喷涂到种床带　

上，该油可有效黏附落下的种子；喷油嘴前方装备可　

・

５９・　

２０１　１年１０月　农机化研究　第１０期　

升降刷子架，用来调整油层的厚度和均匀性；在主传　

动轮下设计可调刮种板，用来将种床带上的黏种油和　

试验种子收集到油箱的第１层滤网上；其他托辊等处　

也分别设置刮油板以及集油回收管路，可以有效将种　

４）采用一种定制的齿轮油，黏稠度适中，且无异　

味、不挥发，长期不用更换和补充。为了保证油路的　

最佳流动状态，减少油层厚薄不均、起泡等对图像分　

析处理的影响，油箱内配置４个电热管，并安装自动　

加热及控制装置，以使黏种油保持在设定的温度。　

床带的余油清理干净；黏种油通过双层过滤筛重新流　

人油箱。　

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７　

１．播种机２．排种器安装架３．摄像照明箱４．机旁控制柜５．油箱６．台阶７．升降机构８．正负压风机　

９．地轮动力输出电机１Ｏ．播种机总动力电机　

图１试验台整体结构　

Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔ—ｂｅｄ　

２．２排种器安装架　

针或相应显示值，即可完成前后倾斜的调节。　

２．３摄像照明箱　

安装架由框架、升降机构和倾斜机构等组成，可　

适合各种排种器的安装。安装方便快捷，并可根据试　

在试验台排种图像采集过程中，不仅需要摄像机　

位置的调整，也需要密闭、均匀和稳定的照明环境。　

为此，设计了一种箱式装置，内部通过轨道滑块及双　

丝杠的调整，使摄像机可根据需要在一定范围内实现　

验要求进行不同高度和前后左右倾斜角度的调整。　

其结构见图２所示。　

横向位置和纵向高度的自由调节；设计双组阵列式直　

流灯泡板，在箱体底部与图像采集面成４５。相对安装，　

共同照射图像采集面，以达到光线充足、分布均匀、光　

斑小和无闪烁的效果。其结构见图３所示。　

［　

６　～　卜　———～　

１．传动轴２．升降结构（立柱）３．升降手柄　

图２排种器安装架结构图　

Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｓｔｕｖｔｒｕｒｅ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｍｏｕｎｔｉｎｇ　ｒａｃｋ　

排种高度的调节通过安装架的升降机构来实现。　

转动该机构的升降手柄可以在０～５００ｍｍ范围内进行　

调整。　

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Ｉ　ｌ　／　

排种架左右倾斜１５。的调节也是靠升降机构实现　

的，具体方法为：保持一侧立柱不动，只调另一侧升降　

立柱，即可使安装架形成一定倾斜角度，对应角度可　

参考排种架上的角度指针或检测系统的相应显示值　

１．箱体２．升降丝杆３．左右移动滑块４．摄像机　

５．阵列式直流灯泡板　

图３摄像照明箱　

Ｆｉｇ．３　Ｃａｍｅｒａ　ｌｉｇｈｔ　ｂｏｘ　

（排种架配置了角度传感器）。前后俯仰ｌ５。的调整则　

通过排种架与升降立柱连接部分的螺栓调节，具体方　

法为：排种架两侧连接部件上各开有弧形孔，通过松　

紧其中的螺栓，向前或向后用力施压，并参考角度指　

・

３电气控制系统　

该系统以ＰＬＣ为控制核心，采用变频调速的方式　

进行种床带、排种轴、播种机动力和正负压风机的控　

制。其结构框图见图４所示。　

６Ｏ・　

２０１　１年１０月　

－　

农机化研究　

种床带电机　

第１０期　

ｌ　变频器　

计了自动适应粒距功能，系统将根据设定的排种盘直　

径、排种盘孔数和当前种床带速度自动调整排种盘转　

速（见公式（２）），使排种间距等于理论调整粒距。　

—

控　

面　

＋ｌ　变频器　Ｈ　

Ｌ　

Ｃ　

－　

排种轴电机　

油泵电机　制　Ｐ　＿－１　变频器　卜叫　

板　变频器　Ｈ　

ｌ　变频器　

正负压风机　

ｒ×订×Ｚ×６０　

１　１　０　

×　。　

—

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（　）　

Ｉ　播种机总动力输出电机　

◆　变频器　ｌ　地轮动力输出电机　

式中　一线速度（ｋｍ／ｈ）；　

ｒ一转速（ｒ／ｍｉｎ）；　

２一排种盘直径（ｍｍ）。　

，

一

图４　电气控制系统结构框图　

Ｆｉｇ＿４　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　

系统实现了种床带速度在０～１６ｋｍ／ｈ内、排种轴　

转速在３０—１５０ｒ／ｍｉｎ内的无级调速。同时，为适应各　

式中

～

６０

ｚ×Ｎ×１　０００　

　

一．　

，　

‘／　

ｒ一排种盘转速（ｒ／ｍｉｎ）；　

一

类气力式（气吸式、气吹式）播种设备，定制专用风机　

和变频器，加装数字气压传感变送器监视工作风压，　

设计选配了新型大功率大风量风机，出口风速可达到　

７０ｍ／ｓ。另外，设计安装了皮托管测量装置，由静压测　

试改进为动压测试方式，从而适应了大型气力式播种　

种床带速度（ｍ／ｓ）；　

理论调整粒距（ｍｍ）；　

一

Ⅳ一排种盘孔数。　

４检测系统　

根据试验台的具体检测要求，将其检测系统分为　

定地提供０～０．０４ＭＰａ范围的正压和一０．０１７一ＯＭＰａ　

４个部分：一是多路数据采集，通过计算机与松下ＰＬＣ　

范围的负压。　

机的播种试验。经检验测试，可为播种机和排种器稳　

位于摄像照明箱旁边设计了机旁控制柜，可近距　

离地进行试验台的运行控制。为了提高试验台控制　

的基于ＭＥＷＴＯＣＯＬ—ＣＯＭ协议的串行通信，对种床带　

速度、排种轴转速和各种工作状态等数据进行采集，　

通过安装在排种架上角度传感器获取排种器的前后　

俯仰及左右倾斜角度；二是排种图像采集处理，安装　

的自动化水平，通过计算机与松下ＶＦＩＯ０变频器　０ｊ　

的通信，实现了对种床带和排种轴的计算机闭环反馈　

控制。控制界面见图５所示。　

在摄像照明箱内的工业摄像机对黏附在种床带上的　

种子图像连续采集，传递到计算机，进行实时的阈值　

分析、种子边缘提取、序列图像拼接和图像拼接偏差　

校正等处理；三是数据综合处理，包括种子列表生成、　

排种图像回溯和精播穴播条播报表统计等；四是人机　

界面，见图６所示。　

图５速度监视控制界面　

Ｆｉｇ．５　Ｓｐｅｅｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　

图６检测系统的人机界面　

系统通过自动调节对应变频器的频率，来将种床　

带速度调节至设定的速度。此时，ＶＦＩＯ０变频器处于　

计算机通信控制状态下，即把变频器内部的ＰＯ０３和　

ＰＯ０４参数设置为７。系统依据公式（１）来设定线速度　

同步，即根据设定的排种盘直径将排种盘的线速度自　

动调节到与当前种床带速度一致；针对精播排种器设　

Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　

５试验　

为了检验播种机试验台的可靠性和准确性，针对　

试验台的各种技术指标进行了检测试验。其中，排种　

图像采集参数为：黑白工业数字摄像机，千兆网络接　

２０１　１年１０月　农机化研究　第１０期　

口；８ｍｍ定焦镜头；快门速度１／１０００ｓ；摄像比例尺　３．３８７。检测项目及结果见表１所示。　

表ｌ试验台性能检测表　

Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ｔａｂｌｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔ－ｂｅｄ　

［１］　赵德金，崔永汉，朴香兰．精密排种器检测装置的现状与　

６　结论　

发展趋势［Ｊ］．农机化研究，２００６（７）：５—７．　

试验台可适用于各种机械式和气力式排种器以及　

［２］　马旭，王剑平，胡少兴．用图像处理技术检测精密排种器　

各类播种机（包括牧草播种机）的精播（ＧＢ　６９８３—　

性能［Ｊ］．农业机械学报，２００１，３２（４）：３５—３８．　

２００５（单粒（精密）播种机试验方法》）、穴播（《ＮＹ／Ｔ　

［３］　胡少兴，查红彬，马成林．基于序列图像的排种器性能检　

９８７—２００６铺膜穴播机作业质量》和《ＤＢ　１１／Ｔ　４５９—　

测方法［Ｊ］．农业机械学报，２００４，３５（１）：５８—６２．　

［４］　刘宏新，王福林．排种器试验研究的因素选择及分析　

２００７蔬菜穴播播种机技术条件》）及条播（《ＧＢ／Ｔ　

［Ｊ］．农机化研究，２００７（５）：７７—７９．　

９４７８—２００５谷物条播机试验方法》。对于牧草种子的　

［５］　蔡晓华，刘俊杰，孔繁亮．排种器试验台结构参数的设计　

条播，依据（ＪＢ／Ｔ　５１５９—２００７牧草播种机》）性能的试　

［Ｊ］．农机化研究，２００５（２）：１２８—１２９．　

验和检定。试验台能够满足大学、科研院所和农机鉴　

［６］　张波屏．播种机械设计原理［Ｍ］．北京：机械工业出版　

定单位的各种应用需要。试验台可无级控制排种器　

社，１９８２．　

转轴的工作速度、种床带的运行速度和气流压力；图　

［７］　杨玲，袁洪印．排种器实验台变频调速系统设计［Ｊ］．农　

像采集处理系统可实时检测出排种器所排种子的粒　

机化研究，２００７（６）：１４９—１５１．　

距和粒数，从而计算处理输出试验要求的合格指数、　

［８］　吴泽全，程睿，徐冬，等．液态施肥试验台测控系统的设　

重播指数、漏播指数等排种性能指标以及播种精度指　

计［Ｊ］．农机化研究，２０１０，３２（９）：１２２—１２５．　

标（平均值　标准差、变异系数）。现该播种机试验台　

［９］蔡晓华，吴泽全，刘俊杰，等．基于计算机视觉的排种粒　

距实时检测系统［Ｊ］．农业机械学报，２００５，３６（８）：４１—　

已在国家草原畜牧业装备研究中心试验室安装调试　

４４．　

完成，运行状况良好。　

［１Ｏ］　贺安坤，张京武，陈明．基于ＲＳ一４８５变频器与Ｐｃ机串　

参考文献：　

行通信的实现［Ｊ］．微计算机信息，２００７，２３（２８）：９８—　

９９．　

Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＪＰＳ－１６　Ｓｅｅｄｅｒ　Ｔｅｓｔ－ｂｅｄ　

Ｗｕ　Ｚｅｑｕａｎ，Ｌｉｕ　Ｊｉｕｎｊｉｅ，Ｙａｎｇ　Ｘｕ　

（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００８　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｉｔ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍｅｅｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｅ　

ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｈｅ　ＪＰＳ－１６　ｓｅｅｄｅｒ　ｔｅｓｔ－ｂｅｄ．Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｄｅ　ＰＬＣ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ，ａｄｏｐｔｅｄ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｔｅｓｔ　

ｓｐｅｅｄｓ，ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｕｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ－　

ｇＹ，ｉｔ　ｃＤｎ　ｂｅ　ｓｏｗｎ　ｉｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｅｅｄｅｒ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｔｙｐｅ　ｓｅｅｄｉｎｇ　

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｏｎ　ｉｔｓ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｓｅｅｄｉｎｇ，ｂｕｎｃｈ　ｓｅｅｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｉｆｃａ—　

ｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｅｄｅｒ；ｓｅｅｄ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ；ｔｅｓｔ—ｂｅｄ；ＰＬＣ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｖｉｓｉｏｎ　

・

６２・