螺旋挤搓式自动玉米脱粒机的设计

时间：2024-07-28

曾雄梅张燕马延（.海南大学机电工程学院，海南海口 5708；.中国石油大学机电工程学院，山东青岛 6606）

中国是世界玉米第二生产大国。据统计［1］，至2014年，中国玉米生产总面积高达3 600万hm2，并呈递增趋势。然而对于玉米的脱粒工艺还存在很大的技术问题。目前大部分玉米的籽粒设备都是采用传统的人工上料，再利用高速旋转的钉齿或窄板齿打击玉米粒从而实现玉米粒的脱落［2］。此方法不但浪费人力资源、降低脱粒机的使用寿命，而且对玉米籽粒的损伤极大，会大大降低玉米籽粒的发芽率。本研究拟在传统的玉米脱粒机的基础上进行改进，利用螺旋挤搓的原理对玉米进行脱粒，实现玉米粒在损伤率最小的情况下与玉米芯分离开来，同时采用STM32对玉米的上料过程进行自动控制，实现玉米全自动化的上料操作。

1 样机总体方案设计

螺旋挤搓式自动玉米脱粒机包括驱动传送带运送玉米果穗的步进电机系统、带传感器完成玉米脱粒的螺旋挤搓式脱粒系统，以及STM32控制系统三大部分。通过三部分的协调和配合从而实现全自动的玉米脱粒过程。样机总体框架见图1。

图1 自动玉米脱粒机总体框架Figure 1 The general framework of automatic corn threshing

2 样机整体结构和工作流程

样机的总体机械结构见图2。工作流程：① 人工将玉米果穗送入喂料斗1，在STM32的控制下喂料斗1通过合、分闸门12实现玉米果穗的进料。②由喂料斗闸门进入的玉米果穗在重力的作用下下落至传送带3上，当螺旋挤搓式装置中的传感器6检测到无料信号时，STM32通过控制步进电机的旋转带动传送带运动，将玉米果穗送入螺旋挤搓式装置中进行脱粒。③ 经螺旋挤搓分离后的玉米籽粒和玉米芯分别从螺旋挤搓式装置的不同出口排出。

3 系统模块组成

3.1 步进电机系统

步进电机是一种输入脉冲信号而输出对应的角位移或直线位移的特种电机，它通过脉冲信号的作用实现特定角度的旋转，其运行速度和位移的变化可通过改变输入脉冲的数量和频率来实现［3］。步进电机的显著特点是其可实现快速的启动和制动，输出的步矩角和转速不受输入电压纹波、不同负载及环境的影响。因此，步进电机被广泛应用于控制系统中［4］。

在本系统中，主要结合传感器的检测功能，通过STM32的控制作用来操纵步进电机。手动打开控制步进电机上电的电源开关，当螺旋挤搓式装置中的传感器检测到无料信号时，STM32便发出信号给喂料斗中闸门的执行机构实现玉米果穗的自动上料，同时STM32发出控制信号驱动步进电机带动传送带工作，由于步进电机的运行速度和位移的变化可通过改变输入脉冲的数量和频率来实现，所以步进电机能精确地控制传送带前进的位移和速度，同时步进电机能快速地实现启动和制动，因此在步进电机的控制下能实现将玉米果穗准确无误地送入螺旋挤搓式装置中。同理，当螺旋挤搓式装置中的传感器检测到装置中玉米果穗已满的信号时，STM32则控制喂料斗中闸门的关合，同时制动步进电机。在玉米脱粒机运行过程中，步进电机则是以此过程不断地循环工作。控制步进电机的主电路图见图3。

图2 样机的总体机械结构图Figure 2 The general mechanical structure diagram of the prototype

图3 控制步进电机的主电路图Figure 3 The main control circuit diagram of step motor

3.2 螺旋挤搓式玉米脱粒系统

螺旋挤搓式玉米脱粒机的主要结构见图4。其设计是仿照人工挤搓原理来实现脱粒的。它包括螺旋滚筒、浮动齿、齿笼、外壳四大主要部分［5］。螺旋滚筒3是其核心部件，螺旋滚筒上安装有板齿，板齿的高度为13mm，两个相邻板齿之间的夹角为12°，齿根直径设计为10mm，使其满足受力要求，板齿的顶端使用圆弧过渡，以减少顶端对玉米粒损伤。板齿的结构示意图见图5。滚筒的旋转带动板齿运动，板齿推动紧贴在其上方的玉米做螺旋运动，运动的玉米因受到板齿施加的沿轴线方向的力而与锥形上外壳2或下外壳7充分接触产生摩擦力，玉米粒因摩擦力的作用而不断与玉米芯分离。浮动齿4与齿笼8主要用于玉米尖部和芯部残留玉米粒的脱落。浮动齿下连接有弹簧，其能根据玉米果穗的大小改变作用空间的大小，来避免玉米籽粒被挤破和保证玉米芯的完整。齿笼对浮动齿有很好的束缚和定位作用，它能随螺旋滚筒一起运动并承受剪切应力。外壳由上、下箱盖组成，其形状做成锥形式，两侧及上部均开有孔分别用做出料口13和进料口1。外壳与旋滚筒一起作用实现玉米果穗的脱粒工作。

图4 螺旋挤搓式玉米脱粒机的主要结构图Figure 4 Helix crowded main structure diagram and rubbing type corn thresher

图5 板齿结构示意图Figure 5 Board of tooth structure diagram

4 系统软件设计

此系统软件部分是通过编写程序运行于STM32上来实现的，STM32为本系统的控制核心，主要负责控制步进电机的驱动、喂料斗中闸门的打开与关断、传感器信号的采集与处理等，同时通过辅助功能实现人机交互界面的显示、按键控制等。系统的总体软件流图见图6。

此单片机控制系统是以半导体公司推出的STM32系列中的增强型STM32F103RBT6为核心芯片组成的微控制器［6］。STM32F103RBT6具有 ARM32位 Cortex－M3CPU，最高工作频率可达72MHz，具有64个引脚，其I/O口资源丰富，可用于液晶显示、按键控制等辅助功能，并具有丰富的通信接口，如SPI、USART等［7］。本系统中主要利用其丰富的I/O口资源，结合驱动芯片L298N控制两相四线式步进电机的运作、并完成辅助模块如蓝牙通信、按键控制开断、液晶显示工作状态等功能。各I/O口分配见表1，主控电路见图7。

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

图6 系统总体软件流图Figure 6 The overall system software flow chart

图7 STM32主控电路Figure 7 STM32main control circuit

5 步进电机及螺旋式玉米脱粒机主要参数

（1）步进电机：步矩角：1.8°；额定电流：6A；额定电压：AC 18～80V/DC 24～110V；步距精度：±5%。

（2）玉米脱粒机：额定功率：1.1kW；额定电压：220V；额定转速：1 400r/min；破碎率：≤1.5%（不含自然破碎）；总损失率：＜1.0%。

6 试验效果分析

以传统的打击式玉米脱粒机和本设计中的螺旋挤搓式自动脱粒机为操作对象进行试验，分别比较两者的籽粒破碎率、脱粒损失率、工作效率及使用成本。从数据及分析结果可知，螺旋挤搓式自动脱粒机的使用改善了玉米籽粒的性能、延长了机器使用寿命（延长了1～2年），同时比起传统的玉米脱粒机，此螺旋挤搓式自动脱粒机由于实现自动化的上料操作，减少了人力的投入，使得使用成本降低。具有市场利用价值。