张东兴 于天成 杨 丽 崔 涛 和贤桃 张耀辉

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.农业农村部土壤-机器-植物系统技术重点实验室， 北京 100083)

0 引言

玉米定向播种是将种子按照统一的姿态入土的一种播种方式，该播种方式能够使叶片展开方向一致，改善作物的通风和光照情况，从而可通过提高种植密度来提高玉米单位面积产量[1-3]。实现玉米定向播种的前提是统一种子的姿态，使种子的尖端朝向一致和胚面朝向一致[4-6]。

对于使胚面朝向一致，即胚面定向，现有的研究主要是基于机器视觉技术和传感器技术[7-13]。文献[8]研制了一种基于机器视觉的玉米种粒定向摆放装置，该装置胚面及其对立面检测准确率为98%，但是该装置实现种子输出还需经过凹槽定位、旋转臂定位吸取及籽粒摆放等过程，该装置最终呈现的胚面定向效果仅为89.35%。并且一旦出现定位吸取失败，将导致种子粘连或拥堵在定向定位区域。文献[9]利用激光测距传感器对玉米种子进行胚面识别，准确率为96.4%，但要求进行识别的种子尖端朝前，且没有使两种胚面朝向的种子统一朝向。因此，有必要研制一种连续快速运行、对玉米种子尖端朝向没有严格要求、能够统一胚面朝向、胚面定向效果好的装置。

本研究以马齿形玉米种子为工作对象，在电磁振动的基础上研制一种玉米种子胚面定向振动排序装置，该装置首先对成堆玉米种子进行分散、排序使之变为一列种子长轴沿轨道切线方向的种子，之后对种子进行胚面定向，使其胚面统一朝上，然后排序输出。通过理论分析和试验研究，获取最优工作参数，为后续玉米定向播种种子带制备提供技术支撑[14-16]。

1 振动排序装置设计

由于马齿形玉米种子籽粒扁平呈长方形，在定向过程中能够较好地保持稳定状态，故本研究选用马齿形玉米种子为研究对象[9]。本研究提出的玉米种子胚面定向振动排序装置所依据的是马齿形玉米种子的表面特征[9]。种子外形如图1所示，表面特征表现为：玉米种子胚面上的胚部向内凹陷一定深度形成胚沟，胚沟从尖端开始向顶端延伸，延伸方向基本与种子长轴方向一致；而胚面的对立面较为平整。以马齿形种子京科青贮516品种为例，利用游标卡尺对选取的200粒该品种玉米种子长度、宽度、厚度、胚沟长度、胚沟宽度、胚沟深度进行测量，结果为种子的长度L、宽度W、厚度T范围分别为11.15～13.72 mm、7.00～9.58 mm、3.51～5.19 mm，胚沟的长度l、宽度w、深度d范围分别为7.54～10.57 mm、3.11～4.97 mm、0.52～1.08 mm。计算可知胚沟长度占种子长度的比例在0.76左右，胚沟宽度占种子宽度的比例在0.50左右。

图1 马齿形玉米种子外形示意图Fig.1 Shape of dent corn seed1.顶端 2.胚沟末端 3.胚部 4.胚沟 5.尖端 6.种子长轴方向

1.1 装置结构

振动排序装置主要由料斗、料斗支架、板弹簧、电磁铁、底座及减震垫组成[17-18]，其结构如图2所示，实物如图3所示。料斗是振动排序装置重要结构[19-20]，其结构如图4所示。料斗为顺时针螺旋单轨道输出，轨道在不同位置有着不同的功能[21]，为了保证各关键轨道的作用效果，准确适时实现胚面定向过程，需对工作区域进行划分[22-23]。如图5所示，其中β表示螺旋上升轨道范围，γ表示单层整列轨道范围，δ表示分散缓冲轨道范围，ε表示胚面定向轨道范围，ζ表示预留轨道范围，η表示出料轨道范围。

图2 振动排序装置结构图Fig.2 Structure diagram of vibration sorting device1.料斗 2.料斗支架 3.板弹簧 4.电磁铁 5.底座 6.减震垫

图3 振动排序装置实物图Fig.3 Photo of vibration sorting device1.料斗 2.板弹簧 3.底座 4.控制器

图4 料斗结构示意图Fig.4 Structure diagram of hopper1.螺旋上升轨道 2.分散缓冲轨道 3.玉米种子 4.侧壁 5.胚面定向轨道 6.尖端朝向调节机构 7.分流轨道 8.引流机构 9.翻面机构1 10.缺口 11.翻面机构2 12.回种盒 13.预留轨道 14.限高机构 15.单列整列轨道 16.出料轨道 17.M5螺栓 18.宽度调节护种板 19.高度调节护种板

图5 轨道划分示意图Fig.5 Schematic of track division

螺旋上升轨道设计：螺旋上升轨道位于料斗壁内侧，最大圆周半径为125 mm，螺距为40 mm，宽15 mm，向料斗壁往上倾斜3°，β设置为660°。

单层整列轨道设计：单层整列轨道位于料斗壁内侧，结构参数与螺旋轨道相同，起始端设有限高机构[18]。限高机构与轨道表面的空间高度比玉米厚度T稍大，刚好能够使种子以平躺的姿态通过。限高机构不是与该处轨道的切线方向(即种子的运动方向)垂直的，而是倾斜的，越靠料斗中心的一侧，限高机构越向种子运动方向前方倾斜，这样就能够使堆叠、竖立的以及侧立的玉米种子，边向前运动边向料斗中心一侧移动，直至最后从轨道落下掉入料斗底部，确保从螺旋上升轨道末端输出的玉米种子为单层，且呈平躺姿态。γ设置为60°。

分散缓冲轨道设计：分散缓冲轨道横跨料斗壁内外侧，最大圆周半径由125 mm过渡到150 mm，螺距为-20 mm(负号表示螺旋向下)。分散缓冲轨道将杂乱的玉米种子变成单列的玉米种子流。δ设置为150°，其中后60°范围内的轨道位于料斗壁外侧，向料斗壁往上倾斜3°，最大圆周半径为150 mm。

胚面定向轨道设计：胚面定向轨道位于料斗壁外侧，最大圆周半径为150 mm，螺距为-20 mm。尖端朝向调节机构在料斗半径方向上可调节，以适应尺寸存在较大差异的不同品种玉米种子。ε设置为75°。

预留轨道设计：预留轨道位于料斗壁外侧，最大短轴长度为150 mm，最大长轴长度为160 mm，螺距为0 mm。预留一段轨道，目的是后期实现尖端定向的功能，使该振动排序装置集成胚面定向与尖端定向的功能。ζ设置为90°。

出料轨道设计：出料轨道为直线轨道，承接着预留轨道，长度为160 mm。其宽度和高度可通过宽度护种板和高度护种板调节，以适应尺寸存在差异的不同品种的玉米种子。宽度护种板和高度护种板通过M5螺栓安装固定在出料轨道上，其中宽度护种板宽度为4 mm，小于种子的最大厚度，高度护种板宽度为7 mm，小于玉米种子的最大宽度，避免了两个护种板在轨道上的安装干涉，同时还能发挥护种作用，使输出的玉米种子的长轴方向与运动方向一致。η设置为45°。

1.2 功能原理

1.2.1振动排序装置工作原理

振动排序装置借助电磁力产生微小的振动，依靠高频惯性作用力、摩擦力、重力的综合作用使物料沿料斗内的螺旋轨道不断向上爬行，当经过相关的选向机构时，符合要求姿态方向的物料继续前行，不符合的物料则落入料斗底部重新向上爬行；当经过相关的定向机构时，不符合姿态要求的物料可以进行姿态纠正，最后物料在出料口按规定的姿态方向连续输出[18,24]。

1.2.2胚面定向原理

胚面定向轨道是将胚面朝下的种子进行翻面的关键部件，轨道上的选向机构和定向机构的设计与布置，对种子的运动起决定作用，对胚面定向效果有重要意义。因此，需对工作区域进行划分[22-23]。对种子运动轨迹进行绘制，如图6所示，①和②表示理想状态下胚面朝上的种子运动轨迹，③表示理想状态下胚面朝下的种子运动轨迹，④表示部分宽度偏小的种子运动轨迹。

1.2.2.1尖端朝向调整区设计

从分散缓冲轨道输出的玉米种子大多数呈尖端朝前或朝后的平躺姿态，少数呈尖端垂直侧壁的平躺姿态。胚面朝下的、尖端垂直侧壁的玉米种子如果直接进入引流分流区，由于引流机构为焊接在轨道表面、圆周分布的不锈钢丝，胚沟将与引流机构呈十字交叉状态，导致种子无法“架”着引流机构前行，将按照轨迹①前行，造成胚面定向失败。因此，在进行胚面定向之前需对种子姿态进行调整，使所有的玉米种子呈尖端朝前或朝后的平躺姿态。该区域长度取两个玉米种子长度，对应Ⅰ设置为10°。如图7所示，该区域的关键部件是尖端朝向调节机构,由长度为20 mm、宽度为6 mm和厚度为2 mm的折弯不锈钢块与U型方片焊接而成，经M5螺栓固定在料斗上，其折弯角θ由玉米种子的尺寸参数决定，为

图7 种子尖端朝向的调整过程示意图Fig.7 Adjustment process of seed tip direction1.胚面定向轨道 2.侧壁 3.处于初始状态的种子 4.处于调整状态的种子 5.完成调整的种子 6.M5螺栓 7.尖端朝向调节机构

(1)

式中Lmax——玉米种子最大长度，mm

Wmax——玉米种子最大宽度，mm

代入数据计算得θ为32.37°。

1.2.2.2引流分流区设计

在各种力的综合作用下，胚面朝下的种子“架”在引流机构上，完成引流，按照轨迹③前行，胚面朝上的种子无法在引流机构上保持平衡，从而远离振动盘中心滑落至引流机构外侧，按照轨迹①或②前行，完成分流。为保证引流分流区的最佳工作效果，需探明种子在引流机构上的受力特性。因为只研究种子在半径方向的运动变化，故只考虑在半径方向上的受力情况。如图8所示，当装置未工作时，对于胚面朝上或朝下的玉米种子，除了自身重力G、G′外，还受到引流机构对其的支持力FN1、F′N1，侧壁对其的支持力FN2、F′N2，侧壁对其的支持力F′N3，其中G、FN1、FN2为种子在轨道上的初始受力，G′、F′N1、F′N2、F′N3为种子的最终受力。引流机构的位置在半径方向上存在一个分界线(与侧壁的距离为μ0)，使得左右两侧的种子重力相等，此时玉米种子保持平衡。而当引流机构位于分界线左侧(与侧壁的距离为μ1)，钢丝右侧的种子部分重力大于左侧重力，产生一个顺时针的倾覆力矩M1，种子将偏向钢丝右侧；当引流机构位于分界线右侧(与侧壁的距离为μ2)，钢丝右侧的种子部分重力小于左侧重力，产生一个逆时针的倾覆力矩M2，种子将偏向钢丝左侧。

图8 装置未工作时钢丝分布对种子受力影响示意图Fig.8 Schematics of influence of wire distribution on stress of seeds when device was not working1.轨道 2.玉米种子 3.侧壁 4.处于最终平衡状态的种子 5.处于初始状态的种子 6.轨道表面 7.引流机构

如图9a所示，当装置工作时，对于胚面朝上的玉米种子，当引流机构与分界线重合时，种子受到重力G、引流机构对其的支持力FN11、侧壁对其的支持力FN12以及向心力Fn1，并将保持该受力状态，此时种子将顺着钢丝继续做圆周运动前行。如图9b所示，当引流机构位于分界线左侧时，种子将先往右倾偏向轨道外侧，然后种子受到重力G、引流机构对其的支持力FN11与摩擦力f11、轨道表面对其的支持力FN13与摩擦力f13以及离心力Fc1，此时种子将逐渐远离振动盘中心做离心运动，滑落至分流轨道，而后在分流轨道上做圆周运动。如图9c所示，当引流机构位于分界线右侧时，种子将先往左倾偏向内侧，然后种子受到重力G、引流机构对其的支持力FN11、侧壁对其的支持力FN12、轨道表面对其的支持力FN13以及向心力Fn1，并将保持该受力状态，此时种子将顺着钢丝继续做圆周运动前行。

图9 装置工作时钢丝分布对胚面朝上的种子受力影响示意图Fig.9 Schematics of influence of wire distribution on stress of seeds with embryo up during operation of device1.胚面定向轨道 2.胚面朝上的玉米种子 3.侧壁 4.引流机构 5.轨道表面

对于胚面朝下的玉米种子，不同于胚面朝上的种子，由于胚面与钢丝接触，种子在径向上不同截面表现出不同的受力状态。图10a～10c是胚沟中部某一径向截面的受力情况，图10d～10f是胚沟末端径向截面的受力情况。当引流机构与分界线重合时，种子在胚沟中部某一径向截面受到重力G′0、引流机构对其的支持力F′N01以及向心力F′n0，在胚沟末端径向截面受到重力G″0、引流机构对其的支持力F″N01、侧壁对其的支持力F″N02以及向心力F″n0，并将保持该受力状态，如图10a、10d所示；当引流机构位于分界线左侧时，种子将先偏外侧，然后种子在胚沟中部某一径向截面受到重力G′0、引流机构对其的支持力F′N01、轨道表面对其的支持力F′N03以及向心力F′n0，在胚沟末端径向截面受到重力G″0、引流机构对其的支持力F″N01，并将保持该受力状态，如图10b、10e所示；当引流机构位于分界线右侧时，种子将先偏向内侧，然后种子在胚沟中部某一径向截面受到重力G′0、引流机构对其的支持力F′N01、轨道表面对其的支持力F′N03以及向心力F′n0，在胚沟末端径向截面受到重力G″0、引流机构对其的支持力F″N01、侧壁对其的支持力F″N02以及向心力F″n0，并将保持该受力状态，如图10c、10f所示。3种状态下种子均顺着引流机构继续做圆周运动前行。

图10 装置工作时钢丝分布对胚面朝下的种子受力影响示意图Fig.10 Schematics of influence of wire distribution on stress of seeds with embryo down during operation of device1.胚面定向轨道 2.胚面朝下的玉米种子在胚沟中部的某一径向截面 3.侧壁 4.引流机构 5.轨道表面 6.胚面朝下的玉米种子在胚沟末端的径向截面

因此，针对玉米种子宽度方向存在尺寸差异，引流机构与侧壁的距离μ对种子的运动起着决定性作用，考虑到重心偏移，μ应小于种子宽度的一半，且胚沟应位于引流机构的上方，μ应大于胚沟边缘至种子边缘的距离，故μ应大于种子宽度的1/4并且小于种子宽度1/2。但由于胚沟在宽度截面的最大深度位于种子中间，沿宽度方向逐渐减小，所以为了引流机构能够起到引流的作用，引流机构应尽量靠近胚沟宽度中央，故选取μ为3.75 mm。同时选取引流机构直径为1 mm，其半径小于胚沟的最小深度，能起到良好的引流作用。

图11 引流分流区和选向定向区参数确定示意图Fig.11 Schematic of parameter determination of guidance and diversion area and selection and orientation area

1.2.2.3选向定向区设计

考虑到结构的紧凑性，该区域轨道长度同样取3个种子长度，即将区域Ⅲ设置为16°。胚面朝下的玉米种子顺着引流机构进入该区域，此时钢丝脱离轨道表面，与轨道表面呈某一夹角，由于重心偏移，少数尺寸偏小的种子脱离翻面机构1以轨迹④从缺口处落入回种盒，最终返回料斗内；大多数种子以轨迹③顺着该翻面机构1并配合翻面机构2完成胚面翻转。

翻面机构1和翻面机构2对种子翻转具有重要作用，因此需探明种子在选向定向区的受力特性。如图12所示，种子在不同时刻表现出不同的受力和运动状态，除自身重力G外，还受到翻面机构1对其的支持力FNti1与摩擦力fti1，轨道表面对其的支持力FNti2与摩擦力fti2，翻面机构2对其的支持力FNti3与摩擦力fti3以及向心力Fnti。

图12 种子在选向定向轨道的受力和运动状态Fig.12 Force and motion state of seed in selection and orientation track1.选向定向轨道 2.玉米种子 3.侧壁 4.轨道表面 5.翻面机构1 6.翻面机构2

在t1时刻，种子与翻面机构1初接触，如图12a所示，种子顺着翻面机构1前行，同时受到翻面机构1和轨道表面的支持力，由于翻面机构1逐渐变高，种子逐渐绕轨道表面与种子的接触点顺时针旋转。在t2时刻，种子重心作用线经过轨道表面与种子的接触点，如图12b所示，当种子继续前行时，种子由于重心偏移实现侧立；若翻面机构1位于现在位置的左下方区域，将不会发生种子侧立姿态，在下一时刻翻面机构2与种子侧面接触，种子将在翻面机构1和翻面机构2的共同作用下，脱离轨道表面，在翻面机构1和翻面机构2上运动，无法实现胚面翻转。在t3时刻，种子与翻面机构2初接触，如图12c所示，由于翻面机构2在径向方向上尺寸不断增大，导致种子绕翻面机构1做顺时针旋转运动。在t4时刻，种子重心作用线经过轨道表面与翻面机构2的交点，如图12d所示，当种子继续前行时，若翻面机构2在径向上尺寸继续增大，种子由于重心偏移发生倾覆实现翻面(t5时刻)，如图12e所示；若翻面机构2在径向上尺寸不再增大，种子无法发生倾覆，最终以侧立姿态离开选向定向区。

综上所述，翻面机构1的空间位置以及翻面机构2的尺寸对种子的受力情况以及运动起着重要作用。

相对于翻面机构2的尺寸变化，翻面机构1的尺寸变化更加方便调整，因此将翻面机构2的尺寸参数和空间位置确定下来，只通过改变翻面机构1的空间位置来探寻最佳的选向定向效果。

如图11所示，翻面机构1的起点承接引流机构的终点，前3/4段为圆柱螺旋线IJ，初步设置其直径D4与引流机构直径相同，为285.5 mm，导程H4=140 mm，旋向为顺时针；后1/4段为圆柱螺旋线JK，导程H5及旋向与圆柱螺旋线IJ一致，圆心坐标与圆柱螺旋线AB一致,故直径D5为594 mm。

由于翻面机构1只有一端与轨道接触，可以通过调整翻面机构1另一端的位置坐标来调整翻面机构1与翻面机构2的相对位置，从而实现种子的定向效果。故最终翻转效果取决于翻面机构1终点的空间位置，即终点到侧壁的垂直距离d1和终点到轨道表面的垂直距离d2。

1.2.2.4合流区设计

此区域的目的是将轨迹①的种子进入原半径轨道与轨迹②或③的种子流聚集，便于后续处理。通过试验发现，区域Ⅳ取34°，不会造成胚面定向完成的种子流入回种盒。

2 试验

2.1 试验地点及仪器设备

振动排序装置工作参数优化试验地点在中国农业大学工学院实验室，仪器设备包括已加工完成的振动排序装置样机1台、玉米种子若干、数字稳压振动送料控制器1个(南京创优科技有限责任公司)、尖嘴钳1把、六角扳手1个、游标卡尺1把、秒表1个。

2.2 工作性能评价指标

试验对象为京科青贮516玉米种子，籽粒黄色，马齿形，千粒质量389 g，含水率不高于14.0%。试验时，将一定数量的种子倒入料斗内，设置好各个参数后启动装置进行试验。针对胚面定向轨道，以胚面定向成功率为评价指标,其计算公式为

(2)

式中Reso——胚面定向成功率，%

Nup——从胚面定向轨道输出的胚面朝上的玉米种子数量

Nall——从胚面定向轨道输出的玉米种子数量

2.3 主要影响因素取值范围

根据前期试验结果，控制器输出电压U小于95 V时，振动排序装置的排料速度小于45粒/min,不能满足后续操作中供料要求；输出电压U大于107 V时，由于出料轨道限宽，导致尖端垂直侧壁的种子在出料轨道进口处进行换向时速度减慢，从而引起后面种子拥挤落入回种盒，降低出料效率。因此，设立控制器输出电压U的试验范围为95～107 V。

d1小于2 mm时，距离侧壁近，种子顺着钢丝翻转90°保持侧立姿态前行，导致胚面定向失败；大于6 mm时，距离翻面机构2近，产生卡种或种子同时“架”着翻面机构1和翻面机构2前行现象，造成定向机构功能失效。因此，设立d1的试验范围为2～6 mm。

d2小于5.5 mm时，以轨迹②前行的胚面朝上的种子也容易顺着翻面机构1翻面；大于9.5 mm时，胚面朝下的种子从翻面机构1上脱离，导致翻面失败。因此，设立d2的试验范围为5.5～9.5 mm。

2.4 试验方案

为探究上述3个影响因素对胚面定向性能的影响规律及确定最佳参数组合，采用Box-Behnken试验方法开展三因素三水平旋转正交试验[25-26]。各因素编码如表1所示。每组试验进行约500粒玉米种子的送料作业，统计经胚面定向轨道输出的种子中胚面朝上的玉米种子所占的百分数，即考察胚面定向成功率。每组试验重复3次。

表1 试验因素编码Tab.1 Factors and coding of experiment

2.5 试验结果

根据Design-Expert软件中的Box-Behnken响应曲面进行试验方案设计与数据分析，以胚面定向成功率为考核指标。试验方案和结果如表2所示。

表2 试验方案与结果Tab.2 Test design scheme and results

2.6 回归数学模型建立和显著性检验

对试验结果进行方差分析，如表3所示，采用Design-Expert 10.0.7软件对试验数据进行多元回归拟合，得到胚面定向成功率Y的回归方程。

根据表3可知，在可信度α为0.05的条件下，模型的拟合度为极显著(P<0.01),回归模型失拟项P=0.243 9，表现为不显著，说明不存在其它影响指标的主要因素。其中因素X1、X1X2的P值大于0.05，对胚面定向成功率的影响不显著，剔除不显著交互项后的回归模型为

表3 方差分析结果Tab.3 Variance analysis result

(3)

式中x1、x2、x3——因素编码值

通过对式(3)回归系数的检验得出，对胚面定向成功率影响的因素主次顺序为X2、X3、X1。

2.7 各因素对性能指标影响效应分析

通过Design-Expert 10.0.7对数据进行处理，可得到X1、X2和X3对胚面定向成功率的影响，其响应曲面如图13所示。分别固定X2、X1为零水平，根据响应曲面图，分析其余2个因素间的交互作用对胚面定向成功率的影响。

图13 因素交互作用对胚面定向成功率影响的响应曲面Fig.13 Impacts of interaction on success rate of embryo side orientation

图13a是X2为4 mm时，X1和X3对胚面定向成功率交互作用的响应面。由图可知，当X1一定时，随着X3的增大，胚面定向成功率呈现先升后降趋势，且变化幅度较小。当X3一定时，胚面定向成功率随着X1的增大先高后低，且变化幅度较大。X1在99.5～103 V，X3在6.5～9 mm时，胚面定向成功率较高。

图13b是控制器输出电压X1为101 V时，X2和X3对胚面定向成功率交互作用的响应面。由图可知，当X3一定时，随着X2的增大，胚面定向成功率呈现先升后降趋势，且变化幅度较大。当X2一定时，胚面定向成功率随X3的增大先高后低，且变化幅度较小。X2在3.5～5.5 mm，X3在6.5～9.25 mm时，胚面定向成功率较高。

2.8 参数优化与验证试验

以尽量使胚面定向成功率高的优化原则，在X1为95～107 V，X2为2～6 mm，X3为5.5～9.5 mm的约束条件下进行优化求解。得到在X1=101.20 V，X2=4.38 mm，X3=7.97 mm的参数组合条件下存在最优解，但是由于控制器电压只能取整数，此时设置X1=101 V，对应X2=4.38 mm，X3=7.96 mm，在该条件下胚面定向成功率为94.85%。

为了验证优化分析结果的正确性，在最优解的条件下进行了验证试验，试验重复3次，胚面定向成功率为94.82%。优化结果可信，试验效果如图14所示。同时记录该参数组合下输送种子目标数量的时间，计算其排料速度，排料速度为85个/min。

图14 试验效果Fig.14 Test results

2.9 品种适应性试验

为了考察该装置对不同品种的适应性，另外选取了农华816、万盛68两个品种的玉米种子在装置上进行适应性试验。试验开始前，两个品种各选取200粒玉米种子进行尺寸的测量。特征参数如表4所示。每组试验进行200粒玉米种子的送料作业，每组试验重复3次。试验结果为农华816品种的胚面定向成功率是91.67%，万盛68的胚面定向成功率是91.17%。试验结果表明所选的玉米品种的胚面定向成功率均大于91%，装置对种子具有良好的适应性。

表4 两个品种的特征参数Tab.4 Characteristic parameters of two varieties

3 结论

(1)针对玉米定向播种中的胚面定向问题，以马齿形玉米种子为研究对象，研制了一种基于振动排序的玉米种子胚面定向装置，设计了该装置螺旋轨道上的选向机构和定向机构，探明了玉米种子胚面定向原理，确定了选向机构和定向机构的尺寸参数和空间位置。

(2)选取控制器输出电压、翻面机构1终点到侧壁的垂直距离和翻面机构1终点到轨道表面的垂直距离为主要因素，利用Box-Behnken试验方法开展了三因素三水平旋转正交试验，确定了最优参数组合为：控制器输出电压101 V、翻面机构1终点到侧壁的垂直距离4.38 mm、翻面机构1终点到轨道表面的垂直距离7.96 mm，在最优参数组合条件下胚面定向成功率为94.85%。

(3)对最优参数组合进行了验证试验，试验结果表明，胚面定向成功率为94.82%，与优化结果基本一致,该结果满足设计要求。且该参数组合下，排料速度可达85个/min,此速度满足后续定向包装的供种要求。

(4)进行了品种适应性试验，试验结果表明：所选的玉米品种农华816、万盛68的胚面定向成功率均大于91%，玉米种子胚面定向装置对京科青贮516、农华816和万盛68具有良好的适应性。