基于SolidWorks 的自行式除草機(jī)三維設(shè)計(jì)

西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 劉智豪 萬(wàn)宏強(qiáng) 鄧穎楠 邊佳婷 王明和 王穎南

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田雜草的清除，設(shè)計(jì)了一款自行式除草機(jī)，該裝置可以實(shí)現(xiàn)田間自主行走，并辨別雜草和莊稼，進(jìn)而對(duì)雜草進(jìn)行粉碎切除。采用SolidWorks軟件，對(duì)行走機(jī)構(gòu)、粉碎除草機(jī)構(gòu)、位移機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)能供電機(jī)構(gòu)等部件進(jìn)行三維實(shí)體建模及虛擬樣機(jī)裝配。結(jié)果表明：整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用時(shí)便于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)整體對(duì)田間雜草的切除和粉碎，滿足市場(chǎng)所需，有較好的運(yùn)用前景。

1 引言

農(nóng)田雜草的存在致使農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，農(nóng)民要投入大量的人力和物力進(jìn)行雜草防除，主要除草方式有人工、化學(xué)、機(jī)械、生物技術(shù)、熱力和電力除草等[1-2]，機(jī)械除草方式是一種綠色除草方式[3-5]，隨著自動(dòng)控制、機(jī)器視覺(jué)和導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，智能除草機(jī)械逐漸發(fā)展起來(lái)[6]。機(jī)械除草能夠提高除草效果，減少對(duì)環(huán)境的影響，保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)外的機(jī)械除草設(shè)備主要以大型設(shè)備為主，靠大型設(shè)備牽引，無(wú)法適應(yīng)國(guó)內(nèi)小面積作業(yè)現(xiàn)狀，因此利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研究一種新型的、屬于保護(hù)性耕作的、生態(tài)環(huán)境機(jī)械的除草機(jī)不但可以有效的提高效率，還解放勞動(dòng)力，具有很廣泛的前景[7-9]。

2 總體方案設(shè)計(jì)與設(shè)備工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

該設(shè)備主要由行走機(jī)構(gòu)、粉碎除草機(jī)構(gòu)、刀具移位機(jī)構(gòu)、供電模塊和控制系統(tǒng)等組成。圖1所示為整體外觀視圖。

圖1 整體外觀視圖

自行式田間雜草切除粉碎機(jī)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，粉碎除草機(jī)構(gòu)采用高速電機(jī)帶動(dòng)割草刀具旋轉(zhuǎn)，刀具位移機(jī)構(gòu)采用電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠螺母副，使刀具在旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)給，完成除草作業(yè)。供電模塊電能由太陽(yáng)能板收集能量，儲(chǔ)存在蓄電池中方便為整體提供電能，從而整體實(shí)現(xiàn)對(duì)田間雜草的清除效果。

2.2 系統(tǒng)控制原理

整機(jī)的工作流程為傳感器輸入外界環(huán)境，然后分析是否有雜草。如果有草就停下開(kāi)，定位，粉碎。粉碎完成或沒(méi)有雜草就繼續(xù)行走。如果有草再停，重復(fù)上述過(guò)程。圖2所示為控制原理圖。

圖2 控制原理圖

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 粉碎除草機(jī)構(gòu)

自行式田間粉碎切除草機(jī)的粉碎切除草部分是由小電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀頭高速旋轉(zhuǎn)，從而完成雜草的粉碎切除，該處使用四葉破壁刀，直徑40~50mm，重約100g。刀頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用型號(hào)為XD—3420，額定電壓為24V的直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)。如圖3所示為粉碎除草機(jī)構(gòu)視圖。

圖3 粉碎除草機(jī)構(gòu)

3.2 自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)

以設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，確定履帶的主要參數(shù)，其中整機(jī)的重量對(duì)履帶參數(shù)設(shè)計(jì)很重要，按整機(jī)重量為60kg進(jìn)行設(shè)計(jì)。本機(jī)構(gòu)采用長(zhǎng)1153mm，寬90mm的雙側(cè)履帶進(jìn)行傳動(dòng)，整體由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托帶輪等部件構(gòu)成?？梢詫?shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)行走功能，為刀具粉碎雜草提供可能。如圖4為履帶自動(dòng)行走裝置視圖，圖5為車架圖。

圖4 自動(dòng)行走裝置

圖5 車架圖

3.3 刀具位移機(jī)構(gòu)

刀具位移機(jī)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示，包含了滾柱絲杠副、導(dǎo)軌、固定連接板等，該機(jī)構(gòu)為一個(gè)數(shù)控XZ工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)將該工作臺(tái)通過(guò)連接板安裝在履帶小車上，進(jìn)而通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)，用于帶動(dòng)粉碎機(jī)構(gòu)上下左右的移動(dòng)。如圖7所示為刀具位移機(jī)構(gòu)視圖。

設(shè)計(jì)參數(shù)為：移位行程：橫向1000mm，縱向350mm；移位機(jī)構(gòu)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高):1200×100×50mm；工作臺(tái)最大承載重量：1Kg；脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse。

圖6 移位系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.4 太陽(yáng)能供電機(jī)構(gòu)

考慮動(dòng)力電池的容量和功率對(duì)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性要求，選用閥控式密封鉛酸蓄電池為整個(gè)設(shè)備提供能源，選擇某公司生產(chǎn)的達(dá)沃蓄電池。其具體參數(shù)如下：容量105Ah，可帶動(dòng)電機(jī)功率為300W。如圖8所示為太陽(yáng)能供電結(jié)構(gòu)。

圖8 太陽(yáng)能供電結(jié)構(gòu)

該設(shè)備采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作裝置，能量來(lái)自于蓄電池。通過(guò)理論計(jì)算，太陽(yáng)能每年的發(fā)電量可以供該車工作97天，工作效率達(dá)到了90%，符合生態(tài)建設(shè)、節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。這種太陽(yáng)能充電方式理論上可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，在沒(méi)有陽(yáng)光的條件下，完全可以采用居民用電為其補(bǔ)充能量來(lái)確保自行式田間雜草粉碎切除機(jī)可以完成正常的工作。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種適用于除草和松土的自行式田間雜草切除粉碎機(jī)，刀片有利于除草入土，電機(jī)與除草機(jī)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，有效提高了電機(jī)能量的傳遞效率。太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的零污染，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。除草機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)停止，自動(dòng)識(shí)別雜草，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，達(dá)到除草效果。