基于Solidworks的植保噴施農(nóng)藥混配裝置設(shè)計(jì)

劉彬 廖 奔 姚培煜 曾嘉均 廖俊添

摘 要：隨著植保無(wú)人機(jī)的迅速發(fā)展，無(wú)人機(jī)農(nóng)藥噴施將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥噴施的新常態(tài)。農(nóng)藥混配是農(nóng)藥噴施過(guò)程中的首要工作，農(nóng)藥混配的質(zhì)量是保證農(nóng)藥噴施質(zhì)量的重要前提。該研究基于Solidworks三維軟件設(shè)計(jì)了1臺(tái)植保噴施農(nóng)藥混配裝置，以期解決無(wú)人機(jī)植保噴施過(guò)程中對(duì)農(nóng)藥需求量和混配質(zhì)量的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥;SolidWorks;植保噴施;混配裝置

中圖分類(lèi)號(hào) S49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）07-0119-03

Abstract： With the rapid development of UAV plant protection spraying， UAV pesticide spraying will become a new normal in the future agriculture. Pesticide mixing is the primary work in the process of pesticide spraying， and the quality of pesticide mixing is an important guarantee for the quality of pesticide spraying. Based on this， I will design a plant protection spraying pesticide mixing device based on SolidWorks 3D software to solve the problem of pesticide demand and mixing quality in the process of UAV plant protection spraying

Key words： Pesticide; SolidWorks; Plant protection spraying;Mixing device

當(dāng)前，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)藥的配制主要是采用預(yù)混式，即手工混配。大多數(shù)農(nóng)民主要依靠經(jīng)驗(yàn)配制農(nóng)藥，混配得到藥液的濃度和劑量都不精確，藥液噴施后也無(wú)法進(jìn)行回收利用，不僅造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且給環(huán)境帶來(lái)了很大的污染。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在發(fā)達(dá)國(guó)家中興起，我國(guó)在農(nóng)業(yè)和環(huán)保的投入也正不斷加大，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，研發(fā)自動(dòng)化程度更高、混藥精確性更高的技術(shù)裝置已成為了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)手工農(nóng)藥混配濃度和精度不準(zhǔn)確的特點(diǎn)，本研究利用Solidworks三維建模軟件設(shè)計(jì)了1臺(tái)植保噴施農(nóng)藥混配裝置，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥的自動(dòng)混配，其采用靜態(tài)混合管和反應(yīng)釜攪拌裝置相結(jié)合，分別進(jìn)行農(nóng)藥第1、第2級(jí)混配，不僅減少了農(nóng)藥污染[2]，避免了農(nóng)藥混配過(guò)程中對(duì)作業(yè)人員的健康危害，而且保證了植保噴施中農(nóng)藥的混配質(zhì)量。單次最大混配容積達(dá)20L。

1 Solidworks三維軟件

Solidworks軟件是達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。該軟件采用參數(shù)化建模技術(shù)，能根據(jù)產(chǎn)品形狀和特點(diǎn)，快速、方便、精確的繪制其產(chǎn)品的三維數(shù)學(xué)模型[3]。通過(guò)三維數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)以及工程圖設(shè)計(jì)等功能，在一定程度上提升了機(jī)械產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)人員的工作質(zhì)量和工作效率，降低了機(jī)械產(chǎn)品在市場(chǎng)流通中的風(fēng)險(xiǎn)，從而有效地提升了相關(guān)企業(yè)的市場(chǎng)占有率和核心競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位[4]。研究將借助Solidworks強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能，完成植保噴施農(nóng)藥混配裝置的三維模型設(shè)計(jì)。

2 植保噴施農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置Solidworks三維設(shè)計(jì)

植保噴施農(nóng)藥混配裝置三維模型設(shè)計(jì)如圖1所示，主要應(yīng)用Solidworks軟件完成機(jī)架、二級(jí)混配機(jī)構(gòu)、藥罐可拆卸機(jī)構(gòu)、農(nóng)藥輸入機(jī)構(gòu)、鈑金外殼、輸入水泵、輸出水泵、藥粉通道、霍爾流量計(jì)、電磁閥、清水輸入口、藥液輸出口等零件的三維設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)用Solidworks設(shè)計(jì)庫(kù)[5]中的電機(jī)、軸承、聯(lián)軸器以及螺絲等標(biāo)準(zhǔn)件與設(shè)計(jì)好的零件進(jìn)行裝配，從而實(shí)現(xiàn)植保噴施農(nóng)藥混配裝置的三維模型設(shè)計(jì)。

2.1 工作原理 植保噴施農(nóng)藥混配裝置在將清水輸入口連接至清水后，通過(guò)基于stm32的控制器輸入混配參數(shù)，如果混配農(nóng)藥中存在藥粉或顆粒，可直接通過(guò)藥粉通道將藥粉或顆粒輸入進(jìn)二級(jí)混配箱。啟動(dòng)裝置，清水輸入泵開(kāi)始工作，清水延管道流經(jīng)農(nóng)藥輸入機(jī)構(gòu)，農(nóng)藥輸入機(jī)構(gòu)通過(guò)蠕動(dòng)泵將農(nóng)藥原液輸入進(jìn)管道，清水和農(nóng)藥原液未混合流體進(jìn)入二級(jí)混配機(jī)構(gòu)，當(dāng)二級(jí)混配箱內(nèi)液體達(dá)到控制器設(shè)定量時(shí)，清水輸入泵停止工作，單向閥反向截至。第一級(jí)混配機(jī)構(gòu)利用靜態(tài)混合器進(jìn)行一級(jí)混配，第二級(jí)混配機(jī)構(gòu)利用反應(yīng)釜攪拌桿進(jìn)行二級(jí)混配，通過(guò)控制器設(shè)定的混配時(shí)間控制第二級(jí)反應(yīng)釜攪拌電機(jī)的攪拌時(shí)間，實(shí)現(xiàn)藥液的二級(jí)均勻混配，農(nóng)藥混配完成后通過(guò)控制器設(shè)定輸出藥液量，打開(kāi)電磁閥和藥液輸出泵，藥液最終經(jīng)過(guò)霍爾流量計(jì)輸出。

2.2 二級(jí)混配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 二級(jí)混配機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由靜態(tài)混合器、霍爾流量計(jì)、單向閥、二級(jí)攪拌箱、反應(yīng)釜攪拌桿、pH傳感器、電機(jī)、軸承、電機(jī)支架等組成。靜態(tài)混合器通過(guò)利用螺旋葉片的加入，管內(nèi)流體在流動(dòng)工程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、扭曲、分割，使混合性能得到強(qiáng)化。在混配工藝過(guò)程中，渦旋擴(kuò)散、分子擴(kuò)散同時(shí)存在。由于分子擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于渦旋擴(kuò)散速度，渦旋擴(kuò)散對(duì)混合其主導(dǎo)作用，湍流流動(dòng)可以看成是由不同尺度不同強(qiáng)度的渦旋運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的，湍流強(qiáng)度增加，能有效提高混合器的混合性能[6]?；旌线^(guò)程中，從靜態(tài)混合器流出的混合液為第1級(jí)混合液，流經(jīng)霍爾流量計(jì)和單向閥進(jìn)入第2級(jí)混配箱，當(dāng)2級(jí)混配箱內(nèi)液體達(dá)到控制器設(shè)定量時(shí)，清水輸入泵停止工作，單向閥反向截至，控制器按照設(shè)定的混配時(shí)間啟動(dòng)電機(jī)，反應(yīng)釜攪拌桿進(jìn)行攪拌，完成攪拌后pH傳感器檢測(cè)最終藥液是否符合混配標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的二級(jí)混配。

2.3 農(nóng)藥輸入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 農(nóng)藥輸入機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要由蠕動(dòng)泵、蠕動(dòng)泵支架、定制6通輸入接頭等組成。蠕動(dòng)泵主要由步進(jìn)電機(jī)、連接軸、壓輥?zhàn)?、進(jìn)樣軟管、軟管卡緊裝置組成，在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下壓輥?zhàn)訑D壓軟管內(nèi)液體流動(dòng)[7]，蠕動(dòng)泵每次脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)能微量定量的輸出液體，在農(nóng)藥輸入機(jī)構(gòu)過(guò)程中，借助蠕動(dòng)泵的精確性實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確輸出，控制器控制的蠕動(dòng)泵一端與儲(chǔ)藥罐連接，藥液在蠕動(dòng)泵的劑量輸出控制下，通過(guò)定制6通輸入接頭輸入進(jìn)靜態(tài)緩混合器。

2.4 藥罐可拆卸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 藥罐可拆卸機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由儲(chǔ)藥罐、U型卡扣、迷你球閥、藥罐固定支架、液位傳感器等組成。儲(chǔ)藥罐通過(guò)U型卡扣固定在藥罐固定支架上，儲(chǔ)藥罐可從U型卡扣中取出，液位傳感器貼于儲(chǔ)藥罐下端，當(dāng)儲(chǔ)藥罐中藥液低于一定量時(shí)，液位傳感器傳遞信號(hào)至控制器，控制器發(fā)出警報(bào)，提醒補(bǔ)充藥液，儲(chǔ)藥罐出口連接有迷你球閥，當(dāng)需要將儲(chǔ)藥罐取出補(bǔ)充藥液或清洗時(shí)，需先關(guān)閉迷你球閥，裝置工作時(shí)迷你球閥打開(kāi)。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)應(yīng)用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了植保噴施農(nóng)藥混配裝置的三維模型設(shè)計(jì)，在了解植保噴施農(nóng)藥混配需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合靜態(tài)混合器和攪拌結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的二次混配，使藥液混配更均勻。整個(gè)混配過(guò)程不僅避免了人工操作，節(jié)省了大量的人力物力，也避免了農(nóng)藥混配作業(yè)過(guò)程中對(duì)操作員的身體健康危害，提高了植保噴施的工作效率。

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（責(zé)編：張宏民）