基于SolidWorks 的自行式除草機三維設計

西安工業(yè)大學機電工程學院 劉智豪 萬宏強 鄧穎楠 邊佳婷 王明和 王穎南

為了實現(xiàn)對農(nóng)田雜草的清除，設計了一款自行式除草機，該裝置可以實現(xiàn)田間自主行走，并辨別雜草和莊稼，進而對雜草進行粉碎切除。采用SolidWorks軟件，對行走機構(gòu)、粉碎除草機構(gòu)、位移機構(gòu)、太陽能供電機構(gòu)等部件進行三維實體建模及虛擬樣機裝配。結(jié)果表明：整機機械結(jié)構(gòu)簡單，使用時便于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)整體對田間雜草的切除和粉碎，滿足市場所需，有較好的運用前景。

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行雜草防除，主要除草方式有人工、化學、機械、生物技術、熱力和電力除草等[1-2]，機械除草方式是一種綠色除草方式[3-5]，隨著自動控制、機器視覺和導航技術的應用，智能除草機械逐漸發(fā)展起來[6]。機械除草能夠提高除草效果，減少對環(huán)境的影響，保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)外的機械除草設備主要以大型設備為主，靠大型設備牽引，無法適應國內(nèi)小面積作業(yè)現(xiàn)狀，因此利用現(xiàn)代設計技術研究一種新型的、屬于保護性耕作的、生態(tài)環(huán)境機械的除草機不但可以有效的提高效率，還解放勞動力，具有很廣泛的前景[7-9]。

2 總體方案設計與設備工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)方案設計

該設備主要由行走機構(gòu)、粉碎除草機構(gòu)、刀具移位機構(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采用履帶式行走機構(gòu)，粉碎除草機構(gòu)采用高速電機帶動割草刀具旋轉(zhuǎn)，刀具位移機構(gòu)采用電機帶動滾珠絲杠螺母副，使刀具在旋轉(zhuǎn)同時進給，完成除草作業(yè)。供電模塊電能由太陽能板收集能量，儲存在蓄電池中方便為整體提供電能，從而整體實現(xiàn)對田間雜草的清除效果。

2.2 系統(tǒng)控制原理

整機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，定位，粉碎。粉碎完成或沒有雜草就繼續(xù)行走。如果有草再停，重復上述過程。圖2所示為控制原理圖。

圖2 控制原理圖

3 主要部件設計

3.1 粉碎除草機構(gòu)

自行式田間粉碎切除草機的粉碎切除草部分是由小電機驅(qū)動刀頭高速旋轉(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)動電機使用型號為XD—3420，額定電壓為24V的直流電機，其轉(zhuǎn)速為8000轉(zhuǎn)。如圖3所示為粉碎除草機構(gòu)視圖。

圖3 粉碎除草機構(gòu)

3.2 自動行走機構(gòu)

以設備的設計參數(shù)為基礎，確定履帶的主要參數(shù)，其中整機的重量對履帶參數(shù)設計很重要，按整機重量為60kg進行設計。本機構(gòu)采用長1153mm，寬90mm的雙側(cè)履帶進行傳動，整體由驅(qū)動輪、導向輪、支重輪、托帶輪等部件構(gòu)成。可以實現(xiàn)整體機構(gòu)的平穩(wěn)行走功能，為刀具粉碎雜草提供可能。如圖4為履帶自動行走裝置視圖，圖5為車架圖。

圖4 自動行走裝置

圖5 車架圖

3.3 刀具位移機構(gòu)

刀具位移機構(gòu)系統(tǒng)簡圖如圖6所示，包含了滾柱絲杠副、導軌、固定連接板等，該機構(gòu)為一個數(shù)控XZ工作臺實現(xiàn)將該工作臺通過連接板安裝在履帶小車上，進而通過電機帶動滾珠絲杠副的運動，用于帶動粉碎機構(gòu)上下左右的移動。如圖7所示為刀具位移機構(gòu)視圖。

設計參數(shù)為：移位行程：橫向1000mm，縱向350mm；移位機構(gòu)外形尺寸(長×寬×高):1200×100×50mm；工作臺最大承載重量：1Kg；脈沖當量：0.001mm/pluse。

圖6 移位系統(tǒng)簡圖

3.4 太陽能供電機構(gòu)

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

圖8 太陽能供電結(jié)構(gòu)

該設備采用的是電機驅(qū)動的工作裝置，能量來自于蓄電池。通過理論計算，太陽能每年的發(fā)電量可以供該車工作97天，工作效率達到了90%，符合生態(tài)建設、節(jié)能環(huán)保的目標。這種太陽能充電方式理論上可以延長蓄電池的使用壽命，在沒有陽光的條件下，完全可以采用居民用電為其補充能量來確保自行式田間雜草粉碎切除機可以完成正常的工作。

4 結(jié)論

設計了一種適用于除草和松土的自行式田間雜草切除粉碎機，刀片有利于除草入土，電機與除草機構(gòu)一體化的設計簡化了結(jié)構(gòu)，有效提高了電機能量的傳遞效率。太陽能充電系統(tǒng)，實現(xiàn)設備運行的零污染，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。除草機自動實現(xiàn)運動停止，自動識別雜草，可以適應不同的工作環(huán)境，達到除草效果。