基于SolidWorks 的自行式除草机三维设计

西安工业大学机电工程学院 刘智豪 万宏强 邓颖楠 边佳婷 王明和 王颖南

为了实现对农田杂草的清除，设计了一款自行式除草机，该装置可以实现田间自主行走，并辨别杂草和庄稼，进而对杂草进行粉碎切除。采用SolidWorks软件，对行走机构、粉碎除草机构、位移机构、太阳能供电机构等部件进行三维实体建模及虚拟样机装配。结果表明：整机机械结构简单，使用时便于操作，能够实现整体对田间杂草的切除和粉碎，满足市场所需，有较好的运用前景。

1 引言

农田杂草的存在致使农作物产量和品质下降，农民要投入大量的人力和物力进行杂草防除，主要除草方式有人工、化学、机械、生物技术、热力和电力除草等[1-2]，机械除草方式是一种绿色除草方式[3-5]，随着自动控制、机器视觉和导航技术的应用，智能除草机械逐渐发展起来[6]。机械除草能够提高除草效果，减少对环境的影响，保证农业的可持续发展。国内外的机械除草设备主要以大型设备为主，靠大型设备牵引，无法适应国内小面积作业现状，因此利用现代设计技术研究一种新型的、属于保护性耕作的、生态环境机械的除草机不但可以有效的提高效率，还解放劳动力，具有很广泛的前景[7-9]。

2 总体方案设计与设备工作原理

2.1 总体结构方案设计

该设备主要由行走机构、粉碎除草机构、刀具移位机构、供电模块和控制系统等组成。图1所示为整体外观视图。

图1 整体外观视图

自行式田间杂草切除粉碎机采用履带式行走机构，粉碎除草机构采用高速电机带动割草刀具旋转，刀具位移机构采用电机带动滚珠丝杠螺母副，使刀具在旋转同时进给，完成除草作业。供电模块电能由太阳能板收集能量，储存在蓄电池中方便为整体提供电能，从而整体实现对田间杂草的清除效果。

2.2 系统控制原理

整机的工作流程为传感器输入外界环境，然后分析是否有杂草。如果有草就停下开，定位，粉碎。粉碎完成或没有杂草就继续行走。如果有草再停，重复上述过程。图2所示为控制原理图。

图2 控制原理图

3 主要部件设计

3.1 粉碎除草机构

自行式田间粉碎切除草机的粉碎切除草部分是由小电机驱动刀头高速旋转，从而完成杂草的粉碎切除，该处使用四叶破壁刀，直径40~50mm，重约100g。刀头驱动电机使用型号为XD—3420，额定电压为24V的直流电机，其转速为8000转。如图3所示为粉碎除草机构视图。

图3 粉碎除草机构

3.2 自动行走机构

以设备的设计参数为基础，确定履带的主要参数，其中整机的重量对履带参数设计很重要，按整机重量为60kg进行设计。本机构采用长1153mm，宽90mm的双侧履带进行传动，整体由驱动轮、导向轮、支重轮、托带轮等部件构成。可以实现整体机构的平稳行走功能，为刀具粉碎杂草提供可能。如图4为履带自动行走装置视图，图5为车架图。

图4 自动行走装置

图5 车架图

3.3 刀具位移机构

刀具位移机构系统简图如图6所示，包含了滚柱丝杠副、导轨、固定连接板等，该机构为一个数控XZ工作台实现将该工作台通过连接板安装在履带小车上，进而通过电机带动滚珠丝杠副的运动，用于带动粉碎机构上下左右的移动。如图7所示为刀具位移机构视图。

设计参数为：移位行程：横向1000mm，纵向350mm；移位机构外形尺寸(长×宽×高):1200×100×50mm；工作台最大承载重量：1Kg；脉冲当量：0.001mm/pluse。

图6 移位系统简图

3.4 太阳能供电机构

考虑动力电池的容量和功率对电力驱动系统的动力性要求，选用阀控式密封铅酸蓄电池为整个设备提供能源，选择某公司生产的达沃蓄电池。其具体参数如下：容量105Ah，可带动电机功率为300W。如图8所示为太阳能供电结构。

图8 太阳能供电结构

该设备采用的是电机驱动的工作装置，能量来自于蓄电池。通过理论计算，太阳能每年的发电量可以供该车工作97天，工作效率达到了90%，符合生态建设、节能环保的目标。这种太阳能充电方式理论上可以延长蓄电池的使用寿命，在没有阳光的条件下，完全可以采用居民用电为其补充能量来确保自行式田间杂草粉碎切除机可以完成正常的工作。

4 结论

设计了一种适用于除草和松土的自行式田间杂草切除粉碎机，刀片有利于除草入土，电机与除草机构一体化的设计简化了结构，有效提高了电机能量的传递效率。太阳能充电系统，实现设备运行的零污染，符合农业可持续发展的要求。除草机自动实现运动停止，自动识别杂草，可以适应不同的工作环境，达到除草效果。