基于Solid_Works的转盘式沙漠种植机设计_刘智豪.pdf

2023年9期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application基于 Solid Works 的转盘式沙漠种植机设计刘智豪，石佳磊，郭朝阳，魏若旭，李兵（陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院，西安 710300）随着我国绿色环保事业的不断发展，植树造林工作不断深入，沙漠戈壁植树工作大力开展，各类种植机械层出不穷。沈阳大学的关佳征1设计了一款戈壁沙漠植树机器人，可在各类复杂地形中实现树苗的转运、树坑挖掘、树苗栽种和土壤夯实等一系列作业。南京理工大学泰州科技学院的殷劲松等2设计了一款小型全自动植树机，通过对电机的控制完成钻孔、植苗和填土等一系列种植工作。辽宁科技大学的马浩钦等3对沙漠自动植树机器人进行了创新设计，该植树机器人以太阳能为能量来源，设计的可改装底盘装置可适应沙漠地形作业；设计的分选转盘装置可实现分苗作业；设计的浇水储水装置可实现种植完成后对树苗进行喷水作业。新疆石河子炮台土壤改良试验站的朱拥军等4针对新疆戈壁沙漠环境特点，采用滴灌方法对榆树进行种植，实现对荒漠环境改良的目的。甘肃畜牧工程职业技术学院的白仕珑等5针对山地丘陵等复杂地形，设计了一款多功能自动铺膜装置，可有效解决薄膜拉紧、节省工时等问题，极大地提高了铺膜效率。兰州石化职业技术学院的李卫卫等6设计了一种多功能立体沙漠压沙种草机，可实现秸秆铺设和种草的目的。基于以上研究，本文介绍一款转盘式沙漠种植机，可很好地完成机械设备在沙漠中钻孔、储苗、植树和覆土一系列作业。1转盘式沙漠种植机结构设计转盘式沙漠种植机由钻孔单元、旋转盘植树单元、覆土单元和设备车体构成。以直径为 12 cm、高3555 cm 的树苗作为研究对象，整体结构尺寸均以此作为设计标准。图 1 为转盘式沙漠种植机设计图。图 2为整机运动流程图。首先，将栽植树苗放置在旋转盘植树单元的储苗管内，开启电源，钻孔单元在地面打孔；其次，驱动电机启动，设备运转前进，将旋转盘植树单元的出苗口移动至钻孔上方，旋转盘植树单元中转盘旋转至树苗储苗管、出苗管与地面空洞三者同轴心时，输苗落入孔洞基金项目：陕西国防工业职业技术学院科研项目（gfxy22-42）第一作者简介：刘智豪（1995-），男，硕士，助教。研究方向为机械结构创新设计。摘要：针对当前市面上的沙漠种植机械品类少、设备笨重、工序单一、需要多人辅助作业且树苗的成活率难以保证，该文为直径为 12 cm、高 3555 cm 的树苗，设计一款自动化程度高、操作简单的转盘式沙漠种植机。该设备使用 Solid Works2019 软件对其机械结构进行设计，整体设备包括钻孔单元、旋转盘植树单元、覆土单元和设备车体；使用 Adams 2016 软件对其钻孔单元进行动态仿真分析，确保其尺寸设计的合理性。关键词：Solid Works；Adams；沙漠种植；农用机械；结构设计中图分类号：S223文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0018-04Abstract:In view of the few types of desert planting machinery on the market,heavy equipment,single working procedure,need many people to assist in operation,and the survival rate of seedlings is difficult to guarantee,this paper designs a turntabledesert planting machine with a high degree of automation and simple operation for the saplings with a diameter of 12 cm and aheight of 35 55 cm.The mechanical structure of the equipment is designed by Solid Works2019 software,and the wholeequipment includes drilling unit,rotating disc tree planting unit,soil covering unit and equipment car body,and the drilling unitis dynamically simulated and analyzed by Adams 2016 software to ensure the rationality of its size design.Keywords:Solid Works;Adams;desert planting;agricultural machinery;structural designDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.00518-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期内；然后，驱动电机再次启动，设备运转前进，覆土单元将两侧沙土覆盖在树苗两侧固定树苗，完成 1 次种植，后续重复以上流程；最后，种植结束，关闭电源。注：1为钻孔单元；2为旋转盘种植单元；3为设备车体；4为覆土单元。图1转盘式沙漠种植机设计图图2整机运动流程图1.1钻孔单元设计钻孔单元需在沙漠中进行钻孔作业，由步进电机、连杆、直杆、轴用轴承和钻头 5 部分组成。整体运动采用曲柄滑块机构。步进电机带动曲柄连杆运动，钻头与直流电机连接固定在一起，钻头进行竖直方向往复运动，从而实现在沙漠种植时钻孔作业。根据树苗尺寸范围，孔深最大可达 30 cm。图 3 为钻孔单元。1.2旋转盘种植单元旋转盘种植单元分为储苗部分与出苗部分，由储苗管、空心转盘、主动轮、从动轮、步进电机、出苗管和支架几部分组成。空心转盘分为上下 2 部分，下部分通过支架固定，连接主动轮、步进电机及出苗管，上部分连接储苗管、从动轮。将输苗存储在储苗管内，设备运动，使得出苗管出口运动至与钻孔单元孔洞同轴心。步进电机提供动力，连接主动轮带动从动轮使空心转盘上部分旋转，当储苗管与出苗管同轴心时，即此时存有树苗的储苗管、出苗管及孔洞 3 者同轴心，储苗管内树苗通过出苗管落入孔洞中，完成树苗种植作业。图 4 为旋转盘种植单元。注：5为步进电机；6为连杆；7为直杆；8为轴用轴承；9为钻头。图3钻孔单元注：10 为储苗道；11 为空心转盘；12 为主动轮；13 为从动轮；14 为步进电机；15 为出苗管；16 为支架。图4旋转盘种植单元1.3覆土单元设计覆土单元主要负责在树苗种植后的沙土回填，覆土单元由 U 型支架、立方杆及覆土盘几部分组成，两侧的覆土盘通过 U 型支架固定在车体后侧，倾斜角度可根据实际需求进行调整。由车体运动从而带动覆土盘前进，将两侧的沙土回填到树苗孔洞内固定树苗，减少人工成本。图 5 为覆土单元。1.4设备车体设计设备车体包括驱动轮和车架，安装有供电设备与控制装置，整体通过要以保证整体设备的控制运动。由迈克 MC 遥控器发射信号，作用于电子调速器，电子调速器将 12 V 电流转为可控电流作用于直流电机，实现12345678913101112141516打开电源曲柄摇杆运动打孔作业设备移动，旋转罗盘输苗装置至孔洞上方主动轮带动储苗管旋转 45树苗储苗管、出苗管、地面孔洞同轴心树苗落入孔洞内种植下一棵树苗覆土盘进行覆土作业关闭电源结束钻孔单元旋转盘种植单元覆土单元19-2023年9期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application了对直流电机的控制，进而可实现对车体的运动控制。图 6 为设备车体设计。注：21 为覆土盘；22 为立方杆；23 为 U 型支架。图5覆土单元注：17 为直流电机；18 为控制板；19 为支架；20 为驱动轮。图6设备车体2运动仿真分析在结构设计过程中，使用 Adams 2016 软件对钻孔单元，进行运动仿真分析，以确定其最终合理设计尺寸7。根据树苗长度直径及种植深度，确定曲柄长度LAB=12.5 cm，连杆长度 LBC=17.5 cm，滑块最大行程为Smax=LAB+LBC，最小行程为 Smin=|LAB-LBC|，即打孔作业时，钻头在 530 cm 范围内进行往复运动。图 7 为曲柄滑块机构原理图。图7曲柄滑块机构原理图在给定连杆尺寸情况下进行动态仿真分析，仿真时间设置为 60 s，步数为 700。最终得到曲柄摇杆的位移、速度和加速度的曲线图，根据经验分析可知设计满足要求。图 8 为曲柄滑块机构的运动特性分析。21222317181920（c）加速度图8曲柄滑块机构运动分析图（b）速度（a）位移241BAC距离/cm速度/（cm s-1）加速度/（cm s-2）0.010.020.030.040.050.060.0时间/s0.010.020.030.040.050.060.0时间/sAnalysis:Last_Run2022-08-30 16:50:47Analysis:Last_Run2022-08-30 16:50:470.010.020.030.040.050.060.0时间/sAnalysis:Last_Run2022-08-30 16:50:47PART_4.CM_Velocity.MagPART_4.CM_Acceleration.MagPART_4.CM_Position.Mag35.030.025.020.015.010.05.09.08.07.06.05.04.03.02.01.00.06.05.04.03.02.01.00.0320-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期药材与知识”“地形场景与知识”“互动趣味与知识”4 个方面的信息融合表现（图 6）。图6平台各场景设计及信息表现形式3结束语随着当今虚拟现实技术的不断推广和应用，为古籍的保护和利用提供了一种有效的方法，古籍 滇南本草 数字化知识服务平台的开发过程将虚拟现实技术中有代表性的三维全景虚拟仿真技术、三维虚拟几何建模技术和虚拟图文交互技术进行了深入应用和有效整合，使古籍的“藏”与“用”问题得到有效解决的同时，使古籍实现了从单纯的资源服务向虚拟化、立体化、互动化的知识服务转变。参考文献：1 张光云，童英，段小花，等.滇南本草 研究概述J.中国民族民间医药，2020，29（3）：56-59.2 胡小强.虚拟现实技术基础与应用M.北京：北京邮电大学出版社，2011：13 叶宁.数码全景照的拍摄与合成J.大众硬件，2004，1（9）：142-143.4 薛尧予，萧琛.古籍文献三维数字模型库系统的研究与设计J.数字技术与应用，2014（5）：71-72.5 崔杏园，钱桦.虚拟现实及其演变发展J.工程地质计算机应用，2005，10（4）：14-17.6 黄燕.现代信息技术视野下的古籍文献信息表现形式研究以 广州大典 为例J.新世纪图书馆，2015（11）：44-47.（上接17页）通过对转盘式沙漠种植机各单元机械结构的设计，以及对打孔单元的运动分析，装配后得到沙漠种植机的整体模型。该设备不受场地的限制，可以适应多种环境，应用广泛；自动化程度高，大量地减少了人工的成本，操作简单后期维修保养成本底；使用遥控控制整体机械可操作空间，容错率大大提高；采用科学的方式精准计算打孔深度提高了树苗的存活率。图 9 为转盘式沙漠种植机整体三维模型。图9转盘式沙漠种植机三维模型3结束语设计的转盘式沙漠种植机代替了人工，可在更少时间内完成更多工作，提高沙漠植树效率。在技术实现方面，该装置的结构按照现有车体的尺寸及设计的空间布局进行设计，适用性强。采用常见的曲柄摇杆机构、齿轮传动机构结构简单，制成本更低，实用性高。动力及运动方面，消耗功率小，整