自动剪枝机设计.docx

摘要

灌木修剪作业是水果种植业、花卉园林种植中的一个重要环节，然而在以人工修剪为主的传统式修剪中，生产率低且需要大量的人工参与。为了提高园林管理人员的作业效率，本文决定设计出一个能够瞒住自动化的灌木剪枝机，该剪枝机具有体积小、制造成本低噪音小等特点。

本文首选根据灌木剪枝机的实际工作特点提出剪枝机的工作原理以及结构方案。然后在此基础上通过比较各种传动方案、驱动方案以及刀片的结构形式来确定出剪枝机的具体设计方案和有关的参数。对于传动系统以及电机的有关参数本文采用机械设计、机械原理的有关理论方法，计算出较为合理的技术参数。当以上技术参数设计完毕后，本文还在此基础上利用SolidWorks建模软件进行了三维建模。本文还重受力的理论基础上分析了切割器的运动、速度、受力等机械参数，并在此基础上对电机、传动带进行选型。最后，本设计为了避免工人在使用剪枝机时由于突然触碰到硬物而导致剪枝机锯片脱手伤人，本文还创新性地设计了基于加速度陀螺仪和单片机的主动安全保护装置。

关键词：修剪机；切割器；三维建模；机构优化；主动安全保护

1绪论

1.1研究背景及意义

灌木类植物剪枝是园林管理的重要环节，定期的修剪可以调节植物的生长速度、合理分配营养、防止大小年结果以及控制树势(吴良军等2018)。我国地域辽阔，地形复杂，果园修剪机械发展参差不齐，根据果园作业地形，修剪机械分为平地作业机械和丘陵山区果园作业机械，丘陵山地果园地形复杂，手工修剪为主辅以小型化修剪机械，在果园机械化方面整体水平低。对于平地或缓坡地果园，果树修剪机械化程度较低，修剪机械多为小型化修剪机械，大型高效率的修剪机械较少，严重阻碍了我国农业现代化的发展(李树江等2019)。近年来，我国城镇化发展迅速，进城务工的青壮年不断增多(廖文梅等2019),农村留守人员大都为妇女和老人，农村劳动力日益减少，人工成本高，生产率低，灌木类果树产前、产后成本日益升高，严重阻碍了我国种植产业的发展每年定时的修剪多余的果树等灌木类植物的藤蔓、枝丫，可以很好地取得大的丰收和经济效益。

1.2灌木剪枝机国内外发展现状

1.2.1国外发展现状

在西方农业机械较为发达的国家，果树的剪枝方法主要有两种方案：一种方案是单枝逐个修剪，另一种方案是整株几何修剪。单枝修剪就是根据植物的生长特点以及地理环境由人工逐个确定修剪的枝条。整株几何修剪是指在驱动地盘上安装可以移动的外伸作业臂，臂端装有液压驱动的切割器，可以对树冠以一定的几何形状进行修剪。该剪枝机的工作原理图和实物图如图1-1所示。

图1-1圆盘锯式修剪机

1.2.2国内发展现状

国内的剪枝机应用研究开始较晚，所以在很长一段时间市场上的品种十分单一，并且以生产手动式修剪为主。在修剪方案上，我们国家主要采用单枝的选择修剪。所采用的修剪工具主要是手动的，对于大型的应用环境主要采用气动、或者电动的驱动方式。这类的修剪机械常见的有TJDH30-2型气动果树修剪机。该类型的修剪机如图1-2所示。

图1-2单枝修枝机

1.3论文的主要工作安排

主要的设计工作可以总结如下：

(1)分析修剪的特点，设计基本的传动结构形式以及刀片等；

(2)根据剪切的受力以及速率，确定出剪枝机驱动电机的动力参数；

(3)通过SW三维建模软件绘制剪枝机的零件图和装配图；

2灌木剪枝机的总体设计

2.1灌木剪枝机的剪枝原理

灌木剪枝机整机可以分为三部分：切割器(刀具)、传动系统和驱动系统。切割器是整个机器的动作执行机构，本设计是往复式的切割刀具，灌木的枝条在刀片的剪切力的作用下而发生断裂，进而实现的切削的目的。传动系统是将电动机的旋转运动转化为动刀片的往复运动的机构，这一部分采用变形的多连杆机构来实现。驱动部分是采用的蓄电池带动电动机来实现的。总的来说灌木剪枝机的剪枝原理就是将电机的高速旋转运动转化为动刀片的高速往复运动，进而实现切削。往复式灌木剪枝机的工作原理如图2-1所示。

从动杆

从动杆

连杆

由柄

大带轮

v带

小带轮

机架

入入入

静刀片动刀片

滑动导轨

图2-1剪枝机的工作原理图

本灌木剪枝机采用多连杆的传动方式，在曲柄处增加了一个从动的连杆作为该多连杆机构的虚约束，该虚约束可以在不增加机构运动自由度的前提下提高机构的刚度，进而可以降低机构运动的刚度和振动幅度。同时，本设计采用的是电机驱动，相较于传统的汽油机驱动具有噪音低、振动小、体积小的特点。并且由于该机器是电机所驱动的，所以其转速的控制也较为方便，所以在此基础上设计出了基于加速度陀螺仪和单片机的主动安全保护装置。该装置能够避免工人在使用剪枝机时由于突然触碰到硬物而导致剪枝机锯片脱手伤人。这样该灌木剪枝机就相较于传统的剪枝机具有更加友好的人机