趙慶娟　孫金超　張紅勝

摘 要：隨著城鎮(zhèn)化速度加快以及勞動力成本的增加，城市綠化和植保需求急劇增加，急需適合辦公區(qū)域，綠化帶等區(qū)域的低噪聲、輕量化、美觀以及自動化的小型地塊使用的智能化割草機。為此，本文中設計了一種以復合材料3D打印高強度結構件為主的遙控式輕型割草機，對其結構、動力系統(tǒng)以及電器系統(tǒng)進行了設計及計算，并對整機進行了校園及政府辦公區(qū)的噪聲以及割草效率進行了測試，噪聲符合國家標準，安裝更換操作簡單，適用于城市區(qū)域植保。

關鍵詞：輕量化 割草機 復合材料 3D打印

中圖分類號：S224.15 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0094-03

Absrtact： With the acceleration of urbanization and the increase of labor costs， the demand for afforestation of city has increased dramatically has increased dramatically. Therefore， there is an urgent need for intelligent lawn mowers suitable for small plots with low noise， lightweight， beautiful and automation in office areas， green belts and other areas. In this paper， a remote-controlled light lawn mower with high-strength structural composite material parts is made by 3D printing technology. Its structure， power system and electrical system are designed and calculated. The noise and mowing efficiency of lawn mower in the campus and government office are tested. The results show that the noise of lawn mower is low and it is easy to install and replace which is suitable for plant protection in urban areas.

Key Words： Lightweight； Lawn mower； Composite material； 3D printing

隨著城市與道路綠化面積的迅速增加，城市區(qū)域內(nèi)植保的需求量增大，植保工人員的數(shù)量以及工作強度大幅度提升，由于現(xiàn)有植保工人老齡化嚴重，一線植保工作人員年齡主要集中在50歲左右。隨著工人年齡的增長，植保工作將面臨缺人問題，急需自動化設備甚至是無人設備取代。手推式以及肩背式的割草機勞動強度大，夏天天氣炎熱，暴曬的工作環(huán)境也是植保工作困難及無人問津的原因之一。手推式割草機由于需要人工推動，機器設備外形不美觀、噪音大、效率低，工作時會對辦公環(huán)境造成較大影響，因此急需現(xiàn)代化的自動割草設備來改善這一現(xiàn)狀。南京理工大學祖莉以及揚州大學聶慶煒等人針對國外庭院類割草機做了智能控制方面以及機構方面的優(yōu)化，增強了四輪割草機器人的功能以及可靠性[1-6]。但優(yōu)化后的割草設備并沒有進行大量投產(chǎn)和推廣，仍然處于實驗室研究階段，因此應用類的割草機器人的技術突破是十分迫切的，無論在制造難易程度、加工成本及操作可靠性等方面都需進一步提高。本文針對上述存在的問題，設計并制造出一臺結構簡單、輕便可靠的四輪驅(qū)動便攜式遙控割草機，并對該割草機進行了結構及系統(tǒng)的優(yōu)化，結構優(yōu)化后割草機的主要部件采用高強度輕質(zhì)合金板材的沖壓加工及復合材料3D打印技術大大降低割草機的重量和體積，選用鋰電池以及減速電機進行驅(qū)動，極大地降低了制造難度和成本，增加了電氣部分的可靠性，該設備可以實現(xiàn)遠距離遙控操作，完全可以實現(xiàn)降低勞動強度、改善勞動環(huán)境的目的，同時它還可以適應各種復雜地形進行割草作業(yè)。

1 便攜式遙控割草機結構及動力機構

割草機主要應用于城市、道路以及園林綠化等場所。需要割草機輕便小型、噪音小、功耗低，并且在割草作業(yè)的過程中最好能將割除的草葉粉碎，可以進一步降低人力物力。割草機應有足夠的動力，能夠爬坡不低于30°，來適應斜坡作業(yè)。并且在園林植保的應用中在割草機的電力供應方面，更換電池比充電更適合割草工作。

采用FDM（Fused Deposition Modeling）3D打印技術對ABS碳纖維復合材料進行熔融沉積成形制造便攜式遙控割草機的主要結構件，結構經(jīng)過優(yōu)化后強度高并且受力均衡，組裝后的割草機輕巧，便于攜帶。機體采用4臺直流減速電機驅(qū)動其運動，而為割刀提供動力的割草電機位于機體中心使用高速電機，型號為20AH鋰電池，能夠?qū)崿F(xiàn)在割草過程中將割除的草葉粉碎的目的。采用通用接口，便于電池更換。割草機刀盤采用懸掛式單刀盤或多刀盤增加割幅，用來提高割草效率，同時刀盤可上下調(diào)節(jié)，適用于不同情況草場割草作業(yè)的需求，割茬最低可達到20mm，—般割草機割茬在30～50mm之間。為了防止割草過程中出現(xiàn)因地形特殊出現(xiàn)側翻的問題，將割草機重心設計的較低，對割草機起到保護的作用。將割草機的驅(qū)動部分和控制部分放置于割草機尾部，將其封閉，并在單側加鋁制散熱器，既可以避免在割草作業(yè)過程中遭到劃傷或損壞起到保護的作用，還可以保證設備工作時間。外部控制部分采用采用遙控器遠程遙控或下載對應APP使用手機遙控割草機，真正的實現(xiàn)方便操作者使用的設想。

便攜式遙控割草機三維實體如圖1所示，其主要結構件選用纖維增強PLA復合材料使用3D打印技術加工而成，材料選擇考慮到保證車身強度的情況下可極大的減輕割草機自身的重量。此外，3D打印技術可以加工常規(guī)加工手段難以加工的的形狀結構，并極大的縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)以及加工周期。本文設計的便攜式遙控割草機主要部件，采用多臺3D打印設備同時進行打印工作，并可以及時控制打印件的打印質(zhì)量，大大縮短研發(fā)周期。割草機結構采用組合式，其目的在于便于拆卸、更換和維修。

便攜式遙控割草機的上板用來固定電路板以及電機驅(qū)動裝置。行走電機固定架與上板通過彈簧螺栓固定，增加割草機的工作穩(wěn)定性。采用4臺減速直流電機控制運動方向以及提供前進動力。割刀由白鋼刀及3D打印刀架固定構成。

2 便攜式遙控割草機割草運動分析

2.1 割草運動軌跡

割草機構采用高速直流電機驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動，刀盤采用復合材料框架與鋼制刀片復合安裝，能夠保證結構強度與刀具壽命。設定電機轉(zhuǎn)速50r/min；輪子直徑選定為6寸；行走線速度0.4m/s；割草電機轉(zhuǎn)速3500r/min；割草電機線速度124m/s。

實際割草軌跡計算如下：

3 電氣系統(tǒng)的設計

3.1 割草機控制原理

割草機運動控制部分采用4臺直流減速電機，通過分別驅(qū)動左右兩側電機控制割草機的運動[7-9]。采用arduino控制板作為電機控制板，分別增加電機驅(qū)動模塊、穩(wěn)壓模塊、安全模塊和通訊模塊，藍牙模塊控制遙控電氣原理見圖2。

在整臺割草機中由鋰電池給單片機主板、電機驅(qū)動器以及開關電源供電。通過數(shù)字口分別控制電機M1、M2，與電機M3、M4驅(qū)動割草機前進以及轉(zhuǎn)動，單獨通過開關電源控制割草電機的開啟和關閉，遙控器采用2.4G無線傳輸模塊遙控距離在80m以內(nèi)。

3.2 配套功率

參考相關標準進行割草機工作性能研究[10，11]，割草機消耗功率隨工作狀態(tài)包含刀具轉(zhuǎn)速、前進速度以及整機負載變化，整機的最大功率約為140W，選配兩臺20AH鋰電池，連續(xù)工作時間約為3h。為了考察割草機工作時是否達到設計需求，測試了包含行走速度、割草幅面、割草效率等參數(shù)，測試效果如表1所示。測試結果顯示割草機行進速度，割草效率以及漏割范圍都在割草機的合理使用范圍內(nèi)，完全可以滿足城市植保需求。

4 結論

（1）自動割草機采用3D打印復合材料結構件，在保證結構強度的前提下，大大減輕了割草機的重量，重量降低為金屬構件重量的五分之一。并且割草機結構可以針對不同應用場合進行個性化定制。

（2）便攜式遙控割草機工作過程中綜合性能良好，切割效率穩(wěn)定，割茬整齊，在進行修整草坪時，最低割茬可達到20mm，一般割草機割茬在30～50mm之間。

（3）由于割草機體積小、重量輕，地形適應性好，刀盤可以根據(jù)使用場合進行快速更換，整體耗電量低，方便野外作業(yè)和更換電池。

（4）割刀由白鋼刀片和纖維增強復合材料打印的刀架組成，輕質(zhì)耐磨適合長時間工作，更換方便。

參考文獻

[1] 陳子文，張春龍，李偉，等.株間鋤草機器人刀苗信息優(yōu)化系統(tǒng)設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015（9）：62-67.

[2] 聶慶瑋.自主式割草機器人的結構改進與智能控制設計[D].揚州大學，2018.

[3] 鄔備，王德成，王光輝，等.小型自走式割草機仿形裝置仿真分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015（7）：123-129.

[4] 馬曉春.割草機的設計與動態(tài)特性研究[D].東北林業(yè)大學，2005.

[5] 張春龍，黃小龍，劉衛(wèi)東，等.苗間鋤草機器人信息獲取方法的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2012（9）：142-146.

[6] 祖莉.智能割草機器人全區(qū)域覆蓋運行的控制和動力學特性研究[D].南京理工大學，2005.

[7] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.農(nóng)業(yè)機械設計手冊：下冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社，2007.

[8] 李志強.無刷直流電機無位置傳感器控制及四開關逆變器控制研究[D].天津大學，2009.

[9] 彭文剛.智能割草機嵌入式控制技術的研究[D].南京理工大學，2011.

[10]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T10938-2008，旋轉(zhuǎn)割草機[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[11]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.JB/T 9700-2013，牧草收獲機械試驗方法通則[S].北京：機械工業(yè)出版社，2013.