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(dòng)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(dòng)化的小型地塊使用的智能化割草機(jī)。為此，本文中設(shè)計(jì)了一種以復(fù)合材料3D打印高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件為主的遙控式輕型割草機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)以及電器系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及計(jì)算，并對(duì)整機(jī)進(jìn)行了校園及政府辦公區(qū)的噪聲以及割草效率進(jìn)行了測(cè)試，噪聲符合國家標(biāo)準(zhǔn)，安裝更換操作簡(jiǎn)單，適用于城市區(qū)域植保。

關(guān)鍵詞：輕量化 割草機(jī) 復(fù)合材料 3D打印

中圖分類號(hào)：S224.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qiáng)度大幅度提升，由于現(xiàn)有植保工人老齡化嚴(yán)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(zhǎng)，植保工作將面臨缺人問題，急需自動(dòng)化設(shè)備甚至是無人設(shè)備取代。手推式以及肩背式的割草機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)由于需要人工推動(dòng)，機(jī)器設(shè)備外形不美觀、噪音大、效率低，工作時(shí)會(huì)對(duì)辦公環(huán)境造成較大影響，因此急需現(xiàn)代化的自動(dòng)割草設(shè)備來改善這一現(xiàn)狀。南京理工大學(xué)祖莉以及揚(yáng)州大學(xué)聶慶煒等人針對(duì)國外庭院類割草機(jī)做了智能控制方面以及機(jī)構(gòu)方面的優(yōu)化，增強(qiáng)了四輪割草機(jī)器人的功能以及可靠性[1-6]。但優(yōu)化后的割草設(shè)備并沒有進(jìn)行大量投產(chǎn)和推廣，仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，因此應(yīng)用類的割草機(jī)器人的技術(shù)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(jìn)一步提高。本文針對(duì)上述存在的問題，設(shè)計(jì)并制造出一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便可靠的四輪驅(qū)動(dòng)便攜式遙控割草機(jī)，并對(duì)該割草機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后割草機(jī)的主要部件采用高強(qiáng)度輕質(zhì)合金板材的沖壓加工及復(fù)合材料3D打印技術(shù)大大降低割草機(jī)的重量和體積，選用鋰電池以及減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(shè)備可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控操作，完全可以實(shí)現(xiàn)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)環(huán)境的目的，同時(shí)它還可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形進(jìn)行割草作業(yè)。

1 便攜式遙控割草機(jī)結(jié)構(gòu)及動(dòng)力機(jī)構(gòu)

割草機(jī)主要應(yīng)用于城市、道路以及園林綠化等場(chǎng)所。需要割草機(jī)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(jìn)一步降低人力物力。割草機(jī)應(yīng)有足夠的動(dòng)力，能夠爬坡不低于30°，來適應(yīng)斜坡作業(yè)。并且在園林植保的應(yīng)用中在割草機(jī)的電力供應(yīng)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(shù)對(duì)ABS碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行熔融沉積成形制造便攜式遙控割草機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后強(qiáng)度高并且受力均衡，組裝后的割草機(jī)輕巧，便于攜帶。機(jī)體采用4臺(tái)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，而為割刀提供動(dòng)力的割草電機(jī)位于機(jī)體中心使用高速電機(jī)，型號(hào)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(jī)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(shí)刀盤可上下調(diào)節(jié)，適用于不同情況草場(chǎng)割草作業(yè)的需求，割茬最低可達(dá)到20mm，—般割草機(jī)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(cè)翻的問題，將割草機(jī)重心設(shè)計(jì)的較低，對(duì)割草機(jī)起到保護(hù)的作用。將割草機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分和控制部分放置于割草機(jī)尾部，將其封閉，并在單側(cè)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(hù)的作用，還可以保證設(shè)備工作時(shí)間。外部控制部分采用采用遙控器遠(yuǎn)程遙控或下載對(duì)應(yīng)APP使用手機(jī)遙控割草機(jī)，真正的實(shí)現(xiàn)方便操作者使用的設(shè)想。

便攜式遙控割草機(jī)三維實(shí)體如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)件選用纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料使用3D打印技術(shù)加工而成，材料選擇考慮到保證車身強(qiáng)度的情況下可極大的減輕割草機(jī)自身的重量。此外，3D打印技術(shù)可以加工常規(guī)加工手段難以加工的的形狀結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)的便攜式遙控割草機(jī)主要部件，采用多臺(tái)3D打印設(shè)備同時(shí)進(jìn)行打印工作，并可以及時(shí)控制打印件的打印質(zhì)量，大大縮短研發(fā)周期。割草機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)的上板用來固定電路板以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。行走電機(jī)固定架與上板通過彈簧螺栓固定，增加割草機(jī)的工作穩(wěn)定性。采用4臺(tái)減速直流電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)方向以及提供前進(jìn)動(dòng)力。割刀由白鋼刀及3D打印刀架固定構(gòu)成。

2 便攜式遙控割草機(jī)割草運(yùn)動(dòng)分析

2.1 割草運(yùn)動(dòng)軌跡

割草機(jī)構(gòu)采用高速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤采用復(fù)合材料框架與鋼制刀片復(fù)合安裝，能夠保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與刀具壽命。設(shè)定電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速3500r/min；割草電機(jī)線速度124m/s。

實(shí)際割草軌跡計(jì)算如下：

3 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 割草機(jī)控制原理

割草機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部分采用4臺(tái)直流減速電機(jī)，通過分別驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)電機(jī)控制割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)[7-9]。采用arduino控制板作為電機(jī)控制板，分別增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓模塊、安全模塊和通訊模塊，藍(lán)牙模塊控制遙控電氣原理見圖2。

在整臺(tái)割草機(jī)中由鋰電池給單片機(jī)主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及開關(guān)電源供電。通過數(shù)字口分別控制電機(jī)M1、M2，與電機(jī)M3、M4驅(qū)動(dòng)割草機(jī)前進(jìn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)，單獨(dú)通過開關(guān)電源控制割草電機(jī)的開啟和關(guān)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行割草機(jī)工作性能研究[10，11]，割草機(jī)消耗功率隨工作狀態(tài)包含刀具轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度以及整機(jī)負(fù)載變化，整機(jī)的最大功率約為140W，選配兩臺(tái)20AH鋰電池，連續(xù)工作時(shí)間約為3h。為了考察割草機(jī)工作時(shí)是否達(dá)到設(shè)計(jì)需求，測(cè)試了包含行走速度、割草幅面、割草效率等參數(shù)，測(cè)試效果如表1所示。測(cè)試結(jié)果顯示割草機(jī)行進(jìn)速度，割草效率以及漏割范圍都在割草機(jī)的合理使用范圍內(nèi)，完全可以滿足城市植保需求。

4 結(jié)論

（1）自動(dòng)割草機(jī)采用3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，大大減輕了割草機(jī)的重量，重量降低為金屬構(gòu)件重量的五分之一。并且割草機(jī)結(jié)構(gòu)可以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行個(gè)性化定制。

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

（3）由于割草機(jī)體積小、重量輕，地形適應(yīng)性好，刀盤可以根據(jù)使用場(chǎng)合進(jìn)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(qiáng)復(fù)合材料打印的刀架組成，輕質(zhì)耐磨適合長(zhǎng)時(shí)間工作，更換方便。

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