周孔生 陳江波 徐樂樂 鄭澤軍 王磊 湯先燦

摘要：針對(duì)我國玉米收獲時(shí)，玉米進(jìn)行手工剝皮工序生產(chǎn)勞動(dòng)關(guān)系強(qiáng)度大，費(fèi)工時(shí)和誤農(nóng)時(shí)，影響中國玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量;自動(dòng)化剝皮所產(chǎn)生的噪音、苞葉粉碎物形成的污染設(shè)計(jì)了一種環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)。剝皮機(jī)的大致形狀為：電機(jī)安裝在動(dòng)力座上，驅(qū)動(dòng)軸安裝在軸承座上，傳動(dòng)軸通過皮帶與電機(jī)連接，傳動(dòng)軸上設(shè)有螺條和橡膠釘，傳動(dòng)軸通過齒輪與傳動(dòng)軸相匹配。設(shè)計(jì)將選用一個(gè)永磁進(jìn)行同步實(shí)現(xiàn)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）為主管理控制研究中心，本實(shí)用新型降低了加工裝配成本，省去了收集環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。它能夠完全替代人力，具有功能全面，低成本，高可靠性等特點(diǎn)，并且它能夠適應(yīng)一些復(fù)雜工作區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)完整式作業(yè)。

關(guān)鍵詞：環(huán)保;降噪;脫皮機(jī);工作效率高;成本低

引言

我國玉米終年種植面積在2400萬公頃左右，居世界第二位，單產(chǎn)每公頃大約在5000公斤，明顯高于世界平均水平。據(jù)調(diào)查，脫皮機(jī)在中國農(nóng)村依然廣泛應(yīng)用于玉米等農(nóng)作物的去皮。中國約60%的玉米使用電力或人工剝皮機(jī)。從上世紀(jì)90年代開始，我國多家公司研制了60多種種玉米脫皮機(jī)，面向玉米脫皮機(jī)有關(guān)專利有64項(xiàng)。從結(jié)構(gòu)形式來看，主要有以下幾種機(jī)型：側(cè)置披掛式玉米脫皮機(jī)，一般帶有秸稈粉碎裝置，可以同步完成玉米的摘穗、集箱和秸稈粉碎等作業(yè)。背負(fù)式玉米脫皮機(jī)：與兩行機(jī)摘穗機(jī)構(gòu)多為摘穗輥式，具有一定的脫皮功能。牽引式玉米去皮機(jī)：可與履帶式或輪式拖拉機(jī)配套使用。近十年來，實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化收獲的呼聲不斷高漲。政府、科研機(jī)構(gòu)和社會(huì)企業(yè)對(duì)玉米收獲市場持樂觀態(tài)度，但玉米去皮機(jī)的推廣效果并不好。政策、種植模式等因素是影響種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。然而，機(jī)床適應(yīng)性差也是主要原因之一。國家正在大力發(fā)展中小型專用玉米剝皮機(jī)。近期玉米剝皮作業(yè)方式為：人工摘穗后，用專用玉米剝皮機(jī)完成田間剝皮作業(yè)。這種方法不僅可以大大提高工作效率，而且可以大大減少一次性購買機(jī)具的投資。農(nóng)民不需要每戶購買玉米剝皮機(jī)，但可以使用農(nóng)機(jī)專戶的玉米剝皮機(jī)進(jìn)行集中剝皮作業(yè)，設(shè)備利用率大大提高。農(nóng)民不用一次性購買機(jī)具，只花一部分加工費(fèi)，農(nóng)機(jī)專業(yè)戶也可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收入。因此，開發(fā)適合中國國情的玉米脫皮機(jī)型成為國內(nèi)玉米脫皮機(jī)械研究的一個(gè)新重點(diǎn)。環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)主要運(yùn)用于大型工廠集中性的工作，會(huì)降低所造成的環(huán)境污染等問題。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1脫皮機(jī)輥結(jié)構(gòu)

在該裝置中我們采用魚鱗輥結(jié)構(gòu)，它具有強(qiáng)度大并且耐用的特點(diǎn)。在可使用的壽命內(nèi)可以至少完成4000畝地玉米的拖皮工作，具有非常好的使用價(jià)值。在工作齒輪嚙合的過程中精度系數(shù)高，在機(jī)器工作過程中可以在云臺(tái)控制中精準(zhǔn)的工作。

1.2脫皮機(jī)傳送機(jī)構(gòu)

在傳送帶方面我們決定采用網(wǎng)帶傳送帶，網(wǎng)帶，耐熱強(qiáng)度高，抗腐性強(qiáng)，強(qiáng)硬耐用，不易變形，拉力均勻，且維護(hù)簡單，抗拉強(qiáng)度大，容許張力大，抗壓強(qiáng)。正好可以克服玉米對(duì)傳送帶的磨損。使玉米在脫皮前后的運(yùn)輸過程能更好的進(jìn)行。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3脫皮機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)

由于普通機(jī)器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢料廢屑和非常巨大的噪音，十分嚴(yán)重的影響了周圍人們的健康和情緒。所以我們將采用玻璃棉、麻棉毛氈、有機(jī)纖維材料、巖棉、礦棉以及聚苯乙烯泡沫塑料這幾種材料對(duì)機(jī)器進(jìn)行全方位的包裹，我們將通過共振吸引結(jié)構(gòu)的方式，達(dá)到隔絕聲音和保護(hù)環(huán)境的功效。在安全方面，此防護(hù)機(jī)構(gòu)可以防止外來異物的進(jìn)入來影響機(jī)器的工作運(yùn)行;還可以對(duì)周圍的人員進(jìn)行防護(hù)，機(jī)器外圍有玻璃棉等進(jìn)行保護(hù)。

1.4電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

在電機(jī)方面，我們將選擇永磁同步電機(jī)。該同步馬達(dá)的工作原理與普通電勵(lì)磁同步馬達(dá)在功能方面基本相同，但永磁同步電機(jī)采用永磁勵(lì)磁代替勵(lì)磁繞組，使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，從而降低了加工裝配產(chǎn)生的成本，同時(shí)也省去了易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。由于無需勵(lì)磁電流，沒有勵(lì)磁損耗，提高了系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的工作學(xué)習(xí)效率。永磁同步電機(jī)的主要部件有：轉(zhuǎn)子、定子、端蓋等部件。PMSM的定子結(jié)構(gòu)主要指通過定子鐵芯和定子繞組設(shè)計(jì)兩部分。目前，定子繞組有兩種類型： 分布式和集中式。分布式繞組與異步電動(dòng)機(jī)的定子多相交流繞組相似，一般我們希望通過分布在定子槽中的定子繞組之間產(chǎn)生的理想磁通勢為正弦波，然而中國實(shí)際工作繞組不會(huì)發(fā)展產(chǎn)生一個(gè)理想的正弦波。在整體的結(jié)構(gòu)方面永磁同步機(jī)也起到了橋梁作用。連接了供電系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)與其子系統(tǒng)之間的整體聯(lián)系。整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分主要有基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)，基于Altium Designer軟件的電路設(shè)計(jì)，基于Keil軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制技術(shù)路線等。

2.1基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)

為保證建模效果使用SolidWorks軟件，繪制各部件的零件圖。首先在solidwork中新建一個(gè)零件，根據(jù)二維圖形和構(gòu)思進(jìn)行相應(yīng)的特征處理，進(jìn)而完成零件的繪制，將各個(gè)部分的零件繪制成功后進(jìn)行裝配工作，進(jìn)而來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保實(shí)物能夠順利的組裝起來，以實(shí)現(xiàn)實(shí)物的運(yùn)行。裝配體如圖3所示。

2.2基于Altium Designer軟件的電路設(shè)計(jì)

使用Altium Designer軟件進(jìn)行系統(tǒng)電路原理圖的處理設(shè)計(jì)和有關(guān)PCB圖繪制，進(jìn)入軟件后默認(rèn)打開的界面為Home界面。在Home界面文件工具欄下新建按鈕，在右側(cè)的對(duì)話框中點(diǎn)擊工程按鈕，在右側(cè)的對(duì)話框中選中PCB。進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)界面，開始進(jìn)行設(shè)計(jì)電路的原理圖。

電路原理圖設(shè)計(jì)完成后單擊工程按鈕，對(duì)原理圖進(jìn)行編譯，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊編譯按鈕。編譯完成后若檢驗(yàn)沒有錯(cuò)誤則可以將原理圖更新到PCB中。點(diǎn)擊設(shè)計(jì)工具欄，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊更新按鈕，將原理圖更新到PCB中，在確定完板子大小后，對(duì)PCB版面進(jìn)行布局和布線。

2.3基于Keil軟件的程序設(shè)計(jì)和C語言的編程

環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)的程序設(shè)計(jì)使用C語言編程。C語言風(fēng)險(xiǎn)高，開發(fā)周期長，可移植性差。但是與其他語言的編譯器相比，C編譯器生成機(jī)器代碼的速度非?？?。C編譯器可以在兩秒鐘內(nèi)編譯大約1000行代碼。C編譯器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它還優(yōu)化了學(xué)生更快的代碼進(jìn)行執(zhí)行發(fā)展速度。C是一種面向過程的語言，用戶在其中創(chuàng)建過程或函數(shù)來執(zhí)行任務(wù)。面向社會(huì)過程的語言很容易進(jìn)行學(xué)習(xí)，因?yàn)樗裱嚓P(guān)算法來執(zhí)行語句。要用面向過程的語言開發(fā)程序，您需要繪制/編寫算法，然后開始將它們轉(zhuǎn)換為程序或函數(shù)。C語言的語法很容易理解。它使用諸如if、else、goto、switch、goto、main等關(guān)鍵詞。我們?cè)谌粘Ｉ钪卸际褂眠@些關(guān)鍵詞來傳達(dá)意義或做出一些決定。

Keil 生成的目標(biāo)代碼非常高效，大多數(shù)語句生成的匯編代碼緊湊，易于理解。在開發(fā)一個(gè)大型企業(yè)軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)管理語言的優(yōu)勢。Keil提供了一個(gè)完整的開發(fā)方案，包括c編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和強(qiáng)大的模擬調(diào)試器，通過集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分結(jié)合起來。使用keil5創(chuàng)建一個(gè)新的基于arm的項(xiàng)目并保存它，您可以編寫和調(diào)試該程序。

3結(jié)論

環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)能夠完成自主進(jìn)行玉米脫皮機(jī)一系列作業(yè)制造過程簡便，生產(chǎn)成本比較低廉，有效節(jié)約了人力，物力，從而降低了對(duì)資本的投入，同時(shí)又在過程中做到了高效率、安全作業(yè)，從而是新時(shí)期自動(dòng)化、智能化技術(shù)的大集合。我們所進(jìn)行設(shè)計(jì)的機(jī)械必須能夠適應(yīng)世界上下任何種類的玉米，而且通過實(shí)地測試證明我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械不論是在脫皮效率或是節(jié)能環(huán)保性等各個(gè)方面，均優(yōu)勝于其他同一種類的機(jī)械產(chǎn)品。而近年來隨著玉米生產(chǎn)的規(guī)模擴(kuò)大，玉米穗蛻皮的勞動(dòng)條件也提高了，這不但會(huì)增加人類對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的需求，更會(huì)提高了農(nóng)業(yè)市場對(duì)玉米脫皮機(jī)的需求量。

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)如下：

（1）簡述了玉米脫皮機(jī)在國內(nèi)外的現(xiàn)存研究現(xiàn)狀，并對(duì)國內(nèi)外的現(xiàn)狀進(jìn)行技術(shù)路線和擬解決問題進(jìn)行模擬和解決。并且說明了本設(shè)計(jì)的研究意義和玉米脫皮機(jī)在國內(nèi)外未來的發(fā)展趨勢。

（2）設(shè)計(jì)環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用了新型的機(jī)輥結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)采用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件打造。并且運(yùn)用了永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，以CSI攝像頭作為視覺傳輸?shù)挠布O(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和構(gòu)建實(shí)物的過程中分析了環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)所需要的各項(xiàng)需求功能，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)的各個(gè)硬件部分。

（3）利用KEIL5編程軟件完成環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)程序的設(shè)計(jì)編寫，從部分到整體，從基本模塊調(diào)試到最終系統(tǒng)穩(wěn)定，完成環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)的運(yùn)行調(diào)試。

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作者簡介

周孔生（2002—），男，山東省濟(jì)寧市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

該項(xiàng)目由省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《環(huán)保降噪型玉米脫皮機(jī)》（S20211332 0097）支持。