苗间锄草机器人锄草刀优化设计

建立了苗间锄草机器人锄草刀的运动学模型,并通过仿真锄草刀工作过程设计了锄草刀的运动轨迹。选取锄草刀的不同参数和水平进行正交试验,将覆盖率和入侵率代替除草率和伤苗率作为评价指标,分析了锄草刀直径、豁口夹角、刀刃切除距离、锄草刀圆心与作物秧苗行线的偏距等因素对苗间除草效果的影响,优化出最佳结构参数组合为:锄草刀直径175 mm、豁口夹角140°、锄草刀圆心与作物秧苗行线的偏距45 mm、刀刃切除距离10 mm。验证试验结果表明,模拟仿真及正交试验优化结果准确有效,样机作业效果良好,平均除草率为88.5%,伤苗率仅为1.6%。     

株间锄草机器人刀苗信息优化系统设计与试验

为提高株间锄草机器人机器视觉刀苗信息获取精度,提出采用里程信息和视觉信息融合的刀苗距优化方法,设计了基于C8051F020单片机的刀苗距优化系统,分析了优化系统构成,为提高里程精度和系统抗振动干扰能力,设计了精准里程采集逻辑电路对测速脉冲进行倍频、辨向及逻辑处理。根据里程信息与视觉信息相对误差的分布规律提出了双阈值权重判断算法对刀苗距进行优化,并给出了软件实现流程。刀苗距优化试验发现该系统可有效过滤机器视觉出现的错误和不稳定信息,静态测试刀苗距误差达6.7 mm,误差减小10.3%。模拟锄草试验表明,在动态下该系统可降低锄刀多转可能性,提高系统的稳定性。     

垄上灭茬刀优化设计与试验

针对灭茬刀耕作阻力大、磨损严重等问题,优化设计了灭茬刀及刀辊。通过理论分析,得到影响灭茬刀耕作阻力和损伤情况的因素为灭茬刀正切刃滑切角、侧切刃滑切角和弯折角,并确定灭茬刀作业状态稳定时正切刃滑切角的取值范围为0°～16°,侧切刃滑切角的取值范围为47°～68°,弯折角的取值范围为90°～130°。在有限元软件ABAQUS中对土壤建立Drucker-Prager本构模型,并进行了灭茬刀切割土壤的运动学仿真试验,设计为三因素三水平正交试验。结果表明:影响灭茬刀作业过程中应力和应变变化的主次因素为侧切刃滑切角、弯折角、正切刃滑切角,当正切刃滑切角16°、侧切刃滑切角68°、弯折角110°时,灭茬刀的应力和应变较优,且方差分析得到各因素对应力和应变的影响均显著。田间试验结果表明:优化设计的灭茬刀较行业标准灭茬率提高9.57%,碎土率提高6.6%,灭茬深度稳定性系数提高4.2%,灭茬刀作业效果优良。     

双轴式旋耕灭茬机灭茬刀辊结构设计与试验

针对农机具节能减排和提高秸秆根茬粉碎率等问题,优化设计了一种与大功率拖拉机配套的旋耕灭茬播种机的灭茬刀辊系统,系统由刀片、刀盘和刀轴等组成。根据灭茬机理,设计出灭茬刀具,并采用三维软件建模。同时,运用EDEM离散元仿真软件进行旋切虚拟试验,检验设计的刀辊系统的工作性能。通过仿真试验对比,测定灭茬刀辊的扭矩与切削速度、刀辊转速的关系,观察分析秸秆根茬被灭茬刀辊切断粉碎情况及灭茬刀辊对土壤的扰动情况。田间试验结果表明:各项指标均达到了国家相关标准的技术要求,整机的作业速度和刀辊的工作转速在0.4m/s、600r/min条件下刀辊碎土性能最好;整机的作业速度、刀辊的工作转速相比灭茬深度对碎茬率的影响比较显著,作业速度和刀辊的工作转速在0.6m/s、600r/min条件下刀辊灭茬性能最好。该研究可为灭茬刀辊系统设计提供参考。     

苹果采摘机器人采摘机构优化设计

为了提高苹果采摘机器人收获空间及采摘效率,增大机器人单点作业空间,结合苹果果树特点和生长环境,采用参数化分析方法,探讨采摘距离与机械臂长度、转角和操作空间、工作空间之间的关系,优化苹果采摘机器人采摘机构结构参数。基于Matlab软件绘制苹果采摘机器人三维运动轨迹。     

林地开沟机刀具优化设计与试验

针对林地开沟条件恶劣、开沟困难的情形,设计一种开沟刀,对设计的开沟刀进行切削土壤研究与参数优化。利用LS-DYNA建立开沟刀—土壤切削有限元模型,得到开沟刀土壤切削过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律。以平均切削阻力为指标,建立正交仿真试验,探究刀片厚度、刃倾角和刀片切削速度对平均切削阻力的影响。正交仿真试验结果表明：平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6 mm,刃倾角45°,刀片切削速度2 m/s;各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对优化后的开沟刀进行静力学分析,刀具的强度与刚度满足要求。林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6 N,试验值与仿真值误差为7.1%,表明开沟刀—土壤切削模型可用于开沟刀参数优化。     

杂交谷子化学间苗试验总结

谷子间苗工作量大,是困绕谷子面积扩大的重要因素,而减少播量又会造成谷芽顶土能力不足,田间往往产生缺苗断垄现象。为了实现杂交谷子全程机械化,使谷子间苗与农田化学除草一并通过化学的方法解决。2012年定襄县农机推广中心技术人员进行了严格的田间试验,取得了较好的效果。     

基于离散元法的锄板入土作业参数优化分析

针对茎秆农作物根系残留田间影响土质的问题,以根系掘除设备的锄板为研究对象,利用JKR接触模型来描述土壤颗粒间相互接触时的运动情况。基于离散元法,采用EDEM软件分析锄板入土过程中不同速度(整机前进速度)、转动角速度(锄板绕转动点旋转的平均角速度)和离地高度(刀尖距地面的距离)对所受合力的影响,并利用仿真得到锄板从初始位置转到指定角度过程中的最大合力值。基于Box Behnken Design响应面分析法建立三元二次线性数学模型,由方差分析结果得到该数学模型极为显著(P<0.01),说明所建数学模型的合理性和正确性。由数学模型确定前进速度0.41 m/s,转动角速度40°/s,离地高度115 mm时,锄板所受最大合力可达到其最小值为563.36 N。在烟草种植试验地进行田间实测试验,结果表明,仿真数据数值与田间试验数值相对误差为5.1%,验证模拟的根土复合体土壤模型基本符合土壤力学特性,能真实模拟该试验地土壤属性。研究表明采用离散元法分析锄板入土作业所受合力的可行性,可进一步为锄板的优化设计提供参考。     

茄子钵苗全自动移栽机构优化设计与试验

为了实现茄子钵苗的全自动机械化移栽,设计了一种全自动茄子钵苗移栽机构,提出了一种以牛顿插值法构建的新型非圆齿轮,建立了茄子钵苗移栽机构运动学模型。通过农艺与农机的结合,以钵盘规格、基质体积比、土钵含水率为试验因素,取苗力与土钵基质损失率为试验指标,进行了三因素三水平的正交试验,试验结果表明,钵盘规格105穴、基质体积比1、土钵含水率70%~80%时,取苗力为2.70 N,土钵基质损失率为2.94%,利于茄子钵苗的全自动机械化移栽。根据移栽机构数学模型结合茄子钵苗农艺要求,开发了牛顿插值齿轮茄子钵苗移栽机构优化设计与分析软件,优化出一组满足茄子钵苗移栽要求的参数。根据优化的参数进行三维建模、虚拟仿真,运用3D打印技术制作物理样机进行了轨迹验证试验,验证了该机构的正确性与可行性,通过取苗试验与栽植试验,证明了该机构的实用性。     

变间距梳刷式枸杞采收装置优化设计与试验

为实现枸杞机械化采收,提高枸杞采摘的采净率、降低损伤率,提出一种在沟槽凸轮的引导下,压板迫使骨架侧向张开,进而调节梳刷指间距的设计方案。通过对枸杞自然特征和物理参数测量分析,建立了梳刷指变间距控制部件的数学模型,并利用Matlab对其关键零件进行结构设计优化。以宁杞1号为研究对象,设计多参数变量的正交试验,以采净率和损伤率作为评价指标,得到对采摘效果影响程度由大到小的梳刷指参数依次为弹簧钢长度、指间距、弹簧钢直径;最佳的梳刷指参数组合为:指间距为8 mm、弹簧钢长度为45 mm、弹簧钢直径为1.1 mm。在宁夏农科院枸杞研究所进行实地采收试验,结果表明:采净率为90%,损伤率为8.41%,满足枸杞采收的工作要求。     

油菜覆膜打孔穴播机打孔装置设计与试验

为实现油菜等小粒径作物覆膜种植中膜上均匀打孔的功能,针对传统膜上成穴装置结构庞大复杂、工作时易黏土挑种及撕挑地膜等问题,设计了一种法兰式滚轮与螺纹式圆锥型锥钉组合式结构的打孔装置,确定了其主要结构参数范围;构建了打孔装置运动学模型,分析了打孔锥钉关键点的运动轨迹,确定了膜上打孔过程,并基于轨迹方程分析了膜孔尺寸参数;运用ADAMS运动学仿真,采用四因素三水平正交试验方法,以打孔锥钉顶角、打孔锥钉直径、打孔滚轮半径、机组前进速度为试验因素,以膜孔长度、膜孔间距偏差为试验考核指标,进行了打孔装置结构和运动参数的仿真试验。仿真结果表明:影响膜孔长度的因素主次顺序为打孔滚轮半径、打孔锥钉顶角、打孔锥钉直径、机组前进速度;影响膜孔间距偏差的因素主次顺序为打孔滚轮半径、机组前进速度、打孔锥钉顶角、打孔锥钉直径;基于参数优化,获得较优参数组合为:打孔锥钉顶角53°、打孔锥钉直径16 mm、打孔滚轮半径65 mm、机组前进速度4 km/h。以打孔装置较优结构参数组合进行了田间验证试验,结果表明:打孔装置所打膜孔形状较规则,普遍呈类圆形状,膜孔长度均在18 mm以上,膜孔间距较为均匀,与仿真结果基本一致;各行膜孔长度一致性变异系数为4.98%,各行膜孔间距均匀性变异系数为3.44%。结果表明试验参数组合选取合理,打孔装置符合设计要求。     

拖拉机驾驶机器人换挡机械手运动分析

针对小型四轮农用拖拉机变速箱换挡阻力呈现时变、非线性特性,且换挡后需要松开换挡杆的特殊要求,设计了拖拉机驾驶机器人换挡机械手,该机械手为关节型结构,采用D-H方法建立机械手坐标变换矩阵,对机械手进行运动学分析,并通过拉格朗日动力学方程建立简化机械手的动力学模型。利用Solid Works建立换挡机械手虚拟样机模型,并采用多体动力学仿真软件ADAMS进行运动学和动力学仿真;为保证换挡平顺性,设置机械手末端执行器与拖拉机变速杆端部间位移小于50 mm为约束条件,将换挡过程中末端执行器抖动速度绝对值最小作为目标函数进行参数优化,当换挡机械手长度为220.0 mm、末端高度为393.25 mm时目标函数最优,此时机械手末端执行器抖动速度平均值较优化前减小28.18%,位移和加速度平均值变化率分别为49.55%和52.05%,位移、速度和加速度的峰值变化率分别为60.22%、66.24%和81.66%,通过仿真初步验证了所提机械手参数优化及所建模型的合理性和科学性。最后,在JINMA 300E型拖拉机上对优化后的换挡机械手进行实验研究,实验结果表明机械手可实现不同挡位的换挡动作,平顺性好,并可模拟拖拉机驾驶员换挡完成后对变速杆的松手动作,有良好的工程和应用价值。     

混合电磁悬架作动器设计与试验

为了解决车用线性电磁作动器(直线电机)可靠性差的问题,设计了一种将直线电机与液压阻尼器集成的混合电磁作动器。采用改进天棚控制策略进行性能匹配,对混合电磁作动器的性能参数进行优化,得到天棚阻尼系数、被动阻尼系数以及直线电机需要提供的峰值电磁推力,并以优化得到的峰值电磁推力为优化目标,优化混合电磁作动器的结构参数。根据优化得到的结构参数试制实体样机,对其进行台架试验,包括混合电磁作动器的外特性试验,以及包含混合电磁作动器的混合电磁悬架主动控制试验。试验结果表明,设计的混合电磁作动器用于悬架系统时,能够较好地改善车辆动力学性能,与被动悬架相比,混合电磁悬架车身加速度和悬架动挠度分别降低了23. 35%和14. 97%,虽然轮胎动载荷增加了13. 20%,但根据3σ原则,在可接受范围之内,验证了混合电磁作动器样机的有效性。     

面向立柱栽培的移栽机器人设计与协调运动仿真

针对新型螺旋栽培立柱结构进行了配套移栽机器人系统的设计。通过几何与静力学分析,确定了插针式末端执行器的驱动电磁铁选型与机构参数。通过立柱的穴盘苗机器人移栽协调运动仿真,确定了机械手结构参数与系统优化布局,得到了多执行元件协调运动时序关系并建立了移栽协调运动流程。样机试验结果表明,机械手平均水平与竖直定位误差分别为2.24 m和0.63 m,移栽成功率为94.7%。立柱1.2 m高度范围的移栽作业效率为750株/h,末端执行器取苗时间仅为0.2 s,能够满足立柱自动化移栽作业的要求。     

葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人设计与试验

为提高葫芦科穴盘苗嫁接机器人的人均操作效率,在原先机器的基础上优化改进,设计了葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人,并进行了效率提高的理论分析,通过分析得出,所设计的葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人的人均操作效率与操作者的操作熟练度呈负相关的关系,理论上,设计的单人操作嫁接机器人人均操作效率比改进前提高1倍。通过试验得出,在种苗质量有保证的前提下,机器嫁接成功率可达95%,嫁接速度可达455株/h,实际作业的人均操作效率提高了50%以上。     

牛粪污螺旋挤压式固液分离机优化设计与试验

为优化螺旋挤压式固液分离机工作参数,研究了牛粪尿TS质量分数为10%时,变径螺旋轴分离段锥度、分离筛笼栅条间隙、螺旋轴转速、出料端部压力对机器分离效率、原料的固体去除率和机器能耗的影响。经参数优化和试验验证,在螺旋轴分离段锥度2.68°、分离筛笼栅条间隙1 mm、螺旋轴转速60 r/min、出料端部初始压力3 250 N时,分离效率可达746.18 kg/h,固体去除率可达49.84%,分离后固体的含水率为61%,分离效果较好。     

自吸式喷雾降尘性能试验

为了提高喷雾降尘效果,提出了自吸空气式喷雾器降尘的方法,分析了自吸式喷雾器降尘工作原理,设计了不同结构的试验用自吸空气式喷雾器,并对其进行了正交试验和对比试验结合的相关试验.结果表明,喉嘴距、扩散角及水压等参数对自吸空气式喷雾器的SMD值、有效射程、雾化角、吸风量等均有不同程度的影响.当喉嘴距为48 mm、扩散角为30°、水压为6 MPa时,自吸空气式喷雾器的有效射程、雾化角、SMD值达到最佳,降尘效果最好;当水压为6 MPa时,常规单喷嘴喷雾的SMD值为124.3 μm,自吸喷雾SMD值为108.5 μm,自吸喷雾比常规单喷嘴喷雾的SMD值降低12.7％;当水压为6 MPa时,常规单喷嘴喷雾全尘降尘效率为92.67％、呼吸性降尘效率为87.21％,而正交试验优化得出的自吸喷雾全尘降尘效率为93.6％、呼吸性降尘效率为92.69％,自吸喷雾比常规单喷嘴喷雾的全尘降尘效率提高不太明显,但呼吸性降尘效率提高较明显.     

自吸式喷雾降尘性能试验

为了提高喷雾降尘效果,提出了自吸空气式喷雾器降尘的方法,分析了自吸式喷雾器降尘工作原理,设计了不同结构的试验用自吸空气式喷雾器,并对其进行了正交试验和对比试验结合的相关试验.结果表明,喉嘴距、扩散角及水压等参数对自吸空气式喷雾器的SMD值、有效射程、雾化角、吸风量等均有不同程度的影响.当喉嘴距为48 mm、扩散角为30°、水压为6 MPa时,自吸空气式喷雾器的有效射程、雾化角、SMD值达到最佳,降尘效果最好;当水压为6 MPa时,常规单喷嘴喷雾的SMD值为124.3μm,自吸喷雾SMD值为108.5μm,自吸喷雾比常规单喷嘴喷雾的SMD值降低12.7%;当水压为6 MPa时,常规单喷嘴喷雾全尘降尘效率为92.67%、呼吸性降尘效率为87.21%,而正交试验优化得出的自吸喷雾全尘降尘效率为93.6%、呼吸性降尘效率为92.69%,自吸喷雾比常规单喷嘴喷雾的全尘降尘效率提高不太明显,但呼吸性降尘效率提高较明显.