《机械创新设计》课件-项目7 智能割草机

智能割草机介绍6.1智能割草机介绍6.2智能割草机结构分析、功能分析、实用性分析6.3智能割草机三维建模与装配、关键执行机构的模型设计、整体模型装配6.4智能割草机机构运动仿真与分析、设定运动关节运动副、整体结构运动仿真6.5智能割草机机构结构创新改进与分析、整机功能性创新分析、整机关键机械结构创新分析目录01.项目来源02.市场调研03.功能特点01项目来源PARTONE一、项目来源2024年，中国65岁及以上人口占比达15.6%，四川老龄化率（18.5%）高于全国平均水平。四川丘陵地区以小规模分散耕地为主，单块田地面积多在2-3亩以下，且与林地、草地交错分布，农业劳动强度大。农村老年劳动力（65岁及以上）占比近20%，成为务农主力，但其健康状况差、机械操作能力弱，导致部分偏远丘陵耕地被迫撂荒。例如，达州、巴中等地撂荒率已超15%，且呈上升趋势。在自贡、泸州等丘陵市，年轻劳动力非农转移率超60%，留守老人因体力不支，被迫放弃坡度＞15°的梯田，转而集中耕作平坝地，加剧耕地细碎化。对于部分高收益的经济作物而言（以柑橘树举例）。现行主要采用人工割草的方式进行日常维护，割草的效率依赖劳作者的体力与熟练程度，随着劳作时间的增加，效率随体力下降显著。一、项目来源通过对乐山眉山等地的大型柑橘现代农业园进行调研，当前大部分农场亟需现代化机械进行日常的种植维护。所以智能割草机的设计不仅是技术迭代的产物，更是应对传统割草方式痛点、满足现代农业与产业需求升级的必然选择。其必要性体现在效率提升、成本优化、安全保障、生态保护及市场趋势等多个维度。02市场调研PARTTWO二、市场调研（一）动力系统整车驱动方式：以四轮差速转向为主流设计，通过控制两侧驱动轮的速度差实现原地转向和复杂地形适应（如坡度、碎石路）。例如，某型号割草机采用四轮独立悬架，可攀爬45°陡坡，轮胎使用防刺橡胶以适应碎石路面。二、市场调研（一）动力系统能源管理：磷酸铁锂电池成为主流动力源，能量密度高、循环寿命长，支持4-6小时续航，快充技术将充电时间缩短至1小时内。部分高端机型（如EcoFlowBlade）集成太阳能充电模块，实现“零人工干预”的能源补给。二、市场调研（二）割草主轴机械结构旋刀式当前主流的结构设计分为2种：结构：长条形合金钢刀片，刃口开30°刃角，直接安装于发动机输出轴或通过带传动连接。运动特性：水平面内高速旋转（转速通常≥3000r/min），切割速度需达临界值（如60-90m/s）以防止草株弯曲而非切断。优势：结构简单、成本低，适用于普通草坪；但切割质量略逊于滚刀式。二、市场调研（二）割草主轴机械结构滚刀式结构：由圆柱形滚刀和固定底刀组成，滚刀表面分布螺旋刀片，与底刀形成剪切作用。运动特性：滚刀旋转速度与设备行进速度匹配，实现“剪切式”切割，切割质量高。优势：适用于高尔夫球场等对草坪质量要求高的场景；但结构复杂、成本较高。当前主流的结构设计分为2种：二、市场调研（三）割草装置动力传递带传动结构通过V带或同步带连接电机与刀片轴，传动比通常为1：1（单刀切割装置）或增速设计（多刀切割装置）。优势结构简单、成本低，可缓冲冲击载荷；但传动效率略低于齿轮传动（约90-95%）。二、市场调研（三）割草装置动力传递齿轮传动结构采用直齿或斜齿圆柱齿轮箱，实现动力分流或多级增速。优势传动效率高（可达98%）、精度高，适用于需要精确控制转速的场景（如滚刀式割草机）。二、市场调研（三）割草装置动力传递液压传动结构通过液压泵、马达和油缸实现割刀往复运动和切割器提升，常见于全液压驱动的往复式割草机。优势无级调速、过载保护能力强；但结构复杂、成本较高。当前市场上以带传动作为动力传递的方式为主流设计方案。二、市场调研（四）环境适用性分析当前市场上较为成熟的机器在平地的实用性较好，但对于斜坡与起伏地形（山地、果园）使用上较少。在结构上大部分上采用履带式设计通过增大接地面积（如山地光伏割草机器人接地比压降低40%）和强扭矩输出（175N·m），实现35°坡度稳定作业。其双模控制系统（手动+自动）支持500米超距遥控，适应复杂边界区域。03功能特点PARTTHREE三、功能特点（一）履带式底盘：强化地形通过性结合当前市场上割草机的应用情况进行分析，特别是在丘陵地区，智能割草机的设计需围绕地形适应性、动力稳定性、作业效率与安全性展开，其核心设计特点可归纳为以下方面：仿生学设计借鉴坦克履带结构，通过增大与地面的接触面积分散压力，降低接地比压（如四川凉山梯田实测接地压力仅18kPa），避免陷入泥泞或松软土壤。部分机型采用前窄后宽履带布局，接触面积提升40%，配合高强度钢制底盘（如2.0mm加厚钢材），整机重量控制在150kg以内，实现30°陡坡稳定作业。三、功能特点（二）动力系统：高扭矩与低能耗的平衡混合动力配置针对丘陵地区长距离作业需求，采用油电混动系统（如宁德时代固态电池+汽油发动机组合），纯电模式续航30分钟，混合动力支持全天候作业。本田GXV160四冲程发动机3600rpm）匹配无级变速装置，实测满载作业连续作业4小时。四轮差速转向设计通过独立电机控制两侧驱动轮速度，实现原地转向，在坡度≤45°的复杂地形中灵活调整行进方向。部分机型配备双模控制系统（手动+自动），支持500米超距遥控，适应狭窄区域作业。独立驱动控制三、功能特点（三）切割机构：抗冲击与精准调节刀盘前倾15°设计，切割高度30-120mm可调，配合60°倾角切割刃，实测重割率≤5%。高锰钢甩刀抗冲击强度达1200MPa，在撞击3cm石块时未断裂，刀片磨损量较传统机型降低一半。浮动式刀盘系统针对不同植被密度，支持快速更换刀盘类型（如旋刀式、滚刀式）。例如，玄鸟R智能割草机采用分布式刀盘布局（割幅79cm），通过多刀片并行作业提升效率，切割效率较传统机型提升37%。模块化刀盘设计（选配）01.项目实际应用的必要性；02.当前市场主流割草机的应用情况；03.设计过程需要考虑的要点。在对当前割草机的应用情况进行调研后，总结了智能割草机的设计特点。我们在智能割草机的设计过程种还需要考虑那些因素？智能割草机结构分析6.1智能割草机介绍6.2智能割草机结构分析、功能分析、实用性分析6.3智能割草机三维建模与装配、关键执行机构的模型设计、整体模型装配6.4智能割草机机构运动仿真与分析、设定运动关节运动副、整体结构运动仿真6.5智能割草机机构结构创新改进与分析、整机功能性创新分析、整机关键机械结构创新分析目录01.割草机功能分析02.割草机硬件组成01割草机功能分析PARTONE一、割草机功能分析山地智能割草机通过融合全地形设计、智能控制与高安全性技术，重新定义了复杂地形下的植被管理标准，其核心功能可从地形适应性、动力续航、智能操控、安全防护、作业效率五大维度展开分析：一、割草机功能分析（一）全地形适应能力：突破复杂地形限制履带式结构：采用坦克履型设计（复合材料履带+45°接近角），垂直越障高度达15cm，爬坡角度≤40°，可轻松应对山地、泥沼、碎石等复杂地形。例如，某型号在坡度35°的山地电站中日均作业面积达1.8万平方米，人工成本降低70%。低接地比压：履带设计分散压力，避免植被二次破坏，同时提升设备稳定性。自适应地形调节：前置铰接式割草甲板可自动调整角度，确保割草效果均匀，即使在坑洼或斜坡上也能保持稳定切割。山地环境对割草机的通过性提出严苛要求，智能割草机通过以下设计实现突破：一、割草机功能分析（二）混合动力系统：兼顾效率与续航山地作业对动力和续航要求极高，智能割草机通过油电混动技术实现全天候高效运行：搭载3kW闭环无刷电机（整机扭矩175N·m）与本田GXV630双缸汽油发动机（15.5kW峰值功率），配合自适应增程系统，纯电模式下可连续作业30分钟，混合动力满足全天需求。动力组合：部分型号配备480W直流外放电源，可为小型运维设备供电，构建离网作业微电网，契合光伏电站绿色理念。能源协同：根据作业强度动态调整功率输出，例如在低密度植被区域降低电机转速以节省能耗，延长单次充电覆盖面积。续航优化：一、割草机功能分析（三）智能操控体系：从手动到自主的灵活切换山地场景需兼顾精准控制与自动化需求，智能割草机提供双模操作方案：手动模式（MT）通过工业级433MHz遥控系统（500米超距控制）实现远程操控，支持百台设备同步作业，适用于复杂地形下的精细调整。一、割草机功能分析（四）安全防护矩阵：保障人机环境安全山地作业风险高，智能割草机通过多层级安全设计降低事故率：主动安全集成ABS刹车、电子防翻滚、倾斜保护、碰撞停机等12项功能，车身稳定系统确保45°倾角下稳定作业。被动安全采用一体式铝合金外壳（IPX6防水等级）、专利刀片防护板（超国际安全标准），关机后刀片立即停止旋转，防止误触伤害。防盗与监控通过GPS定位和地理围栏技术实现防盗报警，遥控器屏幕实时显示油量、电量、倾角、障碍物检测等信息，故障自检系统自动触发保养提醒。一、割草机功能分析（五）高效割草性能：提升作业效率与质量山地植被密度高、分布不均，智能割草机通过模块化设计实现高效精准作业：刀盘设计：浮动式双锰钢割刀（700mm割幅）结合空气弹簧提升机构，实现5-90mm割茬高度自适应调节，可切断8mm灌木枝条。作业效率：单机每小时可覆盖2500平方米，较人工效率提升10倍以上，且通过离合器保护机制避免硬物损伤设备。环境友好性：纯物理除草方式无需化学药剂，减少土壤和水源污染，符合绿色农业标准。02割草机硬件组成PARTTWO二、割草机硬件组成山地智能割草机的硬件组成需兼顾复杂地形适应性、动力续航与智能控制需求，其核心硬件模块可划分为以下四大部分，具体的工程总装图如下所示：二、割草机硬件组成（一）动力系统割草机宜采用混合动力系统分别由电机与发动机组成：电机采用高扭矩无刷电机（如5k闭环无刷电机，扭矩达175N·m），支持无级变速（0-4km/h），适应山地陡坡启停需求。发动机配备双缸汽油发动机（如本田GXV630，峰值功率15.5kW），与电机协同实现油电混动，纯电模式续航30分钟，混合动力满足全天作业。二、割草机硬件组成减速器通过高精密减速器降低电机转速、提升扭矩，增强可控性，匹配12V锂电池组（最大输出电流≥5A）供电。复合材料履带结合45°接近角设计，垂直越障高度达15cm，爬坡角度≤40°，接地比压小，避免植被二次破坏。动力系统之间相互独立，割草机在前往工作区域时主要依靠电池提供能量驱动履带前进，当抵达工作区域时需要驱动割草头主轴进行工作。割草头质量较高单纯通过电池供能无法满足能量需求。需要启动汽油机或柴油机进行能量供给。二、割草机硬件组成（二）智能感知与导航系统激光雷达：用于实时构建地形3D模型，识别障碍物（如岩石、沟壑）并规划避障路径。超声波阵列：360°探测距离0.1-3m，辅助近距离避障。摄像头：双目景深摄像头（4K分辨率+激光辅助测距）实现草长检测（精度±0.5mm），多光谱传感器分析草坪健康状态。定位模块环境感知传感器智能感知与导航系统在整机的成本中比重较高，结合当地农户的经济水平以及效益产出和地形结构分析等因素，仅保留远程摄像头部分。二、割草机硬件组成（三）割草执行系统定位模块割草机的盘刀与滚刀在结构、切割原理、适用场景及性能特点上存在显著差异，主流结构分为盘刀与滚刀2种。盘刀结构如图所示：二、割草机硬件组成（三）割草执行系统定位模块滚刀组成：由滚刀（动刀）和底刀（定刀）组成。滚刀呈圆柱形鼠笼状，刀片呈螺旋状安装在圆柱表面上；底刀固定在滚刀下方。结构特点：滚刀与底刀的配合类似于剪刀，切割时滚刀旋转带动草茎相对于底刀产生滑动剪切。优势：切割质量最佳、节能环保（能耗降低30%）、碎草可直接还田作肥料。切割质量高，切口平整，尤其适合低修剪。刀片磨刃特性好（自磨刃设计），维护成本低，但底刀与滚刀间隙需定期调整。二、割草机硬件组成（三）割草执行系统定位模块通过将滚刀与盘刀的优缺点进行对比，设计方案优选滚刀结构。主要考虑到割草机主要应用在山地丘陵地貌，遇到洼地或深坑等地貌主轴刀片与地面产生碰撞导致机器主轴损坏。二、割草机硬件组成（四）底盘结构设计丘陵果园地貌相对高度不超过200米的连绵起伏的低矮山体，介于平原与山地之间。坡度较缓（一般小于20°），顶部浑圆，坡面呈波浪状。部分地面还存在坑洞等塌陷区域。现行结构割草机履带底盘在上述特定区域中作业时无法稳定通过，存在侧翻的风险。在相对平坦的果园作业时，需要翻越田坎等一定坡度的地形，通过的稳定性较差。二、割草机硬件组成（四）底盘结构设计拟定的工作路径分析以四川地区丘陵地带的柑橘园为例，除相对平坦的路径以外，通常存在2种较为复杂的地形路线。第一种：在机器进入果园过程中有一段较长的下坡路线之后进入平路。第二种：经过大约20度左右的上坡之后立即下坡。具体路径轨迹如图所示。二、割草机硬件组成为了适应果园与上述地形的工作，主流机器履带的结构选用轮齿式橡胶履带对中处带有驱动孔，驱动轮上传动齿插入驱动孔内，通过啮合传动使履带运动。传统的割草机履带结构如下图所示，由主动轮、从动轮、支撑轮组成。支撑轮相对高度均一，无法上下调整，改结构遇到带有一定坡度的地形无法平稳通过。1-主动轮；2-履带；3-从动轮；4-承重轮二、割草机硬件组成故对履带结构进行修改，采用类似坦克履带结构设计，将主动轮前置，可以增加爬坡能力。同时需要考虑通过一定坡度的田坎特殊地形需要对底部各个驱动轮的排列结构进行重新规划，同时对底部支撑轮的高度调整为可活动式，提高履带与地面的贴合性，保证整个割草过程处于相对稳定状态。对履带结构整体修改之后，其结构如下图所示，水平向右为前进方向。其中单侧包含一个主动轮、履带、张紧轮、活动滚轮、右摆支架、左摆支架、推杆缓冲弹簧、张紧螺母、导向轮等结构组成。其驱动过程为电机驱动主动轮转动，主动轮通过与履带内侧齿进行啮合，从而使履带整体发生运动。底部的16个活动滚轮起重力支撑与减小摩擦力的作用，导向轮起到对履带进行张紧的作用。改动后的结构尺寸的上层履带的长度为1.4米，下层履带的长度为0.8米，高度为0.6米，带宽为0.15米。市面上遥控割草机主要分为2类，割草头内嵌式与外置式，经过两种机器实地测试，内嵌式在果园的灵活性较好，履带间距设定为0.8米宽较为合适。1-支架平台；2-履带；3-主动轮；4-张紧轮；5-活动滚轮；6右摆支架7-左摆支架、8-液压缓冲弹簧组件；9-张紧螺母；10-导向轮二、割草机硬件组成（五）割草机主轴高度调整装置针对丘陵地貌机器作业时需要对割草头装置的高度进行调整，避免发生刀片与地面干涉的情况。割草机主轴高度调整装置是实现割草高度灵活调节的核心组件，其设计直接影响切割效果和作业效率。以下是几种