基于Solidworks 的農(nóng)用噴灑器的建模設(shè)計(jì)

王 妍 孫建香

（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái)264006）

過去，給農(nóng)作物噴灑農(nóng)藥、施肥都是人工作業(yè)，不僅浪費(fèi)時(shí)間，人工負(fù)擔(dān)重，容易中毒；而且效率低。與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比，利用無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，具有高效、節(jié)能、省藥、安全的優(yōu)勢(shì)，而且適應(yīng)性很廣，在山地丘陵和高桿作物上，無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。其中，四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)動(dòng)性性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)垂直起降、定點(diǎn)懸停，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)不同姿態(tài)的飛行。因此，四旋翼無人機(jī)越來越多得應(yīng)用于農(nóng)業(yè)噴灑上，但市面上的植保無人機(jī)，對(duì)于噴灑液體或播撒固體兩種不同的工作任務(wù)時(shí)，事先需要更換噴頭，比較繁瑣。因此，設(shè)計(jì)一種固液方便切換的農(nóng)用噴灑器，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的意義。

1 四旋翼無人機(jī)的工作原理

四旋翼無人機(jī)的機(jī)身布局形式采用“十”字型，四只旋翼呈十字對(duì)稱均勻分布在前后左右四個(gè)端點(diǎn)上，相對(duì)的兩個(gè)旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，相鄰的兩個(gè)旋翼具有相反的旋轉(zhuǎn)方向，通過協(xié)調(diào)各個(gè)旋翼之間的不同轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，共同給機(jī)身提供向上的升力、控制機(jī)身的運(yùn)動(dòng)方向并保持機(jī)身平衡。懸停狀態(tài)時(shí)，四只旋翼轉(zhuǎn)速相同，且其升力之和等于直升機(jī)自身重力；垂直上升或下降時(shí)、保持四只旋翼轉(zhuǎn)速相同且同時(shí)等量增加或等量下降；仰俯、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持一組旋翼轉(zhuǎn)速不變，另一組旋翼中一只旋翼轉(zhuǎn)速增加、另一只旋翼等量下降；偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)一組旋翼轉(zhuǎn)速增加，同時(shí)另一組轉(zhuǎn)速下降。

2 農(nóng)用噴灑器設(shè)計(jì)總體方案

農(nóng)藥噴灑器主要由無人機(jī)體及噴灑系統(tǒng)組成，其中，無人機(jī)體主要由主體部分（包含機(jī)架，容器、外殼、起落架等）；旋翼系統(tǒng)（包括電池、電機(jī)、葉片等）和控制系統(tǒng)（包括遙控器、接收機(jī)等）組成。噴灑系統(tǒng)包括水管、電磁閥、噴桿、噴頭等。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架是整個(gè)噴灑器的承載功能和各個(gè)分系統(tǒng)之間的連接，整體呈囚籠狀，上部為圓環(huán)上梁，安裝太陽能電池板，工作時(shí)可存儲(chǔ)能量，提升續(xù)航時(shí)間；下部為圓環(huán)下梁；4 個(gè)立柱將圓環(huán)上梁和圓環(huán)下梁連接為一體并沿圓環(huán)上梁或圓環(huán)下梁的周向均勻分布，每個(gè)立柱的上端鉸接第一氣缸的一端，每個(gè)立柱的下端鉸接第二氣缸的一端，第一氣缸的另一端接旋翼電機(jī)，旋翼電機(jī)選擇Doodle Dream 牌步進(jìn)電機(jī)，其輸出軸徑：5mm，輸入電壓：24V，功率：4.8W，步進(jìn)角度1.8°，輸出轉(zhuǎn)矩：0.55N/m；4 個(gè)旋翼電機(jī)的電機(jī)軸分別與第一氣缸和旋翼固接，第二氣缸的另一端鉸接在第一氣缸的缸體上；圓環(huán)下梁側(cè)、對(duì)應(yīng)于相對(duì)兩個(gè)立柱的中間位置設(shè)2 個(gè)支座；支座上分別設(shè)電池和微型空壓機(jī)，電池為旋翼電機(jī)、微型空壓機(jī)及電磁閥提供動(dòng)力，選擇為鋰電池，電池容量為20AH；微型空壓機(jī)的出氣口分別與第一氣缸的缸體、第二氣缸的缸體及容器連通，選擇FCY5015 空壓機(jī)，尺寸：150mm×80mm×110mm，平均流量：9L/min，峰值流量15L/min，輸出壓力最大100MPa；圓環(huán)下梁下端安裝下罩（聚丙烯PP 材料），圓環(huán)下梁下、對(duì)應(yīng)于另外兩個(gè)相對(duì)立柱的中間位置設(shè)起落架；整個(gè)機(jī)架外設(shè)保護(hù)殼，材料采用聚丙烯PP。

2.2 容器的設(shè)計(jì)

囚籠狀的機(jī)架內(nèi)設(shè)置容器，容器上端安裝上蓋，容器頂壁設(shè)固態(tài)或液態(tài)物料進(jìn)入的進(jìn)料口，加密封蓋密封，其底壁呈漏斗狀，中心設(shè)置帶有外螺紋的固態(tài)物料出料口，固態(tài)物料出料口底壁上設(shè)置兩個(gè)相對(duì)的第一安裝凸臺(tái)，在距離固態(tài)物料出料口不遠(yuǎn)處的底壁上設(shè)置液態(tài)物料出料口，內(nèi)設(shè)置過濾網(wǎng)，靠近液態(tài)物料出料口底壁上設(shè)置第二安裝凸臺(tái)。

2.3 旋翼系統(tǒng)中葉片的設(shè)計(jì)

旋翼系統(tǒng)是整個(gè)噴灑器的升力來源，是通過旋翼將發(fā)動(dòng)機(jī)功率使槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成升力，其氣動(dòng)特性也影響到整個(gè)噴灑器的氣動(dòng)特性及穩(wěn)定性。決定旋翼氣動(dòng)特性的相關(guān)參數(shù)主要包括旋翼直徑、葉片三維幾何參數(shù)、槳葉數(shù)目等，通過查閱資料，利用Solidworks 三維軟件對(duì)其葉片建模，通過仿真分析，確定葉片幾何尺寸，材料采用碳纖維復(fù)合材料，直徑400mm，轉(zhuǎn)速6000 轉(zhuǎn)/分，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下最大升力為26.02kg。

2.4 起落架的設(shè)計(jì)

起落架是噴灑器著地時(shí)，整個(gè)機(jī)體重量的承受部件，必須具有良好的支撐和減震功能，以保護(hù)飛行器降落時(shí)震動(dòng)對(duì)部件的損壞。起落架材料采用5086 型鋁合金，具有重量輕、強(qiáng)度高、高抗腐蝕性和良好的可焊性，最大抗拉強(qiáng)度240Mpa。在滿足支撐強(qiáng)度的要求前提下，減輕整體重量；同時(shí)，支架防滑套采用順丁橡膠（BR），可以有效減少噴灑器下降過程中帶來的震動(dòng)。

2.5 固液切換噴灑裝置的設(shè)計(jì)

在帶有外螺紋的固態(tài)物料出料口，通過螺紋連接圓筒狀的電磁閥，電磁閥連接肥料吊筒，肥料吊筒周向筒壁上均勻開設(shè)撒料窗口，下端設(shè)肥料電機(jī)，電機(jī)軸上設(shè)置撒料葉片。當(dāng)為農(nóng)作物施肥時(shí)，將肥料加入內(nèi)部容器，控制系統(tǒng)使電磁閥得電，電磁閥依靠重力下滑，吊筒打開，肥料進(jìn)入旋轉(zhuǎn)撥斗內(nèi)，肥料電機(jī)供電，帶動(dòng)撒料葉片旋轉(zhuǎn)，把肥料向四周撥出。

第一安裝凸臺(tái)設(shè)液態(tài)物料噴桿，噴桿為相互嵌套的伸縮管，每節(jié)伸縮管上設(shè)一個(gè)噴頭，第二安裝凸臺(tái)上設(shè)微型水泵，其進(jìn)水口與液態(tài)物料出料口是通過進(jìn)水管相連，微型水泵的出水口通過出水管分別與兩個(gè)液態(tài)物料噴桿相連。當(dāng)噴灑農(nóng)藥時(shí)，控制系統(tǒng)使電磁閥失電，使其將容器底部的固體裝置通路阻擋，將要作業(yè)的農(nóng)藥與水通過無人機(jī)的上蓋加入容器，容器內(nèi)部攪拌棒轉(zhuǎn)動(dòng)，將農(nóng)藥與液體混合，底部的微型水泵開始工作，將容器中的農(nóng)藥抽出并壓進(jìn)伸縮管，通過空氣壓縮機(jī)提供的動(dòng)能完成農(nóng)藥噴灑。

3 基于Solidworks 的整體裝配

Solidworks 的裝配有自底向上和自頂向下兩種設(shè)計(jì)方式，自底向上的設(shè)計(jì)方法是先設(shè)計(jì)裝配體中的各個(gè)零件，按照這些零件在裝配體中的位置，利用約束關(guān)系進(jìn)行裝配；自頂向下的設(shè)計(jì)方法是先考慮產(chǎn)品應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，然后根據(jù)功能設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)。結(jié)合所設(shè)計(jì)的噴灑器的實(shí)際情況，將噴灑器分成三個(gè)裝配單元，即主體裝配單元、旋翼裝配單元、噴撒裝配單元，采用了自底向上和自頂向下兩種設(shè)計(jì)方式相結(jié)合的方式，總體設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，充分利用“Toolbox”零件庫，利用已有零件的點(diǎn)、邊或面等幾何要素的相互關(guān)系與內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，定義零件相互位置和配合關(guān)系，及時(shí)修復(fù)因零件更改而出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤提示，使裝配模型的設(shè)計(jì)得到不斷的調(diào)整和優(yōu)化。旋翼裝配單元、噴撒裝配單元?jiǎng)t采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，建立產(chǎn)品各個(gè)零件的幾何實(shí)體,形成零件的參數(shù)化特征模型,然后將各個(gè)零件進(jìn)行裝配設(shè)計(jì),建立產(chǎn)品的裝配層次關(guān)系和裝配關(guān)系。

農(nóng)用噴灑器的三維模型圖

4 結(jié)論

在四旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)農(nóng)用噴灑器的結(jié)構(gòu)和一套固液自由切換的噴灑裝置，可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行固液切換，無需更換噴頭，簡(jiǎn)化操作；通過Solidworks 三維軟件建立農(nóng)用噴灑器的三維模型，為后期的仿真分析奠定了基礎(chǔ)。