机械创新设计实习论文1 - 图文

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

机械创新设计 实习论文

课题：棉花打顶机创新设计

学 院： 专 业：

学生姓名：

学 号：

指导教师：

2014年9月

摘 要

棉花是我国主要的农作物之一，是人民生活的必需品，也是重要的工业原料和军用物资，在国民经济发展中起着重要的作用，其产量居世界首位，国内外需求量很大。但是，由于我国农业机械化技术相对落后，水平相对较低，目前棉花生产作业很多环节依然需要人工完成，其中棉花打顶作业几乎全部靠人工处理，但人工打顶劳动强度大、劳动力需求大，其生产率低还会造成棉花生长状况不一，耽误生长时间，严重则影响棉产量。我国目前拥有的棉花打顶机功能不够齐全，存在损伤率高、适用性差等问题，因此研究新型棉花打顶机是我国棉花种植作业中一个重要环节，对我国棉花产业的发展具有极其重要的意义。

不同品种、不同田块，甚至同一田块棉花的高低都是随机变化的，这就要求棉花打顶机必须具备的功能就是：自动检测棉花植株的高低，调节棉花打顶机刀具的高低，适应作业要求。

关键词：棉花打顶机；自动检测；超声波；

第一章：课题概述

1.1.课题来源

棉花是仅次于粮食的第二大农作物，是人民生活的必需品，也是重要的工业原料和军

用物资。在国民经济发展中起着重要的作用，国内外需求量很大。

打顶是棉花整枝工作中的中心环节，通过打顶可消除棉花顶端生长优势，调节体内水分养分等物质的运输方向，使较多的养分供生殖器官生长减少无效果枝对水肥的徒耗促进棉株早结铃、多结铃、减少脱落，有明显的增产增收效果。

多年的试验和生产实践表明：打顶效果的关键在于时间和方法。打顶过早，上部果枝长势强，使棉株形成伞状，田间阴蔽加重，通风透光不良，烂铃增加，赘芽丛生，增加了整枝用工；打顶过晚，无效花蕾增多，吐絮成熟推迟，导致棉花减产质劣。因此，打顶时间一定要适时。适时打顶时间的确定，主要依据棉株的长势、地力、密度、品种和当地初霜期等方面灵活掌握。 打顶方式：

1.人工打顶：人工打顶技术就是依靠双手掐除棉株的顶尖，需要逐株操作，并且要做到打去顶端一叶一心，漏打株率小于5%。但人工打顶劳动力需求大、劳动强度大、效率低、工作环境恶劣,同时延长了打顶时期,使得棉花不能在合适的时期内得到及时的打顶,从而降低了棉花的产量。

2.机械打顶：近些年，随着机械化水平的提高以及棉花种植面积的增加，棉花打顶机成为代替人工打顶的重要工具。机械打顶棉株中部的成熟率高，可有效确保每株棉花实际成熟的棉桃。还可缩短打顶时间，争得农时，为棉花多生长果枝、多结铃创造条件。

3.化学打顶：在我国化学打顶技术还处于试验阶段，技术还不够成熟，主要表现在药物使用以及棉花配套栽培体系等方面，因此大面积推广应用还需要很长的一段时间。

目前针对棉花打顶作业环节，农业机械研究尚不成熟，尚不能实现高效率、高质量、高水平的目标。大部分地区打顶环节主要靠人力，但造成劳动强度大、人工费时、费力，棉花生长出现严重不均匀现象。因此，需研究新型机械取代人工打顶作业。

1.2 研究现状

⑴前苏联在20世纪80年代曾研制开发前置式整体仿形棉花打顶机，因不能适应棉花打顶的农艺技术，没有达到人们对棉花打顶的要求，所以并没有得到很好的应用与推广。

⑵3MD-12型棉花打顶机实现了扶禾-聚拢-切顶-连续作业和棉花主、侧枝连机械同步打顶，基本满足了棉花打顶作业的农艺要求。但是却无法实现单行自动独立仿形。

⑶新疆某高校棉花打顶机研制小组在借鉴3MD-12的仿形式棉花打顶机基础上，设计开发了靴式地面仿形装置，通过地面仿形控制棉株打顶高度。但是仅能实现对地的仿形，打顶精度低。

⑷国家农业机械工程技术研究中心正在研究的3WDZ-6型自走式棉花打顶机，采用激光传感器对带茎秆的棉株进行了打顶高度测量，并进行棉株的仿形打顶。但是激光测量存在容易受到环境因素的影响、结构复杂、制造使用维护成本高等缺点。

长期以来国内棉花打顶的工作主要以人工为主，而人工作业效率低、劳动强度大、成本高、可控性差，同时延长了打顶时期，使得棉花不能在合适的时期内得到及时的打顶，从而降低了棉花的产量，远远不能满足现代化设施农业的需要。因此急需研制一款结构简单，高效，可靠，价格适宜的棉花打顶机，解决人工棉花打顶效率低下、费时费力，防止药物控制给环境带来的污染，以及给人体健康带来的危害。由此可见棉花打顶机是我国棉花种植产业实现全程机械化必不可少的。

第二章：课题创新点介绍

针对目前棉花打顶机无法根据棉花植株高度自动检测，无法实现刀具的迅速移动的问题，并结合其他团队成果，我团队对棉花打顶机自动检测系统进行了创新设计：

2.1作物高度的检测方法

作物高度是农业机械自动控制系统和各种农业机器人的一个重要信息。由于棉花打顶机在作业过程中要对打顶高度进行时时调整，且打顶机工作在振动、多尘和不断碰撞的环境中。因此，传感器应具有适应这种环境的能力。在对各种测距方法进行研究和比较的基础上，选择使用超声测距法对作物高度进行测量。

超声波测距是一种非接触式的检测方式，与电磁或光学的方法相比它不受光线、被测对象颜色等影响。根据控制系统的要求，采用超声测距的方法来检测作物的高度。超声波传感器对于被测物体处于黑暗，有灰尘、烟雾、电磁干扰或有毒等恶劣环境条件下有一定的适应能力，并被广泛应用于工业探伤、AE检测、超声诊断、海洋探测等领域。超声测距主要由超声波传感器通过相应的后续处理电路来实现。测量过程是：超声波传感器受到激励发出的

超声波，在空气中传播时碰到被测物体被反射，声波信号折回由同一个传感器接收，通过测量超声波的传播时间，实现对距离的测量。

2．2棉花打顶高度的检测方法

打顶高度自动测量系统超声波传感器原理，如图1所示：

图１、自动测量系统超声波传感器原理

系统工作时，超声波传感器安装在被测作物前端上方某一位置由单片机产生40kHz的方波信号，触发超声波传感器向外发出40kHz的超声波(选用超声波传感器的谐振频率为40kHz)，同时单片机的计数器从零开始计数。超声波在空气中传播，遇到作物后产生回波信号。超声波传感器接收到回波信号，由接收电路处理后，经放大和整形成为脉冲信号，送人单片机。单片机收到此信号立即使计数器停止计数，将计数器内的数值乘以单片机的机器周期，所得的时间为超声波在空气中的传播时间。由此时间经过计算可得出超声波传感器与被测作物问的距离。用电位器电路测量超声波探头的当前离地高度(若超声波探头安装在某一固定位置，可直接将固定高度输入单片机)，两者之差即为所求的作物高度。

２.3 棉花打顶机总体设计

伺服电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。根据伺服电机的特性，我们选择了用伺服电机来带动曲柄滑块机构实现刀具的上下移动。结构简图，如图2所示

图2、棉花打顶机总体设计

该装置由传感器、基座、刀具、曲柄滑块机构、电位器、角度传感器和伺服电动机等组成。超声波探头安装在机架上端，探头根据所测棉秆高度设定初始测量值a(高于所有被测棉秆的适当值)，当高度固定下来后将其送人单片机，刀具安装在滑块上，伺服电机带动曲柄转动使滑块上下运动，在伺服电机的主轴上安装一个角度传感器，根据主轴转动角度可以知道滑块运行的距离，进而可以将信号传给电位器，使电位器电路的输出电压发生变化。电位器电路的输出电压经过A／D转换，送人单片机处理，得出刀具的离地高度h。测量时，由超声波传感器测得与棉秆之间距离d(已知要求打顶实际长度为l)，则此时由单片机控制伺服电机电源的通断来使滑块上下运动，使得滑块移动距离满足s=a-d-h-l即可。

第三章：总结

两周时间不长不短，很快就已经过去了，在此过程中遇到了各种各样的困难，当然在这两周里，在与指导老师及各位同学的交流过程中我们收获很多。

首先，就是第一天的时候老师讲完设计要求时，脑袋是一片的空白，不知道要从哪个方面入手，也不知道怎么去计划。当老师给我们分完题目，我们大家开始查找各种资料，在查找的过程当中，我们也不是零收获的，最起码知道了更多的专业知识，收获不管是大还是小，只有去实施了，总比什么都不知道来得强。俗话说：万事开头难。我们迈出了第一步，接下

来就会容易多了。

第二，合作能力与自我见解的培养。在设计过程中，小组成员通过查阅有关资料，上网搜索相关信息，我们一起积极交流经验。同时，大家在一起讨论课程设计方案时我们每个人也积极发表自己的观点，使我们自己也学到了不少知识。在整个设计中也培养了我们独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，同时也培养了大家的合作能力，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

第三，没有那么容易的成功。想要将一件事做得好，付出的努力与汗水是正比关系。在课程设计的这一个星期，可谓是日夜奋战，基本上是早上八点到晚上十点，没有午休，更没有其他娱乐时间。有同学说不用那么认为，而我认为做学文必须要严谨、认真。我觉得课程设计的最后顺利完成与这些努力是分不开的。

第四，在我看你来，机械创新设计实习的目的不单单是对课本知识运用能力的考察，同时在设计过程中我们也提高合作能力，与老师交流过程中我们对该课程的专业知识有了更深入的了解。

古语有云，纸上的来总觉浅，绝知此事要躬行。书本的知识不可能面面具到，而又由于在学习过程中的不慎不断遗失，使我们的知识结构十分不完整。于是系统地进行实践操作对我们完善知识体系有莫大的帮助。一次的动手实践比书上来得更加真实，更加有收获。从书本上得到的知识终归是浅薄的，未能理解知识的真谛，要真正理解书中的深刻道理，必须亲身去躬行实践。

致谢

在此次实习过程中非常感谢张老师的悉心指导，同时也感谢团队成员对我的各种帮助。

参考文献

郑文纬 吴克坚 主编 《机械原理》（第七版）

胡斌，罗昕，毕新胜，等．3MD一12型棉花打顶机的研究设计[ J ]．农机化研究

胡斌，罗听，李明志，等．3MDY一12型前悬挂液压驱动式棉花打顶机[ J ]．新疆农机化 张振荣 ， 晋明武， 王毅平． MC S 5 1 单片机原理及实用技术

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