基于滚珠丝杠-连杆传动的自动化农业大棚设计_金佳程.pdf

江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 摘 要 针 对 传 统 农 业 大 棚 自 动 化 程 度 低 调 控 精 度 不 足 等 问 题 文 章 设 计 了 一 种 基 于 滚 珠 丝 杠 连 杆 传 动 的 自 动 化 农 业 大 棚 通 过 使 用 滚 珠 丝 杠 连 杆 传 动 机 构 实 现 农 业 大 棚 分 级 伸 缩 功 能 结 合 多 自 由 度 骨 架 结 构 与 1 0 优 化 倾 角 坡 顶 实 现 光 照 强 度 的 动 态 分 区 调 控 并 采 用 多 种 智 能 控 制 模 块 来 实 现 自 动 化 控 制 旨 在 通 过 创 新 的 结 构 设 计 来 提 高 农 作 物 质 量 和 经 济 效 益 关 键 词 自 动 化 农 业 大 棚 滚 珠 丝 杠 连 杆 机 构 动 态 分 区 调 控 监 测 控 制 系 统 0 引 言 我 国 的 基 本 国 情 农 情 是 大 国 小 农 农 业 生 产 正 面 临 着 从 业 人 员 不 足 老 龄 化 农 业 用 地 面 积 下 降 等 挑 战 1 如 何 在 有 限 的 土 地 资 源 和 气 候 变 化 条 件 下 提 高 农 业 生 产 效 率 减 少 资 源 浪 费 成 为 现 代 农 业 发 展 亟 待 解 决 的 问 题 2 本 文 设 计 了 一 款 自 动 化 农 业 大 棚 结 构 可 根 据 不 同 农 作 物 生 长 特 性 对 大 棚 进 行 自 动 控 制 实 现 农 业 大 棚 的 智 能 化 智 能 化 农 业 大 棚 有 助 于 提 高 农 产 品 的 生 产 效 率 和 质 量 保 障 市 场 供 应 3 该 自 动 化 农 业 大 棚 结 构 包 括 伸 缩 底 座 大 棚 骨 架 以 及 监 测 控 制 系 统 依 靠 各 类 传 感 器 和 控 制 模 块 实 现 对 大 棚 的 精 准 控 制 1 自 动 化 农 业 大 棚 结 构 设 计 1 1 伸 缩 底 座 设 计 由 于 光 照 与 农 作 物 光 合 作 用 没 有 固 定 的 比 例 关 系 但 是 在 一 定 光 照 强 度 范 围 内 其 他 条 件 满 足 的 情 况 下 随 着 光 照 强 度 的 增 加 光 合 作 用 的 强 度 也 相 应 地 增 加 4 为 满 足 不 同 植 株 的 光 照 需 求 设 计 了 可 伸 缩 底 座 主 要 部 件 包 括 支 撑 端 固 定 端 滑 块 主 动 滑 块 丝 杠 螺 母 滑 轨 连 杆 以 及 端 盖 结 构 如 图 1 所 示 伸 缩 底 座 采 用 滚 珠 丝 杠 结 构 搭 配 电 机 来 实 现 自 动 伸 缩 功 能 通 过 主 动 滑 块 带 动 后 续 滑 块 沿 两 端 滑 轨 同 时 运 动 来 保 证 运 行 稳 定 并 采 用 连 杆 结 构 来 对 伸 缩 底 座 进 行 限 位 从 而 使 大 棚 具 有 分 级 伸 缩 的 功 能 为 保 证 丝 杠 在 工 作 时 实 现 精 确 的 线 性 运 动 采 用 6 0 大 推 力 角 接 触 球 轴 承 支 撑 滚 珠 丝 杠 固 定 端 该 类 型 轴 承 具 有 高 刚 度 低 扭 矩 高 精 度 和 高 轴 向 负 荷 能 力 等 优 点 特 别 适 用 于 滚 珠 丝 杠 的 紧 固 端 部 支 撑 5 伸 缩 底 座 固 定 端 和 支 撑 端 内 部 结 构 如 图 2 图 3 所 示 连 杆 机 构 采 用 面 接 触 的 低 副 运 动 形 式 具 有 承 受 的 压 强 小 易 于 润 滑 磨 损 轻 微 等 优 点 显 著 提 高 了 伸 缩 装 置 的 承 载 能 力 构 件 间 的 接 触 由 构 件 本 身 的 几 何 约 束 来 保 持 使 连 杆 机 构 具 有 较 高 的 工 作 可 靠 性 功 能 方 面 太 阳 辐 射 过 强 时 伸 缩 装 置 可 自 动 伸 展 大 棚 骨 架 起 到 遮 蔽 阳 光 的 作 用 避 免 作 物 受 到 过 度 光 照 作 物 需 要 充 足 光 照 时 伸 缩 装 置 可 自 动 收 缩 大 棚 骨 架 让 作 物 和 土 壤 充 分 接 受 1 支 撑 端 2 滑 轨 3 连 杆 4 丝 杠 5 滑 块 6 主 动 滑 块 7 螺 母 8 固 定 端 9 端 盖 图 1 伸 缩 底 座 结 构 示 意 图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 基 于 滚 珠 丝 杠 连 杆 传 动 的 自 动 化 农 业 大 棚 设 计 金 佳 程 管 珣 张 亿 蕾 王 彤 彤 赵 俊 琪 15 DOI 10 16271 ki jsnjh 2025 03 005江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 阳 光 的 照 射 伸 缩 底 座 伸 展 和 收 缩 状 态 如 图 4 图 5 所 示 采 用 连 杆 机 构 进 行 限 位 使 伸 缩 装 置 具 备 分 级 展 开 与 闭 合 功 能 可 在 滑 轨 上 自 由 移 动 并 精 准 定 位 实 现 大 棚 内 不 同 区 域 光 照 强 度 的 差 异 化 调 控 可 满 足 不 同 作 物 光 照 需 求 大 棚 的 开 合 状 态 可 根 据 天 气 条 件 灵 活 调 整 以 促 进 大 棚 内 空 气 流 通 伸 缩 装 置 配 备 监 测 控 制 系 统 由 内 部 传 感 器 基 于 作 物 生 长 特 性 和 环 境 参 数 实 现 自 动 化 控 制 也 可 通 过 控 制 面 板 进 行 手 动 操 控 缩 减 劳 动 时 间 提 高 工 作 效 率 提 升 农 作 物 生 长 效 率 伸 缩 装 置 控 制 流 程 如 图 6 所 示 1 2 大 棚 骨 架 设 计 大 棚 骨 架 结 构 由 侧 连 接 件 坡 顶 横 梁 连 接 件 侧 支 撑 板 等 部 件 组 成 结 构 如 图 7 所 示 大 棚 骨 架 由 多 个 部 件 组 装 而 成 整 体 设 计 便 于 安 装 及 拆 卸 侧 支 撑 板 圆 孔 及 开 槽 用 于 大 棚 骨 架 与 连 杆 机 构 的 连 接 底 面 螺 纹 孔 用 于 大 棚 骨 架 与 伸 缩 底 座 精 确 装 配 侧 支 撑 板 采 用 加 筋 处 理 提 高 了 结 构 刚 度 减 少 了 骨 架 在 荷 载 作 用 下 的 挠 度 提 升 了 大 棚 骨 架 的 耐 久 性 横 梁 是 主 要 承 力 构 件 用 于 支 撑 与 连 接 大 棚 的 各 个 部 件 并 将 局 部 荷 载 分 散 到 整 个 骨 架 避 免 应 力 集 中 提 高 了 整 体 结 构 的 稳 定 性 安 全 性 和 耐 久 性 同 时 横 梁 为 安 装 喷 灌 结 构 提 供 支 撑 点 便 于 设 备 的 安 装 大 棚 坡 顶 采 用 1 0 倾 斜 角 便 于 快 速 排 水 及 承 受 外 部 荷 载 并 为 覆 盖 材 料 提 供 理 想 安 装 基 准 面 2 监 测 控 制 系 统 设 计 自 动 化 农 业 大 棚 核 心 技 术 在 于 监 测 控 制 系 统 该 系 统 通 过 各 类 传 感 器 采 集 模 块 及 控 制 模 块 来 实 现 对 大 棚 内 部 环 境 如 温 湿 度 光 照 强 度 土 图 2 固 定 端 结 构 示 意 图 图 3 支 撑 端 结 构 示 意 图 图 4 伸 缩 底 座 伸 展 状 态 图 5 伸 缩 底 座 收 缩 状 态 图 6 伸 缩 装 置 控 制 流 程 图 1 2 3 4 5 1 侧 连 接 件 2 坡 顶 3 横 梁 4 连 接 件 5 侧 支 撑 板 图 7 大 棚 骨 架 结 构 示 意 图 16江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 壤 风 速 紫 外 线 强 度 等 的 动 态 监 测 和 实 时 采 集 可 实 现 大 棚 的 控 制 精 准 化 和 管 理 智 能 化 大 棚 监 测 控 制 系 统 主 要 包 含 M C U 控 制 器 传 感 器 模 块 网 络 传 输 模 块 通 信 模 块 按 键 操 作 模 块 电 源 模 块 及 管 理 机 制 算 法 6 采 集 模 块 主 要 由 光 照 检 测 模 块 温 湿 度 检 测 模 块 紫 外 线 检 测 模 块 土 壤 湿 度 检 测 模 块 以 及 移 动 端 组 成 温 度 湿 度 传 感 器 通 常 放 置 在 大 棚 中 央 或 靠 近 通 风 口 处 这 种 地 方 不 宜 受 到 阳 光 直 接 照 射 且 空 气 流 通 较 好 能 准 确 反 映 大 棚 整 体 温 度 湿 度 状 况 7 为 实 现 面 向 农 业 大 棚 的 物 联 网 监 测 系 统 的 开 发 利 用 多 样 传 感 器 通 信 网 络 与 手 机 A p p 分 别 完 成 大 棚 生 态 参 数 的 采 集 数 据 终 端 监 测 平 台 的 组 建 可 对 农 业 大 棚 内 的 环 境 变 量 进 行 实 时 的 采 集 传 输 和 监 测 同 时 也 可 通 过 手 机 A p p 对 设 备 参 数 进 行 修 改 与 调 整 为 农 作 物 提 供 更 好 的 生 态 环 境 的 同 时 也 减 轻 了 农 业 从 事 人 员 的 工 作 负 担 1 光 照 检 测 模 块 接 收 到 信 号 后 将 信 号 发 送 至 处 理 芯 片 芯 片 根 据 设 定 值 进 行 比 较 决 定 是 否 触 发 伸 缩 装 置 来 接 收 阳 光 光 照 检 测 模 块 控 制 流 程 如 图 8 所 示 温 湿 度 检 测 模 块 进 行 检 测 后 将 信 号 传 输 至 处 理 芯 片 来 控 制 水 肥 一 体 化 装 置 实 现 精 准 灌 溉 温 湿 度 检 测 模 块 控 制 流 程 如 图 9 所 示 同 时 这 些 信 号 被 记 录 在 检 测 平 台 中 借 助 物 联 网 技 术 用 户 可 在 手 机 上 或 控 制 面 板 上 实 时 查 看 检 测 记 录 以 便 于 进 行 农 业 生 产 控 制 提 高 生 产 效 率 检 测 流 程 如 图 1 0 所 示 3 结 论 本 文 针 对 传 统 农 业 大 棚 自 动 化 程 度 低 调 控 精 度 不 足 等 问 题 设 计 了 一 种 基 于 滚 珠 丝 杠 连 杆 传 动 的 自 动 化 农 业 大 棚 探 索 将 现 代 通 信 技 术 控 制 技 术 与 大 棚 种 植 技 术 相 结 合 的 新 模 式 是 机 电 一 体 化 设 计 与 智 能 控 制 技 术 的 深 度 融 合 为 设 施 农 业 的 数 字 化 转 型 提 供 了 一 种 新 的 技 术 路 线 对 推 动 农 业 绿 色 化 智 能 化 和 高 效 化 发 展 具 有 积 极 意 义 相 较 于 传 统 农 业 大 棚 基 于 滚 珠 丝 杠 连 杠 传 动 的 自 动 化 农 业 大 棚 具 有 以 下 特 点 1 基 于 滚 珠 丝 杠 连 杆 复 合 驱 动 的 分 级 伸 缩 系 统 通 过 应 变 式 滑 轨 导 向 与 6 0 大 推 力 角 接 触 轴 承 支 撑 在 保 证 结 构 刚 度 的 同 时 实 现 了 展 开 图 9 温 湿 度 检 测 模 块 控 制 流 程 图 图 8 光 照 检 测 模 块 控 制 流 程 图 图 1 0 检 测 流 程 图 17江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 闭 合 精 度 1 5 m m 的 精 准 调 控 较 传 统 卷 帘 式 结 构 响 应 速 度 提 升 4 0 2 搭 建 的 物 联 网 监 测 平 台 集 成 7 类 环 境 传 感 器 通 过 边 缘 计 算 网 关 将 数 据 采 集 周 期 压 缩 至 1 0 s 次 结 合 移 动 端 远 程 控 制 功 能 使 管 理 效 率 提 升 6 0 参 考 文 献 1 李 联 鑫 梁 冀 林 雪 琼 等 物 联 网 大 棚 农 作 物 生 长 环 境 参 数 监 测 系 统 的 设 计 J 电 子 制 作 2 0 2 4 3 2 2 5 0 5 3 2 李 广 兴 张 会 克 董 海 军 等 浅 谈 仿 生 学 研 究 及 其 在 农 机 上 的 应 用 J 现 代 化 农 业 2 0 2 4 8 9 1 9 3 3 吴 天 翔 孔 令 文 闫 嘉 为 等 智 能 化 农 业 大 棚 对 当 代 农 业 市 场 的 影 响 J 农 村 经 济 与 科 技 2 0 2 3 3 4 1 2 4 7 4 9 5 6 4 朱 会 静 李 彦 良 光 照 与 农 作 物 生 长 的 关 系 J 农 民 致 富 之 友 2 0 1 1 5 3 8 5 宗 华 滚 珠 丝 杠 用 6 0 角 接 触 球 轴 承 支 撑 结 构 分 析 J 机 械 管 理 开 发 2 0 2 3 3 8 7 8 9 1 4 6 王 家 旭 彭 霖 基 于 互 联 网 的 农 业 大 棚 系 统 设 计 研 究 J 农 机 化 研 究 2 0 2 4 4 6 1 2 3 4 2 3 7 7 廉 劲 军 杨 柳 农 业 温 室 大 棚 苹 果 种 植 中 的 智 能 控 制 技 术 应 用 J 南 方 农 机 2 0 2 5 5 6 5 5 4 5 6 基 金 项 目 浙 江 省 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目 智 农 大 棚 草 莓 甜 瓜 高 效 套 种 栽 培 S 2 0 2 4 1 0 3 4 7 0 0 3 作 者 单 位 湖 州 师 范 学 院 收 稿 日 期 2 0 2 5 0 4 1 5 摘 要 在 机 械 加 工 领 域 存 在 零 件 与 内 孔 过 渡 或 过 盈 配 合 且 零 件 长 度 小 于 内 孔 的 安 装 当 零 件 出 现 故 障 时 通 常 把 零 件 破 坏 取 出 可 能 导 致 配 合 内 孔 的 损 坏 成 本 高 效 率 低 为 解 决 该 问 题 文 章 设 计 了 一 种 装 配 内 牙 零 件 拉 拔 工 装 对 该 工 装 结 构 组 成 各 部 件 连 接 方 式 工 作 流 程 进 行 介 绍 体 现 了 其 避 免 零 件 破 坏 降 低 成 本 提 高 生 产 效 率 和 操 作 简 便 等 优 势 关 键 词 装 配 内 牙 零 件 拉 拔 工 装 成 本 0 引 言 在 现 代 机 械 加 工 中 零 件 与 内 孔 的 配 合 方 式 多 样 当 遇 到 零 件 与 内 孔 过 渡 或 过 盈 配 合 且 零 件 整 体 长 度 小 于 内 孔 深 度 的 情 况 时 若 要 取 出 零 件 往 往 采 用 切 割 磨 削 等 传 统 的 机 加 工 方 式 不 仅 会 对 零 件 造 成 不 可 修 复 的 破 坏 导 致 零 件 报 废 增 加 了 材 料 成 本 而 且 加 工 过 程 耗 时 费 力 效 率 低 下 同 时 在 操 作 过 程 中 还 极 易 损 坏 配 合 内 孔 进 一 步 影 响 整 个 机 械 的 性 能 和 使 用 寿 命 1 为 提 高 机 械 加 工 生 产 效 率 和 经 济 效 益 本 文 设 计 了 一 种 装 配 内 牙 零 件 拉 拔 工 装 对 该 工 装 结 构 组 成 各 部 件 连 接 方 式 工 作 流 程 进 行 介 绍 展 示 了 其 避 免 零 件 破 坏 降 低 成 本 提 高 生 产 效 率 和 操 作 简 便 等 优 势 1 工 装 设 计 该 装 配 内 牙 零 件 拉 拔 工 装 主 要 由 丝 锥 滑 装 配 内 牙 零 件 拉 拔 工 装 的 设 计 与 应 用 谭 洪 波 邱 永 成 康 玉 霞 庞 淋 予 李 正 顺 18