树木保暖机械的设计自动包树机-树木保暖机器人的设计【全套含有CAD图纸三维建模】
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郑州科技学院 毕业设计（论文）任务书 题目 树木保暖机械的设计 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、时间安排、主要参考资料等： 主要内容 绿色环保逐渐成为现代城市建设的主题，其中树木移植是城市绿化的一项重要措施，因而保证树木移植的存活率就显得尤为重要。而移植树木的保温保湿尤为重要，所以设计一台自动草绳缠树机来保温保湿就是必须的。 查阅相关文献，结合国内已有的自动包树机，了解它们的 利弊，在这些的基础上设计出符合当前绿色、环保的自动包树机。 (1) 树木保暖机械机械结构的设计。 (2) 对其运动过程分析，能够从理论上分析草绳缠绕问题。 (3) 使用二维绘图软件绘制液树木保暖机械二维装配图。 本课题的主要任务： （一）图纸要求： 1、运用二维制图软件绘制装配图； 2、完成主要零部件图纸的绘制。 工程绘图量不少于折合成图幅为 张。 （二）设计说明书： 完成学校规定的字数。 基本要求 ： 1、图纸全部采用计算机绘制； 2、必须进行二维虚拟装配，完成装配图； 3、需要熟练应用 主要参考文献 ： 1 濮良贵 ,纪名刚 M等教育出版社 ,2007,5： 562 段铁群 M学出版社 ,2010,8： 233 郑剑春 M华大学出版社 ,2012,3： 3654 孟庆鑫 ,王晓东 M尔滨工业大学出版社 ,2006,3： 425 邱宣怀 M等教育出版社 ,2000,8： 756 王田苗 ,孟偲 ,裴葆青等 J2007,03： 1627 崔星 ,许耀鹏 ,李思齐 J2007,20： 32 8 成光华 ,毛建国 J2008,01：989 徐国华 ,谭民 J2001,03：36010 李贻斌 ,刘明 ,周风余 J电子技术 ,1999,21(9):5511 张骏 ,杨杰 ,杜华生等 小型越障机器人越障过程中本体位姿控制的研究 J. 中国科学技术大学学报 ,1998,6： 7812 王德新 ,王付锐 ,董二宝等 J2005,7： 3313 汪增福 ,关胜晓 ,曹洋 J2007,4： 3414 陈慧宝 ,李婷 ,徐解民 J2006,11： 15215 肖俊君 ,尚建忠 ,罗自荣 J2007,3： 37完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 填 表 日 期： 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 1 毕业设计 树木保暖机械的设计 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 I 摘要 本课题来源于生产实际 ,目前，我国正在大力加强植树造林建设，特别是江苏沿海地区，政府部门每年都规划植树造林，然而植树造林存在一个问题，需要大量的人力来投入，而现在，国家倡导绿色造林，为了更有效的植树造林 ,出现了树木保暖机，也即为树木保暖机。 整机结构主要由电动机、机架、传动带、蜗杆减速器构成。由电动机产生动力通过同步同步带轮减速器将需要的动力传递到同步同步带轮上，同步同步带轮1带动带同步同步带轮 2，从而带动整机装置运动 . 本论文研究内容摘要： (1) 自动包树机总体结构设计。 (2) 自动包树机工作性能分析。 (3)电动机的选择。 (4)对自动包树机的传动系统、执行部件及机架设计。 (5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词： 自动包树机 ，结构设计，树木保暖机 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 at is in in is a a of to in to as of is of is by is to by , so as to to of of (1) of (2) (3) of (4) on (5) (6) up of of of of 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 录 摘要 I 1 章 绪论 6 第 1 章 绪论 6 第 2 章 自动包树机方案设计 7 力系统选择依据 . 7 见机构的特 点和应用 . 7 动机构的确定 . 9 1. 总体方案设计 10 2. 产品功能及特色 14 第 3 章 自动包树机传动部分的计算 14 电机的选取 . 14 定传动装置效率 . 17 杆传动设计计算 . 18 择蜗杆、蜗轮材料 . 18 定蜗杆头数 蜗轮齿数 . 18 算的速度 . 18 定蜗杆蜗轮中心距 a . 18 杆传动几何参数设计 . 19 面蜗轮蜗杆校核计算 . 21 的结构设计 . 23 杆轴的设计 . 23 轮轴的设计 . 26 的校核 . 29 杆轴的强度校核 . 29 轮轴的强度校核 . 32 动轴承的选择及校核 . 35 杆轴滚动轴承的选择及校核 . 35 轮轴上轴 承的校核 . 37 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 V 联接的强度校核 . 38 杆轴上安装联轴器处的键联接 . 38 蜗轮轴上装蜗轮处的键联接 . 39 所以， ，所选平键合适。 . 39 步带介绍 . 39 同步带的特点 . 40 同步带传动的主要失效形式 . 40 同步带传动的设计准则 . 43 同步带分类 . 43 步带传动计算 . 44 同步带计算选型 . 44 同步带的主要参数（结构部分） . 47 同步带的设计 . 49 同步同步带轮的设计 . 49 第 5 章 绳子缠绕提升部分设计计算 50 度的选择 . 50 杠导程的确定 . 50 大工作载荷的计算 . 50 大动载荷的计算 . 51 珠丝杠螺母副的选型 . 51 珠丝杠副的支承方式 . 52 动效率的计算 . 52 度的验算 . 52 定性校核 . 53 界转速的验证 . 54 初步计算齿轮主要参数 . 55 按弯强度曲初算模数 m . 58 齿轮疲劳强度校核 . 59 结 论 66 参考文献 67 致 谢 68 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 6 第 1章 绪论 第 1章 绪论 在国家“十二五”规划中，提出了生态文化是中华传统文化、和谐文化的重要组成 部分，是支撑生态文明的基础。国家林业局第七次全国森林资源清查结果显示，全国森 林面积达到 ，森林覆盖率达到 森林蓄积量为 m 。从以 上统计数字可以看出，我国森林资源的平均水平依然很低，虽然我国的森林面积居世界 第五位， 但森林覆盖率只相当于世界森林覆盖率（ 的 64%；全国人均森林面积 相当于世界人均水平的 25%。另外， 我国的森林质量不高， 单位面积森林蓄积量仅为 世界平均水平的 为了进一步提高我国的森林覆盖率及生态环境，发展 生态文化， 需要开展大规模的造林工程，大面积地进行植树造林活动。人工造林投入大、产出少、 用工多，效率低、速度慢、劳动强度大，而使用机械造林则可以解决这些问题。造林机 械化是造林工程的发展方向，而要进行机械化造林就必须有配套的造林机械。 2 3 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 7 第 2章 自动包树机方案设计 力系统选择依据 驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。 液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点 ，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、 链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力 高可达 1点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 机械式用于简单的场合。 电动由于减速和回转运动变往复运动机构，该 机构适用于无污染，有电就可以工作，操作简单方便，在工作场合只需要接通电源即可工作，而工作场合在各个大楼区域，很容易找到电源。 根据上述说明最终选择电动机的作为机构的动力源 。 见机构的特点和应用 类型 特点 应用 连杆机构 结构简单，制造容易，工作可靠，传动距离较远，传递载荷较大，可实现急回运动规律，但不易获得匀速运动或其他任意运动规律，传动不平稳，冲击与振动较大 。 用于从动件行程较大或承受重载的工作场合，可以实现移动、摆动等复杂的运动规律或运动轨迹 。 凸轮机构 结构紧凑，工作可靠，调整方便， 可获得任意运动规律，但动载荷较大，传动效率较低 。 用于从动件行程较小和载荷不大以及要求特定运动规律的场合 。 非圆齿轮 结构简单，工作可靠，从动件可实现任意转 用于从动件作连续转动和要求包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 8 机构 动规律，但齿轮制造较困难 有特殊运动规律的场合 。 槽轮间歇机构 结构简单，从动件转位较平稳，而且可实现任意等时的单向间歇转动，但当拨盘转速较高时，动载荷较大 常用作自动转位机构，特别适用于转位角度在 45 以上的低速传动 。 凸轮式间歇机构 结构较简单，传动平稳，动载荷较小，从动件可实现任何预期的单向间歇转动，但凸轮制造困 难 用作高速分度机构或自动转位机构 。 不完全齿轮机构 结构简单，制造容易，从动件可实现较大范围的单向间歇传动，但啮合开始和终止时有冲击，传动不平稳 多用作轻工机械的间歇传动机构 螺旋机构 传动平稳无噪声，减速比大；可实现转动与直线移动，传动平稳无噪声，互换；滑动螺旋可做成自锁螺旋机构；工作速度一般很低，只适用于小功率传动 多用于要求微动或增力的场合，如机床夹具以及仪器、仪表，还用于将螺母的回转运动转变为丝杆的直线运动的装置 。 摩擦轮机构 有过载保护作用；轴和轴承受力较大，工作表面有滑动，而且磨损较快； 高速传动时寿命较低 用于仪器及手动装置以传递回转运动 。 圆柱齿轮机构 载荷和速度的许用范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高；制造和安装精度要求较高，精度低时传动噪声较大，无过载保护作用；斜齿圆柱齿轮机构运动平稳，承载能力强，但在传动中会产生轴向力，在使用时必须安装推力轴承或角接触轴承 广泛应用于各种传动系统，传递回转运动，实现减速或增速、变速以及换向等 。 齿轮齿条机构 结构简单，成本低，传动效率高，易于实现较长的运动行程；当运动速度较高或为提高运动平稳性时，可采用斜齿或人字齿条机构 广泛应用 于各种机器的传动系统，变速操纵装置，自动机的输送、转向、进给机构以及直动与转动的运动转换装置 圆锥齿轮机构 用来传递两相交轴的运动；直齿圆锥齿轮传递的圆周速度较低，曲齿用于圆周速度较高用于减速、转换轴线方向以及反向的场合，如汽车、拖拉机、机包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 9 的场合 床等 。 螺旋齿轮机构 常用于传递既不平行又不相交的两轴之间的运动，但其齿面间为点啮合，且沿齿高和齿长方向均有滑动，容易磨损，因此只宜用于轻载传动 用于传递空间交错轴之间的运动 。 蜗轮蜗杆机构 传动平稳无噪声，结构紧凑，传动比大，可做成自锁蜗杆；自锁蜗杆传动的 效率很低，低速传动时磨损严重，中高速传动的蜗轮齿圈需贵重的减摩材料 (如青铜 )，制造精度要求较高，刀具费用昂贵 用于大传动比减速装置 (但功率不宜过大 )、增速装置、分度机构、起重装置、微调进给装置、省力的传动装置 行星齿轮机构 传动比大，结构紧凑，工作可靠，制造和安装精度要求高，其他特点同普通齿轮传动；主要有渐开线齿轮、摆线针轮、谐波齿轮 3种齿形的行星传动 常作为大速比的减速装置、增速装置、变速装置，还可实现运动的合成与分解 。 带传动机构 轴间距离较大，工作平稳无噪声，能缓冲吸振，摩擦式带传动有过载保护作用 ；结构简单，安装要求不高，外廓尺寸较大；摩擦式带传动有弹性滑动，不能用于分度系统；摩擦易起电，不宜用于易燃易爆的场合；轴和轴承受力较大，传动带寿命较短 用于传递较远距离的两轴的回转运动或动力 。 链传动机构 轴向距离较大，平均传动比为常数，链条元件间形成的油膜有吸振能力，对恶劣环境有较强的适应能力，工作可靠，轴上载荷较小；瞬时运转速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时因磨损伸长后容易引起共振，一般需增设张紧和减振装置 。 用于传递较远距离的两轴的回转运动或动力 。 动机构的确定 根据上述表格和 任务书条件，初步选择涡轮蜗杆传动机构。但是由于上升过程中不得出现打滑和倒退现象，减速比比较大。最终涡轮蜗杆传动机构确定传动机构。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 10 1. 总体方案设计 在生长于地面的树木不动的情况下，要对树干部分缠绕草绳，就必须使草绳圈围绕树干作圆周运动，同时绳圈自身要能自转，这样才能保证草绳源源不断地绕在树干上，且不会发生干涉、打结现象。另外，要使草绳能紧密的缠绕在树干上，还必须保证草绳在缠绕过程中能稳定上升，不出现重叠或缝隙。事实上，只要草绳在每圈上升一个绳径 (d)的距离，并不需要匀速上升，后面的草绳便会在前面缠绕的草绳的导引 下实现紧密排列。针对以上两点，我，们设计了如图 1的自动包树机。 包树机主要由底板机架、动力装置、传动机构、执行机构以及控制装置五部分组成， 能适应不同胸径的树木，并且草绳缠绕的紧密度与高度在一定范围内可调。 图 1 包树机主体效果图 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 11 16. 丝杠 2 17. 螺母及滑块 2 18. 固定齿轮 2 带 作原理及过程 如图 1，包树前，先将草绳圈置于储绳筒上。然后推动小车，使树木通过转盘及导轨的缺口进入到转盘中央。再将最外面的绳头穿过导绳孔 ,系在树干上。工作时，直流电机通过减速器带动主动同步带轮，进而通过带传动将动力传递到两同步摩擦轮，从而带动执行机构实现包树功能。 包树时，转盘带着储绳筒绕树作 圆周运动，同时储绳筒在草绳的牵引下不断自转，不断给绳，从而使草绳源源不断地缠绕在树干上。当排线齿轮碰到固定齿轮 1时，会有一段啮合区，从而转动丝杠。由于排线螺母被滑块约束，其自身不能自转，于是在齿轮啮合过程中沿着丝杠上升半个绳径（ d/2）的距离。同理，在碰到固定齿轮 2 时又上升半个绳径 (d/2)距离。如此往复，在每圈中缠绕过程中都能上升一个绳径 (d)的距离，从而实现紧密排列。到达预定的极限位置时，螺母便会触动极限开关，电路便自动断开，包树结束。 包树结束时，只需将草绳剪断，打个结即可。接着就可以退出小车，反方向缠绕下一棵树。 要组成部分 板机架 底板机架的主要功能为固定和连接其它四个功能装置，还可以通过它方便的移动包树机。其大小及结构主要由上面的主体机构决定，效果图如图 2所示。 力装置 考虑到包树过程负载较小，所需转速也不大，以及室外使用等因素，动力装置采用由蓄电池驱动的直流电机，配合减速换向装置使用。动力装置主要参数如表 1所示： 表 1 动力装置主要参数 额定电压 额定电流 额定功率 转速 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 12 24V 5A 120W 220r/ 传动机构 传动机构主要将动力传给包 树执行机构，由同步带轮、同步带、张紧装置、摩擦轮组成，带传动机构用于实现相对较远距离的动力传送，摩擦轮压紧转盘，将动力传送给转盘，其机构运动简图如图 2： 图 2 主运动机构简图 行机构 包树执行机构由转盘及导轨，排线装置，储绳装置三大部分组成，共同完成了包树功能。其中排线装置和储绳装置要成对使用，笔者建议采用两对，不仅使效率提高一倍，还充分利用了转盘上的空间，另外还能平衡负载，防止转盘倾覆；减小转动不平衡量，减小振动。具体如图 3 所示。 因为大部分树均为竖直生长，所以包树机需有一缺口以方便树木 进入到转盘中央，同时为使机器能平稳运行，不致产生过大噪音和摩擦，应采用导轨引导。导轨及转盘缺口处应采用平滑过渡以避免过大刚性冲击。 排线装置主要为保证绕绳紧密，排列有序，避免每匝绳之间有过大间隙，确保能起到保温保湿效果。排线装置的核心部件为光杆、固定齿轮（参见图 1）、排线齿轮、丝杆和螺母，丝杆底端的排线齿轮，可带动丝杆转动，并与底座齿轮间歇啮合。光杆固定在转盘上，丝杆在转盘上可自由转动，螺母与丝杆配合，且包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 13 被光杆约束，只能上下移动。整个装置随转盘一起运动，转盘每旋转一周，齿轮和丝杆也通过与另外两个齿轮啮合传动 ，使丝杆被带动旋转特定角度，进而实现螺母上升（或下降）一定距离，保证草绳逐渐上升（或下降）。 图 3 执行机构效果图 绕线机构主要是为了实现将绕有绳子的线筒置于转盘上，为排线机构连续提供绳子，同时避免绳子缠死和打结。线筒轴置于转盘上，并可在转盘上自由转动，线筒拆卸方便，并可固定在线筒轴上。当绳子用完后，更换线筒即可。同时包树的松紧可通过改变绳子与导线孔的摩擦及线筒转动的摩擦进行调节。 排 线装置 储绳装置 转盘及导轨 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 14 2. 产品功能及特色 (1)目前市场上还没有能给未挖起的树木缠绕草绳的机械装置。 而此机器采用了特殊设计的转盘实 现了此功能 ,树可以通过转盘上的缺口直接进入转盘的中心，因此可以用于已经植好的树木。为了传动这个转盘，此机器采用“两点传动”的方式 两个摩擦轮在不同位置同时和转盘接触，从而保证在任何时间，至少有一个摩擦轮带动转盘。 (2)此机器采用了专门的排线装置，不仅可以保证草绳缠绕的紧密度，还能在保证缠线紧密地前提下对一定范围内任意直径的树木进行缠绕。 (3)此机器采用了专门的储绳装置，此装置可以作为草绳的储存和供给机构，减少了对绳子的限制。 (4)通过采用多对排线机构和绕线机构，可使效率成倍提高。 (5)可以正反转 ,包树时，若第一棵从下往上包，下一棵则可从上往下包，以提高效率。 (6)通过调节 可实现包树高度的可控。 (7)该设计结构简单 ,效率高 (660mm/体积小 (1000 750 800重量轻(25 35方便操作 ,适合所有圆林养护人员使用 。 第 3章 自动包树机传动部分的计算 电机的选取 （ 1）粗略计算驱动电机的功率 已知重量为 m=100kg g=10N/重力 G1=000N 1）驱动功率计算 则工件受到的摩擦力为： 1 0 0 0 0 . 0 3 5 3 5f m g N 则移行电机所需牵引力为： 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 15 35F f N 假设直径 R=125设转速 1 速度 1=24m/ 设功率安全系数为 动装置的效率为 需要的驱动功率为： 0 060/( 0 060/( 2）电动机至的总效率 c 联轴器效率， c=b 对滚动轴承效率， b=v带效率， v=效率， 。 96 估算传动系统总效率 =） 所需电动机的功率 w/= 1） 基于电动机的以上特点，本文选用作为 北京和利时电机技术有限公司部分110列混合式步进电机 输送机床的驱动装置。 图 北京和利时电机技术有限公司部分 110列混合式步进电机的技术数据。 图 110列混合式步进电机的技术数据 所以根据计算所得数据选择 110号的电机，图 10列混合 式步进电机的型号说明。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 16 图 110列混合式步进电机的型号说明 110列混合式步进电机的外形尺寸，如图 示。 图 110列混合式步进电机的外形尺寸 110列混合式步进电机的矩频特性曲线，如图 示。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 17 图 110电机矩频特性曲线 定传动装置效率 由下列要求致动器的效率： （ 1）在这一问题的产量较低是相关的一对轴承。 （ 2）同类型的活动千万不要错过，你需要采取一些具有传输效率占到副或机构。 （ 3）驱动蜗杆和 第一对顶部的蜗杆 效率，这是经过一番初步选举估计第一效率，而且必须。 此外，蜗杆传动效率高，不包括一对承载蜗杆轴的效率，因此，在蜗杆轴的计算的总效率将不再返回低计数。 每个驱动机制，磨损的效率： 法兰效率：1 一级环面蜗杆传动效率 : 一对滚动轴承传动效率：3 凸缘联轴器效率： 从电动机 至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率： 21 2 3 4 20 . 9 8 0 . 7 0 . 9 8 0 . 9 8 0 . 6 4 6 ， 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 18 杆传动设计计算 择蜗杆、蜗轮材料 使用准平行环面蜗杆传动 . 轮材料，设出许用应力 考虑蜗轮传动，让我们想想功率传输，而不是速度，这些期望效率高，相应的参考表 5，由于优异的耐磨性，蜗杆选择 40，按照适度要求一些温暖的牙齿表面变得如此：为了挽救加强贵金属，磷青铜铸 属铸造，选择 有锡的磷青铜齿圈，灰铸铁 按照相关引用书本表格 5 3设得蜗轮材质的许用接触应力式子是： H =190 2/N 按照相关引用书本表格 5 5找到并设得蜗轮材料的许用弯曲应力： F=44 2/N 定蜗杆头数 蜗轮齿数 按照相关引用书本表格 5 6， 设得 1 则 i 150 50 设 得值 50 算的速度 实际传动比： i 50/1 举升速度： V = 3 . 1 4 D n 3 . 1 4 1 8 . 81 0 0 0 1 0 0 0 速度误差： 8 3 610 1 按所给 区域图取 2 阳轮齿根圆角敏感系数 查【 5】图 6星齿轮齿根圆角敏感系数 查【 5】图 6R，查【 5】图 664 最小安全系数 按高可靠度，查【 5】表 6 太阳轮： 弯曲应力基本值：=2. （ 3 弯曲应力： = =24 7 0 . 2 5 N / 1 . 61 . 0 4 50 . 9 6123 7 . 5 （ 3 故, 弯曲强度通过 行星轮 =Y Y/ 1 . 2 5 )1 / ( 1 70 . 7 21 . 7 22 . 5 46 8 5 . 7 =TY = 23 3 2 . 6 0 N / 1 . 61 . 0 4 50 . 9 7122 6 2 . 5 =. = 2N / 故,弯曲强度通过 （ 2）内啮合 齿轮接触疲劳强度 H 、 仍用【 5】式（ 6（ 6（ 6算，其中与外啮合取值， 65 不同的参数为 u=77/29=, Z=0 = Z . Z 9 4 9 4 2/ （ 3 2 8 . 5 3 6 N / 2 011 . 0 6 51 . 0 11 . 2 53 0 5 . 8 7 （ 3 = /i ml i S （ 3 故 H 齿根弯曲疲劳强度 只需计算内齿轮，计算公式仍为书【 5】（ 6（ 6和式 6中取值与外啮合不同的系数： Y= F = 2. （ 3 = = 2. 5 9 N / m (3TY = 2 8 . 9 9 6 N / 1 . 2 51 . 0 4 51 . 0 212275 (3故 F 弯曲强度通过 66 结 论 经过几个月的努力，并且在指导老师和同学的帮助下完成了此次 的 毕业设计，从最开始查找各种关于本次毕业设计的资料到确定总体方案，机械传动部件的选型，最后到撰写说明书，这是一个学习的过程，更是一个实践的过程。在大学四年当中，我接触和吸收了大量机械知识，通过此次的毕业设计设计，让我能有机会把学到的理论知识用到实践中。 在今后的学习生活中，这次毕业设计的经历将起到重要帮助作用，通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论 运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。 通过这次的毕业设计，我对机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，机械传动部件的选用原则，机械传动部件设计计算方案的原理等方面都有了一定的认识。此次设计，我认为最重要的事情就是让我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不怕吃苦，还要有创新精神。 67 参考文献 1丁玉兰 人机工程学第三版 北京理工出版社 , 2005 2 邹慧君主编 机械原理 北京高等教育出版社 1999 3 申永胜主编 机械原理教程 北京 、 清华大学出版社 1999 4 张伟社主编 机械原理 西北工业大学出版社 2001 5 邹慧君主编 机械原理课程设计手册 高等教育出版社 1998 6 赵松年主编 现代机械创新产品分析与设计 2000 7 杨家军主编 机械系统创新设计 华中理工大学出版社 2000 8 张春林主编 机械创新设计 机械工业出版社 1999 9 机械设计手册编委会 机械设计手册新版 2， 3卷 机械工业出版社，2004 10卜炎主编 机械传动装 置设计手册（上册） 机械工业出版社 1999 11何灿群 人体工学与艺术设计 长沙湖南大学出版社， 2004 12阮宝湘 /郡祥华 工业设计人体工程 北京机械工业出版社 13 王三明主编 机械原理与设计课程设计 北京机械工业出版社， 2005 14业产品造型设计程序与实例 一版 15. 沈法，王庆斌，杨足，丁熊计算机辅助产品造型设计表现技法 一版 1 毕业设计 树木保暖机械的设计 I 摘要 本课题来源于生产实际 ,目前，我国正在大力加强植树造林建设，特别是江苏沿海地区，政府部门每年都规划植树造林，然而植树造林存在一个问题，需要大量的人力来投入，而现在，国家倡导绿色造林，为了更有效的植树造林 ,出现了树木保暖机，也即为树木保暖机。 整机结构主要由电动机、机架、传动带、蜗杆减速器构成。由电动机产生动力通过同步同步带轮减速器将需要的动力传递到同步同步带轮上，同步同步带轮1带动带同步同步带轮 2，从而带动整机装置运动 . 本论文研究内容摘要： (1) 自动包树机总体结构设计。 (2) 自动包树机工作性能分析。 (3)电动机的选择。 (4)对自动包树机的传动系统、执行部件及机架设计。 (5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词： 自动包树机 ，结构设计，树木保暖机 at is in in is a a of to in to as of is of is by is to by , so as to to of of (1) of (2) (3) of (4) on (5) (6) up of of of of 录 摘要 I 1 章 绪论 5 第 1 章 绪论 5 第 2 章 自动包树机方案设计 6 力系统选择依据 . 6 见机构的特 点和应用 . 6 动机构的确定 . 8 1. 总体方案设计 9 2. 产品功能及特色 13 第 3 章 自动包树机传动部分的计算 13 电机的选取 . 13 定传动装置效率 . 16 杆传动设计计算 . 17 择蜗杆、蜗轮材料 . 17 定蜗杆头数 蜗轮齿数 . 17 算的速度 . 17 定蜗杆蜗轮中心距 a . 17 杆传动几何参数设计 . 18 面蜗轮蜗杆校核计算 . 20 的结构设计 . 22 杆轴的设计 . 22 轮轴的设计 . 25 的校核 . 28 杆轴的强度校核 . 28 轮轴的强度校核 . 31 动轴承的选择及校核 . 34 杆轴滚动轴承的选择及校核 . 34 轮轴上轴 承的校核 . 36 联接的强度校核 . 37 杆轴上安装联轴器处的键联接 . 37 蜗轮轴上装蜗轮处的键联接 . 38 所以， ，所选平键合适。 . 38 步带介绍 . 38 同步带的特点 . 39 同步带传动的主要失效形式 . 39 同步带传动的设计准则 . 42 同步带分类 . 42 步带传动计算 . 43 同步带计算选型 . 43 同步带的主要参数（结构部分） . 46 同步带的设计 . 48 同步同步带轮的设计 . 48 第 5 章 绳子缠绕提升部分设计计算 49 度的选择 . 49 杠导程的确定 . 49 大工作载荷的计算 . 49 大动载荷的计算 . 50 珠丝杠螺母副的选型 . 50 珠丝杠副的支承方式 . 51 动效率的计算 . 51 度的验算 . 51 定性校核 . 52 界转速的验证 . 53 初步计算齿轮主要参数 . 54 按弯强度曲初算模数 m . 57 齿轮疲劳强度校核 . 58 结 论 65 参考文献 66 致 谢 67 5 第 1章 绪论 第 1章 绪论 在国家“十二五”规划中，提出了生态文化是中华传统文化、和谐文化的重要组成 部分，是支撑生态文明的基础。国家林业局第七次全国森林资源清查结果显示，全国森 林面积达到 ，森林覆盖率达到 森林蓄积量为 m 。从以 上统计数字可以看出，我国森林资源的平均水平依然很低，虽然我国的森林面积居世界 第五位， 但森林覆盖率只相当于世界森林覆盖率（ 的 64%；全国人均森林面积 相当于世界人均水平的 25%。另外， 我国的森林质量不高， 单位面积森林蓄积量仅为 世界平均水平的 为了进一步提高我国的森林覆盖率及生态环境，发展 生态文化， 需要开展大规模的造林工程，大面积地进行植树造林活动。人工造林投入大、产出少、 用工多，效率低、速度慢、劳动强度大，而使用机械造林则可以解决这些问题。造林机 械化是造林工程的发展方向，而要进行机械化造林就必须有配套的造林机械。 2 3 6 第 2章 自动包树机方案设计 力系统选择依据 驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。 液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点 ，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、 链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力 高可达 1点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 机械式用于简单的场合。 电动由于减速和回转运动变往复运动机构，该 机构适用于无污染，有电就可以工作，操作简单方便，在工作场合只需要接通电源即可工作，而工作场合在各个大楼区域，很容易找到电源。 根据上述说明最终选择电动机的作为机构的动力源 。 见机构的特点和应用 类型 特点 应用 连杆机构 结构简单，制造容易，工作可靠，传动距离较远，传递载荷较大，可实现急回运动规律，但不易获得匀速运动或其他任意运动规律，传动不平稳，冲击与振动较大 。 用于从动件行程较大或承受重载的工作场合，可以实现移动、摆动等复杂的运动规律或运动轨迹 。 凸轮机构 结构紧凑，工作可靠，调整方便， 可获得任意运动规律，但动载荷较大，传动效率较低 。 用于从动件行程较小和载荷不大以及要求特定运动规律的场合 。 非圆齿轮 结构简单，工作可靠，从动件可实现任意转 用于从动件作连续转动和要求 7 机构 动规律，但齿轮制造较困难 有特殊运动规律的场合 。 槽轮间歇机构 结构简单，从动件转位较平稳，而且可实现任意等时的单向间歇转动，但当拨盘转速较高时，动载荷较大 常用作自动转位机构，特别适用于转位角度在 45 以上的低速传动 。 凸轮式间歇机构 结构较简单，传动平稳，动载荷较小，从动件可实现任何预期的单向间歇转动，但凸轮制造困 难 用作高速分度机构或自动转位机构 。 不完全齿轮机构 结构简单，制造容易，从动件可实现较大范围的单向间歇传动，但啮合开始和终止时有冲击，传动不平稳 多用作轻工机械的间歇传动机构 螺旋机构 传动平稳无噪声，减速比大；可实现转动与直线移动，传动平稳无噪声，互换；滑动螺旋可做成自锁螺旋机构；工作速度一般很低，只适用于小功率传动 多用于要求微动或增力的场合，如机床夹具以及仪器、仪表，还用于将螺母的回转运动转变为丝杆的直线运动的装置 。 摩擦轮机构 有过载保护作用；轴和轴承受力较大，工作表面有滑动，而且磨损较快； 高速传动时寿命较低 用于仪器及手动装置以传递回转运动 。 圆柱齿轮机构 载荷和速度的许用范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高；制造和安装精度要求较高，精度低时传动噪声较大，无过载保护作用；斜齿圆柱齿轮机构运动平稳，承载能力强，但在传动中会产生轴向力，在使用时必须安装推力轴承或角接触轴承 广泛应用于各种传动系统，传递回转运动，实现减速或增速、变速以及换向等 。 齿轮齿条机构 结构简单，成本低，传动效率高，易于实现较长的运动行程；当运动速度较高或为提高运动平稳性时，可采用斜齿或人字齿条机构 广泛应用 于各种机器的传动系统，变速操纵装置，自动机的输送、转向、进给机构以及直动与转动的运动转换装置 圆锥齿轮机构 用来传递两相交轴的运动；直齿圆锥齿轮传递的圆周速度较低，曲齿用于圆周速度较高用于减速、转换轴线方向以及反向的场合，如汽车、拖拉机、机 8 的场合 床等 。 螺旋齿轮机构 常用于传递既不平行又不相交的两轴之间的运动，但其齿面间为点啮合，且沿齿高和齿长方向均有滑动，容易磨损，因此只宜用于轻载传动 用于传递空间交错轴之间的运动 。 蜗轮蜗杆机构 传动平稳无噪声，结构紧凑，传动比大，可做成自锁蜗杆；自锁蜗杆传动的 效率很低，低速传动时磨损严重，中高速传动的蜗轮齿圈需贵重的减摩材料 (如青铜 )，制造精度要求较高，刀具费用昂贵 用于大传动比减速装置 (但功率不宜过大 )、增速装置、分度机构、起重装置、微调进给装置、省力的传动装置 行星齿轮机构 传动比大，结构紧凑，工作可靠，制造和安装精度要求高，其他特点同普通齿轮传动；主要有渐开线齿轮、摆线针轮、谐波齿轮 3种齿形的行星传动 常作为大速比的减速装置、增速装置、变速装置，还可实现运动的合成与分解 。 带传动机构 轴间距离较大，工作平稳无噪声，能缓冲吸振，摩擦式带传动有过载保护作用 ；结构简单，安装要求不高，外廓尺寸较大；摩擦式带传动有弹性滑动，不能用于分度系统；摩擦易起电，不宜用于易燃易爆的场合；轴和轴承受力较大，传动带寿命较短 用于传递较远距离的两轴的回转运动或动力 。 链传动机构 轴向距离较大，平均传动比为常数，链条元件间形成的油膜有吸振能力，对恶劣环境有较强的适应能力，工作可靠，轴上载荷较小；瞬时运转速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时因磨损伸长后容易引起共振，一般需增设张紧和减振装置 。 用于传递较远距离的两轴的回转运动或动力 。 动机构的确定 根据上述表格和 任务书条件，初步选择涡轮蜗杆传动机构。但是由于上升过程中不得出现打滑和倒退现象，减速比比较大。最终涡轮蜗杆传动机构确定传动机构。 9 1. 总体方案设计 在生长于地面的树木不动的情况下，要对树干部分缠绕草绳，就必须使草绳圈围绕树干作圆周运动，同时绳圈自身要能自转，这样才能保证草绳源源不断地绕在树干上，且不会发生干涉、打结现象。另外，要使草绳能紧密的缠绕在树干上，还必须保证草绳在缠绕过程中能稳定上升，不出现重叠或缝隙。事实上，只要草绳在每圈上升一个绳径 (d)的距离，并不需要匀速上升，后面的草绳便会在前面缠绕的草绳的导引 下实现紧密排列。针对以上两点，我，们设计了如图 1的自动包树机。 包树机主要由底板机架、动力装置、传动机构、执行机构以及控制装置五部分组成， 能适应不同胸径的树木，并且草绳缠绕的紧密度与高度在一定范围内可调。 图 1 包树机主体效果图 10 16. 丝杠 2 17. 螺母及滑块 2 18. 固定齿轮 2 带 作原理及过程 如图 1，包树前，先将草绳圈置于储绳筒上。然后推动小车，使树木通过转盘及导轨的缺口进入到转盘中央。再将最外面的绳头穿过导绳孔 ,系在树干上。工作时，直流电机通过减速器带动主动同步带轮，进而通过带传动将动力传递到两同步摩擦轮，从而带动执行机构实现包树功能。 包树时，转盘带着储绳筒绕树作 圆周运动，同时储绳筒在草绳的牵引下不断自转，不断给绳，从而使草绳源源不断地缠绕在树干上。当排线齿轮碰到固定齿轮 1时，会有一段啮合区，从而转动丝杠。由于排线螺母被滑块约束，其自身不能自转，于是在齿轮啮合过程中沿着丝杠上升半个绳径（ d/2）的距离。同理，在碰到固定齿轮 2 时又上升半个绳径 (d/2)距离。如此往复，在每圈中缠绕过程中都能上升一个绳径 (d)的距离，从而实现紧密排列。到达预定的极限位置时，螺母便会触动极限开关，电路便自动断开，包树结束。 包树结束时，只需将草绳剪断，打个结即可。接着就可以退出小车，反方向缠绕下一棵树。 要组成部分 板机架 底板机架的主要功能为固定和连接其它四个功能装置，还可以通过它方便的移动包树机。其大小及结构主要由上面的主体机构决定，效果图如图 2所示。 力装置 考虑到包树过程负载较小，所需转速也不大，以及室外使用等因素，动力装置采用由蓄电池驱动的直流电机，配合减速换向装置使用。动力装置主要参数如表 1所示： 表 1 动力装置主要参数 额定电压 额定电流 额定功率 转速 11 24V 5A 120W 220r/ 传动机构 传动机构主要将动力传给包 树执行机构，由同步带轮、同步带、张紧装置、摩擦轮组成，带传动机构用于实现相对较远距离的动力传送，摩擦轮压紧转盘，将动力传送给转盘，其机构运动简图如图 2： 图 2 主运动机构简图 行机构 包树执行机构由转盘及导轨，排线装置，储绳装置三大部分组成，共同完成了包树功能。其中排线装置和储绳装置要成对使用，笔者建议采用两对，不仅使效率提高一倍，还充分利用了转盘上的空间，另外还能平衡负载，防止转盘倾覆；减小转动不平衡量，减小振动。具体如图 3 所示。 因为大部分树均为竖直生长，所以包树机需有一缺口以方便树木 进入到转盘中央，同时为使机器能平稳运行，不致产生过大噪音和摩擦，应采用导轨引导。导轨及转盘缺口处应采用平滑过渡以避免过大刚性冲击。 排线装置主要为保证绕绳紧密，排列有序，避免每匝绳之间有过大间隙，确保能起到保温保湿效果。排线装置的核心部件为光杆、固定齿轮（参见图 1）、排线齿轮、丝杆和螺母，丝杆底端的排线齿轮，可带动丝杆转动，并与底座齿轮间歇啮合。光杆固定在转盘上，丝杆在转盘上可自由转动，螺母与丝杆配合，且 12 被光杆约束，只能上下移动。整个装置随转盘一起运动，转盘每旋转一周，齿轮和丝杆也通过与另外两个齿轮啮合传动 ，使丝杆被带动旋转特定角度，进而实现螺母上升（或下降）一定距离，保证草绳逐渐上升（或下降）。 图 3 执行机构效果图 绕线机构主要是为了实现将绕有绳子的线筒置于转盘上，为排线机构连续提供绳子，同时避免绳子缠死和打结。线筒轴置于转盘上，并可在转盘上自由转动，线筒拆卸方便，并可固定在线筒轴上。当绳子用完后，更换线筒即可。同时包树的松紧可通过改变绳子与导线孔的摩擦及线筒转动的摩擦进行调节。 排线装置 储绳装置 转盘及导轨 13 2. 产品功能及特色 (1)目前市场上还没有能给未挖起的树木缠绕草绳的机械装置。 而此机器采用了特殊设计的转盘实 现了此功能 ,树可以通过转盘上的缺口直接进入转盘的中心，因此可以用于已经植好的树木。为了传动这个转盘，此机器采用“两点传动”的方式 两个摩擦轮在不同位置同时和转盘接触，从而保证在任何时间，至少有一个摩擦轮带动转盘。 (2)此机器采用了专门的排线装置，不仅可以保证草绳缠绕的紧密度，还能在保证缠线紧密地前提下对一定范围内任意直径的树木进行缠绕。 (3)此机器采用了专门的储绳装置，此装置可以作为草绳的储存和供给机构，减少了对绳子的限制。 (4)通过采用多对排线机构和绕线机构，可使效率成倍提高。 (5)可以正反转 ,包树时，若第一棵从下往上包，下一棵则可从上往下包，以提高效率。 (6)通过调节 可实现包树高度的可控。 (7)该设计结构简单 ,效率高 (660mm/体积小 (1000 750 800重量轻(25 35方便操作 ,适合所有圆林养护人员使用 。 第 3章 自动包树机传动部分的计算 电机的选取 （ 1）粗略计算驱动电机的功率 已知重量为 m=100kg g=10N/重力 G1=000N 1）驱动功率计算 则工件受到的摩擦力为： 1 0 0 0 0 . 0 3 5 3 5f m g N 则移行电机所需牵引力为： 14 35F f N 假设直径 R=125设转速 1 速度 1=24m/ 设功率安全系数为 动装置的效率为 需要的驱动功率为： 0 060/( 0 060/( 2）电动机至的总效率 c 联轴器效率， c=b 对滚动轴承效率， b=v带效率， v=效率， 。 96 估算传动系统总效率 =） 所需电动机的功率 w/= 1） 基于电动机的以上特点，本文选用作为 北京和利时电机技术有限公司部分110列混合式步进电机 输送机床的驱动装置。 图 北京和利时电机技术有限公司部分 110列混合式步进电机的技术数据。 图 110列混合式步进电机的技术数据 所以根据计算所得数据选择 110号的电机，图 10列混合 式步进电机的型号说明。 15 图 110列混合式步进电机的型号说明 110列混合式步进电机的外形尺寸，如图 示。 图 110列混合式步进电机的外形尺寸 110列混合式步进电机的矩频特性曲线，如图 示。 16 图 110电机矩频特性曲线 定传动装置效率 由下列要求致动器的效率： （ 1）在这一问题的产量较低是相关的一对轴承。 （ 2）同类型的活动千万不要错过，你需要采取一些具有传输效率占到副或机构。 （ 3）驱动蜗杆和 第一对顶部的蜗杆 效率，这是经过一番初步选举估计第一效率，而且必须。 此外，蜗杆传动效率高，不包括一对承载蜗杆轴的效率，因此，在蜗杆轴的计算的总效率将不再返回低计数。 每个驱动机制，磨损的效率： 法兰效率：1 一级环面蜗杆传动效率 : 一对滚动轴承传动效率：3 凸缘联轴器效率： 从电动机 至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率： 21 2 3 4 20 . 9 8 0 . 7 0 . 9 8 0 . 9 8 0 . 6 4 6 ， 17 杆传动设计计算 择蜗杆、蜗轮材料 使用准平行环面蜗杆传动 . 轮材料，设出许用应力 考虑蜗轮传动，让我们想想功率传输，而不是速度，这些期望效率高，相应的参考表 5，由于优异的耐磨性，蜗杆选择 40，按照适度要求一些温暖的牙齿表面变得如此：为了挽救加强贵金属，磷青铜铸 属铸造，选择 有锡的磷青铜齿圈，灰铸铁 按照相关引用书本表格 5 3设得蜗轮材质的许用接触应力式子是： H =190 2/N 按照相关引用书本表格 5 5找到并设得蜗轮材料的许用弯曲应力： F=44 2/N 定蜗杆头数 蜗轮齿数 按照相关引用书本表格 5 6， 设得 1 则 i 150 50 设 得值 50 算的速度 实际传动比： i 50/1 举升速度： V = 3 . 1 4 D n 3 . 1 4 1 8 . 81 0 0 0 1 0 0 0 速度误差： 8 3 610 1 按所给 区域图
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