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精确对靶施药室内测试系统的改进设计【全套13张CAD图纸和毕业论文】【农业机械】

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致  谢
   四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号,而于我的人生却只是一个逗号,我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下,走得辛苦却也收获满囊,在论文即将付梓之际,思绪万千,心情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜,可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人,我的导师。我不是您最出色的学生,而您却是我最尊敬的老师。您治学严始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚谢意!人生的道路有许多的坎坷,不是一 条 通 往光明之路,有痛苦,有伤心,有无助,也有面对一切所不能忍受的,这就是生活。但是生活中确实有许多美好的东西,有些时候你不会看到它的本身的色彩,如果你用这一种方式感受不到的话,不妨换一种方式去感受,也许它正是你所需要的那谨,学识渊博,思想深邃,视野雄阔,为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔,置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不仅接受了全新的思想观念,树立了宏伟的学术目标,领会了基本的思考方式,从论文题目的选定到论文写作的指导经由您悉心的点拨再经思考后的领悟常常让我有“山重水复疑无路柳暗花明又一村”感谢我的爸爸妈妈,焉得谖草,言树之背,养育 之 恩,无以回报,你们永远 健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开种生活方式。千万不要放弃生活,你放弃了它,生活也就放弃了你,人生贵在的是感受,会感受才会有幸福,在生活中如果你感受的多了,那你才会感受到生活中的美好,你才会知道你在前世所选择的是今生的最正确的人生路。

摘  要
   精确对靶施药作为农作物、树木等主要的除病虫害方式,在我国植保措施中具有着十分重要的作用。本文根据对靶施药的发展,简单的阐述了它的研究现状;通过对靶施药的类型和改进的方式详细地介绍了对靶施药的发展状况;分析了对靶施药现状存在的一些问题,针对这些问题,提出了未来的发展趋势;最后对精确对靶施药室内测试系统的改进进行了总结与设想,并对其报以美好的祝愿。
Summary: Precisely target pesticide application way as crops, trees and other major addition to pests and diseases, plant protection measures in China has a very important role. Based on the development of on-target pesticide application, there will be a brief explanation of the Research; detailed description of the state of development of the target pesticide application by the type of the target pesticide application and improved; analysis of the status of the target pesticide application exists some problems, solve these problems, the future trend of development; Finally, a summary and ideas for accurate target pesticide application indoor test system improvements, and reported good wishes.
目    录
1 绪论
1.1精确对靶施药概念及技术思想
1.2研究背景意义及主要研究内容
1.2.1国内外精确对靶施药研究现状及发展趋势
1.2.2本文的主要研究内容及研究意义
1.3 本章小结
2精确对靶施药室内试验测试系统的总体设计及零部件强度校核
2.1精确对靶施药室内测试系统工作原理及组成部分
2.2运动模拟部分设计及校核
2.2.1传动方案的确定
2.2.2电动机的选择
2.2.3传动设计计算
2.2.4带轮的强度校核
2.2.5轴的设计及校核
2.2.6精确校核轴的疲劳强度
2.2.7张紧螺栓的选用及校核
2.3本章小结
3 实验台具体单元设计
3.1运动台架的设计
3.2电动机架的设计
3.3喷头移动组合台架的设计
3.3.1喷头的横向移动性  
3.3.2喷头的纵向移动性
3.4摄像头的多方位拍摄改进设计
3.5变频器调控板的安放设计
3.6水泵的位置优化
3.7本章小结
4药液的回收利用设计
4.1利用泵实现药液的循环利用
4.2集水容器的设计处理实验后药液
4.3精确对靶施药室内测试系统功能的实现
4.4本章小结
5主要研究结论及进一步研究建议
5.1主要研究结论
5.2进一步研究建议
参考文献
附录
1  绪  论
1.1 精确对靶施药概念及技术思想
自新中国成立以来,在党和政府的领导下,我国的农业生产取得了很大的成就,在这可观的成就中,施药技术功不可没,但是人们在使用农药过程中存在着很多问题,比如施药过程中忽视田间病虫草害发生差异性和作物信息的差异性以及使用手段落后等,由于上述的问题而使大量的农药流失到非靶标环境中,造成人畜中毒和严重的环境污染,导致食品的污染和生态失衡。其主要原因是喷洒出去的农药只有很少的部分达到要防治的靶标上。Metcalf做了估算,从施药机械喷洒出去的农药只有25%~50%能沉积到作物叶片上.只有不足0.03%的药剂能起到杀虫作用。这个问题在我国非常突出,目前我国化学防治面积已达2.87亿hm2,并且还在以每年0.13亿hm2的速度增长,每年我国都有100万t的农药制剂,1亿t药液喷洒到农田中,由于使用不当,造成的经济损失达数亿元。我国农药生产技术处予国际先进水平,而我国植保机械和农药使用技术严重落后的现状与我国高速发展的农药水平极不相称,已严重妨碍了农作物病虫害的防治,带来了诸如农药利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物要害、操作者中毒等负面影响。在我国,农药利用率最好的也不足30%,农药流失量高达60%~70%,不仅经济损失重大,也造成了严重的“农残问题”和环境污染。喷药技术的落后严重影响着农药效力的发挥,普通的施药机械在田问工作时,不考虑杂草数量在空间上的分布情况将药液均匀的喷洒在整个田地间,这就导致了高密度的杂草区域和不包含或包含很少杂草的区域接受到同等量的药液。随着农业机械化的发展,作业面积越来越大,这种施药方式的弊端日趋严重,唯有实行精准施药技术,才能达到高产、优质、环保、经济的目的[11]。在我国,森林病虫害问题一直很严峻。目前,我国整个植保机械格局以手动和小型机动为主,防治功效低,大部分产品结构简单、价格低廉、技术含量低。近年来,随着各种新型施药技术的发展,大量新型的植保机械研制成功,为森林病虫害的防治工作做出了很大贡献。如防飘移技术,主要考虑的是农药雾滴在喷洒过程中由于风力等原因,使得大量农药未能到达靶标,而是飘散到地面等地,造成农药的浪费和对环境的污染。类似的还有静电技术,使用某种手段使喷洒出的农药雾滴带电,这样雾滴更容


内容简介:
南京林业大学本科毕业设计说明书南京林业大学本科毕业设计题 目: 精确对靶施药室内测试系统的改进 设计 学 院: 机械电子工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: n090301117 学生姓名: 唐智胜 指导教师: 张慧春 职 称: 副 教 授 致 谢 四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号,而于我的人生却只是一个逗号,我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下,走得辛苦却也收获满囊,在论文即将付梓之际,思绪万千,心情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜,可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人,我的导师。我不是您最出色的学生,而您却是我最尊敬的老师。您治学严始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚谢意!人生的道路有许多的坎坷,不是一 条 通 往光明之路,有痛苦,有伤心,有无助,也有面对一切所不能忍受的,这就是生活。但是生活中确实有许多美好的东西,有些时候你不会看到它的本身的色彩,如果你用这一种方式感受不到的话,不妨换一种方式去感受,也许它正是你所需要的那谨,学识渊博,思想深邃,视野雄阔,为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔,置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不仅接受了全新的思想观念,树立了宏伟的学术目标,领会了基本的思考方式,从论文题目的选定到论文写作的指导经由您悉心的点拨再经思考后的领悟常常让我有“山重水复疑无路柳暗花明又一村”感谢我的爸爸妈妈,焉得谖草,言树之背,养育 之 恩,无以回报,你们永远 健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开种生活方式。千万不要放弃生活,你放弃了它,生活也就放弃了你,人生贵在的是感受,会感受才会有幸福,在生活中如果你感受的多了,那你才会感受到生活中的美好,你才会知道你在前世所选择的是今生的最正确的人生路。摘 要 精确对靶施药作为农作物、树木等主要的除病虫害方式,在我国植保措施中具有着十分重要的作用。本文根据对靶施药的发展,简单的阐述了它的研究现状;通过对靶施药的类型和改进的方式详细地介绍了对靶施药的发展状况;分析了对靶施药现状存在的一些问题,针对这些问题,提出了未来的发展趋势;最后对精确对靶施药室内测试系统的改进进行了总结与设想,并对其报以美好的祝愿。Summary: Precisely target pesticide application way as crops, trees and other major addition to pests and diseases, plant protection measures in China has a very important role. Based on the development of on-target pesticide application, there will be a brief explanation of the Research; detailed description of the state of development of the target pesticide application by the type of the target pesticide application and improved; analysis of the status of the target pesticide application exists some problems, solve these problems, the future trend of development; Finally, a summary and ideas for accurate target pesticide application indoor test system improvements, and reported good wishes.目 录1 绪论1.1精确对靶施药概念及技术思想1.2研究背景意义及主要研究内容1.2.1国内外精确对靶施药研究现状及发展趋势1.2.2本文的主要研究内容及研究意义1.3 本章小结2精确对靶施药室内试验测试系统的总体设计及零部件强度校核2.1精确对靶施药室内测试系统工作原理及组成部分2.2运动模拟部分设计及校核2.2.1传动方案的确定2.2.2电动机的选择2.2.3传动设计计算2.2.4带轮的强度校核2.2.5轴的设计及校核2.2.6精确校核轴的疲劳强度2.2.7张紧螺栓的选用及校核2.3本章小结3 实验台具体单元设计3.1运动台架的设计3.2电动机架的设计3.3喷头移动组合台架的设计3.3.1喷头的横向移动性 3.3.2喷头的纵向移动性3.4摄像头的多方位拍摄改进设计3.5变频器调控板的安放设计3.6水泵的位置优化3.7本章小结4药液的回收利用设计4.1利用泵实现药液的循环利用4.2集水容器的设计处理实验后药液4.3精确对靶施药室内测试系统功能的实现4.4本章小结5主要研究结论及进一步研究建议5.1主要研究结论5.2进一步研究建议参考文献附录1 绪 论1.1 精确对靶施药概念及技术思想自新中国成立以来,在党和政府的领导下,我国的农业生产取得了很大的成就,在这可观的成就中,施药技术功不可没,但是人们在使用农药过程中存在着很多问题,比如施药过程中忽视田间病虫草害发生差异性和作物信息的差异性以及使用手段落后等,由于上述的问题而使大量的农药流失到非靶标环境中,造成人畜中毒和严重的环境污染,导致食品的污染和生态失衡。其主要原因是喷洒出去的农药只有很少的部分达到要防治的靶标上。Metcalf做了估算,从施药机械喷洒出去的农药只有2550能沉积到作物叶片上只有不足0.03的药剂能起到杀虫作用。这个问题在我国非常突出,目前我国化学防治面积已达2.87亿hm2,并且还在以每年0.13亿hm2的速度增长,每年我国都有100万t的农药制剂,1亿t药液喷洒到农田中,由于使用不当,造成的经济损失达数亿元。我国农药生产技术处予国际先进水平,而我国植保机械和农药使用技术严重落后的现状与我国高速发展的农药水平极不相称,已严重妨碍了农作物病虫害的防治,带来了诸如农药利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物要害、操作者中毒等负面影响。在我国,农药利用率最好的也不足30,农药流失量高达6070,不仅经济损失重大,也造成了严重的“农残问题”和环境污染。喷药技术的落后严重影响着农药效力的发挥,普通的施药机械在田问工作时,不考虑杂草数量在空间上的分布情况将药液均匀的喷洒在整个田地间,这就导致了高密度的杂草区域和不包含或包含很少杂草的区域接受到同等量的药液。随着农业机械化的发展,作业面积越来越大,这种施药方式的弊端日趋严重,唯有实行精准施药技术,才能达到高产、优质、环保、经济的目的11。在我国,森林病虫害问题一直很严峻。目前,我国整个植保机械格局以手动和小型机动为主,防治功效低,大部分产品结构简单、价格低廉、技术含量低。近年来,随着各种新型施药技术的发展,大量新型的植保机械研制成功,为森林病虫害的防治工作做出了很大贡献。如防飘移技术,主要考虑的是农药雾滴在喷洒过程中由于风力等原因,使得大量农药未能到达靶标,而是飘散到地面等地,造成农药的浪费和对环境的污染。类似的还有静电技术,使用某种手段使喷洒出的农药雾滴带电,这样雾滴更容易到达靶标。精准施药技术是在认定田间病虫草害相关因子差异性的基础上,充分获取农田小区病虫草害存在的空间和时间差异性信息,即获取地块中每个小区中国林业机械协会(每平方米到每百平方米)病虫草害发生的相关信息,采取技术上可行、经济上有效的施药方案,准确地在每一个小区上喷洒农药。对靶施药技术是精确施药技术中的一种,它是采用各种技术,大都是先采集到目标区域的图像,再对图像进行一系列的处理,得到靶标图像,在指导喷药系统对准靶标进行施药。这样同样减少了农药的浪费,降低了对环境的污染,而且大多数采用对靶施药的植保机械都有相应的动力系统,避免了大量人力操作,节省了劳动力12。1.2 研究背景意义及主要研究内容1.2.1 国内外精确对靶施药研究现状及发展趋势(1) 国外的国外精确对靶施药技术的发展情况技术发达,技术应用广泛,Yang Chun-Chieh等用人工神经网络和模糊控制对除草剂的施用量进行了模拟控制,试验结果证明除草剂的对靶覆盖率为809013;美国伊利诺依大学 (University of Illinois at UrbanaChampaign)农业工程系田磊等人开发的“基于机器视觉的西红柿田间自动杂草控制系统”和“基于差分GPS的施药系统”;美国加利福利亚大学戴维斯分校(University of California at Davis)研制的基于视觉传感器对成行作物实施精量喷雾系统等。与此同时,理论知识也得到了相当的积累,提出了许多用于作物杂草识别、决策控制的算法13。(2) 国内精确对靶施药技术的发展情况相对于外国而言,我国在这方面科研投入比较少,近年来也很多新的技术在新起,其中研究的主要有:机器人技术,中国农业大学应用机器人技术完成温室精确对靶机器人,此系统适合在温室中使用,可节省农药,并且在整个操作过程中,人可以处于温室外操作,不会因为农药对人体产生危害。红外传感探测技术,中国农业大学的邓巍等人也对自动对靶喷雾的红外探测作了研究,主要确定了靶标特征波长,并建立了自动对靶喷雾的红外探测系统。单片机控制技术,中国农业大学的吴泽秫等人研究出一种基于AVR单片机的自动对靶喷雾控制系统,实验证明此系统运行稳定,在一定速度范围内能实现精确对靶,从而大大提高了农药的利用率。机器视觉技术,南京林业大学的葛玉峰等人设计了一套基于机器视觉的室内农药自动精确喷雾系统,实验证明此系统在低速状态下,有80左右的药液击中目标,显著提高了喷药的准确性,节省了大量农药6。(3) 总体研究现状国内外的同类研究日星月异,随着时间的推移产生了很多新型技术,其中有以下几种:1、机器人技术。 机器人技术有三个特点,一个是有类人的功能,比如说作业功能,感知功能,行走功能,还能完成各种动作,它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作,这里一个显著的特点,就是可以通过编程,改变它的工作、动作、工作的对象,和工作的一些要求,它是人造的机器或机械电子装置。中国农业大学应用机器人技术完成温室精确对靶机器人,对靶喷雾机器人整体结构包括移动平台、机械臂、病害信息诊断及变量喷嘴4个主要组成部分。2、红外传感探测技术。 所谓的红外探测技术是利用红外线的漫反射来完成对靶标的位置探测,即靶标存在时,红外线接收管能接收到红外线;当靶标不在时,红外线接收管则接收不到红外线。中国农业大学的邓巍等人也对自动对靶喷雾的红外探测作了研究,主要确定了靶标特征波长,并建立了自动对靶喷雾的红外探测系统。3、单片机控制技术。 单片机诞生于20世纪70年代末,自单片机问世以来,经过不断改进,逐渐发展为低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化。单片机的实时数据处理能力和控制功能,可使系统保持在最佳工作状态,提高系统的工作效率和产品质量。中国农业大学的吴泽秫等人研究出一种基于AVR单片机的自动对靶喷雾控制系统。实验证明此系统运行稳定,在一定速度范围内能实现精确对靶,从而大大提高了农药的利用率。4、机器视觉技术。 在对靶喷雾系统中,机器视觉技术使用计算机视觉系统来模拟人眼的视觉功能,通过摄像机等图像采集装置得到目标区域的图像信息,通过对目标图像的信息加以处理,最终用于实际测量和控制等。南京林业大学的葛玉峰等人设计了一套基于机器视觉的室内农药自动精确喷雾系统,此系统利用机器视觉技术采集实时树木图,通过对图像的处理完成对目标树木的分割与识别,再以图像信息来指导喷药装置,达到精确施药的目的12。 目前,在喷雾机上应用注入式混药系统、过滤系统、自清洗系统、无人驾驶喷雾机技术及风送喷雾、静电喷雾、防漂移喷头、防风屏等技术,使喷雾机在更新结构,提高安全性能、药液在靶标上的附着率以及防治雾滴漂移方面都取得了明显的效果。低量喷雾和微量喷雾通过减少雾滴直径的方法来提高喷雾质量,有效地减少了常量喷雾对环境的污染。进入21世纪后,在喷雾机上应用图像识别技术和3S技术使自动对靶喷雾技术取得突破性进展。自动对靶喷雾技术主要有基于地理信息技术和实时信息采集与处理2种系统。自动对靶施药机械能够根据靶标的有无和靶标特征的变化有选择性地对靶施药,有效地提高农药在作物上的附着率,明显地减少农药在非靶标区域的沉降,获得了较好的施药效果,能够降低生产成本和减少农药对环境的污染13。1.2.2 本文的主要研究内容及研究意义本文的主要研究内容如下: 测绘现有试验台架。 在保持现有试验台架基本型式不变的基础上重新设计带传动结构。 设计摄像头与传动台架的可调距离装置。 设计喷头立体组合装置。 建立试验台架的三维模型,并对运动模拟单元进行运动仿真。 组装试验台架。2008年,我国设施蔬菜产量1.68亿吨,占全国蔬菜产量的25,发展设施农业已经成为障食品供应、增加农民收入的有效途径。但目前设施农业中的病虫害种类和数量越来越多,程度越来越严重,防治越来越困难的趋势。因此,精准对靶施药新型机械将有效地控制温室蔬菜病虫害发展、减少农药用量和保证蔬菜产量安全15。当前我国森林病虫害严重制约了造林绿化和生态环境建设,但病虫害防治效率却是相当低下的:施药技术落后,不管有无施药目标都采用均匀恒速的施药方法,而没有考虑到林木的栽植密度、株距及树冠形态等个体差别;施药器材落后,无论是施药器材的药液混合装置、动力装置还是喷雾装置,其机械化、自动化、精确化程度都相当低。落后的防治手段使农药的利用率低,花费大;农药残留、农药雾滴漂移加重了环境的生态问题;直接和频繁接触农药危及到操作者的人身安全。精确林业技术提供了解决的办法,即在林业生产的过程中运用视觉传感器、卫星定位等高新技术,在作业过程中实时测知工作对象所需工作的质量和时机等时空数据,以求获得最好的施药效果和最小的环境代价,从而节约资源保护环境8。对农药对靶喷施进行系统设计以便实现农药的精确利用,降低对环境的危害,促进林业生产的可持续发展。针对传统的植保机械防治效率低,严重制约着森林资源的防护现状,研制出各种新型的植保机械。传统施药方式往往忽视一定区域内病虫害灾情的变化采取一致的施药量导致化学农药在部分作业区内用量不足而在有些地方施量过度 ,精准施药技术的核心是获取农田小区域内病虫草害的差异性信息采取变量施药技术按需施药。1.3 本章小结本章介绍了精确对靶施药的概念及其研究背景和发展趋势,让我们认识精确对靶施药研究的未来发展带来的优势,精确对靶施药内容的阐述让我们认识发展方向确定发展的道路,让我们努力学习,为以后的研究奠定知识的基础。2 精确对靶施药室内试验测试系统的总体设计及零部件强度校核2.1 精确对靶施药室内测试系统工作原理及组成部分工作原理:模拟施药过程中施药器材和施药目标之间的相对运动;利用机器视觉技术采集实时树木图像,通过图像处理完成目标树木的分割与识别;以图像处理结果为依据进行施药决策;上位机PC和下位机单片机进行数据交换,将决策结果转化为喷雾指令,并控制喷雾执行系统实现自动精确喷雾。组成部分:运动模拟实验台、彩色CCD摄像头、真彩色图像采集卡、PC机(上位机)、单片机芯片组(下位机)、智能喷雾台(包括喷头若干和安装喷头的喷雾台架、压力喷雾系统)及若干接口线路,共分为运动模拟装置、图像采集装置、自动精确施药装置三部分。2.2 运动模拟部分设计及校核2.2.1传动方案的确定已经传到机构的类型为:同步皮带(传送带),故只要对本机构进行分析论证本传到机构的特点:与链条比较,形态上自由度变大;主要用于轻载;皮带轮转动一圈的移动量包含值,因此需要修正。2.2.2 电动机的选择1.电动机类型和结构的选择:因为本传到工作的状况是:载荷平稳、单向旋转。所以选用常用的封闭式Y系类的电动机。2.电动机容量的选择 1)电动机的额定功率P=1.5kw 2)电动机的输出功率Pi=P由于=2带轮2轴承联轴器=0.9820.9920.99=0.93,故Pi=1.395kw3)电动机转速的选择nd=1440r/min3.电动机型号的确定:Y90L-42.2.3 传动设计计算已知条件和设计内容电机的转速为1440r/min;传输带轮中心距a=1750mm;传输带线速度v=0.51.2m/s;轴承预期计算寿命Lh=10Years;摄像头与传动台架的之间的距离可以调节。传动台架运行稳定。 噪音等符合人机工程学的要求。各部分分布合理、功能完善、布局美观。当传动的时候,速度越慢,传动轴所受的力矩越大。设计要求:传输带线速度v=0.5-1.2m/s可调可知,当传输带线速度为0.5m/s的时候,传动轴所受力最大。故一下计算都按线速度0.5m/s进行校核。 由公式: (2-1)得 原试验台的带轮直径为120mm,此处设计取带轮直径为 d1=120mm所以,由公式可得 所需转速 n=79.6r/s 因为电动机转速为1440r/s,由公式 (2-2)的:调速所需频率为 f=2.8HZ两带轮中心轴轴心间距为 a=1750mm所以,带长为: l=a+d (2-3) =1750+3.14120 =2126.8mm曲挠次数为: =0.58ymax (2-4) =(1/401/30)d=0.30.4mm 选带厚 =3mm 由测绘可得,取带宽为b=150mm。 作用在轴上的力为: 1=90 0=1.8106Mpa A=b=1503 (2-5) 得: Q=1142N2.2.4 带轮的强度校核电动机的传递功率为1.5Kw,功率在电动机和联轴器中间都有损失,若两者的效率都为0.98,则输出轴上的功率为: P=1.52=1.44kw (2-6)所受扭矩为: =172763Nmm (2-7)带轮水平方向的受力由带的张紧力引起,垂直方向的受力由自重引起,对带轮受力分析如图2-1所示。 图中:RH1=RH2=572.5NRV1=RV2=70.5NT1=T2=86138Nmm图2-1 带轮受力图Fig.2-1 Pulley force图2-2 带轮的弯矩图Fig.2-2 Pulley moment 如图2-2,最大弯矩处为带轮的中间截面处,次数弯矩为:MHmax=RH75=572.575=42937.5Nmm MVmax=Rv240=70.5240=16920Nmm (2-8)计算弯矩为:Mca= = = 113467.41 (2-9)弯矩截面系数为: W=0.1d(1-4) =0.11203(1-0.884) =69172.64 (2-10)故所受弯曲应力为: 因此安全。2.2.5 轴的设计及校核1 材料的选择在一般温度下工作及其廉价性已经轴的直径小选用45钢。 2 求轴上的受力及弯矩、扭矩 分析轴上的受力由带的张紧力和零件的自重产生,带的张紧力作用在带轮上,而带轮以反作用力的形式作用在与轴相配合的挡板上产生了水平方向的受力,而零件的自重产生垂直面内的力。 RV1=RV2=120N RH1=RH2=572.5N RV1=RV2=70.5N RH1=RH2=572.5N3 初步确定轴上最小直径选取材料为45号钢,调质处理。根据表3-1取A0=112,于是得 (2-11) 输出轴的最小直径处即图中轴-处安装联轴器处,取d=28mm。表2-1 轴的常用材料及其机械性能Table 2-1 The shaft and mechanical properties of commonly used materials材料编号热处理毛坯直径mm硬度HBS抗拉强度极限B屈服强度极限 S弯曲疲劳极限 -1剪切疲劳极限- 1许用弯曲应力-1备注MPaQ235-A热轧或锻后空冷100400-42022517010540用于不重要及受载荷不大的轴100-250375-39021545正火回火100170-21759029525514055应用最广泛100-300162-217570285245135调质200217-2556403552751556040Cr调质100241-28673554035520070用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴100-30068549033518540CrNi调质100270-30090073543026075用于很重要的轴100-300240-27078557037021038SiMnMo调质100229-28673559036521070用于重要的轴,性能近于40CrNi100-300217-26968554034519538CrMoAlA调质60293-32193078544028075用于要求高耐磨性,高强度且热处理(氮化)变形很小的轴60-100277-302835685410270100-160241-2777855903752204选用联轴器型号 联轴器计算转矩为: Tca=KAT (2-12) 查表2-2表2-2 工作情况系数Table 2-2 Work coefficient工作机KA原动机分类工作情况及举例电动机汽轮机四缸和四缸以上内燃机双杠内燃机单缸内燃机转矩变化很小,如发电机、小型通风机、小型离心泵1.31.51.82.2转矩变化小,如透平压缩机、木工机床、运输机1.51.72.02.4转矩变化中等,如搅拌机、增压泵、有飞轮的压缩机、冲床1.71.92.22.6转矩变化和冲击载荷中等,如织布机、水泥搅拌机、拖拉机1.92.12.42.8转矩变化和冲击载荷大,如造纸机、挖掘机、起重机、碎石机2.32.52.63.2转矩变化大并有极强烈冲击载荷,如压延机、无飞轮的活塞泵3.13.32.84.0考虑到转矩变化很小,故取KA=1.3 Tca=KAT=1.3172763=221591.9Nmm (2-13) 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查取手册由GB 5014-85,选用GY4型凸缘联轴器,其公称转矩为2240000Nmm,半联轴器长度为47mm,半联轴器与轴配合的毂孔长度为44mm。5初步选定滚动轴承。因为轴的最小直径为28mm,为配合联轴器,查表2-3选取型号为6206的深沟球轴承,其尺寸为:dDT=30mm62mm16mm。表2-3 轴承的规格Table 2-3 Bearing Specifications国内新型号国内旧型号轴承类型内径外径宽度CrCor重量OPEN2RS(mm)(mm)(mm)(kN)(kN)(kg)625-2Z80025625625-2RS517.50.6740000490000.005626-2Z80026626626-2RS62.61.0535000430000.0081627-2Z80027627627-2RS73.31.3531000370000.013628-2Z80028628628-2RS83.351.428000350000.0186200-2Z8020062006200-2RS103095.12.380.036201-2Z8020162016201-2RS1232106.823.050.046202-2Z8020262026202-2RS1535117.653.720.046203-2Z8020362036203-2RS1740129.584.780.066204-2Z8020462046204-2RS20471412.86.650.16205-2Z8020562056205-2RS255215147.880.126206-2Z8020662066206-2RS30621619.511.50.196207-2Z8020762076207-2RS35721725.515.20.276208-2Z8020862086208-2RS40801829.5180.376209-2Z8020962096209-2RS45851931.520.50.426210-2Z8021062106210-2RS5090203523.20.476211-2Z8021162116211-2RS551002143.229.20.586212-2Z8021262126212-2RS601102247.832.80.776213-2Z8021362136213-2RS651202357.2400.986214-2Z8021462146214-2RS701252460.8451.046215-2Z8021562156215-2RS75130256649.51.186216-2Z8021662166216-2RS801402671.554.21.386217-2Z8021762176217-2RS851502883.263.81.756218-2Z8021862186218-2RS901603095.871.52.26219-2Z8021962196219-2RS951703211082.82.626 轴的结构设计 1) 根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 由带轮长宽可知:-段直径为120mm,长度为150mm。为防止皮带从轴上滑出,需在的左侧和的右侧设计一个挡圈,其内劲为95mm,外径为145mm,厚度为7mm。 根据前面选取的轴承可得,-的的直径为30mm,长度为16mm。同理,-直径为30mm,长度为16mm。 因为轴承用轴承座定位,根据轴承型号,选取型号为1506的轴承座。根据尺寸可知,轴承座一端面到轴承的同一端面距离为22mm,为使轴承座不碰到-段,故设计-轴的长度为27mm。因为轴承一端需要用轴肩定位,所以-需要造出一轴肩,故取-直径为34mm。同理可得,-直径为34mm,长度为27mm。 因为半联轴器长度为44mm,又因为轴承座一端面到轴承的同一端面距离为22mm,为了不影响轴和联轴器的正常工作,设计联轴器和轴承座之间的距离为2mm,所以设计-长度为68mm。为了配合联轴器的孔径,设计-直径为28mm。综上所述,可以画出轴的示意图如图2-3所示。同样的方法和原理,可以得到运动台另一端从动轴如图2-4。因为从动轴的受力比主动轴小,所以不再做校核。图2-3 主动轴Fig.2-3 Drive shaft 图2-4 从动轴Fig.2-4 Driven shaft7校核轴承的静载荷轴承在运动中仅受径向力,由于带的张紧力而使轴承承受的力为2700N,由于带轮的自重而使轴承承受的力为120N,因此轴承承受的合力为 (2-14) 因为轴承在运动中承受的为冲击力不大的普通载荷,因此,S0=2, S0P=2589.94=1179.88N (2-15) 而我们选用的轴承的基本额定静载荷为11.5KNS0P,因此静载荷满足条件。8计算轴承寿命因为我们所选的轴承为球轴承,所以=3计算。计算如下: =476.6106h (2-16)轴承采用轴承座定位,轴承座型号为1506。 9键的选择及校核电动机和联轴器及联轴器和输出轴之间都需要用键固定。联轴器与输出轴的键按-段轴径,查表2-4得键的截面尺寸为bhl=10850,采用圆头平键。电动机与联轴器的连接采用的平键尺寸为bhl=8735,采用平键头。键、轴、毂的材料都是钢,由表2-5查得许用挤压应力为p=110Mpa。对键校核如下:1)对电动机的轴用键进行校核:其长度为35mm,为平键头,为此工作长度为35mm,k=0.5,h=4。由公式得: =85.7Mpap (2-17) 2)对输出轴与联轴器连接键进行校核。其工作长度为:l=L-b=50-10=40,k=0.5,h=5。由公式得 =45Mpa1.5 (2-38) 故可知截面左侧安全3校核截面左侧 抗弯与抗扭截面系数按表2-7中的公式计算 W=0.1d3=0.1523=14060.8 WT=0.2d3=28121.6 M=132430.6Nmm (2-39) 弯矩及弯曲应力为 T=144000Nmm =5.12Mpa (2-40) 过盈配合处的K/由表2-8,由插值法查取 并取 K/=0.8K/ (2-41) 于是得 轴按磨削加工,由附图2-8得表面质量系数为 =0.92 故得综合系数为: (2-42) 所以在危险截面右侧的安全系数为: (2-43) 所以截面左侧安全。 表2-7 抗弯、扭转截面系数计算公式Table 2-7 The torsion of bending and section coefficient calculation formula表2-8 零件与轴过盈配合处的k/值Table 2-8 Shaft parts with interference fit the k/ value直径d/mm配合/Mpa4005006007008009001000120030H7/r6H7/k6H7/h62.251.691.462.501.881.632.752.061.793.002.251.953.252.442.113.502.632.283.752.822.444.253.192.7650H7/r6H7/k6H7/h62.752.061.803.052.281.983.362.522.183.662.762.383.962.972.574.283.202.784.603.453.005.203.903.40100H7/r6H7/k6H7/h62.952.221.923.282.462.133.602.702.343.942.962.564.253.202.764.603.463.004.903.983.185.604.203.64注1)滚动轴承与轴配合处的值与表内所列配合的; 2)表中无相应数值时,可按插值计算。2.2.7 张紧螺栓的选用及校核1选择螺栓直径选择螺栓材料为Q235,性能等级为4.6的螺栓,由表5-9查的材料屈服极限为S=240Mpa,由表5-1查得安全系数为S=4,故螺栓材料的许用应力为: (2-44) 螺栓所受应力为2700N (2-45) 按国标5783-86,选用全螺纹六角头螺栓,选用螺纹公称直径为d=12mm。 2 校核螺栓所需的预紧力是否合适 参考式5-2,对碳素钢螺纹,要求 Qp(0.60.7)SA1 (2-46) 已知 取预紧力下限为: 0.6SA1=0.624080.214=11550.8N 要求的预紧力为Qp=2700N,小于上值,故满足条件。2.3 本章小结本章节着重介绍了各系列零件的设计与校核,频繁的查表与选用以及绘图凸显出了设计的精确度,各方面的校核体现了设计的严谨性,以及设计知识的广泛性。3 实验台具体单元设计3.1运动台架的设计1材料的选择选用Q235钢作为台架材料,Q235钢有一定的抗腐蚀性,易焊接,且价格低廉,比较适合作为台架的选择材料。2形状和尺寸的确定图3-1运动台架的结构简图Fig 3-1 Frame table structure diagram台架长:1980mm;宽:260mm;高:750mm;腿长:710mm;腿连接板长:1750mm。考虑支架的重量不易移动,在支架的腿下安装滚轮方便支架移动,同时滚轮拥有制动功能以及台架横竖的焊接增加了台架的稳定性。3.2 电动机架的设计1初步确定机架的形状和尺寸图3-2 电动机架形状Fig 3-2 Motor frame shape长:432mm ;宽:200mm; 高:700mm2根据机架的制造数量、结构形状和尺寸大小,初定制造工艺。由于是非标准设备的单件机架、机座,可采用焊接代替铸造。3 分析负载情况,负载包括机架上的设备重量,机架本身的重量,设备运转的动负载等。作用在设备上的载荷一般分为三类:基本载荷、附加载荷和特殊载荷。先仅有基本载荷,即自重力PG级设备运行时产生的动载荷Pd。4 确定结构的形式5 结构简图3.3 喷头移动组合台架的设计3.3.1 喷头的横向固定性图3-3 喷头架横梁Fig 3-3 Multifunctional bench图3-4 喷头架Fig The nozzle frame由俯视图可知喷头的横向位子上有一排圆形轨道,喷头旁接的电磁阀有螺钉紧固设置,可以通过垫圈和螺钉把喷头固定在圆形圈内,竖直的方位的喷头同样如此,可以保证了喷头的竖直方向在同一直线上,同时也保证了喷头可以移动,增大了喷头的横向位子的灵活性。图3-5 喷头与电磁阀的配合Fig 3-5 With nozzle and solenoid valve图3-4的喷头通过电磁阀的脚爪和螺栓稳固在多功能台架上,使得喷头稳固。 3.3.2 喷头的纵向移动性图3-6 喷头台架Fig 3-6 Nozzle bench与喷头的左右移动相同,如图3-5,可以通过调节多功能台架的螺栓的松紧来带动横向支架纵向上的移动,通过此纵向移动可以根据模拟运动上的施药对象的大小进行位置上的调整使得喷施药液更加精确,同时配合电磁阀根据接受有无靶标进行喷与不喷,也节省了大量的农药。3.4 摄像头的多方位拍摄改进设计图3-7 摄像头效果图Fig 3-7 Camera renderings图3-8 摄像头的地理分布图Fig 3-8 The geographical distribution of camera1:摄像头 图3-7中摄像头是用于拍摄施药对象。图像采集装置由CCD摄像头、图像采集卡、PC机组成。摄像头放置于喷头的喷施方向,镜头与树叶同高,其基线与传输带运动方向垂直。其中通过支架的结构设计,如图3-6,可以通过调节支架的高度来实现摄像头高度的改变,从而使得摄像头的多方位拍摄。 3.5 变频器调控板的安放设计图3-9 总装图Fig 3-9 Assembly diagram如图3-8所示,变频器调控板设计并安放在发动机的侧边,一方面可以方便连接,另一方面符合人机工程学,方便人调控,此外,变频器调控板放在此侧也增加了安全性,避免了被药液的喷洒。3.7 本章小结本章节介绍了精确对靶施药室内测试系统各类零部件的改进设计,根据室外的施药情况进行室内的模拟改进,喷头支架,摄像头支架灯设计,使得实验更加精确环保,各类位置的优化不仅保护了机器而且使得操作者更加适应操作。4 药液的回收利用设计4.1 利用泵实现药液的循环利用如图3-9所示,药液盛放在药液存放器中,泵经管从药液存放器中抽取药液,再经过喷头喷向施药目标,药液在喷洒的过程中落入药液存放器中,如此形成了一个循环,不仅节约了药液同时保护了环境。4.2 集水容器的设计处理实验后药液 图3-10 回水收集装置实验后药液在药液存放器中,通过下口收集到集水容器中进行药液的回收处理,经济实惠,同时有利于保护环境。4.3精确对靶施药室内测试系统功能的实现精确对靶施药室内测试系统功能的实现由以下几部分组成:运动模拟装置、图像采集装置、自动精确施药装置。同时加以PIV和激光粒度仪来分析药液喷洒液滴的情况。运动模拟装置:首先传输带模拟运动试验台用于模拟施药过程中施药器械与施药对象之间的相对运动,同时便于机器视觉系统采集到连续目标的运动图像。在传输带上安装了树叶以模拟树木,同时传输带的颜色应避免绿色从而影响实验数据,矢量变频器调速器来完成工作台的启动与调速。图像采集装置:图像采集装置由CCD摄像头、图像采集卡、PC机组成。摄像头连同三脚架放置在距离传输带30cm处,镜头与树木同高,其基线与传输带运动方向垂直,采集卡插在PC的PCI插槽上,卡上的视频复合端子接受CCD摄像头采集到的模拟视频信号,并将信号数字化供系统后续使用。当传输带带动树叶转动时,配合开发的软件,机器视觉装置便可以采集到连续的树叶运动图像。自动精确施药装置:自动精确喷施装置是由单片机、喷雾台架、喷头系统等组成。将若干喷头放置在喷雾架横梁上,以此来测试图像处理和喷雾决策结果的正确。其中,每个喷头由一个二位二通电磁阀来控制其开闭。电磁阀的控制信号由单片机的I/O端口提供。喷头连头电磁阀和继电器安装在同一个盒子上,如图3-8为喷头控制原理图。图3-8喷头控制原理图Fig 3-8 Nozzle control principle diagramPIV:即粒子成像测速技术,测量喷洒药液液滴速度。激光粒度仪:根据光学衍射和散射的原理,从激光器发出的光束经显微镜聚集,针孔滤波和准直后,变成直径约10mm的光束,改光束照射到待测颗粒上,就发生了散射,散射光经傅里叶透镜后,照射到光点探测器上的任一点都应对应某一确定的散射角光电探测器阵列由一系列同心环带组成,每一环带是一个独立的探测器,能将投射到上面的散射光线形的转换成电压,然后送给数据采集卡,该卡将电信号放大,再进行AID转化后送入计算机。其作用即为测量颗粒大小,在此是测量液滴的大小。4.4 本章小结本章节是以绿色为主题,根据环保而改进,药液的回收不仅环保,而且经济,药液周径的收集确定了回收装置的初步形状从而可以进一步改进设计,同时阐述了该测试系统的运行及原理。5 主要研究结论及进一步研究建议5.1 主要研究结论精确对靶施药室内测试系统以实验室环境中的实验模型为研究对象,模拟林木病虫害防治农药喷雾的真实情况,分析和探索了在自然环境中基于实时视觉传感技术的农药精确喷雾的可行性和效果。建立了一套图像处理算法,并依此为依据做出决策来控制喷头来控制农药的精确喷雾。对施药过程中的运动模拟、树木图像采集、图像分割、施药决策、喷雾执行等方面作了深入的探讨与研究。 第一章对精确对靶施药的概念及其研究背景和发展趋势,让我们认识精确对靶施药研究的未来发展带来的优势,精确对靶施药内容的阐述让我们认识发展方向确定发展的道路,让我们努力学习,为以后的研究奠定知识的基础。 第二章介绍了各系列零件的设计与校核,频繁的查表与选用以及绘图凸显出了设计的精确度,各方面的校核体现了设计的严谨性,以及设计知识的广泛性。第三章阐述了精确对靶施药室内测试系统各类零部件的改进设计,根据室外的施药情况进行室内的模拟改进,喷头支架,摄像头支架灯设计,使得实验更加精确环保,各类位置的优化不仅保护了机器而且使得操作者更加适应操作。第四章根据环保而改进,药液的回收不仅环保,而且经济,药液周径的收集确定了回收装置的初步形状从而可以进一步改进设计,同时阐述了该测试系统
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