（机械电子工程专业论文）车载包装粮自动扦样机的设计与研究.pdf

四川大学硕士学位论文车载包装粮自动扦样机的设计与研究机械电子工程专业硕士研究生朱志鹏指导教师袁中凡当前粮食扦样存在诸多问题，如工作繁重、重复劳动频繁、人力配备过多、扦样对象有限等等。随着企业竞争的日益激烈，降低成本、提高工作效率是增强竞争能力的重要手段。储粮企业“扦样难 的问题日显突出，迫切要求推出一种新型扦样设备来解决这些难题，这就要求新型设备具备一定的自动化和智能化。本文所研究的车载包装粮自动扦样机正是针对当前粮食扦样的各种不足而设计的，是一套能适应当前扦样需求的机电设备。它融合了机械设计、材料力学、液压传动、p l c 控制、图像识别及软件开发等多重技术。本文所研究的扦样机已经应用于某些储粮企业，与以往的扦样技术相比，扦样对象得以拓展，扦样范围得以扩大，扦样效率得以提高，体现了技术创新的特点。本文的主要研究成果如下：( 1 ) 根据典型机电设备的特征，提出了由三个子系统构成车载包装粮自动扦样机的体系结构，并对监控系统进行了重点研究：( 2 ) 根据三维动作的运动特征，从塔吊结构衍生出扦样车、扦样杆和扦样臂三个运动部件结构，满足了扩大扦样范围的要求，并根据各部件的具体情况，配备了相应的动力驱动方案；( 3 ) 根据扦样机运动速度的要求，设计了一套液压系统原理，实现了速度可调和往返速度一致的功能；( 4 ) 设计了一套从位图提取待测车辆车厢范围的处理流程，论证了车厢中心点与扦样臂旋转定位角度的关系。中心点的提取为自动定位功能提供了前提条件，解决了本系统中最关键的问题；四川大学硕士学位论文( 5 ) 应用p l c 作为主控器件，设计了上下位机结构的监控系统。实现了手动扦样和自动扦样功能，并以p l c 为中心提供了丰富的人机接口，如触摸屏、遥控器等，适应了室内室外操作的要求；( 6 )以s u a lc + + 为开发工具，结合m i c r o s o r 的m s c o m 控件实现了上位机与p l c 的通信，并制定了一套数据交换协议；结合v f w 函数库，实现了视频监视功能。通信、协议、视频监视和图像识别四模块构成了一套完整的监控软件。关键词：扦样机液压系统p l c 触摸屏图像识别s 吼lc + + 视频监控i id e s i g na n dr e s e a l l c ho fa u t o m a t i cs a m p l e rf o rp a c k e dg r a i l ll o a d e db y7 i h c ks p e c i a h 哆m e c h a 们i l i c se n g i l l e e r i n gp o s 咖d u a t ez h uz h i p e n gs u p e r v i s o ry 啪：乙h o n g f a na b s t 豫c tt h e r ea r em a n yp r o b l e m si nc u r r e n ts 锄p l i n gp r o c e s s i n g ，s u c h 弱h e a v ) ，w o 心c o 幽u a lr e p e a l i n gw 0 比o v e 僦1m 姐p o w c r 孤dl 袖e ds 锄p l i n go b j e c t s a l o n gw i t hd r a s t i c a l l yc o m p e t i n gb e t w e e nc o 和r a 【t i o n s ，t 0d e b a s ec o s ta n de n h a n c ee m c i e n c ya r ei m p o r t 趾tm e a s u r e sf o ra d v a n c i n gc o m p e t i n ga b i l i t y t h ep r o b l 锄，d i 伍c u nt 0s 锄1 p l i n g ，i si i l c r e a s m g l yo b v i o u ss ot h a tan e ws a m p l e r ，w m c n1 sp r o v i d e d 、) 、，i ma b i l i t ：i e s0 fa u t o m a t i z a t i o na n d 砒e l l i g e n t i z e d ，n e e d e dt os o l v et 1 1 ep r o b l e m sf o rt h o s eg r a i ns t o 迥g ec o 叩o r a t i o i l s a u t o m a ：t i cs a m p l e rf o rp a c k e dg r a i l ll o a d e db yt m c k ，、 ，：h i c hi sa j m e dt or e m o v el 血i t a t i o n s 证c 硼哈n tg r a i ns a m p l i l l g ，i sa i le l e c t r 0 - m e c h a l l i c a le q u l p m e n ta 1 1 dn1 sc o m p o s e d0 fs e v e r a ls h l l si n c l u d i n gm e c h 锄i s md e s i 口，m a t e r i a lm e c h 锄c s ，t l u l d嘶v e ，p l cc on 仃i d l ，i m a g ei d e n t i f i c a t i o n ，s o 胁a r ed e v e l o p m e n ta 1 1 de t c lh es 锄p l e r sh a v eb e e nu s e di ns o m e 咖s t o r a g ec o 唧r a t i o n s ，a i l dm c a n l a t et n ec h a r a c t e r so ft e c h n i q u ei n n o v a t i o nc o m p a r e dw i t ho l ds i i i m a rd e “c e ，f o re x a n 叩l ei n c r e a s i n gs a n 叩l i n go b j e c t ，e n l a r g i n gs 锄p l i n gm g ea n da d v 锄c m gs 锄p l m ge m c i e n c y t 量l em a i np r o d u c t i o n so ft h i st h e s i sa sf o l l o 、v i n g s ：( 1 ) a c c o r d i n gt ot h er 印r e s e m a t i v ee l e c t r o - n l e c h a n i c a le q u i p l e n t ，t h r e es u b s y s t e m sc 。n f i g u r a t i 。ni sp u tf o r 、a r d ，a n dt h em 。n i t o ra 1 1 dc o 曲r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e de m p h a t i c a l l y i i i四川大举硕士学位论文( 2 ) a c e o 祀j n g 幻翻e e d i m 翰s i 激a lm o v e 搬e n l 荫撇c t e f s ，s 锄p l i 鹅e 题s a n l p l i l l gp o l ea 1 1 ds a 玎印l i n g 煳s t m c 伽r e sa r ed e r i v e d 抒o mt o w c rc r a l l es oa st 0赋i s 每也e 咎蛰e s lo f 嘲鹕i 耀；s a 叫i 瑚；凇g e t h ee o 嚣e s p o n 篷n g 弘耀嚣强弛gs c h e m e sa r ed e s i g n e d ( 3 ) a c c o 砖i n g 幻也ef e q s lo f 捌髑l i n g 印e e d ，a 坶出黼l i es y s 捻mi sd e s 谤抟ds o 她tt l l es p e e dc a nb ec h a n g e da i l dt l l er e c i p r o c 撕n gs p c c di sc o n s i s t e 北( 4 ) af l o wo f p i c 妇玛u pc 枷a g ea r e a 舶mb i 鼬a pi sd e s i g n e d ，a n dt h er c l a 垃o nb e 批e e nc a r r 主a g ec e n t e f 锹l ds 锄p l i n g 锄积e n 伽。娃a l l g l ei sd 锄o l l s 协童t e d f o u n d i i l g 也ec 锄t e ri sm ep r e c o n d i t i o no fa u t o m a t i cf i x i n gl o c a t i o n ，s 0t h ep i v o t a l即b l e mo f 越ss y 蹴腿i ss o 知e 矗( 5 ) t h em o 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g、四川大学硕士学位论文独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或者证书而使用过的资料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。本学位论文是本人在四川大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。导师躲砉7 恐学生签名：芥穆2 0 0 7 年5 月6 7四川大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论我国的粮食机械制造始于建国初期，早在1 9 6 8 年，国内第一台“重力谷糙分离机”在襄樊诞生，为国内粮食机械的发展打开了局面。随着制造业的迅速发展和竞争的日益激烈，越来越多的先进技术运用到粮食机械的生产研制中【1 】豳j ，而机电一体化技术是机械设备发展的必然趋势，它将机械技术、电子技术、检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术和计算机技术等多种技术集于一体【2 】，其中自动控制技术尤为重要，表现为设备的自动化和智能化，极大的提高生产率，而提高生产效率正是研发先进设备的核心导向。我国的粮机行业通过2 0 年来的引进、消化、吸收国外的先进产品，提高了国产粮机的整体水平，缩短了与国外先进产品的差距，取得了可喜的成绩。但由于种种原因，我国的粮机创新技术还面临着严峻考验，突出表现为技术创新体系不完善，企业技术创新能力不足，缺少自主知识产权，以模仿为主，除个别产品外，技术水平低下。所谓技术创新，其概念是广义的，可以表现为：( 1 ) 降低成本。包括硬件设施成本的降低，以及管理和人工费用支出等软件成本的降低。如郑州金苑面业有限公司大胆创新减少设备投入和占地面积，新上一条1 0 0 洲的全八锟磨粉机生产线比2 条5 0 叭的生产线节约生产投资6 0 左右，且大大减少厂房占地面积【3 1 。( 2 ) 引进开发新产品。如中央储备粮某直属库引进二维自动扦样机，有效地解决了人工扦样费时费力的问题，不仅提高了扦样效率而且节省了人力资源。( 3 ) 旧型设备改造。如成都某客车厂改造5 0 0 t 油压机，不仅解决了老设备的制动系统失效问题而且提供了新型的触摸屏人机界面，极大提高了可操作性。( 4 ) 开辟新用途。扦样机的设计初衷是针对散粮和定点扦样的，但新津某粮库将其应用到包装粮，改进后还能实现多点扦样。四川大学硕士学位论文第一章绪论粮食扦样机作为一种新兴的粮食机械，本身就是技术创新的一个体现。本次车载包装粮自动扦样机的研制则是将技术创新提高到一个更高的台阶。1 1 粮食扦样机的现状和发展趋势目前国内对粮食扦样机的研制还处于初级阶段，而且很难搜索到有关粮食扦样机的技术文章。国内仅有为数不多的几家粮食机械生产厂商有相关的产品，但功能单一，扦样对象主要为油、大米，功能上主要为定点扦样、散粮扦样等。市面上存在的这些产品大部分叫做扦样器，或叫吸粮机，见图1 1 ，本质为一个简单的吸尘器【4 】，能称得上扦样机的少之甚少，而本文设计的扦样机中，所谓的扦样器只是该系统中的一个部件。根据网上的搜索和对各粮库设备的调查，这种扦样设备没有广泛的应用到各级储粮企业的日常工作中，其主要原因在于目前的扦样机还不能达到各级储粮企业的需求。随着粮食机械的发展和储粮企业提高工作效率的要求，新型粮食扦样机一定会被大力推广使用。虽然各储粮企业对扦样机功能可能存在不同要求，但是究其根本要求：代替人工检测、提高扦样效率、操作简便和适应性强。因此对扦样机的研发主要有以下几个方向：1 ) 自动扦样；2 ) 实现多点扦样；3 ) 适应包装粮的检测；4 ) 车型识别( 图像识别) 智能扦样；5 ) 扦样数据自动存档、分析和管理；6 ) 多机监控。图1 】扦样器1 2 车载包装粮自动扦样机的研发必要性分析( 1 ) 车载包装粮食自动扦样机的研制是我国保障和提升粮食安全的要求。入库质量不仅直接影响到粮食的储存安全，如果入库质量存在问题，还会因为虫蚀、水分减量等原因造成粮食数量上的损失。车载包装粮食自动扦样机四川大学硕士学位论文第一章绪论能实现在车厢内随机扦样、复查扦样等多种扦样方式，全面地扦取汽车车厢内的包装或散装粮食，为粮食质量检测提供客观的样品。在提高入库粮食检测时间，减少检测误差，防止质量舞弊方面，能发挥有效作用。车载包装粮食自动扦样机是提升粮库检测水平，是保证粮食入库质量的新型检测仪器。( 2 ) 车载包装粮食自动扦样机的研制是适应粮食购销形势变化的要求。随着粮食流通体制改革的进一步深人，粮食购销企业直接向农民收购的粮食数量越来越少，一大批粮食购销企业的从业人员充实了粮食经纪人队伍，一方面促进了粮食收购市场的多元化发展，另一方面也为储粮企业的粮食入库工作带来了困难【2 7 1 。大型粮食收储企业在粮食收购中的主要对象仍是粮站、个体户等粮食中间商。中间商向农户收购后通过汽车运输再集中交售给粮食储备企业。由于在我国汽车运输粮食主要是包装运输，而限于现有的扦样设备无法对3 4 米高的粮袋包装进行扦样，因此粮库在入库时对“夹心粮”的识别除卸粮时进行现场监督外还没有一个行之有效的办法。即使在卸粮中发现质量问题后再拒收，仍然会给交粮客户和企业都带来时间和经济上的损失，而且与客户容易产生纠纷。车载包装粮食自动扦样机可以在卸粮前对整车粮食进行综合扦样，客观地反映粮食质量，有效地避免纠纷的发生。尽量为客户着想，是适应粮食购销形势变化，为储备粮轮换创造良好市场声誉的必然趋势。( 3 ) 车载包装粮食自动扦样机的研制可以有效地为粮食收储企业节约人工费用，降低劳动强度。为防止“夹心粮”入库，在入库过程中现场监督要求做到每包扦样，感官鉴定，因此对监仓人员来说工作量是相当大的，工作环境也非常差。如中途拒收后客户有争议，还需重复扦样检测，这样又增大了化验员的劳动量。为保证入库质量，各承储企业不得不配备大量的人力物力，如中储粮某直属库要求每仓2 人监仓，1 人扦样：四川渠县某库甚至配备了多达7 人的专职现场检测人员。如何在减少人员的情况下满足质量管理要求是承储企业面前的一个重要课题。而车载包装粮食自动扦样机的研发就可以有效减少扦样人员和现场监仓人员的数量并且提高工作质量，是一个很好的解决方案。本次研制的车载包装粮自动扦样机是在前期二维扦样机( 已经由某直属库申请专利) 的基础上进行重大改进而研制的，应用了更先进的技术来实现多功能性和通用性。四川大学硕士学位论文第一章绪论1 3 论文主要内容本文从车载包装粮自动扦样机的总体方案到具体实现进行了阐述。主要的研究内容如下：( 1 ) 为扦样机的扦样车、扦样杆、扦样臂三个运动部件选择了合适的结构方案；( 2 ) 为扦样机配备了动力系统，针对各执行机构提出了驱动方案并比较确定最佳方案；( 3 ) 对扦样机的关键技术自动定位进行了重点论述，核心在于待测车辆的车厢范围识别；( 4 ) 重点研究分析了扦样机的监控系统，实现了分级监控，提供了丰富的人机接口，方便了用户操作，并且适应了室内操作和室外操作；( 5 ) 应用p l c 作为核心控制部件，根据动作流程编制扦样程序；应用t p l7 0面板，设计了触摸屏的监控界面；( 6 ) 应用s 砌c + + 为上位机编制了监控操作软件；( 7 ) 提出了更加精确的扦样定位方案；、( 8 ) 提出了多机联网监控方案。4四川大学硕士学位论文第二章车载包装粮自动扦样机总体方案设计第二章车载包装粮自动扦样机总体方案设计2 1 功能需求分析( 1 ) 扩大待检测车辆的停放范围或扦样范围在过去研制的扦样机和市面上已有的扦样机中，都或多或少的存在待测车内任意旋转，即扦样范围是一个图2 1 扦样范围示意图9 0 0 扇形区域，其半径为3 米。在扦样范围内，待测车辆可以任意停放。( 2 )自动定位扦样点待测车辆只要停放在扦样范围内，扦样机可以自行识别车框位置，将扦样臂自动旋转到待测车辆的正上方。目前市面上的扦样机还没有这种功能。( 3 ) 提供多点自动扦样策略一般扦样机的常规操作都是先选择好待测点，再下放扦样杆提取样品。待测点由人工选取，扦样杆的动作也是由人工启动。在这种人工干预的情况下，扦样效率的提升并不明显，而且采样点的选取具有个人主观性。本次设计提供了自动扦样功能，可以在一条线段上进行等分间距多点自动扦样，其示意图如图2 2 ：四川大学硕士学位论文第纛章车载包装粮自动扦样机总体方案设计知67弋7狂搓扦导管接外部 提供丰富熬人机接嗣，适应室内操作和室井操 乍的要求室内操作，要求控制系统与扦样机的工作现场分离，采集的样品可以在室内收集；室外操作，允许操作人员到工作现场对控制系统进行远程遥控；( 6 ) 提供操作软件要求该软件能显示现场的工作情况，可以控制机构动作，能够完全替代其它操作设备。2 。2 总体方案设计车载包装粮自动扦样机具备一定的自动化和智能化，属于典型的机电体化设备。个完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、6四川大学硕士学位论文第二章车载包装粮自动扦样机总体方案设计动力与驱动部分、检测部分、执行机构、控制及接口部分【2 8 1 。基于此类特征，本论文将扦样机分成三大模块，即动力系统、机械系统和监控系统，分别进行了分析和设计，三者之间的关系如图2 3图2 3 扦样机系统模块图1 动力系统直接驱动机械系统；2 机械系统的微观信息由行程开关和轴角编码器确定，由p l c 接收这部分信息；宏观信息由摄像头捕捉，由p c 机接收；3 对于自动扦样，动力、机械、检测装置、p c 和p l c 五者构成闭环系7四川大学硕士学位论文第二章车载包装粮自动扦样机总体方案设计统，将自动调节动力系统；4 对于手动模式，操作员通过人机接口直接实现点动控带旷：亦可通过p c机上的操作软件进行控制；5 视频观察的对象是机械系统，图像识别的对象是待测车辆；6 p l c 控制电磁阀的换向、各电机的正反转和启停。在自动化和智能化设备中，各环节必定构成闭环结构。在系统功能关系图中，可以看到有多路闭环结构，这样使得监控方式多样化，当然整个监控系统也变得最为复杂。该监控系统主要由人机接口、p c 机、p l c 和检测设备构成，可以细分为三个子监控系统。底层监控，“监，- 一监视机械系统，“控，- 控制动力系统，p l c 是中间桥梁。外围监控，“监_ _ 一监视视频图像，“控_ _ 控制人机接口，人是中间桥梁。高层监控，“监- 一监视机械系统，“控_ _ 控制p l c ，p c 机是中间桥梁。三者本质上监视的都是机械系统，控制的都是动力系统。外围监控和高层监控两者可以互补，其一损坏，设备仍可以正常运转。2 3 技术与系统车载包装粮自动扦样机的设计包含了结构设计、材料力学、液压传动技术、p l c 控制技术、传感器检测技术、图像识别技术和软件技术，它的涉及领域比较广阔，各技术之间相互融合连接，构成了各个子系统，从而构成整机功能。论文研究的重点是监控系统，而监控系统中，扦样机自动定位待测车辆位置是研究的难点。这部分的设计需要用到的关键技术有：( 1 ) 视频捕捉技术；( 2 ) 图像识别技术；( 3 ) 上位机软件开发及其与p l c 通信技术。2 4 本章小结本章针对车载包装粮自动扦样机的功能需求，提出了总体方案。简要分析功能模块后，重点论述了监控系统的特征，最后提出了论文的研究重点和难点。8四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计第三章机械结构设计本文研究的车载包装粮自动扦样机在粮食机械中属于新产品，尚无现成的扦样机产品可借鉴。依照扦样机的三维运动特征，类似的两种典型的设备就是生产车间常用的行车和建筑工地上的塔吊，而扦样机与这两种设备的不同之处在于z 向上的负载方向不同。经过实际分析和反复论证，最终成型的扦样机总体结构三维效果图如图3 1 ，整套装置外形类似塔吊，总高约5 米，扦样臂距离地面高约4 米，总长约图3 1 扦样机总体结构三维模型4 米，扦样小车行程约3 米。小车可以在轨道上滑行，扦样杆通过辅助托板固定在小车上，可以沿辅助托板上下运动。扦样臂可以绕转轴旋转，最大旋转角度9 0 0 。摄像头1 布置在液压缸尾部，随扦样臂旋转，用于捕捉三个运动机构的运行情况。摄像头2 布置在托台的下方，垂直向下照射，保证9 0 0 扦样范围都在照射区内，用于捕捉待测车辆。9四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计3 1 核心结构设计3 1 1 扦样小车驱动设计在以前的二维扦样机中，扦样车的驱动采用了电机加钢丝绳的结构。如果从动力这个角度出发，扦样车还可以选择液压缸驱动的方式。方案一，如图3 2 ，在扦样臂的转轴处安装一个电机，该电机固定在扦样臂上，可以随扦样臂一起旋转。其中一根钢丝绳的一端固定在电机主轴上，经过缠绕后通过定滑轮再固定在小车的一端；另一根钢丝绳的一端也固定在图3 2 扦样车电机驱动示意图电机主轴上，经过缠绕后直接固定在小车的另一端。经过这种连接后，电机的旋转就会使其中一根钢丝绳不断缠绕，而另一根则不断放出。钢丝绳的运动导致了小车的运动，电机的正反转对应了小车的前进和后退两种运动状态。由图3 2 可知，工作条件是钢丝绳必须张紧，绳长约6 米。它的主要优点在于：( 1 ) 为p l c 的控制提供了方便，只需要控制电机的正反转就能实现小车前进后退；( 2 ) 小车的行程可以比较大，钢丝绳可以很长；( 3 ) 整套硬件设施的费用较低，安装调试也比较简易。其缺点也比较突出：( 1 ) 整个钢丝绳在工作过程中长度是保持不变的，而且处于张紧状态。但是当小车运行到左右两个极限位置后，在电机主轴上相应的出现一根钢丝绳完全放出另一根完全缠绕，如果此时出现钢丝绳缠绕重叠( 这种情况的出现具有随机性) ，那么另一根完全放出的钢丝绳必然变的更加张紧，当达到极限张紧程度后就会断裂，其后果就是整条钢丝绳报废。在过去设计的二维扦样机中，这1 0四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计种故障出现的比较多，也不容易解决。( 2 ) 整个电机要安装在扦样臂上，而电机的重量相对于液压缸要重得多，这样整个机构的自重也就变大，相应使得旋转时要克服的摩擦力也更大。方案二，如图3 3 ，在扦样臂转轴处安装一个液压缸，可以随扦样臂一起旋转，活塞杆固定在扦样小车上。此液压刚为二级液压缸，单级行程约为1 5 米，总行程约3 米。图3 3 扦样车液压驱动图这种方案最明显的优势在于：( 1 ) 液压系统作为驱动使整个系统更稳定，使小车的运行更平稳；( 2 ) 驱动结构更紧凑直观；( 3 ) 液压缸的重量相对较轻，减小了机构的自重。主要缺点在于：( 1 ) 增加了额外的工作量，因为还要相应的设计液压控制系统，泵站选择，控制阀门模块设计或选购等等；( 2 ) 装配调试相对复杂，后期维护成本相对较高；( 3 ) 小车的行程受到一定限制，液压缸的行程不能太长。比较两种方案，在经费允许的情况下，第二种方案更为可靠。3 1 2 扦样杆驱动设计扦样杆的驱动设计同样可以采用电机驱动和液压驱动两种方式。如果使用液压缸，必须将液压缸的活塞杆同扦样杆绑定，因为扦样杆必须是空心的，用于抽取待测粮食。同时考虑到扦样杆比较长，需要导向轴承，此外还需要安装阴川大学硕士学位论文第三章机械机构设计用于限谴的行程开关，使得这一系列的机械结构显得非常笨拙和复杂，而且极不容易安装。综合这些方面的考虑，最终确定用电机加钢丝绳的方式来驱动，如图3 。氛在正向投影图中，扦样杆位于小车的前方，为了表达方便该图相潞于斜视图，实际中钢丝绳的斜度不大。电机安装在小车里面，辅助托板与小车固定在一起，为了使扦样杆运动平稳，在辅助托板上焊接了两个壹线轴承。两段钢丝绳的连接和缠绕方式同扦样小车驱动方式的方案一类似。采用这种机械结构后，安装方便，运图3 4 扦样杆驱动方案示意图线轴承杼可靠，在托板的上下两处位置可以分别布置个行程歼关和一个光电开关。南于该结构没有定滑轮，外围钢丝绳长度是可变的，且行程不大，所以不容易产生重叠缠绕的现象。3 。薹。3 旋转缸结构设计为了使扦样臂旋转，比较直接的方式是选用电机作为驱动，同样考虑到安装不便和自重的原因，再者考虑到小车的驱动已经采用了液压缸，相应的要提供液压泵站，因此在这些基础上，采用可以带活动铰的旋转液压缸作为驱动，见结构总图3 1 。旋转缸的尾部需要固定一个活动铰，缸体可以绕这个铰旋转。液压缸的选型和铰的安装位置的设计是个难点，需要考虑如下因素：第一，液压缸的行程必须合适。为了满足扦样臂9 0 度旋转的要求，液压缸的行程必须足够长，但是行程太大馒褥剐体体积变大，可缝无法安装；第二，铰的位置必须位于托台范围内。如果设计的铰位置距扦样臂的转轴的距离很大，那么托台就必须设计褥缀大，摆疲的材料，体积，自重，费用等1 2四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计等负面因素的影响都会加剧。对旋转缸的设计分三部分：( 1 ) 铰位置轨迹分析设计。简化液压缸的模型，设液压缸没有行程的时候原长为s ，活塞杆全伸出的全长为2 s ，以转轴处作为坐标原点，建立坐标系，如图3 5 ：图3 5 旋转缸与铰关系模型建立如下两个方程：( 5 0 0 一x ) 2 + y 。= j 2( 5 0 0 y ) 2 + x 2 = ( 2 s ) 2联立方程( 3 1 ) ，( 3 2 ) 消去s ，得：z 2 + 1 ，2 一竺x + 塑1 ，+ 5 0 0 2 ：oz + 1 ，一一x + 1 ，+ u u = u33化为标准轨迹方程：( x 半) 2 + ( 旷掣) 2 - ( 竿压) z ( y a b又b o = c o = r所以a o + c o a b即：a c a b = 2 s亦即：在轨迹上任意一点位置确定的液压缸全行程的总长都小于a c ，所以将铰位置确定在c 点，可以获得液压缸全行程总长的最大值，从而获得液压缸的最大行程s l n 舣，推导如下：1 4霆川大学矮学位论文第三章撬搬撬誊冬设诗( 2 s ) m 戤= 么c = 么d + c os m 瓤= ( 彳d + c d )豇庐一+ 学s 燃：5 0 0 压：7 0 7 。ls 最小值计算：葶= 五罗= ( x o 一5 0 0 ) 2 + ( 夕。一o ) 2吣臌舡。一半2 咖孚烀( 半压) 2轨迹上任意一点f 设坐标为( ) ( o ，y o ) 到扦样臂尾端e 点的距离：将s 2 看成醴数s 2 ( x 0 ，y o ) 一( x o 一5 0 0 ) 2 + y 。2令要：2 ( x 。一5 0 0 ) ：o ，氰。：5 0 0 ，弦：一半( 以+ 1 ) ，则矿l ：6 0 7 6 2若令箬：2 即：o ，得x o _ 掣( 4 一万) ，p ：o ，则：，：2 7 4 3 21 y 2 ，所以s 曲= 2 7 4 3由此得出s 的取值范围：2 7 4 。3 s 7 0 7 1( 3 ) 具体选型和定位。先假定一个缸豹行程，再通过计算确定铰的位置。取s 一3 0 0 ，得x = 2 0 6 7 ，) r 6 3 3取铲3 5 0 ，得x l 努3 ，3 f 1 7 2 。2取s 叫o o ，得x _ 2 0 7 3 ，y - 2 7 2 7考虑到y 值的绝对僮对托台的大小起决定 乍用，此外y 的绝对值越大对于在转动点处用于产生力矩的有效分力越大，综合两者因素选取第二条数据比较合适。1 5渤妨固拂埘m 协p0p &四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计3 2 辅助结构设计3 2 1 轨道设计小车轨道可以采用槽钢或者钢管材料，两者决定了轨道与小车不同的连接方式。方案一，采用槽钢，则小车和辅助推板底部都应该加上轮子，如图3 7 。方案二，采用不锈钢管，用直线轴承代替轮子，如图3 8 。、蟮b 争图3 7 槽钢和轮子方案图3 8 钢管和直线轴承方案( 1 ) 按照方案一，使用槽钢后，相应的要使用使轮子来固定小车，相当于小车的运动由轮子来导向。使用这种方案的优点在于：轮子材料可以使用塑料，加工或者采购相对与直线轴承更便宜；使用槽钢轨道布置行程开关更方便。缺点在于：轮子与槽钢之间的固定程度决定了小车的运动平稳性，越松，小车运动的平稳性越差，越容易产生晃动；固定程度太紧后，虽然平稳性加强了，但轮子与轨道之间压紧力太大，使得轮子原来的滚动摩擦变成滑动摩擦，摩擦力必然变大，则消耗的功率也变大。( 2 ) 选用方案二，采用不锈钢空心钢管，相应的用直线轴承代替轮子。其优点在于：直线轴承比轮子的接触面更大( 线接触) ，所以导向性更好；直线轴承与钢管之间是滚动摩擦，摩擦阻力相对小，消耗功率也小。1 6四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计其缺点在于费用相对较高，不能在轨道上布置行程开关。经过上述各优缺点对比，选用第二种方案的优势更为明显，其缺点可以用其它方式来克服，因此选用第二种方案更为合适。3 2 2 行程开关布置小车的运动位置需要确定，扦样杆的收放状态也需要确定，因此需要布置行程开关来捕获位置信息。( 1 ) 轨道行程开关布置左吸限右圾5 乇4 己2 己t 毛图3 9 轨道行程开关示意图小车运动的左右极限见图3 9 中的l 、5 位置，必需布置两个行程开关，除了限位作用还起到安全作用。这两个行程开关可以采用顶尖式限位开关，分别布置在轨道的两头，方便安装。在图3 9 中，假设要自动扦样3 个点，如图中的2 ，3 ，4 三个特定位置，但是直线轴承要在轨道上滑过，无法在不锈钢管上安装行程开关。解决办法如下：由于1 5 之间的间隔是均匀的，扦样车速度也是恒定的，如果得到全行程的时间，那么每个特殊点的位置可以通过限制特定的运行时间来确定。在扦样过程的第一步试走全行程，可以获得往返行程的总时间t ，那么2 ，3 ，4 位置相对于右极限的走位时间分别为：t 8 ，2 t 8 和3 t 8 。采用定时器控制小车的运行从而进行定位，克服了布置行程开关的难点，省去了行程开关，从而节约了硬件成本。( 2 ) 扦样杆行程开关布置扦样杆的行程开关不能布置在杆体上，可以借助辅助托板进行安装。如图3 1 0 ，行程开关安装在辅助托板上，扦样杆的下放到位由挡块触发行程开关获取。而对于收杆的判断不能再布置挡块，因为杆底部用于插入粮袋中，所以改用光电开关的通断状态来判断收杆是否到位。扦样杆收杆和放杆时，光电开关1 7四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计的反射光一直存在，光电开关保持接通状态；当杆底部高于光电开关时则光电开关断开，此时就可以表征收杆到位了。光图3 1 0 扦样杆荇程开关示意图图3 11 光电开关最佳位置在实际应用中，光电开关布置在紧挨导向孔附近处如图3 1 1 。由于杆体比较长，离导向孔越远的地方，杆体的晃动越大。如果在这些位置布置光电开关就会由于杆体的剧烈晃动造成光电开关不可靠的频繁通断，使得定位判断失效。所以安装在紧靠导向孔附近，杆体底部几乎不再有晃动，这样使得定位更加可靠准确。3 3 扦样臂材料校核扦样臂的结构类似于梁，为了使扦样机能正常工作，扦样臂必须进行材料校核1 5 j 。当该结构没有后拉杆和配重块时，此时的结构更具有恶劣性。如果在这种情况下校核的结果符合安全性，那么在优化后的结构也是安全的。图3 1 2 中，a ：3 m ，b = 1 m ，p = 3 0 0 ，转轴处的支反力分别为f x 和f y ，前拉杆的拉力为t ，q 为均布载荷，表示单位长度钢管的自重，扦样臂的材料为热扎空心钢管。设扦样车重量为l o o 妇，则g = 1 0 0 0 n ，为使扦样臂的工作状态处于极限条四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计件，所以将小车置于扦样臂的最左端，使弯矩最大；- ib) 式墨一i4lijiilli；l 一lij i i jql x g圈 1 ，虹样辟磨书措刑扦样杆的受力为f ，f 与g 方向相反，扦样杆处于工作状态时，f 可以抵消一部分g ，所以f = 0 为扦样臂的极限工作条件，因此在校核计算中忽略f 。( 1 ) 计算均布载荷：取钢的密度p = 7 8 9 c 垅3 ，取钢管的外径d = 4 2 n 1 1 1 1 ，内径d - 3 6 m m ，则：彳2 寺万( d 2 _ d 2 ) = 3 6 8 c 所2( 3 1 3 )由g = 彳p g 得：g = 3 6 8 7 8 砌= 2 8 7 所( 3 1 4 )( 2 ) 建立平衡方程并求解：丁c o s p = n( 3 1 5 )( 参b + 丁s i n p = g + g ( 口+ 6 )( 3 1 6 )扣2 十g 口= 扣2 + 捌n p( 3 1 7 )由得：1 9四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计、昙g ( 口：一6 z ) + 丁= 兰一口s i n dq ：! 兰三! ：z 兰! ! q 9 q 望：2 0 7 6 5 3 0 5由得：风= 丁c o s p = 2 0 7 6 5 半= 1 7 9 8 3 二由得：b = g + g ( 口+ 6 ) 一丁s i n p= 1 0 0 0 + 2 8 7 4 一2 0 7 6 5 0 5 = 7 6 6 ( 3 ) 作轴力图：当0 x 9 时，钢管受压应力，大小为f x = 1 7 9 8 3 n ；当3 x g 时，钢管不受轴向力。则可以作出轴力图，见图3 1 3 。n ( n )( 3 1 8 )( 3 1 9 )( 3 2 0 )图3 1 3 轴力图( 4 ) 作剪力图：当o x s 3 时，q ( 石) = r s i n p g 一弘= 3 8 3 2 8 7 x ；当3 x g 时，q ( z ) = 丁s i n p g + b 一私= 1 1 4 9 2 8 7 x( 3 2 1 )( 3 2 2 )2 0四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计作剪力图，见图3 1 4 ：q ( n )3 8 3( 5 ) 作弯矩图：当o x 9 时，m ( x ) = ( 丁s i i l p g ) x 一丢弘2 = 3 8 3 x 一1 4 3 5 x 2( 3 2 3 )当3 x 型时，m ( 石) = ( 丁s i n p g ) x + b 一3 ) 一三孵2= 一2 2 9 8 + 11 4 9 x 一1 4 3 5 x 2( 3 2 4 )作弯矩图如图3 1 5 ：1 4 32 l四川大学硕士学位论文第三章机械机构设计【6 ) 计算抗笃截囱模量札= 吾得：0 【= 3 6 4 2 = 0 8 6( 3 2 5 )由职2 壶万d 3 ( 1 0 【4 ) 得：胍2 玄万4 2 3 ( 1 地8 6 4 ) 1 0 。6 坍3= 3 2 9 4 9 3 1 0 _ 6 聊3( 3 2 6 )( 7 ) 计算最大应力根据扦样臂的受力分析，它的应力属于组合应力。由6 = 筹+ 等隅x 锄m 处，a t = 翥斋一蒜一舰( 3 2 7 )3 6 8 l o q3 2 9 4 3 x 1 0 。6。7x 咖处一= 黑+ 蒜“8 9 舰( 3 2 8 )3 6 8 1 0 43 2 9 4 3 1 0 6、。7所以，o 懈= 4 8 9 膨p 口 中提供了支持d d b ( d e v i c ed e p e n d e n tb i 溉印设备相关位图) 操作的c b i 蛳a p 类，然而并不能直接从这个类继承构造处理位图的专用类。因为c b i 仰a p 处理的是“内部，位圈，它不具备处理d l b 结构的能力，它的数据成员和函数对c d i b 类来说都是不合适的，也是多余的，此外c b i 锄印也没提供有效的文件操作枧制。m f c 中的c o b j e c t 类是m f c 中大多数类的基类，具有最低限度的成员数据和丞数，不仅支持文件的睾行化，还能输出类信息和诊断信患。因此c d i b采用从c o b j e c t 继承【9 】，头文件如下所示。c l a s sc d i b ：p u b l i cc o 巧e c tp u b l i c ：r g b q u a d 枣嫩p r g 鹣；调色板指针b y t e 木mp d a t a ；产血图数据指针u 戳善趣纛憾晚内怒o l r s ；雄图使用的颜色数b o o lmv a l i d ；位图是否有效b i t m a p f i l e h 王、a d e rb i 瓣印f i l e h e 勰娌；位图文件头3 0四川大学硕士学位论文第五章图像识别系统b i t m a p i n f o h e a d e r 书mp b i t m a p i n f 0 h e a d e r ；位图文件头指针b i t m a p i n f o mp b i t i i l a p i n f o ；厂位图信息指针b y t e 幸p d i b ；文件头以外的数据区指针d w o i 己ds i z e ；文件头以外的数据大小c p o i n tp t l e r ；左边缘像素坐标c p o i n tp t m g h t ；右边缘像素坐标c p o i n tp t t o p ；硕边缘像素坐标c p o i n tp t b o 们m ；底边缘像素坐标p u b l i c ：c d i b ( ) ；类构造函数c d i b ( ) ；伯色析构函数c h a rmf i le _ n 锄e 2 5 6 ；位图文件名c h a r g e t f i l e n 锄e ( ) ；返回位图文件名b o o li s 、，a l i d ( ) ；判断位图是否有效d w 0 r dg e t s i z e ( ) ；返回位图文件的大小u i n tg e t w i d t l l ( ) ；返回位图的宽度u i n tg e t h e i 曲t ( ) ；返回位图的高度u 烈tg e t n u m b e 幻f c o l o r s ( ) ；返回位图颜色数目r g b q u a d g e t r g b ( ) ；返回位图颜色表的首地址b y t e g e t d a t a ( ) ；返回位图数据首地址b i t m a p i n f o 半g e t i r l f 0 ( ) ；返回位图信息结构首地址w o i mp a 】a t t e s i z e ( l p b y t el p d i b ) ；返回位图调色板大小w o r dd i b n 啪c o l o r s ( l p b y t el p d i b ) ；返回位图使用的颜色数v o i ds e t w i d t l l ( u i n tw i d t h ) ；设置位图宽度v o i ds e t h e i g h t ( u i n th e i 曲t ) ；设置位图高度v o i ds a v e f i l e ( c o n s tc s t 面gf i l e n 锄e ) ；存储b m p 位图文件v o i dl o a d f i l e ( c o n s tc h a r 牛d i b f i l e n 锄e ) ；装载b m p 位图文件v o i dg r a y d e a l ( v o i d ) ；8 位彩色转8 位灰度v o i dg m y s t r e n 舒h e n d e a l (