大蒜播种机详细设计 凸轮转移机构.doc

蒜爪转移机构 设计文档 西安巨丰湛青科技有限公司 二零一五年五月 0 文档环境文档环境 1 1 内容边界内容边界 本文说明在考虑本项目技术条件边界下 实现将运载蒜爪完成抓蒜 避让 移动 插蒜 回归等功能相关的机构 动力提供 支撑提供 泥土清除等机构的方案设计 概要设计 实 施方式 设计思想 边界耦合分析等内容 以及实现本部件的评估 价值 后续工作 测试 方案等 是实现大蒜转移机构的主要依据 1 2 词语解析词语解析 蒜爪 指本设备运载的一种将大蒜抓住并随本设备一起运动 在指定地点放开的一种执 行机构 凸轮机构是由凸轮 从动件和机架三个基本构件组成的高副机构 凸轮是一个具有曲 线外轮廓或凹槽的构件 一般为主动件 作等速回转运动或而从动件做往复直线运动 提供 一种限定了的带时间变化的直线运动机构 蒜爪转移机构 在大蒜播种机上 运载蒜爪完成取蒜 避让 移动 插蒜 回归等一系 列运动的机构 是本节设计的目标 四连杆机构 一种运动机构 能够将独立的两个方向的运动合成到一个二维空间的运动 并且运动之间保持独立 同时对驱动运动有放大作用 前后及上下 大蒜种植机运动的方向为前 否则为后 上下符合日常生活理解 1 3 目标读者目标读者 本部分的目标读者为机械设计中 设计者和管理者 在设计 制造 测试及使用服务中 均可能需要使用本文档 1 4 其他说明其他说明 本文中所有引用本部件指 蒜爪转移机构 由于采用迭代设计 因而在设计中 可能部分地方出现前面引用后面的定义结果的情况 1 5 版次及相关信息版次及相关信息 版本号 V1 1 设计者 何文华 封闭日期 2015 05 28 1 修订记录修订记录 序号修订原因修订记录执行人时间 011 1 版本封闭0528 目录 0 文档环境 2 1 1 内容边界 2 1 2 词语解析 2 1 3 目标读者 2 1 4 其他说明 2 1 5 版次及相关信息 2 1 修订记录 3 2 定义条件 13 2 1 实现的目标 13 2 1 1正确完成所有的位置和运动 13 2 1 2空间上不干涉 13 2 1 3整体性强 13 2 1 4保证适当的寿命 13 2 1 5 环境适应性 13 2 1 6美观性要求 13 2 1 7 稳定性 14 2 1 8 易用性 14 2 1 9 低成本 14 2 2 外部依赖 14 2 2 1 农艺限制 14 2 2 2 土壤环境 14 2 2 3 整机 15 2 2 4 蒜盒 15 2 2 5 输送带 15 2 2 6 蒜爪 15 2 2 7 气候条件 15 2 2 8 设计余量 16 2 2 9 驱动 16 2 3 关键需要保证的技术点 16 2 3 1 响应速度 16 2 3 2 稳定性和使用寿命 16 2 3 3 抗冲击能力 泥土影响 16 2 4 引用相关标准 16 3 方案设计 18 3 1 概述 18 3 1 1 定义 18 3 1 2采用的主要结构方式 18 3 1 3 设计考虑的因素 19 3 2 关键设计 19 3 2 1 参数及说明 19 3 2 2 运动控制分析 22 3 2 2 1 综合运动原理及解析 22 3 2 2 2 垂直运动原理及解析 23 3 2 2 3 株向运动原理及解析 24 3 2 3 四连杆机构运动分析 25 3 3 方案设计 26 3 3 1机构示意图 26 3 3 1功能需求 26 3 3 3 结构组成 27 3 3 3 1 垂直运动凸轮 27 3 3 3 2 水平运动凸轮 27 3 3 3 3 综合运动机构 27 3 3 3 4 固定机构 28 3 3 3 5 盖体 28 3 3 3 6 动力传入机构 28 3 3 3 7 传感器及固定结构 28 3 3 3 8 清土机构 29 3 3 4 行为分析 29 3 3 4 1 传递蒜爪的行为分析 29 3 3 4 2 传感器行为分析 29 3 3 4 3 清土机构行为分析 29 3 3 4 4 动力传入机构行为分析 30 3 3 5 适应性分析 30 3 1 5 1 正确完成所有的位置和运动 30 3 1 5 2 空间上的不干涉 30 3 1 5 3 整体性强 30 3 1 5 4 保证适当的寿命 30 3 1 5 5 环境适应性 30 3 1 5 6 美观性要求 31 3 1 5 7 稳定性 31 3 1 5 8 易用性 31 3 1 5 9 低成本 31 4 部件设计 32 4 1 垂直运动凸轮 32 4 1 1 限制曲线 32 4 1 1 1 时间转换为角度 32 4 1 1 2 段运动曲线 32 4 1 1 3 控制曲线 33 4 1 1 4 运动学分析 速度 33 4 1 1 5 运动学分析 加速度 33 4 1 1 6 光顺 33 4 1 1 7 曲线绘制方式 33 4 1 2 凸轮及相关尺寸控制准则 34 4 1 3 重量控制 34 4 1 4 导轨轮 35 4 1 5 从动设计 36 6 6 指标尺寸指标尺寸 37 4 1 6 润滑 37 4 1 7 安装保证 37 4 1 8 时间设计 37 4 2 水平运动凸轮 38 4 2 1 限制曲线 38 4 2 1 1 时间转换为角度 38 4 2 1 2 段运动曲线 38 4 2 1 3 控制曲线 38 4 2 1 4 运动学分析 速度 39 4 2 1 5 运动学分析 加速度 39 4 2 1 6 光顺 39 4 2 1 7 曲线绘制方式 39 4 2 2凸轮及相关尺寸控制准则 39 4 2 3 重量控制 39 4 2 4 导轨轮 40 4 2 5 从动设计 40 4 2 6 润滑 40 4 2 7 安装保证 40 4 2 8 时间设计 40 4 3 综合运动机构 40 4 3 1 定义及概述 40 4 3 2 四连杆机构的示意及说明 41 4 3 3 组成 41 4 3 3 1 传递力机构 42 4 3 3 2 四连杆机构本体 42 4 3 3 3 姿态控制 42 4 3 3 4 蒜爪固定机构 43 4 3 4 连接关系 43 4 3 5 行为 43 4 3 6 尺寸和位置 43 4 3 7 终端位置控制及 的选择 44 4 3 8 安装控制 45 4 3 9 润滑 45 4 4 盖子 45 4 4 1 定义 45 4 4 2 示意图 46 4 4 3 组成 46 4 4 4 安装关系 46 4 4 5 尺寸相关 46 4 5 固定结构 47 4 5 1 定义 47 4 5 3 结构示意图 47 4 5 2 相关的固定 48 4 5 4 组成 48 4 4 5 与其他的连接 48 4 5 6 强度考虑 48 4 4 7 其他 49 4 6 动力传输 49 4 6 1 装配形式 50 4 6 2 从地面轮开始 50 4 6 3皮带的形式 51 4 6 4 凸轮驱动轮的安装 51 4 6 5 株距的适应 51 4 6 6 行为 52 4 7 传感器 52 4 8 尘土罩 52 4 9 其他技术设计 52 4 9 1 润滑 52 4 9 2 紧固 53 4 9 3 表面防护 53 5 概要设计 54 5 1 关键设计 54 5 1 1坐标系统 54 5 1 2时间确定 54 5 1 3运动量及凸轮曲线关键尺寸定义 55 5 1 3 四边形连杆机构的运动核算 56 5 1 4 总体布局 57 5 1 4 1 影响总体布局的因素 57 5 1 4 2 基本尺寸分析 58 5 1 4 3 布局示意图 59 5 1 5 配合 60 5 1 5 1 第一类配合 可调节直径与已知或未知直径之间的紧固连接 60 5 1 5 2 第二类配合 两个已知尺寸之间的松配合 60 5 1 5 3 第三类配合 未知尺寸和已知尺寸之间的紧配合 60 5 1 5 4 第四类配合 两已知尺寸之间的紧配合 60 5 2 垂直凸轮设计 61 5 2 1总体设计 61 5 2 1 1 装配示意图及说明 61 5 2 1 2 高度分析 62 5 2 1 2 位置分配 62 5 2 1 4 装配及调整 63 5 2 1 5 株距适应的分段 64 5 2 1 6 配合 64 5 2 2 凸轮轮体 64 5 2 3 螺栓滚轮滚针轴承 66 5 2 4轴支座 66 5 2 5 直线轴承 67 5 2 6 四连杆机构固定用轴支座 67 5 2 7 四连杆机构固定轴承 68 5 2 8 固定块 68 5 2 9 导杆轴 68 5 2 10 键 69 5 2 11 螺丝 69 5 3 水平凸轮设计 69 5 2 1总体设计 69 5 3 1 1 位置分配 69 5 3 1 2 装配及调整 70 5 3 1 3 装配示意图及说明 71 5 3 1 4 株距适应的分段 71 5 2 1 5 高度分析 72 5 3 1 6 配合 72 5 3 2 水平凸轮轮体 72 5 3 3 螺栓滚轮滚针轴承 73 5 3 4 轴支座 73 5 3 5 直线轴承 73 5 3 6 四连杆机构固定用轴支座 73 5 3 7 四连杆机构用固定轴承 73 5 3 8 固定块 73 5 3 9 导杆轴 73 5 3 10 键 74 5 3 11 螺丝 74 5 4 四连杆机构的设计 74 5 4 1总体设计 74 5 3 1 1 装配示意图及说明 74 5 4 2 四连杆机构连接部分 75 5 4 2 1 四连杆传力机构组成 75 5 4 2 2 配合 75 5 4 2 3 安装 76 5 4 2 4 四连杆传力轴支座 76 5 4 2 5 垂直导杆连接板 77 5 4 2 6 水平导杆连接板 77 5 4 2 7 四连杆滚动轴承 78 5 4 2 8 垂直四连杆固定连接杆 79 5 4 2 9 水平四连杆连接轴 79 5 3 3 10 弹垫 80 5 3 3 11 盖帽螺母 80 5 4 2 12 垫片 80 5 4 3 四连杆机构 81 5 4 3 1 接头设计 81 5 4 3 2 干涉分析 83 5 4 3 3 四连杆机构组成 84 5 4 3 4 BF 杆 86 5 4 3 5 AB 杆 86 5 4 3 6 ED 杆 87 5 4 3 7 CD 杆 87 5 4 3 8 接头块 88 5 4 2 9 四连杆连接轴 88 5 4 2 10 用于 C 点的轴 88 5 4 2 10 四连杆滚动轴承 89 5 4 2 11 弹垫 89 5 4 2 12 盖帽螺母 89 5 4 4 姿势保持机构 89 5 4 4 1 结构组成 90 5 4 4 2 水平轴承座 91 5 4 4 3 滚动轴承 91 5 4 4 5 自润滑杆端轴承 91 5 4 4 6 调节杆 1 91 5 4 4 7 调向板 92 5 4 4 8 调向固定杆 93 5 4 4 9 弹垫 93 5 4 5 10 盖帽螺母 93 5 4 4 11 调节杆 2 93 5 4 4 蒜爪固定头 94 5 5 固定部分 94 5 5 1 固定部分总体设计 94 5 5 2 总骨架设计 94 5 5 3垂直凸轮及动力固定 95 5 5 4 动力部分的固定 96 5 5 5 水平凸轮的固定 97 5 5 6 蒜爪凸轮的固定 97 5 5 7 固定轴承座垫块 98 5 5 8 传感器的固定 98 5 5 9 隔离刷的固定 99 5 5 10 泥土刷的固定 99 5 6 机箱部分 99 5 6 1 后盖 99 5 6 2 底盖 99 5 6 3 主盖 100 5 6 4 毛刷部分 100 5 7 传感器部分 100 5 8 动力传递部分 101 5 8 1 动力传递部分示意图及主要安装尺寸 101 5 8 2 传力路径 101 5 8 2 1 轴 101 5 8 2 2 键 101 5 8 2 3 轴承 102 5 8 2 4 螺栓 102 5 8 2 5 端盖 102 5 8 2 链轮 102 5 8 3 链条 103 5 9 其他设计 103 5 9 1 紧固设计 103 5 9 2 润滑设计 103 5 9 3 表面防护设计 103 5 10 测试设计 103 5 10 1 基本功能测试 103 5 10 2 耗能测试 104 5 10 3 扭矩均匀度的测试 104 5 10 4 使用寿命证实测试 105 5 10 5 润滑测试 105 5 10 6 冲击测试 105 5 10 7 紧固测试 106 5 11 成本设计 106 5 11 1 物料及加工成本表 106 5 11 2 成本评价 107 5 12 重量控制 107 5 12 1 部件重量及控制 107 5 12 2 重量控制评估 107 6 失效分析 108 6 1 故障 108 6 1 1 凸轮轴顶端固定失控 108 6 1 2 凸轮固定失控 108 6 1 3 凸轮跟动轮脱落 108 6 1 4 凸轮从动杆滑块松动 108 6 1 5 四连杆关节脱落 109 6 2 失效 109 6 2 1 动力带断 109 6 2 2 四连杆失态 109 7 一般性评估 110 7 1 机构的合理性 110 7 2 机构差异 110 7 3 稳定性影响因素及评估 110 7 4 未确定之关键技术问题 111 7 4 1 四连杆机构的受力情况的好坏 111 7 4 2 四连杆机构连接的稳定性 111 7 5 评价 111 8 附录 113 8 1 AUTOCAD绘制凸轮轨迹线的方法 113 8 1 1 代码 113 8 1 2 运行方法 114 8 2 零件表 114 8 3 设计依据 115 8 3 1 内螺纹自润滑杆端轴承 115 8 3 2 轴支座 116 8 3 3 螺栓滚轮滚针轴承 116 8 3 3 1 螺栓滚轮滚针轴承实物图螺栓滚轮滚针轴承实物图 116 8 3 3 2 螺栓滚轮滚针轴承尺寸图螺栓滚轮滚针轴承尺寸图 117 8 3 3 3 螺栓滚轮滚针轴承规格表螺栓滚轮滚针轴承规格表 117 8 3 4 直线轴承 118 8 3 4 1 直线轴承实物图直线轴承实物图 118 8 3 4 2 直线轴承滚珠数与内径公差直线轴承滚珠数与内径公差 118 8 3 4 3 直线轴承尺寸示意图直线轴承尺寸示意图 119 8 3 4 4 型号规格型号规格 119 8 3 4 直线轴承 119 9 执行层 121 9 1 采购信息 121 9 2 加工信息 122 9 2 1 螺栓滚轮滚针固定块 122 9 2 2 垂直固定四连杆机构块 123 9 2 3 BF杆 123 9 2 4 AB杆 124 9 2 5 ED杆 124 9 2 6 CD杆 124 9 2 7 接头块 125 9 2 8 水平四连杆连接轴攻丝 125 9 2 9 垂直四连杆连接轴攻丝 125 9 2 10 用于C点的轴 126 9 2 11 用于四连杆其他的轴 126 9 2 12 调节杆1 126 9 2 13调向固定杆 126 9 2 14 调节杆2 127 9 2 16 水平固定四连杆机构块 127 9 2 18 凸轮轮体 127 9 2 17 四连杆姿态调向板 128 9 2 19 骨架杆 129 9 2 20垂直凸轮及动力固定 129 9 2 21 动力部分的固定 130 9 2 22 水平凸轮的固定 130 9 2 23 固定轴承座垫块 131 9 2 23 蒜爪凸轮的固定 131 9 3 焊接装配信息 132 9 3 1 BF杆 132 9 3 2 ED杆 132 9 3 3 焊接垂直导杆 133 9 3 4 焊接水平导杆 133 9 3 5 CD杆 133 9 3 6 焊接调向板 134 2 定义条件定义条件 2 1 实现的目标实现的目标 本文档涉及到的设计部件需要满足下列条件 2 1 1 正确完成所有的位置和运动正确完成所有的位置和运动 凸轮转移机构能依据蒜盒位置 蒜爪位置和尺寸等环境下 能按农艺要求 正确实现搭 载蒜爪实现取蒜 插蒜的运动过程 运动位置符合实际要求 2 1 2 空间上不干涉空间上不干涉 在同一插播行内 本部件与同一插播行的其他部件之间没有空间干涉 不同插播行之间 本部件不影响其他插播行部件的存在和运动 2 1 3 整体性强整体性强 必须能使本件作为一个完整的整体 可以不依赖于其他部件的拆卸 安装和位置精度控 制盒调整 2 1 4 保证适当的寿命保证适当的寿命 通过润滑机构实现润滑来减少工耗 磨损 既而提高大蒜转移机构的寿命 通过适当的结构设计 材料 制造工艺 保证大蒜转移机构的寿命 通过表面处理以提高大蒜转移机构整体寿命 2 1 5 环境适应性环境适应性 能够抵抗生产环境的灰尘 太阳照射 高温 下雨 设备整地的振动 设备局部的跳动 不受设计控制的外界撞击等 使设备在系统设定的广泛的工作环境下正常工作 2 1 6 美观性要求美观性要求 在保证功能的前提下 使整个机构具有一定的美观性 如对所有可包装的部分进行包装 等 2 1 7 稳定性稳定性 通过合理的结构设计和紧固件设计以提高设备的强度和稳定性 2 1 8 易用性易用性 在保证行为目标和运动精度的前提下 安装 拆卸 维修本部件方便 2 1 9 低成本低成本 在设计上 必须使材料和加工成本价格 维护成本 技术支持成本很低 尽量采用标准 配件 尽量不要涉及生偏的结构等 选择合适的材料 以降低本部件的各种成本 2 2 外部依赖外部依赖 本设计依赖下列外部条件进行设计 2 2 1 农艺限制农艺限制 大蒜播种的农艺要求 1 按行种 行之间保持一定的距离 2 同一行中 两株之间保持一定的距离 3 种子插入土壤中 种子鳞牙必须朝上 且与垂直方向保持一定的锥角之内 4 浅插 即大蒜插入一定的深度 5 覆土 插入完成后 在插入表面覆盖一层土 2 2 2 土壤环境土壤环境 土壤在进入蒜爪插入时 已经进行了下列行为 这些行为所造成的状态将影响凸轮转移 机构的受力 1 土壤已经被平整 具有一定的平面度 2 土壤已经被细化 其粒度小于一定的尺寸 3 可能出现大的土块 2 2 3 整机整机 本播种机设定的播种速度为 2pcs s 整机地板相对于地面的高度差 提供动力来源 采用链轮形式 整机局部单点颠簸大小为 50mm 2 2 4 蒜盒蒜盒 蒜盒运动到取蒜位置时 其中心相对与本件固定板的位置 包括 大蒜在蒜盒中插入的最大深度 S001 高度 蒜盒取蒜点相对于输送带表面的高度 S002 水平距离 蒜盒中心相对于固定板边沿的距离 2 2 5 输送带输送带 输送带上水平表面相对于固定板底端的高度差 S003 输送带轮半径为 S003 2 2 6 蒜爪蒜爪 1 蒜爪时间 蒜爪行为时间是指蒜爪执行动作所消耗的时间 包括 收缩时间 S006 蒜爪合拢需要的时间 放开时间 S007 蒜爪放开所需要的时间 考虑到爪子半径 以及爪子下去速度太快 流有宽向工艺预留 S005 工艺预留至少要 比爪子半径大 2 2 7 气候条件气候条件 温度 10 25 度 湿度 无概念 下雨 不支持 太阳暴晒 有 灰尘 很大 泥土 有 2 2 8 设计余量设计余量 考虑到这一设计为农业机械 因而保证适应性余量为 2mm 2 2 9 驱动驱动 外部驱动来源于行走轮传递的动力 可以通过一定的齿比 控制株距 2 3 关键需要保证的技术点关键需要保证的技术点 2 3 1 响应速度响应速度 指蒜爪准确执行完成工作需要的时间 如果时间太长则使整体设备的运行效率太低 从 而不具备经济性 响应速度同时影响植入时 蒜爪在地面的拖动时间 因而对蒜爪的结构受力造成不利影 响 2 3 2 稳定性和使用寿命稳定性和使用寿命 设备的不稳定将带来用户的购买意愿的影响 而设备寿命又影响设备的技术经济性 进 而影响设备的市场 2 3 3 抗冲击能力 泥土影响抗冲击能力 泥土影响 在农业作业条件下 冲击是很难避免的 泥土的混入也是不可避免的 需要能处理这一 环境 2 4 引用相关标准引用相关标准 1 凸轮设计标准 2 轴设计标准 3 键槽设计标准 4 滚珠轴承标准 5 直线轴承标准 6 链轮标准 7 链条标准 8 端盖标准 9 轴承座标准 10 螺栓连接标准 11 机械设计标准 13 金属材料标准 1 3 方案设计方案设计 3 1 概述概述 3 1 1 定义定义 蒜爪转移机构在整个在整个单条插播线中 属于插播部分 即最终完成从蒜盒中取出蒜 后 驱动蒜爪 到达插播位置 并重新返回到取蒜点 这是一个时间周期 并且不停重复这 一周期 其主要功能为 1 蒜爪处于静止状态 等待蒜爪夹住大蒜 2 将蒜爪在抓住大蒜后抬起 以免后续水平运动时 碰到蒜爪侧柱 3 将蒜爪水平向前运行一段距离 以免后续垂直向下运动时 碰到蒜爪 4 水平和垂直一起运动 将大蒜带到插播地点上方 5 垂直下行 将大蒜插入到突然中 同时水平向后运动以避免在蒜爪在土壤中拖动 6 机构处于等待状态 此时蒜爪打开 7 待蒜爪打开后 垂直上行 带动蒜爪上来 避免与土壤碰撞 同时水平向后运动以避 免在蒜爪在土壤中拖动 8 水平和垂直一起运动 将蒜爪带到蒜盒附近 9 水平运行一段距离 到蒜盒上方 10 垂直下行一段距离 到取蒜点 这是一个周期运动中的一个周期 在以后不停重复本周期所执行的动作 3 1 2 采用的主要结构方式采用的主要结构方式 蒜爪转移机构采用双轨迹凸轮及四连杆机构 其中采用双轨迹凸轮 在两个凸轮的控制 下 实现可控制轨迹的目标端轨迹 1 凸轮机构可以实现复杂的平面运动 采用凸轮机构 可以将旋转运动转换成任意的平面 运动轨迹 因而比较好地解决了插播机构运动的复杂性和驱动数量要求 特别是采用双轨迹 凸轮 可以实现插播器复杂的平面运动 2 该改变运动轨迹时 只需要更换凸轮轮体 其他机构均无需更换 3 凸轮可以减少驱动所需要的动力源 降低空间尺寸和机构的复杂性 特别是增强系统 的稳定性 4 凸轮使用寿命长 稳定 可应用于工况条件非常差的农业机械上及农业机械的使用上 5 成本低 采用凸轮可以降低设备的成本 方便大规模化生产 采用四连杆机构 有下列优点 1 可以将整个机体做得比较小 空间布局比较合理 2 在设计改变或者插播位置变化时 本结构及布局变化不太大 不至于造成颠覆性的设 计变化 3 有这方面应用经验 4 制造简单 成本低 方便大规模生产 5 结构简单 稳定 适合在农机上使用 3 1 3 设计考虑的因素设计考虑的因素 设计大蒜转移机构的运动轨迹 需要从空间 时间 机械运动 设备效率等多个方面考 虑 空间 空间 要求避开相关运动可能产生的碰撞 降低蒜爪在地面拖拽的距离 考虑蒜盒的空间 考虑蒜盒传递机构的控件 考虑农艺要求 包括植入深度 考虑种子的高度 设备效率设备效率 保证与设备其他部分协调运动 保证设备的运行周期与设计周期一致 机械运动机械运动 保证符合要求的时间和位置 成本成本 保证设备的成本不高于 500 元 3 2 关键设计关键设计 3 2 1 参数及说明参数及说明 1 H1 将大蒜从蒜盒中抽取高度 将大蒜从蒜盒中抽取高度 向上运动的距离 并能在后续的运动中 避开蒜盒 本设计请参见文档 设计过程条件 之 3 1 1 1 变量名为 S301 2 H2 水平避蒜距离 水平避蒜距离 水平运动 以避开大蒜 并能在后续的运动中 避开蒜盒 本设计请参见文档 设计过 程条件 之 3 1 1 2 变量名为 S302 3 H3 垂直到插入点 垂直到插入点 垂直运动到插入点 本设计请参见文档 设计过程条件 之 3 1 1 3 变量名为 S303 4 H4 水平到插入点 水平到插入点 水平运动到插入点 本设计请参见文档 设计过程条件 之 3 1 1 4 变量名为 S304 5 H5 插蒜点下行距离 插蒜点下行距离 蒜爪在插蒜点下行距离 本设计请参见文档 设计过程条件 之 3 1 1 5 变量名为 S305 6 t1 抓蒜时间 抓蒜时间 S121 t1是指蒜爪合拢的最后时间点 抓蒜时间不宜过小 否则因冲击力太大 对于尺寸比较大的大蒜 将其表面压伤 7 t2 垂直向上运动时间 垂直向上运动时间 S311 t2是指蒜爪在蒜盒上垂直向上运动的最后时间点 这一运动主要是避免蒜爪水平运动时 蒜爪侧柱对大蒜下部损害 8 t3 水平运动时间 水平运动时间 S312 t3是指后续蒜爪在水平运动之前 将蒜爪向外移动一定的距离 避免此时的复合运动使 大蒜碰到蒜盒侧柱 本时间受到水平运动速度和从蒜根中心到盒边沿的距离的限制 9 t4 水平垂直复合运动时间 水平垂直复合运动时间 S313 t4是指水平方向从蒜盒附近点到栽种点中心运动时的最后时间点 在完成本运动时 蒜 爪同时向下运动以提高效率 10 t5 蒜爪下行时间 蒜爪下行时间 S314 t5是指蒜爪从栽种点中心位置最上部到最下部 H2 运动所消耗的最后时间点 在该时间 内 蒜爪同时向后运动 以抵消整机向前运动时 带来的一系列问题 11 t6 蒜爪放开时间 蒜爪放开时间 S122 t6是指蒜爪在土壤中放开的最后时间点 一般而言 不可以令 t6 t1 因为大蒜抓住时间需要相对比较长 以避免损害大蒜 而放 开时 需要的时间可以相对比较短 在实际的行为中 设置该时间为 0 因为这部分时间可 以和抬起的时间重合 12 t7 蒜爪抬起时间 蒜爪抬起时间 S315 t7是指蒜爪从栽种点中心位置最下部到最上部 H2 运动的最后时间点 在该时间内 蒜 爪同时向后运动 以抵消整机向前运动时 带来的一系列问题 一般而言 可以令 t7 t5 13 t8 复合反向运动时间 复合反向运动时间 S316 t8是指水平方向从栽种点中心到算盒中心运动时的最后时间点 在完成本运动时 蒜爪 同时向下运动以提高效率 一般而言 可以令 t8 t4 14 t9 蒜爪在到蒜盒附近水平反向运动时间 蒜爪在到蒜盒附近水平反向运动时间 S317 t9是指蒜爪蒜盒附近水平运动到蒜盒中心点的运动最后时间点 一般而言 可以令 t9 t3 15 t10 蒜盒下行时间 蒜盒下行时间 S319 t8是指在蒜盒上垂直下行最后的时间点 该时间点为整个运动周期时间点 一般而言 可以令 t10 t2 16 S307 垂直凸轮的基园半径 垂直凸轮的基园半径 转移机构垂直凸轮的最小圆的半径 17 S309 水平凸轮的基园半径 水平凸轮的基园半径 转移机构水平凸轮的最小圆的半径 18 S308 垂直凸轮的重量控制 垂直凸轮的重量控制 转移机构垂直凸轮的限制重量 19 S310 水平凸轮的重量控制 水平凸轮的重量控制 转移机构水平凸轮的限制重量 20 H6 蒜爪在插入点下行时的水平运动距离 蒜爪在插入点下行时的水平运动距离 S30B 垂直下行时 蒜爪水平后行的距离 本设计请参见文档 设计过程条件 之 3 1 1 6 变量 名为 S30B 21 H7 蒜爪在插入点上行时的水平运动距离 蒜爪在插入点上行时的水平运动距离 S30C 垂直上行时 蒜爪水平后行的距离 本设计请参见文档 设计过程条件 之 3 1 1 7 变量 名为 S30C 3 2 2 运动控制分析运动控制分析 3 2 2 1 综合运动原理及解析 1 夹住大蒜 由于本机构不存在空间上的变化 因而在本图无法表现 本行为到时间点 t1 2 开始位置到蒜盒之上 使水平前动时避开蒜盒 运动量 H1 本行为从时间点 t1到时间点 t2 3 水平运动 运动距离 H2 此过程是因为后面的运动带有向下运动部分 本行为从时间点 t2 到时间点 t3 4 水平和垂直的复合运动 此时 水平前动 垂直下动 水平和垂直都到插蒜点 本运动水 平运动距离 H4垂直运动距离 H3本行为从时间点 t3到时间点 t4 5 垂直下行 将蒜插入到土壤中 运动量 H5 本行为从时间点 t4 到时间点 t5 同时 为保证 蒜爪不在土壤中拖动 蒜爪向后运行 H6 6 放开大蒜 由于本机构不存在空间上的变化 因而在本图无法表现 本行为从时间点 t5到 时间点 t6 在时间安排上不占用本分析的时间 7 垂直上行 避开土壤 运动量 H5 本行为从时间点 t6到时间点 t7 为保证蒜爪不在土壤中 拖动 蒜爪向后运行 H7 8 水平和垂直的复合运动 此时 水平后动 垂直上动 水平和垂直都到蒜盒附近 本运动 水平运动距离 H4 H6 H7 垂直运动距离 H3本行为从时间点 t7到时间点 t8 9 水平运动 运动距离 H2 此时运动到蒜盒上方 本行为从时间点 t8到时间点 t9 10 垂直下行 到夹蒜位置 运动量 H1 本行为从时间点 t9到时间点 t10 图 3 1 插播运动关系 说明 1 本设计中去线和回线中 在蒜盒处垂直向下及垂直向上和水平向下及水平向上 是重合的 2 本图由于是 X Y 之间的关系 因而无法表达时间信息 在开始的和插播的时 候 均存在一个静止行为 这是 X Y 方向均不发生任何变化 3 本图未按比例绘出 3 2 2 2 垂直运动原理及解析 图 3 2 垂直运动控制凸轮运动曲线 运动时间长度 时间点 运动位置及方向等垂直运动详细解析如下 1 等待蒜爪抓住大蒜 本时间长度为 t1 无上下行 2 机构上行 将大蒜从蒜盒中拔出 上行距离为 H1 本时间长度为 t2 t1 3 位置不变 等待水平位置发生变化 以便避开蒜盒 等待时间为 t3 t2 4 插播器向下运动 本时间时间点为 t4 时间长度为 t4 t3 下行高度为 H3 本运动将大 蒜移动到离地面高度比较近的地方 以提高大蒜转移机构的效率 同时 水平方向亦进行运 动以保证运动完成后 蒜爪在可插播处 5 插播器向下运动 本时间点为 t5 时间长度为 t5 t4 下行高度为 H5 本运动将大蒜送 入到地面以下 为防止蒜爪在地面下拖动 在完成本运动的同时 水平方向亦进行了运动 这样的运动 基本上抵消了蒜机前行带来的拖动 6 等待蒜爪放开大蒜 本时间点为 t6 时间长度为 t6 t5 无上下行 也无水平运动 7 插播器向上运动 运动高度 H5 回到插入时蒜爪的高度 本时间点为 t7 时间长度 为 t7 t6 在完成本运动的同时 水平方向亦进行了运动 这样的运动 基本上抵消了蒜机前 行带来的拖动 8 插播器向上运动 本时间长度为 t8 上行高度为 H3 此时 蒜爪的高度到插播器插 下时的高度 9 位置不变 等待株向位置发生变化 蒜爪回到蒜盒中心位置 等待时间点为 t9 时间 长度为 t9 t8 10 插播器向下运动 到取蒜位置 此时的运动时间点为 t10 运动距离为 H1 时间长 度为 t10 t9 其详细的时间 运动距离示意图如下 在该图中 没有标注距离的大小 在该图中 曲线没有按比例绘制 3 2 2 3 株向运动原理及解析 图 3 3 株向运动控制凸轮运动曲线 运动时间长度 时间点 运动位置及方向等水平运动信息详细解析如下 1 株向不运动 等待蒜爪抓住大蒜和蒜爪垂直上行 本时间长度点到 t2 时间长度为 t2 2 水平运动避开蒜盒 运动距离为 H2 运动时间点为 t3 时间长度为 t3 t2 此时垂直方 向不发生运动 3 插播器水平向后运动 本时间时间点为 t4 时间长度为 t4 t3 下行高度为 H4 本运动 将大蒜移动到离水平方向比较接近插播点的地方 为提高大蒜转移机构的效率 同时 垂直 方向亦进行运动以保证运动完成后 蒜爪在可插播处 4 插播器向后运动 本时间点为 t5 时间长度为 t5 t4 下行高度为 H6 本运动将大蒜送 入到地面以下 主要是防止蒜爪在地面下拖动 在完成本运动的同时 垂直方向亦进行了运 动 这样的运动 基本上抵消了蒜机前行带来的拖动 5 等待蒜爪放开大蒜 本时间点为 t6 时间长度为 t6 t5 无上下行 也无水平运动 6 插播器水平继续向后运动 主要是为了继续防止蒜爪水平拖动 运动距离为 H7 运 动同时垂直运动 回到插入时蒜爪的高度 本时间点为 t7 时间长度为 t7 t6 7 插播器向前运动 本时间点为 t8 时间长度为 t8 t7 下行距离为 H4 H6 H7 本运动 将蒜爪送到蒜盒附近 在完成本运动的同时 垂直方向亦进行了运动 这样的运动 基本上 蒜爪到了蒜盒周围 8 垂直位置不变 水平向前运动 以达到蒜盒水平中心位置 等待时间点为 t9 时间 长度为 t9 t8 9 等待时间 此时插播器向下运动 到取蒜位置 此时的运动时间点为 t10 时间长度 为 t10 t9 其详细的时间 运动距离示意图如下 在该图中 没有标注距离的大小 在该图中 曲线没有按比例绘制 3 2 3 四连杆机构运动分析四连杆机构运动分析 在分析设计中 由于凸轮机构的特点 要实现上述水平和垂直运动 需要将两种运动综 合起来 这种综合机构不宜复杂 并且能独立控制 水平运动距离和垂直运动距离均超出了 100mm 考虑到凸轮必须实现这一运动 那么凸 轮上的差有 2 被之多 在直线运动部分 这部分的运动又被重新 2 倍化 这样实际上需要的 高度至少要达到 400 毫米大小 这还不包括其他结构带来的尺寸 这样结构将造成前后和上 下尺寸很大 特别上上下尺寸 影响比较大 而采用四连杆机构后 四连杆机构的尺寸主要表现为前后 所以对整体干涉并不大 空 间易于布置 在尺寸方面 垂直方向均可缩小若干倍 这样整体尺度就比较小 并且保留有 足够的空间 方便行程的继续加大而不改变整体布局 图 3 4 四连杆机构运动基本 依据相关的分析 四连杆机构 特别是符合某种特定尺寸比例的四连杆机构 能够有下 列特点 1 水平和垂直分别进行运动距离大小的放大 其中水平放大 N 倍的话 垂直则放大 N 1 倍 2 独立与驱动发生关系 互相不干扰 3 发生关系成比例关系 而不是其他复杂的关系 4 垂直运动的方向发生关键性变化 即改变原有的垂直运动方向 取其相反的方向运动 在本设备中 采用四连杆机构进行水平和垂直运动的合成 3 3 方案设计方案设计 3 3 1 机构示意图机构示意图 图 3 5 蒜爪转移机构 3 3 1 功能需求功能需求 蒜爪转移机构是一个运动的载体 其除必须执行在 3 1 1 中定义的 1 10 种连续的运动及 周期重复外 该载体还承担下列辅助功能及保证该载体的相关机构部分 1 固定 保证该载体是稳定的 2 动力传递部分 保证该载体的动力源 3 清刷机构 将可能出现在本载体上的泥土清除掉 4 传感器 将蒜爪转移机构的运动信息传递到相关部分 以便整个大蒜种植机的单元协 调工作 5 凸轮机构 将动力传递来的运动转化为直线运动 其中包括水平凸轮机构和垂直凸轮 机构 每一凸轮机构又包括凸轮和从动件 6 运动合成机构 将水平和垂直的凸轮运动合成到一个运动点同时具有这两个方面的运 动 本机构示意图中 主要关注核心部分 未包括固定部分 动力部分 本图示是一个示意性的图 因为其中凸轮为 2 个 如果用一个 则运动区域太大 整个 盘子额度重量太大 3 3 3 结构组成结构组成 本部件由以下几个部分组成 3 3 3 1 垂直运动凸轮 用于驱动蒜爪做垂直运动 其上包含控制运动特性的导轨 相关机构在其上跟动时 将 使从动机构按一定的规律做时序垂直运动 包含凸轮轮体 跟动机构 滑杆及固定结构等多 个组成部分 垂直运动凸轮固定于整体固定结构上 凸轮轮体安装于与动力系统相同的轴上 在轴的驱动下 做旋转运动 而此时 凸轮从动滑杆做直线运动 3 3 3 2 水平运动凸轮 用于驱动蒜爪做水平运动 和垂直运动凸轮一样 其上也包含控制运动特性的导轨 相 关机构在其上跟动时 将使从动机构按一定的规律做时序垂直运动 包含凸轮轮体 跟动机 构 滑杆及固定结构等多个组成部分 垂直运动凸轮固定于整体固定结构上 凸轮轮体安装 于与动力系统相同的轴上 在轴的驱动下 做旋转运动 而此时 凸轮从动滑杆做直线运动 3 3 3 3 综合运动机构 采用四连杆结构 可以实现独立运动控制和运动放大 整个机构包括四连杆机构体 固 定部分 姿态矫正机构和蒜爪安装机构 其分别连接于垂直运动从动滑杆和水平运动滑杆 另一端连接蒜爪 在垂直运动和水平运动机构的控制下 实现设计意图的运动轨迹 3 3 3 4 固定机构 固定机构将所有的需要固定的物体固定于结构上 其固定的部分包含包括两个驱动轮 两个驱动轮的从动件的固定部分 动力驱动部分 蒜爪毛刷部分 传感器部分 盖体部分等 与这些部分采用各种固定方式通过螺钉进行固定 固定的结构需要依据各部分的功能位置进 行适应 3 3 3 5 盖体 盖体结构将整个设备包容与一个盖子里 并与整机协调安装在一起 其与蒜爪转移机构 的固定机构通过螺丝固定 盖体起对环境的适应性的功能 对灰尘进行隔离 防止下雨和太阳晒 同时起对破坏力 的缓冲作用 盖体上部分区域未封口 该区域用于四连杆机构伸出 在未封口部分 通过毛刷将外部 灰尘进行屏蔽 3 3 3 6 动力传入机构 动力传入机构将外部动力传递到蒜爪转移机构 实现蒜爪转移机构的运动从而达到将蒜 爪按需要的时间和空间进行转移 动力传入机构包括链条 链轮 轴 端盖及键和键槽等多个部分 其与凸轮同轴 通过 键槽的配合将力传递给凸轮 其力量的传入是通过外部轮和链轮之间的链条进行传递的 外 部轮之间保持和地面行走距离之间保持一定的比例关系 动力传入系统固定于固定机构上 3 3 3 7 传感器及固定结构 传感器用于感知蒜爪转移机构的运动状态 主要是在时间点上的运动位置和来回状态 用于单条大蒜播种线的时间之间的匹配 蒜爪转移机构的时序是受到地面轮控制的 而蒜盒是受到 PLC 控制的一套时序控制的 两种机构之间必须保持时序匹配 否则 相互之间无法保证时序的一致性 而完成时序的匹 配是通过传感器获取蒜爪转移机构的时间信息 再通过 PLC 对蒜盒传输机构的时序进行控 制实现的 一套蒜爪转移机构包括两个传感器 通过固定结构进行固定 其信号线路通过隔离的方 式来完成连接 以保证整个蒜爪转移机构的独立性 3 3 3 8 清土机构 清土机构用于将蒜爪上可能带来的泥土从蒜爪上清除 保持蒜爪的干净程度 防止因泥 土出现的工作实效 清土机构通过毛刷来实现的 其必须安装在蒜爪经过的地方 清土机构通过其固定部分安装于固定部分 需要保持一定的可调整性 3 3 4 行为分析行为分析 3 3 4 1 传递蒜爪的行为分析 1 位于整体机器上的轴旋转 2 轴旋转带动其上的链轮旋转 3 链轮的选择带动链条的运动 4 链条带动位于蒜爪转移机构的链轮运动 5 本部分链轮通过键槽拨动轴 6 轴的旋转带动与带轮同轴的两个凸轮旋转 6 凸轮旋转时 受到凸轮上的曲线控制的从动轮旋转 7 从动轮旋转可能带来从动杆的运动 8 从动杆在滑块的约束下单向运动 9 这一单向运动造成四连杆机构的运动 10 四连杆机构的运动造成杆端的运动 11 杆端的运动造成固定在其上的蒜爪运动 12 控制蒜爪方向的连杆在主杆运动时 也协调保证蒜爪与水平平行 指定的曲线和时序是通过凸轮上的曲线来实现的 3 3 4 2 传感器行为分析 两个传感器将到位信号传递到 PLC PLC 通过分析其到位的时间差异 决定如下行为 1 在什么时候将蒜盒送到取蒜地点 2 是否终止当前行为 3 选择链条上的哪一个蒜盒 3 3 4 3 清土机构行为分析 在蒜爪从清土机构上经过时 清土机构的毛刷将土从蒜爪的可能的藏有土的地方将土清 扫出来 本机构是否充分 是否需要安装一个气吹机构 以更大的力度来进行清扫泥土 是在定 型产品设计阶段需要考虑的事情 3 3 4 4 动力传入机构行为分析 链条从整机的链轮上 取出动力 传递到本部件的链轮上 链轮通过键将力传递到轴 轴又通过键将力传递到凸轮 完成一个完整的力的传递过程 3 3 5 适应性分析适应性分析 3 1 5 1 正确完成所有的位置和运动 本节通过两个凸轮的轨道线 分析实现了保证运动的轨迹 并通过相关章节的设计 保 证了尺本设计的规定的尺寸的有效性 通过相关的机构保证了运动轨迹的精度和空间的可接 受性 因而设计的轨迹 3 1 5 2 空间上的不干涉 本节中和其他部件的空间干涉问题在插蒜部分总控制中说明 本部件最容易干涉的主要 是其中的三个凸轮合并在一起进行控制 其中的水平运动控制部分可能与蒜爪的运动的从动 件在空间上发生干涉 需要在概要设计时注意 3 1 5 3 整体性强 本机构设计成一个整体 通过其结构的主骨架安装在单条大蒜播种线上 设计时 考虑 了整体的可拆卸性和安装的可控制性 3 1 5 4 保证适当的寿命 通过润滑机构实现润滑来减少工耗 磨损 既而提高大蒜转移机构的寿命 通过适当的结构设计 材料 制造工艺 保证大蒜转移机构的寿命 通过表面处理以提高大蒜转移机构整体寿命 3 1 5 5 环境适应性 在设计中充分采取在动作入口用毛刷隔离灰尘的方式 采用整体壳体能防止太阳照射和 下雨及不受设计控制的外界撞击 高温不影响设备的性能 因为采用的是金属 除热涨外 其他不影响 而热涨在所有部件的误差范围内 对此做过相关的设计 设备整地的振动 设 备局部的跳动等只要不大量影响和蒜盒的相对位置就可 而其相对位置在整体设计中 通过 一定的刚度来保证了 所以本设备能在广泛的工作环境下正常工作 3 1 5 6 美观性要求 箱体包容 在注意空间尺寸干涉和功能的前提下 尽量使箱体符合一定美学要求的长宽 高比 3 1 5 7 稳定性 1 紧固件经过了特别的设计 保证了最大程度不影响结构的稳定性 2 通过相关部件 特别是整体骨架的强度设计 保证了其稳定性和内部不发生非设计的 大变形 3 1 5 8 易用性 1 整体性好 2 打开盖子就可以全部进行操作 3 整体在机体外 因而操作方便 3 1 5 9 低成本 所有的设备在设计上 尽量保证了低成本 部分构件因为考虑到设备的稳定性 采用了一些高价值的设计 如导轨等 没有采用简 单导轨设计 因为该处涉及到稳定性 同样涉及到稳定性的还有 所有的连接处均采用滚珠 轴承 以降低摩擦力和保证设备长周期有效使用 4 部件设计部件设计 4 1 垂直运动凸轮垂直运动凸轮 4 1 1 限制曲线 限制曲线 4 1 1 1 时间转换为角度 ti T 360 令其中 360 C 为 K 4 1 1 2 段运动曲线 1 对于距离没有发生变化的部分 采用园曲线 其半径不发生变化 2 对于距离发生变化的 采用正弦曲线 即 S H Sin 其中相关参数说明 2 1 角度范围 上升部分从 到 下降部分采用到 区间角度范围 2 2 2 3 2 为 2 2 H 单边高度 于目标升降的高度的一半 2 3 S 在目标曲线的高度 3 对于角度从 A 到 B 且上升了 R 那么对应的参数为 A BA 2 H 0 5 R 从 A 到 B 4 对于角度从 A 到 B 且下降了 R 那么对应的参数为 A BA 2 H 0 5 R 从 A 到 B 5 正弦曲线的优点 1 多阶连续 其中表示位置 速度和加速度的 0 次 1 次 2 次均连续 2 和园连接 只要 0 阶连续 后续阶均连续 3 速度和加速度均比较均匀 不存在比较大的图标 4 1 1 3 控制曲线 控制曲线是凸轮从动杆轴的运动轨迹 其采用不同分段按下列列出进行 4 1 1 2 所示的参 数 曲线 1 段 在 0 t1K 度 R R0 半径保持于 R0 曲线 2 段 在 t1K t2K 度 R R0 H1 半径下降 H1 曲线 3 段 在 t2K t3K 度 R R0 H1半径保持于 R0 H1 曲线 4 段 在 t3K t4K 度 R R0 H1 H3 半径上升 H3 曲线 5 段 在 t4K t5K 度 R R0 H1 H3 H5半径上升 H5 曲线