【《某除草机器人机械部分设计计算案例》6500字】

某除草机器人机械部分设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u21240某除草机器人机械部分设计计算案例 1267261.1整体机械结构设计 1317871.1.1除草机器人的结构组成 1178871.1.2技术参数确定 156701.2关键零部件设计 2102021.1.1除草机器人行走机构的设计 228381.3除草装置以及避障机构的设计 12308521.3.1除草装置设计 1226311.3.2避障机构设计 13103761-固定刀盘架2-转向连杆3-果树4-旋转刀盘盖5-电动推杆 15281831.4刀盘升降机构的设计 151.1整体机械结构设计1.1.1除草机器人的结构组成此次课题所设计的果园除草机器人的机械结构主要包括除草装置、避障装置、升降机构、除草机器人行走机构、电池组以及控制箱等组成。设计的除草机器人其结构是小巧的，它的功能是比较齐全的。行走机构是除草机器人的本体框架，主要完成机器人在果园中行走的功能。其电池组、控制箱、除草装置以及转向装置等全都安装在机器人行走机构上。控制箱用于控制后轮驱动电机、转向电机、电动推杆、除草电机的转动来实现相应的功能，并通过传感器传递的信号来实现避障。电池组为除草机器人的运动以及除草刀具的转动提供动力。除草机构主要用于锄地以及割除果园中的自然和人工杂草。避障机构通过电动推杆来实现规避果树，以免对果树造成伤害，影响果树的生长以及果品质量；升降机构主要通过电动推杆来实现刀盘架的抬升与降落。1.1.2技术参数确定根据除草机器人在不同地区的使用情况，当地的果园种植的特点以及自然环境等，对除草机器人进行了总体的设计工作，制定了机器人的主要技术参数，如表2-1所示。表2-1果园除草机器人的主要技术参数项目参数整体尺寸(mm)1200×800×450作业方式旋转式切割作业速度(km/h)1.5Km/h除草深度(mm)20～50最大爬坡斜度35°总重不超过120kg1.2关键零部件设计1.1.1除草机器人行走机构的设计此次课题设计的果园除草机器人是在果树的行株间进行工作的，因此它的结构是移动机器人。目前的市场上可以见到的移动机器人的行走机构主要可以分为履带式、腿式以及轮式这三种。轮式机器人在使用过程中的缺点主要是越障的能力较低，其对不同地形的适用能力较差，但它具有速度快、工作的效率较高、运动过程中产生的噪声较低、结构比较简单且方便维修、可以承载较大的重量、机动性能较好等优点，其他的两种移动机构虽然都有自己优点，但其在果园中工作的缺陷也是相当的明显，因此选择轮式移动方式作为除草机器人的行走机构。单轮、两轮、三轮、四轮结构是日常生活中最常见的轮式机器人机构，然而在农业领域方面的机器人通常都是三轮或四轮式，如图2-1所示。三轮移动机器人如图2-1（a）所示，通常前面两个车轮作为驱动和转向机构，后面一个轮子作为万向轮使用，这样一来小车的大多数重量都集中到了前轮，前轮的磨损更快，在转弯过程中车身的平衡性较差。四轮移动机器人如图2-1（b）所示，前轮作为转向轮，后轮作为驱动轮，这样一来小车的使用寿命更长，车身承受的重量更加的均匀，在转弯过程中稳定性更好。所以此次设计选用四轮行走机构。（a）三轮机构（b）四轮机构图2-1行走机构1.1.2转向机构设计1.转向机构选择移动机器人在转弯时的车体转弯半径的大小主要取决于转向机构，其转过的角度直接影响着除草机器人是否能够完成转弯动作以及避障的功能。目前为止，循环球式、蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式是轮式机器人最常见的机械转向机构。循环球式转向器：机械部分与液压部分是循环球式转向器的两大主要部分。循环球式转向器主要由蜗杆、扇形齿轮轴、钢球、转向器壳、钢球螺母、调整螺钉、向心推力轴承等组成。其内部的传动副有两对：第一对传动副由螺杆、螺母组成，另一对是由齿条、齿扇或曲柄销组成。在应用中它的优点主要是，操纵起来简单轻便，磨损较小，寿命长等。缺点主要是它的结构与齿轮齿条相比较复杂，成本也较高高，在灵敏度方面也不如齿轮齿条式。2）蜗杆曲柄销式转向器：它得主动件为蜗杆，其从动件为曲柄轴的转向器。其工作原理是在转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。3）齿轮齿条转向器：它是目前转向机构中最常见的一种转向器。一对相互啮合的小齿轮和齿条是齿轮齿条转向器的基本结构。工作原理主要是通过转向轴带动小齿轮的旋转，小齿轮再带动齿条做直线运动以此来完成转向动作。通过比较以上三种转向机构的特点，齿轮齿条转向机构具有的优点如下：①它的构造相比较前两种转向机构而言比较筒单,结构也比较轻巧；②它的质量较轻，体积也较小，传动效率高，主要适用于小型移动车体；③在转向时其转向的灵敏度较高，且转向时的阻力也较小；1.转向机构设计转向机构的整体装配图如图2-2所示，转向时的角度在±90°之间。1-轮胎2-转向节3-连杆4-桥体5-齿条6-齿轮7-齿条导轨图2-2转向机构三维图齿轮齿条链接在导轨上，导轨是直接固定安装在车身上的，齿条两端通过通过连杆与转向节相铰接。该转向机构初步选定位上图的三维图装配图，清晰明了的表达了它的工作原理。齿轮与齿条的相互啮合运动实现了将电机的转动转变为齿条的直线运动，电机的正反转决定着齿条向左或向右运动，从而实现除草机器人的左转或右转。3.转向电机的选型由于除草机器人的动能是来自电池组，所以机器人转向机构的转向电机选取齿轮永磁直流减速电机，其型号为DM08RB-120i90F，电机与减速器是一体结构，减少了部分的装配空间，达到了除草机器人结构小巧的要求，具体参数如下表所示：额定电压：24V；额定功率：120KW；额定扭矩：13N•m；额定转速：30r/min;减速比：60:1在原地转向时除草机器人的阻力矩达到最大值，通过查阅相关轮式机器人的资料得到了机器人在原地转向的阻力矩计算公式为：Tr=U3√上式中：U—轮胎与地面的滑动摩擦因数，取0.7；G—前轴所承受的重量，前轴要承受除草刀盘重量(单个6kg)、除草电机重量(单个1.2kg)、升降固定架重量(5kg)、刀盘悬架以及电动推杆的重量(25kg)，综上考虑，初步选择G的值为80kg；P—车轮轮胎的气压，取值为250KPa。将数据代入上式可得，Tr=10.6N•m。该转向电机的扭矩为13N•m大于除草电机原地转向的最大阻力矩，满足设计的要求。1.1.3齿轮的设计1.材料的选择齿轮的选择材料为：渗碳钢。选择渗碳钢作为齿轮材料的主要原因是耐磨且能够经受住动载荷的冲击。选择的热处理方法是：渗碳处理。图2-3齿轮三维图1.尺寸的设计初次选择的模数为m=4mm，在正常情况下齿轮的齿数一般为25个，齿轮的分度圆的螺旋角度一般为8～15度。本设计初次的选择的齿轮的齿数为Z1=25，齿轮的分度圆的螺旋角为10度。所设计的齿轮的直径：d=mz1cosβ=4×25cos10=101.54（公式所以我选取的齿轮直径d=100mm。选择齿轮的齿宽系数为：φ=1.2,齿宽公式b=φd=1.2×100=120，那么齿轮所选的宽度b=125。齿轮齿顶高的设计:ha1=ha×m=1x4=4;ha2=(ha-ha)m=3.7（公式2-3）齿轮的齿根高的设计：hf=（ha+c）m=（1+0.25）x4=5齿轮的齿高的设计：h1=ha1+hf=9h2=ha2+hf=8.7（公式2-4）3.校核设计通过查阅参考文献的表11.9，查阅到使用的系数为ka=1.35；查阅参考文献的图11.9，发现动载系数KV=1.1；查阅参考文献表11.10，查阅可得到齿轮间的载荷分配的系数为KHa=1.45。Ft=2T1d1=2×2×10^4100=400N(圆周力)KA×Fε=[1.88-3.2(1z1+1z2)]cosβ=1.72（端面重合度）Zε=4−ε3=0.87（重合度系数）（公式2-7KH∂=1Z2ε=1.32载荷的系数为k=KAkvKH∂Kha=1.84查阅参考文献表11.12，可发现弹性系数为ZE=189.8。查参考文献的表11.16，可得到节点区域系数为ZH=1.5。查参考文献的表11.14，可得到接触最小安全系数是ZN2=1.25。整体结构的工作时间为Th=10×360×2=7200小时。应力的循环次数为NL,且NL的范围为1×10NL1=60riknk=1nithi（T=60rn1thknk=1（T=60×1×1000×7200×（18.78×0.2+0.58.78×0.5+0.28.78通过计算可以发现应力的循环次数的正确的。NL2=Nl1/i=1.17125×10^7（公式2-11）通过查阅参考文献表11.18，接触寿命系数ZN：可以发现ZN1=1.2,ZN2=1.3许用接触应力的符号为[σH][σh1]=σHlim1ZN1Sℎmin=710×1.21.25[σh2]=σHlim1ZN1Sℎmin=580×1.251.2对许用接触应力进行验算[σH][σH]=2KT1bd12×根据计算的最终结果可以看出，解除疲劳强度是准确的，所以齿轮的尺寸不需要在修改。4.齿根的弯曲疲劳强度的验算设计重合度系数的计算：Yε=0.25+0.75εδ=0.25+0.751.72=0.686齿轮间载荷分配系数的计算：KF∂==1/Yε=1/0.686=1.48b/h1=120/9=13.33齿向的载荷的分布系数是：kFβ=1.3那么载荷系数K为：K=KAKVKFβKF∂=1.35×1.1×1.3×1.48=2.9（公式2-16）齿形的系数YFa：通过查阅参考文献可以发现：YFa1=1.38；YF2=21.09应力修正的系数为Ysa：通过查阅参考文献可以得到:Ysa1=1.7;Ysa2=1.85齿根的弯曲疲劳极限为σFlim1=600Mpa，σFlim,2=2450Mpa。通过查表可得到齿根的弯曲最小的安全系数为SFlim1=1.6齿根的弯曲寿命系数为：YN1=0.98，YN2=0.99齿根的尺寸系数为：Yx=1。齿根的许用弯曲应力[σF][σF1]=σFlim1YN1YxSF[σF2]=σFlim1YN2YxSF对齿根的许用弯曲应力进行验算[σF]σF1=2KT1bd1m=2×2.84×2×104=6.568MPa<[σF1]（公式2-19）σF2=σHY=6.568×1.85×2.096.277MPa<[σF2]（公式2-20）经过验算可以得出，齿根的弯曲疲劳强度满足要求。1.1.4后轮驱动机构设计1.小车驱动方式选择前轮驱动与后轮驱动是轮式移动机器人最常见的两种驱动方式，由于前轮驱动具有操控性差、转向不足、前桥负荷较大以及结构复杂和制造维修成本高等缺点。相比较于前轮驱动，后轮驱动具有操控性好、结构简单、维修容易以及承载能力好等优点，所以选择后轮驱动方式。1.驱动机构排布方案选择直线排布、交错排布以及垂直排布这三种是常见驱动机构的排布方案，直线排布方案用的比较多。交错排布方案在相同的减速比以及输出转矩下，价格比较贵，定轴转速器的体积较大，不能满足所设计的机器人底盘安装尺寸小的要求；垂直排布的方案由于蜗轮蜗杆转速器自锁功能，在电源不足的话，会给除草机器人带来很多麻烦；与前两种方案相比，直线排布方案具有传动精度高，效率高的优点，所以本设计选用如图2-4中的直线排布方案。a.直线排布b.交错排布c.垂直排布图2-4驱动机构排布方案3.后轮驱动电机的选型果园除草机器人在果园中进行正常的行走的动力主要是通过后轮驱动电机来提供。在选择的过程中要想到除草机器人机器人在启动与正常行走情况下需要消耗的总功率。在机器人启动时，轮胎需要克服对地面的最大静摩擦力，其中最大静摩擦力与除草机器人对地面的压力成正比关系，机器人的具体参数如下:除草机器人的总重量m=120kg，车轮的直径为400mm，轮胎对地面的最大静摩擦系数ε=0.25。在静止状态下，除草机器人需要克服最大静摩擦力为：Fmax=εFn=εmg（公式2-21）将具体的参数代入上式，其中g=9.8m/s2,经过计算可以得到Fmax=294N。在启动过程中的摩擦力产生的扭矩为:Tf=Fmax×(D/2)(公式2-22)将Fmax=294N，D=400mm代入上式得，摩擦力产生的扭矩为58.8N•m。选用驱动电机的型号为DM08RC-170i130F24，具体参数如下表所示：电机型号额定电压额定转速额定功率每分钟转速DM08RC-170i130F2424V1800RPM200W30r/min驱动电机扭矩公式为：Tq=9549×Pe代入数据可得电机产生的扭矩为63.7N•m.由于地面摩擦力产生的扭矩小于驱动电机产生的扭矩，所以满足除草机器人的正常启动要求。4.减速器的选择由于驱动方式选择为直线型排布方式，所以选择行星减速器。如图2-5所示图2-5行星减速器行星减速器的工作原理：一个内齿圈与变速箱壳体紧密相连，齿圈的中心有一个由外部动力驱动的太阳能齿轮，两者之间是一组由三个齿轮组合在一个托盘上的行星齿轮。行星齿轮组浮在力轴、内齿圈和太阳齿支架上。整组行星齿轮系统会沿着外齿轮自行绕行转动，行星架架连接输出轴从而达到减速的目的。行星轮的输入轴连接电机，输出轴连接负载。5.联轴器选择联轴器在机械传动方面中有着非常广泛的应用，通常情况下主要是将轴与轴之间进行连接或将轴与其他旋转部件进行连接，起到传递运动和扭矩的作用。另一方面，联轴器还可以补偿两个旋转轴的相对位移量并起到缓冲以及安全保护的作用。由于在联轴器的加工过程中存在着误差，根据对各种相对位移的补偿能力，可将其分为刚性和柔性两种。刚性联轴器在使用中表现出承载能力大、对中性能好以及拆装方便等优点，因此此次课题选择刚性联轴器。6.驱动机构整体装配图根据驱动机构排布方案的选择，此次设计选择直线排布方式，它的整体设计三维图如图2-6所示，主要包括电机、联轴器、轴承座等，其中左右轮距为800mm，轮胎的直径为400mm。轮胎2-轴承座3-减速器4-驱动器5-联轴器图2-6驱动机构三维图1.1.5行走机构的整体装配图行走机构的整体三维图如图2-7所示图2-7行走机构三维图1.3除草装置以及避障机构的设计1.3.1除草装置设计除草装置是除草机器人的重要组成部分，是实现除草功能的必要部件。参照圆盘式除草机，除草装置有两个固定的刀盘和两个避障刀盘组成，初步确定每个刀盘的直径为320mm；通过查阅相关的果园机械文献得知，圆盘式除草机械的刀盘转速通常在800r/min～1200r/min之间，在实际的应用过程中通常会受到果树根系、杂草的直径、土壤情况的影响，此次课题初步设计除草刀盘的转速为1500r/min；除草刀具是果园除草机器人的关键工作部件，根据设计的要求，目前市场上常见的除草刀具不能满足要求，通过在网络上搜索以及查阅相关的资料，本次课题选择采用的是立体圆弧曲面刀具，刀片在安装过程中采用双螺栓均匀地固定到除草刀盘上。单个除草装置的简要三维图如图2-8所示。图2-8单个除草装置三维示意图1.3.2避障机构设计避障机构如图2-9所示，电动推杆、转向连杆和避障刀盘是避障机构的主要组成部分，转向连杆的第一端与固定刀盘盖进行可转动地连接，另一端与避障刀盘盖相铰接；电动推杆与固定刀盘盖进行可转动的连接，与连杆也进行可转动的连接。此机构利用电动推杆来驱动避障刀盘盖相对于固定刀盘盖转动，从而实现在株间避障除草，可以防止对果树以及除草装置造成伤害，提升除草作业的效率。1.除草电机1.连杆3.固定刀盘盖4.电动推杆5.避障刀盘盖图2-9除草和避障机构避障原理：避障过程如图2-9所示，在除草机器人进行除草作业过程中，当激光扫描仪没有检测到果树时，电通推杆不工作；当激光扫描仪检测到有果树时，激光扫描仪控制器向电动推杆发出指令，电动推杆会进行工作，将接近于果树的除草刀盘通过连杆机构向前推出，以此来完成避障任务，避免了对果树以及除草机械的损伤。固定刀盘架2-转向连杆3-果树4-旋转刀盘盖5-电动推杆图2-10果园除草机器人的避障过程1.4刀盘升降机构的设计对于果园除草机器人而言，升降机构也是它的重要的组成部分，对提升除草机器人的智能化水平有着重要的作用。升降机构一方面可以实现除草刀盘的抬升和下降功能，适用于传统的果园进行清理杂草工作，可以根据用户的要求设定除草刀盘离开地面的高度，也可以合理的调节刀具进入土壤的倾斜角度，使切削力最小化。另一方面升降机构为用户对除草装置的检查以及更换