机电一体化系统设计

1、推移式除草机的设计割草机是农、牧、园艺和园林等行业必备的一种常用机械，但适合面积狭小、形状不规则或地 形复杂的地段且操作使用便捷、灵活的小型推移式割草机却很少见。为此，在研究我国广泛应用的 一些割草机技术的基础上，设计了简单实用的推移式割草机,其特点是结构简单、轻便、工作头前伸 和支架高度可调;本文介绍了:推移式割草机的总体结构、工作原理、电机选择及传动比的计算相关 机构的校核。实验结果表明：该机具有操作容易、使用和携带方便、转向灵活等特点，能有效降低 劳动强度。推移式割草机的使用设计用途目前，大型生态园的绿地设计已是房地产开发团中一个重要环节，草地是绿化的 一种重要形式。目前，庭院里修整草地

2、通常使用身背柴油机作动力，采用尼龙绳甩打 草叶；或者是使用电动、柴油机的割草机，这种割草机体积大、噪音大，适用于空旷 大草坪，易夹草出故障，遇到石块可能使刀片断裂，发生事故。随着国内人们生活水 平的提高，人们对居住的绿化水平要求越来越高，尤其带花园的别墅不断增加，更需 要开发一种适合小面积草地、无噪音的手推式割草机。本次设计的手推割草机是专为家庭庭院及私人花园设计的，不适用于公共设施、 公园、运动场、道路、农场和林场等场合。注意事项1）不可以将手动割草机用于割除攀藤植物、屋顶或阳台上的青草等，那样有可 能伤害到身体。2）每次使用之前都需要进行一次检查，确认所有的螺栓、螺母、工具都没有磨 损或损

3、坏，对于磨钝或损坏了的刀片应当更换。3）再检查一下要割草的草坪表面，要清除干净石头、木块、电线等其他坚硬的 物体，这些物品碰到刀具时会飞甩出去而无法控制。4）旁边有人，尤其是儿童和动物的时候，不要使用该割草机。5）割草时一定要穿用防滑底做成的结实靴子。6）旋转的刀片转筒可能会造成人身伤害，刀片转筒和操作人员之间的安全距离 是通过导杆隔开的，一定要一直保持这个安全距离。在堤岸或斜坡上割草时尤其要注 意，一定要顺着斜坡的方向割。7）当后退拉动割草机时要特别小心，有绊倒的危险。8）任何时候都不要将手或脚放在运动部件的上方或下方。9）如果刀具或割草机遇到障碍或坚硬的物体时，一定要适当全面地检查割草机。

4、10）只有在能见度好，视野清晰的时候才可以进行工作。5二住茶登Fid1孤齿链齿建刀音压盘2-1割草机内部结构示意图Law/n, mower internal struct.ure_schematic drawing推移式割草机的工作原理割草机以移动式汽油机作为动力，由汽油机驱动传动齿轮和割草装置。行走机构 采用手推车架。汽油机转动带动长轴，长轴转动传递到弧形齿轮，两个呈角度的弧形 齿轮改变转动的方向，最后转动传递到割草装置，割草装置通过安装在轴上的割刀盘 带动割刀旋转完成割草作业。3）本设计方案的特点是：（1）.操作容易、使用和携带方便；（2）.转向灵活，能有效降低劳动强度；（3）.整机重量较

5、低。（4）.传动部分结构简单，维护方便。（5）.割草动作没有撕扯，对草坪更有益。割草机的总体方案设计和动力机的选择动力机的选择选用的汽油机1E139F参数如下汽油机型号1E139F汽油机型式单缸、风冷二冲程最大功率 1.4/6500kw/r/min噪声 101dB（A）最高稳定转速9000r/min油箱容积1.0L排量33.6cc点火方式无触点化油器型式膜片式传动轴型式硬轴净重7.7kg起动方式反冲起动背带型式双肩背带汽油机包装箱尺寸（mm）330 x302x300割草机传动部分设计本次设计的推移式割草机的传动部分主要是长轴带动锥齿轮转动，锥齿轮带动另 一锥齿轮转动并且改变方向，最后传到到割刀

6、转动，将草坪上多余高度的草割断。传 动部分的设计主要是对齿轮的设计。齿轮传动的类型齿轮传动就装置形式分：1）开式、半开式传动在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿 轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅 外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用 于低速传动。齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称 为半开式齿轮传动。它工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润 滑条件也不算最好。2）闭式传动而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确 加工而且封闭严密的箱体（机匣）

7、的，这称为闭式齿轮传动（齿轮箱）。它与开式或半开式 的相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场合。本次设计的推移式割草机割草总成部分尺寸比较小，传动齿轮尺寸和质量比较小， 转速比较高，且没有防护罩，如果选用开式容易损坏其寿命，因此齿轮传动选用闭式 传动。齿轮的设计准则齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以 齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、 齿面胶合以及塑性变形等。齿轮传动的失效形式不大可能同时发生，但却是互相影响的。例如齿面的点蚀会 加剧齿面的磨损，而严重的磨损又会导致轮齿折断。在一定条件下，由于上述第一、 二种失效形

8、式是主要的，因此设计齿轮传动时，应根据实际工作条件分析其可能发生 的主要失效形式，以确定相应的设计准则。齿轮传动的强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式进行的。对一般齿轮传动， 目前广泛采用的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度两种计算方法足以确定其承载能力。1）、闭式齿轮传动软齿面（HB350）闭式齿轮传动：一般失效形式是点面点蚀，故通常先按接触疲 劳强度设计几何尺寸，然后用弯曲疲劳强度验算其承载能力。硬齿面（HB2350）闭式齿轮传动：一般失效形式是齿根折断，故通常先按齿根弯 曲疲劳强度设计几何尺寸，然后用齿面接触疲劳强度验算其承载能力。2）、开式齿轮传动对于开式齿轮传动一般以齿根折断和齿面磨损而失效

9、。但目前尚无完善的磨损计 算方法，故仅以齿根弯曲疲劳强度设计几何尺寸或验算其承载能力，并在设计计算时 用适当加大模数（增大10%或15%）的办法来考虑磨损因素的影响。由于本次设计的手推割草机的齿轮传动属闭式传动且属于高速传动的硬齿面，因 此需按齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。4. 4齿轮精度的选择各类机器所用齿轮传动的精度等级范围列于下表中，按载荷及速度推荐的齿轮传 动精度等级如下图所示。各类机器所用齿轮传动的精度等级范围：表齿轮传动的精度等级Table4-1 Gear transmission accuracy level机器名称精度等级机器名称精度等级汽轮机36拖拉机68金属切削机床38通用

10、减速器68航空发动机48锻压机床69轻型汽车58起重机710载重汽车79农业机器811手推割草机属于农业机械，速度、精度要求都不高，故选用6级精度（GB1009588）。按齿根弯曲疲劳强度进行设计齿坯基本参数的确定:按照格利森的制度1）、轴交角与传动比i,是根据齿轮副的传动要求确定的。2）、根据齿轮副所要传递的功率、扭矩，利用经验公式或图表确定小轮外端的节d m = i 圆直径di和小轮齿数zi（不小于5）。孤齿锥齿轮的外端模数m可以根据公式zi确定。3）、大轮的齿数z2=izi计算后圆整，且大轮与小轮的齿数之和不小于40。4）、齿面宽b的确定。查表，一般选择为 30%外锥距。5）、根据大轮和

11、小轮的旋转方向确定齿轮的旋向。齿轮的旋转方向是根据传动要 求确定的，它的选择要保证齿轮副在啮合的过程中有互相推开的轴向力。6）、为了保证齿轮副具有一定的重合度，应选择合适的螺旋角，一般选择位35度。 可以根据经验表格来选取适当的螺旋角，并可根据公式计算相应的重合度。B为齿宽，Re为外锥距，R为中点锥距，Ri为内锥距，mF为端面重合度。b11 bR+ =2 R R ） R Re 1e iV R KF邮 - 3（5）37）、压力角的确定。压力角一般有16、19、20、21.5、22.5、25度等，孤齿锥齿轮一般用20度。压力角太小减小了齿轮的强度，并容易发生根切，但柔性增大；压力 角太大容易使得齿

12、顶变尖，降低重合度。小轿车为了降低噪声、运转平稳，采用小压 力角。载重汽车一般用大的压力角，以增大齿轮的强度。8）、齿顶高系数、顶隙系数与侧隙。查表，一般当小轮齿数z1 - 12时，齿顶高系 数为0.85,顶隙为0.188,则工作齿高系数为1.7,全齿高系数为1.888。侧隙查表选取。9）、变位系数的选择。根据传动比与齿轮的齿数查表。参数确定如下：1）选用孤齿锥齿轮传动;齿轮精度为8级；选择大小齿轮材料均为20CrMnTi，渗碳 后淬火处理，强度极限为1100Mpa，屈服极限为850Mpa，齿芯部硬度为300HBS。； 闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，大齿轮的齿数

13、 为Z2=20，小齿轮的齿数Z1=16，传动比为i=0.8，轴交角为120。2）计算齿轮传递的转矩。由于汽油机的最高转速n1=6500 r/min，根据传动比i12=0.8，则小齿轮的转速为n2=6500 x 0.8=5200r/min,大齿轮功率近似P=1.4kw根据公式算得：尸9549 x14T = 9549 . 1 时 =2056N - mm招 6500r /min查机械设计实用手册图5.6-11和5.6-12，确定节圆直径d2=24，d1=30模数m=1.53）由机械设计实用手册按以上步骤确定弓瓜齿其它参数如下齿轮小齿轮大齿轮螺旋角3535齿形角2020工作齿高系数1.7齿顶高系数0.

14、850.425压力角2020顶隙系数0.1888齿宽811变位系数0参数如图.鸯 数一数一t 齿模一压小轮偏置外锥距齿顶高齿根高工作齿高全齿高节裾定点到交番点的魅莒面锥顶点到交错点的距离 根罹i点到交错点瓯鬲. 轮冠到交错点的距离一. 前冠到交错点的距离一一 节锥角16：20 ；1.500mm:顼 =-1;235 二二二二*通 二二一一二亟 二卷5 P,. 668127；_0；_9739： 94644：9： 000中点螺旋角 旋向节锥直径-侧隙 力具直径 外径割草机割草机构的设计12. 89：11., 180 5. 75： 派西S逐瓦倒加一 47. 1 安缠.52. 02：684 2 ?. 6

15、9 3171.513 64 薮曲3&匚!&蕊近 0一，石旋一 !.30 二二：顼三房sm1谗3二死殓污蓉i：ii茹f齿轮参数Fig 4-1 Gear parameters推移式割草机的割草机构如图所示图5-1刀片Fig5-1 blade图托盘压盘割草机割草机构由压盘、托盘和刀片组成，刀片在压盘和托盘中间，在压盘外面， 由螺母扭紧固定。刀片材料的选择割草机刀片必须采用高强度优质钢材，经过特殊热处理工艺保证刀片有较高的强 度、锋利度、耐磨性、抗冲击韧性。刀架及刀片外形应该符合空气动力学要求，尽量 减少运动时的空气阻力，以降低功率消耗。装配、调整刀具时，必须保证两端力矩平 衡，以减少振动和噪声。刀片

16、材料选用优质合金钢。在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而 构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高 韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。刀片的设计设计多种形式的刀片以适应不同的割草环境。一些刀片如图5-3图不同样式的刀片各种割草机刀片用途：1）2齿刀片：适用于切割较低软的杂草，切割直径大（菱形刀片在操作中比较安 全）2）3齿刀片：适用于切割较高软的杂草，经济实惠3）4齿刀片：适用于切割较高软的杂草（平衡，震动小，切割效果比较平整）4）8齿刀片：适用于切割较低软的杂草（平衡，震动小，切割效果比较平整）5）40齿刀片：适用于切割较硬的

17、杂草和灌木（灌木直径厘米）6）80齿刀片：适用于切割较硬的杂草和灌木（平衡，振动小，切割效果比较平整）刀片的切割过程：在刀片割草的过程中，刀片和草是一对矛盾。要弄清切割过程的实质，必须先了 解这两方面的性质和特点，才能进一步分析它们的相互作用。草的横截面呈扁平或槽型。非均匀体在不同方向上的机械性能并不相同（称为各 向异性），这是与均匀材料（各向同性）显著不同的特点。草的刚度很小，极易弯曲， 到一定挠度时，就会失去稳定而弯折。利用工具所施加的压力来破坏材料相互之间联系使之分离的机械加工过程，都称 之为“切”。刀片的切割过程同刀具切削金属的过程及冲模冲剪材料的过程本质是不同 的。刀片的断面呈薄的楔

18、形，前后两个刃磨面组成的楔角的顶部就是刃口。刀片的“切 割”过程同“切削”及“冲剪”之不同，在于前者是利用刃口对材料产生很大的单位 应力，使刃口穿透入被切材料之中来破坏材料。齿刀片的切割过程是，刀片以齿尖刺穿草面，将其断面分割开；随着齿尖的继续 插入，由于草的强度各向异性的特点，纤维之间很容易沿横向被撕开，因而受到削弱。 草被齿尖刺入后也不会再沿刀刃向外滑出，所以被割断。轴的设计轴的概述轴是组成机器的主要零件之一。一切做回转运动的传动零件都必须安装在轴上才 能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递动力和运动。按照承受载荷的不同，轴可以分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既能

19、承受弯 矩又能承受扭矩的称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。只承受扭矩而 不承受弯矩的轴称为传动轴。还有很多种不同的分类方法，在此就不一一列出。轴的设计轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合 理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零 件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构 设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况 下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需

20、要对轴进行强度计算，以防止断裂 或塑性变形。而对于刚性要求较高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算， 以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴还应进行振动稳定性计算，以防 止发生共振而破坏。轴的结构设计又包括制定处合理的外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件 的类型、尺寸、数量以及和轴联结的方法；载荷性质、大小、方向及分布情况；轴的 加工工艺等。而影响轴的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有 标准的结构形式。设计时，必须使轴满足以下条件：轴和轴上工作的零件要有准确的 工作位置；轴上的零件应便于装卸

21、和调整；轴应具有良好的制造工艺等。轴的材料选择轴的材料选用调制钢40Cr，这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工 作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶 尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如 齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、 低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套 环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的 零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、螺钉、螺帽、进气阀等。 此外，这种钢又适于

22、制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性 好的齿轮和轴。长轴的校核长轴只受到扭转的作用，因此需按扭转应力来校核轴的强度。长轴的扭矩：T = 9549，= 954914 = 2056N - mmW 6500r / min由强度条件，TmaxTmaxwt最小截面为边长为5的正方形截面。查材料力学p96表得a=0.208=79.07Mpa T _ 2056 max abh30.208 x 53对于钢材来说，许用剪应力一般按（）8b/n，n为安全系数 查机械设计实用手册P770表得40Cr的Sb=750Mpa计算得tmax It ，满足强度条件。故长轴安全。谈谈对机电一体化的看法摘要：

23、随着机电一体化技术的发展和完善，机电一体化产品的概念已不再局限于某一 具体产品的范围，而是逐步扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控 制的大系统，数控机床就是机电一体化技术在机床领域的具体应用。关键字：机电一体化 数控机床 发展趋势机电一体化产品（或系统）是指机械系统和微电子系统有机结合，从而产生新功 能和新性能的新产品。此类产品和传统的机电系统相比，其主要特点是实现了机电系 统在微电子技术基础上的信息驱动，在工作过程中可以对本身和外界环境的各种信息 惊醒采集，处理和分析，系统的行为则完全取决于在信息分析基础上所做出的控制决 策。微电子技术的应用是实现信息采集，处理，分析和智能化控

24、制决策的根本保证叽机电一体化的最大优点就在于其的生产能力和工作质量的提高。机电一体化产品 大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度，精度以及范围都有 很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完 成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳 的工作质量和较高的产品合格率。同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化， 使得生产能力大大提高。例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比 普通机床提高56倍，柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.53.5倍，机床数量 可减少约50%,节省操作人员数量约50%，缩短生产

25、周期40%，使加工成本降低50%左右。 此外，由于机电一体化工作方式具有可通过调整软件来适应需求的良好柔性，特别适 合于多品种小批量产品的生产，是缩短产品开发周期，加速更新换代的重要途径由。数控机床是采用了数控技术的机床，是机电一体化的典型应用，国际信息处理联 盟第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的 机床。该控制系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。数控 机床是典型的数控化设备，一般由信息载体，计算机数控系统，伺服系统和机床本体 四部分组成。数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升 飞机桨叶轮廓用检查样板

26、的加工机床任务时，提出了研制时空机床的初始设想。1949 年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，于麻省理工学院伺服机构 实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成 功世界上第一台数控机床试验型样机。后又经过三年的改进和自动编程研究，于1955 年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床仅 局限在航空工业中应用，品种也多为连续控制系统。到了 20世纪60年代，由于晶体 管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床， 其中多数是钻床，冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用

27、，而 且逐步推广到焊接机，火焰切割机等，是数控技术不断地扩展其应用范围。数控技术 的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征；而且随 着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国际民生的一些重要行业（IT，汽车， 轻工，医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是 现代发展的大趋势E。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现如下发展趋势。高速，高精密化新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时，才可能进 一步提高其生产率。超高速加工，特别是超高速铣削，与新一代高速数控机床，特别 是高速加工中心的开发，应用紧密相关【4。20世纪90年

28、代以来，欧，美，日各国争相 开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。依靠快速，准确的数字量 传递技术，对高性能的机床执行部件进行高精密度，高响应速度的实时处理。效率和 质量是先进制造技术的主体。高速，高精度加工技术可极大地提高效率，产品的质量 和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此，日本先端技术研究所将其列为5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向 之一 k 。高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性，要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上， 但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。数控机床设计CAD化随

29、着计算机应用的普及及软件技术的发展，计算机辅助设计技术得到了广泛发展。 CAD不仅可以替代人工完成浩繁的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选拔和大件 整机的静，动态特性的分析，计算，预测和优化设计，可以对整机各工作部件进行动 态模拟仿真。在模块化的基础上，在设计阶段就可以看到产品的三维几何模型和逼真 的色彩队。采用CAD还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试 制周期，降低成本，增加产品的市场竞争能力。数控机床的设计是一项要求较高，综 合性强，工作量大的工作，故应用CAD技术就更有必要和迫切。（1）.机构设计模块化任何一类机床都是由若干基础件，标准件和功能部件组成的，尽管在同一类机床 中有规格大小和立，卧等形式之分，但大体上功能部件都是相似的。为便于发展同系 列和跨系列变形品种，满足用户市场的需要，现在许多机床生产厂家都在发展自己产 品的模块化结构设计。（2）.数控机床结构的创新数控机床的结构技术重大突破的突出表现，是近年来已出现的所谓6条“腿”支撑， 并连接上平台与下平台的构架结构形式。随着这种结构技术的成熟和发展，预示着数 控机床技术将进入一个有重大变革和创新的时代。（3）.数控机床功能的多样化随着计算机技术的飞速发展，数控机床的