毕业设计（论文）-自动割草机设计

I自动割草机I摘要自上世纪八十年代之后，随着我国改革开放的进一步深入，标志着我国社会即将进入到注重物质文化生活、精神文化生活的现代化社会，就仿佛上世纪九十年代的欧洲重视园林机械发展的开端，将来自动割草机将会被普遍的应用在各个场合、各个领域。如今，在国内即使有众多的公司有割草机器人的产品，但需要进一步改良、研究。本文以实际生产任务为首要目的，主要目标是设计实现了自动割草机工作任务，研究设计了自动割草机的机械结构部分、控制系统部分，进而实现了割草机器人的设计研究。在查阅国内外割草机器人公司产品，剖析其产品具体的优点和缺点，确定了自动割草机的基本设计参数，将其结构分为车体机架结构、前进轮前进机构、割草机构以及PLC等四个具体设计模块，选择了一套合理可行的方案。其次，在控制系统方面，比较了PLC及微机的优劣、经济、性能后，决定在自动割草机的控制系统选用PLC作为控制核心，并对其结构进行了细化分类，具体分为驱动系统、转向系统、人机交互系统等三个部分，对控制系统进行了具体细节分析设计及其调试，使得自动割草机在PLC内预先对割草任务设计编程的情况下能独立实现工作。关键字：传动系统，结构设计，自动割草机，PLC

全套图纸加V信153893706或扣3346389411II自动割草机IIABSTRACTSincethe1980s,withthefurtherdeepeningofreformandopeningup,China'sscienceandtechnologyandeconomyhavebeengreatlydeveloped.Thebetterlifeattachesgreatimportancetothedualmaterialandspiritual.JustlikethedevelopmentoflandscapemachineryintheUnitedStates.AlthoughtherearemanyresearchinstitutesandenterprisesinChinatodevelopandresearchmowingrobots,theoveralllevelisnothigh,andmanydetailsneedtobeimprovedandstudied.Inthispaper,themechanicalstructureandcontrolsystemoftheautonomousmowingrobotarestudiedanddesignedbasedontheuser'srequirementsandthegoalofimprovingthefunctionsoftheautonomousmowingrobot.Afterconsultingtheproductsofmowingrobotcompaniesathomeandabroadandanalyzingtheirlearningpoints,thebasicdesignparametersoftheautonomousmowingrobotaredetermined.Itsstructureisdividedintofourspecificdesignmodules,i.e.bodyframestructure,walkingwheelforwardmechanism,mowingmechanismandelectricalcircuitlayout.Accordingtothecharacteristicsofthemodules,thespecificresearch,analysis,schemecomparisonarecompleted,andtheselectionismadeAreasonableandfeasibleplan.Secondly,intheaspectofcontrolsystem,aftercomparingtheeconomy,advantagesanddisadvantagesofsingle-chipmicrocomputerandPLC,wedecidetochoosePLCasthecontrolcoreoftheautonomousmowingrobot,andmakeadetailedclassificationofitsstructure,whichisdividedintothreeparts:drivesystem,steeringsystem,human-computerinteractionsystem,etc.,andmakeadetailedanalysis,designanddebuggingofthecontrolsystemItisnecessaryforthemowingrobottocompletethepresetmowingtaskindependently.Keywords:Transmissionsystem,structuraldesign,automaticmower,PLC绪论1.1选题背景及其意义传统的人工修剪割草模式不仅耗时耗力，而且，修剪的草坪平整度也比较差，工作人员需要长时间的弯腰工作，因此，随着城市化进程的快速推进，城市居民的人均绿化面积不断增长，如公园，绿化带等草坪面积也越来越多。基于此情况，为了更好的满足市场需求，本文针对自动割草机的实际工作要求，结合机械设计原理，以及参考相关的自动割草机结构，进行设计分析。本课题的设计意义在于通过机械化的自动割草机替代传统的人工操作，可以大大的提高工作效率，以及在修剪的质量上也得到提升。在设计过程中我们将自动割草机设计为高度可调节的结构形式，使得自动割草机可以在不同的工作场合，实现对不同高度的修剪工作。在动力系统方面，我们使用电动形式替代燃油机，不仅降低了工作过程中的噪音，同时，使用清洁能源避免了环境污染的情况，减少自动割草机在工作过程中产生的污染。在查阅文献资料后，设计基本机械部件、完成了运动分析、控制系统的设计等任务。1.2国内发展现状分析随着我国改革开放的进一步深入，标志着我国社会即将进入到注重物质文化生活、精神文化生活的现代化社会，就仿佛上世纪九十年代的欧洲重视绿化发展的开端，将来自动割草机将会被普遍的应用在各个场合、各个领域。如今，国内自动割草机的使用也越来越多，国内即使有众多的公司有割草机器人的产品，但需要进一步改良、研究，使用的场地有别墅、花坛以及其他地方。如果采用老旧落伍的割草机，对人力的浪费十分严重，同时也严重浪费了经济，不符合我国可持续发展的目标，也是由于使用人力的原因。也正是由于老旧割草机的噪音污染，国外许多国家出台的一系列的法规加以限制。本文以实际生产任务为首要目的，主要目标是设计实现了自动割草机工作任务，研究设计了自动割草机的机械结构部分、控制系统部分，进而实现了割草机器人的设计研究。在查阅国内外割草机器人公司产品，剖析其产品具体的优点和缺点，确定了自动割草机的基本设计参数，将其结构分为车体机架结构、前进轮前进机构、割草机构以及PLC等四方面设计。其次，在控制系统方面，比较了PLC及微机的优劣、经济、性能后，决定在自动割草机的控制系统选用PLC作为控制核心，并对其结构进行了细化分类，具体分为驱动系统、转向系统、人机交互系统等三个部分，对控制系统进行了具体细节分析设计及其调试，使得自动割草机在PLC内预先对割草任务设计编程的情况下能独立实现工作。西方国家很久以前就开始改进割草工艺，使用的工具也不断改进，直至如今量产的割草机器人，不在需要浪费很多的劳动力，完全能够自己完成割草任务。欧洲公司的产品Robomow系列割草机器如下右图所示，在达到电池满能量的情况下能够完成割草任务多达几个小时，而且充电速度十分迅速，并且还能在遇到阻挡物的时候自动转向。下左图是欧洲另一家公司生产的Automower系列，按照遥控车的模型构造设计，并且具备红外传感装置，每次感受到户外有下雨的情况时，能够自主取消预设的任务，回到任务起点待机。图1-1AutoMower图1-2FriendlyRobomow我国自动割草机的研究起步较晚，随着我国改革开放的进一步深入，城市内每个人平均下来拥有的绿化面积一直在变大，因此对割草机器人的需求也不断增加。割草机械在经历一百多年发展的历史后，目前割草机器人普遍采用电池驱动的电动割草机器人。由于割草机器人的割草任务一般在居民区、公园等场合，往往这些地方就是城市人口最为密集的地区，因此对割草机器人产生的噪音及污染有着严格的要求。随着环保意识提高,我国草坪业发展迅速,对剪草机械的需求亦随之增大,现阶段已开发了几十种适用于不同场合的剪草机[3]。1.3研究内容本论文的研究内容是设计自动割草机，使得割草机器人能独立实现草坪修剪任务，并且能够克服草坪地面的一些高低起伏。自动割草机的结构主要包括机械本体、行进驱动机构部分和刀盘机构部分。车体部分需确定车体的具体的长度、宽度、车体材料等，并且根据行进驱动任务需求具体选择驱动电机的参数、性能、尺寸，刀盘机构部分需要对刀片的样式进行选择，设计选用合理的传动减速，使得刀片依靠选用的电机驱动，在合理的传动减速下达到工作任务要求。1.3.1自动割草机的基本工作流程实现自动割草机自动前进割草驱动电机PLC实现自动割草机自动前进割草驱动电机PLC按钮图1.3自动割草机器工作流程图通过按下启动按钮，PLC接受按钮信号，发送指令给驱动电机，电机启动驱动车体前进，同时割刀启动开始割草，通过控制PLC控制脉冲频率改变步进电机的转速，从而完成对自动割草机行进速度的控制。1.3.2车体整体结构割草机器人能独立实现草坪修剪任务、并且能够克服草坪地面的一些高低起伏的前提下，通过论文[4]决定采用轮式移动平台，确定移动平台轮子数量为四轮。综合考虑使用情况的简便性、选用驱动电机的型号、主要车体材料的成本，确定车体体积在左右，重量约为20kg。1.3.3车体运动装置车体运动装置主要安装在车体前部，由电机、导杆、滑块等构成。依靠伺服电机带动链轮转动，锥齿轮轴传动实现了水平和竖直方向上的转动，通过同步带轮带动轮轴转动，从而带动车轮滚动，实现自动割草机前进，并且通过伺服电机，齿轮传动控制车轮转向。1.3.4割草机构装置割草机构装置主要安装在车体中部，选用低压伺服电机驱动，通过1级V带传动简述、2级齿轮减速，降低了电机的额定转速，达到了自动割草机的预定转速，刀盘高速转动利用边缘的刀刃切割杂草达到割草的目的。1.3.5PLC控制在控制系统方面，所以在自动割草机的控制系统选用PLC作为控制核心，并对其结构进行了细化分类，具体分为驱动系统、转向系统、人机交互系统等三个部分，对控制系统进行了具体细节分析设计及其调试，使得割草机器人能独立实现预设的割草。1.4本章小结本章主要自动割草机目前的使用情况，以及相关国内外的厂家设备进行分析，了解目前国内外对于自动割草机的应用情况，以及对自动割草机的结构组成与工作原理进行分析，讨论自动割草机的发展趋势；确定本次论文设计内用的需求。2总体设计分析2.1机械结构设计主要内容本课题主要研究内容是对自动割草机的基本构造进行设计，使得割草机器人能独立实现草坪修剪任务，并且能够克服草坪地面的一些高低起伏。自动割草机的结构主要包括机械本体、行进驱动机构部分和刀盘机构部分。车体部分需确定车体的具体的长度、宽度、车体材料等，并且根据行进驱动任务需求具体选择驱动电机的参数、性能、尺寸，刀盘机构部分需要对刀片的样式进行选择，设计选用合理的传动减速，使得刀片依靠选用的电机驱动，在合理的传动减速下达到工作任务要求。主要工作内容：（1）对车体驱动方式的分析。（2）对割草切割方式的分析。（3）拟定总体设计方案。（4）对方案进行分析探讨。（5）对基本零件完成设计计算。（6）对控制系统的分析设计。2.2总体设计方案拟定割草机器人的机械结构较为简单，主要由车体机架、切割结构、驱动机构组成，在完成机械机构的设计之后，再设计控制系统，让割草机器人在选用PLC作为控制核心的控制下，照预定的路径前进和割草。机器人工作是否能够稳定的工作是依靠车体来决定的。其次是确定总体结构域各动作，功能要求的实现方式，然后确定各结构的安装，固定方式，合理的布置结构，使总体结构人性化，合理化，满足机械设计要求，确保操作人员使用方便。2.2.1设计方案对比分析（1）设计方案一自动割草机主要用于园林、绿化带、公园等地方的草坪修剪工作，由于工作状况比较复杂，地形多变，所以要求修剪部分机构简单、可靠、易于维护。因此确定如下方案。动力由电机提供。草坪修剪刀由汽油机输出轴依靠带传动驱动，总体结构下图所示：图2-1方案草图一（2）设计方案二图2-2方案草图二方案二中对手推式草坪修剪机的设计主要由电机驱动前进，电机驱动转向，并且能够随时随地的通过PLC调整参数，电源使用电池能够在工作时候不插电源。割草机器人为了可以克服草坪地面的一些高低起伏，因此使用轮式移动平台，确定移动平台轮子数量为四轮，如下示意图。电机助力前进装置，通过手推控制手推式草坪修剪机的前进方向，前进后退等前进功能，省时省力，使用方便。电机驱动使用的是电能，通过蓄电池供电，电能为清洁能源，所以，符合本文设计的环保宗旨。机架钢结构强度更高，手推把手位置原理锯片，安全性更高。通过上述两种方案对比，我们选用方案二进行设计，主要原因是：电机助力前进装置，通过手推控制手推式草坪修剪机的前进方向，前进后退等前进功能，省时省力，使用方便。电机驱动使用的是电能，通过蓄电池供电，电能为清洁能源，所以，符合本文设计的环保宗旨。机架钢结构强度更高，手推把手位置原理锯片，安全性更高。2.3车体机构的设计割草机器人车体机构的设计就是选择机器人底部轮子的运动模式，机器人工作的稳定性也是靠车体机构设计来决定的。目前主要的机器人移动平台有履带式移动平台、轮式移动平台、足式移动平台等。割草机器人能独立实现草坪修剪任务，并且能够克服草坪地面的一些高低起伏，通过论文[4]决定采用轮式移动平台，确定移动平台轮子数量为四轮，如下示意图2-3。图2-3移动平台示意图2.4前进机构的设计割草机器人前进机构是在于两前进轮的依靠电机驱动前进，因此设选用电动机计是设计内容。在目前种类繁多的电机按照工作电源种类的划分可分为直流电机和交流电机，根据工作原理可以将直流电机细分为无刷直流电机和有刷直流电机。上述三种电机性能如下表2-1所示。表2-1电机性能由于割草机器人在日常使用中不可能更换驱动电机，所以要保证驱动电机的使用寿命较长，维护简单，考虑机械特性、过载能力、可控性、维护、效率和成本等因素，从而选择直流电机。为了使本文设计的割草机器人在市场中更具备竞争力，需求驱动电机在使用的过程中噪声小、维护快捷，综合考虑确定使用无刷直流电机为驱动电机。2.5割草机构的设计割草机器人割草机构是在于选用刀具的依靠电机驱动，因此设选用电动机和刀片是设计内容。具体的刀具有刀片，能够快速的割草，可以经常换新的，但是有一个较为严重的缺点是容易损坏，还有刀盘，能够承受强大的扭矩，不容易变形，缺点是一旦启动停下来要很久，由于很厚，割草十分缓慢，噪音大。刀具示意图如下图。图2-4割草刀具示意图图2.4左一为刀片。图2.4右一为刀盘。综合考虑机器人的割草效率、刀具成本、使用便捷性，刀具选用一字刀刀片作为割草机器人的。2.6控制系统的设计2.6.1控制方式的选择目前常用的控制方式只要有单片机，PLC两种方式，以下我们分别对两种方式进行分析，确定本课题所选用的控制方式。可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，能够即时通过控制指令载入内存进行储存与执行。如今在工业上应用可编程逻辑控制器约等于于一台结构简单的主机，其在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于目前的各类工业控制领域。PLC的生产厂商很多，如西门子、施耐德、三菱、台达等。单片机也被称为单片微控器，属于一种集成式电路芯片。在单片机中主要包含CPU、只读存储器ROM和随机存储器RAM等，多样化数据采集与控制系统能够让单片机完成各项复杂的运算，无论是对运算符号进行控制，还是对系统下达运算指令都能通过单片机完成，在工业控制领域广泛应用。PLC是拥有十分稳定的工作能力，且能用用于各个工业情境，有很强的可操作性。同时PLC也具备自诊断功能,一旦控制系统发生故障,会自动切换到故障提示界面,指出产生错误的原因,方便维修人员根据提示迅速排除故障[11]，而且如果需要拓展功能，PLC拓展操作十分简单。结合本课题设计要求，自动割草机具备多种工作模式，而且，在工作器件，需要对驱动电机发送不同指令，所以本课题自动割草机选用PLC作为控制核心。2.6.2控制系统设计思路自动割草机的驱动部分主要是前进装置驱动电机，割草装置驱动电机，前进装置驱动电机驱动自动割草机的前进功能，可通过调节变频器的频率，来实现对前进速度的无极调速，实现自动割草机前进快慢速度的调节控制；割草装置驱动电机驱动割草刀片旋转运动，可以实现对割草刀片旋转速度的调节；对通过行程开关进行限位，由于在前进过程中和割草工作中可能会存在过载的情况，此时通过电流过载保护器对电机进行保护，当电流出现过载，超过我们的设定电流值时，电流过载保护器断开电路，电机停止，避免电机出现过载烧坏的情况。图2-5自动割草机控制系统流程图自动割草机的工作模式分为自动工作模式，手动工作模式两种，自动工作模式用于对平整草坪地面的修剪工作，可以在无人化操作模式下运行，通过输入程序，PLC按程序指令可以实现重复循环的工作模式，省时省力，工作稳定性好。手动工作模式主要用于地面凹凸不平，斜坡，或者小面积自动割草修剪的情况下，以及在对设备进行调试工作下可通过手动操作，手动操作可对前进装置、割草装置进行分别启动停止，可点动也可长按启动，工作模式灵活。程序设计方案如下：（1）程序初始化进入操作界面，系统自动扫面各个开关信号是否存在故障，手动按键输入工作模式。（2）主控制程序按照独立开展的原则，前进装置与割草装置由于是两个独立的功能模块，互不干扰，但是在自动运行模式下，割草装置需要先启动，再启动前进装置，避免在前进过程中再启动割草装置，会对割草装置产生较大冲击和过载的情况，从而损坏机械结构。（3）设备存在故障的时候可发出自动声光报警信号，提示操作人员存在故障，并且，对电流情况，启动次数，过载情况，前进装置/割草装置的主轴转速情况进行实时记录，以便于操作人员可以快速的找到问题点进行故障排查。自动割草机的控制程序我们选用的是模块化编程，采用梯形图进行编写的，更符合继电器控制系统的思路[12]。对整个设备有主控制程序，对各机构有子程序模块，这样实现工作的有序性，以及对程序可进一步进行简化，避免程序出现冗长的情况，同时也为重新的修改，编辑提供了便捷性。在自动模式下，我们可以起到单个子程序，也可以启动整个程序进行运行。为了避免出现紧急情况，我们设计了急停按钮，例如出现过载，割草刀片被断裂等情况，可以通过按下急停按钮对整个设备立刻停机。2.7本章小结本章节对割草机器人的方案进行了比较，选用了一套合理的方案，并且对车体机构设计、前进机构的设计、割草机构的设计进行了细节设计，在控制系统中比较了各种控制方式选用了PLC作为控制系统的控制核心，并且完成了控制系统流程图的绘制。3自动割草机刀片结构设计3.1选择电动机3.1.1电动机类型的选择按照刀具驱动设计，选用德马克电机有限公司的直流伺服电机。3.1.2计算传动装置总效率ηa=η1为联轴器的效率,为V带的效率,为角接触球轴承的效率,为圆柱齿轮的效率,为工作机的效率。3.1.3选择电动机容量自动割草机气人为了完成割草的日常工作，设计专用的割草机构。自动割草机的刀盘转速为即工作转速。查阅参考文献资料，确定传动比范围如下。带传动比范围为：，直齿轮减速传动比范围为：，因此理论传动比范围为：。可选择的电动机转速范围为（3-2）根据图3-1实际工作情况及环境等因素，综合考量，决定选定电机型号为：180M-28020C5-E。图3-2外形尺寸表3-1直流伺服电机选型表表3-2外形尺寸3.2V带设计计算3.2.1确定计算功率由表3-3,查得工作情况系数KA=1故（3-3）表3-3工作情况系数表3.2.2选择v带的型号根据，和小带轮转速n1=1470r/min,因此选用B。3.2.3确定带轮的基准直径和(1)初选小带轮的基准直径由图3-3主动轮=125mm图3-3V带选型(2)验算带速v（3-5）在范围内,带速合适。(3)由式计算大动轮基准直径dd2若计入带的滑动率ε=0.02，则（3-6）查阅手册，取。（4）确定中心距和带的基准长度1.选中心距，符合0.72.计算带所需基准长度（3-7）由表，选用带的基准长度=1120mm表3-4标准带长规格表3.由式计算实际中心距（3-7）中心距变动范围（5）验算小带轮包角（3-10）适合。（6）确定带的根数（3-11）查表3-5，得查表3-6，得表3-5标准带长规格表表3-6标准带长规格表由3-7计算查表3-6得,查表3-8得表3-7标准带长规格表表3-8标准带长规格表计算所需的带根数（3-12）取根（7）确定初拉力查表，查得，则由式得（3-13）（8）计算作用在轴上的压力作用在轴上的压力为（3-14）带轮结构设计带轮结构设计如表3-9。表3-9标准带长规格表3.3齿轮设计3.3.1选择齿轮类型、精度等级及齿数割草机器人为一般工作机，故选用7级精度。选择小齿轮45（正火），齿面硬度156～217HBS，大齿轮45（正火），齿面硬度156～217HBS选小齿轮齿数Z1=39，则大齿轮齿数Z2=Z1×i=39×2.17=84.6（3-15）取Z2=85。u=85/39=2.179（3-16）3.3.2按齿面接触疲劳强度设计闭式软齿面，故按齿面接触疲劳强度设计，得d1t≥32×（1）各个数值具体如下。1.初选螺旋角。2.试选载荷系数。3.小齿轮传递的扭矩由前面计算得4.由表7-5选取齿宽系数。5.查表7-4得材料的弹性影响系数（2）计算接触疲劳许用应力。查表，小齿轮的接触疲劳强度极限;大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数为N（3-17）NL2=NL1u接触疲劳强度的方式具体计算工作寿命：KHN1=1.13，KHN2(3)计算接触疲劳许用应力（取安全系数SH=1）σH1=σHlim1×σH2=σHlim2×σH=σH2(4)确定重合度系数ε（3-23）ε（3-24）取则（3-25）（5）确定螺旋角系数Zβ=cosβ=初算d1t，得d（3-27）（6）确定传动尺寸。1.计算载荷系数v=π×d1t×n60由图或表查得KA=1.25，Kv=1.018，Kβ=1.441，Kα=1.2。故载荷系数为KH=KA2.计算修正d1。d1=d1t3.确定模数（3-31）4.计算传动尺寸。中心距a=z因螺旋角与出选址相差较小，故不需要修正。d1=mn×d2=mn×z（3-34）取b1=45mm，b2=40mm。（7）校核齿根弯曲疲劳强度σF=2×K齿宽b=40，其余参数如之前计算所得。YFa和YSa，当量齿数为：zv1=z1coszv2=z2cos查表，得：YFa1查图，得：Yε=0.67，Yβ=0.634确定许用弯曲应力。许用弯曲应力由（3-38）计算得到。（3-38）查图得σFlim1取Y查表，取S=1.25，由式（3-38）得σF1=YFN1σF2=YFN2校核齿根弯曲疲劳强度（3-41）σF2=σF1×故弯曲强度足够。（8）计算齿轮传动其他尺寸1.计算ha=m×hhf=m×hh=ha+hf2.计算da1=d1+2×ha=168.403mm计算df1=d1df2=d2注：3.3.3尺寸总结齿轮参数和几何尺寸如下表。表3-10齿轮参数和几何尺寸总结3.4输入轴的设计3.4.1输入轴的设计已知参数：转速n=980r/min；功率P=14.85kW；轴所传递的转矩T=14470.1N•mm。轴的材料选择并确定许用弯曲应力查表选用45（调质），硬度为280HBS，许用弯曲应力为[σ]=60MPa按扭转强度概略计算轴的最小直径因为轴向载荷比较小，C取较大值，故取C=118。（3-50）由于最小轴段截面上要开1个键槽，故将轴径增大5%（3-51）查表可知标准轴孔直径为40mm故取dmin=40mm。（1）输入轴和大带轮配合，查表选取标准轴径，带轮轮毂长度L略大于l12长度，故。选用普通平键，A型键，，键长。（2）皮带轮与轴采用轴肩定位，取d23=45mm。由于轴端皮带轮与轴承段高有一定高度差，所以取l23=40mm。（3）选用角接触球轴承。参照并根据工作要求和，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承7210AC，其尺寸为。（4）为了轴与减速齿轮的方便安装，取，；为防止角接触轴轴向窜动，采用套筒固定，所以取d45=74m。所以轴的参数如表3-11。表3-11输入轴的几何尺寸总结3.4.1输入轴的受力分析输入轴小齿轮所受的圆周力（3-52）输入轴小齿轮所受的径向力（3-53）输入轴小齿轮所受的轴向力（3-54）根据7210AC角接触查手册得压力中心a=26.3mm第一段轴承压力中心与轴中点间距:（3-55）齿轮支点与轴承压力中心间距:（3-56）轴承压力中心与齿轮中心间距:（3-57）(1)计算轴的支反力输入轴上外传动件压轴力Q=-27.09N水平支反力（3-58）（3-59）垂直支反力（3-60）（3-61）(2)弯矩图在C处的水平弯矩（3-62）在B处的垂直弯矩（3-63）在C处的垂直弯矩（3-64）（3-65）分别作水平面的弯矩图（图b）和垂直面弯矩图（图c）（3-66）截面C处的合成弯矩（3-67）（3-68）图3-3弯矩图（3）校核轴的强度因C左侧弯矩大，且作用有转矩，故C左侧为危险剖面其抗弯截面系数为（3-69）抗扭截面系数为（3-70）最大弯曲应力为（3-71）剪切应力为（3-72）按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向传动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数α=0.6，则当量应力为（3-73）查表得45(调质)处理，抗拉强度极限σB=650MPa，则轴的许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa，σca<[σ-1b]，所以强度满足要求。3.5主轴的设计3.5.1主轴的设计已知参数：转速n=490r/min；功率P=13.98kW；轴所传递的转矩T=2724.6N•mm。轴的材料选择并确定许用弯曲应力查表选用45（调质），硬度为280HBS，许用弯曲应力为[σ]=60MPa按扭转强度概略计算轴的最小直径由于主轴受到的弯矩较大而受到的扭矩较小，故取C=112。（3-74）由于最小轴段安装刀具，故取。（1）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承。参照工作要求并根据d34=d45=40mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承7208AC，其尺寸为。轴头需钻螺纹孔安装刀具，故取。（2）输入轴和减速大齿轮配合，查表选取标准轴径d23=45mm，l12长度略小于减速大齿轮L，取l23=40mm。选用普通平键，A型键，b×h=12×8mm(GB/T1096-2003)，键长L=20mm。（3）减速大齿轮与轴采用轴肩定位，取d34=50mm。由于轴端皮带轮与轴承段高有一定高度差，所以取l34=51mm。（4）为了方便安装轴、轴承端盖等部件以及轴承座安装在机架上，故取d45=51mm。所以轴的参数如表3-12。表3-12输入轴的几何尺寸总结3.5.1主轴的受力分析主轴小齿轮所受的圆周力（3-75)主轴大齿轮所受的径向力（3-76）主轴大齿轮所受的轴向力（3-77）根据7208C角接触查手册得压力中心a=26.3mm第一段轴中点到轴承压力中心距离:（3-78）轴承压力中心到齿轮支点距离:（3-56）齿轮中点到轴承压力中心距离:（3-57）(1)计算轴的支反力主轴上外传动件压轴力Q=-40.6N水平支反力（3-58）（3-59）垂直支反力（3-60）（3-61）(2)计算轴的弯矩，并做弯矩图截面C处的水平弯矩（3-62）截面B处的垂直弯矩（3-63）截面C处的垂直弯矩（3-64）（3-65）分别作水平面的弯矩图（图b）和垂直面弯矩图（图c）（3-66）截面C处的合成弯矩（3-67）（3-68）（3）校核轴的强度因C左侧弯矩大，且作用有转矩，故C左侧为危险剖面其抗弯截面系数为（3-69）抗扭截面系数为（3-70）最大弯曲应力为（3-71）剪切应力为（3-72）按弯扭合成强度计算轴的应力时,要引入折算系数α，故取折合系数α=0.6，则当量应力为（3-73）查表得45(调质)处理，抗拉强度极限σB=650MPa，则轴的许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa，σca<[σ-1b]，所以强度满足要求。3.6滚动轴承寿命校核3.6.1输入轴上的轴承校核采用7210AC角接触球轴承，其尺寸为，基本额定动载荷Cr=40.8kN，额定静载荷C0r=30.5kN，预期寿命为Lh=24000h。计算合成支反力：（3-74）（3-75）（3-76）（3-77）轴向力Fae=117N，得所以轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”。（3-78）（3-79）得，，查表得X1=0.41，Y1=0.87，X2=1，Y2=0查表可知ft=1，fp=1.2（3-80）（3-81）则，取较大值带入Lh=10660n轴承寿命足够。3.6.2主轴上的轴承校核采用7208C角接触球轴承，内径d=50mm，外径D=90mm，宽度B=20mm，基本额定动载荷Cr=36.4kN，额定静载荷C0r=25.2kN预期寿命为Lh=24000h。由前面的计算已知轴水平和垂直面的支反力，则可以计算得到合成支反力：（3-83）（3-84）（3-85）（3-86）轴向力Fae=276N，得所以轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”。（3-87）（3-88）得，，查表得X1=0.41，Y1=0.87，X2=1，Y2=0查表可知ft=1，fp=1.2（3-89）（3-90）则，取较大值带入Lh=10660n轴承寿命足够。3.7键选择与校核3.7.1主轴上的轴承校核该处选用普通平键尺寸为b×h×L=16×10×110，型号为A型键（GB/T1096-2003），接触长度为l=L-b=34mm，高速级大齿轮材料为45，查表得其许用挤压应力[σ]p=120MPa。故挤压应力为σp故键满足强度要求。3.7.2主轴与减速大齿轮键选择与校核该处选用普通平键尺寸为b×h×L=16×10×140，型号为A型键（GB/T1096-2003），接触长度为l=L-b=44mm，大齿轮材料为45，查表得其许用挤压应力[σ]p=120MPa。故挤压应力为σp故键满足强度要求。3.8减速器的密封密封件是避免外界杂质如灰尘与水分等进入机器设备内部的零部件的材料或零件以及避免流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏。为了减少机器的内漏、外漏和穿漏，从而提高机器容积效率减少摩擦损失，提高机器的机械效率。例如，将双端面密封改为单端面密封都能减少摩擦损失，提高机械效率。改变密封方式，提高机器或机组的效率。本设计中由于密封界面的相对速度较小，故采用接触式密封。输入轴与轴承盖间V<3m/s，输出轴与轴承盖间也为V<3m/s，故均采用半粗羊毛毡封油圈。4自动割草机驱动结构设计工作原理分析：设计前进由传动轴、轮架、轴承、轮毂、轮圈、锥齿轮传动、同步带传动、齿轮传动组成。前进电机通过一个电机驱动两组前进轮进行工作，这样可以保证两组前进轮的转速一致，保证直行状态下的同步性，自动割草机前面两个为主动前进轮，后面两组为从动轮，从动轮使用标准件的万向轮。4.1前进轮直径的确定4.1.1前进轮直径计算设计链轮的传动齿数比（4-1）所以，转速n2（4-2）圆锥齿轮，，（4-3）（4-4）小同步带轮，，（4-5）（4-6）割草机器人毕业设计要求的故，取由，计算得（4-7）（4-8）因此在合理范围内，取直径为。4.2链轮设计4.2.1链轮齿数传动效率比：（4-9）查下表4-1，取=19。表4-1链轮齿数与传动比匹配推荐值4.2.2初算功率查表，得=1.3，故（4-10）表4-2工况系数4.2.3计算中心距查《机械原理》，取=13。（4-11）（4-12）所以（4-13）故，取=14。4.2.4计算链节距查表，取，，。得，=2.5，。表4-3小链轮齿数系数910111213141516190.4460.5000.5540.6090.6640.7190.7750.8310.8871921232527293133351.0041.691.892.082.292.50图4-1链长系数表4-4多排链系数所以P0为（4-14）图4-2A系列单排滚子链的额定功率曲线表4-5滚子链规格和主要参数4.2.5确定链长和中心距链长L/1000=136×15.875/1000=2.159m（4-15）所以中心距（4-16）符合要求。实际中心距=250-（0.5~1）=249~249.5（4-18）取实际中心距=249.5。4.2.6验算链轮承受的力验算链速（4-19）计算有效圆周力=1000=1000×7.5/9.3=8064（4-20）水平工作，查表4-6取压轴力系数=1.30。轴上的压力=×=1.30×8064=10483（4-21）表4-6轴的载荷因数4.2.7选择润滑方式

根据下表选择飞溅润滑方式。图4-3推荐的润滑方式4.2.8链轮设计计算45钢初算d（4-22）（3）初算（4-23）（4）初算（4-24）（5）初算（4-25）（4-26）取。（6）最大齿根距离（4-27）（7）齿侧凸缘直径（查表为内链板最大高度）（4-28）（8）齿侧圆弧半径（4-29）（4-30）（9）滚子定位圆弧半径（4-31）（4-32）（10）滚子定位角（4-33）（4-34）（11）齿宽：（是内链节内宽，查表9.40mm）（4-35）（12）齿侧倒角（4-36）（13）齿侧半径（4-37）（14）链轮齿总宽（n为排数）（4-38）（15）h：计算公式如下（4-39）表4-5常数K的取值5自动割草机控制系统设计5.1自主式割草机器人的运动分析自主式割草机器人的工作任务是能自主完成割草任务，因此，要求其具备准确、有一定精度、灵活的车体移动以及快速、高效的割草；能够按照既定程序自动完成割草任务；方便更改既定程序或按实际割草任务的需求设计程序。这三个环节是相互联系、相互协作的，是完成割草任务的基础，如图5-1所示。图5-1自主式割草机器人的运动分析5.2控制系统要求分析对于自动割草机的控制要求，总结归纳为以下几点：（1）控制系统通过PLC对自动割草机各个运动组件进行集成控制；（2）PLC控制系统通过输入程序可实现对各运动部件按逻辑程序执行动作；（3）PLC控制系统分自动操作模式与手动操作模式两组操作模式，自动操作模式用于正常工作下使用，手动操作模式用于对自动割草机在安装调试的情况下使用，用于校正各运动部件的结构与装配，以及与相关配套设备的协调关系。5.3控制原理分析PLC的控制原理是通过串口和上位机在有线或者无线连接的情况下进行通讯，PLC作为整个控制系统的核心模块，起到了逻辑控制，程序识别，执行信号发送，起到来整个控制系统的大脑中枢作用，PLC集合现代触摸屏操作面板为一体，同时可兼容按钮操作面板输入的按钮信号，例如常用动作：启动、停止、急停、自动、手动、复位，以及来自安装在设备上的接近开关，行程开关，温度传感器、压力传感器等反馈的电信号；这些控制信号通过plc控制系统接收模块，在内部程序的解析后，给相对应的执行模块发出指定，然后实现相对应的执行动作。对于本设计当中，自动割草机的主要执行机构在于基座、底座、转向装置、小臂、手腕几个运动部件的驱动电机，这实际运行中对于各运动机构为了避免机械结构与其他设备造成干涉、碰撞等意外情况，设计相对应的限位开关，此外，为避免中紧急情况下需要立刻停机的功能要求，控制系统需要具有急停功能。5.4主要部件的选型5.4.1PLC型号的选择（1）PLC控制系统的模拟输出输入量点数确定 I/O点数即为PLC控制系统的输入与输出端子数量，这是对进行PLC选型的重要步骤，一般选用PLC控制系统的输入与输出端子数量为实际所需数量的20%.的预留量来增加，主要考虑到控制系统可能需要增加部分点数用于扩展模块的备用功能。按本设计当中所需要的模拟输入量来计算需要20个I/O点数，模拟输出量I/O点数为5个；（2）PLC控制系统的存储容量选用在选用PLC的过程中需要对其存储容量进行计算，以便所选用的PLC能够有足够的容量空间进行存储数据，而又避免所选用的容量过大而造成的浪费，选用大容量的存储空间关系到所选用的PLC型号更大，成本更高，其外形尺寸也更大，从而导致安装在电控柜内部所占的空间更大；按照上述分析PLC控制系统的模拟输入量来计算需要20个I/O点数，模拟输出量I/O点数为5个。

模拟量I／O点数总共为25，因此，所需最小存储容量=10×10+25×100=2600字节，1kb=1024字节。因此，所需最小存储容量为2.5kb，加上一定的存储容量裕量，选用标准规格8kb。（3）PLC处理响应时间的选择PLC的响应时间一般指的是输入量，输出量之间所产生的时间延迟，响应时间作为衡量PLC系统的重要参数指标，反应了PLC的处理速度，综合性能，一般在对高精密，高同步性，高速度要求的场合，我们需要对响应时间有一个很小的值，以缩短输入量，输出量之间所产生的时间延迟，避免由于输入量，输出量之间所产生的时间延迟较大而产生的不同步性，或者与其他运动机构产生的干涉情况。在本设计当中，对于自动割草机而言由于精度要求高，与配套辅助设备等同步性要求高，故要求输入量，输出量之间所产生的时间延迟短。5.4.2CPU选型PLC控制系统类似我们电脑一样，其系统的核心模块是CPU，起到了关键性作用，CPU主要用于系统的运算，数据暂存，以及综合其他各模块的数据传输与解析的功能。PLC控制系统CPU起到核心作用，另外，在对CPU选型的过程中需要考虑到PLC控制系统的通信功能，是否存在多方通信，因为这些都会涉及到PLC控制系统CPU的运算能力要求。本设计当中，针对自动割草机而言，需要具有远程多方通信功能，要显示数据时需要译码和编码等运算。并且，对CPU的运算速度要求高，因此，我们在此选用三菱PLC的CPU型号为FX3U-1PG。5.5控制流程设计5.5.1控制原理对于自动割草机而言，其整个控制流程主要针对各个机器关节的运动为控制核心进行分析，为了适用于不同工作模式的情况下运用，我们对控制系统分为自动模式和手动模式调整方式进行设计，自动模式用于对割草机的在正常工作下的应用，自动割草机在自动模式情况下通过程序输入，在PLC的处理模块分析后发出按程序设定的逻辑性的输出信号，输出信号最终转换为结构驱动单元的执行电流信号，最终实现按程序设定的具体动作；自动模式运行情况下，可以实现自动割草机无限循环的工作状态，当我们需要调节机自动割草机，或者更换不同割草工件，以及对关节割草机在维修调试状态下，我们可以通过按钮或者PLC触摸屏来实现对各个电机驱动单元的点动控制，或者我们可以长按启动按钮来实现连续性的动作模式，因此我们在手动工作模式下，可以完成对自动割草机的模拟和调节功能。5.5.2控制流程我们对于自动割草机的控制流程设计，主要分为以下几个步骤；（1）自动割草机的控制原理以及控制方式进行设计，确定总体设计方案；（2）对各个运动模块，行程开关，以及传感器等执行与信号反馈单元的功能分析；（3）确定控制原理图；（4）自动割草机控制系统各主要元件、接线图等进行设计，以及相关控制程序编制；根据现有的设计，割草机器人包含两个驱动部分，分别为使用四台伺服压力机，且均为异步伺服压力机，驱动功能上来说分别需要包括以下功能：启动、停止、急停、回归原点。自动割草机的驱动部分主要是前进装置驱动电机，割草装置驱动电机，前进装置驱动电机驱动自动割草机的前进功能，可通过调节变频器的频率，来实现对前进速度的无极调速，实现自动割草机前进快慢速度的调节控制；割草装置驱动电机驱动割草刀片旋转运动，可以实现对割草刀片旋转速度的调节；对通过行程开关进行限位，由于在前进过程中和割草工作中可能会存在过载的情况，此时通过电流过载保护器对电机进行保护，当电流出现过载，超过我们的设定电流值时，电流过载保护器断开电路，电机停止，避免电机出现过载烧坏的情况。现在基于以上的功能，假定一种工作情况进行硬件以及软件部分的设计，工作情况如下：自动割草机的工作模式分为自动工作模式，手动工作模式两种，自动工作模式用于对平整草坪地面的修剪工作，可以在无人化操作模式下运行，通过输入程序，PLC按程序指令可以实现重复循环的工作模式，省时省力，工作稳定性好。手动工作模式主要用于地面凹凸不平，斜坡，或者小面积自动割草修剪的情况下，以及在对设备进行调试工作下可通过手动操作，手动操作可对前进装置、割草装置进行分别启动停止，可点动也可长按启动，工作模式灵活。5.5.3程序原理图图5-2程序原理图5.5.4控制逻辑思路对于自动割草机的控制逻辑主要上对各个运动部件，工作装置的动作顺序，以及行程开关，传感器等功能模块进行控制逻辑的规划和设计，自动割草机上电之后，首先启动灯亮，然后PLC执行程序复位指令，各运动机构复位，执行程序复位之后复位灯亮；按自动启动，PLC执行自动程序模块，依次执行各个动作要求，如启动割草，前进装置，按自动运行按钮启动，则自动割草机自动执行程序，当完成指定运行时间后，各机构自动停止，进行下一次割草工作；图5-3控制逻辑图5.6PLC程序的I/O端子表表5-1PLC程序的I/O端子表名称功能名称功能X0启动按钮Y0刀具电机正转输出X1手动程序启动按钮Y1前进轮电机正转输出X2自动程序启动按钮Y2转向电机1正转输出X3急停Y3转向电机2正转输出X4刀具启动按钮Y4刀具电机方向信号X5前进轮前进按钮Y5前进轮电机方向信号X6左转按钮Y6转向电机1方向信号X7右转按钮Y7转向电机2方向信号5.7PLC梯形图GXWorks2是一款由三菱公司开发的PLC编程工具软件，是专门用于PLC设计、调试、维护的编程工具，可实现程序编辑，参数设定，网络设定，程序监控、调试及在线更改，智能功能模块设置等功能，适用于Q、L、FX等系列可编程控制器，因此选用GXWORK2设计自动割草机PLC控制程序。（1）主程序

（2）手动程序自动程序6割草机器人的其他因素分析6.1环保因素传统的机械割草机往往会采用机械飞轮或其他机械结构来完成运动流程，庞大的机械结构会使得割草机总重更大、噪音更大，运转起来的草地飞屑等其他杂物对环境造成的影响更大，而本文设计的自动割草机采用伺服电电机驱动，没有庞大的机械结构和沉重的刀具，采用合理的电池存储能源就能够在同样的工作环境下，更高效、更节能地完成工作要求。6.2经济性分析传统的割草机器人因采用相对更为复杂的机械传动以及离合器、飞轮等来实现工作要求，为确保安全性能，对于装配其实有着更高的要求，尤其是刀盘重量本身就足够重，在装配时也常常遇到困难。同时采用较多的非标件来实现目标要求，前期的定制制作非标件、订购标准件后即可实现组装，同时也避免产生多轴多电机同步驱动的情况，简化了整个驱动传动流程，使得装配更为简单，也避免了很多浪费。从经济性上来说伺服电机驱动的割草机器人有着更好的能源使用率、更高效地工作效率更安全的使用情况，所以本文设计的自动割草机有着良好的市场前景，简易的机械机构和大量采用的标准件能够适应流水线量产的模式。7设计总结本次课题主要围绕自动割草机的设计，在设计过程中，主要围绕自动割草机的工作原理，结构组成，主要零部件的设计与计算为主题，进行对课题的详细设计。首先我对自动割草机在国内外的使用情况，所存在的问题，以及自动割草机的应用要求进行了深入分析，因为在课题设计之前，对其进行必要的市场分析，国内产品市场上的使用情况，这为后续的设计过程提供了参考价值与指导方向，在后续设计过程中针对目前设备所存在的缺陷进行改进与创新。然后是对于自动割草机的整体方案设计，通过拟定几个常用的方案进行分析对比，确定本次设计的详细方案，为后续详细结构设计提供总体构思与框架，整个设计自上而下的进行，避免了后续返工的情况以及提高了设计效率。再次确定整体结构总图，对设备的结构基础部分，传动部分，工作零部件部分，以及对轴承，密封件，电机，传动零部件的结构总体进行布局，对各功能组件的