【《除草机器人装置结构设计11000字（论文）》】

随着经济的增长，国家和人民越来越注重环境，其中城市绿化就离不开除草机，除草机用于城市各处的草坪修剪，特别是城市绿化带和公园草地的修整。近年来，畜牧业和养殖业在产业融合的大背景下，不断发展也离不开除草机的植被修整与农林收割。除草机器人也已成为一种重要的农业机械应用于生活中。本次毕业设计主要是对除草机器人进行研究，第一部分主要针对除草机器人研究的背景和意义，第二部分的主要工作是分析除草机器人设备的基本要求，确定本文设计的除草机器人方案，并设计其主要部件和制定工作流程。第三部分的主要工作是对整个机器中的主要工作部分设计，包括切割刀片的设计、电机的选用、减速机的设计计算、轴和喷药系统结构的设计。第四部分是其他辅助装置的设计计算，包括行走轮和行走轮轴承的设计和集草箱的设计，保障割草关键字：除草机器人；工作装置；结构设计 31.1研究背景 31.2研究目的 31.3国外现状 41.4国内现状 4 42.1除草机器人的结构设计 42.2整体方案的设计 52.2.1设计比较 52.2.2方案的确定 6 73.1切割刀片的设计 73.2主电机的设计选择 93.3减速器设计 3.3.1齿轮精度的选择 3.3.2齿根弯曲强度计算 3.4轴的设计 3.5除草机器人喷药系统结构设计 3.5.1调压式药液泵系统设计 3.5.2药液箱结构设计 4.1行走装置设计 4.1.1行走轮设计 4.1.2行走轮轴承的选择及计算 4.2集草箱设计 22 3民的工作压力，并且效果显著,但是化学农药的使用会造成一定程度的环境污染，不利机的使用不能够距离学校或者办公地点较近，并且还伴随有较为昂贵的维修保养费用。1.2研究目的4机器人，相信在不久的未来，针对农业除草机器人的研究能够取得较大的进展，能够进一步提高中国农业的生产能力。1.3国外现状最早的除草机器人诞生于20世纪60年代，主要是以人力或者畜力作为驱动，具体作用于园林农业。随着经济的不断发展，也促进了科学技术的进步，越来越多新型技术被用于耕种，最为明显的就是田间工作开始使用旋耕机。从那时起，大多数除草机都是用它改造的。在美国，针对除草工作，已经具有非常完备的机械技术，不仅仅就具有十分齐全的工作，同时在使用过程还能够保证除草的效果。经过不断的研究以后，美国研发出Dj970滚刀式除草耙，主要是利用滚刀的刀片切断杂草。加拿大研发出来的除草机，不仅仅能够使用各种性质的土壤，同时能够实现化学抚育，因此使得生产效率进一步提高。到了20世纪，日本通过从欧洲引进先进的技术，并且结合实际情况，经过不断的研发和改造以后，最终研制出各种不同种类的除草机器人，其中主要包括轻型、中型和重型。其能够满足各个环境的需求，还能够针对不同高度的树枝实现除草。1.4国内现状我国和一些发达国家相比较而言，机械化发展起步较晚，同时受到当时经济等个方面因素的影响，致使我国在无论是在技术研发，还是机械制造等方面，都存在明显的不足。我国针对除草机的研发历程，主要分为以下几个阶段，首先就是技术的引进，我国通过从欧洲一些发达国家引进新技术，并且结合实际情况，进过研发和改良，取得了一定的成效；第二个阶段就是消化阶段，这是对引进技术以后，有很长一段时间将技术进行开发和采纳；第三个阶段就是吸收阶段，能够对新技术进行很好地吸收，并且能够加以利用；第四个阶段就是改进阶段，通过产品的研发，并且能够实现功能的改进。20世纪80年代末，中国研制出了手扶拖拉机驱动的除草机，十年后，将其改造成为了除草机，实现了一机多用。2除草机器人的结构设计及总体方案选择2.1除草机器人的结构设计在除草机器人整个工作过程中核心工作部件的许多参数都十分重要，包括空载功率、消耗功率、割草高度、重割率、损失率、无故障作业量等。空载功率：除草机器人准备进入工作过程中电机或发动机空转带给切割刀片的实际消耗功率：除草机器人在工作过程中的实际消耗功率。割草高度：除草机器人所能切割的最低草料高度。重割率：除草机器人进行一次切割能直接切断草料的比值。损失率：除草机器人一段工作时间内除去有效收获剩下损失的比值。无故障作业量：除草机器人首次工作发生故障前的工作总量。5必须保证除草机器人对于不同草料重割率稳定，至少要小于1.5%,达到一定的工作效率，如表2-1国家标准除草机器人主要性能系数指标。因此除草机器人要保证其核序号1每米制幅空载消耗轴功率/(kw/m)2每米割犒消耗总功率/(kw/m)34567首次无故障作业量/2.2.1设计比较(1)混合动力扶手式，特点：频率可调，刀具可换，灵活使用。具体参数如下：型号3.5hpHondaGX120型风冷发动机剪草宽度剪草高度(最小)3.0mm底刀2.5mm底刀2.0mm底刀(2)三联独立刀盘旋刀除草机器人，特点：割草效率高，能承担大型草场收割。6发动机37.1HPYanmar3缸液冷柴油发动机(涡轮增压)前进速度(Km/h)倒退速度(Km/h)割草速度(Km/h)割草高度(mm)割草宽度(mm)1730mm和18mm两种割草宽度案例一具有较强灵活性，便于家庭少部分收割或园林修剪，案例二独立刀盘旋刀收割效果更好同时在小型的谷物切割设备上面，大部分使用的单盘形式。从动能方面案例一电池效率能满足小型设备的正常使用，而案例二柴油汽油机需要预留油箱对整体设备的运动功率有一定需要。通过上面的对比和分析，本次的研究设计结合案例一选用电机驱动同时切割方式选用案例二的旋转刀盘切割，选择设计电动旋转手扶式的除草机器人，这种形式具有整体结构简单，并且操作起来也比较平稳等好处，传动方案如图2-1所示。图2-1传动方案简图使用的是齿轮传动的方式，直接能够从电机上将动力源进行传送，使其能够直接到达大减速器机，首先是3号齿轮，3号齿轮与7号齿轮啮合传递到齿轮轴，齿轮轴连接传递到刀片进行切割。本次设计中的结构主要包含了工作装置结构设计和辅助装置结构设计。工作装置的设计；工作装置主要是除草机器人进行割草的主要核心部分，包括电机选择和计算、减速器计算和校核、刀片切割器选用等从动力执行机构出发完成整个割草工作部件设计的全过程。辅助装置主要包括集草，行进等功能，主要部分有行进轮的计算、行进轮轴承的设计计算和校核、扶手部件的设计计算、集草箱设计，保证割草过程有序，集草便利。73.1切割刀片的设计切割刀片是除草机器人的最终执行元件，其基本功能是修剪草坪上的草，保证锋利度在其高速旋转切断草料。查GB/T《1209-2002农业机械：切割器》可知切割器分为六种类型如表3-1。表3-1切割器类别类型I型Ⅲ型IV型V型除草机器人需采用标准I型切割器，其参数如表3-2。防护装置是单片的，具有峰值翘曲，刀片向下倾斜六度三十分，与用圆柱螺钉装配的托架连接。刀刃既有刃(折角)又有光边，其中刀刃是刃。当刀片位于测光表中时，它们整齐且能耗较低，但经常需要磨刀。如果刀片是齿侧，则制造过程较为复杂且消耗大量能量。序号1I型2定刀片I型3动刀片Ig型45I型67刀杆I型8摩擦片I型9螺栓螺母该切割器具有相同的割刀行程和护刀器节距，则S=t=76.2mm.。由于放牧地密度大，水量多，切割范围小，传递距离短，通常超过一点六米每秒，传递距离为五十九到七十切割速度V,与进给速度V之间的切削速度比。新区域、空白区域以及机器在指定高度h的高输入速度V和曲柄的旋转速度是紧密相连的，其关系由截面过程h表示。数学式为：8曲柄旋转一百八十度，因为反向切削区域绕轴转由于切削过程中脂肪密集，切削阻力较高，除草机器人的切削速度应大于1.6m/s。..的最大速度。选择5组割刀，所以割幅为76.2×5=381mm。9大于5mm,或者其中一个齿槽的长度超过三个，而刀片的长度小于4mm,则应移除新得偏离正值或负值三毫米。刀片设计如图3-1所示。传动装置的总效率η:执行机构的转速n为八百到一千二百转每分钟根据容量和速度在《机械设计手册》中确定出三相异步电动机的适配电动机型电动机型号额定功同步转功率因素飞轮力矩/电动机质量12334本设计选用的电动机型号为Y132M1-6。本文研究设计的电机部件如图3-2所示。3.3.1齿轮精度的选择齿轮有13个精度级别，从0到12依次为低到高。齿精度级的选定，取决于变速器的机器使用的传动精度级别范围。该表显示了针对特定载荷和速度建议的齿轮精度级别。表3-4各类机器设备采用齿轮传动的精度等级范围↵精度等级精度等级除草机器人使用的减速器精度要求不高，故选用通用减速器中的7级精度。3.3.2齿根弯曲强度计算设备的总传动比3.52:1由选定的电动机确定。(1)直齿轮选用材料为40Cr合金结构钢，硬度范围在58到62HRC之间。(2)齿轮传动精度等级选择七级。(3)选择的齿轮传动是闭合齿轮传动装置，所以选择的是小齿轮齿数。z=18,则Z²=iz=42(4)采用闭式硬齿面齿轮传动。(5)齿根弯曲疲劳计算如下。公式为：①齿轮传递转矩为：②齿宽系数φ=0.3故③可以查得大、小齿轮的抗弯疲劳强度极限④可以查得抗弯疲劳寿命系数。⑤应力循环次数N=60njLn式中：n—一轴的转速(n¹=1733r/min,n²=738r/min);J——齿轮每次转动时的接触次数，取j=1;L—一齿轮的有效工作时长为三百小时。.则(6)安全系数Sp=1.25。(7)计算载荷系数KK-—情况系数，取K=1.75;K-—动力载荷系数由动载系数图查得K=1.11;K——载荷分配系数，为1;即K=KKvKKF=1.75×1.11×1×(8查得Y=2.97,(9)查得Y=1.53,口(10)计算大小齿轮的并加以比较(11)设计计算nn(1)计算分度圆直径(2)锥角(3)根高(4)齿根角(5)顶圆直径(6)齿根圆直径(7)锥距R(8)齿根角(9)分度圆齿厚式中： 基于以上，如图3-3减速器小齿轮所示。减速器设计如图3-4所示。3.4轴的设计轴承的功能是：支撑旋转零部件或与之同时旋转以输送运动、转矩或弯矩。根据轴的受载情况的不同轴可分为：(1)传动轴：主要承受转矩的轴；(2)心轴：只承受弯矩的轴；(3)转轴：既能承受转矩，又能承受弯矩的轴轴的设计，主要涉及结构设计与工作特性的计算。轴的设计指的是在根据轴的制造、安装和放置来设计轴的形状和尺寸。轴的结构设计不正确地会影响工作状态中工作负荷的分配和轴上零件的正常使用，并增加轴的制造成本。为此，设计轴结构最为关键的就是计算轴参考强度。在大多数情况下，一定要计算轴的强度，来防止轴在高强度条件下塑料损坏或变形，以避免高速轴在工作过程中出现的过度弹性变形，还需要估算振动稳定性，以避免共振损伤。轴的功率由马达的主轴通过接头传递，因此轴的输入力为2.45kW,Ao=112~97,[r]=35~55MPg,转速n=738r/min,于是经过下面的公式计算以后，就能够得出其最小轴径为：轴的设计不仅仅包括上面各个部分的确定以及计算，同时还有各个结构尺寸的确定，以及具体需要选择的适合的形状。轴的构造主要取决于轴在机器中的形状和位置。首先影响的因素过多，轴的形状设计必须取决于具体情况。所以，轴不是标准的轴构件，应当设计为符合轴上零部件和轴上装配零部件在轴承上有着正确的工作部位，而且便于拆卸和调节，并且还应当具备完善的制作工序。轴承的负荷与配置在轴承上的零部件的种类、规格、种类与布置方法、装配零部件的负荷特性与轴承的设计尺寸、方向、轴上零件分布位置相关联。如图3-5所示。图3-5轴兰843.5除草机器人喷药系统结构设计如图3-6所示，系统一共可以分为四个部分：第一、控制箱，如果将整个系统比喻成为人体的话，那么控制箱就是系统的大脑部分，主要的作用就是能够有效的制定一切决定，针对整个喷雾过程，有一个统筹和领导功能；第二、变压式药液泵，其主要的作用就是进行增压，其安装在机架底部，同时里面还含有增压泵，通过对其进行控制，就能够调节其输出的压力；第三、喷杆总成；第四、机架，机架中含有盛放药液的药液箱。系统中一共存在两套喷杆总成，分别在机架的两边对称安装，当其达到完全伸展距离的时候，能够实现附近五米的范围内进行作业，同时这两套喷杆不仅仅能够相互进行工作，也可以同时运行，因此也在也在一定程度上提高了效率；在各级喷杆上还装有摄像头，主要的作用就是采集图像。如表3-6所示。740mm*700mm*1350mm(毫米)自重(不含药液)40kg(千克)120L(升)系统总功率830w(瓦)单侧臂展2.2m(米)药液泵输出压力04MPa(兆帕)3.5.1调压式药液泵系统设计1.箱体机架2.控制器3.直流电机4.双带式皮带轮(含带)5.三缸柱塞泵6.进水口7.出水口e为了能够实现更加精准的喷药，因此需要针对喷雾系统的喷药量进行严格的控制，这里的喷雾系统，之所以能够控制农药的喷洒量，主要就是利用是对药液泵输出压力的控制，如图3-7所示，药液泵主要分为电机、柱塞泵和控制器三个部分，其中电机直接与泵相连接，利用带传动的形式进行动力的传输，因此泵体可以在电机的带动下，其输入轴就能够带动柱塞，使得泵室的空间受到力的挤压，这时候就能够使得进入泵室的药液压力增加，最终完成整个喷施过程；在左右两侧的喷杆总成上，分别连接着药液泵的两个出药口，其目的就是为了保证两侧的喷杆具有相同的工作压力。泵输出压力04MPa(兆帕)工作电压48v60v(伏特)功率800w(瓦)喷射距离≤10m(米)自重14kg(千克)3.5.2药液箱结构设计图3-8药液箱结构简图如图3-8所示，在药液箱的箱体外侧，设置有两个水位监测传感器，其主要是以上下形4.1行走装置设计4.1.1行走轮设计考虑到需驱动除草机器人行走，所以取行走的速率为四十八米每分钟，即零点八米每秒来推动切割工具。由于车轮不仅面向外轮，而且面向内里连接除草机器人，所以轮子也应该紧密配合除草机器人的整个造型与尺寸。外车轮的外径是=186mm,参见《现代机械设备手册》中传动车轮的尺寸。选取外轮直径：φ=186mm,由公式n=v/D”得：外轮的转速n=48×103/186×3.14≈82r/min.设计尺寸如表4-1所示：外轮直径安装方式安装轮胎材料为橡胶灰铁200料为Q235料为Q235外轮2个车轮组件承载整个机器的基本重力载荷，并在车轮和地面上产生相对滚动摩擦，使整个机器能够在草坪上平稳地运动。本文包含机器两侧均匀分布的四组齿轮零件。如图4-1车轮所示。图4-1车轮材料的选取：HT100的硬度为110-166HBS,最小抗拉强度为130Mpa,可用于以下用途：盖板、手把、机壳、托盘、手柄以及支架等，详见表4-2。HT200的硬度为157-236HBS,最小抗拉强度为220Mpa,适用于气缸、齿轮、框架、车轮、套筒、导向普通机器以及气缸外壳。Q235的抗拉强度为375-460Mpa,如表4-3所示，主要适用于低碳或碳流量、挂钩、杠杆、齿轮、套筒、圆柱、螺母、主轴、螺栓、楔体以及焊接件。牌号铸件壁厚(mm)最小抗拉强度应用举例大于至钢种屈服强度抗拉强度在行走过程中噪音和振动是避免不了的，振动会影响电动马达和其他修剪草坪的设备的工作和寿命损失，而减少震动和噪声的最有效办法就是减少工作部件和震动隔离。在隔离震动源中使用的抗干扰方法利用了橡胶材质和骨架材质(如金属材料、玻璃纤维、建筑塑胶等)结合构成的多功能装置，以及特制的橡胶粘弹力高阻尼材料来减少对震动源的震动撞击，并吸取噪声。一般用于飞机、船舶、汽车、工程和土木工程以及减震用具等领域。其中橡胶材料主要应用于压应力、剪应力和扭矩的部分，以及两种或多种应力的组合受力的部分。选用橡胶材料对于确保电机的转速、舒适性和安全性，以及降低噪音和振动非常重要。所以本文的车轮外圈采用橡胶材质，内里与除草机器人连接件选用Q235,轮毂选4.1.2行走轮轴承的选择及计算(1)轴承类型的选择根据不同的摩擦特性，轴承主要包括两种：一种是滚动轴承，其主要的优势表现在低摩擦、低功耗和高机械效率，易于启动的优势，同时选用标准尺寸、可互换、装配和拆卸精度、高速度、低磨损、长寿命、适合批量生产、稳定性能、可靠性和效率。因此，也尤为突出。还有一种就是滑动轴承，其主要的优势表现在尺寸较小、因此只需要较小的安装空间即可、同时价格低、装配和拆卸比较简单、具有很好的抗磨性以及润滑性，尤其是在高温、液体化以及某些严酷环境条件下，更具备了良好的自润滑、磨损性、低摩擦性等优点，因为这些独特优点滑动轴承能应用于特定情况，例如，在承担重大载荷的工作场所和或要求径向尺寸较小、对构造要求紧密的工作地方，经常使用滑动轴承。轴承①合金材料例如轴承合金、青铜、铝合金、锌合金等；②多孔质金属材料；③非金属材料。其中轴承合金包括合金、铅、阀等其他金属，具有良好的合金耐磨能力、良好的运行能力、良好的散热、良好的韧性和良好的耐油性等。因此，适用于高载荷和更高速度，于是也致使轴承的强度变得越来越小、越来越贵，并且使用青铜或铸铁时，必须在表面浇筑较薄涂层。多端口金属：多端口金属是一种粉末材料，它由多个微孔组成，当润滑油浸没时，材料上微孔会被填充，并且会形成含油轴承和具有润滑性能的轴承，并且多金属材料强度低，仅适用于平稳无冲击载荷，速度较慢的部件。经过以上分析由于除草机器人在工作时行走轮只承受径向的力不承受轴向的力，所以优先考虑使用径向轴承。由于除草机器人在工作时受到的载荷很小，因此考虑使用普通金属的单列向心球轴承。因为预留出轴承安装位置直径，这里选择的是单列深沟球轴承，型号为GB276-94,内径d=45mm,外径D=120mm。(2)轴承的校核计算设备上安装有四个轴承，因为强度均匀，所以只需校核一个，现对左前轮的轴承进①计算动载荷C:F=RA=735.14N因无冲击，查《机械设计手册》得出f取1.2,P单列深沟球轴承Co=77.5NLh=200-500,因为是连续作业，所以选取最大值。故所选用的四个轴承都合格。②寿命校核.由机械手册查c=55.2N,n=50rpm,p=882.168(N)h一年按53天工作，一天工作6小时.所以四个轴承全用部使用6409型如图4-2所示满足要求。行走轮设计如图4-3所示。如图4-5所示。取缔传统的手工收集草料的机械自动化设备的需求增多。另一方面城市化进程加快，城市越来越大，人口越来越多，绿化面积越来越大对除草机器人的需求不断增长。因此一款性能高、成本低廉、工作可靠的除草机器人不仅可以提高工作效率，极大的满足人们的需求，而且还能解放大量的劳动生产力，使人们的幸福生活指数进一步提高，除此之外，为我国的农林机械自动化