番茄苗期株间除草机结构设计与分析
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番茄苗期株间除草机结构设计与分析摘 要为了保护环境,促进自动化农业和绿色可持续发展,本文设计了一种适用于番茄苗期的株间除草机。本文在对国内外除草机械研究现状分析的基础上,根据田间除草的任务要求,提出了除草机的整体设计方案。株间除草机大体包括移动平台和除草机构两部分。重点设计移动平台的传动系统与转向机构,通过对除草过程进行作业分析确定移动平台采用逐行往返式作业模式,为实现在农田间稳步向前行走设计一套传动系统,为解决除草设备在农田间的转向问题设计一套梯形转向结构。根据植株行距株距、幼苗高度等确定自走式车辆本体的主要技术参数,通过理论分析确定转向机构的结构参数。为实现精准化除草作业,采用Delta并联机构作为主要除草部件,保证除草精度。通过对并联机构进行运动学分析,确定其主要尺寸参数,再对执行器末端进行空间模拟验证其参数是否满足除草作业要求。关键词:株间除草;并联机构;梯形转向机构毕业设计中文摘要毕业设计英文摘要Structure Design and Analysis of Interplant Weeding Machine in Tomato Seedling StageAbstractIn order to protect the environment, promote automated agriculture and green sustainable development, this paper designs an interplant weeder suitable for tomato seedlings. Based on the analysis of the research status of weeding machinery at home and abroad, this paper puts forward the overall design plan of the weeding machine according to the task requirements of field weeding. The inter-plant weeder generally includes two parts: a mobile platform and a weeding mechanism. Focus on the design of the transmission system and steering mechanism of the mobile platform. Through the operation analysis of the weeding process, it is determined that the mobile platform adopts a row-by-row reciprocating operation mode. A transmission system is designed to achieve steady progress in the farmland, and to solve the problem of the weeding equipment in the farmland. Design a set of trapezoidal steering structure. The main technical parameters of the self-propelled vehicle body are determined according to the plant row spacing, seedling height, etc., and the structural parameters of the steering mechanism are determined through theoretical analysis. In order to achieve precise weeding operations, the Delta parallel mechanism is used as the main weeding component to ensure the accuracy of weeding. Through the kinematic analysis of the parallel mechanism, the size parameters of the parallel mechanism are determined, and then the space simulation of the end of the actuator is performed to verify whether the parameters meet the requirements of the weeding operation.Key words: weeding among plants; Parallel mechanism; Trapezoidal steering mechanism目 录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2国外研究现状21.3国内研究现状41.4现状分析62技术任务书72.1 研究内容72.2 技术路线83总体设计方案93.1移动方式的选择93.2 传动系统设计103.3 除草机构的选择124 转向系统设计134.1 转向方案的确定134.2 转向梯形参数的确定144.3步进电机的选择154.4齿轮齿条的计算165.并联机构设计及空间分析255.1并联机构设计255.2空间分析285.3末端执行装置296 总结与展望306.1 结论306.2 创新点306.3 展望30参 考 文 献31致 谢33番茄苗期株间除草机结构设计与分析1 绪论1.1 研究背景及意义番茄又名西红柿,其色泽鲜亮、形态饱满、酸甜适口,既可作水果生食,又可烹制成爽口佳肴,是广受好评的美味果蔬。番茄富含人体所需的多种营养物质、有各种健康养生的功效,被称为神奇的菜中之果,主要功效体现在其作为食物以及入药调理两个方面。番茄富含矿物质,维生素C,且而中医上主要用于生津止渴、凉血平肝、清热解毒;而在西医的体系中,番茄主要被用于清除自由基、抗氧化衰老、降低胆固醇、预防骨质疏松等方面。番茄这种美味的水果诞生于神秘的亚马逊热带雨林,产量在全世界果蔬中名列前茅,尤其是我国,早已将番茄作为最重要的几种农作物之一加以种植。在政策与人民的配合生产下,我国已经一跃成为全世界产量最多、种植面积最大的番茄种植国家,年产量约6515万吨,占我国蔬菜生产总量的7%左右。我国主要种植的番茄有两种,一种是红果番茄,一种是粉红果番茄。粉红果番茄主要栽培方式是设施内栽培,如大棚等,红果番茄种植要求较低,主要栽培方式是露天栽培。在我们山西省,两种类型的番茄都是主要的栽培作物,其比例可以占到全省果蔬栽培面积的12,产量更是达到了全省果蔬总产量的16,是我省重要的出口蔬菜之一。其中艳粉3号番茄在2009年通过山西省品种审定,其外观光滑漂亮,果肉厚,个头大,丰产性较好,硬度大,耐运输。杂草,一直都是番茄生长过程中对其开花结果危害最大的因素,杂草对于番茄的影响包括但不仅限于抢占了番茄生长过程中所必须的肥料如无机盐等,还会使番茄生长缺水从而导致番茄产量降低,甚至还会在番茄幼苗时期遮挡番茄生长所必须的阳光。番茄初生长时期,由于芽株较小,地表大片裸露在外,更成为了杂草疯狂生长的温床,并且许多对番茄有害的微生物、害虫等也会在杂草上寄居,对番茄的生长与结果产生了极大的危害。长时间以来,学者们对于番茄田化学除草进行了多方面的研究,但是随着人们对绿色生活的追求,化学除草带来的生态污染和食品危害越来越不能被大家所接受,但是如果仅仅使用人工除草的方式去除这些影响的话,成本较高,劳动量大,并且也很难取得好的效果,因此,机械除草就成为了人工除草最有效的替代方式。其不仅避免了其他除草技术应用的局限性,还能进一步实现“高产、高效、持续、环保”,符合绿色可持续发展理念,引起国内外众多学者的关注,受到越来越多的重视。1.2国外研究现状国外对株间机械除草技术的研究起步较早,从20世纪50年代开始展开相关研究,目前已经形成了比较完善的除草技术和相对成熟先进的机械装备。很多株间除草机械已经投入实际应用,但是想要使智能、高效的机械除草设备在田间得到广泛应用,仍有部分差距。如基于机器视觉的机械除草,在实际除草作业中,农田间环境比较恶劣,有很多因素都会影响其除草效果如光照度和灰尘粒径等。而对于小株距作物株间除草来说,由于植株株距过小,因此除草机械很难实现高的净除草率和低的伤苗率22。Narendra S. Chandel等研究开发了一种拖拉机牵引的大田作物行内行间综合除草的一体化系统8并对该系统进行集成与优化。该系统在玉米田间除草率可达92.8%,在豇豆田间除草率可达84.1%。该系统还提供了一系列具有灵活性的可调整的种植密度范围,并且基于原动机的功率可用性可进一步扩展工作宽度,结果表明该系统是一个适应性很强的替代方案。Perez Ruiz M等开发研制出基于精确里程表传感器检测技术的行内除草刀自动控制系统6,其主要适用于移植农作物,如图1。行内除草协同机器人自动利用地面车轮里程表实时感测来确定一双微型锄刀的张开与闭合,以消除行内杂草,同时避免损伤种植作物。该系统在加州大学戴维斯分校的移植加工番茄田中进行测验,测试结果为当操作者与农作物之间的距离在0.5cm内,前进速度为1.6km/h的标准差为1.39cm,表明协同机器人可用于行内区域作物之间的自动精确除草控制,验证了该系统的可行性。 图 1番茄除草刀路径控制系统 图 2株间除草移动平台J. Blasco等提出了一种用于蔬菜作物的行内除草机3,主要包括移动平台和六自由度机械臂,如图2。该平台包括两套视觉系统,一套用于获取和检测杂草坐标,一套用于重新定位杂草来纠正正惯性扰动,坐标确定后机器人手臂会定位到杂草上方用高压电杀死杂草。该视觉系统能够正确定位84%的杂草和99%的生菜。英国Garford公司和N.D. Tillett等设计开发了一种新型旋切圆盘中耕除草机9,如图3。该除草机的关键部件是由液压驱动绕垂直轴旋转的缺口圆盘刀,当视觉系统检测到杂草信息时,控制拖拉机移动到杂草位置,横移机构开始对刀,除草圆盘刀开始旋转进行除草作业。该除草机在大田移栽卷心菜田中试验,结果表明在作物植株周围240毫米半径范围内的作物损害程度角度,杂草除草率在62%-87%。 图 3 Garford苗间除草机 图 4 行间除草装置M. Norremark等开发和优化一种基于实时运动学全球定位系统(RTK-GPS)的新型无人智能除草系统5,该系统包括自走式拖拉机、控制侧移架、基于余摆线运动的8个旋转耙齿。田间试验证实,该自动除草系统可以可靠地在作物行内锄草,而不会与作物发生碰撞。Christian Frasconi设计了一种自动除草机4用于实现机械地清除作物行间的杂草,并在作物行间进行选择性和针对性的交叉燃烧除草。该除草机结合了一个配备杂草检测系统的自动地面移动单元,可以通过特定的基于视觉的感知系统进行杂草检测和作物行检测。除此之外,该除草机还装有检测农作物的引导系统,可以避苗用于机械除草的刚性工具损坏玉米植株。通过在玉米地进行实物测试发现结果不太理想,仍需改进。David Reiser等开发了一种自动行内除草机器人7,主要用于清除葡萄园行内区域的杂草。这台除草机器人是在“Humus Planet”旋耕除草机的基础上研发的,其整体结构是集成在一个自主电动机器人平台上的,搭建着用于除草的旋转除草器和能够定位的基于激光扫描仪的自动追踪器。对该机器人进行性能测试,结果为12台电动除草机器人中有11台可以在葡萄园中进行自动除草。BJORNASTRAND设计出了一款机器人2,主要用于农业方面的除草工作。这种机器人采用了两种不同的方式以实现对杂草的精确识别和处理,首先其采用了灰度视觉系统,这种系统可以智能识别农作物的排布,经过分析后为机器人选择最佳的行进路线,其次,他还采用了基于颜色的视觉系统,能够在杂草中精确识别出作物并加以规避。在这两种视觉系统的精密配合下,最终使该机器实现了杂草的精确处理操作。在温室进行首次试验,结果表明机器人能够清除一排作物内的杂草。Mohd Taufik Bin Ahmad研制了一种蔬菜作物自动行内除草机1。该机械除草机由集成伺服电机驱动的皮带驱动系统和无刷直流电动机驱动的旋转齿除草机构组成。该驱动器与机器视觉系统结合,用于检测作物种植位置,并控制旋转除草机构在不损害作物的情况下执行机械除草操作。在蔬菜田间进行试验,统计结果表明,齿深和行进速度对除草面积有影响,较深的加工深度和较慢的行进速度可以达到较好的除草效果。1.3国内研究现状我国对机械除草的研究起步较晚,虽然进展比较顺利,发展速度快,但是在株间除草机械方面仍与国外差距较大21。国内现在对于除草机的研究与设计仅仅停留在除草机的某个部分的开发与优化,整体成套的设备研发很少,并且在国内,除草机的介绍大多停留在理论阶段,真正能够进到田间进行实践的设备很更是稀缺,有关这些方面的新闻报道也很缺乏,这足以证明在我国,除草机的应用还远没有那么广泛,对于相关设备的设计研究以及推广实践的程度也差强人意。Lijun Wang等设计了一种主要由STM32C8T6单片机控制的除草机器人10,单片机得到定位信息后,驱动除草部件到指定位置进行除草。除草执行器末端采用六自由度机械手,且机械手的长度可根据自由度的要求进行调整。机器人运动采用车轮结构,通过软件编程和后期调试实现机器人的直行、转向。北京林业大学李燕设计了一种适用于苗圃田间株间除草的设计方案17,该除草机能够实现自由转向和行内行间同时除草。利用ADAMS对除草机构进行运动学仿真分析验证满足除草需求、对关键零部件进行强度刚度校核验证其结构满足力学要求,但是该设计没有对机器的控制系统进行研究,缺少动力传动部分并且该设计只适用于均匀分布的作物。南京林业大学孙曼丽20设计了一种能够同时在玉米田间进行行间株间高效除草的机器人20,如图4。该机器人利用了机器视觉和GPS,其系统结构包括机器人本体、图像采集装置、图像处理转置(嵌入式控制器)、驱动转置和除草执行器,利用ADAMS和MATLAB对除草机器人末端执行装置的除草运动进行联合仿真分析,其不足之处在于并未制作样机进行实验,而且在仿真过程中采用刚性建模使得运动仿真结果存在一定的误差。中国农业大学黄小龙、张春龙1523等人采用优化设计方法结合国内蔬菜大田种植模数对锄草机器人末端执行器进行设计,得出最优的结构参数组合,还设计了运动速度在0-1.5m/s内连续可调的四轮移动机器人平台和液压系统,该锄草机器人除草率为95%以上,伤苗率在1.4%左右。田间试验结果表明,该机器人除草作业效果良好,满足除草作业的农艺要求。吉林大学韩豹14采用理论分析、多目标优化、虚拟制造和仿真试验相结合的方法分别对水平圆盘株间除草和组合梳齿式株间除草的关键零部件进行设计与试验,在这一基础上,他发明了3ZCF -7700型中耕除草施肥机,如图5,主要用于玉米种植区域内的杂草清除,在进行过多次反复实验后,数据表明玉米行间除草率高达95%左右,行内除草率可达到76%左右,满足除草需求。但是,该研究的作业单体受机手技术水平的影响,存在一定的误差,没有实现自动导向且存在调校繁琐,仿形动作平稳性差等问题。 图 5 中耕除草机 图 6 株间除草装置东北农业大学葛玉晓13根据作物根系深、根系发达的特点设计出了一种可形成四边形网格状轨迹的除草装置,如图6,利用NX8.0对该装置进行建模和仿真分析,进行四元二次回归正交旋转中心组合试验,建立除草率与伤苗率模型,最后利用Design-Expert8.0.5b进行分析处理得出最优试验组合,参数结果表明当梳齿为6根,间距为400mm,作业速度为2.3m/s时除草率可达84%左右,满足设计要求。1.4现状分析现阶段对于田间杂草的处理方式大体有两种,分别是行间除草法和株间除草法。针对于行间除草的研究,无论在国内国外都有十分成熟的技术,有很成熟的作业机械与除草技术,但是在株间除草这一领域的研究,还有很大一部分缺陷,主要是由于作物间距离不固定,杂草分布密度较大,且区域较为分散,在对杂草进行清除时极易对作物根茎部造成不可逆转的伤害,这些问题如果无法解决,株间除草的技术就无法前进,也很难取得理想的研究成果。目前完全研制成功的株间除草整机装备较少,不管是纯机械式还是具有一定自动化的机械式株间除草技术与装置都是当下研究的热点22。332 技术任务书2.1 研究内容本课题研究的除草机主要适用于番茄、茄子、辣椒等均匀分布的条状播作物。为了使研究具有针对性,本文选取番茄作为研究对象,实现番茄株高在200mm以下,行距为300mm-500mm,株距为300mm左右的株间除草。假定除草机最大装备质量为200kg,前进速度为30mm/s。由于整个除草机比较复杂,工作量较大,因此本课题重点研究车辆本体结构中的转向机构与并联机构。具体研究内容如下:(1) 针对番茄株间杂草除草问题,根据其除草任务要求与作业指标设计一套株间除草机的整体结构方案。(2)考虑到除草机的作业方式,为实现在番茄田间自动行走,设计一种可稳步向前与自由转向的移动平台结构方案,主要包含自走式车辆本体的传动系统与转向机构两部分,再根据驱动方式的特点、番茄幼苗高度、田间株距行距等确定自走式车辆本体主要结构参数(3)为实现除草避苗与精准定位,设计一种满足除草作业的除草机构。对并联机构进行运动学分析确定其结构参数,再利用MATLAB对执行器末端工作空间进行模拟验证其是否满足株间除草区域的范围。2.2 技术路线根据本文的研究内容和国内外研究现状,制定技术路线如下所示:3 总体设计方案番茄苗期株间除草机大体分为自走式车辆本体和并联机构两部分。 自走式小车作为除草机本体,在番茄田间直线行驶、稳步向前。并联机构用于实现精准定位与除草避苗,位于移动车体的中间区域。除草机器人整机工作原理:除草机在作业过程中,移动平台沿作物行向前行驶,此时并联结构的末端执行器位于距地面200mm以上的位置即在植株的上方。当行走到目标位置即杂草区域时制动停车,执行器末端开始从原始位置移动到杂草区域进行除草作业,区域除草完毕时执行器末端回到原始位置,轮式小车继续向前行驶,当整行除草作业完毕,四轮小车进行转向,继续进行往返式逐行作业。3.1移动方式的选择本课题所设计的移动平台用于搭建电动机、除草机构、转向系统等各种部件并在凹凸不平的番茄田间行走。因此,要求移动平台具有一定的负载承受能力,且具有良好的稳定性能够平稳地在农田间行驶。移动平台的行走方式主要分为:履带式和轮式。移动平台的行走方式直接影响其转弯性能、平稳性能、通过性能及能量消耗性,进而影响除草机的作业效率与作业安全。因此,需要综合考虑相关因素来选择其行走机构。各方式的优缺点如下:履带式行走机构:负载能力强、接地比压小可适用于重型机械,越野能力强可适应复杂路况环境,稳定性极好,爬坡能力大,但其转弯半径大,转向不灵敏,结构复杂,损耗较快,噪音较大 ,成本较高。轮式行走机构:构造简单,速度较快,反应灵活,机动性突出,运行平稳自如,价格低廉,实用性强,运行时轮胎损耗较小,噪音低,易于在田间行走,阻力小,效率高。综合考虑,本文选用轮式行走机构,其具有较高的转弯灵活性与实用性,可以适应农田间凹凸不平的作业环境,适宜在田间行走。机械设计中常见的的轮式移动机构大部分可以概括为三轮驱动、四轮驱动以及六轮驱动三个部分,一般使用驱动轮配合自由轮,或配合转向机构,实现整个结构的转向。三轮小车结构简易,应用范围广泛,但其稳定性较差,在载荷分布不均匀的情况下容易发生前翻并且小车的转动灵活性受三个支撑轮的相对位置和重心位置的影响11。六轮小车有较大的负载能力和运行稳定性,但其结构繁琐,常用于载重较大的情况。本文选用四轮结构,其具有良好的支撑稳定性和运动灵活性,且结构简单,成本低。在除草机车轮的选择上,考虑到其复杂的工作环境,小车轮在工作时极易陷入复杂地形如田间土地裂缝等,影响除草机正常运行,故经多方面考虑后选择用大车轮作为除草机车轮。本文选用的车轮,其主要尺寸轮径D为500mm,轮宽L为105mm,该车轮额定载荷为6300N2009.8=1960N。3.2 传动系统设计在这次设计中,我研究的除草机整体驱动系统由以下几部分组成,分为除草机驱动电机,微型减速器,微型联轴器以及驱动轮几个部分。除草机驱动电机通过微型联轴器与微型减速器相连,驱动电机提供的动力经由微型减速器,通过齿轮啮合传动的方式到达驱动轮,使驱动轮工作,微型减速器与驱动轮位于同一根轴上,故而转速相同,轴与轮之间通过平键连接的方式进行固定,带动整个机器人实现各方向运动。本设计采用双电机驱动四轮小车的左右后轮,在小车转向时,可以通过调整输入到步进电动机的脉冲信号的频率以达到较高精度的速度调节。当两电动机输入不同脉冲信号的频率时,可以采用差速驱动的方式较容易地实现除草机的前进后退、左右转向等功能。因此,本文选用步进电动机作为驱动电机。驱动电机选型:车轮与轴承间的摩擦力为F1=pd2D2 (3-1)式中,p车轮轮压,p=150Kpa; 车轮与轴承的摩擦系数,=0.015;D车轮直径,D=500mm;d车轮轴枢直径,d=50mm。代入数据得,F1= pdD=15010000.01550500=225N。车轮与地面的摩擦力为F2=Nf (3-2)式中,N平台与地面之间的正压力,N=1960N; f土壤地面与车轮之间的摩擦系数,f=0.1。代入数据得,F2=19600.1=196N。惯性阻力为F3=Gag (3-3)式中,a加速度,取a=0.15m/s2。代入数据得F3=2009.80.159.8=30N。所需动力为Fi=Fall综合阻力 (3-4)则有F=F1+F2+F3=225+196+30=451N。扭矩为T=FD2 (3-5)式中,F电机最小驱动力,由于安装两个电机分别驱动,因此,F=F/2=225.5N;D车轮直径,D=500mm。代入数据得,T=225.55001210360Nm。因此,选用85HB118HK20-504减速步进电机,根据矩频曲线图可知,当力矩M为70 Nm时,对应的转速为n=11r/min,则输出功率为P=M2f=7023.1411/6080.6W线速度为v=2rn=Dn=0.53.1411/60=0.3m/s微型减速器减速比为1:10。3.3 除草机构的选择伴随着科学技术的不断进步,曾经的小农耕作的农业生产方式已经成为过去,活在历史书里,要构建新的农业生产劳作方式,才能够避免我们在经济全球化的浪潮中败下阵来,才能真正跟上世界农业发展的潮流,才能真正将中国农业大国的地位带到全世界面前。我国农业水平正在飞速发展,以往的简单劳作方式已经抛弃,转而向资源节约型,环境友好型的精准农业大步前进。精准农业,又叫精细农作、精确农业是源自美国的一种新型农业,是当今世界农业发展的潮流,是未来农业发展的重要方向。精准机械式除草方式是精细农作的重要研究课题之一,株间智能除草设备的研制也将促进向现代化作业方式的转变,实现投入低、效率高、可持续的农业生产。株间除草技术的一个重要难题在于准确定位,现实意义是除草避苗。由于一般的除草机械很难保证不损伤秧苗,因此本文除草机的主要部件选用Delta并联机构,主要依据其精度高的特点。该并联机构不仅可以把株间的杂草去除掉还能避开幼苗使幼苗不受损伤,可以帮助人类完成繁琐单调重复的工作,使田间除草变得更加精细、更加智能化,为科学种田提供了所需要的定位技术手段,便于进行农田科学管理。Delta机器人在1985年由法国Clavel博士首次提出并命名的16,它是由三条支链构成的三角形结构形式的并联机器人,它被称为“最成功的并联机器人设计”,是目前的热门机型,受到国内外众多学者的关注。该机器人具有运动精度高、灵活性强等特点。4 转向系统设计4.1 转向方案的确定方案一: 电机驱动锥齿轮以啮合转动的方式将动力输出至不完全锥齿轮,使得连杆发生摆动,带动右梯形臂发生一定程度的限位摆动,从而拉动右车轮进行偏转,通过横拉杆,使得左车轮发生同步偏转。不足之处:结构复杂,不紧凑,传动动力小。方案二:电机带动转向轴转动,通过齿轮齿条转向副将电机的转动变为齿条轴的往复运动,通过带动转向横拉杆进而引起摇杆的摆动,使车轮发生偏转。不足之处:逆效率高,会发生反冲现象方案三:通过齿轮齿条转向器将电机的转动改变为转向直拉杆的平动,转向直拉杆在进行平动运动时,通过转动副带动节臂,使其做出相应的摆动,进而由节臂带动左侧梯形臂,从而实现了使梯形臂上的左车轮做转向运动。而在另一侧同样由转向节臂带动转向横拉杆,驱动右侧梯形臂带动右车轮,实现其转向运动。通过对比,本文选用方案三。该方案具有结构简单、效率高、成本低等优点。机构中的转向梯形结构可以使车轮在转向过程中进行纯滚动,轮胎损耗小,使用寿命长,提高小车的稳定性。4.2 转向梯形参数的确定此小车的前轴距D为900mm,转向节跨距M为500mm,轴距L为1600mm。主销偏移距a 一般在10-30mm之间,本文取a=20mm。根据经验公式=arcsin(LRa) (4-1)得,转向轮外轮转角=29。根据阿克曼核心公式cot-cot=ML (4-2)即转向内轮最大转角 =arccot(cot-ML) (4-3)代入数据得,= arccot(cot29-5001600)=34,满足内轮最大转角max45。在对转向梯形的设计中,转向梯形臂其值一般在0.11M-0.15M之间,即5575,取=75mm。转向机构的初始角即梯形底角应满足arctan(1.2LM)80 (4-4)则有,arctan(1.21600500)7580,取=75。根据勾股定理,转向横拉杆b461mm。由最小传动角约束条件知,cosmin2cos+cos(+)(cosmincos)cos-2M0 (4-5)代入数据得, 则有min57.38min=40,满足最小传动角条件。4.3步进电机的选择选用57HK行星减速步进电动机,其静力矩为2.0Ncm,转动惯量为480gcm2,减速比为1:5.1.计算惯量匹配问题假设移动负载为5kg,移动位移为30mm,移动时间为2s,应保证负载惯量/电机惯量厂家惯量比,电机惯量一般取5。负载惯量为J=mD24 (4-6)式中,D小齿轮分度圆直径, D=15.3mm;m质量,由于步进电机加速时间通常为0.2s,因此可得出vmax=130m/s。加速度a=vt=13010.20.17m/s2。安全系数=2,即F=(f+ma)=(0+50.17)2=1.7N,得到m0.17kg。代入数据得,负载惯量J=mD24=9.95kgmm2=0.0995 kgcm2,转动惯量J1=0.09955=0.0199kgcm2=19.9 gcm2480 gcm2。 2.计算转矩匹配问题转矩公式为T=Fr (4-7)其中,r小齿轮分度圆半径, r=D/2; F力,F=1.7N。代入数据得,转矩T =1.715.3/213.6 Nmm=1.36 Ncm100N/mm,当精度等级为8级,查表可知斜齿圆柱齿轮的KH=1.4。代入数据得,载荷系数KH=KAKvKHKH=111.41.15=1.61。因此,计算按实际载荷系数得出的分度圆直径为d1H =15.731.611.2=17.31mm;对应的齿轮模数为mnH=d1Hcos/z1=17.31cos12/6=2.82mm3.按齿根弯曲疲劳强度校核(1)试算齿轮模数,即mnt32KFtT1YYCOS2dz12 YFSF (4-20)式中,KFt载荷系数,KFt在1.2-1.4之间,试选KFt=1.2; Y弯曲疲劳强度的重合度系数; Y弯曲疲劳强度的螺旋角系数; YFS复合齿数系数; F弯曲疲劳许用应力。1) 计算弯曲疲劳强度的重合度系数Y。v= cosb2 = 0.6cos11.32 = 0.62Y =0.25+0.75v=0.25+0.750.62=1.462) 计算弯曲疲劳强度的螺旋角系数 YY=1-120=1-0.212120 =0.983)计算YFSF其中,YFS复合齿数系数,YFS=3.32 F弯曲疲劳许用应力,F=KFNflim1S (4-21)式中,KFN弯曲疲劳寿命系数,由图可得KFN=1.32 Flim1小齿轮的齿根弯曲疲劳极限,由图可查得Flim1=500Mpa S弯曲疲劳安全系数,S=1.4代入数据得, F=1.325001.4=660 Mpa,YFSF =3.32660=0.00664因此,mnt321.2191001.460.98cos1220.5620.00664 =2.6(2)调整齿轮模数mnF=mnt3KFKFt (4-22)式中,KFt载荷系数,KFt在1.2-1.4之间,试选KFt=1.2; KF载荷系数,KF=KAKvKFKF (4-23)其中,KA使用系数,当原动机为电动机且载荷状态为均匀平稳时,查表可得KA=1; Kv动载系数; KF齿间载荷分配系数; KF齿向载荷分布系数,查表可得KF=1.15。1)计算动载系数Kv,圆周速度v为v=d1n1601000 (4-24)式中,n1 齿轮转速,n1=10r/min; d1试算分度圆直径,d1=mntz1cos=2.66cos12=15.95mm因此,v=15.9510601000=0.00835m/s齿宽b为b=dd1t=0.515.95=7.975mm宽高比b/h,其中,h=(2an+cn) mnt =(21+0.25)2.6=5.85mm可得,b/h=7.975/5.85=1.36 根据圆周速度v=0.00835m/s和8级精度,在图中查得Kv=0.4。2)计算齿间载荷分配系数KF齿轮的圆周力Ft1为Ft1=2T1/d1t=219100/15.95=2394.98NKAFt1b=12394.98/7.975=300.3N/mm100N/mm查表可知当精度等级为8级,斜齿圆柱齿轮的KF=1.4。代入数据得,载荷系数KF=KAKvKFKF=11.40.41.15=0.644。因此,按实际载荷系数求得的齿轮模数为mnF=2.630.6441.2=2.11mm取mn=2.5mm。4.齿轮参数齿轮齿数z1=6,模数mn=2.5mm,螺旋角=12,压力角=20,齿顶高系数a=1,顶隙系数cn=0.25根据最小变位系数计算公式Xmina-zsin22cos3 (4-25)可得,Xmin0.6,则取变位系数为Xn=0.6。齿顶高 ha=mn(an+Xn)=2.5(1+0.6)=4mm (4-26)齿根高 hf=mn(an+cnXn)=2.5(1+0.250.6)=3.125mm(4-27)齿高h= ha+hf=4+1.625=5.625mm (4-28)分度圆直径 d1=mnz1cos=2.56/cos12=15.3mm (4-29)齿顶圆直径 da=d1+2ha=15.3+24=23.3mm (4-30)齿根圆直径df=d1-2hf=15.3-21.625=12.05mm (4-31)基圆直径 db=d1 cos=15.3cos20=14mm (4-32)5.齿条计算齿轮中心到齿条基准线的距离H=d12+Xnmn=15.3/2+0.62.5=9.15mm (4-33)齿条直线运动的速度 v=dn60=15.31060=8mm/s (4-34)齿条模数 mn=2.5mm试算齿条长度L=4d1=43.1415.3=192.168mm (4-35)则齿条齿距Pn=m=3.142.5=7.85mm (4-36)齿条齿数z2=L/Pn+0.5=192.168/7.85+0.5=24.9825 (4-37)进而可得出实际齿条长度L1=z2Pn=257.85=196.25mm (4-38)取齿条长度为200mm。6齿条参数齿条齿数z2=25,模数m=2.5mm,齿条长度L=200mm齿条的齿形角等于齿轮分度圆压力角等于啮合角=20变形系数Xn=0,齿顶高系数a=1,顶隙系数cn=0.25齿条齿顶高 a2=am=2.51=2.5mm (4-39)齿根高f2=m(an+cnXn)=2.5(1+0.250)=3.125mm(4-40)齿高 h= a2+f2=2.5+3.125=5.625mm (4-41)齿条齿宽 b2=dd1=0.515.3=7.65mm (4-42)取b2=10mm。3.5其余杆长的确定根据小车的整体尺寸与转向要求确定其余杆长参数:转向节臂为65mm,转向直拉杆为310.3mm。5 并联机构设计及空间分析5.1并联机构设计1.结构分析DELTA并联机器人由两个平台组成:静平台和动平台。为减小主动臂的质量,使机构运动更加具有灵活性,将伺服电机安装在静平台。而动平台的下面装有末端执行器。两个平台之间通过3条完全相同的运动链相连接,每条运动链中有一个由4个球铰与2个从动臂组成的平行四边形闭环,此闭环与主动臂相连,主动臂与静平台之间通过转动副连接18。图中:1 静平台、2 伺服电机、3 主动臂、4摄像头、5 运动链、6 伸缩杆、7 静平台2.自由度计算根据Kutzbach Grubler公式16,即F=6(n-g-1)+i=1gfi (4-43)式中,g总运动副数,g=15; N总构件,n=11; fi第i个运动副的自由度数,其中球面副数为12,球面副的自由度数为3;转动副数为3,转动副的自由度数为1,此外,还有6个冗余自由度。代入数据得,自由度F=6(11-15-1)+312+13-6=3。因此,该形式DELTA并联机器人具有3个平移自由度,消除了旋转自由度,使得机构工作空间扩大,运动奇异点削减。3.参数定义在进行运动学分析时,可将机构简化,如图所示。其中,主动臂AiBi用la表示;从动臂BiCi用lb表示;电机主动臂对静平台的张角用i表示;静平台各顶点到静坐标系原点O的长度用R表示;动平台各顶点到动坐标系原点O的长度用r表示;动坐标系的原点相对于静坐标系的位置矢量用x y zT表示。4.运动学分析假设静坐标系原点O与静平台各顶点 Ai的连线|OAi|到静坐标系X轴的角度为i,根据几何学关系,可得到i=4i36 (i=1,2,3) (4-44)将i代入运动学方程R+lasinircosix2+R+lasinirsiniy2+lacosiz2=lb2 (4-45)整理可得到x、y关于z的表达式,即x=E1z+F1y=E2z+F2 (4-46)其中,E1=B13C23B23C13A2B13A1B23 (4-47)F1=B13D2B23D1A2B13A1B23 (4-48)E2=A2C13A1C23A2B13A1B23 (4-49)F2=A2D1A1D2A2B13A1B23 (4-50)B13=B1+B3 (4-51)B23=B2+B3 (4-52)C13=C1-C3 (4-53)C23=C2-C3 (4-54)D1=12(A12+B12+C12B32C32) (4-55)D2=12(A22+B22+C22B32C32) (4-56)A1=32(R+lasin1r) (4-57)B1 =12(R+lasin1r) (4-58)C1=la cos1 (4-59)A2=32(R+lasin2r) (4-60)B2=12(R+lasin2r) (4-61)C2=la cos2 (4-62)A3=1 (4-63)B3=R+lasin3r (4-64)C3=la cos3 (4-65)z=bb24ac2a (4-66)5.参数确定并联结构各部件尺寸的大小直接决定执行器末端的工作区域范围。现给定并联机构的尺寸参数如下:主动臂转角i的变化范围是3-112.6,主动臂la=300mm;从动臂lb=700mm;
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