微型全自主扫雪机器人机械结构设计【三维UG】【含动画仿真】【3张CAD图纸+文档全套文件】
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大学本科生毕业论文(设计)中期检查表学生姓名赵营营学院班级机械工程学院机械 13-11 班指导教师李长勇论文(设计)题目微型全自主扫雪机器人机械结构设计 已 完 成 的 任 务 1.根据设计要求对扫雪机器人进行结构设计。 2.根据要求完成部分零件的三维建模。 3.绘制相应的零件图。 4.设计说明书的撰写完成1/2。是否符合任务书要求进度是尚 须 完 成 的 任 务1. 进行整体装配。2. 设计任务书的撰写。3.进行运动仿真。能否按期完成任务能存在的问题和解决办法 存在的问题:1.运动仿真的制作。 2.部分较难的装配。 解决方法:1.对NX 10.0进行深度学习。 2.查阅相应的文献资料,向指导老师请教。 填 表 人 日期 教研室主任签字: 教学副院长(主任)签字:大学机械工程学院本科毕业论文(设计)机械工程学院本科毕业论文答辩记录学 号20132008004 姓名赵营营班 级机械13-11论文题目微型全自主扫雪机器人机械结构设计指导教师李长勇专业名称:机械工程(矿山机电)答辩记录:1 你是用了几个液压缸?怎么用这么多的液压缸?(海几哲老师提问)答:我用了五个液压缸,因为可以通过这五个液压缸来控制三个扫雪板的自由运动,这样有个很大的不足就是增加了控制的难度。 2. 你的扫雪装置有几个自由度?(海几哲老师提问)答:我的扫雪装置有两个自由度,下面的两个液压缸可以控制整个雪板的上下运动,上面的三个液压缸可以控制三个小的雪板的上下俯仰运动。 3. 你的这里(图纸上扫雪轴的地方)这个是什么?(伊力哈木老师提问)答:我这里设计的是一个外腹板,可以相当于轴肩的作用。 4. 你选择的是什么型号的电机,它的输出扭矩是多少?这个扭矩能否带动这个小车,你计算过了吗?这个小车有多重?(乌日凯西老师提问) 答:我选择的是57直流无刷电动机,他的输出扭矩是0.7N.M。通过减速器降速后增大了输出扭矩为6.6N.M,我计算过了这个扭矩可以带动小车,我的小车的重量大概有七八十公斤。答辩组负责人: 2017 年 6 月 4 日大学毕业论文(设计) 大学毕业论文(设计)题 目: 微型全自主扫雪机器人机械结构设计指导老师: 李长勇学生姓名: 赵营营所属院系: 机械工程学院专 业: 机械工程(矿山机电)班 级: 机械13-11完成日期: 2017年5月25日41大学毕业论文(设计)声 明本人郑重声明,毕业设计论文微型全自主扫雪机器人机械结构设计系本人在相关教师指导下独立完成,没有抄袭、剽窃他人成果,由此造成的一切后果由本人负责。 签名: 时间: 年 月 日新 疆 大 学毕业论文(设计)任务书班 级: 机械13-11 姓 名: 赵营营 论文(设计)题目: 微型全自主扫雪机器人机械结构设计 专 题: 要求完成的内容: 1)查阅国外文献,了解国内外现有微型自主扫雪机器人功能和结构; 2)针对设计要求,设计微型自主扫雪机器人的结构; 3)利用UG建模并进行运动仿真,工程图(A0图1张)、零件图(A3 图2张); 4)设计计算说明书一份(1.5万字左右); 发题日期: 年 月 日 完成日期: 年 月 日实习实训单位: 地点: 论文页数: 页; 图纸张数: 指导教师: 教研室主任: 院 长: 摘 要在我国北方大多数地区,冬天下雪量多,下雪时间比较长,尤其是乌鲁木齐,长时间堆积的积雪的清除也成为城市正常运行的基础。大多数地区开始使用除雪机械来代替原始的人工扫雪。与原始的人工扫雪,除雪剂除雪相比机械式除雪具有更高的效率,更低的耗能,因此得到了广泛的应用和迅速的发展。但是已有的大型扫雪机械设备不适用于如校园,小区等较窄的道路,并且目前的除雪机械中自主扫雪功能的实现还未成熟,因此设计出可自主实现导航避障功能的自主扫雪机器人也是非常有意义的,此次设计基于国内外已有的扫雪设备和方法研究出了一种适合较窄道路的可实时进行清扫工作的微型全自主扫雪机器人。本论文主要是对其机械结构进行设计和创新,对其设计方案和工作原理进行分析,对其重要部分的零件进行计算和校核。最终用UG NX10.0 软件建立出扫雪机器人各个部件的三维模型,然后进行装配,行成运动仿真。在此次设计研究中,主要用到了以下几个关键技术:利用 UG NX10.0 软件建立了扫雪机零件的三维实体模型,进行装配后实现运动仿真,导出二维装配图。利用Auto CAD 2007 软件对导出的二维装配图进行修改达到国家标准图纸要求。 关键词 扫雪机;UG NX10.0;三维设计;设计计算 AbstractDue to the xinjiang region special climate, winter time is longer, the more snow, so looking for a kind of high efficiency, structure is simple, low cost way of snow become the top priority.With the current artificial snow, snow removal agent snow removal than mechanical snow removal has higher efficiency, lower energy consumption, therefore has been widely used and rapidly developing.But the existing large snow machinery equipment does not apply to such as campus, community and so on a narrow path, and the realization of the function of autonomic snow in the snow removal machine is not yet mature, so design can be independent autonomous navigation and obstacle avoidance and functions to sweep robot is also very meaningful, This design is based on the domestic and foreign existing snow device and method developed a suitable for narrow roads may real-time full autonomy to sweep microrobots for cleaning work.This paper is mainly to its mechanical structure design and innovation, the design scheme and working principle were analyzed, and the important part to calculate and check the parts.Use UG NX10.0 software to create 3d modeling of all parts of the robot, create the physical model, and carry out motion simulation.In this project study, mainly adopts the following key technologies: using UG NX10.0 software 3 d entity modeling technology and assembly technology, created the snowplow components of the three-dimensional entity model, and completed the whole machine of the three-dimensional entity unit model, design for assembly is realized.keywords The Snowplow machine; UG NX10.0; 3D design; Design calculationV 大学毕业论文(设计)目 录摘 要IIAbstractIII1 绪论11.1 选题的意义11.2 国内外的发展状况与趋向11.2.1 国内发展状况11.2.2 国外发展状况21.2.3 发展趋势31.3 扫雪途径及其应用范围42 路面积雪性质的研究52.1 积雪的物理性质52.1.1 雪的密度62.1.2 积雪的湿度72.2 积雪的力学性能72.2.1 积雪的硬度72.2.2 积雪的摩擦系数72.3 本章小结83 微型全自主扫雪机器人机械结构设计93.1 总体结构设计方案及其比较93.2 微型全自主扫雪机器人的工作原理93.2.1 基本结构93.2.2 工作原理93.3 本章小结104 行走装置的设计计算和校核114.1 设计方案114.1.1 结构组成114.1.2 工作原理及工作过程124.2 履带行走装置动力方式的选择124.2.1 履带行走装置牵引力的计算124.2.2 履带行走装置原动机的选择144.3 履带行走机构关键部件的设计及选择164.3.1 履带的设计及选择164.3.2 驱动轮的设计及选择174.3.3 驱动轴的设计及计算校核184.3.4 导向轮,拖带轮,支重轮的设计及选择204.3.5 履带行走机构螺栓的选择与校核224.4 本章小结235 推雪装置的设计计算和校核245.1 推雪板的设计245.2 铲刃的设计255.3 链接装置的设计256 扫雪装置的设计计算和校核276.1 扫雪装置的设计276.2 扫雪装置的计算与校核286.3 刷毛的选择307 三维建模与装配及运动仿真317.1 UG NX 10.0 功能介绍317.2 UG NX 10.0 建模方法介绍317.3 UG NX 10.0 用户327.4 UG NX 10.0 装配建模357.5 UG NX 10.0 运动仿真36参考文献37致谢40VII大学毕业论文(设计) 1 绪论 1.1 选题的意义我们知道一定的积雪对我们来说也有一定的好处,瑞雪兆丰年,对空气也有一定的净化作用,但对于城市化的地区,马路上的积雪则会造成相应问题。时常会造成一系列的麻烦和事故,比如说交通堵塞或者交通事故。因此要实时对道路上的积雪进行清理,然而目前我国的扫雪方式有人工扫雪和机械扫雪,人工扫雪既费时又费力,机械扫雪一般都是大型的机械设备,对于一些较窄路段的积雪就不能够及时的清扫,大型机械扫雪设备不能够满足城市小道比如说校园,人行道,居民小区里的较窄的街道。因此这些小道中的雪全靠人力清扫,用人工扫雪板,用十字镐,用扫把来进行清扫,用的全是人海战术,这样的方式不仅浪费了大量的精力,清雪的效率也不高。这些积雪和被压实的雪常常会引发各种交通隐患,和造成交通堵塞,因此要设计出一种效率又高,结构又比较简单,又能实现自主扫雪,成本又低的扫雪机器人成为首要任务,所以在小伙伴和李长勇老师以及房爱青师哥的帮助下,设计出了微型全自主扫雪机器人,用来解决较窄道路的积雪清理,不仅提高了扫雪效率,也为环卫工人带来了保障,降低了道路交通事故的产生。1.2 国内外的发展状况与趋向1.2.1 国内发展状况在中国,除雪机械的研制相对晚些,80年代以后才开始研制与开发,在改革开放的背景下,道路越修越好,车辆越来越多,交通也越来越复杂,接着就研发出了多种型号的除雪机械,用来清理道路上的积雪。清雪设备开始发展起来,与此同时,相关部门也开始关注国外的先进道路保养技术,并向国内发展,最近几年,陆续向国内引进了一些养护道路的机械设备,当中包含一些具有清理积雪功能的设备,比如奔驰牌的 U1650 型万能工程车,乌尼莫克道路综合等养护车。19(1)产品级次低,功能单一中国的扫雪方式多种多样,在北方冬天不是特别的冷,下的雪也不是很多,下雪的天数也不多,因此就不需要太大的专门的清雪车。许多厂家生产出来的设备并非专门用来清除积雪,而是有许多其他的功能,扫雪设备也通常是一个附属品,在设计除雪设备时,可根据汽车的情况,设计出可扫雪的推板机构然后安装在汽车前面或者后面,此机构对汽车的结构状态没有太多的要求,因此对汽车的行走功能也没有太大的影响。然而这种方式并不是很专业,所以一些厂家也开始致力于除雪设备的研究和开发,引进高端人才,在研究上做技术支持,在拥有好的制造设备和高的研究能力下研发出高效率的机械设备。在融雪技术层面:中国使用的方法是将具有融雪作用的一些化合物洒在道路上进行雪的融化,比如盐巴是最常用的,再就是氯化钠等类似物质。10但是此方法会产生有害气体,对环境造成污染,所以响应国家的环保政策,要减少氯化钠的使用,那么所用的融雪物质就用进口的多点,国产的造价比较高。此方法在大片面积的路况使用比较合适,比如机场和跑道等。(2) 产品简单,没有标准每个商家对新产品的设计都是基于最理想的使用条件,进行研发设计。这种设计研发的方式虽然一定程度上确保了专利形式的多样化,但在产品的实际使用中各方面明显不足,功能单一,在综合使用过程中,产品的用户体验不佳。同时,有些厂商为了增加自己产品销售量,缩短资金流转周期,在产品研发的过程中投机取巧,一味的去模仿国外的产品技术,没有自己的核心技术,在追求性价比的同时降低产品的质量。因为各种各样的原因,现在全球方面并没有一个统一的产品标准,比如“扫雪车”。1.2.2 国外发展状况目前,国外的扫雪机械发展技术比较先进,其各种附属功能也更加丰富。在芬兰、德国等欧洲北部的一些国家,扫雪机械的相关研发技术和制造过程已经相当成熟,走在了相关领域的最前列。最初的清雪机械是采用推土机或装载机,利用其推土板和装载斗江积雪集中在一起,后来发展成犁式除雪机。早在 1943年日本就开始把 V 型犁装在载重卡车上用于除雪,经过多年的发展,国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。犁式除雪机出现以后,又出现了将用合成材料制成的纸箱圆周不同方向排列的棒装在滚筒上作为清雪专用器械,但只对没冻得积雪效果好,直接后来出现了连续快速的大型旋转式清雪机,清理积雪的工作才变得简单。切削,调集,推移和抛投是旋转式除雪机的功能,旋转式除雪机有结构复杂,功能多的特点。旋转式扫雪机生产的主要国家是俄罗斯和日本,这两个国家的技术成熟。产品的性能一直居在世界领先水平。随着人们物质生活水平的提高,人们对路面的质量要求也有了更高的期待,尤其是冬天路面被冰雪覆盖,这就要求国家在公路护养方面对扫雪机械的投入大大增加。同时,国外较为成熟的技术研发的扫雪产品也几乎可以满足一机多用的使用性能,往往一种产品即可面对各种路面状况,但是,国外的扫雪产品的价格也较为高昂。1.2.3 发展趋势目前,扫雪产品的发展趋势已经呈现了较为明显的不同发展方向: (1)体型较小、速度较高 在扫雪除冰的过程中,扫雪设备的体积尺寸和设备行走速度在一定程度上对交通状况也会产生很大的影响。设备本身体型太大,就会占用交通要道,影响车辆交通流。同样,如果扫雪速度太慢,也会造成交通拥堵,给冬天本来就不好的路况造成新的困难。因此,新型的扫雪设备应该要有较高的清雪速度和较小的设备体型,以适应拥堵的路面。因此,除雪除冰装置的小型化,高速度应为扫雪设备的发展目标。19 (2)多功能、高效率 为了提高扫雪设备的使用效率,扫雪设备的功能应该向多功能多用化方向发展。设备应该具有良好的移植互换性,表现为不仅可以在专用设备车型上安装使用,而且也可以植入其他常用工程车辆,具有更加良好的兼用性能。例如,在行 驶的卡车自身地盘上进行相关设备安装和改造,对装载机、挖掘机等工程车辆进行相关研究和设计,不仅可以满足车辆自身的使用性能,还可以兼顾拓宽设备的适用范围。用于未来扫雪除冰的机械装备应采取新的技术研发设计手段,进一步提高除雪除冰工程设备的科技含量。 (3)智能化 扫雪设备面临的工作路况和工作条件较为多样化,因此难免会产生路面擦伤或者扫雪设备发生碰撞产生故障等行为。为此,新型的扫雪工程设备应该提高对路面和工作环境的适应性,优化设计相关避让机构和设备智能化成为扫雪设备机电一体化的发展新方向。例如,增加设备相关的自控技术的投入,使设备能够自身自动避开碰撞,从而减少设备在使用过程中会出现的各种设备损坏状况。 (4)安全、舒适 扫雪机械装置的传动部分在设备运行过程中会对周围人员产生一定的危险,工作环境也比较恶劣,面对着寒冷和噪声的工作环境,因此扫雪设备应该降低操作人员的工作强度,提高除雪设备的使用舒适性和安全性,同时提高驾驶室工作条件,降低噪声,使操作人员在一个舒适的环境中工作。 (5)实时化 扫雪机向实时化除雪的方向发展可以表示为:高速清雪机械可以随时融入道路,随时下的雪,可以随时清理,保证道路上不会出现积雪被往来车辆压成冰层的状况发生。这种要求就要做到不仅对道路上的交通流不会产生太大影响,而且可以及时消除掉可能造成交通事故的冰雪。对实时出现的危险因素所产生的相关影响进行相关处理。81.3 扫雪途径及其应用范围根据积雪路况的特点,扫雪作业工作方式主要分为新雪扫雪,压实雪扫雪和薄冰处理三种路况处理方7。目前,我国在对路面进行扫雪防滑处理时主要采取的途径有:人工扫雪,机械扫雪,融雪剂扫雪,微波扫雪,综合式扫雪。这几种途径当中最主要的还是以机械扫雪为主,各种方式最主要的特色如下: (1) 人工扫雪:人工进行扫雪的方式比较适合于小雪天气以及收费站口和人行道及其他难重点路况,这些工作状况不适于机械扫雪的工况要求,在应用过程中往往困难很大且操作不便,而人工扫雪的工作方式较为灵活,各种复杂的工作状况都可通过人工清扫的方式进行完全的清理。但人工扫雪方式的工作效率较低,人工成本也较高,影响路面交通状况且对操作工人的人身安全也有较大的安全患。 (2) 融雪剂扫雪:融雪剂式扫雪是通过喷洒或抛洒相关化学材料,利用其本身相关的使用性能,从而达到降低融点或融雪的目的。这种工作方式适用于刚入冬时,这时的气候特点是初冬天气气温偏高,雪量有点大,融雪剂扫雪的工作特点对融雪的效果还是比较明显的。这种扫雪方式也有一定的缺点:对环境和道路具有相当危害程度的污染,尤其是对道路两旁的绿化植的影响更为严重,其中,以钠盐的影响最为厉害,不仅对植物而且对路面的腐蚀性也比较大。就将来发展的角度看,融雪剂的利用及其规模将越来越有限,如此下去它的利用将会受到越来越严格的限定。 (3)机械扫雪:机械形式的扫雪全天作业也不会出现太大的问题,可对大,中面积的雪进行机械清洗操作。机械式扫雪装置能比较彻底的清除路面积雪,由于有它有高效率,环保的特点能快速清理积雪不会影响交通行驶。 (4)微波扫雪:目前各国研究的微波扫雪对加热路面的深度较浅,目前的微波加热材料只能对路面 1cm 范围的积雪有作用,仅吸收微波发出热量的 5%的部分,存在严重的能量损耗,由于加热,道路表面的温度升高,冰雪扫除的时间长,因此微波扫雪的效率会下降。不能快速的清理高速公路上的积雪与积冰,关于这方面,国内外有很大的发展。 (5)综合式扫雪:一般化学形式的扫雪和机械形式的扫雪一体化的形式叫做混合式扫雪,有些螺旋叶片或推雪板等扫雪配置安装在扫雪设备的前部分,后端部分可以装在撒融雪剂等一些配置。根据实际情况,可以选择混合式扫雪机现有的两种功能里的一个来清除积雪,也可以两个功能一起使用。13422 路面积雪性质的研究2.1 积雪的物理性质 为了研究,设计,开发更便捷的除雪装置开发高效率的和适合当地的扫雪方法和工作装置,首先要掌握积雪的基本物理性质。再进行设计和计算扫雪设备的扫雪阻力和扫雪功率等有关的问题。由于雪的物理性质会不断发生复杂的转变,比如随着气候温度的转变,雪落下的时间的长短,再或者是因为空气湿度等的原因。路面积雪如此巨大的转变都是因为车辆的行驶,除雪作业及水份的加入等因素导致的。雪的主要物理性质直接影响除雪设备的除雪阻力和除雪功率等有关的问题的设计计算。18雪的主要物理性质包括雪的密度,湿度,硬度,摩擦系数等。路面冰雪的分类如下表:表2-1 路面冰雪的分类雪的形态雪的形状特征雪粒直径大小密度Kg/m3新雪结晶状新下的雪100尘状雪粉尘状车辆运行扬起的新降的雪片分化而成的小颗粒粉末状的雪粒雪粒的直径为0.045mm-0.3mm相互没有毗连270-410粒雪粒状不能飘扬起来温度交替变化后机械搅拌或化学处理的积雪雪粒的直径0.3mm以上,不毗连的圆粒280-500碾压的雪板状被一些行驶的车辆碾压过的雪直径0.045mm-0.3mm,相互毗连的圆粒450-745冰雪板状压实雪熔化又冻结在一起,度在1mm 以下直径为0.05mm-2mm的多结晶冰,含有粒为0.01-0.1m的气泡745以上结冰薄膜状结冰了的水附着在路面或雪上行成膜状,厚度在 1mm 如下雪颗粒的直径为0.05mm-0.4mm 多结晶冰,含有粒为0.01-0.1m的气泡2.1.1 雪的密度雪的密度直接影响了微型全自主扫雪机器人的设计和计算,由于雪是水的固体形态,所以是积雪在熔化后所得的水的质量与其熔化前积雪体积的比值就等于雪密度值,积雪的密度变化是很大的。有的学者认为在普通的平常环境下雪的密度在 0.007-0.79g/cm3之间转变。但前苏联学者则认为雪的密度在 0.01-0.8g/cm3之间变化。雪的密度由于雪的条件,沉积条件,测量方法等因素的不同有着很大的差异,但是我国的降雪的雪质大体上与俄罗斯的降雪雪质一样相符,所以我们选择了前苏联的研究数据22国外学者通过各种综合的方法对雪进行研究,测量,分析,得到下列结论:(1)平常雪的密度会随着下来时间的增大而增大,每个月均匀要增多 10%-20%。 (2)平常雪的密度会随着雪下来沉积厚度的增加而增大。对两个多月的积雪进行测量后得到20cm 厚度的积雪密度为300-320Kg/m3,100-200cm 厚度 的积 雪 密 度 为600-649Kg/m3。 (3)新落雪的密度会随着下雪时间的长短不同而变化,测量结果见表 2-2。 (4)新落雪的密度与当地温度的关系见表 2-3。表2-2 雪的密度状态密度g/cm3新下雪0.10.15下了30天的雪0.20.3大于30天的雪0.340.42密实的雪0.40.6冰雪混合0.60.75冰0.9表2-3 新降雪密度与温度的关系降雪气温新降雪密度最小值最大值平均值-10-5.10.0110.2950.087-5.1-2.10.0350.2580.104-2.1-0.10.0430.4550.1280+2.00.0690.5290.183+2.0以上0.1580.5880.1962.1.2 积雪的湿度积雪的湿度对雪的工性质有着较大的影响。积雪中的水分有雪体表面的水和薄膜水这两个方面。我们经常把雪的含水情况分为四个等级:水湿雪,湿雪,潮雪,干雪等。水湿雪:略微使劲就能够挤压出水的雪;湿雪:雪层中很明显的看出有液体水存在的雪;潮雪:雪层中不能分离水,但却可以凝结成块的雪;干雪:一点都不含水不能凝结成块的雪。水湿雪是这四个等级里最不稳定的,其它三个雪使用扫雪装置就能够清除掉。20最大持水量的各类积雪表 2-4 所示。表2-4 各种状态雪的持水能力雪的状态最大持水能力刚降的雪(没有风)0.550.5刚降的雪(有风)0.550.32没密实的雪0.30.21密实的雪0.20.12冰2.2 积雪的力学性能积雪的力学性能包括硬度,摩擦系数等,这些参数在扫雪机分析和设计过程中是很重要的。2.2.1 积雪的硬度积雪的单位面积上所能承受的压力是指积雪的硬度,雪的硬度也称雪的抗压强度。一般情况下雪的硬度包含:松雪,稍硬雪,坚雪,坚实雪等四个等级。松雪:指的是除了大拇指以外的其他四个手指伸直不费力就能够插入到这种雪层;稍硬 雪:指的是可轻易插入一个指头,其余手指不易插入;坚雪:需要用铅笔插入;坚固雪:小刀能够插入。抗压强度时设计扫雪车中非常重要的参数是雪硬度,随着环境的不同雪的抗压强度也不同。2.2.2 积雪的摩擦系数积雪的摩擦系数包括雪的内摩擦系数2,外摩擦系数1和履带与冰雪路面的行驶阻力系数等。内部磨擦:指雪和雪内部与雪彼此摩擦。外磨擦:指雪和其他物体之间的磨擦;平常雪的状况直接影响到积雪的表里磨擦。凡是路面上积雪以后,它的利用特征大大下降。对于冬季养护道路的机械设备进行分析和计算时,必须知道行驶阻力系数一般是大于装置在冰雪路面运行的附着系数和外摩擦系数的,应为行驶阻力系数不仅产生摩擦,而且还发生挤压。动摩擦系数=压力/所受的滑动摩擦力所以:雪的动摩擦系数约为0.03-0.2。2.3 本章小结此章节查阅了一定的资料,对路面的性质和路面积雪的性质做了一定的研究和了解,为此后的设计计算打下了坚实的基础。3 微型全自主扫雪机器人机械结构设计3.1 总体结构设计方案及其比较方案一:前置一块推雪板将积雪推到路边,板后就连接着滚刷将积雪卷起,最后被抛到路边。这种扫雪方式使用比较广泛,但结构有点复杂,不好做到自动控制,并且成本比较高。所以不适合微型扫雪机器人。 方案二:直接使用了鼓风机,利用鼓风机里吹出来的空气将积雪高速吹到路边。但这种吹雪式清雪方式,生产率高,可是只适用于新降的雪,对于碾压的积雪不能使用,并且只能在机场,高速公路等宽阔的路段使用,不太适合在小区等较窄的路段使用。 方案三:车体前置分体式推雪板,分为三个可独立运动的推雪板,在遇到障碍时可单独运动,用三个可收缩的结构分别控制。后置扫雪刷子,可对漏雪和薄雪进行清理,动力都是由电动机提供,整体结构相对简单,容易制造,成本比较小,使用标准件维护起来比较方便,并且更适合在校园等的较窄街道使用,所以我们选择了第三个方案。3.2 微型全自主扫雪机器人的工作原理3.2.1 基本结构此次设计的微型全自主扫雪机器人是由,原动机,传动装置,推雪装置,扫雪装置,行走装置组成,由于是微型全自主扫雪机器人,此次原动机采用电动机,因此需配有移动电源,推雪装置采用三个独立的推雪板,扫雪装置采用螺旋滚刷式,将雪旋到一边,行走装置实现扫雪机器人的运动,采用履带式,用电动机链接实现自动控制,操作装置用单片机实现自动控制,完成自主扫雪。3.2.2 工作原理由电动机提供的动力带动车体运动,工作部分依旧由电动机提供动力,在车体的移动下进行扫雪工作,各个部分都是独立工作,因此可不断进行扫雪工作,微型全自主扫雪机器人结构示意图如图:图3-1 微型全自主扫雪机器人结构示意图3.3 本章小结此章节内容较少,主要是提出了设计方案和方法,以及微型自主机器人的结构和工作原理,相当于一个总体结构的概述。4 行走装置的设计计算和校核4.1 设计方案此次研究环境是雪地,经过综合考虑采用履带式行走机构,履带式行走机构对路面的要求较低,履带的防护性能比轮胎好,履带式还可增加车体重量,相应的提高牵引力。(1)控制方式及动力形式:采用控制器控制,采用直流伺服电机提供动力,移动电源提供电力。(2)组成结构方式:履带行走机构的各个部分采用独立的结构,用螺栓进行连接,可实现拆卸和便于调整。(3)传动方式的选择:采用直流电动机直接与减速器相连接,相应的增大扭矩满足设计要求,减速器输出轴直接与驱动轮相连接,以这样的方式实现动力传递。(4)转向设计:采用双侧履带双控方式,一个电动机控制一侧履带实现自主转向功能。4.1.1 结构组成履带式行走机构由机架、履带、电动机、减速器、控制器、驱动轮、导向轮、支重轮、托带轮和张紧装置等构成。12履带式行走机构的自重与铲雪装置和扫雪装置的重量所产生的载荷,通过支重轮和与其相啮合的履带传到地面上。产生履带行走机构向前运动的动力。机构如图 4-1 所示:图4-1 履带行走机构结构组成4.1.2 工作原理及工作过程工作原理:通过单片机的远程控制模块发送控制指令到履带式行走机构的接收控制器,再由电动机的驱动控制器控制电动机的运转,电动机的输出扭矩通过减速器放大后传输到驱动轮上,驱动轮和履带链之间相互啮合,使得履带不断的向前卷动,支重轮连着履带连着地面,因此,履带和地面接触时产生一个向后的摩擦力,根据牛顿第三定律,力都是相互的,因此地面会给履带一个向前的力,大小与向后的摩擦力相等,方向相反,这个反方向的相互作用力就是使得履带向前运动的一个驱动力,当驱动力大于行驶阻力的时候,支重轮在履带内滚动,使得整个机构向前运动。利用左右两个控制器来控制左右两个电动机的工作状态,来实现履带式行走机构的直行,后退以及转向功能,最终更好的实现扫雪功能。工作过程:扫雪机器人的前置推雪板在履带行走装置的带动下进行推雪功能,电动机反转时,机器人向后行走,后置的扫雪刷子开始运动,将漏雪清扫干净,在机器人的前进和后退下将雪清理干净。推雪装置,扫雪装置,和蓄电池都可增加机器人的配重,蓄电池的位置调节对机器人的质心调节也有很大的影响。4.2 履带行走装置动力方式的选择4.2.1 履带行走装置牵引力的计算履带行走装置的牵引力必须要大于或等于各个阻力之和,在不考虑转弯阻力,和空气阻力的情况下,此次扫雪机器人的行走装置的阻力主要有滚动阻力,惯性阻力,坡道阻力,和除雪装置工作阻力。13因此最大牵引力计算公式如下:T=Tf+Tx+Tj+T (4-1)式中:T为所需总的牵引力Tf为履带行走装置的滚动阻力 Tf=Gfcos (4-2)其中:G为整个机器人的重量 f 为履带行走装置的滚动阻力系数 为最大设计坡度角度G取100KG,由表4-1得f 取0.2,根据城市道路坡度设计原则,城市道路坡度一般为3%(高程差/水平距离),即取1.70。带入计算得到履带行走装置的滚动阻力为200N。 表4-1 行驶阻力系数雪的状态雪的密度阻力系数f轮胎履带松软的0.150.250.20.250.2松软潮湿的0.150.250.30.2轻碾压的0.250.350.150.20.1碾压的0.40.60.080.10.05冰雪0.70.060.080.070.1Tx为除雪装置的工作阻力 Tx=Tx1+Tx2 (4-3)Tx1为铲雪装置的阻力,Tx2为扫雪装置的阻力。除雪工作时产生的阻力为工作阻力,主要由推雪板切削雪的切削阻力Ne,雪与板面的摩擦阻力Nf,推雪板前的雪堆移动的阻力Nr,板刃与存雪地面之间的摩擦阻力Nd组成。Tx1=Ne+Nf+Nr+Nd=GK0+G1+G2+G1 (4-4)G为所推最多雪的重量,取55KG,1为雪的外摩擦系数,即雪与其他物体之间的摩擦系数,2为雪的内摩擦系数,即雪与雪内部之间的摩擦系数,K0为雪的切削阻力系数。由表4-2,表4-3,表4-4,取1为0.085,2为0.3,K0为0.12。带入计算得Tx1等于277N。Tx2为扫雪刷子的阻力,在少量积雪的情况下,其阻力为20N。于是得到除雪装置的工作阻力Tx为297N。表4-2 雪的外摩擦系数1雪的密度(g/cm3)雪的温度(0C)-2-4-30-160.10.100.140.180.20.0850.0970.110.30.070.080.090.40.0550.0650.0750.450.0180.0180.0560.50.0250.0330.010表4-3 雪的内摩擦系数2雪的密度(g/cm3)雪的温度(0C)0附近-1-6-10度以下0.10.240.290.340.20.300.330.360.30.350.390.460.40.400.440.500.450.420.470.530.50.450.500.57表4-4 雪的切削阻力系数K0雪的状态雪的密度雪的温度-1-3-4-22-22以下松软的0.120.180.71.80.20.80.11.2密实的0.200.282.01.01.53.02.05.0小粒冰雪密实的0.300.363.06.01.07.05.010大粒冰雪密实的0.280.351.07.03.06.05.09.0Tj为履带行走装置的惯性阻力Tj=0Ggdvdt (4-5)其中0为回转质量的系数,dvdt为直线加速度,在扫雪工作过程中,直线加速度为0,因此可以不考虑惯性阻力。T为履带行走装置的坡道阻力T=Gsin (4-6)取1.7,带入计算得到T为30N。因此得到总的牵引力T=200+297+30=527N。4.2.2 履带行走装置原动机的选择履带行走装置总的牵引力为527N,根据车辆行驶计算公式:P=FV (4-7)在设计中扫雪机器人的行走速度为0.5m/s,考虑到完全能够达到设计要求,需增加一个安全系数,安全系数取1.2,带入计算得到履带行走机构所需要的功率为316.2W。履带式行走机构在工作时需要足够的动力,并且该机构为高载荷下工作,因此要考虑过载保护这一方面,所以需要配备减速器,在减速器的传递下不仅提高了转矩还可以起到过载保护的功能。11因此我选择了57直流无刷电机57BL115S21-203TF9无刷直流电机24V 210W 1000转。性能表4-5,表4-6:表4-5 无刷直流电机参数表名称参数额定电压(V)24V空载转数(r/min)1000输入电流(A)8.75额定转矩(kg/cm)0.7额定电流(A)13级数4重量(kg)1.22型号57BL115S21-203TF9表4-6电机接线定义电机相线定义霍尔信号线定义UVWHU黄红黑黄白蓝红黑由此根据以下公式: (4-8)=9549Pn (4-9)n=60fp (4-10)p=T2n60r=Tn/9.55 (4-11)其中:Mr为驱动力矩 R为驱动轮轮动半径,经设计计算为0.025MM N为电机转数 P为磁极对数带入计算得到驱动轮所需要的驱动力矩为6.6N.M,驱动轮的转速为303r/min,所以需要配备传动比为1:4的减速器。因此我选择了PX系列的行星减速器,减速比为1:4,可配套于57直流无刷电机。此配套减速器动作灵敏,具有较好的调速性能。配备电池的选择:可配备24V的蓄电池,具有体积小,安装方便等优点,也能够满足此次设计要求,价格也合理。4.3 履带行走机构关键部件的设计及选择4.3.1 履带的设计及选择履带的工作环境是恶劣的冰雪天气,因此要考虑到履带的打滑,强度和刚度也必须符合此次设计要求,防滑性能要好,耐磨性能要高,尽量减少金属材料的消耗,可以有效地减少履带在运动过程中的动载荷,并且具有良好的附着力,能输出足够的牵引力,本次设计方案机器人质量估计为 100kg,履带总条数为 2 条,履带与地面接触长度为 L ,轨距为 B ,履带板的宽度 b 必须合理的匹配,使得接地比压,附着性能符合设计的要求。另L0 标示接地长度,h0 表示履带的高度,G 表示机器整机质量。14履带与地面接触长度为455mm,轨距为460mm,履带班的宽度为5mm。经公式可得知:履带的节距T0和驱动轮的齿数Z会直接影响到履带的高度,为了满足设计要求,履带应该尽量选择小的结局,驱动轮的齿数也应该尽量的少。履带行走机构的节距与其总重量的关系 t0=(1517.5)4G (4-12)带入计算得到节距为T0=10mm因此计算得到单侧履带的长度为L=1617mm,设计出来履带的宽度为70mm,履带的适合长度为1800mm。履带链的三维建模如下图:图4-2 履带链三维建模履带的前角和后角:水平地面和驱动轮与第一个支重轮外圆相切的延长线相交所产生的夹角为履带的前角,此角度的大小直接影响了行走机构的通过性,角度越大,履带行走机构的通过性越小,因此履带行走机构的前角不能过大也不能太小,前角过大时运行时遇到障碍会是行走机构受到更大的阻力,前角过小时运行时遇到障碍会产生较大的震动。后角的作用是可通过对后角的调节来改变履带的接地长度,水平地面和导向轮与最后一个支重轮外圆相切的延长线相交所产生的夹角为履带的后角,后角越大接地长度越小。此次设计中履带的前角为45度履带的后角为50度。履带板的三维设计如下图:图4-3 履带板三维建模履刺的设计可相应参考实验数据和设计经验,为了能够更好的在冰雪路况下工作,设计履刺时可相应增加履刺的高度,从而增大履刺的剪切力,增加与地面之间的摩擦力,提高负载能力和抗变形能力。履刺的结构如下图:图4-4 履刺的结构4.3.2 驱动轮的设计及选择此设计的驱动轮将设置在行走机构的后方,这样可以减小驱动阶段的长度,防止动力不足时履带脱落,还能延长履带的使用寿命,提高履带行走机构的效率。驱动轮的高度直接影响履带的接地长度和其中心,所以驱动轮的高度不应该太高,此次设计驱动轮后置,驱动轮的齿数为20。驱动轮直径为50MM。驱动轮的三维建模如图:图4-5驱动轮的三维建模4.3.3 驱动轴的设计及计算校核考虑到驱动轮的宽度太宽,减速器的轴不足以长,提供不了较大的扭矩,因此设计了驱动轴,履带行走机构驱动轴的设计要求如下:(1)便于加工,轴体上的部件容易拆装;(2)轴与轴上的组件能够正确的配合在一起;(3)零件的设计应尽量提高可靠性;(4)为了避免驱动轴被应力破坏,应合理的设计。 图4-6 驱动轮传动轴1段:为输入轴度轴端,利用联轴器将其与减速器的输出轴相连接,按照强度计算出直径为10MM,长度为11.5MM,将电动机的动力传输到驱动轮上,与其配合的是联轴器。2段:此段用于安装密封圈,直径为12MM,长度为3MM。3段:此段为驱动轮安装段,按照计算其直径为10MM,长度为35MM,将电动机的动力传输到驱动轮上,与其相匹配的驱动轮配合时因选用键连接,选择键的型号为键3X3,为正常连接。4段:此段采用螺纹连接来固定驱动轮,螺母右侧安装端盖加强固定。对驱动轴进行力学分析,如图4-7:图4-7 驱动轴力学性能分析图AB段:M(x)F1L1=160N.M,弯矩如图4-8:图4-8 驱动轴弯矩图由此弯矩图可以得知 AB 段的最大弯矩在 B 点,所以根据已知的 AB 段为 12mm,所以这段轴的抗弯系数:WZ=d3327.8mm (4-13)最大的弯曲应力为 max=M BWZ=2.1MPa (4-14)经计算此段符合设计要求。BC 段:因为这段会受到扭矩根据式 可知,T+M=0 (4-15) M=9549pkwnr.min (4-16)T=M75N/m (4-17)此段轴的扭矩如图4-9:图4-9 驱动轴扭矩图由此可以看出,这段轴所受的扭矩是均匀的,所以扭矩为 M,这段轴的直径为 10mm。由式 得这段轴的抗扭截面系数为Wt=IpR=D316510-7mm3 (4-18)可计算出此轴的最大切应力max=TWt=4.2MPa=6MPa (4-19)根据计算结果,可知这段轴强度和刚度符合设计的要求。4.3.4 导向轮,拖带轮,支重轮的设计及选择导向轮,拖带轮和支重轮都选用深沟球轴承来代替,导向轮的作用是引导履带在正确的方向上运转,一般放在行走装置的前端,具体位置与驱动轮的位置有关,行走机构要直线行走导向轮和驱动轮要置于平行的位置,导向轮的位置高一些有利于降低重心,此次设计重心本来就不高因此导向轮与驱动轮位于同一直线上,直径要小于驱动轮。DDk=0.80.9 ,取导向轮直径Dk=10mm。12拖带轮的作用是支撑起下垂的履带,起到防止履带应为下垂的太多而引起的剧烈的震动,同时也防止了履带的脱落,一般拖带轮受到的力也不会很大因此可以减小其尺寸和所用的个数,在此次设计中将拖带轮与导向轮合二为一,用一个轴承来代替,完成这两个作用。支重轮的作用是用来传递压力,压力的不同分为多支点和少支点,在此次设计中需要传递的压力比较大,也需要较好的稳定性能,因此选择了多支点用来均匀的分配压力。此次设计中设计了四个支重轮,直径为10MM,间隔比较近可以均匀的分配压力,在合理设计支重轮间隔后使得行走机构在运动时,每一个时刻都有支重轮处于履带上,防止了支重轮在履带上的摆动,也避免了路面不平时履带产生的震动使得履带脱落,保证了履带行走机构的稳定性,其数量也不应太多,太多会增加滚动阻力。支重轮与地面离得比较近因此会容易进入杂质,所以在支重轮的两边应该设计密封圈和轴承端盖。导向轮,拖带轮和支重轮的三维图如下:图4-10 导向轮,拖带轮,支重轮的三维建模驱动轮齿面接触疲劳强度的校核齿面接触疲劳强度公式:n=60000vD (4-20)经过计算得到驱动轮的转数n=303r/min传动比=1000303=3.3齿轮接触强度公式为:H=Fnb11121-12E1+1-22E2 (4-21)其中:Fn为法相力,1为曲率半径,为传动比,E为综合弹性模量。驱动轮的齿数为20个齿,可得到驱动轮的接触强度:H=1230MPaH1370MPa (4-22)其中载荷系数K=1.6,=3.3,a=70mm,b=10mm,T=6.6N.M解得齿面接触疲劳强度满足设计要求。驱动轮齿根弯曲疲劳强度的计算:齿根弯曲强度校核公式:F=2KFT1YFaYSaYdm3Z12F (4-23)其中KF为弯曲疲劳强度计算得载荷系数,T1为齿轮传递的转矩,YFa为齿形系数,YFa为载荷作用于齿顶时的应力修正系数,Y为直齿圆柱齿轮的重合度,d=b/d1,m为模数,Z为齿数,带入计算得到4.3.5 履带行走机构螺栓的选择与校核此设计中用到了许多的螺栓进行连接,列如用螺栓将轴承与履带板连接起来,用来做支重轮的轴承上会承受较大的力,因此所选螺栓需要有较高的强度和刚度,也必须对其进行校核,选择等级为8.8级的螺栓,螺栓型号为M102,材料为低碳合金钢,抗拉强度为800N/mm2,3根据以下公式进行校核:图4-11 螺栓的预紧力分析螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 p=Fd0Lminp (4-24) 螺栓杆的剪切强度条件为=F4d02 (4-25)许用切应力及许用挤压应力=sS p=sSp (4-26)式中:F螺栓所受的工作剪力,N;d0螺栓剪切面的直径(可取为螺栓孔的直径),mm;Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度,mm,设计时Lmin1.25d0;p螺栓或孔壁材料的许用挤压应力,MPa;螺栓材料的许用切应力,MPa。带入计算得到该螺栓的选择符合设计的要求。4.4 本章小结本章节是此论文的重点章节,对扫雪机器人的行走机构进行了设计和研究,通过对整体机器人的动力及运行方式的研究采用履带行走式机构。介绍了履带行走机构的结构组成及其工作原理。根据设计要求对其各个零部件进行计算校核,得出各个关键零件的设计与选型符合设计要求。5 推雪装置的设计计算和校核5.1 推雪板的设计为了实现自主避障功能,实现可自主清扫凹凸不平的路况,此次设计中将推雪铲分为三个独立的小块雪铲,分别对其进行控制,经过调查发现还没有这种方式的雪铲,虽然其结构复杂,成本相对较高,但是其自主性能更好了,总体来说还是可以继续进行研究和发展。单个的雪铲还是根据犁形的雪铲来设计。犁形的雪铲是依靠车体前进的动力将路面的积雪堆积到一起,并且使积雪沿着一侧滑到一边,积雪在雪铲上的运动类似于高速犁翻土时土块在犁体表面的运动。但是雪的滑移距离要大于土块的,因此铲体曲面应具有高速犁的特点。但是雪铲和农用犁制造的方法不同,农用犁一般用铸造的方法而雪铲采用数控卷板机来加工出设计的曲面,经过调查列出
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