全自动植树车说明书合肥学院.doc
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1、全自动植树车说明书合肥学院292020年4月19日文档仅供参考第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组预赛项目“全自动植树机”设计说明书 设 计 者 冯建国、江黄、马具锋、臧俊、邸铁彪 设计单位 合 肥 学 院 设计部门 机械工程系 指导教师 王 勇 时 间 9月 安 徽合 肥目 录一、设计背景二、作品功能及指标三、机构设计四、运动和动力分析五、控制设计六、作品创新点七、应用前景八、总结与感谢九、主要参考文献附录:实物照片一、设计背景地球是人类唯一的家园,随着工业化不断发展,环境问题日益严重, 沙漠化、水土流失、沙尘暴已经越来越严重地影响到人类的生存和发展,解决这些问题已到了刻不容缓的地步。人类
2、无节制地砍伐森林是产生这些环境问题的主要原因。森林作为“地球之肺”,是地球气候变化的指挥棒,它不但能够提供大量木材,还具有涵养水源、保持水土、防风固沙、保护农田、净化大气、防治污染等生态效益。因此植树造林是保护环境的一大重要举措。当前正在实施的“三北防护林”工程被称为“绿色万里长城,它地跨东北西部、华北北部和西北大部分地区,东西长公里,南北宽公里,总面积万平方工公里,占国土面积的,接近中国的半壁江山。由于这些情况,中国迫切需要快速、高效的植树方法及装备。图1-1 沙漠化和荒漠化现象的危害机器植树作为一种新型的植树方法,它比传统的人工植树具有两大优点,一是效率高,二是树苗成活率也高。植树机设计思
3、路是:机器代替人自动完成植树过程。现有的植树装置自动化程度偏低,操作时需要有多人辅助作业,而且体积庞大、功能单一,不适合种植多种苗木,这些不足限制了植树机的推广应用。针对上述情况,我们提出一种新的方案:设计一种自动植树机,在无人控制的情况下,完成植树过程。植树机可由普通轻型卡车改装而成,可种植多种树苗,大幅降低植树成本。具有高效率、低成本、适用范围广的特点。二、作品的功能及指标作品自动完成植树的各个过程动作,包括植树机(车)自动行走、钻坑、移苗、送苗、覆土、镇土等功能。机器能够自主运行,实现连续作业,完成成片树林植树,并能按照要求的几何排列形状植树。作品能同时种植多种树苗,适用于种植中、小苗木
4、,如果简单地加以改造,也可用于缓坡植树。预计每小时植树可达90120棵。植树速度约为:用材林每公顷5075小时,经济林、果林每公顷2550小时,灌木林每公顷250500小时。三、机构设计图3-1 全自动植树机运动循环图 植树机主要动作的执行顺序依次为:小车(钻头)到达预定位置钻坑;前行一段距离(根据我们作品的尺寸为21cm);机械手转至车箱抓取树苗,同时同步传送带将树苗移动到指定位置,在取苗之后,同步传送带再前移一个微小距离为下次动作作好准备;机械手将树苗送到树坑位置,放入树坑并抓稳扶直;覆土机构的覆土构件移至地面,完成覆土动作;镇土机构的气缸完成360度的压土动作,然后覆土构件抬起;植树机按
5、以上过程循环工作。(1)钻坑机构的设计 现有植树机一般采用开沟方式,这种方法挖沟效率虽然很高,但沟的深度较浅,不适合种植需要深栽的苗木。另外,使用犁式开沟器不但严重破坏地表植被,还会丧失大量表层土壤水分。为此,设计时采用特制的钻头钻出树坑,也可根据需要更换钻头,以得到不同直径以及深度的树坑。(整个机构如图3-2所示),工作原理是电机固定在丝杠上,电机转动带动丝杠旋转并作上下运动,丝杠下端安装钻头完成钻坑操作。 图3-2 钻坑机构结构示意图4钻头2螺母3电机1丝杆 (2)覆土机构的设计 采用两个相同的机构对称布置,分层覆土。在工作行程段,覆土构件接触地面,执行覆土操作。完成后,快速回到起始位置。
6、起始位置距地面一定高度。起初我们采用连杆机构,经过拉簧控制它的回程,但测试发现弹簧力过大,工作时难以克服拉簧产生的阻力。最终选择曲柄滑块机构,机构具有急回特性,经过增加一个限位开关,运动精确到位,覆土均匀,效果很好(机构如图3-3所示)。为避免自锁现象,需对机构尺寸进行合理设计。10限位挡板9覆土构件8铰链7绊轴6连杆5销4支架3齿轮1限位开关2电机图3-3 覆土机构结构示意图工作原理是:电机正转,带动齿轮3转动,齿轮3具有曲柄的作用,它带动连杆作平面运动,联结在连杆端部的滑块接触到地面,开始工作行程,完成覆土功能。然后电机反转,执行快速回程。经过开关传感器,控制机构准确回到起始位置,避免了由
7、于惯性等因素造成机构运动的不稳定。 (3)同步传送带移苗机构的设计 设计移苗机构应考虑移苗操作要稳定、精确、连续,充分利用车厢空间,尽可能多放置树苗。同步传送带传动具有稳定、可靠的优点,满足移苗操作要求,该机构采用两个光电传感器,具有定位识别功能,提高了移苗操作的精确程度,有利于机械手准确抓取树苗。(见图3-4所示) 图3-4 同步传送带移苗机构示意图8主动齿轮7同步带6机械手5光电传感器4从动带轮1车身3从动齿轮2装苗容器机构由同步传送带、四个齿轮、两个滑轮组成,其中构件8为主动齿轮。当混合排列不同树苗时,植树机能自动区别不同种类的树苗。如树苗按ABAB.AB排列,因首末两棵树的间距与其它相
8、邻两棵树的间距不同,从而确定起始位置是哪种树苗。每个装苗容器放置一棵树苗,树苗能够平稳、可靠、连续传送。 (4)机械手送苗机构的设计 机械手一般结构复杂、价格昂贵,为了降低植树机成本,采用简易机械手。我们先后设计出螺纹式、气动式和绕线式机械手,最后选择了绕线式机械手。为了保证机械手转动位置精确,使用两个限位开关分别控制其两个极限位置(如图3-5所示)。10蜗轮6限位挡板13蜗杆12限位开关11螺杆9限位开关8手指7手指5限位开关4电机3限位开关2导向轴1电机 13图3-5 机械手结构图工作原理为:蜗轮10能够相对机架旋转360度,螺杆11经过螺旋传动带动智能手指7和8作升降运动,智能手指的开合
9、由电机4带动绕线控制。两手指各装有开关5和12。在作抓取树苗的动作时,如果抓取到树,限位开关5压触树干;如果没有抓取到树,限位开关12压触限位挡板6。根据开关5和12的状态,决定控制手指的电机4是否继续转动、反转或者停止。 (5)镇土机构的设计 人工植树中,镇土是用脚压实实现的,脚可在树坑的任意位置踩压。基于这一思想,镇土机构要能旋转360度,能够在树坑处任意位置镇压土壤,而且用程序控制实现分层压土。(如图3-6所示)工作原理是,不完全齿轮4与定轴轮系啮合,带动固定在不完全齿轮下面的各个镇压装置旋转。镇压装置由汽缸、活塞、镇土构件组成,采用气动方式,具有其它机械传动无法替代的浮动作用,保证土壤
10、松紧程度合适。另外,两个倾斜安装的镇压装置构成一个“V”字型,经过镇土,树苗附近形成一个凸台,这样下雨时,不会积聚大量雨水,避免树苗被淹死,有利于提高成活率。5气缸4不完全齿轮3从动齿轮2主动齿轮1电机图3-6 镇土机构结构示意图8支架6活塞7压块四、运动和动力分析(一)覆土机构分析1、降落地面过程 : 图4-1 覆土机构开始位置(状态B) 图4-2 覆土机构中间位置(状态C)(1)从状态B(见图4-1)到状态C(图4-2,杆3为水平位置)过程利用图中的拌轴与V型结构处的几何锁合使杆3和杆2保持同步运动。此时杆2和杆3可视为同一物体,且围绕铰链O同速转动。电机转速 n=290转/分钟,传动比i
11、=6,利用控制器调速可实现18级转速。 其中:杆3的 传动比i=60/10=6图4-3覆土机构接触地面位置(状态D)(2)从状态C到状态D(见图4-3),V型块开始接触地面,杆2、杆3继续绕铰链同步转动,可是此时V型块(由铰链结构决定的)几何锁合消失,机构多出一个自由度,出现欠驱动现象。此时时活动构件数为2,转动副数为2,其自由度为: 从B到D过程保持V型结构后在重力与外力作用下保持下垂状态必须满足一定条件。设V型块的质量为M,杆3的角速度为3。在状态D时,值最大,设 ,R=0.05m。得到: 。因此在下降过程取电机的速度为2或1档 (1.26rad/s或0.63rad/s),能够满足以上要求
12、。 (3)从状态D到状态E(见图4-4),不但V形块,而且拌轴处的几何锁合也消失,其其自由度为3。 i=图4-4 覆土构件工作位置(状态E) 这一过程中与地面垂直的V型块在重力、杆3的作用力和摩擦力的作用下 ,最终与地面平行,沿地面滑行。2、机构的地面覆土过程此时覆土机构变为曲柄滑块机构(见图4-5),自由度为1。其中杆2为曲柄,杆3为连杆,V型块为滑块。图中所标角度为压力角,为了保证机构传动良好,防止自锁现象的发生,传动角一般大于40度,即压力角小于50度。图4-5是按照作品尺寸分析得到,最大行程为47.28mm,实际取用的行程为36.84mm。图4-5 覆土构件工作分析图 如图建立直角坐标
13、系对C点进行运动分析。图4-6 覆土机构分析图 为保证覆土的效率与平稳取,2的取用值-200度到-70度由 推出以下公式,分别做出C点的位移,速度,加速度图。 图4-7 滑块位移线图 图4-8 滑块速度线图 图4-8 滑块加速度线图在整个运动过程中速度变化平稳,加速度的冲击大多为柔性冲击,对整个机构的运动的平稳起积极的作用。(二)镇土机构分析从电机经过定轴轮系传动到转盘(不完全齿轮),为了不与的所种树苗发生干涉,转盘设有100度角的开口。传动比 i=60/10=6,为提高效率要求转盘在1秒钟内转动180度角,则电机最小转速:n=0.5660=180 r/min电机做的功转化为轮1、轮2、轮3的
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