精確對(duì)靶施藥室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)【13張CAD圖紙+PDF圖】

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Based on the development of on-target pesticide application, there will be a brief explanation of the Research; detailed description of the state of development of the target pesticide application by the type of the target pesticide application and improved; analysis of the status of the target pesticide application exists some problems, solve these problems, the future trend of development; Finally, a summary and ideas for accurate target pesticide application indoor test system improvements, and reported good wishes. 目 錄 1 緒論 1.1精確對(duì)靶施藥概念及技術(shù)思想 1.2研究背景意義及主要研究?jī)?nèi)容 1.2.1國(guó)內(nèi)外精確對(duì)靶施藥研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.2.2本文的主要研究?jī)?nèi)容及研究意義 1.3 本章小結(jié) 2精確對(duì)靶施藥室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及零部件強(qiáng)度校核 2.1精確對(duì)靶施藥室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)工作原理及組成部分 2.2運(yùn)動(dòng)模擬部分設(shè)計(jì)及校核 2.2.1傳動(dòng)方案的確定 2.2.2電動(dòng)機(jī)的選擇 2.2.3傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 2.2.4帶輪的強(qiáng)度校核 2.2.5軸的設(shè)計(jì)及校核 2.2.6精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 2.2.7張緊螺栓的選用及校核 2.3本章小結(jié) 3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體單元設(shè)計(jì) 3.1運(yùn)動(dòng)臺(tái)架的設(shè)計(jì) 3.2電動(dòng)機(jī)架的設(shè)計(jì) 3.3噴頭移動(dòng)組合臺(tái)架的設(shè)計(jì) 3.3.1噴頭的橫向移動(dòng)性 3.3.2噴頭的縱向移動(dòng)性 3.4攝像頭的多方位拍攝改進(jìn)設(shè)計(jì) 3.5變頻器調(diào)控板的安放設(shè)計(jì) 3.6水泵的位置優(yōu)化 3.7本章小結(jié) 4藥液的回收利用設(shè)計(jì) 4.1利用泵實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)利用 4.2集水容器的設(shè)計(jì)處理實(shí)驗(yàn)后藥液 4.3精確對(duì)靶施藥室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn) 4.4本章小結(jié) 5主要研究結(jié)論及進(jìn)一步研究建議 5.1主要研究結(jié)論 5.2進(jìn)一步研究建議 參考文獻(xiàn) 附錄 1 緒 論 1.1 精確對(duì)靶施藥概念及技術(shù)思想 自新中國(guó)成立以來(lái)，在黨和政府的領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了很大的成就，在這可觀的成就中，施藥技術(shù)功不可沒(méi)，但是人們?cè)谑褂棉r(nóng)藥過(guò)程中存在著很多問(wèn)題，比如施藥過(guò)程中忽視田間病蟲(chóng)草害發(fā)生差異性和作物信息的差異性以及使用手段落后等，由于上述的問(wèn)題而使大量的農(nóng)藥流失到非靶標(biāo)環(huán)境中，造成人畜中毒和嚴(yán)重的環(huán)境污染，導(dǎo)致食品的污染和生態(tài)失衡。其主要原因是噴灑出去的農(nóng)藥只有很少的部分達(dá)到要防治的靶標(biāo)上。Metcalf做了估算，從施藥機(jī)械噴灑出去的農(nóng)藥只有25％～50％能沉積到作物葉片上．只有不足0.03％的藥劑能起到殺蟲(chóng)作用。這個(gè)問(wèn)題在我國(guó)非常突出，目前我國(guó)化學(xué)防治面積已達(dá)2.87億hm2，并且還在以每年0.13億hm2的速度增長(zhǎng)，每年我國(guó)都有100萬(wàn)t的農(nóng)藥制劑，1億t藥液噴灑到農(nóng)田中，由于使用不當(dāng)，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元。我國(guó)農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處予國(guó)際先進(jìn)水平，而我國(guó)植保機(jī)械和農(nóng)藥使用技術(shù)嚴(yán)重落后的現(xiàn)狀與我國(guó)高速發(fā)展的農(nóng)藥水平極不相稱(chēng)，已嚴(yán)重妨礙了農(nóng)作物病蟲(chóng)害的防治，帶來(lái)了諸如農(nóng)藥利用率低、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染、作物要害、操作者中毒等負(fù)面影響。在我國(guó)，農(nóng)藥利用率最好的也不足30％，農(nóng)藥流失量高達(dá)60％～70％，不僅經(jīng)濟(jì)損失重大，也造成了嚴(yán)重的“農(nóng)殘問(wèn)題”和環(huán)境污染。噴藥技術(shù)的落后嚴(yán)重影響著農(nóng)藥效力的發(fā)揮，普通的施藥機(jī)械在田問(wèn)工作時(shí)，不考慮雜草數(shù)量在空間上的分布情況將藥液均勻的噴灑在整個(gè)田地間，這就導(dǎo)致了高密度的雜草區(qū)域和不包含或包含很少雜草的區(qū)域接受到同等量的藥液。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，作業(yè)面積越來(lái)越大，這種施藥方式的弊端日趨嚴(yán)重，唯有實(shí)行精準(zhǔn)施藥技術(shù)，才能達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的目的[11]。在我國(guó)，森林病蟲(chóng)害問(wèn)題一直很?chē)?yán)峻。目前，我國(guó)整個(gè)植保機(jī)械格局以手動(dòng)和小型機(jī)動(dòng)為主，防治功效低，大部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、技術(shù)含量低。近年來(lái)，隨著各種新型施藥技術(shù)的發(fā)展，大量新型的植保機(jī)械研制成功，為森林病蟲(chóng)害的防治工作做出了很大貢獻(xiàn)。如防飄移技術(shù)，主要考慮的是農(nóng)藥?kù)F滴在噴灑過(guò)程中由于風(fēng)力等原因，使得大量農(nóng)藥未能到達(dá)靶標(biāo)，而是飄散到地面等地，造成農(nóng)藥的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。類(lèi)似的還有靜電技術(shù)，使用某種手段使噴灑出的農(nóng)藥?kù)F滴帶電，這樣霧滴更容易到達(dá)靶標(biāo)。精準(zhǔn)施藥技術(shù)是在認(rèn)定田間病蟲(chóng)草害相關(guān)因子差異性的基礎(chǔ)上，充分獲取農(nóng)田小區(qū)病蟲(chóng)草害存在的空間和時(shí)間差異性信息，即獲取地塊中每個(gè)小區(qū)中國(guó)林業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)(每平方米到每百平方米)病蟲(chóng)草害發(fā)生的相關(guān)信息，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的施藥方案，準(zhǔn)確地在每一個(gè)小區(qū)上噴灑農(nóng)藥。對(duì)靶施藥技術(shù)是精確施藥技術(shù)中的一種，它是采用各種技術(shù)，大都是先采集到目標(biāo)區(qū)域的圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行一系列的處理，得到靶標(biāo)圖像，在指導(dǎo)噴藥系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)進(jìn)行施藥。這樣同樣減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)，降低了對(duì)環(huán)境的污染，而且大多數(shù)采用對(duì)靶施藥的植保機(jī)械都有相應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)，避免了大量人力操作，節(jié)省了勞動(dòng)力[12]。 1.2 研究背景意義及主要研究?jī)?nèi)容 1.2.1 國(guó)內(nèi)外精確對(duì)靶施藥研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) （1） 國(guó)外的國(guó)外精確對(duì)靶施藥技術(shù)的發(fā)展情況 技術(shù)發(fā)達(dá)，技術(shù)應(yīng)用廣泛，Yang Chun-Chieh等用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制對(duì)除草劑的施用量進(jìn)行了模擬控制，試驗(yàn)結(jié)果證明除草劑的對(duì)靶覆蓋率為80％～90％[13]；美國(guó)伊利諾依大學(xué) (University of Illinois at Urbana—Champaign)農(nóng)業(yè)工程系田磊等人開(kāi)發(fā)的“基于機(jī)器視覺(jué)的西紅柿田間自動(dòng)雜草控制系統(tǒng)”和“基于差分GPS的施藥系統(tǒng)”；美國(guó)加利福利亞大學(xué)戴維斯分校(University of California at Davis)研制的基于視覺(jué)傳感器對(duì)成行作物實(shí)施精量噴霧系統(tǒng)等。與此同時(shí)，理論知識(shí)也得到了相當(dāng)?shù)姆e累，提出了許多用于作物雜草識(shí)別、決策控制的算法[13]。 （2） 國(guó)內(nèi)精確對(duì)靶施藥技術(shù)的發(fā)展情況 相對(duì)于外國(guó)而言，我國(guó)在這方面科研投入比較少，近年來(lái)也很多新的技術(shù)在新起，其中研究的主要有：機(jī)器人技術(shù)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)完成溫室精確對(duì)靶機(jī)器人，此系統(tǒng)適合在溫室中使用，可節(jié)省農(nóng)藥，并且在整個(gè)操作過(guò)程中，人可以處于溫室外操作，不會(huì)因?yàn)檗r(nóng)藥對(duì)人體產(chǎn)生危害。紅外傳感探測(cè)技術(shù)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄧巍等人也對(duì)自動(dòng)對(duì)靶噴霧的紅外探測(cè)作了研究，主要確定了靶標(biāo)特征波長(zhǎng)，并建立了自動(dòng)對(duì)靶噴霧的紅外探測(cè)系統(tǒng)。單片機(jī)控制技術(shù)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的吳澤秫等人研究出一種基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在一定速度范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)精確對(duì)靶，從而大大提高了農(nóng)藥的利用率。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，南京林業(yè)大學(xué)的葛玉峰等人設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)在低速狀態(tài)下，有80％左右的藥液擊中目標(biāo)，顯著提高了噴藥的準(zhǔn)確性，節(jié)省了大量農(nóng)藥[6]。 （3） 總體研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外的同類(lèi)研究日星月異，隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生了很多新型技術(shù)，其中有以下幾種： 1、機(jī)器人技術(shù)。 機(jī)器人技術(shù)有三個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是有類(lèi)人的功能，比如說(shuō)作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是可以通過(guò)編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象，和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)完成溫室精確對(duì)靶機(jī)器人，對(duì)靶噴霧機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)包括移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂、病害信息診斷及變量噴嘴4個(gè)主要組成部分。 2、紅外傳感探測(cè)技術(shù)。 所謂的紅外探測(cè)技術(shù)是利用紅外線的漫反射來(lái)完成對(duì)靶標(biāo)的位置探測(cè)，即靶標(biāo)存在時(shí)，紅外線接收管能接收到紅外線；當(dāng)靶標(biāo)不在時(shí)，紅外線接收管則接收不到紅外線。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄧巍等人也對(duì)自動(dòng)對(duì)靶噴霧的紅外探測(cè)作了研究，主要確定了靶標(biāo)特征波長(zhǎng)，并建立了自動(dòng)對(duì)靶噴霧的紅外探測(cè)系統(tǒng)。 3、單片機(jī)控制技術(shù)。 單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，自單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，逐漸發(fā)展為低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化。單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的吳澤秫等人研究出一種基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在一定速度范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)精確對(duì)靶，從而大大提高了農(nóng)藥的利用率。 4、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。 在對(duì)靶噴霧系統(tǒng)中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)模擬人眼的視覺(jué)功能，通過(guò)攝像機(jī)等圖像采集裝置得到目標(biāo)區(qū)域的圖像信息，通過(guò)對(duì)目標(biāo)圖像的信息加以處理，最終用于實(shí)際測(cè)量和控制等。南京林業(yè)大學(xué)的葛玉峰等人設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集實(shí)時(shí)樹(shù)木圖，通過(guò)對(duì)圖像的處理完成對(duì)目標(biāo)樹(shù)木的分割與識(shí)別，再以圖像信息來(lái)指導(dǎo)噴藥裝置，達(dá)到精確施藥的目的[12]。 目前，在噴霧機(jī)上應(yīng)用注入式混藥系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、自清洗系統(tǒng)、無(wú)人駕駛噴霧機(jī)技術(shù)及風(fēng)送噴霧、靜電噴霧、防漂移噴頭、防風(fēng)屏等技術(shù)，使噴霧機(jī)在更新結(jié)構(gòu)，提高安全性能、藥液在靶標(biāo)上的附著率以及防治霧滴漂移方面都取得了明顯的效果。低量噴霧和微量噴霧通過(guò)減少霧滴直徑的方法來(lái)提高噴霧質(zhì)量，有效地減少了常量噴霧對(duì)環(huán)境的污染。進(jìn)入21世紀(jì)后，在噴霧機(jī)上應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)和3S技術(shù)使自動(dòng)對(duì)靶噴霧技術(shù)取得突破性進(jìn)展。自動(dòng)對(duì)靶噴霧技術(shù)主要有基于地理信息技術(shù)和實(shí)時(shí)信息采集與處理2種系統(tǒng)。自動(dòng)對(duì)靶施藥機(jī)械能夠根據(jù)靶標(biāo)的有無(wú)和靶標(biāo)特征的變化有選擇性地對(duì)靶施藥，有效地提高農(nóng)藥在作物上的附著率，明顯地減少農(nóng)藥在非靶標(biāo)區(qū)域的沉降，獲得了較好的施藥效果，能夠降低生產(chǎn)成本和減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染[13]。 1.2.2 本文的主要研究?jī)?nèi)容及研究意義 本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： ① 測(cè)繪現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)架。 ② 在保持現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)架基本型式不變的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 ③ 設(shè)計(jì)攝像頭與傳動(dòng)臺(tái)架的可調(diào)距離裝置。 ④ 設(shè)計(jì)噴頭立體組合裝置。 ⑤ 建立試驗(yàn)臺(tái)架的三維模型，并對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 ⑥ 組裝試驗(yàn)臺(tái)架。 2008年，我國(guó)設(shè)施蔬菜產(chǎn)量1.68億噸，占全國(guó)蔬菜產(chǎn)量的25％，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為障食品供應(yīng)、增加農(nóng)民收入的有效途徑。但目前設(shè)施農(nóng)業(yè)中的病蟲(chóng)害種類(lèi)和數(shù)量越來(lái)越多，程度越來(lái)越嚴(yán)重，防治越來(lái)越困難的趨勢(shì)。因此，精準(zhǔn)對(duì)靶施藥新型機(jī)械將有效地控制溫室蔬菜病蟲(chóng)害發(fā)展、減少農(nóng)藥用量和保證蔬菜產(chǎn)量安全[15]。當(dāng)前我國(guó)森林病蟲(chóng)害嚴(yán)重制約了造林綠化和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，但病蟲(chóng)害防治效率卻是相當(dāng)?shù)拖碌模菏┧幖夹g(shù)落后，不管有無(wú)施藥目標(biāo)都采用均勻恒速的施藥方法，而沒(méi)有考慮到林木的栽植密度、株距及樹(shù)冠形態(tài)等個(gè)體差別；施藥器材落后，無(wú)論是施藥器材的藥液混合裝置、動(dòng)力裝置還是噴霧裝置，其機(jī)械化、自動(dòng)化、精確化程度都相當(dāng)?shù)汀Ｂ浜蟮姆乐问侄问罐r(nóng)藥的利用率低，花費(fèi)大；農(nóng)藥殘留、農(nóng)藥?kù)F滴漂移加重了環(huán)境的生態(tài)問(wèn)題；直接和頻繁接觸農(nóng)藥危及到操作者的人身安全。精確林業(yè)技術(shù)提供了解決的辦法，即在林業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中運(yùn)用視覺(jué)傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術(shù)，在作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)知工作對(duì)象所需工作的質(zhì)量和時(shí)機(jī)等時(shí)空數(shù)據(jù)，以求獲得最好的施藥效果和最小的環(huán)境代價(jià)，從而節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境[8]。對(duì)農(nóng)藥對(duì)靶噴施進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以便實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確利用，降低對(duì)環(huán)境的危害，促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)傳統(tǒng)的植保機(jī)械防治效率低，嚴(yán)重制約著森林資源的防護(hù)現(xiàn)狀，研制出各種新型的植保機(jī)械。傳統(tǒng)施藥方式往往忽視一定區(qū)域內(nèi)病蟲(chóng)害災(zāi)情的變化采取一致的施藥量導(dǎo)致化學(xué)農(nóng)藥在部分作業(yè)區(qū)內(nèi)用量不足而在有些地方施量過(guò)度 ，精準(zhǔn)施藥技術(shù)的核心是獲取農(nóng)田小區(qū)域內(nèi)病蟲(chóng)草害的差異性信息采取變量施藥技術(shù)按需施藥。 1.3 本章小結(jié) 本章介紹了精確對(duì)靶施藥的概念及其研究背景和發(fā)展趨勢(shì)，讓我們認(rèn)識(shí)精確對(duì)靶施藥研究的未來(lái)發(fā)展帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，精確對(duì)靶施藥內(nèi)容的闡述讓我們認(rèn)識(shí)發(fā)展方向確定發(fā)展的道路，讓我們努力學(xué)習(xí)，為以后的研究奠定知識(shí)的基礎(chǔ)。 2 精確對(duì)靶施藥室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及零部件強(qiáng)度校核 2.1 精確對(duì)靶施藥室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)工作原理及組成部分 工作原理：模擬施藥過(guò)程中施藥器材和施藥目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集實(shí)時(shí)樹(shù)木圖像，通過(guò)圖像處理完成目標(biāo)樹(shù)木的分割與識(shí)別；以圖像處理結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行施藥決策；上位機(jī)PC和下位機(jī)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為噴霧指令，并控制噴霧執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確噴霧。 組成部分：運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、彩色CCD攝像頭、真彩色圖像采集卡、PC機(jī)(上位機(jī))、單片機(jī)芯片組(下位機(jī))、智能?chē)婌F臺(tái)(包括噴頭若干和安裝噴頭的噴霧臺(tái)架、壓力噴霧系統(tǒng))及若干接口線路，共分為運(yùn)動(dòng)模擬裝置、圖像采集裝置、自動(dòng)精確施藥裝置三部分。 2.2 運(yùn)動(dòng)模擬部分設(shè)計(jì)及校核 2.2.1傳動(dòng)方案的確定 已經(jīng)傳到機(jī)構(gòu)的類(lèi)型為：同步皮帶（傳送帶），故只要對(duì)本機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析論證本傳到機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：與鏈條比較，形態(tài)上自由度變大；主要用于輕載；皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的移動(dòng)量包含π值，因此需要修正。 2.2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 1.電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的選擇: 因?yàn)楸緜鞯焦ぷ鞯臓顩r是：載荷平穩(wěn)、單向旋轉(zhuǎn)。所以選用常用的封閉式Y(jié)系類(lèi)的電動(dòng)機(jī)。 2.電動(dòng)機(jī)容量的選擇 1）電動(dòng)機(jī)的額定功率P=1.5kw 2）電動(dòng)機(jī)的輸出功率Pi=Pη 由于η=η2帶輪η2軸承η聯(lián)軸器=0.982×0.992×0.99=0.93，故Pi=1.395kw 3）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 nd=1440r/min 3.電動(dòng)機(jī)型號(hào)的確定：Y90L-4 2.2.3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件和設(shè)計(jì)內(nèi)容 電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1440r/min；傳輸帶輪中心距a=1750mm；傳輸帶線速度v=0.5～1.2m/s；軸承預(yù)期計(jì)算壽命L’h=10Years；攝像頭與傳動(dòng)臺(tái)架的之間的距離可以調(diào)節(jié)。傳動(dòng)臺(tái)架運(yùn)行穩(wěn)定。 噪音等符合人機(jī)工程學(xué)的要求。各部分分布合理、功能完善、布局美觀。 當(dāng)傳動(dòng)的時(shí)候，速度越慢，傳動(dòng)軸所受的力矩越大。設(shè)計(jì)要求：傳輸帶線速度v=0.5-1.2m/s可調(diào)可知，當(dāng)傳輸帶線速度為0.5m/s的時(shí)候，傳動(dòng)軸所受力最大。故一下計(jì)算都按線速度0.5m/s進(jìn)行校核。 由公式： (2-1) 得 原試驗(yàn)臺(tái)的帶輪直徑為120mm，此處設(shè)計(jì)取帶輪直徑為 d1=120mm 所以，由公式可得 所需轉(zhuǎn)速 n=79.6r/s 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/s，由公式 (2-2) 的:調(diào)速所需頻率為 f=2.8HZ 兩帶輪中心軸軸心間距為 a=1750mm 所以，帶長(zhǎng)為： l=a+πd (2-3) =1750+3.14×120 =2126.8mm 曲撓次數(shù)為： =0.58〈ymax (2-4) δ=(1/40～1/30)d=0.3～0.4mm 選帶厚 δ=3mm 由測(cè)繪可得，取帶寬為b=150mm。 作用在軸上的力為： α1=90° σ0=1.8×106Mpa A=b×δ=150×3 (2-5) 得： Q=1142N 2.2.4 帶輪的強(qiáng)度校核 電動(dòng)機(jī)的傳遞功率為1.5Kw，功率在電動(dòng)機(jī)和聯(lián)軸器中間都有損失，若兩者的效率都為0.98，則輸出軸上的功率為： P=1.5×η2=1.44kw (2-6) 所受扭矩為： =172763Nmm (2-7) 帶輪水平方向的受力由帶的張緊力引起，垂直方向的受力由自重引起，對(duì)帶輪受力分析如圖2-1所示。 圖中： RH1=RH2=572.5N RV1=RV2=70.5N T1=T2=86138Nmm 圖2-1 帶輪受力圖 Fig.2-1 Pulley force 圖2-2 帶輪的彎矩圖 Fig.2-2 Pulley moment 如圖2-2，最大彎矩處為帶輪的中間截面處，次數(shù)彎矩為： MHmax=RH×75=572.5×75=42937.5Nmm MVmax=Rv×240=70.5×240=16920Nmm (2-8) 計(jì)算彎矩為： Mca= = = 113467.41 (2-9) 彎矩截面系數(shù)為： W=0.1d(1-β4) =0.1×1203×(1-0.884) =69172.64 (2-10) 故所受彎曲應(yīng)力為： 因此安全。 2.2.5 軸的設(shè)計(jì)及校核 1 材料的選擇 在一般溫度下工作及其廉價(jià)性已經(jīng)軸的直徑小選用45鋼。 2 求軸上的受力及彎矩、扭矩 分析軸上的受力由帶的張緊力和零件的自重產(chǎn)生，帶的張緊力作用在帶輪上，而帶輪以反作用力的形式作用在與軸相配合的擋板上產(chǎn)生了水平方向的受力，而零件的自重產(chǎn)生垂直面內(nèi)的力。 RV1=RV2=120N RH1=RH2=572.5N RV1’=RV2’=70.5N RH1’=RH2’=572.5N 3 初步確定軸上最小直徑 選取材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表3-1取A0=112，于是得 (2-11) 輸出軸的最小直徑處即圖中軸Ⅰ-Ⅱ處安裝聯(lián)軸器處，取d=28mm。 表2-1 軸的常用材料及其機(jī)械性能 Table 2-1 The shaft and mechanical properties of commonly used materials 材料 編號(hào) 熱 處理 毛坯 直徑 mm 硬度 HBS 抗拉強(qiáng)度極限 σB 屈服 強(qiáng)度極限 σS 彎曲 疲勞極限 σ-1 剪切疲勞極限τ- 1 許用彎曲應(yīng)力 [σ-1] 備注 MPa Q235-A 熱軋或鍛后空冷 ≤100 400-420 225 170 105 40 用于不重要及受載荷不大的軸 ＞100-250 375-390 215 45 正火 回火 ≤100 170-217 590 295 255 140 55 應(yīng)用最廣泛 ＞100-300 1 62-217 570 285 245 135 調(diào)質(zhì) ≤200 217-255 640 355 275 155 60 40Cr 調(diào)質(zhì) ≤100 241-286 735 540 355 200 70 用于載荷較大，而無(wú)很大沖擊的重要軸 ＞100-300 685 490 335 185 40CrNi 調(diào)質(zhì) ≤100 270-300 900 735 430 260 75 用于很重要的軸 ＞100-300 240-270 785 570 370 210 38SiMnMo 調(diào)質(zhì) ≤100 229-286 735 590 365 210 70 用于重要的軸，性能近于40CrNi ＞100-300 217-269 685 540 345 195 38CrMoAlA 調(diào)質(zhì) ≤60 293-321 930 785 440 280 75 用于要求高耐磨性，高強(qiáng)度且熱處理（氮化）變形很小的軸 ＞60-100 277-302 835 685 410 270 ＞100-160 241-277 785 590 375 220 4選用聯(lián)軸器型號(hào) 聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： Tca=KAT (2-12) 查表2-2 表2-2 工作情況系數(shù) Table 2-2 Work coefficient 工作機(jī) KA 原動(dòng)機(jī) 分類(lèi) 工作情況及舉例 電動(dòng)機(jī)汽輪機(jī) 四缸和四缸以上內(nèi)燃機(jī) 雙杠內(nèi)燃機(jī) 單缸內(nèi)燃機(jī) Ⅰ 轉(zhuǎn)矩變化很小，如發(fā)電機(jī)、小型通風(fēng)機(jī)、小型離心泵 1.3 1.5 1.8 2.2 Ⅱ 轉(zhuǎn)矩變化小，如透平壓縮機(jī)、木工機(jī)床、運(yùn)輸機(jī) 1.5 1.7 2.0 2.4 Ⅲ 轉(zhuǎn)矩變化中等，如攪拌機(jī)、增壓泵、有飛輪的壓縮機(jī)、沖床 1.7 1.9 2.2 2.6 Ⅳ 轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等，如織布機(jī)、水泥攪拌機(jī)、拖拉機(jī) 1.9 2.1 2.4 2.8 Ⅴ 轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷大，如造紙機(jī)、挖掘機(jī)、起重機(jī)、碎石機(jī) 2.3 2.5 2.6 3.2 Ⅵ 轉(zhuǎn)矩變化大并有極強(qiáng)烈沖擊載荷，如壓延機(jī)、無(wú)飛輪的活塞泵 3.1 3.3 2.8 4.0 考慮到轉(zhuǎn)矩變化很小，故取KA=1.3 Tca=KAT=1.3×172763=221591.9Nmm (2-13) 按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩的條件，查取手冊(cè)由GB 5014-85，選用GY4型凸緣聯(lián)軸器，其公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為2240000Nmm，半聯(lián)軸器長(zhǎng)度為47mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度為44mm。 5初步選定滾動(dòng)軸承。 因?yàn)檩S的最小直徑為28mm，為配合聯(lián)軸器，查表2-3選取型號(hào)為6206的深溝球軸承，其尺寸為：d×D×T=30mm×62mm×16mm。 表2-3 軸承的規(guī)格 Table 2-3 Bearing Specifications 國(guó)內(nèi)新型號(hào) 國(guó)內(nèi)舊型號(hào) 軸承類(lèi)型 內(nèi)徑 外徑 寬度 Cr Cor 重量 OPEN 2RS (mm) (mm) (mm) (kN) (kN) (kg) 625-2Z 80025 625 625-2RS 5 17.5 0.67 40000 49000 0.005 626-2Z 80026 626 626-2RS 6 2.6 1.05 35000 43000 0.0081 627-2Z 80027 627 627-2RS 7 3.3 1.35 31000 37000 0.013 628-2Z 80028 628 628-2RS 8 3.35 1.4 28000 35000 0.018 6200-2Z 80200 6200 6200-2RS 10 30 9 5.1 2.38 0.03 6201-2Z 80201 6201 6201-2RS 12 32 10 6.82 3.05 0.04 6202-2Z 80202 6202 6202-2RS 15 35 11 7.65 3.72 0.04 6203-2Z 80203 6203 6203-2RS 17 40 12 9.58 4.78 0.06 6204-2Z 80204 6204 6204-2RS 20 47 14 12.8 6.65 0.1 6205-2Z 80205 6205 6205-2RS 25 52 15 14 7.88 0.12 6206-2Z 80206 6206 6206-2RS 30 62 16 19.5 11.5 0.19 6207-2Z 80207 6207 6207-2RS 35 72 17 25.5 15.2 0.27 6208-2Z 80208 6208 6208-2RS 40 80 18 29.5 18 0.37 6209-2Z 80209 6209 6209-2RS 45 85 19 31.5 20.5 0.42 6210-2Z 80210 6210 6210-2RS 50 90 20 35 23.2 0.47 6211-2Z 80211 6211 6211-2RS 55 100 21 43.2 29.2 0.58 6212-2Z 80212 6212 6212-2RS 60 110 22 47.8 32.8 0.77 6213-2Z 80213 6213 6213-2RS 65 120 23 57.2 40 0.98 6214-2Z 80214 6214 6214-2RS 70 125 24 60.8 45 1.04 6215-2Z 80215 6215 6215-2RS 75 130 25 66 49.5 1.18 6216-2Z 80216 6216 6216-2RS 80 140 26 71.5 54.2 1.38 6217-2Z 80217 6217 6217-2RS 85 150 28 83.2 63.8 1.75 6218-2Z 80218 6218 6218-2RS 90 160 30 95.8 71.5 2.2 6219-2Z 80219 6219 6219-2RS 95 170 32 110 82.8 2.62 6 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1) 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 ① 由帶輪長(zhǎng)寬可知：Ⅳ-Ⅴ段直徑為120mm，長(zhǎng)度為150mm。為防止皮帶從軸上滑出，需在Ⅵ的左側(cè)和Ⅴ的右側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)擋圈，其內(nèi)勁為95mm，外徑為145mm，厚度為7mm。 ② 根據(jù)前面選取的軸承可得，Ⅱ-Ⅲ的的直徑為30mm，長(zhǎng)度為16mm。同理，Ⅵ-Ⅶ直徑為30mm，長(zhǎng)度為16mm。 ③ 因?yàn)檩S承用軸承座定位，根據(jù)軸承型號(hào)，選取型號(hào)為1506的軸承座。。 根據(jù)尺寸可知，軸承座一端面到軸承的同一端面距離為22mm，為使軸承座不碰到Ⅳ-Ⅴ段，故設(shè)計(jì)Ⅲ-Ⅵ軸的長(zhǎng)度為27mm。因?yàn)檩S承一端需要用軸肩定位，所以Ⅲ-Ⅵ需要造出一軸肩，故?、?Ⅵ直徑為34mm。同理可得，Ⅴ-Ⅵ直徑為34mm,長(zhǎng)度為27mm。 ④ 因?yàn)榘肼?lián)軸器長(zhǎng)度為44mm，又因?yàn)檩S承座一端面到軸承的同一端面距離為22mm，為了不影響軸和聯(lián)軸器的正常工作，設(shè)計(jì)聯(lián)軸器和軸承座之間的距離為2mm，所以設(shè)計(jì)Ⅰ-Ⅱ長(zhǎng)度為68mm。為了配合聯(lián)軸器的孔徑，設(shè)計(jì)Ⅰ-Ⅱ直徑為28mm。 綜上所述，可以畫(huà)出軸的示意圖如圖2-3所示。 同樣的方法和原理，可以得到運(yùn)動(dòng)臺(tái)另一端從動(dòng)軸如圖2-4。因?yàn)閺膭?dòng)軸的受力比主動(dòng)軸小，所以不再做校核。 圖2-3 主動(dòng)軸 Fig.2-3 Drive shaft 圖2-4 從動(dòng)軸 Fig.2-4 Driven shaft 7校核軸承的靜載荷 軸承在運(yùn)動(dòng)中僅受徑向力，由于帶的張緊力而使軸承承受的力為2700N，由于帶輪的自重而使軸承承受的力為120N，因此軸承承受的合力為 (2-14) 因?yàn)檩S承在運(yùn)動(dòng)中承受的為沖擊力不大的普通載荷，因此，S0=2， S0P=2×589.94=1179.88N (2-15) 而我們選用的軸承的基本額定靜載荷為11.5KN》S0P，因此靜載荷滿足條件。 8計(jì)算軸承壽命 因?yàn)槲覀兯x的軸承為球軸承，所以ε=3計(jì)算。計(jì)算如下： =476.6×106h (2-16) 軸承采用軸承座定位，軸承座型號(hào)為1506。 9鍵的選擇及校核 電動(dòng)機(jī)和聯(lián)軸器及聯(lián)軸器和輸出軸之間都需要用鍵固定。聯(lián)軸器與輸出軸的鍵按Ⅰ-Ⅱ段軸徑，查表2-4得鍵的截面尺寸為b×h×l=10×8×50，采用圓頭平鍵。電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器的連接采用的平鍵尺寸為b×h×l=8×7×35，采用平鍵頭。鍵、軸、轂的材料都是鋼，由表2-5查得許用擠壓應(yīng)力為[σ]p=110Mpa。 對(duì)鍵校核如下： 1）對(duì)電動(dòng)機(jī)的軸用鍵進(jìn)行校核： 其長(zhǎng)度為35mm，為平鍵頭，為此工作長(zhǎng)度為35mm，k=0.5,h=4。 由公式得： =85.7Mpa<[σ]p (2-17) 2）對(duì)輸出軸與聯(lián)軸器連接鍵進(jìn)行校核。 其工作長(zhǎng)度為：l=L-b=50-10=40，k=0.5，h=5。 由公式得 =45Mpa<[σ]p (2-18) 因此以上兩鍵均安全。 表2-4 普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸 Table 2-4 The main dimensions of common flat key and common wedge bond 軸的直徑d 鍵寬b×鍵高h(yuǎn) 軸的直徑d 鍵寬b×鍵高h(yuǎn) 鍵的長(zhǎng)度系列L 6-8 2×2 ＞44-50 14×9 6,8,10,12,14,16,18, ＞8-10 3×3 ＞50-58 16×10 20,22,25,28,32,36, ＞10-12 4×4 ＞58-65 18×11 40,45,50,56,63,70， ＞12-17 5×5 ＞65-75 20×12 80,90,100,110,125, ＞17-22 6×6 ＞75-85 22×14 140,180,200,220， ＞22-30 8×7 ＞85-95 25×14 250，… ＞30-38 10×8 ＞95-110 28×16 ＞38-44 12×8 ＞110-130 32×18 表2-5 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力、許用壓力 Table 2-5 The key to connect the allowable extrusion stress,allowable pressure 許用擠壓應(yīng)力、許用壓力 連接工作方式 鍵或轂、軸的材料 載荷性質(zhì) 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 [σp] 靜鏈接 鋼 120~150 100~120 60~90 鑄鐵 70~80 50~60 30~45 [p] 動(dòng)鏈接 鋼 50 40 30 10螺釘?shù)倪x擇及校核 帶輪與擋板采用螺釘連接，螺釘個(gè)數(shù)為六個(gè)，對(duì)其進(jìn)行受力分析得： (2-19) 得： F =249.67N 螺釘材料為45號(hào)鋼，剪切強(qiáng)度和安全系數(shù)分別為[σ]=120Mpa，Sp=1.25,擠壓強(qiáng)度和安全系數(shù)非別為[σ]=120Mpa，Sp=1.25，擠壓強(qiáng)度和安全系數(shù)分別為[τ]=90Mpa,Sp=1.25。 先對(duì)剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核： (2-20) 再對(duì)擠壓強(qiáng)度進(jìn)行校核： (2-21) 許用剪應(yīng)力為： 11按彎矩合成校核軸的強(qiáng)度 首先根據(jù)受力圖作軸上的彎矩圖， 在水平面內(nèi)與垂直面內(nèi)的最大彎矩分別為： MHmax=572.5×64=36640Nmm MVmax=120×309-70.5×245=19807.5Nmm T=144000Nmm T1=T2=72000Nmm （2-22） 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大計(jì)算彎矩截面即可，經(jīng)判斷，所受最大彎矩的截面為截面B，截面上所受彎矩為： MVB=120×54=6480Nmm MHB=572.5×54=30915Nmm TB=T-T1=172763Nmm （2-23） 截面上所受的計(jì)算彎矩為： （2-24） 抗截面系數(shù)為： WB=0.1d3 =0.1×523 =14060.8mm （2-25） 計(jì)算彎曲應(yīng)力為： （2-26） 故安全。 2.2.6 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 1 判斷危險(xiǎn)截面 截面Ⅰ、Ⅱ僅受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過(guò)渡配合所引起的應(yīng)力集中將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕的確定的，所以截面Ⅰ、Ⅱ無(wú)須進(jìn)行校核。 從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看，截面Ⅳ處的過(guò)盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重；從受載的情況看，截面B處的Mca最大，但此處的應(yīng)力集中不大(過(guò)盈配合引起的應(yīng)力集中分布在軸的兩端)，而且這里的軸徑最大，故也不必要進(jìn)行校核，由第三章附錄可知，鍵的應(yīng)力集中系數(shù)比過(guò)盈配合的小，因而只需校核截面Ⅳ的兩端即可。 2 校核截面Ⅳ左側(cè) 軸的抗彎截面系數(shù)計(jì)算如下： W=0.1d3 =0.1×463 =9722.6mm3 （2-27） 軸的抗扭截面系數(shù)為： WT=0.2d3 =0.2×463 =19427.2mm3 （2-28） 截面左側(cè)的彎矩為： M=145943.9×(49/54) =132430.6N （2-29） 截面上的扭矩為： T=144000Nmm 截面上的彎曲應(yīng)力為 （2-30） 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為： （2-31） 軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。 σB=640Mpa 由表2-1查的 τ-1=155Mpa 截面上由于軸肩形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及a0和aτ按表2-5查取。 （2-32） 經(jīng)插值后查得：ασ=2.06，ατ=1.52 由圖2-5得軸的敏性系數(shù)為： qσ=0.82，qτ=0.85 故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式為： kσ=1+qσ(ασ-1)=1.87 kτ=1+qτ(ατ-1)=1.87 （2-33） 表2-6 軸肩圓角處的理論應(yīng)力集中系數(shù) Table 2-6 The shaft shoulder fillet of the theoretical stress concentration factor 應(yīng)力 公稱(chēng)應(yīng) 力公式 （拉伸彎曲）或αx（扭轉(zhuǎn)剪切） 拉 伸 t/d D/d 2.00 1.50 1.30 1.20 1.15 1.10 1.07 1.05 1.02 1.01 0.04 2.80 2.57 2.39 2.28 2.14 1.99 1.92 1.82 1.56 1.42 0.10 1.99 1.89 1.79 1.69 1.63 1.56 1.52 1.46 1.33 1.23 0.15 1.77 1.68 1.59 1.53 1.48 1.44 1.40 1.36 1.26 1.18 0.20 1.63 1.56 1.49 1.44 1.40 1.37 1.33 1.31 1.22 1.15 0.25 1.54 1.49 1.43 1.37 1.34 1.31 1.29 1.27 1.20 1.13 0.30 1.47 1.43 1.39 1.33 1.30 1.28 1.26 1