番茄苗期株間除草機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

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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 錄 1 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 1.4現(xiàn)狀分析 6 2技術(shù)任務(wù)書 7 2.1 研究?jī)?nèi)容 7 2.2 技術(shù)路線 8 3總體設(shè)計(jì)方案 9 3.1移動(dòng)方式的選擇 9 3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 3.3 除草機(jī)構(gòu)的選擇 12 4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 4.1 轉(zhuǎn)向方案的確定 13 4.2 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)的確定 14 4.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 15 4.4齒輪齒條的計(jì)算 16 5.并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及空間分析 25 5.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 5.2空間分析 28 5.3末端執(zhí)行裝置 29 6 總結(jié)與展望 30 6.1 結(jié)論 30 6.2 創(chuàng)新點(diǎn) 30 6.3 展望 30 參 考 文 獻(xiàn) 31 致 謝 33 番茄苗期株間除草機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 1 緒論 1.1 研究背景及意義 番茄又名西紅柿，其色澤鮮亮、形態(tài)飽滿、酸甜適口，既可作水果生食，又可烹制成爽口佳肴，是廣受好評(píng)的美味果蔬。番茄富含人體所需的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有各種健康養(yǎng)生的功效，被稱為神奇的"菜中之果"，主要功效體現(xiàn)在其作為食物以及入藥調(diào)理兩個(gè)方面。番茄富含礦物質(zhì)，維生素C,且而中醫(yī)上主要用于生津止渴、涼血平肝、清熱解毒;而在西醫(yī)的體系中，番茄主要被用于清除自由基、抗氧化衰老、降低膽固醇、預(yù)防骨質(zhì)疏松等方面。 番茄這種美味的水果誕生于神秘的亞馬遜熱帶雨林，產(chǎn)量在全世界果蔬中名列前茅，尤其是我國(guó)，早已將番茄作為最重要的幾種農(nóng)作物之一加以種植。在政策與人民的配合生產(chǎn)下，我國(guó)已經(jīng)一躍成為全世界產(chǎn)量最多、種植面積最大的番茄種植國(guó)家，年產(chǎn)量約6515萬(wàn)噸，占我國(guó)蔬菜生產(chǎn)總量的7%左右。我國(guó)主要種植的番茄有兩種，一種是紅果番茄，一種是粉紅果番茄。粉紅果番茄主要栽培方式是設(shè)施內(nèi)栽培，如大棚等，紅果番茄種植要求較低，主要栽培方式是露天栽培。在我們山西省，兩種類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積的12％，產(chǎn)量更是達(dá)到了全省果蔬總產(chǎn)量的16％，是我省重要的出口蔬菜之一。其中艷粉3號(hào)番茄在2009年通過山西省品種審定,其外觀光滑漂亮,果肉厚,個(gè)頭大，豐產(chǎn)性較好，硬度大,耐運(yùn)輸。 雜草，一直都是番茄生長(zhǎng)過程中對(duì)其開花結(jié)果危害最大的因素，雜草對(duì)于番茄的影響包括但不僅限于搶占了番茄生長(zhǎng)過程中所必須的肥料如無(wú)機(jī)鹽等，還會(huì)使番茄生長(zhǎng)缺水從而導(dǎo)致番茄產(chǎn)量降低，甚至還會(huì)在番茄幼苗時(shí)期遮擋番茄生長(zhǎng)所必須的陽(yáng)光。番茄初生長(zhǎng)時(shí)期，由于芽株較小，地表大片裸露在外,更成為了雜草瘋狂生長(zhǎng)的溫床,并且許多對(duì)番茄有害的微生物、害蟲等也會(huì)在雜草上寄居,對(duì)番茄的生長(zhǎng)與結(jié)果產(chǎn)生了極大的危害。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，學(xué)者們對(duì)于番茄田化學(xué)除草進(jìn)行了多方面的研究，但是隨著人們對(duì)綠色生活的追求，化學(xué)除草帶來(lái)的生態(tài)污染和食品危害越來(lái)越不能被大家所接受，但是如果僅僅使用人工除草的方式去除這些影響的話，成本較高，勞動(dòng)量大，并且也很難取得好的效果，因此，機(jī)械除草就成為了人工除草最有效的替代方式。其不僅避免了其他除草技術(shù)應(yīng)用的局限性，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)、高效、持續(xù)、環(huán)?！保暇G色可持續(xù)發(fā)展理念，引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，受到越來(lái)越多的重視。 1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)株間機(jī)械除草技術(shù)的研究起步較早，從20世紀(jì)50年代開始展開相關(guān)研究，目前已經(jīng)形成了比較完善的除草技術(shù)和相對(duì)成熟先進(jìn)的機(jī)械裝備。很多株間除草機(jī)械已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，但是想要使智能、高效的機(jī)械除草設(shè)備在田間得到廣泛應(yīng)用，仍有部分差距。如基于機(jī)器視覺的機(jī)械除草，在實(shí)際除草作業(yè)中，農(nóng)田間環(huán)境比較惡劣，有很多因素都會(huì)影響其除草效果如光照度和灰塵粒徑等。而對(duì)于小株距作物株間除草來(lái)說，由于植株株距過小，因此除草機(jī)械很難實(shí)現(xiàn)高的凈除草率和低的傷苗率[22]。 Narendra S. Chandel等研究開發(fā)了一種拖拉機(jī)牽引的大田作物行內(nèi)行間綜合除草的一體化系統(tǒng)[8]并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行集成與優(yōu)化。該系統(tǒng)在玉米田間除草率可達(dá)92.8%，在豇豆田間除草率可達(dá)84.1%。該系統(tǒng)還提供了一系列具有靈活性的可調(diào)整的種植密度范圍，并且基于原動(dòng)機(jī)的功率可用性可進(jìn)一步擴(kuò)展工作寬度，結(jié)果表明該系統(tǒng)是一個(gè)適應(yīng)性很強(qiáng)的替代方案。 Perez Ruiz M等開發(fā)研制出基于精確里程表傳感器檢測(cè)技術(shù)的行內(nèi)除草刀自動(dòng)控制系統(tǒng)[6]，其主要適用于移植農(nóng)作物，如圖1。行內(nèi)除草協(xié)同機(jī)器人自動(dòng)利用地面車輪里程表實(shí)時(shí)感測(cè)來(lái)確定一雙微型鋤刀的張開與閉合，以消除行內(nèi)雜草，同時(shí)避免損傷種植作物。該系統(tǒng)在加州大學(xué)戴維斯分校的移植加工番茄田中進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為當(dāng)操作者與農(nóng)作物之間的距離在0.5cm內(nèi)，前進(jìn)速度為1.6km/h的標(biāo)準(zhǔn)差為1.39cm，表明協(xié)同機(jī)器人可用于行內(nèi)區(qū)域作物之間的自動(dòng)精確除草控制，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。 圖 1番茄除草刀路徑控制系統(tǒng) 圖 2株間除草移動(dòng)平臺(tái) J. Blasco等提出了一種用于蔬菜作物的行內(nèi)除草機(jī)[3]，主要包括移動(dòng)平臺(tái)和六自由度機(jī)械臂，如圖2。該平臺(tái)包括兩套視覺系統(tǒng)，一套用于獲取和檢測(cè)雜草坐標(biāo)，一套用于重新定位雜草來(lái)糾正正慣性擾動(dòng)，坐標(biāo)確定后機(jī)器人手臂會(huì)定位到雜草上方用高壓電殺死雜草。該視覺系統(tǒng)能夠正確定位84%的雜草和99%的生菜。 英國(guó)Garford公司和N.D. Tillett等設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型旋切圓盤中耕除草機(jī)[9]，如圖3。該除草機(jī)的關(guān)鍵部件是由液壓驅(qū)動(dòng)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的缺口圓盤刀，當(dāng)視覺系統(tǒng)檢測(cè)到雜草信息時(shí)，控制拖拉機(jī)移動(dòng)到雜草位置，橫移機(jī)構(gòu)開始對(duì)刀，除草圓盤刀開始旋轉(zhuǎn)進(jìn)行除草作業(yè)。該除草機(jī)在大田移栽卷心菜田中試驗(yàn)，結(jié)果表明在作物植株周圍240毫米半徑范圍內(nèi)的作物損害程度角度，雜草除草率在62%-87%。 圖 3 Garford苗間除草機(jī) 圖 4 行間除草裝置 M. Norremark等開發(fā)和優(yōu)化一種基于實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)全球定位系統(tǒng)（RTK-GPS）的新型無(wú)人智能除草系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)包括自走式拖拉機(jī)、控制側(cè)移架、基于余擺線運(yùn)動(dòng)的8個(gè)旋轉(zhuǎn)耙齒。田間試驗(yàn)證實(shí)，該自動(dòng)除草系統(tǒng)可以可靠地在作物行內(nèi)鋤草，而不會(huì)與作物發(fā)生碰撞。 Christian Frasconi設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)除草機(jī)[4]用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械地清除作物行間的雜草，并在作物行間進(jìn)行選擇性和針對(duì)性的交叉燃燒除草。該除草機(jī)結(jié)合了一個(gè)配備雜草檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)地面移動(dòng)單元，可以通過特定的基于視覺的感知系統(tǒng)進(jìn)行雜草檢測(cè)和作物行檢測(cè)。除此之外，該除草機(jī)還裝有檢測(cè)農(nóng)作物的引導(dǎo)系統(tǒng)，可以避苗用于機(jī)械除草的剛性工具損壞玉米植株。通過在玉米地進(jìn)行實(shí)物測(cè)試發(fā)現(xiàn)結(jié)果不太理想，仍需改進(jìn)。 David Reiser等開發(fā)了一種自動(dòng)行內(nèi)除草機(jī)器人[7]，主要用于清除葡萄園行內(nèi)區(qū)域的雜草。這臺(tái)除草機(jī)器人是在“Humus Planet”旋耕除草機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，其整體結(jié)構(gòu)是集成在一個(gè)自主電動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上的，搭建著用于除草的旋轉(zhuǎn)除草器和能夠定位的基于激光掃描儀的自動(dòng)追蹤器。對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果為12臺(tái)電動(dòng)除草機(jī)器人中有11臺(tái)可以在葡萄園中進(jìn)行自動(dòng)除草。 BJORN·ASTRAND設(shè)計(jì)出了一款機(jī)器人[2]，主要用于農(nóng)業(yè)方面的除草工作。這種機(jī)器人采用了兩種不同的方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草的精確識(shí)別和處理，首先其采用了灰度視覺系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以智能識(shí)別農(nóng)作物的排布，經(jīng)過分析后為機(jī)器人選擇最佳的行進(jìn)路線，其次，他還采用了基于顏色的視覺系統(tǒng)，能夠在雜草中精確識(shí)別出作物并加以規(guī)避。在這兩種視覺系統(tǒng)的精密配合下，最終使該機(jī)器實(shí)現(xiàn)了雜草的精確處理操作。在溫室進(jìn)行首次試驗(yàn)，結(jié)果表明機(jī)器人能夠清除一排作物內(nèi)的雜草。 Mohd Taufik Bin Ahmad研制了一種蔬菜作物自動(dòng)行內(nèi)除草機(jī)[1]。該機(jī)械除草機(jī)由集成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)齒除草機(jī)構(gòu)組成。該驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)合，用于檢測(cè)作物種植位置，并控制旋轉(zhuǎn)除草機(jī)構(gòu)在不損害作物的情況下執(zhí)行機(jī)械除草操作。在蔬菜田間進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，齒深和行進(jìn)速度對(duì)除草面積有影響，較深的加工深度和較慢的行進(jìn)速度可以達(dá)到較好的除草效果。 1.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)對(duì)機(jī)械除草的研究起步較晚，雖然進(jìn)展比較順利，發(fā)展速度快，但是在株間除草機(jī)械方面仍與國(guó)外差距較大[21]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)于除草機(jī)的研究與設(shè)計(jì)僅僅停留在除草機(jī)的某個(gè)部分的開發(fā)與優(yōu)化，整體成套的設(shè)備研發(fā)很少，并且在國(guó)內(nèi)，除草機(jī)的介紹大多停留在理論階段，真正能夠進(jìn)到田間進(jìn)行實(shí)踐的設(shè)備很更是稀缺，有關(guān)這些方面的新聞報(bào)道也很缺乏，這足以證明在我國(guó)，除草機(jī)的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒有那么廣泛，對(duì)于相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究以及推廣實(shí)踐的程度也差強(qiáng)人意。 Lijun Wang等設(shè)計(jì)了一種主要由STM32C8T6單片機(jī)控制的除草機(jī)器人[10]，單片機(jī)得到定位信息后，驅(qū)動(dòng)除草部件到指定位置進(jìn)行除草。除草執(zhí)行器末端采用六自由度機(jī)械手，且機(jī)械手的長(zhǎng)度可根據(jù)自由度的要求進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)采用車輪結(jié)構(gòu)，通過軟件編程和后期調(diào)試實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直行、轉(zhuǎn)向。 北京林業(yè)大學(xué)李燕設(shè)計(jì)了一種適用于苗圃田間株間除草的設(shè)計(jì)方案[17]，該除草機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自由轉(zhuǎn)向和行內(nèi)行間同時(shí)除草。利用ADAMS對(duì)除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析驗(yàn)證滿足除草需求、對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度剛度校核驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)滿足力學(xué)要求，但是該設(shè)計(jì)沒有對(duì)機(jī)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，缺少動(dòng)力傳動(dòng)部分并且該設(shè)計(jì)只適用于均勻分布的作物。 南京林業(yè)大學(xué)孫曼麗[20]設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)在玉米田間進(jìn)行行間株間高效除草的機(jī)器人[20]，如圖4。該機(jī)器人利用了機(jī)器視覺和GPS，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人本體、圖像采集裝置、圖像處理轉(zhuǎn)置（嵌入式控制器）、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)置和除草執(zhí)行器，利用ADAMS和MATLAB對(duì)除草機(jī)器人末端執(zhí)行裝置的除草運(yùn)動(dòng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，其不足之處在于并未制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且在仿真過程中采用剛性建模使得運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果存在一定的誤差。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)黃小龍、張春龍[15][23]等人采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法結(jié)合國(guó)內(nèi)蔬菜大田種植模數(shù)對(duì)鋤草機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，還設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)速度在0-1.5m/s內(nèi)連續(xù)可調(diào)的四輪移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和液壓系統(tǒng)，該鋤草機(jī)器人除草率為95%以上，傷苗率在1.4%左右。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人除草作業(yè)效果良好，滿足除草作業(yè)的農(nóng)藝要求。 吉林大學(xué)韓豹[14]采用理論分析、多目標(biāo)優(yōu)化、虛擬制造和仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法分別對(duì)水平圓盤株間除草和組合梳齒式株間除草的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，在這一基礎(chǔ)上，他發(fā)明了3ZCF -7700型中耕除草施肥機(jī)，如圖5，主要用于玉米種植區(qū)域內(nèi)的雜草清除，在進(jìn)行過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，數(shù)據(jù)表明玉米行間除草率高達(dá)95%左右，行內(nèi)除草率可達(dá)到76%左右，滿足除草需求。但是，該研究的作業(yè)單體受機(jī)手技術(shù)水平的影響，存在一定的誤差，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向且存在調(diào)校繁瑣，仿形動(dòng)作平穩(wěn)性差等問題。 圖 5 中耕除草機(jī) 圖 6 株間除草裝置 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)葛玉曉[13]根據(jù)作物根系深、根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了一種可形成四邊形網(wǎng)格狀軌跡的除草裝置，如圖6，利用NX8.0對(duì)該裝置進(jìn)行建模和仿真分析，進(jìn)行四元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)，建立除草率與傷苗率模型，最后利用Design-Expert8.0.5b進(jìn)行分析處理得出最優(yōu)試驗(yàn)組合，參數(shù)結(jié)果表明當(dāng)梳齒為6根，間距為400mm，作業(yè)速度為2.3m/s時(shí)除草率可達(dá)84%左右，滿足設(shè)計(jì)要求。 1.4現(xiàn)狀分析 現(xiàn)階段對(duì)于田間雜草的處理方式大體有兩種，分別是行間除草法和株間除草法。針對(duì)于行間除草的研究，無(wú)論在國(guó)內(nèi)國(guó)外都有十分成熟的技術(shù)，有很成熟的作業(yè)機(jī)械與除草技術(shù)，但是在株間除草這一領(lǐng)域的研究，還有很大一部分缺陷，主要是由于作物間距離不固定，雜草分布密度較大，且區(qū)域較為分散，在對(duì)雜草進(jìn)行清除時(shí)極易對(duì)作物根莖部造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，這些問題如果無(wú)法解決，株間除草的技術(shù)就無(wú)法前進(jìn)，也很難取得理想的研究成果。目前完全研制成功的株間除草整機(jī)裝備較少，不管是純機(jī)械式還是具有一定自動(dòng)化的機(jī)械式株間除草技術(shù)與裝置都是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[22]。 33 2 技術(shù)任務(wù)書 2.1 研究?jī)?nèi)容 本課題研究的除草機(jī)主要適用于番茄、茄子、辣椒等均勻分布的條狀播作物。為了使研究具有針對(duì)性，本文選取番茄作為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)番茄株高在200mm以下，行距為300mm-500mm，株距為300mm左右的株間除草。假定除草機(jī)最大裝備質(zhì)量為200kg，前進(jìn)速度為30mm/s。 由于整個(gè)除草機(jī)比較復(fù)雜，工作量較大，因此本課題重點(diǎn)研究車輛本體結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)。具體研究?jī)?nèi)容如下： （1） 針對(duì)番茄株間雜草除草問題，根據(jù)其除草任務(wù)要求與作業(yè)指標(biāo)設(shè)計(jì)一套株間除草機(jī)的整體結(jié)構(gòu)方案。 （2）考慮到除草機(jī)的作業(yè)方式，為實(shí)現(xiàn)在番茄田間自動(dòng)行走，設(shè)計(jì)一種可穩(wěn)步向前與自由轉(zhuǎn)向的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，主要包含自走式車輛本體的傳動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)兩部分，再根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)、番茄幼苗高度、田間株距行距等確定自走式車輛本體主要結(jié)構(gòu)參數(shù) （3）為實(shí)現(xiàn)除草避苗與精準(zhǔn)定位，設(shè)計(jì)一種滿足除草作業(yè)的除草機(jī)構(gòu)。對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)，再利用MATLAB對(duì)執(zhí)行器末端工作空間進(jìn)行模擬驗(yàn)證其是否滿足株間除草區(qū)域的范圍。 2.2 技術(shù)路線 根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，制定技術(shù)路線如下所示： 3 總體設(shè)計(jì)方案 番茄苗期株間除草機(jī)大體分為自走式車輛本體和并聯(lián)機(jī)構(gòu)兩部分。 自走式小車作為除草機(jī)本體，在番茄田間直線行駛、穩(wěn)步向前。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與除草避苗，位于移動(dòng)車體的中間區(qū)域。 除草機(jī)器人整機(jī)工作原理：除草機(jī)在作業(yè)過程中，移動(dòng)平臺(tái)沿作物行向前行駛，此時(shí)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的末端執(zhí)行器位于距地面200mm以上的位置即在植株的上方。當(dāng)行走到目標(biāo)位置即雜草區(qū)域時(shí)制動(dòng)停車，執(zhí)行器末端開始從原始位置移動(dòng)到雜草區(qū)域進(jìn)行除草作業(yè)，區(qū)域除草完畢時(shí)執(zhí)行器末端回到原始位置，輪式小車?yán)^續(xù)向前行駛，當(dāng)整行除草作業(yè)完畢，四輪小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向，繼續(xù)進(jìn)行往返式逐行作業(yè)。 3.1移動(dòng)方式的選擇 本課題所設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)用于搭建電動(dòng)機(jī)、除草機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等各種部件并在凹凸不平的番茄田間行走。因此，要求移動(dòng)平臺(tái)具有一定的負(fù)載承受能力，且具有良好的穩(wěn)定性能夠平穩(wěn)地在農(nóng)田間行駛。 移動(dòng)平臺(tái)的行走方式主要分為：履帶式和輪式。移動(dòng)平臺(tái)的行走方式直接影響其轉(zhuǎn)彎性能、平穩(wěn)性能、通過性能及能量消耗性，進(jìn)而影響除草機(jī)的作業(yè)效率與作業(yè)安全。因此，需要綜合考慮相關(guān)因素來(lái)選擇其行走機(jī)構(gòu)。各方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 履帶式行走機(jī)構(gòu)：負(fù)載能力強(qiáng)、接地比壓小可適用于重型機(jī)械，越野能力強(qiáng)可適應(yīng)復(fù)雜路況環(huán)境，穩(wěn)定性極好，爬坡能力大，但其轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向不靈敏，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗較快，噪音較大 ，成本較高。 輪式行走機(jī)構(gòu)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，速度較快，反應(yīng)靈活，機(jī)動(dòng)性突出，運(yùn)行平穩(wěn)自如，價(jià)格低廉，實(shí)用性強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)輪胎損耗較小，噪音低，易于在田間行走，阻力小，效率高。 綜合考慮，本文選用輪式行走機(jī)構(gòu)，其具有較高的轉(zhuǎn)彎靈活性與實(shí)用性，可以適應(yīng)農(nóng)田間凹凸不平的作業(yè)環(huán)境，適宜在田間行走。 機(jī)械設(shè)計(jì)中常見的的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)大部分可以概括為三輪驅(qū)動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng)以及六輪驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分，一般使用驅(qū)動(dòng)輪配合自由輪，或配合轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向。三輪小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，應(yīng)用范圍廣泛，但其穩(wěn)定性較差，在載荷分布不均勻的情況下容易發(fā)生前翻并且小車的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性受三個(gè)支撐輪的相對(duì)位置和重心位置的影響[11]。六輪小車有較大的負(fù)載能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，但其結(jié)構(gòu)繁瑣，常用于載重較大的情況。本文選用四輪結(jié)構(gòu)，其具有良好的支撐穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)靈活性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 在除草機(jī)車輪的選擇上，考慮到其復(fù)雜的工作環(huán)境，小車輪在工作時(shí)極易陷入復(fù)雜地形如田間土地裂縫等，影響除草機(jī)正常運(yùn)行，故經(jīng)多方面考慮后選擇用大車輪作為除草機(jī)車輪。本文選用的車輪，其主要尺寸輪徑D為500mm,輪寬L為105mm，該車輪額定載荷為6300N>200×9.8=1960N。 3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在這次設(shè)計(jì)中，我研究的除草機(jī)整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由以下幾部分組成，分為除草機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，微型減速器，微型聯(lián)軸器以及驅(qū)動(dòng)輪幾個(gè)部分。除草機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過微型聯(lián)軸器與微型減速器相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的動(dòng)力經(jīng)由微型減速器，通過齒輪嚙合傳動(dòng)的方式到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪工作，微型減速器與驅(qū)動(dòng)輪位于同一根軸上，故而轉(zhuǎn)速相同，軸與輪之間通過平鍵連接的方式進(jìn)行固定，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各方向運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)四輪小車的左右后輪，在小車轉(zhuǎn)向時(shí)，可以通過調(diào)整輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率以達(dá)到較高精度的速度調(diào)節(jié)。當(dāng)兩電動(dòng)機(jī)輸入不同脈沖信號(hào)的頻率時(shí)，可以采用差速驅(qū)動(dòng)的方式較容易地實(shí)現(xiàn)除草機(jī)的前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)向等功能。因此，本文選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型：車輪與軸承間的摩擦力為 F1=pμd2D2 (3-1) 式中，p——車輪輪壓，p=150Kpa; μ——車輪與軸承的摩擦系數(shù),μ=0.015; D——車輪直徑,D=500mm; d——車輪軸樞直徑,d=50mm。 代入數(shù)據(jù)得,F1= pμdD=150×1000×0.015×50500=225N。 車輪與地面的摩擦力為 F2=N·f (3-2) 式中，N——平臺(tái)與地面之間的正壓力，N=1960N； f——土壤地面與車輪之間的摩擦系數(shù)，f=0.1。 代入數(shù)據(jù)得，F(xiàn)2=1960×0.1=196N。 慣性阻力為 F3=G·ag (3-3) 式中，a——加速度，取a=0.15m/s2。 代入數(shù)據(jù)得F3=200×9.8×0.159.8=30N。 所需動(dòng)力為 Fi=Fall綜合阻力 (3-4) 則有F=F1+F2+F3=225+196+30=451N。 扭矩為 T=F?D2 (3-5) 式中，F(xiàn)?——電機(jī)最小驅(qū)動(dòng)力，由于安裝兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，因此，F(xiàn)?=F/2=225.5N； D——車輪直徑,D=500mm。 代入數(shù)據(jù)得，T=225.5×500×12×10?3≈60N·m。 因此，選用85HB118HK20-504減速步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)矩頻曲線圖可知，當(dāng)力矩M為70 N·m時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n=11r/min,則輸出功率為 P=M·2πf=70×2×3.14×11/60≈80.6W 線速度為 v=2πrn=Dπn=0.5×3.14×11/60=0.3m/s 微型減速器減速比為1:10。 3.3 除草機(jī)構(gòu)的選擇 伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，曾經(jīng)的小農(nóng)耕作的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)成為過去，活在歷史書里，要構(gòu)建新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞作方式，才能夠避免我們?cè)诮?jīng)濟(jì)全球化的浪潮中敗下陣來(lái)，才能真正跟上世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，才能真正將中國(guó)農(nóng)業(yè)大國(guó)的地位帶到全世界面前。我國(guó)農(nóng)業(yè)水平正在飛速發(fā)展，以往的簡(jiǎn)單勞作方式已經(jīng)拋棄，轉(zhuǎn)而向資源節(jié)約型，環(huán)境友好型的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大步前進(jìn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，又叫精細(xì)農(nóng)作、精確農(nóng)業(yè)是源自美國(guó)的一種新型農(nóng)業(yè)，是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。精準(zhǔn)機(jī)械式除草方式是精細(xì)農(nóng)作的重要研究課題之一，株間智能除草設(shè)備的研制也將促進(jìn)向現(xiàn)代化作業(yè)方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)投入低、效率高、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 株間除草技術(shù)的一個(gè)重要難題在于準(zhǔn)確定位，現(xiàn)實(shí)意義是除草避苗。由于一般的除草機(jī)械很難保證不損傷秧苗，因此本文除草機(jī)的主要部件選用Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主要依據(jù)其精度高的特點(diǎn)。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)不僅可以把株間的雜草去除掉還能避開幼苗使幼苗不受損傷，可以幫助人類完成繁瑣單調(diào)重復(fù)的工作，使田間除草變得更加精細(xì)、更加智能化，為科學(xué)種田提供了所需要的定位技術(shù)手段，便于進(jìn)行農(nóng)田科學(xué)管理。Delta機(jī)器人在1985年由法國(guó)Clavel博士首次提出并命名的[16]，它是由三條支鏈構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)形式的并聯(lián)機(jī)器人，它被稱為“最成功的并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)”，是目前的熱門機(jī)型，受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。該機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)精度高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。 4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 轉(zhuǎn)向方案的確定 方案一： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪以嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)的方式將動(dòng)力輸出至不完全錐齒輪，使得連桿發(fā)生擺動(dòng)，帶動(dòng)右梯形臂發(fā)生一定程度的限位擺動(dòng)，從而拉動(dòng)右車輪進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，通過橫拉桿，使得左車輪發(fā)生同步偏轉(zhuǎn)。 不足之處：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不緊湊，傳動(dòng)動(dòng)力小。 方案二：電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪齒條轉(zhuǎn)向副將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)辇X條軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿進(jìn)而引起搖桿的擺動(dòng)，使車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 不足之處：逆效率高，會(huì)發(fā)生反沖現(xiàn)象 方案三：通過齒輪齒條轉(zhuǎn)向器將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)改變?yōu)檗D(zhuǎn)向直拉桿的平動(dòng)，轉(zhuǎn)向直拉桿在進(jìn)行平動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)副帶動(dòng)節(jié)臂，使其做出相應(yīng)的擺動(dòng)，進(jìn)而由節(jié)臂帶動(dòng)左側(cè)梯形臂，從而實(shí)現(xiàn)了使梯形臂上的左車輪做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。而在另一側(cè)同樣由轉(zhuǎn)向節(jié)臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，驅(qū)動(dòng)右側(cè)梯形臂帶動(dòng)右車輪，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 通過對(duì)比，本文選用方案三。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)可以使車輪在轉(zhuǎn)向過程中進(jìn)行純滾動(dòng)，輪胎損耗小，使用壽命長(zhǎng)，提高小車的穩(wěn)定性。 4.2 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)的確定 此小車的前軸距D為900mm，轉(zhuǎn)向節(jié)跨距M為500mm，軸距L為1600mm。 主銷偏移距a 一般在10-30mm之間，本文取a=20mm。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 α=arcsin(LR?a) (4-1) 得，轉(zhuǎn)向輪外輪轉(zhuǎn)角α=29°。 根據(jù)阿克曼核心公式 cotα-cotβ=ML (4-2) 即轉(zhuǎn)向內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角 β=arccot(cotα-ML) (4-3) 代入數(shù)據(jù)得，β= arccot(cot29°-5001600)=34°，滿足內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角βmax≤45°。 在對(duì)轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向梯形臂γ其值一般在0.11M-0.15M之間，即55≤γ≤75，取γ=75mm。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的初始角即梯形底角θ應(yīng)滿足 arctan(1.2LM)≤θ≤80° (4-4) 則有，arctan(1.2×1600500)≈75°≤θ≤80°，取θ=75°。根據(jù)勾股定理，轉(zhuǎn)向橫拉桿b≈461mm。 由最小傳動(dòng)角約束條件知， cosδmin?2cosθ+cos?(θ+α)(cosδmin?cosθ)cosθ-2×γM≥0 (4-5) 代入數(shù)據(jù)得， 則有δmin≥57.38°>δmin=40°,滿足最小傳動(dòng)角條件。 4.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 選用57HK行星減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其靜力矩為2.0N·cm,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為480g·cm2,減速比為1:5. 1.計(jì)算慣量匹配問題 假設(shè)移動(dòng)負(fù)載為5kg，移動(dòng)位移為30mm，移動(dòng)時(shí)間為2s，應(yīng)保證負(fù)載慣量/電機(jī)慣量<廠家慣量比，電機(jī)慣量一般取5。 負(fù)載慣量為 J=mD24 (4-6) 式中，D——小齒輪分度圓直徑, D=15.3mm； m——質(zhì)量，由于步進(jìn)電機(jī)加速時(shí)間通常為0.2s,因此可得出vmax=130m/s。加速度a=vt=130×10.2≈0.17m/s2。安全系數(shù)μ=2，即F=（f+ma）×μ=（0+5×0.17）2=1.7N，得到m≈0.17kg。 代入數(shù)據(jù)得，負(fù)載慣量J=mD24=9.95kg·mm2=0.0995 kg·cm2， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.09955=0.0199kg·cm2=19.9 g·cm2<480 g·cm2。 2.計(jì)算轉(zhuǎn)矩匹配問題 轉(zhuǎn)矩公式為 T=F·r (4-7) 其中，r——小齒輪分度圓半徑, r=D/2; F——力，F(xiàn)=1.7N。 代入數(shù)據(jù)得，轉(zhuǎn)矩T =1.7×15.3/2≈13.6 N·mm=1.36 N·cm<2.0 N·cm 由此可見，滿足條件。 根據(jù)57HB64HK20-304減速步進(jìn)電機(jī)的矩頻曲線圖，可知，當(dāng)力矩M為1.9 N·m時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為10r/min,則輸出功率P=M·2πf=1.9×2×3.14×10/60≈20W。 4.4齒輪齒條的計(jì)算 1.齒輪種類、齒輪精度、制造材料以及齒輪齒數(shù)的選擇 （1）選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合。直齒圓柱齒輪與直齒齒條在進(jìn)行嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)行平穩(wěn)性會(huì)受到結(jié)構(gòu)影響而下降，對(duì)齒輪造成較大磨損且會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行噪音；而斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條在嚙合時(shí)具有更大的重合度，有較小的噪音與碰撞，傳動(dòng)也更加平穩(wěn)。因此，經(jīng)過多方對(duì)比，決定本研究選用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條。 （2）通過查閱手冊(cè)可知，當(dāng)工作機(jī)器為農(nóng)用機(jī)器時(shí)，應(yīng)選擇的精度在8-11之間。因此，選用8級(jí)精度。 （3）齒輪制造材料選擇。小齒輪的制造材料確定為16Mn45(滲碳淬火)硬度在54-62HRC之間。齒條的制造材料為45#(表面淬火)硬度為56HRC。 （4）初選小齒輪的齒數(shù)z1=6。齒輪齒條機(jī)構(gòu)中的齒條濟(jì)源半徑是無(wú)限大，即齒條是齒數(shù)趨于無(wú)窮大的齒輪，因此，齒條齒數(shù)z2=∞ （5）初選螺旋角β=12°，壓力角α=20°，齒輪轉(zhuǎn)速n1=10r/min。 （6）假定工作壽命為5年（設(shè)每年工作280天），每天工作8小時(shí)。 2.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪轉(zhuǎn)速n1=10r/min （1）通過設(shè)計(jì)計(jì)算公式試算齒輪分度圓直徑，即 d1t≥32KHtT1Φdu+1u（ZHZEZεZβ[σH]）2 (4-8) 式中，KHt——載荷系數(shù)，KHt在1.2-1.4之間，試選KHt=1.2； ZH ——區(qū)域系數(shù)； Zε ——接觸疲勞強(qiáng)度用重合系數(shù)； Zβ ——螺旋角系數(shù)； T——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩； [σH]——接觸疲勞許用應(yīng)力。 1）計(jì)算區(qū)域系數(shù)ZH ZH=2cosβbcosαtsinαt (4-9) 式中， αt——端面壓力角， αt=arctantanαncosβ (4-10) 即 αt= arctantan20°cos12°=arctan0.37=20.3° βb——基圓螺旋角， βb=arctan?(tanβcosαt) (4-11) 即 βb=arctan(tan12°×cos12°)=arctan(0.1997)=11.3° 代入數(shù)據(jù)得，ZH=2.44 2）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度用重合系數(shù)Zε Zε=4?εα31?εβ+εβεα （4-12） 式中，εα——斜齒端面重合度， εα=z1tanαt1?tanαt+z2（tanαt2?tanαt）2π (4-13) 其中， αt1=arccosz1cosαtz1+2?an?cosβ=arccos6×cos20.3°6+2×1×cos12°=44.987° αt2=arccosz2cosαtz2+2?an?cosβ=arccos∞×cos20.3°∞+2×1×cos12°=20.3° 即， εα==6×tan44.987°?tan20.3°+∞×tan20.3°?tan20.3°）2π=0.6 εβ ——軸向重合度， εβ=Φdz1tanβπ (4-14) 其中，Φd——齒寬系數(shù)，通過查表可知Φd的取值范圍是0.4-0.6，本設(shè)計(jì)選Φd=0.5， 即， εβ=0.5×6×tan12°π=0.2 代入數(shù)據(jù)得， Zε =4?0.631?0.2+0.20.6=1.24=1.11 3）螺旋角系數(shù)Zβ為 Zβ=cosβ=cos12°=0.989 (4-15) 4）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T 為 T=9.55×106×Pn1 (4-16) 式中，P——輸出功率，P=20W=0.02KW n1 ——齒輪轉(zhuǎn)速，n1=10r/min 代入數(shù)據(jù)得，T=19100N·mm 5）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 [σH]=KHNσHlim1S (4-17) 式中，σHlim1——齒輪接觸疲勞極限，σHlim1=1500Mpa； S——安全系數(shù)，取失效概率為1%，S=1； KHN——接觸疲勞壽命系數(shù)，根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jL?=60×10×1×（5×280×8×2）=1.344×107， 在圖中查得KHN=1.3。 代入數(shù)據(jù)得，[σH]=KHNσHlim1S=1.3×15001=1950Mpa。 因此，試算出的齒輪分度圓直徑為 d1t≥32×1.2×191000.5∞6+1∞62.44×180×1.11×0.98919502≈15.7mm （2）調(diào)整齒輪分度圓直徑 d1H=d1t3KHKHt (4-18) 式中，KHt——載荷系數(shù)， KHt=1.2； KH——實(shí)際載荷系數(shù)， KH=KAKvKHαKHβ (4-19) 其中，KA——使用系數(shù)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)且載荷狀態(tài)為均勻平穩(wěn)時(shí)，查表可知KA=1； KHβ——齒向載荷分布系數(shù)，通過查表可得到接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)KHβ =1.15； Kv——?jiǎng)虞d系數(shù)，圓周速度v為 v=πd1tn160×1000=π×15.7×1060×1000=0.008m/s， 齒寬b為 b=Φdd1t=0.5×15.7=7.85mm， 因此，可根據(jù)圓周速度v和8級(jí)精度，在圖 動(dòng)載系數(shù)Kv中查得Kv=1； KHα——齒間載荷分配系數(shù)，根據(jù)齒輪的圓周力Ft1為 Ft1=2T1/d1t=2×19100/15.7=2433N, KAFt1b=1×2433/7.85=309.95N/mm>100N/mm, 當(dāng)精度等級(jí)為8級(jí)，查表可知斜齒圓柱齒輪的KHα=1.4。 代入數(shù)據(jù)得，載荷系數(shù)KH=KAKvKHαKHβ=1×1×1.4×1.15=1.61。 因此，計(jì)算按實(shí)際載荷系數(shù)得出的分度圓直徑為 d1H =15.7×31.611.2=17.31mm； 對(duì)應(yīng)的齒輪模數(shù)為 mnH=d1Hcosβ/z1=17.31×cos12°/6=2.82mm 3.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 （1）試算齒輪模數(shù)，即 mnt≥32KFtT1YεYβCOSβ2Φdz12 YFS[σF] (4-20) 式中，KFt——載荷系數(shù)，KFt在1.2-1.4之間，試選KFt=1.2； Yε——彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)； Yβ——彎曲疲勞強(qiáng)度的螺旋角系數(shù)； YFS——復(fù)合齒數(shù)系數(shù)； [σF]——彎曲疲勞許用應(yīng)力。 1) 計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)Yε。 εαv= εαcosβb2 = 0.6cos11.3°2 = 0.62 Yε =0.25+0.75εαv=0.25+0.750.62=1.46 2) 計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的螺旋角系數(shù) Yβ Yβ=1-εββ120°=1-0.2×12°120° =0.98 3）計(jì)算YFS[σF] 其中，YFS——復(fù)合齒數(shù)系數(shù)，YFS=3.32 [σF]——彎曲疲勞許用應(yīng)力， [σF]=KFNσflim1S (4-21) 式中，KFN——彎曲疲勞壽命系數(shù)，由圖可得KFN=1.32 σFlim1——小齒輪的齒根彎曲疲勞極限，由圖可查得σFlim1=500Mpa S——彎曲疲勞安全系數(shù)，S=1.4 代入數(shù)據(jù)得， [σF]=1.32×5001.4=660 Mpa，YFS[σF] =3.32660=0.00664 因此， mnt≥32×1.2×19100×1.46×0.98×cos12°20.5×62×0.00664 =2.6 （2）調(diào)整齒輪模數(shù) mnF=mnt3KFKFt (4-22) 式中，KFt——載荷系數(shù)，KFt在1.2-1.4之間，試選KFt=1.2； KF——載荷系數(shù)， KF=KAKvKFαKFβ (4-23) 其中，KA——使用系數(shù)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)且載荷狀態(tài)為均勻平穩(wěn)時(shí)，查表可得KA=1； Kv——?jiǎng)虞d系數(shù)； KFα——齒間載荷分配系數(shù)； KFβ——齒向載荷分布系數(shù)，查表可得KFβ=1.15。 1）計(jì)算動(dòng)載系數(shù)Kv，圓周速度v為 v=πd1n160×1000 (4-24) 式中，n1 ——齒輪轉(zhuǎn)速，n1=10r/min； d1——試算分度圓直徑， d1=mntz1cosβ=2.6×6cos12°=15.95mm 因此， v=π×15.95×1060×1000=0.00835m/s 齒寬b為 b=Φdd1t=0.5×15.95=7.975mm 寬高比b/h，其中， h=(2?an?+cn?) mnt =(2×1+0.25)×2.6=5.85mm 可得， b/h=7.975/5.85=1.36 根據(jù)圓周速度v=0.00835m/s和8級(jí)精度，在圖中查得Kv=0.4。 2）計(jì)算齒間載荷分配系數(shù)KFα 齒輪的圓周力Ft1為 Ft1=2T1/d1t=2×19100/15.95=2394.98N KAFt1b=1×2394.98/7.975=300.3N/mm>100N/mm 查表可知當(dāng)精度等級(jí)為8級(jí)，斜齒圓柱齒輪的KFα=1.4。 代入數(shù)據(jù)得，載荷系數(shù)KF=KAKvKFαKFβ=1×1.4×0.4×1.15=0.644。 因此，按實(shí)際載荷系數(shù)求得的齒輪模數(shù)為 mnF=2.6×30.6441.2=2.11mm 取mn=2.5mm。 4.齒輪參數(shù) 齒輪齒數(shù)z1=6，模數(shù)mn=2.5mm，螺旋角β=12°，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)?a?=1，頂隙系數(shù)cn?=0.25 根據(jù)最小變位系數(shù)計(jì)算公式 Xmin≥?a?-zsinα22cosβ3 (4-25) 可得，Xmin≥0.6，則取變位系數(shù)為Xn=0.6。 齒頂高 ha=mn(?an?+Xn)=2.5×(1+0.6)=4mm (4-26) 齒根高 hf=mn(?an?+cn??Xn)=2.5×(1+0.25?0.6)=3.125mm(4-27) 齒高 h= ha+hf=4+1.625=5.625mm (4-28) 分度圓直徑 d1=mnz1cosβ=2.5×6/cos12°=15.3mm (4-29) 齒頂圓直徑 da=d1+2ha=15.3+2×4=23.3mm (4-30) 齒根圓直徑 df=d1-2hf=15.3-2×1.625=12.05mm (4-31) 基圓直徑 db=d1 cosα=15.3×cos20°=14mm (4-32) 5.齒條計(jì)算 齒輪中心到齒條基準(zhǔn)線的距離 H=d12+Xnmn=15.3/2+0.6×2.5=9.15mm (4-33) 齒條直線運(yùn)動(dòng)的速度 v=πdn60=π×15.3×1060=8mm/s (4-34) 齒條模數(shù) mn=2.5mm 試算齒條長(zhǎng)度 L=4πd1=4×3.14×15.3=192.168mm (4-35) 則齒條齒距 Pn=πm=3.14×2.5=7.85mm (4-36) 齒條齒數(shù) z2=L/Pn+0.5=192.168/7.85+0.5=24.98≈25 (4-37) 進(jìn)而可得出實(shí)際齒條長(zhǎng)度 L1=z2Pn=25×7.85=196.25mm (4-38) 取齒條長(zhǎng)度為200mm。 6．齒條參數(shù) 齒條齒數(shù)z2=25，模數(shù)m=2.5mm，齒條長(zhǎng)度L=200mm 齒條的齒形角等于齒輪分度圓壓力角等于嚙合角α'=20° 變形系數(shù)Xn=0，齒頂高系數(shù)?a?=1，頂隙系數(shù)cn?=0.25 齒條齒頂高 ?a2=?a?m=2.5×1=2.5mm （4-39） 齒根高 ?f2=m(?an?+cn??Xn)=2.5×(1+0.25?0)=3.125mm（4-40） 齒高 h= ?a2+?f2=2.5+3.125=5.625mm （4-41） 齒條齒寬 b2=Φdd1=0.5×15.3=7.65mm （4-42） 取b2=10mm。 3.5其余桿長(zhǎng)的確定 根據(jù)小車的整體尺寸與轉(zhuǎn)向要求確定其余桿長(zhǎng)參數(shù)：轉(zhuǎn)向節(jié)臂為65mm，轉(zhuǎn)向直拉桿為310.3mm。 5 并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及空間分析 5.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.結(jié)構(gòu)分析 DELTA并聯(lián)機(jī)器人由兩個(gè)平臺(tái)組成：靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)。為減小主動(dòng)臂的質(zhì)量，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更加具有靈活性，將伺服電機(jī)安裝在靜平臺(tái)。而動(dòng)平臺(tái)的下面裝有末端執(zhí)行器。兩個(gè)平臺(tái)之間通過3條完全相同的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，每條運(yùn)動(dòng)鏈中有一個(gè)由4個(gè)球鉸與2個(gè)從動(dòng)臂組成的平行四邊形閉環(huán)，此閉環(huán)與主動(dòng)臂相連，主動(dòng)臂與靜平臺(tái)之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接[18]。 圖中：1 靜平臺(tái)、2 伺服電機(jī)、3 主動(dòng)臂、4攝像頭、5 運(yùn)動(dòng)鏈、6 伸縮桿、7 靜平臺(tái) 2.自由度計(jì)算 根據(jù)Kutzbach Grubler公式[16]，即 F=6(n-g-1)+i=1gfi （4-43） 式中，g——總運(yùn)動(dòng)副數(shù)，g=15； N——總構(gòu)件，n=11； fi——第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度數(shù)，其中球面副數(shù)為12，球面副的自由度數(shù)為3；轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)為3，轉(zhuǎn)動(dòng)副的自由度數(shù)為1，此外，還有6個(gè)冗余自由度。 代入數(shù)據(jù)得，自由度F=6×（11-15-1）+3×12+1×3-6=3。因此，該形式DELTA并聯(lián)機(jī)器人具有3個(gè)平移自由度，消除了旋轉(zhuǎn)自由度，使得機(jī)構(gòu)工作空間擴(kuò)大，運(yùn)動(dòng)奇異點(diǎn)削減。 3.參數(shù)定義 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，可將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，如圖所示。其中，主動(dòng)臂AiBi用la表示；從動(dòng)臂BiCi用lb表示；電機(jī)主動(dòng)臂對(duì)靜平臺(tái)的張角用θi表示；靜平臺(tái)各頂點(diǎn)到靜坐標(biāo)系原點(diǎn)O的長(zhǎng)度用R表示；動(dòng)平臺(tái)各頂點(diǎn)到動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O?的長(zhǎng)度用r表示；動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于靜坐標(biāo)系的位置矢量用[x y z]T表示。 4.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 假設(shè)靜坐標(biāo)系原點(diǎn)O與靜平臺(tái)各頂點(diǎn) Ai的連線|OAi|到靜坐標(biāo)系X軸的角度為ηi，根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系，可得到 ηi=4i?36π (i=1,2,3) （4-44） 將ηi代入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 [R+lasinθi?rcosηi?x]2+[R+lasinθi?rsinηi?y]2+?lacosθi?z2=lb2 （4-45） 整理可得到x、y關(guān)于z的表達(dá)式， 即 x=E1z+F1y=E2z+F2 （4-46） 其中， E1=B13C23?B23C13A2B13?A1B23 （4-47） F1=B13D2?B23D1A2B13?A1B23 （4-48） E2=A2C13?A1C23A2B13?A1B23 （4-49） F2=A2D1?A1D2A2B13?A1B23 （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+C12?B32?C32) （4-55） D2=12(A22+B22+C22?B32?C32) （4-56） A1=32(R+lasinθ1?r) （4-57） B1 =12(R+lasinθ1?r) （4-58） C1=la cosθ1 （4-59） A2=32(R+lasinθ2?r) （4-60） B2=12(R+lasinθ2?r) （4-61） C2=la cosθ2 （4-62） A3=1 （4-63） B3=R+lasinθ3?r （4-64） C3=la cosθ3 （4-65） z=?b?b2?4ac2a （4-66） 5.參數(shù)確定 并聯(lián)結(jié)構(gòu)各部件尺寸的大小直接決定執(zhí)行器末端的工作區(qū)域范圍?，F(xiàn)給定并聯(lián)機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)如下：主動(dòng)臂轉(zhuǎn)角θi的變化范圍是3°-112.6°，主動(dòng)臂la=300mm；從動(dòng)臂lb=700mm；