温室采摘车的机电一体化设计毕业作品.docx
- 文档编号:20130275
- 上传时间:2023-04-25
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:392.13KB
温室采摘车的机电一体化设计毕业作品.docx
《温室采摘车的机电一体化设计毕业作品.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《温室采摘车的机电一体化设计毕业作品.docx(37页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
温室采摘车的机电一体化设计毕业作品
毕-设
业-计
(二零届)
温室采摘车的机电一体化设计
所在学院
专业班级机械设计制造及自动化
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
在21世纪飞快的生活节奏中,人们对生活高科技的追求已经达到了一个很高的程度。
果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节,其成本高、季节性强。
本文针对人工采摘高度不满足温室农业生产要求而带来的问题,设计一辆适用于温室的采摘车。
详细介绍了温室采摘车原动部分、传动部分、工作部分、液压系统和自动控制系统等的设计过程和方法。
设计的温室采摘车采用蓄电池为动力源,以电动机作为原动机,通过链传动方式实现采摘车的纵向行驶,采用四杆机构实现采摘车的横向行驶与纵向行驶的切换。
通过液压缸驱动液压剪叉机构升降,来实现工作台的举升。
采摘车具有操作方便、价格实惠、结构紧凑的特点,在农业生产中具有较高的实用价值。
关键词温室;果蔬;采摘车;液压系统
Mechanicalandelectricalintegrationdesign
ofgreenhousepickingtruck
Abstract
Withthepaceoflifegettingfasterinthe21stcentury,people’spursuiton advancedtechnology usedindailylifehasreacheda veryhigh degree.Fruitandvegetablepicking in agriculturalproduction is themost time-consuming process, whichishighcostand seasondependent.Aimingattheproblemthatmanualpickingheightisnotenough foragricultural productioningreenhouse, thispaperproposedadesignofpickingtruckusedingreenhouse.Thedesignmethodofdrivingsystem,motiontransferringsystem,manipulator,hydraulicsystemandcontrolsystemofgreenhousepickingtruckisillustratedindetail.
Batteryisusedaspowersourceofthegreenhousepickingtruck.Anelectricmotor isadoptedas drivingunit.Themotionistransferredfromelectricmotortoaxleonframethrough rollerchain.Afour-barlinkageisusedtoswitchtheverticalmovementandhorizontalmovementofgreenhousepickingvehicle.Ahydrauliccylinder drives asetofscissors tomakethepickingtablerisingandfalling.Picking truck is easytooperate, affordableandcompact, thusithasahigh practicalvalueinagriculturalproduction.
Keywords:
greenhouse;fruitandvegetable;pickingtruck;hydraulicsystem
第1章绪论
1.1本课题的背景
果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节,其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。
但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因,使得能够从事农业生产的劳动力越来越少,单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。
随着电子技术和计算机技术的发展,智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。
尤其是农业机器人的应用,更是如雨后春笋般的迅速兴起,农业采摘机器人是21世纪精准农业的重要装备之一。
采摘机器人是一类针对水果和蔬菜,可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收割系统,是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学,涉及机械结构、机械运动学、动力学、控制技术等多方面的学科领域知识。
果蔬收获属于一类劳动密集型工作,在很多国家,由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏,劳动力不仅成本高.而且还不容易得到,而人工收获的成本在果蔬的整个生产成本中所占的比例高达33~50%,因此实现果蔬采摘的机械化变得越来越迫切。
1.2本课题的研究意义
果蔬采摘的机械化作业最早可以追溯到上个世纪六十年代,但由于简单的机械收获易造成果蔬损伤,因此在收获柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性;而且果蔬收获往往需要有选择性地进行,此外市场对果蔬的新鲜度也有很高的要求,这就要求果蔬的收获要有很高的时效性。
因此,在果蔬收获中采用机器人作业,实现果蔬收获的自动化和智能化,是解决上述问题的最好方式。
研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质,以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。
但当时开发的收获机器人样机只能算是半自动化的收获机械。
随着计算机图像处理技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟,日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利、以色列、西班牙等国家在采摘机器人的研究上做了大量研究工作,并且试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人。
但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性,目前市场上仍没有商品化的采摘机器人。
1.3国内外相关研究的最新成果和动态
1.3.1国外的研究状况
1)甜瓜收获机器人
以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人。
该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上,采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位,并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。
经过2个季节和2个品种的田间试验证明,甜瓜采摘机器人可以完成85%以上的田间甜瓜的识别和采摘工作。
2)苹果收获机器人
韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人,具有4个自由度,包括3个旋转关节和1个移动关节。
采用三指夹持器作为末端执行器,内有压力传感器避免损伤苹果。
利用CCD摄像机和光电传感器识别果实,从树冠外部识别苹果的识别率达85%,速度达5个/s。
该机器人无法绕过障碍物摘取苹果;对于叶茎完全遮盖的苹果,也没有给出识别和采摘的解决方法,如图1.1所示苹果收获机器人。
图1.1苹果收获机器人
1.3.2国内研究状况
国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚。
但不少院校、研究所都在进行采摘车和智能农业机械相关的研究。
在国内,果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。
东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘车,主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。
采摘时,机器人停在距离母树3~5m处,然后单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度,采摘爪张开并摆动,对准要采集的树枝,大小臂同时运动,使采摘爪沿着树枝生长方向趋近1.52m,然后采摘爪的梳齿夹拢果枝,大小臂带动采集爪按原路向后返回,梳下枝上的球果,完成一次采摘。
这种机器人的效率是人工采摘的30—50倍,而且,采摘时对母树的破坏较小,采净率高。
另外,曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论,开发了草莓拣选机器人,采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。
云山等研究了蘑菇采摘机器人。
该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、三自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。
计算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息,并且引导机器手准确抵达待采摘蘑菇的中心位置,防止对不准,以致影响吸盘的密封,造成抓取失败或损伤蘑菇的现象。
中国农业大学张铁中等在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果蔬采摘机器人方面做了较深入地研究,研制出了试验样机。
1.4研究内容和方法
由前面的分析可知,由于果蔬采摘车具有工作环境复杂多变、作业对象随机分布、果实个体差异明显,以及果实柔软易损等特点,而且农业生产利润又较低,因此,完全沿用或照搬工业机器人的技术或研究思路并不可行。
果蔬采摘车的结构要更加简单、操作性必须要更好、可靠性必须要更高。
这些特点,都对果蔬采摘车的研究提出了更高的要求。
1.4.1主要研究内容
根据对国外果蔬采摘车研究进展的全面分析,确定本论文的主要研究内容如下:
采摘车的研究在满足作业性能的情况下,结构须尽可能简单、紧凑、轻巧和可靠。
从采摘车需满足的条件入手,依次对各部分结构做必要的设计,最终根据计算、选型来确定采摘车的总体构造方案。
本论文对采摘车的各项相关技术进行较为深入的研究,为采摘车的进一步产业化,以及其它类型果蔬采摘车的研究和开发提供理论基础和关键技术支撑。
1.4.2研究方法
根据我国温室果蔬的实际生产情况,利用现代设计技术、现代制造技术及优化技术,首先从采摘车的原动部分、传动部分着手,根据相应的计算,然后结合市场上的实际情况来确定选型,工作部分结合设计需满足的要求来确定升降方法和行走系统的设计,其次就是针对工作台实现升降来确定动力源,最后就是对于控制部分进行选型。
1.4.3研究难点
采摘车是一类工作于非结构环境中的典型的复杂光机电一体化产品,需要涉及多门学科的知识。
一辆采摘车必须具备下述特征:
1、为了能在温室环境中行走,采摘车必须紧凑,转弯灵活;2、需实现采摘车的正反向移动,工作台升降的实现方式;3、成本应比较低。
1.4.4预期达到的目标
本文根据需求设计一辆采摘车,它可以实现在温室中行间自由灵活穿梭,同时实现正反向行驶,采摘车可以通过液压驱动装置实现连续升降来满足不同的采摘高度,这样节省了大量的人工、时间,并且整个装置能平稳的完成负载任务,免去了因人工采摘上下带来的不便。
第2章温室采摘车的总体设计
2.1温室采摘车的主要设计要求
所设计的采摘车是在温室中工作的,由于环境条件限制,采摘车行走路径和道路宽度、高度等都有具体要求和固定数据,该采摘车设计的主要要求如下:
(1)采摘车沿纵向轨道前进和后退行驶时,应实现无级调速;
(2)横向行走机构独立于纵向行走机构,通过手动操作实现横向行走;
(3)升降平台可实现平稳、连续地垂直升降,最大可采摘3m高度的果实;
(4)操作人员既可在采摘车上对采摘车进行纵向行走、垂直升降等控制,也可在车体外的一定范围内对采摘车进行遥控。
(5)采摘车装载量:
200kg.
2.2温室采摘车的总体设计
根据采摘车的功能、设计参数和运动要求,确定其组成包括:
原动部分、传动部分、工作部分、液压系统和控制系统,并应实现无级调速、纵横向行走、工作平台自动升降等功能。
采摘车的基本组成如图2.l所示。
图2.1采摘车的构成
(1)原动部分和传动部分设计
由于采摘车主要工作于温室大棚内,若采用固定电源。
在不同位置作业时将需要大量的电缆追随,限制其工作范围和行走路径。
为了便于工作,在设计该采摘车时采用蓄电池作为自带动力源,选择电动机为原动机。
动力的传递采用链传动机构完成。
(2)底盘车架
底盘车架为采摘机械承重主体,上面应安装纵向行走机构和横向行走机构。
通过操作来实现采摘车纵向正、反向行走或横向(与纵向垂直方向)沿硬地面行走,实现行间采摘,移行作业。
采摘车是在水泥地面上行走,行走阻力相对较小,所以行走部分采用轮式结构。
(3)采摘车的举升系统
综合本课题的设计需求,抬升高度3米左右、载荷重量300公斤不是很高,造价要求低廉,考虑到液压剪叉式升降平台能充分满足载人高空作业,将其用在温室采摘中安全可靠,所以采用它。
(4)采摘车的工作台
工作平台直接与载荷接触,操作人员站在工作平台上采摘果实,并且在工作平台上需要布置操作面板、电路控制柜等物品,所以工作平台要求结构安全可靠。
(5)采摘车的液压系统
采摘车工作台的升降采用液力传动,其中液压动力包为动力源,液压缸为执行元件。
液压动力包是一种用螺纹插装阀块把电机、泵、阀、油箱紧凑地连接在一起的微型液压动力源。
其体积小、结构紧凑,适用于采摘车这类小型设备。
(6)采摘车的控制系统
控制系统主要需要完成采摘车纵向方向的行驶功能,液压升降台的上升下降功能通过无线遥控实现。
考虑到成本要求,采用了操纵简单方便,价格较低的继电器逻辑控制作为温室采摘车的电气控制系统,并且要使采摘车的纵向行驶速度在0~30m/min的范围内无级调速。
第3章温室采摘车的原动部分和传动部分设计
3.1蓄电池的选型
经过市场调查,得出:
镍氢、锂离子等高能电池和一些燃料电池重量轻、容量大,但是其价格较高,最便宜的镍氢电池与等容量的普通铅酸电池相比,其价格也高出一倍以上,而且充电技术更为复杂。
考虑到温室采摘车的用户为普通农民或农业经营者,力求价格低廉使用可靠方便,所以选择普通铅酸免维护蓄电池为采摘车的动力源。
3.2温室采摘车的原动部分和传动部分选型设计
3.2.1温室采摘车的原动部分和传动部分选型设计
由于温室采摘车主要工作于温室大棚内,有一定的重量,且设计任务要求温室采摘车行驶速度为0~30m/min,若采用人力驱动,远远不能满足设计要求。
所以选择电动机为原动机驱动温室采摘车纵向行驶。
由于蓄电池输出的为直流电压,所以电动机须定为直流电动机。
又由于设计任务要求纵向行驶过程中速度可以无级调节,经过市场调研,发现实现无级调速总的来说有如下两种方案:
方案l是配合电子式无级凋速器(即驱动器),使用普通直流电动机;方案2是在普通直流电机上加机械式无级调速器。
两种方案比较见表3.1。
表3.1常见直流电动机实现无级调速方案比较
方案1
方案2
实现方式
通过电子方式调节直流电动机两端电压,使电动机在某一转速范围内实现武技调速
在直流电动机外套配机械式减速装置,在开机时可由手轮正反转进行任意调速
优点
电机在整个调速范围内运行平稳,调速范围内,从电机的始动电压可以调到额定电压,调速器体积小、重量轻、调速方便
调速精度高不容易变动,机械调速装置在一定程度上可搭配小型减速机做速度变换
缺点
效率低
调速方式操作不便,调速装置体积相对庞大
适用场合
广泛用于电瓶供电或直流供电的野外作业以及抵押自动控制场合
调速次数不频繁,操作空间足够大
价格
500—1000元
300—600元
通过表3.1中的比较,可以看出电子式无级调速方案虽然比纯机械式无级调速方案价格稍贵,但由于为了安全美观,电动机被安装在采摘车罩一个几乎封闭的机壳内,不易操作,且要求在采摘车行驶过程中快速频繁调速,而纯机械调速方式只能在每次电动机启动前进行调速,在电动机旋转过程中无法进行调速。
所以按照使用要求,选择电子式无级调速器配套普通直流电动机实现采摘车的无级调速功能。
3.2.2传动机构选型设计
在机械结构中,常用的传动类型有带传动、链传动、齿轮传动以及蜗杆传动。
链传动的特点:
①和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;②能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;③和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;④传递效率较高,一般可达0.95~0.97;⑤链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;⑥安装和维修要求较高,链轮材料一般是结构钢等。
由于采摘车工作空间较为狭小,要求采摘车整体精简,安全可靠,成本低廉等,且可用在低速重载有冲击振动的工作条件下,因此行走传动机构选用链传动。
3.3温室采摘车原动部分及传动部分参数计算
3.3.1温室采摘车纵向行驶机构的选型
目前常用的移动式行走机构有3种:
即车轮式、履带式和模拟人的行走结构.车轮式行走机构转弯半径小,转向灵活,缺点是对于复杂地形抓地力不够;履带式行走机构适应性较强,但由于其转弯半径过大,转向不灵活。
采摘车的行走环境是水泥地面。
而且要求在植物通道之间转向,本设计选用的是轮式行走机构。
3.3.2电动机功率的计算
采摘车由静止到启动,电动机所需要克服的静摩擦阻力F最大,根据采摘车的行走方式,阻力主要由车轮与地面的静摩擦阻力构成。
静摩擦阻力公式为
F=fG(3-1)
式中,f为滑动静摩擦系数;
G为负载机械的重力(N)。
车轮与硬地面材质问的滑动静摩擦系数是0.3,采摘车的最大载重量200公斤,假设自重为300公斤,则负载机械的全部重量为500公斤。
则负载机械的最大静摩擦阻力为:
F=fG=0.3×500×10=1500(N)
其负载机械所需输入功率为:
P=FV/1000/η(3-2)
式中,P—最大输入功率(Kw);
V—机械的线速度(m/s);
F—负载机械的最大静摩擦阻力(N);
η—负载机械总的传动效率。
电动机与采摘车机构之间是链传动,并且属于齿形链传动,查机械设计手册
可得到机械效率η为O.97。
按照之前计算出的机械的最大静摩擦阻力F=1500N,
按设计要求,负载机械的最大线速度V=0.5m/s,所以,机械的最大输入功率为:
P=FV/1000/η=1500×0.5/1000/0.97=0.77(KW)
根据已计算出的负载机械所需最大输入功率,可以初步选定行驶电动机的额
定功率只需要大于770W。
3.3.3电动机转速的计算
电动机容量(额定功率)一定时,转速越低,电动机尺寸越大、价格越高,效率也较低。
另一方面,若选用高速电动机,虽然电动机的功率得到提高,但需要加机械减速机构,如果电动机速度过高,会加大机械减速机构的传动比,从而导致机械传动部分结构复杂。
按照负载机械转速要求和传动机构的合理传动比范围,可以推算电动机转速
的可选范围。
电动机的转速计算公式:
(3-3)
式中,i—传动机构总传动比;
—负载机械转速(r/min)。
通常限制链传动的传动比i≤6,选取采摘车的链传动的传动比为2,负载机
械转速n’可按采摘车线速度粗略推算得到。
负载机械转速计算公式为:
=60V/(πd)(3-4)
式中,V—负载机械的线速度(m/s);
d—采摘车车轮直径,已知d=150mm。
所以,
=60V/(πd)=64(r/min)
由于选取的采摘车的链传动的传动比n=2,由式(3-3)可计算出电动机的
最大转速是:
n=i
=2×64=128(r/min)
3.3.4电动机扭矩的计算
电动机扭矩为:
T=P×9.55/n≥770×9.55/128=57.4(N·m)。
综上考虑,行驶电动机需选择为普通直流电动机,配套电子式无级调速器,电动机功率大于770w,转速约为128r/min,扭矩大于等于57.4N·m。
经过市场调查,选择泰安泰山新动力电机有限公司生产的型号为XDL-XX的无刷直流电动机,电动机额定功率为1000W,工作额定电压为24伏。
3.3.5传动方式的参数选择
考虑到采摘车的传动方式已选择了链传动,并且是滚子链传动,又因为我国主要适用A系列滚子链传动的设计,又依据设计的链轮大小,通过计算得到节距大小范围,因此选择08A型滚子,链条滚子直径是7.92mm,节距p=12.7mm。
设定电动机链轮齿数
=13,主动轮轴上的大链轮齿数
=26,初选中心距
=(30-50)p,两链轮之间的中心距
=240mm,所以滚子链链节数为:
Lp=
=57.52
由于当链节数为奇数时,在链条接头处需采用过渡链节,过渡链节的链板要受附加弯矩的作用,所以一般情况下不使用奇数链节。
当链节数为偶数时,接头处可用开口销或弹簧卡片固定。
因此,选择链节数为58的08A型滚子链,其链条长度L为:
L=
=730.5mm
3.4蓄电池的容量选择
容量和寿命是衡量蓄电池的主要指标,容量一般以放电电流大小(A)和能放电的时间(h)之积(Ah)安培小时表示,称为安时,这表明蓄电池储备能量的能力。
数值越大,则存储的电量就越多。
根据选择的行驶电动机的额定功率和额定电压大小,可以计算出电动机的额
定工作电流为42安。
按照上述蓄电池容量计算方法,假设当采摘车行驶电动机连续工作每6小时之后进行充电,则蓄电池容量至少需要250Ah。
如果考虑到液压系统的电动机,则上述250Ah容量的蓄电池能保证两台电动机连续工作3小时后再进行充电。
另外,一般一只蓄电池可提供的电压为12伏,所以采摘车中需要将两只12伏,容量为250Ah的蓄电池串联形成电池组使用。
3.5减速器的选择
根据传动比,通过计算比较电动机的转速,选择三级圆柱齿轮减速器可以满足转速在128r/min的要求。
第4章温室采摘车工作部分的设计
4.1工作部分的设计要求
温室采摘车的工作部分分为底盘车架、行走系统、举升系统以及工作平台。
底盘车身为采摘车承重主体,它下面装有电驱动和人力驱动行走部分,通过变换驱动方式,可实现纵向沿导轨电驱动采摘车正、反向行走或横向(与纵向垂直方
向)人力驱动沿硬地面(如混凝土路面)行走,以实现行间采摘,移行或运输作业。
工作平台可以承载采摘员和收获物等载荷。
温室采摘车的工作部分需要完成以下功能:
(1)采摘车能够沿地面轨道纵向前进和后退行驶;
(2)能够依靠横向行走机构人工完成通道的转换;
(3)采摘车的工作平台可以实现垂直升降,平台最大举升高度达到3m,并可在一定范围内调整其高度来适应不同的采摘高度;
(4)当采摘载重量最高负荷达到200kg时,采摘车的纵向行驶功能和垂直升降功能可以正常工作。
4.2行走系统的设计
4.2.1行走系统的设计要求
因为考虑到果实的植株的固定的,所以要让采摘车实现移动来完成果实的采摘工作,因此就会要求温室采摘车具备自动行走的功能。
根据具体的温室作业环境,要求采摘车能够实现沿地面轨道纵向前进和后退行驶。
另外,在温室采摘车的设计内容中明确要求当采摘车在一个通道内完成作业
后需要移动到与此通道平行的另一个通道作业时,依靠横向行走机构完成通道的转换,横向行走机构独立于纵向行走机构。
本节分纵向行走系统和横向行走系统两个方面介绍具体的设计过程。
4.2.2纵向行走系统的设计
温室采摘车纵向行驶的技术指标是采摘车沿地面轨道纵向前进和后退行驶,由第3章的分析已知车轮式的行走机构转弯半径小,转向灵活,采摘车的行走环境是水泥地面,本设计选用的是轮式行走机构。
可实现无级调速并可刹车,不需爬坡,车速范围为0-30m/min,所以纵向行走驱动装置选择的是无级调速电动机,通过链传动将动力传递到采摘车的驱动轴,驱动轴带动驱动车轮转动,进而带动从动轮转动,从而实现采摘车的纵向前进、后退运动。
4.2.3横向行走系统的设计
因为采摘车在温室中转换工作通道时,需要横向移动,温室内两通道间距比较小,为了实现简单方便,简单可靠,尽量降低加工成本,所以横向行走机构采用了一种四连杆机构。
横向行走的具体结构是:
支撑板B焊接在传动轴上,滚轮通过双头螺柱与支撑板B联接,或者通过横向行走固定架直接与底盘车架联接,滚轮之间用连板B
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 温室 采摘 机电 一体化 设计 毕业 作品