自動剪枝機(jī)設(shè)計

摘要配營養(yǎng)、防止大小年結(jié)果以及控制樹勢(吳良軍等2018)。我國地域遼闊，地形復(fù)雜，果2019)。近年來，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，進(jìn)城務(wù)工的青壯年不斷增多(廖文梅等2019),由人工逐個確定修剪的枝條。整株幾何修剪是指在驅(qū)動地盤上安裝可以移動的外伸作業(yè)作原理圖和實(shí)物圖如圖1-1所示。圖1-1圓盤鋸式修剪機(jī)圖1-2單枝修枝機(jī)1.3論文的主要工作安排2灌木剪枝機(jī)的總體設(shè)計2.1灌木剪枝機(jī)的剪枝原理灌木剪枝機(jī)整機(jī)可以分為三部分：切割器(刀具)、傳動系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。切割器是連桿機(jī)架滑動導(dǎo)軌圖2-1剪枝機(jī)的工作原理圖2.2灌木剪枝機(jī)的驅(qū)動類型2.3灌木剪枝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計2.4灌木剪枝刀具類型選擇要求由于我們本次所設(shè)計的剪枝機(jī)屬于一種小型手提式的剪枝機(jī)，所以采用往復(fù)式的切割器較為合適，這是其具有體積小、功耗小、成本低。往復(fù)式刀具的結(jié)構(gòu)形式如圖2-2所示。(1)滑動導(dǎo)軌(2)動刀片(3)靜刀片(4)支撐板以上我們確定出來了往復(fù)式的切割器，為了保證我們所設(shè)計的刀具能夠高效的切斷灌木的枝丫，我們還要通過對刀口的受力分析來確定出刀刃刃口的形式。如圖2-3所示，該圖即為刀具在切割過程中的受力簡圖，其中F,F?刀具的兩側(cè)所給樹枝的力，該力可以分別分解為切向力F,和法向力F,法向力F,可以使得樹枝被截斷，而切向力使得樹枝沿刀由公式2-1可以知道，動、定刀片滑切角β和必須小于它們與刀刃法線夾角α,也即由于齒間距比莖稈直徑小很多，等效于像鋸齒一樣，對莖稈進(jìn)行連續(xù)的切割。因此，在此條件下切割，割刀能牢固的鉗住莖稈，且較為省力。參考以往的設(shè)計經(jīng)驗，這里將刀具刀刃法線夾角α設(shè)計為30度。圖2-3受力簡圖3剪枝機(jī)的動力系統(tǒng)設(shè)計3.1動力系統(tǒng)概述3.1.1刀片特性的影響加以綜合考慮。參考市場上類似的產(chǎn)品的刀刃形式，這里將刀刃角確定為30度。刀具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖如圖3-1所示。圖3-1刀具的結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2切削力的確定大，慣性力相應(yīng)會減小，即動刀速度可以降低。切削力可以用如下的公式進(jìn)行計算。如圖3-2所示，該圖為刀具的受力簡圖，由刀具的受力簡圖可以知道切削過程中阻力主要來自于法向力和切向力。以上切割器所受到的阻力與許多因素有關(guān)，比如：莖稈的硬度、莖稈的徑級、莖稈的含水率、莖稈的密度、切割器的運(yùn)動參數(shù)、切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀片的銳利度等。由于以上因素是復(fù)雜多變的，所以這里只能根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)確定出一個大致的值，以一般干濕狀況下的直徑為10毫米的灌木枝徑為例，在鋒利刀片的切斷作用下，切斷所需要的切削力大約為30牛頓。由于刀具可能同時切削多個灌木枝徑所以這里先確定動刀處的切削力為50牛頓來進(jìn)行后續(xù)的計算。圖3-2刀具的受力簡圖3.1.3切割器割刀的平均速度用如下的公式進(jìn)行計算：上式中n為曲軸轉(zhuǎn)速；r為曲軸半徑；3.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計有以上分析可以知道，剪枝機(jī)的動刀片是在做周期性的往復(fù)運(yùn)動的，而電機(jī)是在做高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為了實(shí)現(xiàn)將電機(jī)高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為動刀片的往復(fù)運(yùn)動，這里采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來作為轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)。所以接下的設(shè)計工作就是設(shè)計出合適的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。由于一般的灌木的枝干的直徑不超過30毫米，所以這里可以認(rèn)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程為30毫米。設(shè)滑塊行程為a,a=30毫米。并初選曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)為1.5,導(dǎo)路的偏距設(shè)計為20毫米，設(shè)偏距為e,e=30毫米。接下來根據(jù)壓力角的計算公式3-3計算出該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的極位夾角為θ。θ為極位夾角；將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K=1.5帶入公式3-3中可以得到采用以上初選數(shù)據(jù)所得到的壓力角為36度。當(dāng)確定出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊行程和偏距以及行程速比系數(shù)后即可以采用做圖法設(shè)計曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿長度。3.3電動機(jī)參數(shù)計算接下來討論電機(jī)的選型，我們可以知道的是電動機(jī)是已經(jīng)是相對系列化的產(chǎn)品，我們可以通過查閱相關(guān)手冊就可以的到其有關(guān)數(shù)據(jù)。所以在實(shí)際選擇電機(jī)的時候只要確定出電機(jī)所需功率、轉(zhuǎn)速以及電機(jī)的使用環(huán)境就可以按照有關(guān)選型表格進(jìn)行選型。這里假設(shè)操作人員在進(jìn)行修剪的移動速度為0.1米每秒，也就是說V=0.1M/S,所選用的刀片數(shù)目為15個，也即Z=15。刀片往復(fù)運(yùn)動的速度一般為200次每分鐘，根據(jù)曲柄滑塊的運(yùn)動特點(diǎn)，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速也為200轉(zhuǎn)每分鐘。當(dāng)然有了電機(jī)的計算轉(zhuǎn)速還是不夠的，這里還要估算出的電機(jī)的功率，以為電機(jī)的選型提供一個較為合理的參考。為了計算電機(jī)的功率這里首先計算工作機(jī)所需功率。參閱機(jī)械設(shè)計手冊可以知道功率計算公式：F為刀具處受力數(shù)值；V為刀具處的速度；根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可以知道刀具處受力數(shù)值可以取約50為牛頓，刀具處的速度可以利用如下公式進(jìn)行計算：L為刀具的做工行程長度；T為刀具單次行程的時間；取為刀盤的工行程長度為50毫米。將以上數(shù)據(jù)帶入公式3-6可以得到刀片在切割處的線速度為2米每秒。所需功率P為0.39KW。整個機(jī)器的傳動功率可以用如下公式進(jìn)行計算：上式中：η為帶輪聯(lián)軸器的傳動效率，取為0.96;η,為帶傳動的傳動效率，取為0.98;η?為連桿的連接鉸鏈處的傳動效率，取為0.96將有關(guān)傳動效率數(shù)據(jù)帶入公式3-7可以知道總傳動效率約為0.80。電動機(jī)所需的功率可以用如下公式進(jìn)行計算。將以上所得數(shù)據(jù)帶入到公式3-8可以得到電動機(jī)所需功率為0.487KW。考慮到機(jī)器的工作環(huán)境較為寬松，所以根據(jù)以上數(shù)據(jù)選擇減速電動機(jī)參數(shù)如下：電動電機(jī)額定功率為：0.5kw。電機(jī)滿載輸出轉(zhuǎn)速為：400r/min。3.4帶傳動系統(tǒng)設(shè)計計算(1)帶傳動的特點(diǎn)相對于其他減速機(jī)構(gòu)，帶傳動的剛度小，屬于撓性傳動，具有過載保護(hù)作用，所以我們將帶傳動作為電機(jī)與曲軸的傳動方式較為合適。3.4.2普通V帶傳動設(shè)計(1)帶傳動的具體設(shè)計由上一節(jié)分析可以知道，電機(jī)軸的輸出功率為0.5KW,這里選取安全系數(shù)為1.2?？梢缘玫綆鲃铀枰獋鬟f的功率為0.6KW。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊中有關(guān)V帶選表可以選擇傳動帶的帶型為C型的普通V帶。同時根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊的表格中指出，普通C型帶在進(jìn)行傳動的時候，其小帶輪的基準(zhǔn)直徑不能小于45毫米。這里將帶傳動的小帶輪的基準(zhǔn)直徑選擇為50毫米。又由于以上討論，確定帶傳動的傳動比為二，所以大帶輪的計算公式可以上式中i為傳動比，d為小帶輪的基準(zhǔn)直徑。將數(shù)據(jù)帶入公式3-10可以得到大帶輪的基準(zhǔn)直徑為100毫米。接下來驗算帶速，以便于進(jìn)行下一步選型，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊可知帶傳動帶速的計算公式為：將以上數(shù)據(jù)帶入可以知道小帶輪的線速度為2.1米每秒，小于機(jī)械設(shè)計手冊中限定的5米每秒，所以該選擇是可以使用的。接下來計算帶的基準(zhǔn)長度。由基準(zhǔn)長度的計算公式：上式中：L為帶的基準(zhǔn)長度；d為帶輪的基準(zhǔn)長度；a為初選的中心距；上數(shù)據(jù)帶入公式5-3可以得到帶的基準(zhǔn)長度為960毫米。根據(jù)普通V帶長度系列選型標(biāo)準(zhǔn)，這里選擇V帶的標(biāo)準(zhǔn)長度為1000毫米。然后根據(jù)選取的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)長度重新計算帶輪之間的中心距。根據(jù)公式：上式中：a為實(shí)際中心距；a?為初選中心距；L?為帶的基準(zhǔn)長度；La為帶的初選基準(zhǔn)長度；將以上數(shù)據(jù)帶入到公式3-13可以知道帶輪的實(shí)際中心距為220毫米。由于小帶輪的基準(zhǔn)直徑為50毫米且其帶輪的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)每分鐘，查閱有關(guān)數(shù)據(jù)手冊以及根據(jù)公式3-9可以知道Z型帶在該工作狀況下單根帶所能傳遞的功率約為0.9KW。由于總傳遞功率約為0.5KW,所以這里選擇帶的根數(shù)為1根。4連桿有限元分析4.1有限元方法簡介有限元法也稱為有限元單元法，它是一種求解場問題數(shù)值解的方法。它的主要思想是將一個連續(xù)的、具有無限多個自由度的物體離散成為具有有限個自由度且按一定方式相互連接的單元，使一個無限自由度問題轉(zhuǎn)化為有限個自由度的問題。通過有限單元法可以方便快速地進(jìn)行發(fā)動機(jī)連桿的靜力學(xué)分析，進(jìn)而可以得到發(fā)動機(jī)連桿在工作的過程中應(yīng)力分布情況與應(yīng)變情況，并未其疲勞分析提供一定基礎(chǔ)。由以上的分析可以知道，往復(fù)式切割器中驅(qū)動割刀運(yùn)動的機(jī)構(gòu)是采用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，為了保證該機(jī)構(gòu)能夠運(yùn)動運(yùn)行，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上一般還采用輔助加強(qiáng)桿來提高機(jī)器運(yùn)動的剛度。如圖4-1所示，該圖即為該曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡圖，圖中角α即為機(jī)構(gòu)的壓力角。由以上所給出的初始條件以及有關(guān)計算可知給機(jī)構(gòu)的最大壓力角為-36度。根據(jù)計算連桿力的計算公式可以知道，連桿中的力等于刀具所受到的力除以最大壓力角的余弦值，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式4-1中可以得到連桿中所受到的最大軸向力為62牛頓。由于該力的計算中所用的有效力是以上所給出的理論切削力，相對較小，且沒有考慮到機(jī)構(gòu)的慣性力，所以在進(jìn)行有限元分析應(yīng)力時需要適當(dāng)?shù)姆糯笤摿σ源_保所設(shè)計的連桿足夠的安全。由于該力較小，一般為了設(shè)計與加工需要，所選擇的連桿的厚度尺寸相對較大，這里選擇安全系數(shù)為4,也會S=4。所以實(shí)際的計算力可以用如下公式計算得出。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式4-2中可以得到計算力為248牛頓。4.2連桿的有限元分析以上原則可以將該模型簡化為如圖4-1所示的樣式。接下來我們?yōu)橹鬏S模型賦予材料參數(shù)，有以上我們選擇的材料為結(jié)構(gòu)鋼40Cr,并對連所示。材料名稱彈性模量E泊松比μ屈服極限抗拉極限在有限元分析中，有限元網(wǎng)格的劃分是非常重要的一個環(huán)節(jié)，因為劃分的網(wǎng)格質(zhì)量將直接影響到有限元分析的精度和計算時間。如果網(wǎng)格尺寸過大，可能導(dǎo)致計算不收斂，甚至計算失?。蝗绻W(wǎng)格尺寸過于細(xì)小，將花大量的時間進(jìn)行計算，從而浪費(fèi)計算資源。在有限元前處理領(lǐng)域，高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分仍然是關(guān)注的重點(diǎn)。由于本模型結(jié)構(gòu)較為簡單，這里采用ANSYS內(nèi)置的網(wǎng)格劃分工具對單元進(jìn)行劃分，設(shè)置RelevanceCenter參數(shù)為Fine。設(shè)置ElementSize為1毫米。其它的為默認(rèn)值，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的實(shí)際效果如圖4-2所示。圖4-2劃分效果如圖當(dāng)網(wǎng)格劃分完畢后就可以給連桿施加支撐和受力并進(jìn)行仿真。分析可以發(fā)現(xiàn)，該連桿主要傳遞傳遞軸向力，連桿的兩端是采用的軸承進(jìn)行支撐。所以需要在連桿安裝的軸面上添加圓柱支撐，并將軸向和徑向固定，在軸的切向上給予自由度。w圖4-3分析結(jié)果圖5主動安全保護(hù)裝置5.1需求分析5.2工作原理5.3保護(hù)裝置硬件設(shè)計5.3.2單片機(jī)的中斷系統(tǒng)5.3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖5-1單片機(jī)最小系統(tǒng)或者3.3V這兩個標(biāo)準(zhǔn)。圖5-2所示，電路的核心就是一個12兆赫茲的石英晶體震蕩器，在該器件的周圍還并聯(lián)一對30PF的陶瓷電容來進(jìn)行震蕩的控制。在該電路的一對的信號輸出口連接于單片機(jī)的38號接口與39號接口。當(dāng)單片機(jī)需要采用其內(nèi)部的時鐘的時候，我們可以將片外石英晶體的一對信號輸出端的導(dǎo)線分別與XTAL1和XTAL2連接，當(dāng)我們需要使用外部的時鐘信號時，即將XTAL1接受片外時鐘的脈沖信號，XTAL2則處于懸空狀態(tài)。(3)復(fù)位電路：單片機(jī)的第三部分就是復(fù)位電路，該部分電路在單片機(jī)正常運(yùn)行的時候是用不上的，其作用就是當(dāng)單片機(jī)的由于某些突發(fā)狀況而引起的程序卡死或者程序跑飛時可以通過該功能模塊來使單片機(jī)重新回到程序的最初的位置。總的來說復(fù)位電路屬于一種安全保護(hù)機(jī)制，可以在單片機(jī)的運(yùn)行出現(xiàn)故障時保障其可以快速的回到正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這對單片機(jī)的使用具有重要意義。STC15F單片機(jī)具有一個RST引腳，當(dāng)該引腳在連續(xù)的兩個時鐘周期都具有低電平時，單片機(jī)就會進(jìn)行復(fù)位操作。如圖5-3所示，該圖就是單片機(jī)的復(fù)位電路的原理圖。5.4控制信號采集5.4.1剪枝機(jī)加速度信號采集輸出到其主I2C或SPI端口。該芯片的工作原理圖如圖5-4所示。的靈敏度3一4加速度計圖5-4MPU-6050工作原理圖5.4.2電機(jī)電流信號采集出端輸出的直流電壓給轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。霍爾電流傳感器原理如圖5-5所示。副補(bǔ)借電流圖5-5霍爾電流傳感器原理圖5.5保護(hù)裝置軟件設(shè)計保護(hù)裝置從控制方法上來說就是通過傳感器時刻監(jiān)測剪枝機(jī)在工作是機(jī)