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摘 要
掃雪機(jī)的問(wèn)世，讓人們?cè)谏钪袦p少了很多麻煩。本文在分析了國(guó)內(nèi)外多種掃雪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀之后提出，主要運(yùn)用范圍是大型除雪設(shè)備所不能觸及到的路面。結(jié)合路面的寬窄，積雪的厚度等因素，設(shè)計(jì)了一種小型的路面掃雪機(jī)。本設(shè)計(jì)在對(duì)掃雪機(jī)的工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算確定機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及動(dòng)力裝置，然后進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，把控制和機(jī)械有機(jī)結(jié)合。
本設(shè)計(jì)運(yùn)用三維繪圖軟件創(chuàng)建了掃雪機(jī)各零部件三維模型，進(jìn)行整體的三維裝配，展現(xiàn)其整體的造型效果，繪制部分二維零件圖及裝配圖，完成了基于單片機(jī)的微機(jī)控制電氣原理圖。
關(guān)鍵詞: 掃雪機(jī)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；直流伺服電機(jī)；單片機(jī)
I
ABSTRACT
The advent of snowplows has reduced people's troubles in their lives. This paper analyzes the development of many kinds of snowplows at home and abroad.The main application is the surface of the road that the large scale removal equipment cannot reach.Combined with the width of the road and the thickness of the snow, a small road snowplow was designed.This design on the basis of the analysis of the working principle of the snowplow, through the calceolation to determine the mechanical transmission mechanism and power device and then designed the control system to combine the control and machanism in a organic way.
This design using the 3 d drawing software to create a snowplow parts 3 d model, the whole 3 d assembly, show the modelling of its overall effect, the drawing part 2 d part drawing and assembly drawing, completed based on single chip microcomputer control electric schematic diagram.
keywords: snow sweepers; Mechanical design; Control system design; Dc servo motor Single chip microcomputer
目 錄
1 緒論 1
1.1 選題的目的與意義 1
1.2 目前主要的除雪方法 1
1.3 目前掃雪機(jī)種類(lèi)及存在問(wèn)題 2
1.4 掃雪機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.5 課題主要內(nèi)容 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 雪的物理性質(zhì) 5
2.2 掃雪機(jī)總體方案及比較 5
2.3 工作原理概述 6
2.3.1 基本結(jié)構(gòu) 6
2.3.2 工作原理 7
2.4 方案的實(shí)施 7
3 掃雪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 動(dòng)力裝置的選擇 9
3.2 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.2.1 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.2.2鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.2.3 動(dòng)力軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.3 掃雪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3.1 工作電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3.2 掃雪輥的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3.3 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
3.3.4 同步帶的主要參數(shù) 23
3.3.5同步帶的設(shè)計(jì) 24
4 掃雪機(jī)的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
4.1 控制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計(jì) 26
4.1.1 控制器 26
4.1.2伺服電機(jī)控制 27
4.1.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 27
4.1.4伺服系統(tǒng)接口設(shè)計(jì) 28
4.2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
總結(jié)與展望 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
III
1 緒論
1.1 選題的目的與意義
冬天，北方的人都是天天盼這下雪，如果整個(gè)冬天沒(méi)有下幾次大雪，就好像這不是一個(gè)完整的冬天。早晨人們一覺(jué)醒來(lái)，出門(mén)看見(jiàn)一片白茫茫的景象，就有種“忽如一夜春風(fēng)來(lái)，千樹(shù)萬(wàn)樹(shù)梨花開(kāi)”的感覺(jué)，這是人間最美不過(guò)的畫(huà)面了。也是人們期盼已久的時(shí)候，人們通常都喜歡出門(mén)玩耍，在雪地里滑雪玩耍。然而這種美景，也會(huì)給人們帶來(lái)很多麻煩。
一場(chǎng)大雪過(guò)后，路面濕滑，并且摩擦阻力變小，車(chē)輛通行時(shí)往往會(huì)發(fā)生交通事故，行人也是會(huì)時(shí)常滑倒，造成身體損傷。然而城市道路的清掃，大多數(shù)是環(huán)衛(wèi)工人和大型除雪機(jī)械。他們?cè)谘┩：?，就全體出動(dòng)，拿著掃帚趕到公路上開(kāi)始工作，辛苦一天卻效率不高。因此，雪會(huì)堆積在路面，道路越來(lái)越難行走，是導(dǎo)致事故頻繁發(fā)生的原因。
為了解放勞動(dòng)力,提高勞動(dòng)效率,機(jī)械化是勞動(dòng)的必然選擇，因此，為了更加方便快捷的清掃路面積雪，提高工作效率與質(zhì)量，設(shè)計(jì)出一種小型路面掃雪機(jī)是很有必要的。機(jī)器代替體力勞動(dòng),不僅效率高,而且能長(zhǎng)時(shí)間工作，這樣路面清掃速度加快，事故發(fā)生也會(huì)必然減少。
1.2 目前主要的除雪方法
現(xiàn)在的除雪采用的方法主要是：①人工的傳統(tǒng)除雪；②利用融雪劑來(lái)清除路面積雪；③利用各類(lèi)除雪設(shè)備來(lái)除雪。
人工除雪浪費(fèi)人力、工作效率很低、作業(yè)成本也高、占用的路面時(shí)間很長(zhǎng)，而且只能在白天進(jìn)行作業(yè)，這樣就會(huì)有很多的安全隱患，更容易發(fā)生交通安全事故，會(huì)對(duì)來(lái)往的車(chē)輛和行人帶來(lái)不便。
融雪劑除雪是依靠熱的作用或化學(xué)藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使積雪慢慢融化的方法。主要用于廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、城市大路等，起著除雪和防凍的作用。但是，同時(shí)也會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成一定的危害。并且融雪劑的費(fèi)用高，容易對(duì)道路和城市環(huán)境造成一定污染，對(duì)人的身體健康有一定損害。而且，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)失去其原有的作用，同時(shí)不利于保護(hù)車(chē)輛的輪胎。所以，這種除雪方法的使用范圍有一定的局限性。
機(jī)械除雪是通過(guò)機(jī)械設(shè)備直接對(duì)雪進(jìn)行鏟除與清掃，主要有犁式掃雪機(jī)和螺旋轉(zhuǎn)子掃雪機(jī)兩大類(lèi)。現(xiàn)今，傳統(tǒng)人工清雪法和融雪劑清雪法已經(jīng)不能滿(mǎn)足生活需要，所以需要性能好、自動(dòng)化程度高的機(jī)械除雪設(shè)備來(lái)替代。但現(xiàn)在掃雪機(jī)種類(lèi)并不多，且設(shè)備還不是很完善，存在著很多不足[1]。
1.3 目前掃雪機(jī)種類(lèi)及存在問(wèn)題
目前市場(chǎng)上的掃雪機(jī)有很多種，按其工作原理主要分為以下幾種：
一種是推移式掃雪機(jī)：主要是將推雪鏟刀安裝在大型車(chē)輛上，如推土機(jī)等等。在經(jīng)過(guò)掃雪犁等裝置，將雪推走，對(duì)路面進(jìn)行清掃，然后再利用其它車(chē)輛將雪拉走。這類(lèi)形式的掃雪機(jī)，清理效率低，容易劃傷地面，且耗費(fèi)時(shí)間。由于借助大型車(chē)輛，所以在路面進(jìn)行作業(yè)有一定的局限性其除雪裝置如右圖。
第二類(lèi)是拋雪式掃雪機(jī)：拋雪式掃雪機(jī)在市面上最為常見(jiàn)，它先利用攪龍先收集積雪，再利用拋雪泵裝置將雪拋出。這種掃雪機(jī)清掃效率比較高，速度也很快，是使用最廣泛的一種掃雪機(jī)，其除雪裝置如圖1.2。
第三類(lèi)是吹雪式掃雪機(jī)：它是利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大空氣流，氣流由噴口吹出，從而達(dá)到清除地面積雪的目的。但是這種掃雪機(jī)運(yùn)行速度很高，能量消耗大，成本高，只能使用于機(jī)場(chǎng)、高速路等寬曠地區(qū)的使用，不適合小型產(chǎn)品的生產(chǎn)。
這幾類(lèi)大型的除雪設(shè)備，基本都使用于較寬或者空曠的路面，不適合在城市交通道路上作業(yè)，而且這幾種掃雪機(jī)都是采用鏟刀或者攪龍裝置，更容易把路面劃傷，并且對(duì)于高低不平的地面起不到很好地處理效果。
1.4 掃雪機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
資料顯示國(guó)外掃雪機(jī)發(fā)展歷史已有很長(zhǎng)的時(shí)間，尤其是近幾年來(lái)，發(fā)展迅速，種類(lèi)繁多，各生產(chǎn)廠家在不斷地采取新技術(shù)的同時(shí)，不斷地更新產(chǎn)品的作業(yè)性能和操作性能，以便適應(yīng)各種掃雪條件的要求。早年的掃雪裝置是利用推土機(jī)推行，后來(lái)漸漸變?yōu)槔缡綊哐C(jī)。1943年的時(shí)候，日本就已經(jīng)在卡車(chē)上開(kāi)始裝配V型犁式掃雪器，用來(lái)掃出路面積雪。我國(guó)在經(jīng)過(guò)了很多年的發(fā)展，犁式掃雪機(jī)已有有了相當(dāng)高的技術(shù)水平。
在除雪機(jī)的研究在我國(guó)還比較少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)的實(shí)際研究和發(fā)展是在上世紀(jì)80年代后，隨著改革開(kāi)放的發(fā)展，開(kāi)始了新的道路，在機(jī)動(dòng)車(chē)層出不窮。掃雪機(jī)也出現(xiàn)了與時(shí)代發(fā)展的需求，主要的研究工作是在東北，下雪的地方在大數(shù)量、高需求。通過(guò)深入研究，國(guó)內(nèi)多臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)，除雪作業(yè)外，發(fā)揮一定作用，但效率低，成本高，接地能力差。
90年代初，中國(guó)的沈陽(yáng)大連高速公路引進(jìn)德國(guó)“烏尼莫克道路綜合養(yǎng)護(hù)車(chē)、犁式除雪等裝置作為輔助設(shè)備。國(guó)內(nèi)的犁式除雪機(jī)的研究在近幾年也取得了一定的成績(jī)，有了一些成功的產(chǎn)品，如l9280式掃雪機(jī)和CL-3.6，CL-3.5型系列掃雪機(jī)，分別是由西安公路研究院和吉林交通科學(xué)研究院研究開(kāi)發(fā)的。還有哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)的集成cbx-216制冰機(jī)等[2]。但犁式除雪機(jī)對(duì)剛下的積雪處理效果好，并不能解決積雪很久的路。
旋轉(zhuǎn)式掃雪機(jī)的出現(xiàn)，清理道路上的積雪變得簡(jiǎn)單。旋轉(zhuǎn)式掃雪機(jī)一般具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、功能多樣等的特點(diǎn)。德國(guó)和日本是主要生產(chǎn)國(guó)，這樣的技術(shù)是成熟的，在世界上處于領(lǐng)先水平的產(chǎn)品性能。
在雪地里，掃雪機(jī)的車(chē)身尺寸和速度是影響交通的重要因素，車(chē)身過(guò)大，會(huì)造成路面占道；低速會(huì)影響交通，造成交通堵塞。小型掃雪機(jī)適用于企業(yè)單位、城市道路和環(huán)衛(wèi)工人，幾乎不常見(jiàn)，而且發(fā)展緩慢。所以小型掃雪機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)于國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展起著一定的作用。
1.5 課題主要內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有的除雪設(shè)備本文預(yù)設(shè)計(jì)一個(gè)適用于較窄的道路，如工廠道路，學(xué)校馬路，或住宅小區(qū)內(nèi)的道路積雪清掃機(jī)。該掃雪機(jī)的工作原理是掃雪機(jī)在工作人
的推行操作下，沿著積雪路面做掃雪作業(yè)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)刷子一次性把雪向前拋到行走的前方，集成一堆后在清掃裝車(chē)運(yùn)走，一次完成清掃任務(wù)。該設(shè)備不用集雪裝置，能實(shí)現(xiàn)一次性集雪功能，這設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，提高積雪的清掃效率。在完成預(yù)想設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其主要零件進(jìn)行計(jì)算和分析。主要完成的內(nèi)容如下：
（1)通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外掃雪裝備的發(fā)展情況，提出本文計(jì)劃設(shè)計(jì)的一種小型掃雪機(jī)設(shè)備的工作原理。
(2)進(jìn)行小型掃雪機(jī)方案設(shè)計(jì)。
（3)各零部件的具體設(shè)計(jì)，確定掃雪機(jī)的基本尺寸，連接問(wèn)題。
（4）查閱相關(guān)資料，了解掃雪機(jī)行走的速度，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
（5）根據(jù)實(shí)際情況確定要使用的控制系統(tǒng)硬件。
27
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 雪的物理性質(zhì)
由于溫度的改變，下雪時(shí)間的長(zhǎng)短，雪的密度、硬度均不同，且由于路面有車(chē)輛行駛，導(dǎo)致積雪的摩擦系數(shù)發(fā)生改變，所以在設(shè)計(jì)掃雪機(jī)之前，要先對(duì)道路上的積雪進(jìn)行研究了解。經(jīng)過(guò)多次調(diào)查取樣，雪的密度在0.2-0.25g/cm3。道路不一樣，雪的性質(zhì)也有所不同，故雪的密度、厚度是設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)。
2.2 掃雪機(jī)總體方案及比較
滾刷式除雪機(jī)是依靠的是滾刷的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)路面積雪進(jìn)行清掃，掃雪刷的材料是由實(shí)際工作情況而定。滾刷式掃雪機(jī)的滾刷屬于柔性結(jié)構(gòu)，滾動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)相對(duì)其他大型掃雪設(shè)備對(duì)路面造成的損害較小，除雪后路面基本不會(huì)產(chǎn)生明顯的刮傷痕跡。同時(shí)滾刷式掃雪機(jī)還具有噪音低、自適應(yīng)性強(qiáng)、清掃干凈等優(yōu)點(diǎn)。滾刷式除雪機(jī)作業(yè)范圍相對(duì)其他掃雪設(shè)備清雪較廣，清掃道路時(shí)可以應(yīng)付各種復(fù)雜路面情況。這些年，為了解決冰雪災(zāi)害對(duì)人們生活的不利影響，各研究部門(mén)積極對(duì)冰雪的處理進(jìn)行研究，滾刷式除雪機(jī)頗受人們重視，隨著技術(shù)的不斷更新，冰雪對(duì)人們生活的影響逐漸減小。
滾刷式掃雪機(jī)的機(jī)械部分主要分為盤(pán)式轉(zhuǎn)掃、碾壓磙以及臥式滾掃三種類(lèi)型。我分別對(duì)三類(lèi)清雪機(jī)械進(jìn)行了分析如下。
（1）盤(pán)式轉(zhuǎn)掃型掃雪機(jī)是指其刷掃裝置的轉(zhuǎn)軸垂直于地面或與地面保持一定傾角(一般在80°左右)的清雪裝備。
盤(pán)刷好像一個(gè)盤(pán)狀物在向下倒扣，整個(gè)形狀呈圓臺(tái)狀。盤(pán)刷多安置于掃雪機(jī)的兩邊，這樣不僅僅可以更大范圍的攏掃積雪，同時(shí)還可以避免在轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大時(shí)工作的主機(jī)車(chē)輪和路巖掛碰。為防止刷盤(pán)與車(chē)輛、行人或路旁障礙物碰撞，側(cè)刷上一般都要安裝避障裝置。依據(jù)以往作業(yè)效果，設(shè)置轉(zhuǎn)軸與地面的傾斜夾角可以有效的將積雪向一個(gè)位置聚集，不發(fā)生到處飛濺的情況，對(duì)清掃質(zhì)量有明顯的提升。
（2）碾壓磙結(jié)構(gòu)是一種對(duì)硬化積雪清除的裝置，專(zhuān)門(mén)為清除壓實(shí)的積雪而設(shè)計(jì)的。這種除雪裝置適合對(duì)堅(jiān)硬的冰雪進(jìn)行清除，在設(shè)計(jì)壓磙式除雪裝置時(shí)應(yīng)該要充分的考慮對(duì)路面的保護(hù)問(wèn)題，保證路面不被破壞。這種結(jié)構(gòu)是在圓筒形的滾筒上安裝上刀片或齒刀，構(gòu)成碾壓磙。根據(jù)壓磙磙刀的安裝角度，分為斜刃式壓磙和直刃式壓磙。相關(guān)文獻(xiàn)表明，斜刃式壓磙的銑削效果及其對(duì)路面的保護(hù)性明顯優(yōu)于直刃式壓磙。
（3）臥式滾掃型掃雪機(jī)是將滾刷直接與地面相接觸，滾刷軸與地面平行，即與掃雪機(jī)的行駛面平行，在動(dòng)力裝置的驅(qū)動(dòng)作用下滾刷高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)路面進(jìn)行掃除。
直列排布滾掃式掃雪機(jī)是指滾筒上各排刷毛均沿滾筒軸線方向平行排布，滾刷刷毛密集，清掃路面時(shí)不會(huì)有漏掃的地方，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)滾掃型掃雪機(jī)的掃雪滾均采用這種排布形式[3]。
發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)減速箱降低轉(zhuǎn)速增加扭矩后通過(guò)鏈輪，鏈條輸出運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)行走輪向前行走。在通過(guò)掃雪電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)皮帶輪降低轉(zhuǎn)速后驅(qū)動(dòng)掃雪刷旋轉(zhuǎn)，清掃路面積雪。清雪效果好，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)方式多樣，制造方便，傳動(dòng)效果和使用維護(hù)方便。同時(shí)，因?yàn)槭褂玫氖侵绷魉欧姍C(jī)，所以使用時(shí)沒(méi)有噪聲污染，減少了對(duì)居民的騷擾。與此同時(shí)，使用電機(jī)也符合了國(guó)家的關(guān)于使用清潔能源戰(zhàn)略的政策。
綜上，我們選擇第三個(gè)方案。
除雪裝置的設(shè)置依據(jù)動(dòng)力來(lái)源可以分以下幾種類(lèi)型：
（1）獨(dú)立動(dòng)力型
用分離的發(fā)動(dòng)機(jī)作為除雪單元的動(dòng)力源,發(fā)動(dòng)機(jī)和除雪機(jī)構(gòu)組成一個(gè)整體。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是主機(jī)可以完成一臺(tái)機(jī)器的使用。
（2）獨(dú)立動(dòng)力分置型
有單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)作為除雪裝置的主要驅(qū)動(dòng)力，但發(fā)動(dòng)機(jī)和除雪裝置可以單獨(dú)放置在主機(jī)的適當(dāng)位置。
（3）共用動(dòng)力型
即由主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用液壓等方式將主機(jī)動(dòng)力分配使用，在保證正常行駛的同時(shí)，為除雪工作裝置提供動(dòng)力。一般發(fā)達(dá)國(guó)家的專(zhuān)業(yè)掃雪機(jī)通常是共用動(dòng)力型的，其優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)負(fù)載情況將通用主要?jiǎng)恿α鞣峙涞母侠?，既能提高功效又能?jié)省能源。
考慮到本次的掃雪機(jī)方案設(shè)計(jì)，會(huì)有控制掃雪機(jī)的速度設(shè)計(jì)，按照不同程度的降雪，會(huì)有相應(yīng)的兩檔速度調(diào)節(jié)。所以，我們選擇了方案（2）獨(dú)立動(dòng)力分置型。
2.3 工作原理概述
2.3.1 基本結(jié)構(gòu)
小型掃雪機(jī)一般由機(jī)架、原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、工作裝置、行走裝置組成?？紤]到設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)中原動(dòng)機(jī)選取的是電動(dòng)機(jī)。傳動(dòng)方案采用了皮帶傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng),鏈傳動(dòng)。行走裝置用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械的行走。它有兩種手推和自走式。本次設(shè)計(jì)中采用的是手推式。
掃雪工作裝置采用的是滾刷式滾筒掃雪機(jī)構(gòu)。滾刷主要由滾筒，方頭刷，動(dòng)力軸（掃雪輥），軸承等組成。其通過(guò)可拆卸固定鏈接方式安裝于掃雪機(jī)的前端。方頭刷的刷絲為尼龍絲或鋼絲（本次設(shè)計(jì)選用鋼絲與尼龍絲混用的方式）。滾筒固定在滾刷的上方，用于防止殘雪飛濺[4}。
2.3.2 工作原理
操作時(shí),直流伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)輸出功率,鏈接主動(dòng)鏈輪,這樣,鏈輪帶動(dòng)鏈條傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)行走輪的向前運(yùn)動(dòng)。
2.4 方案的實(shí)施
由于除雪機(jī)主要用于校園、人行道、單位、工廠和居民區(qū),所以機(jī)器體積不算太大。我們使用的電機(jī)按電源的分類(lèi):可分為直流電機(jī)和交流電機(jī),其中交流電機(jī)又分為單相電機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)。這種掃雪機(jī)需要靈活的運(yùn)動(dòng),工作適應(yīng)度高,用于戶(hù)外的積雪清掃工作。所以一般采用蓄電池供電,因此多采用直流電動(dòng)機(jī)。 直流伺服電機(jī)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
(1)機(jī)械特性
在當(dāng)輸入電樞電壓UA保持不變時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩m變化,這稱(chēng)為直流電機(jī)的機(jī)械特性。
(2)監(jiān)管特點(diǎn)
當(dāng)直流電機(jī)處于一定的電磁轉(zhuǎn)矩M(或負(fù)載轉(zhuǎn)矩)時(shí),電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速N隨電樞電壓控制電壓的變化而變化,這稱(chēng)為直流電機(jī)的調(diào)節(jié)特性。
（3)動(dòng)態(tài)特性
從原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài),存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,這就是直流電機(jī)的
動(dòng)態(tài)特性。
本次設(shè)計(jì)的是手推式掃雪機(jī)，機(jī)架上有扶手，支撐電動(dòng)機(jī)，變速箱，主動(dòng)鏈輪，帶輪等裝置。
扶手的基本作用是手推，其上按裝有起停，調(diào)速，掃雪工作開(kāi)關(guān)。起停開(kāi)關(guān)的作用是用于控制電源。調(diào)速開(kāi)關(guān)則是用于選擇掃雪機(jī)的速度，其中速度主要為兩個(gè)檔，一檔V1=1m/s，二檔V2=0.5m/s。掃雪開(kāi)關(guān)的作用是控制掃雪直流伺服電機(jī)的起停，從而控制滾刷的轉(zhuǎn)動(dòng)。
帶傳動(dòng)依照傳遞方式分為摩擦傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩類(lèi)。摩擦傳動(dòng)帶包含平帶，V 帶，多楔帶，同步帶。在這里咱們選用的是同步帶，與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相連；帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比是3。
變速箱用的是蝸輪蝸桿傳動(dòng)，它的傳動(dòng)比是32。電動(dòng)機(jī)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與變速箱相連。
行走輪子主要是用于支撐和行走，于機(jī)架的兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)分布。
掃雪裝置包括原動(dòng)機(jī)，帶輪，皮帶，滾刷，滾筒，掃雪輥。
圖2-3是掃雪機(jī)簡(jiǎn)單三維結(jié)構(gòu)示意圖
圖 2-3 掃雪機(jī)簡(jiǎn)單三維結(jié)構(gòu)示意圖
1.變速箱 2.聯(lián)軸器 3.行走驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4.動(dòng)力軸 5.支架 6.滾筒 7.滾刷 8.大帶輪 9.皮帶 10.行走輪 11.鏈條 12.掃雪電動(dòng)機(jī) 13.小帶輪 14.鏈輪
3 掃雪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 動(dòng)力裝置的選擇
掃雪機(jī)在路面運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服來(lái)自地面的滾動(dòng)摩擦力Ff，空氣阻力Fw，加速行駛時(shí)的加速阻力Fj。因此小車(chē)行駛時(shí)的總阻力為
∑F=Ff+Fw+Fj (3-1)
Ff=mgμ （3-2）
小型掃雪機(jī)在戶(hù)外路面行走工作，易受到環(huán)境，雪量大小，路面狀況的影響。設(shè)計(jì)中，掃雪機(jī)的自重約為：100Kg，橡膠輪與地面的摩擦系數(shù)：f=0.1，輪半徑：R=150mm。代入公式中
Ff=98N
設(shè)計(jì)中，小車(chē)的最高速度為 V=1m/s。所以空氣阻力暫不考慮。
小車(chē)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，設(shè)定小車(chē)經(jīng)過(guò)位移 S=1m時(shí)，Vt=1m/s，則小車(chē)的加速度為
a=Vt2-V022S=0.5m/S2 (3-3)
加速阻力 Fj=ma=50N
總阻力 F根據(jù)公式得
∑F=148N
本次設(shè)計(jì)中的小車(chē)采用一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，車(chē)輪的半徑 R=0.15m。所以總車(chē)的驅(qū)動(dòng)力矩：
∑M=22N?m
因此鏈接輸出軸的輸出扭矩 T≥22Nm。
根據(jù)上述的條件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用淄博博山樸林電機(jī)廠生產(chǎn)的180ws250-150無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
表3-1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)
額定功率
額定電壓
額定電流
額定轉(zhuǎn)速
額定轉(zhuǎn)矩
極數(shù)
2.5kW
48V
62A
1500r/min
22Nm
8
小車(chē)行駛的最高速度 Vmax=1m/s，車(chē)輪半徑 R=150mm， 輸出軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)為：
nw=Vtπd=96r/min (3-4)
電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 n=1500r/min。所以減速比為：
i=nnw=16 (3-5)
小車(chē)行駛的最低速度 Vmin=0.5m/s,輸出軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為
nmin=48r/min
則最大減速比 i=32。
3.2 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算
在很多情況下，這類(lèi)掃雪裝置的速率按照工作過(guò)程當(dāng)中的不同請(qǐng)求隨時(shí)可以轉(zhuǎn)變。變速器平常很少作為零單獨(dú)的傳動(dòng)裝置，它是一臺(tái)機(jī)械全部傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分，所以通常被稱(chēng)為變速制造。
根據(jù)最大傳動(dòng)比32，本次設(shè)計(jì)中選擇的是蝸輪蝸桿減速器。相比于其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）傳動(dòng)比大，一般傳動(dòng)比 i=5-80。（2）沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)。（3）具有自鎖性。
設(shè)計(jì)總傳動(dòng)比 i≥32，i=i蝸×i齒=32。 (3-6)
分配傳動(dòng)比 i蝸=16，i齒=2。
各軸的參數(shù)計(jì)算:
將傳動(dòng)裝置各軸從高速到低速一次定義為1軸，2軸。各軸的轉(zhuǎn)速：
n=1500r/min,
n1=93.75r/min,
n2=46.875r/min
蝸輪蝸桿的選擇：功率P=2.5Kw。
根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開(kāi)線蝸桿Z1，材料一般選用：蝸桿為45號(hào)鋼，齒面要求淬火，硬度為45~55HBS。蝸輪采用ZCuSn10P1，金屬模制造。
按Z1=2計(jì)算，估取效率η=0.8。則作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2
T2=9.55×106Pn=4.07×105Nmm (3-7)
確定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定，故取Kβ=1，使用系數(shù)KA=1.05，動(dòng)載系數(shù)KV=1.05,則K=KAKβKV=1.01 (3-8)
確定彈性影響系數(shù)ZE
因選用的ZCuSn10P1蝸輪與蝸桿相配合，故取ZE=160MPaPa12
確定蝸輪齒數(shù)Z2
Z2=Z1×i=64 (3-9)
確定許用接觸應(yīng)力【σH】
根據(jù)蝸輪的材料、金屬模制造、蝸桿螺旋齒面硬度45HRC.確定蝸輪的基本許用應(yīng)力為268MPa。
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
N=60j=3.375×107 (3-10)
式中 j —為電機(jī)是否單雙向轉(zhuǎn)動(dòng)(單向?yàn)?，雙位2)；
—為渦桿的傳動(dòng)比；
—為工作的總時(shí)間。
壽命系數(shù)： KHN= (3-11)
=81073.375×107=0.8521
則許用接觸應(yīng)力 【σH】=KHN×【σH】′ (3-12)
=228.3628MPa
則
m2d1≥KT2（480Z2×【σH】）2 (3-13)
≈532.850
式中 m2d1—為渦輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度；
K—為載荷系數(shù)。
因=2，故從《機(jī)械原理》表10-9（如圖3-1）中，取模數(shù)m=4。蝸桿的分度圓直徑d1=40mm。
蝸輪蝸桿的主要參數(shù)與幾何設(shè)計(jì)中心距 a=148mm
圖 3-1
蝸桿
表3-2 蝸桿參數(shù)
軸向齒距
直徑系數(shù)
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓導(dǎo)程角
蝸桿軸向齒厚
蝸桿法向齒厚
12.566mm
10
48mm
30.4
11?18′36′′
6.2832mm
12.5mm
蝸輪
表3-3 蝸輪參數(shù)
蝸輪分度圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直徑
蝸輪咽喉母圓半徑
254mm
262mm
244.4mm
19mm
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
σF=1.53KT2d1d2m×YFa2=≤[σF] （3-14）
式中 YFa2-為齒形系數(shù)；
K-為載荷系數(shù)；
當(dāng)量齒數(shù) Zv2=Z2cosr3=67.872 (3-15)
根據(jù) Zv2，從文獻(xiàn)[11]圖11-17（如圖3-2）中查齒形系數(shù) YFa2=2.28
圖 3-2
螺旋角系數(shù) Yβ=1-r140=0.9192 (3-16)
許用彎曲應(yīng)力 【σF】=【σF】′×KFN (3-17)
蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力【σF】′=56MPa
壽命系數(shù) KFN=0.6814
【σF】=38.1584
σF=32.4338
∴彎曲強(qiáng)度滿(mǎn)足
驗(yàn)算效率
η=（0.95~0.96）tanrtan（r+φ） (3-18)
已知r=11?18′36′′，φ=tan-1fv;fv與相對(duì)滑動(dòng)速度Vs有關(guān)，
Vs=πd1n160*1000cosγ=3.204m/s （3-19）
從文獻(xiàn)中，表11-18（如圖3-3），用插值法查得fv=0.0272。φ=1.332?代入公式中得η≈0.81大于估計(jì)值，因此不用重算。
圖3-3
進(jìn)度等級(jí)和表面粗糙度的確定：
從GB/T10089-1988圓柱蝸桿蝸輪精度造8級(jí)精度。側(cè)隙種類(lèi)為f，標(biāo)注為8f，GB/T10089-1988，查有關(guān)手冊(cè)得公差項(xiàng)目及表面粗糙度。
3.2.2鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
鏈傳動(dòng)由鏈條和鏈輪（大，小鏈輪）組成，動(dòng)力經(jīng)過(guò)進(jìn)程鏈條鏈節(jié)和鏈輪的輪齒之間的嚙合來(lái)傳輸。機(jī)械制造中鏈傳動(dòng)有著普遍的利用。
鏈傳動(dòng)與摩擦型的帶傳動(dòng)對(duì)比，鏈傳動(dòng)是集體打滑和無(wú)彈性滑動(dòng)現(xiàn)象，因而能保持精確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高；由于鏈條不需要像帶那樣緊，鏈條作用軸上的徑向壓力??；制造鏈條采取的是金屬材料，平常在不異的利用條件下， 鏈傳動(dòng)的整體的尺寸比較小，布局有點(diǎn)緊湊；同時(shí)，鏈傳動(dòng)可以在溫度高的情況下和潮濕的情況下工作。
選擇鏈的齒數(shù)
取小鏈輪的齒數(shù)為Z1=17，傳動(dòng)比為i=1，則大鏈輪的齒數(shù)Z2=17。
確定計(jì)算功率
從《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第九版）表9-6（如圖3-4）查得: KA=1.0,由該書(shū)的圖9-13（如圖3-5）查得：KZ=1.55，
圖3-4 圖3-5
則當(dāng)量的單排鏈計(jì)算功率 ： Pca= KAKZKP×P=3.875Kw (3-20)
式中：—為工況系數(shù)；
—為主動(dòng)連輪齒數(shù)系數(shù)；
—為多排鏈系數(shù)。
選擇鏈條的型號(hào)和節(jié)矩
根據(jù)Pca=3.875Kw，nA=96r/min.從《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖9-11（如圖3-6），選取節(jié)矩P=19.05mm，滾子直徑d=11.91mm，內(nèi)鏈接內(nèi)寬b=12.57mm，銷(xiāo)軸直徑d2=5.96mm的12A型。
圖3-6
計(jì)算中心距
初選中心距 a0=(30~50)P
a0=571.05~952.5
取a0=600mm，
計(jì)算鏈節(jié)數(shù) Lp0=2a0P+Z1+Z22+(Z2-Z12π) (Z2-Z12π)pa0=80 (3-21)
鏈節(jié)數(shù)取80
因?yàn)閭鲃?dòng)比為1，鏈輪齒數(shù)相同，所以計(jì)算鏈傳動(dòng)的最大中間距為
amax=P[Lp-Z2]=600.075mm (3-22)
取中間距為600mm
計(jì)算鏈速V
V=n1Z1P60×1000=0.51816 (3-23)
計(jì)算壓軸力Fp
有效的圓周力： Fe=1000pv=4824.76N (3-24)
鏈輪壓軸力系數(shù)KFP=1.15
Fp=KFP×Fe=5548.474N (3-25)
選擇潤(rùn)滑方式
按照鏈速為0.51816m/s，鏈節(jié)距19.05mm，選擇定期人工潤(rùn)滑的方式。
3.2.3 動(dòng)力軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
動(dòng)力軸是連接減速箱與車(chē)輪之間扭矩的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。本次設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)軸主要是承受較大的扭矩和承受較小的彎矩。
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算
τt=TWT≈9550000Pn0.2d3≤[τt] (3-26)
得d≥A03Pn (3-27)
其中：P—為傳遞的功率； d—為軸的直徑；
N—為軸的轉(zhuǎn)速； [τt] —為材料的許用剪應(yīng)力；
中間軸材料采用45號(hào)鋼，調(diào)值，硬度為217-255HBS。
經(jīng)過(guò)減速器完成變速后，P=2.024Kw,n=48r/min。
取A0=105，
則 d≥A03Pn=36.5525mm (3-28)
考慮到有鍵槽，軸徑增大5%，
d=36.5525×（1+5%）=38.3801≈40mm
因此選dmin=40mm
圖3-7 軸的載荷分布圖
由第三強(qiáng)度理論：
δca=M2+(αT)2W≤[δ-1] (3-29)
查表可知45號(hào)鋼的[δ-1]=60MPa，
軸的截面存在鍵，因此
W=πd332-bt(d-t)22d (3-30)
取α≈0.6，則δca=35.23MPa
許用彎曲應(yīng)力δca<[δ-1]，所以軸安全。
軸的剛度校核
軸上存在鏈輪，兩端存在鍵，因此視為階梯軸。加工計(jì)算中對(duì)計(jì)算精度要求不高，所以將其作為當(dāng)量直徑為dv的光軸。按材料力學(xué)中的公式計(jì)算：
dv=4Li=1Zlidi4 (3-31)
設(shè)計(jì)中，載荷作用于軸的兩端，L=l+k。
軸的彎曲剛度條件
撓度 y≤[y]
偏轉(zhuǎn)角 θ≤[θ]
軸的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算
扭轉(zhuǎn)角φ表示軸的扭轉(zhuǎn)變形
階梯軸 φ=5.37×1041LGi=1ZliTI (3-32)
扭轉(zhuǎn)剛度條件 φ≤[φ]
[φ]的取值0.5~1，計(jì)算φ=0.93241。
因此，軸的設(shè)計(jì)合格。
3.3 掃雪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 工作電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
原動(dòng)機(jī)2主要是用于為滾刷提供動(dòng)力，是作為工作電動(dòng)機(jī)使用的。在滾刷工作過(guò)程中，滾刷所消耗的功率主要包括：克服路面摩擦所消耗的功率，掃雪功率，克服空氣阻力的功率等。（本次設(shè)計(jì)忽略空氣阻力）
本次設(shè)計(jì)以每小時(shí)掃雪面積900m2,雪的平均密度0.25g/m3,積累的厚度為10cm。
則每小時(shí)完成掃雪量：22.5Kg，向前推進(jìn)3600m，則所消耗的功率
P1=mght=225W (3-33)
滾筒克服阻力矩 M=1.6Nm，轉(zhuǎn)速以n=150r/min,那么刷子消耗的功率
P2=M2πn=2.0724Kw (3-34)
則執(zhí)行部分所消耗的功率
P總=P1+P2=2.2974Kw (3-35)
選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，控制轉(zhuǎn)速在150r/min。選用的電機(jī)與原動(dòng)機(jī)1是一樣的型號(hào)：180WS250-150
3.3.2 掃雪輥的設(shè)計(jì)計(jì)算
掃雪輥主要是支撐滾刷，帶動(dòng)滾刷的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鍵與大帶輪相相連接。它的設(shè)計(jì)計(jì)算與動(dòng)力軸的設(shè)計(jì)計(jì)算相同，在校核時(shí)，應(yīng)為只有一端存在扭矩，所以校核不同。
計(jì)算公式：按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算
τt=TWT≈9550000Pn0.2d3≤[τt] （3-36）
得d≥A03Pn (3-37)
采用45號(hào)鋼，調(diào)值，硬度為217-255HBS
經(jīng)過(guò)帶輪傳動(dòng)后，它的功率P=2.1972Kw，轉(zhuǎn)速n=150r/min。
取A0=110
d≥A03Pn≈26.5837
有鍵槽，軸徑增大5%，所以d取28mm。
軸的校核
圖3-8 掃雪輥的載荷分布圖
由第三強(qiáng)度理論：
δca=M2+(αT)2W≤[δ-1] (3-38)
查表可知45號(hào)鋼的[δ-1]=60MPa，
軸的截面存在鍵，因此
W=πd332-bt(d-t)22d (3-39)
取α≈0.6，則δca=26.53MPa
許用彎曲應(yīng)力δca<[δ-1]，所以軸安全。
軸不涉及到彎曲強(qiáng)度的校核。軸的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算
扭轉(zhuǎn)角φ表示軸的扭轉(zhuǎn)變形
階梯軸 φ=5.37×1041LGi=1ZliTI (3-40)
扭轉(zhuǎn)剛度條件 φ≤[φ]
[φ]的取值0.5~1，計(jì)算φ=0.93241。
因此，軸的設(shè)計(jì)合格。
3.3.3 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、確定計(jì)算功率
電動(dòng)機(jī)每天約使用8-10小時(shí)左右，查表3-4得到工作情況系數(shù)=1.4。則計(jì)算功率為:
Pca=KA×P=1.4×2.2974=3.2164Kw （3-41）
2、小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算
初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑 dd1=224mm
驗(yàn)算帶速:
V=πdd1n60×1000≈5.2752m/s (3-42)
由于5m/s≤V≤30m/s,故帶速合適。
3、選定同步帶帶型和節(jié)距
由同步帶選型圖3-9可以看出，由于在這次設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號(hào)可以任意選取，現(xiàn)在選取H型帶，節(jié)距
表3-4 工作情況系數(shù)
圖3-9 同步帶選型圖
4、選取主動(dòng)輪齒數(shù)
查表3-5知道小帶輪最小齒數(shù)為14，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為41。
小帶輪節(jié)圓直徑確定
= （3-43）
表3-5 小帶輪最小齒數(shù)表
5、大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定
由于系統(tǒng)傳動(dòng)比為，所以大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù)，節(jié)距
6、帶速v的確定
（3-44）
7、初定軸間間距
根據(jù)公式
（3-45）
得
現(xiàn)在選取軸間間距為600mm。
8、同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定
=() （3-46）
==1720.67mm
9、帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=20。
10、基本額定功率的計(jì)算
（3-47）
查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表3-6可以知道
=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為
==0.21KW （3-48）
表3-6 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量
11、計(jì)算作用在軸上力
==71.6N （3-49）
3.3.4 同步帶的主要參數(shù)
1、同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度
在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)梯形齒同步帶的各種哨線長(zhǎng)度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長(zhǎng)度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見(jiàn)表3-7）。
表3-7 帶節(jié)線長(zhǎng)度表
2、帶的節(jié)距Pb
如圖3-10所示,對(duì)沿節(jié)線同步帶相鄰兩齒測(cè)量的長(zhǎng)度稱(chēng)為同步帶的節(jié)距。節(jié)距大小決定皮帶的尺寸和皮帶的每一部分。間距越大,皮帶的每個(gè)部分的尺寸越大,承載能力越高。因此,皮帶距是同步帶最重要的參數(shù)。梯形齒同步帶齒尺寸見(jiàn)表3-8。
3、帶的齒根寬度
一個(gè)帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強(qiáng)，相應(yīng)就能傳送較大的裁荷。
圖3-10 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
表3-8 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
3.3.5同步帶的設(shè)計(jì)
在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表3-9。帶的圖形如圖3-11。
表3-9 同步帶尺寸
型號(hào)
節(jié)距
齒形角
齒根厚
齒高
齒根圓角半徑
齒頂圓半徑
H
12.7
40。
6.12
4.3
1.02
1.02
圖3-11 同步帶
同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖3-12
圖3-12 同步帶輪結(jié)構(gòu)
4 掃雪機(jī)的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計(jì)
4.1.1 控制器
常用的工業(yè)控制系統(tǒng)中的主機(jī)芯片大多是PLC或者單片機(jī)，對(duì)于許多的控制要求和任務(wù)無(wú)論采用單片機(jī)方案還是PLC方案都能夠完成。
本次設(shè)計(jì)中，由于程序簡(jiǎn)單，需要處理的信息少。而由于PLC大多用于工業(yè)生成，它的穩(wěn)定性和抗干擾性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于民用級(jí)的單片機(jī)芯片，也正是因?yàn)檫@些功能和有點(diǎn)，所以?xún)r(jià)格昂貴。這樣顯然會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本，所以在本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了單片機(jī)。
單片機(jī)有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，如以下幾個(gè)方面
：
1、具有優(yōu)異的性能價(jià)格比
單片機(jī)的高性能、低價(jià)格是它最顯著的一個(gè)特點(diǎn)。單片機(jī)盡可能把應(yīng)用所需的存儲(chǔ)器、各種功能的陽(yáng)口都集成在一塊芯片內(nèi),使之成為名副其實(shí)的單片機(jī)。
2、集成度高、體積小、可靠性好
單片機(jī)內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu),減少了各芯片之間的連線,大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。
3、控制功能強(qiáng)
單片機(jī)體積雖小,但“五臟俱全”,它非常適用于專(zhuān)門(mén)的控制用途。一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、口的邏輯操作以及位處理功能,單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微型機(jī)算計(jì)。
4、低電壓、低功耗
許多單片機(jī)可在低電壓下工作,功耗非常低
。
圖4-1 H型式PWM晶體管功率放大器
圖4-2 PWM占空比為0
圖4-3 PWM占空比為50%
4.1.2伺服電機(jī)控制
設(shè)計(jì)中直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用PWM控制系統(tǒng)。圖4-1是PWM工作原理圖。PWM主要是控制脈沖寬度，來(lái)控制輸出電壓。當(dāng)脈沖寬度不變時(shí)，輸出的是額定電壓。如圖4-2所示。當(dāng)脈沖變化相同時(shí)，占空比為50%.如圖4-3所示。
4.1.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1、CPU與存儲(chǔ)器的接口電設(shè)計(jì)
圖4-4 CPU接口電路圖
圖4-4表示的是CPU與譯碼器、存儲(chǔ)器的接口電路圖。整體設(shè)計(jì)中，接線圖是主要的設(shè)計(jì)之一。從圖中可以看到，單片機(jī)接的是譯碼器，隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。通過(guò)計(jì)算機(jī)寫(xiě)完程序輸入到W27C512中存儲(chǔ)，控制開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，單片機(jī)開(kāi)始讀程序，輸出控制信號(hào)。
4.1.4伺服系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)
圖4-5 電機(jī)接口圖
電機(jī)與控制系統(tǒng)的接線圖。線路中有開(kāi)關(guān)控制按鈕，發(fā)光二極管顯示哪個(gè)開(kāi)關(guān)按下，行走電動(dòng)機(jī)和工作電動(dòng)機(jī)與控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM功率放大器相連，在于光電耦合器連接。整體與拓展接口8155相連。形成閉合控制系統(tǒng)。
4.2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1) 主機(jī)芯片：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
圖4-6 AT89S52外觀圖
標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。
（2）程序存儲(chǔ)器:W27C512是Winbond出的高速低功耗EEPROM，容量為512Kbits，也就是64KB*8bits/B。
（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:6264的容量為8KB，是28引腳雙列直插式芯片，采用CMOS工藝制造。6264的操作方式是由CE和CS共同決定的。a:寫(xiě)入的時(shí)候CE 為低電平，且CS為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打開(kāi)，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線D7～D0寫(xiě)入被選中的存儲(chǔ)單。b:讀出的時(shí)候CE 為低電平，且CS為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D7～D0上。c:保持的時(shí)候CE 為高電平，CS任意時(shí)，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，
圖4-7 6264接口圖
數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。
(4) 譯碼器：74LS138是當(dāng)一個(gè)選通端（E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（(/E2))和(/E3)）為低電平時(shí)，可將地址端（A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時(shí)，則Y6輸出端輸出低電平信號(hào)。
(5) 拓展接口：8155是2048位靜態(tài)內(nèi)存與I/O端口和定時(shí)器，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，8155是按外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的，為16位地址，其高8位由片選線提供，CE=0，選中該片。當(dāng) CE=0，IO/M =0時(shí)，選中8155片內(nèi)RAM，這時(shí)8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位編址為00H～FFH；當(dāng) CE=0，IO/M =1時(shí)，選中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0確定。這時(shí)，A、B、C口的口地址低8位分別為01H、02H、03H（設(shè)地址無(wú)關(guān)位為0）。
(6) 光電耦合器：光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管封裝在一起，通過(guò)光信號(hào)，突現(xiàn)電信號(hào)傳遞的器件。由于光電耦合器之間沒(méi)有直接俄的電氣連接，電信號(hào)是通過(guò)光信號(hào)傳遞的，所以又稱(chēng)光電隔離器。
TLP521是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)量?jī)x器，影印機(jī)，自動(dòng)售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等電路之間的信號(hào)傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。圖4-8是TLP521內(nèi)部原理圖
圖4-8 TLP521內(nèi)部原理圖
32
總結(jié)與展望
本次設(shè)計(jì)在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)和了解相關(guān)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，結(jié)合我國(guó)部分地區(qū)積雪的各種性質(zhì)和道路條件，設(shè)計(jì)的電動(dòng)掃雪機(jī)。除雪作業(yè)時(shí)，能夠結(jié)合當(dāng)前的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)速。工作完成后，可以將前端滾刷部抬起，減少毛刷的變形量。
主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是根據(jù)目前已存在的滾刷式掃雪機(jī)，提出了本文的電動(dòng)掃雪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的需要，采用直流無(wú)刷伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力?；谠O(shè)計(jì)方案與掃雪所需要的各項(xiàng)參數(shù)，選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。
結(jié)合設(shè)計(jì)方案與實(shí)際情況，采用單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制器。
隨著掃雪機(jī)器技術(shù)的不斷發(fā)展，從效能、多功能化、使用壽命等方面掃雪機(jī)器還有很大改善。由于時(shí)間和資料的關(guān)系，還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決：在雪物理機(jī)械性能參數(shù)都是參考文獻(xiàn)中得到的，我們還沒(méi)有實(shí)際的實(shí)驗(yàn)器材所以無(wú)法進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。對(duì)整體外觀及相關(guān)布局、零部件需要進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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致謝
通過(guò)這一段時(shí)間的努力，我終于完成了小型掃雪機(jī)掃雪伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部設(shè)計(jì)過(guò)程。
謝我的指導(dǎo)老師祁文軍教授。在我進(jìn)行本論文的設(shè)計(jì)期間，導(dǎo)師從開(kāi)題論證、方案設(shè)計(jì)到論文的完成都給予了我很大的幫助，每一個(gè)環(huán)節(jié)都傾注了祁老師大量的心血和精力。在論文的完成過(guò)程中，祁老師淵博的學(xué)識(shí)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我受益非淺。在此謹(jǐn)向他表示深深的敬意，并對(duì)他為學(xué)生所付出的大量心血表示衷心地感謝。感謝我的同學(xué)和朋友，在我畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給予的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正。
最后再次對(duì)關(guān)心、幫助、支持和鼓勵(lì)我的所有老師和同學(xué)表示感謝。