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為農(nóng)業(yè)機(jī)械提供位置數(shù)據(jù)測(cè)量
Herman Speckmann
原文來源:Federal Agricultural Research Centre Braunschweig (FAL), Institute for Biosystems Engineering, Bundesallee 50, D-38116 Braunschweig, Germany
摘要
農(nóng)業(yè)機(jī)械、車輛需要位置數(shù)據(jù)來指導(dǎo)和控制執(zhí)行最佳工作位置。位置數(shù)據(jù)也被需要用在像精細(xì)農(nóng)作這樣的應(yīng)用上。位置數(shù)據(jù)的必要的準(zhǔn)確性、分辨率和頻率依照不同的應(yīng)用而變化。只有一個(gè)系統(tǒng),安裝在中央車輛(例句、拖拉機(jī)),應(yīng)該提供對(duì)每項(xiàng)任務(wù)的位置數(shù)據(jù)。
提出的關(guān)于中央系統(tǒng)的基本概念是位置數(shù)據(jù)按照特定應(yīng)用程序計(jì)算并且直接被傳送到它需要被應(yīng)用到的那個(gè)點(diǎn)上。這片論文闡述了測(cè)量的基本原理和位置數(shù)據(jù)的計(jì)算，還對(duì)現(xiàn)有的傳送數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。它集中建議了一個(gè)提供和轉(zhuǎn)移位置數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。被討論的解決方案是以農(nóng)業(yè)BUS（總線）系統(tǒng)為基礎(chǔ)(DIN 9684, ISO 11783). ? 2000 Elsevier Science B.V. 版權(quán)所有.
1.前言
位置指導(dǎo)的目的是給生長在農(nóng)田里一個(gè)固定的區(qū)域上的莊稼帶來增產(chǎn)的方法。莊稼或者它們?cè)谵r(nóng)田里所處的位置是指導(dǎo)的重要參照。
位置數(shù)據(jù)被用來指導(dǎo)農(nóng)用車、實(shí)現(xiàn)控制和支持精耕農(nóng)業(yè)。準(zhǔn)確性、分辨率和頻率取決于他們的具體應(yīng)用。
必須強(qiáng)調(diào)的是本文沒有合適的解決這個(gè)問題的傳感器來產(chǎn)生數(shù)據(jù)。更確切的說,這里研究的問題是參照移動(dòng)單位的一定的位置進(jìn)行了一個(gè)位置信號(hào)產(chǎn)生,但是這個(gè)位置和需要的位置數(shù)據(jù)并不是完全一致的。此外，位置信息有可能在同一時(shí)間被需要用于幾種目的， 車輛和工具組合的結(jié)構(gòu)可能會(huì)經(jīng)常改變。
正如 Freyberger 和 Jahns (1999), Wilson (1999)所提到的， 測(cè)量系統(tǒng)可以是一個(gè)絕對(duì)定位系統(tǒng),比如Bell(1999)描述的衛(wèi)星系統(tǒng)，或者是一個(gè)相對(duì)的系統(tǒng)，比如Debain et al. (1999), Hague et al. (1999)描述的機(jī)器視覺系統(tǒng)。它可能也包括輔助傳感器。
傳感器只有在參考具體位置情況下測(cè)量位置，比如相機(jī)的安裝點(diǎn)、天線的底部。在接下來的描述中，這個(gè)位置被稱為測(cè)量點(diǎn)。由于各種原因,這位置測(cè)點(diǎn)的是預(yù)先設(shè)定好的，意味著衛(wèi)星天線將盡可能安裝在拖拉機(jī)的車頂上以便減少測(cè)量不到的區(qū)域。攝像機(jī)將會(huì)安裝在有保障最佳視覺的位置。粗糙或傾斜的表面引起的運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致測(cè)量位置和運(yùn)動(dòng)表面的位置不同。例如，一輛車頂上裝有衛(wèi)星天線的車輛，大約3.5m，駕駛在10°的斜坡表面，傾斜方向造成的區(qū)別相差60cm。圖1闡述了這個(gè)情形。在這個(gè)例子中，計(jì)算一個(gè)參考點(diǎn)的位置可能更適當(dāng)一些。貝爾(1999)提出把拖拉機(jī)的后方軸的中點(diǎn)作為參考點(diǎn)。表面上的一個(gè)點(diǎn)，例如，后方軸中間的下垂直面似乎顯得更適合與某些應(yīng)用。像一些應(yīng)用，比如控制實(shí)現(xiàn)，工具的一定點(diǎn)的位置可能最終重要。這個(gè)點(diǎn)將被稱作目標(biāo)點(diǎn)。
在某些情況下位置數(shù)據(jù)需要用于不同的目的，分別為每個(gè)目的以一種獨(dú)立的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量位置不是很有效。當(dāng)位置測(cè)量只有一次時(shí)多個(gè)硬件可以避免,同時(shí)工具上其他點(diǎn)的位置或者工具也被計(jì)算。假如位置和方法被測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和空間向量之間的地點(diǎn)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算是眾所周知的，那么這種情況是可能的。如果兩個(gè)點(diǎn)嚴(yán)格耦合,這意味著兩點(diǎn)都在拖拉機(jī)上、兩點(diǎn)之間的向量是常數(shù),一個(gè)簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算就能產(chǎn)生結(jié)果。如果這些點(diǎn)沒被嚴(yán)格耦合,這意味著,例如,一處拖拉機(jī),另一個(gè)是在附加工具上，矢量是可變的。額外的測(cè)量成為必要用來建立兩點(diǎn)之間的向量或必須應(yīng)用其他原理計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的位置。
2.數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移
通過計(jì)量點(diǎn)上的測(cè)量位置和方法，在車輛或工具上任何點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)可以被計(jì)算出來。計(jì)算結(jié)果可以被測(cè)量系統(tǒng)(中央數(shù)據(jù)處理)或由請(qǐng)求目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的各個(gè)系統(tǒng)(分布式數(shù)據(jù)處理)計(jì)算出來。
2.1 分布式數(shù)據(jù)處理
在分布式數(shù)據(jù)的情況下，測(cè)量系統(tǒng)僅作為智能傳感器服務(wù)。它測(cè)量需要的位置和計(jì)算，和提供這些未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)。頻率和精度等特點(diǎn)取決于請(qǐng)求的單位。這個(gè)單位執(zhí)行所有處理來計(jì)算位置。單位必須知道測(cè)點(diǎn)的位置和各有關(guān)參數(shù)。這樣處理的好處是測(cè)量裝置可以相對(duì)簡(jiǎn)單。另一方面,每個(gè)請(qǐng)求的單位需要的充分的能力來履行這一運(yùn)算。
2.2 中央數(shù)據(jù)處理
測(cè)量單位被擴(kuò)展包括計(jì)算目標(biāo)位置的各個(gè)組件。這個(gè)測(cè)量和處理系統(tǒng)形成了一個(gè)所謂的位置和導(dǎo)航服務(wù)的單元，這個(gè)單元提供任何目標(biāo)點(diǎn)的最終位置數(shù)據(jù)。在這種情況下,只有一個(gè)測(cè)量與處理系統(tǒng)是必要的，即使位置數(shù)據(jù)必須被更多的用戶要求。這樣做，只有PNS必須知道所有相關(guān)的參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。
2.3 數(shù)據(jù)傳送
無論數(shù)據(jù)在哪里處理，一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸是必要的。對(duì)于這樣一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)是適當(dāng)?shù)摹榱擞糜谵r(nóng)業(yè)領(lǐng)域,存在一個(gè)在移動(dòng)單位和固定農(nóng)場(chǎng)電腦之間傳輸數(shù)據(jù)的汽車。農(nóng)業(yè)總線系統(tǒng)(LBS)也已被標(biāo)準(zhǔn)化以便能在網(wǎng)路的各個(gè)電子單元（LBS節(jié)點(diǎn)或BUS節(jié)點(diǎn)）之間進(jìn)行信息交換。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)對(duì)象和常見任務(wù)的服務(wù)程序（Speckmann andJahns, 1999）。
LBS以DIN9684(DIN,1989–1998)作為標(biāo)準(zhǔn)。目前,正在努力建立一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)(Nienhaus,1993)，ISO 11783，為了這個(gè)目的，像LBS，ISO 11783也將定義一個(gè)農(nóng)業(yè)BUS作為一個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械交換數(shù)據(jù)的開放系統(tǒng)，特別是在拖拉機(jī)-執(zhí)行工具的組合和從移動(dòng)單位到靜止不動(dòng)的農(nóng)場(chǎng)計(jì)算機(jī)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是基于控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議(CAN; BOSCH, 1991)。市場(chǎng)上有相應(yīng)的硬件設(shè)備。
在LBS中,為一般位置數(shù)據(jù)(地理位置:經(jīng)度、緯度、高度,或軌道位置)的傳輸定義了數(shù)據(jù)對(duì)象。這標(biāo)準(zhǔn)允許定義的額外的數(shù)據(jù)對(duì)象,例如多維的距離，方向和速度。沒有幾何實(shí)施參數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)象目前存在在LBS中。ISO 11783提供，在第7部分(信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層），實(shí)施航行偏移的第一個(gè)定義?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒有定義數(shù)據(jù)在哪里進(jìn)行處理。因此，關(guān)于BUS中哪個(gè)單元計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，哪個(gè)或那些單元測(cè)量數(shù)據(jù)不具體。
LBS提供所謂的LBS服務(wù)來執(zhí)行常見任務(wù)。LBS服務(wù)是為LBS的參與者頻繁地執(zhí)行復(fù)發(fā)的任務(wù)的功能單元。LBS用戶站就是這樣的一項(xiàng)服務(wù)。這是一個(gè)為用戶提供輸入和輸出BUS上節(jié)點(diǎn)(BUS參與者)處置的數(shù)據(jù)中央接口。另一項(xiàng)服務(wù)提供在移動(dòng)單位和固定的電腦，農(nóng)場(chǎng)的電腦之間的數(shù)據(jù)交換。一些服務(wù)在LBS中被定義但尚未有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，例如診服務(wù)斷或“Ortung und Navigation”（位置和導(dǎo)航），將在下面作為PNS被討論。在圖2中，一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化方案展示了一個(gè)拖拉機(jī)-噴霧器的組合。這個(gè)圖表包括物理BUS線路，即骨干網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)BUS上，參與單元如拖拉機(jī)的電子控制單元(ECUs)、霧化器被連接協(xié)作起來。另外，兩項(xiàng)LBS服務(wù)也被連接到BUS上。一項(xiàng)服務(wù)代表LBS用戶站。另外一項(xiàng)是位置和導(dǎo)航服務(wù)，即位置數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理系統(tǒng)。
2.4 分布式和中央數(shù)據(jù)處理的比較
一個(gè)分布式數(shù)據(jù)處理，農(nóng)業(yè)BUS，根據(jù)DIN 9684 或者ISO 11783， 定義了在測(cè)量系統(tǒng)和任何參賽者之間必要的數(shù)據(jù)交換；獨(dú)自地，任何一個(gè)ECU。每一個(gè)ECU怎樣得到計(jì)算機(jī)位置數(shù)據(jù)計(jì)算必要的幾何和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的問題保持開放。每一個(gè)ECU知道從各自的結(jié)合點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的參數(shù)，但它不知道從結(jié)合點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的參數(shù)。這些參數(shù)必須由其他ECU提供。沒有標(biāo)準(zhǔn)定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象或請(qǐng)求數(shù)據(jù)的程序。對(duì)于分布式數(shù)據(jù)處理，這些定義必須補(bǔ)充。
另外,對(duì)于中央數(shù)據(jù)處理，一定要知道測(cè)量點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間所有的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。此外，方法必需被定義以便使用中央服務(wù)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。一個(gè)位置和導(dǎo)航服務(wù)需要擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，但以下的優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際使用中是至關(guān)重要的。
● 為了確定目標(biāo)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù),相應(yīng)的控制單元(ECU)只有一個(gè)對(duì)話伙伴網(wǎng)絡(luò)。它獨(dú)立工作于各自的網(wǎng)絡(luò)配置，僅僅發(fā)送自己的參數(shù)和只接受它特定位置數(shù)據(jù)。
● PNS從所有的ECU上接受參數(shù)。它知道所有一切幾何條件和車輛-工具組合的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，任何目標(biāo)點(diǎn)位置的確定是可能的。
● 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義了計(jì)算程序和明確的提出了目標(biāo)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。
● 計(jì)算位置數(shù)據(jù)的計(jì)算性能完全由PNS提供。沒有計(jì)算能力需要用于這個(gè)目的。
在前一節(jié)提到，提供位置和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的服務(wù)已經(jīng)在LBS的計(jì)劃中。在下文中，將提到PNS的一個(gè)試?yán)鉀Q方案。
3.一項(xiàng)定位和導(dǎo)航服務(wù)的提議
此時(shí)，應(yīng)當(dāng)指出，下面的PNS的介紹是一項(xiàng)建議。它提供了一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行討論，這可能導(dǎo)致這個(gè)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化。
3.1 PNS的主要特征
PNS的特征首先依賴于它的使用目的。從前面所講的，很明顯的是，測(cè)量的位置數(shù)據(jù)在一個(gè)地點(diǎn)，用在不同的地點(diǎn)。為了提供需要的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)車輛，控制工具的位置和協(xié)助任何一種精耕農(nóng)業(yè)，下面的條件必須滿足：
PNS提供有關(guān)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
PNS提供有關(guān)參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
PNS提供有關(guān)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
這項(xiàng)服務(wù)的特點(diǎn)如下：
1.數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和傳播的方式已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)被LBS (DIN 9684)定義和將被ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)化。因此，它將不會(huì)在此討論。在下面,LBS將作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的農(nóng)業(yè)BUS系統(tǒng)被使用。
2.數(shù)據(jù)的容量、準(zhǔn)確性、頻率和范圍是由數(shù)據(jù)的目的決定的。
3.滿足這些要求的硬件和軟件不應(yīng)被規(guī)范,應(yīng)該取決于生產(chǎn)廠家。
3.2關(guān)于位置數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)的影響
各種測(cè)量系統(tǒng)和PNS中用于決定位置數(shù)據(jù)的方法不再標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)?；谛l(wèi)星,機(jī)器視覺、慣性導(dǎo)航、地磁或這些情況的組合可能被應(yīng)用。作為一種結(jié)果,生產(chǎn)企業(yè)可以決定如何產(chǎn)生位置數(shù)據(jù)，只要他滿足了規(guī)定的要求和準(zhǔn)確性。
3.3 PNS在農(nóng)業(yè)BUS系統(tǒng)中的整合
在LBS中整合定位和導(dǎo)航服務(wù)存在一些好處，因?yàn)樵S多特性已經(jīng)被定義。LBS已經(jīng)包括在PNS的選項(xiàng)作為試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。它允許實(shí)現(xiàn)服務(wù)作為一個(gè)獨(dú)立的物理單位或者為另外一個(gè)物理單位的邏輯單位。BUS接口和BUS協(xié)議的物理性能(DIN 9684, part 2)已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)定義。為LBS中服務(wù)的集成，系統(tǒng)的功能的定義是果斷的(DIN 9684，part3)。他們?cè)贚BS中定義節(jié)點(diǎn)的性能。第三部分也給了LBS服務(wù)一般的定義。
一項(xiàng)LBS服務(wù)形成與LBS參與者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。LBS參與者使用服務(wù)時(shí)不會(huì)被其它使用者影響，一個(gè)LBS參與者也不能影響其他參與者對(duì)服務(wù)的使用。所有進(jìn)一步PNS的定義還不規(guī)范。
3.4 PNS操作的一般模式
PNS設(shè)計(jì)應(yīng)用以下的基本假設(shè)：
1.每一個(gè)ECU的只知道它自己的參數(shù)，包括參考點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)位置、車輛類型或軸距的坐標(biāo)和數(shù)量。
2.只有ECU根據(jù)工作條件可以定義必要的時(shí)間間隔,準(zhǔn)確度和位置數(shù)據(jù)的分辨。
3.每一個(gè)ECU的可以選擇不同的任意時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)。
4.參數(shù)和計(jì)算和提供的位置數(shù)據(jù)的方法將會(huì)在田野機(jī)械開始運(yùn)作過程之前被定義。
5.PNS提供了一些程序?yàn)閷?shí)施標(biāo)準(zhǔn)和車輛類型計(jì)算位置數(shù)據(jù)。
6.位置數(shù)據(jù)自動(dòng)（周期性）地或根據(jù)需求被提供。
為了滿足這些要求,服務(wù)窗口提供適當(dāng)?shù)墓ぞ?，同時(shí) ECUs 決定如何使用及使用哪個(gè)工具。這意味這它們定義一個(gè)或者多個(gè)任務(wù)。這樣一項(xiàng)任務(wù)基本上代表了一個(gè)命令表，包括激活具體工具使用的命令。這些任務(wù)被送到PNS，隨后PNS執(zhí)行這些任務(wù)。一個(gè)ECU的不同的任務(wù)相互獨(dú)立的被執(zhí)行。
圖3闡明了PNS與一個(gè)ECU之間的數(shù)據(jù)傳遞。同時(shí)，也顯示了PNS的主要部分。PNS的這些工具包括位置測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及一系列處理這些數(shù)據(jù)的程序方法。程序如下：
1. 計(jì)算位置數(shù)據(jù)(位置程序)；
2. 計(jì)算位置數(shù)據(jù)值的平均值,最大值、最小值和積分的方法(算術(shù)程序)；
3. 輸入和輸出數(shù)據(jù)(傳輸程序)；
4. 傳遞數(shù)據(jù)到ECU（傳遞程序）；
5. 控制數(shù)據(jù)處理（數(shù)據(jù)控制程序）；
為了這些方法的執(zhí)行，ECU必須定義相應(yīng)的參數(shù)。它同時(shí)也定義位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)對(duì)象。
PNS的主要工具是一項(xiàng)執(zhí)行ECU定義的任務(wù)的程序系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，程序系統(tǒng)解釋任務(wù)指令，調(diào)動(dòng)相應(yīng)的方法，計(jì)算要求的位置以及把數(shù)據(jù)送到ECU（電子控制單元）。
為了一項(xiàng)任務(wù)的定義，ECU生成一個(gè)任務(wù)庫。一個(gè)務(wù)庫主要是一系列調(diào)動(dòng)PNS的程序法或者調(diào)動(dòng)內(nèi)嵌的任務(wù)庫的指令。各種參數(shù)被定義并且放置在參數(shù)庫里。為了存儲(chǔ)被計(jì)算的位置數(shù)據(jù)，ECU必需定義數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫必需在激發(fā)相應(yīng)任務(wù)程序之前通過BUS從ECU傳送到達(dá)PNS。
3.5 PNS預(yù)定義的程序
PNS預(yù)定義的程序是一些處理位置數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)處理的程序。不同的程序執(zhí)行不同的功能。不同的程序被一些獨(dú)特的標(biāo)識(shí)符區(qū)別。這些程序被稱為“內(nèi)部任務(wù)”（任務(wù)庫）。他將會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)的一部分用來定義標(biāo)識(shí)符，功能規(guī)格和調(diào)用程序規(guī)格。
3.5.1 位置程序
位置程序（計(jì)算位置數(shù)據(jù)的程序）是計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。這些方法計(jì)算從最初的位置(輸入位置數(shù)據(jù)、資料的參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)或以前計(jì)算的數(shù)據(jù)）到一種新的點(diǎn)的位置(輸出的位置數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的目標(biāo)點(diǎn)或作為中間結(jié)果)。位置程序能夠滿足不同結(jié)構(gòu)位置的計(jì)算（考慮一、二或三維模型，嚴(yán)格耦合點(diǎn)，幾個(gè)基本類型車輛的不嚴(yán)格耦合點(diǎn)，工具和車輛-工具的結(jié)合）。這些程序從有關(guān)ECU執(zhí)行定義的參數(shù)庫得到他們的實(shí)際參數(shù)(目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo),車輛的長度、寬度、高度、類型或軸距)這是確定的有關(guān)實(shí)施ECU的。
圖4顯示了使用一個(gè)位置程序的一段任務(wù)庫。PNS的程序系統(tǒng)執(zhí)行這個(gè)程序庫。在任務(wù)庫的某一點(diǎn)上，它發(fā)現(xiàn)調(diào)用位置程序的指令。這個(gè)調(diào)用指令包括特定程序的標(biāo)識(shí)符和有關(guān)參數(shù)庫的引用。這時(shí)，程序系統(tǒng)擁有由以上的操作產(chǎn)生的實(shí)際位置數(shù)據(jù)。現(xiàn)在它使用這些實(shí)際數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù),和引用參數(shù)庫用于位置程序。然后，它執(zhí)行特定的程序。該程序使用指定的參數(shù)計(jì)算輸出的位置數(shù)據(jù)。然后，它返回到程序系統(tǒng)。位置程序的輸出數(shù)據(jù)成為新的實(shí)際位置數(shù)據(jù)。程序系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。
3.5.2 算術(shù)程序
算術(shù)方法被用來計(jì)算位置數(shù)據(jù)的平均值,最大值、最小值或者積分值。一個(gè)算術(shù)程序從程序系統(tǒng)的實(shí)際位置數(shù)據(jù)或從特定數(shù)據(jù)庫得到位置輸入數(shù)據(jù)。它使用在調(diào)用指令里決定的參數(shù)庫中的參數(shù)計(jì)算輸出位置數(shù)據(jù)。然后，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在一個(gè)被定義的數(shù)據(jù)庫里。
圖5展示了一個(gè)算術(shù)程序使用的例子。在任務(wù)庫的某一點(diǎn)上，它發(fā)現(xiàn)調(diào)用算術(shù)程序的指令。這個(gè)調(diào)用包括具體程序的標(biāo)識(shí)符,一個(gè)有關(guān)參數(shù)庫的引用,一個(gè)目的數(shù)據(jù)庫的引用和源數(shù)據(jù)庫選擇性的引用。這個(gè)程序系統(tǒng)采用實(shí)際數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)用于程序計(jì)算。根據(jù)調(diào)用規(guī)格,算術(shù)程序從程序系統(tǒng)(沒有定義的數(shù)據(jù)庫參考)或一種數(shù)據(jù)資源(數(shù)據(jù)資源I)得到輸入數(shù)據(jù)。它計(jì)算被要求的值并把計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫里（數(shù)據(jù)庫II）。計(jì)算參數(shù)是從定義的參數(shù)庫中得到的。程序發(fā)揮到程序系統(tǒng)并繼續(xù)執(zhí)行。實(shí)際的位置數(shù)據(jù)沒有被改變。
3.5.3 傳輸程序
PNS定義了三種類型的傳輸程序。輸入程序是用來裝載作為實(shí)際位置數(shù)據(jù)的確定的數(shù)據(jù)庫位置數(shù)據(jù)到PNS的程序系統(tǒng)。輸出程序存儲(chǔ)實(shí)際位置數(shù)據(jù)到一個(gè)在調(diào)用指令里預(yù)先定義了的數(shù)據(jù)庫。輸入/輸出程序被用來從一個(gè)源數(shù)據(jù)庫到目的數(shù)據(jù)庫之間傳輸數(shù)據(jù)。
圖6顯示了一個(gè)使用輸入和輸出程序的例子。輸入程序的調(diào)用指令包括具體程序的標(biāo)識(shí)符和源數(shù)據(jù)庫的引用。在執(zhí)行輸入程序之前，程序系統(tǒng)為程序提供源數(shù)據(jù)庫的引用。然后，程序執(zhí)行和得到位置數(shù)據(jù)，并將它作為實(shí)際位置數(shù)據(jù)返回給程序系統(tǒng)。以前的實(shí)際位置數(shù)據(jù)被損壞。系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于輸出程序的使用，實(shí)際位置數(shù)據(jù)與目的位置數(shù)據(jù)庫提供參考。輸出程序?qū)?shí)際數(shù)據(jù)放到目的數(shù)據(jù)庫并返回到程序系統(tǒng)。實(shí)際位置數(shù)據(jù)仍然有效。
3.5.4 傳遞程序
傳遞程序發(fā)送具體的位置數(shù)據(jù)到ECU。源數(shù)據(jù)在調(diào)用指令(或一個(gè)數(shù)據(jù)庫或程序系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù))里被定義。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)傳遞程序時(shí)，它得到具體的位置數(shù)據(jù)并傳送到ECU。
3.5.5 數(shù)據(jù)控制程序
數(shù)據(jù)控制程序控制一個(gè)任務(wù)庫的執(zhí)行。程序流程是控制時(shí)間或距離。PNS的程序系統(tǒng)調(diào)查任務(wù)庫。假如確定的時(shí)間間隔已過期或已超出距離限制，程序?qū)?zhí)行下列指令。否則，程序系統(tǒng)跳到數(shù)據(jù)庫的結(jié)尾。
畢業(yè)設(shè)計(jì)
樹木保暖機(jī)械的設(shè)計(jì)
72
摘要
本課題來源于生產(chǎn)實(shí)際,目前，我國正在大力加強(qiáng)植樹造林建設(shè)，特別是江蘇沿海地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個(gè)問題，需要大量的人力來投入，而現(xiàn)在，國家倡導(dǎo)綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了樹木保暖機(jī)，也即為樹木保暖機(jī)。
整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、機(jī)架、傳動(dòng)帶、蝸桿減速器構(gòu)成。由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過同步同步帶輪減速器將需要的動(dòng)力傳遞到同步同步帶輪上，同步同步帶輪1帶動(dòng)帶同步同步帶輪2，從而帶動(dòng)整機(jī)裝置運(yùn)動(dòng).
本論文研究?jī)?nèi)容摘要：
(1) 自動(dòng)包樹機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2) 自動(dòng)包樹機(jī)工作性能分析。
(3)電動(dòng)機(jī)的選擇。
(4)對(duì)自動(dòng)包樹機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機(jī)架設(shè)計(jì)。
(5)對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核。
(6)繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖。?
?
關(guān)鍵詞：自動(dòng)包樹機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，樹木保暖機(jī)
Abstract
?
Keywords:
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 5
第1章 緒論 5
第2章 自動(dòng)包樹機(jī)方案設(shè)計(jì) 8
2.1 動(dòng)力系統(tǒng)選擇依據(jù) 8
2.2 常見機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用 8
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 11
1. 總體方案設(shè)計(jì) 11
2. 產(chǎn)品功能及特色 15
第3章 自動(dòng)包樹機(jī)傳動(dòng)部分的計(jì)算 16
3.3 電機(jī)的選取 16
4.1 確定傳動(dòng)裝置效率 19
4.2 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.2.1 選擇蝸桿、蝸輪材料 20
4.2.2 確定蝸桿頭數(shù)Z及蝸輪齒數(shù)Z 20
4.2.3 驗(yàn)算的速度 20
4.2.4 確定蝸桿蝸輪中心距a 20
4.2.5 蝸桿傳動(dòng)幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 21
4.3 環(huán)面蝸輪蝸桿校核計(jì)算 23
4.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
4.4.1 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 25
4.4.2 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 28
4.5 軸的校核 31
4.5.1 蝸桿軸的強(qiáng)度校核 31
4.5.2 蝸輪軸的強(qiáng)度校核 34
4.6 滾動(dòng)軸承的選擇及校核 37
4.6.1 蝸桿軸滾動(dòng)軸承的選擇及校核 37
4.6.2 蝸輪軸上軸承的校核 39
4.7 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核 40
4.7.1 蝸桿軸上安裝聯(lián)軸器處的鍵聯(lián)接 40
4.7.2 蝸輪軸上裝蝸輪處的鍵聯(lián)接 41
所以，，所選平鍵合適。 41
3.2.1同步帶介紹 41
3.2.2 同步帶的特點(diǎn) 42
3.2.3 同步帶傳動(dòng)的主要失效形式 42
3.2.4 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 45
3.2.5 同步帶分類 45
3.4 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 46
3.4.1 同步帶計(jì)算選型 46
3.4.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 49
3.4.3 同步帶的設(shè)計(jì) 51
3.4.4 同步同步帶輪的設(shè)計(jì) 51
第5章 繩子纏繞提升部分設(shè)計(jì)計(jì)算 52
5.1 精度的選擇 52
5.2絲杠導(dǎo)程的確定 52
5.3 最大工作載荷的計(jì)算 52
5.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 53
5.5 滾珠絲杠螺母副的選型 53
5.6 滾珠絲杠副的支承方式 54
5.7 傳動(dòng)效率的計(jì)算 54
5.8 剛度的驗(yàn)算 54
5.9 穩(wěn)定性校核 55
5.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 56
3.3.2 初步計(jì)算齒輪主要參數(shù) 57
3.3.3 按彎強(qiáng)度曲初算模數(shù)m 60
3.3.4 齒輪疲勞強(qiáng)度校核 61
結(jié) 論 68
參考文獻(xiàn) 69
致 謝 70
第1章 緒論
第1章 緒論
2 3
在國家“十二五”規(guī)劃中，提出了生態(tài)文化是中華傳統(tǒng)文化、和諧文化的重要組成
部分，是支撐生態(tài)文明的基礎(chǔ)。國家林業(yè)局第七次全國森林資源清查結(jié)果顯示，全國森
林面積達(dá)到 1.95 億 hm ，森林覆蓋率達(dá)到 20.36%，森林蓄積量為 137.21 億 m 。從以
上統(tǒng)計(jì)數(shù)字可以看出，我國森林資源的平均水平依然很低，雖然我國的森林面積居世界
第五位， 但森林覆蓋率只相當(dāng)于世界森林覆蓋率（31.7%）的 64%；全國人均森林面積
相當(dāng)于世界人均水平的 25%。另外， 我國的森林質(zhì)量不高， 單位面積森林蓄積量?jī)H為
世界平均水平的 84.8%。為了進(jìn)一步提高我國的森林覆蓋率及生態(tài)環(huán)境，發(fā)展生態(tài)文化，
需要開展大規(guī)模的造林工程，大面積地進(jìn)行植樹造林活動(dòng)。人工造林投入大、產(chǎn)出少、
用工多，效率低、速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而使用機(jī)械造林則可以解決這些問題。造林機(jī)
械化是造林工程的發(fā)展方向，而要進(jìn)行機(jī)械化造林就必須有配套的造林機(jī)械。
第2章 自動(dòng)包樹機(jī)方案設(shè)計(jì)
2.1 動(dòng)力系統(tǒng)選擇依據(jù)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。
液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤滑性能好、壽命長的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機(jī)械手能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)適用于無污染，有電就可以工作，操作簡(jiǎn)單方便，在工作場(chǎng)合只需要接通電源即可工作，而工作場(chǎng)合在各個(gè)大樓區(qū)域，很容易找到電源。
根據(jù)上述說明最終選擇電動(dòng)機(jī)的作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。
2.2 常見機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用
類型
特點(diǎn)
應(yīng)用
連桿機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠，傳動(dòng)距離較遠(yuǎn)，傳遞載荷較大，可實(shí)現(xiàn)急回運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但不易獲得勻速運(yùn)動(dòng)或其他任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律，傳動(dòng)不平穩(wěn)，沖擊與振動(dòng)較大。
用于從動(dòng)件行程較大或承受重載的工作場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、擺動(dòng)等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡。
凸輪機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，可獲得任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但動(dòng)載荷較大，傳動(dòng)效率較低。
用于從動(dòng)件行程較小和載荷不大以及要求特定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的場(chǎng)合。
非圓齒輪機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，從動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，但齒輪制造較困難
用于從動(dòng)件作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和要求有特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律的場(chǎng)合。
槽輪間歇機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從動(dòng)件轉(zhuǎn)位較平穩(wěn)，而且可實(shí)現(xiàn)任意等時(shí)的單向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，但當(dāng)撥盤轉(zhuǎn)速較高時(shí)，動(dòng)載荷較大
常用作自動(dòng)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，特別適用于轉(zhuǎn)位角度在45°以上的低速傳動(dòng)。
凸輪式間歇機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)載荷較小，從動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)任何預(yù)期的單向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，但凸輪制造困難
用作高速分度機(jī)構(gòu)或自動(dòng)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。
不完全齒輪機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，從動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)較大范圍的單向間歇傳動(dòng)，但嚙合開始和終止時(shí)有沖擊，傳動(dòng)不平穩(wěn)
多用作輕工機(jī)械的間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
螺旋機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲，減速比大；可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)與直線移動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲，互換；滑動(dòng)螺旋可做成自鎖螺旋機(jī)構(gòu)；工作速度一般很低，只適用于小功率傳動(dòng)
多用于要求微動(dòng)或增力的場(chǎng)合，如機(jī)床夾具以及儀器、儀表，還用于將螺母的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z桿的直線運(yùn)動(dòng)的裝置。
摩擦輪機(jī)構(gòu)
有過載保護(hù)作用；軸和軸承受力較大，工作表面有滑動(dòng)，而且磨損較快；高速傳動(dòng)時(shí)壽命較低
用于儀器及手動(dòng)裝置以傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圓柱齒輪機(jī)構(gòu)
載荷和速度的許用范圍大，傳動(dòng)比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高；制造和安裝精度要求較高，精度低時(shí)傳動(dòng)噪聲較大，無過載保護(hù)作用；斜齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)，但在傳動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生軸向力，在使用時(shí)必須安裝推力軸承或角接觸軸承
廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)，傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速或增速、變速以及換向等。
齒輪齒條機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，傳動(dòng)效率高，易于實(shí)現(xiàn)較長的運(yùn)動(dòng)行程；當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度較高或?yàn)樘岣哌\(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性時(shí)，可采用斜齒或人字齒條機(jī)構(gòu)
廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器的傳動(dòng)系統(tǒng)，變速操縱裝置，自動(dòng)機(jī)的輸送、轉(zhuǎn)向、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及直動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置
圓錐齒輪機(jī)構(gòu)
用來傳遞兩相交軸的運(yùn)動(dòng)；直齒圓錐齒輪傳遞的圓周速度較低，曲齒用于圓周速度較高的場(chǎng)合
用于減速、轉(zhuǎn)換軸線方向以及反向的場(chǎng)合，如汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等。
螺旋齒輪機(jī)構(gòu)
常用于傳遞既不平行又不相交的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)，但其齒面間為點(diǎn)嚙合，且沿齒高和齒長方向均有滑動(dòng)，容易磨損，因此只宜用于輕載傳動(dòng)
用于傳遞空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)。
蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，可做成自鎖蝸桿；自鎖蝸桿傳動(dòng)的效率很低，低速傳動(dòng)時(shí)磨損嚴(yán)重，中高速傳動(dòng)的蝸輪齒圈需貴重的減摩材料(如青銅)，制造精度要求較高，刀具費(fèi)用昂貴
用于大傳動(dòng)比減速裝置(但功率不宜過大)、增速裝置、分度機(jī)構(gòu)、起重裝置、微調(diào)進(jìn)給裝置、省力的傳動(dòng)裝置
行星齒輪機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，制造和安裝精度要求高，其他特點(diǎn)同普通齒輪傳動(dòng)；主要有漸開線齒輪、擺線針輪、諧波齒輪3種齒形的行星傳動(dòng)
常作為大速比的減速裝置、增速裝置、變速裝置，還可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解。
帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
軸間距離較大，工作平穩(wěn)無噪聲，能緩沖吸振，摩擦式帶傳動(dòng)有過載保護(hù)作用；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝要求不高，外廓尺寸較大；摩擦式帶傳動(dòng)有彈性滑動(dòng)，不能用于分度系統(tǒng)；摩擦易起電，不宜用于易燃易爆的場(chǎng)合；軸和軸承受力較大，傳動(dòng)帶壽命較短
用于傳遞較遠(yuǎn)距離的兩軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。
鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
軸向距離較大，平均傳動(dòng)比為常數(shù)，鏈條元件間形成的油膜有吸振能力，對(duì)惡劣環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，工作可靠，軸上載荷較?。凰矔r(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻，高速時(shí)不如帶傳動(dòng)平穩(wěn)；鏈條工作時(shí)因磨損伸長后容易引起共振，一般需增設(shè)張緊和減振裝置。
用于傳遞較遠(yuǎn)距離的兩軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
根據(jù)上述表格和任務(wù)書條件，初步選擇渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。但是由于上升過程中不得出現(xiàn)打滑和倒退現(xiàn)象，減速比比較大。最終渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
1. 總體方案設(shè)計(jì)
在生長于地面的樹木不動(dòng)的情況下，要對(duì)樹干部分纏繞草繩，就必須使草繩圈圍繞樹干作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繩圈自身要能自轉(zhuǎn)，這樣才能保證草繩源源不斷地繞在樹干上，且不會(huì)發(fā)生干涉、打結(jié)現(xiàn)象。另外，要使草繩能緊密的纏繞在樹干上，還必須保證草繩在纏繞過程中能穩(wěn)定上升，不出現(xiàn)重疊或縫隙。事實(shí)上，只要草繩在每圈上升一個(gè)繩徑(d)的距離，并不需要?jiǎng)蛩偕仙竺娴牟堇K便會(huì)在前面纏繞的草繩的導(dǎo)引下實(shí)現(xiàn)緊密排列。針對(duì)以上兩點(diǎn)，我，們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1的自動(dòng)包樹機(jī)。包樹機(jī)主要由底板機(jī)架、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制裝置五部分組成，能適應(yīng)不同胸徑的樹木，并且草繩纏繞的緊密度與高度在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
圖1 包樹機(jī)主體效果圖
1.手推柄 2.張緊輪 3.軸承座 4.軸 5.摩擦輪 6.張緊螺釘 7.儲(chǔ)繩筒 8.絲杠1 9.螺母及滑塊1 10.光軸 11.導(dǎo)繩桿 12.固定齒輪1 13.轉(zhuǎn)盤 14.固定貼板 15.導(dǎo)軌 16. 絲杠2 17. 螺母及滑塊2 18. 固定齒輪2 19.排線齒輪 20.軸 21.調(diào)整塊 22.螺釘 23.支架 24.底板 25.車輪 26.從動(dòng)同步帶輪 27.張緊螺母 28.張緊輪支架 29.普通V帶 30.減速器 31.蓄電池 32.螺栓 33.直流電機(jī) 34.主動(dòng)同步帶輪
1.1工作原理及過程
如圖1，包樹前，先將草繩圈置于儲(chǔ)繩筒上。然后推動(dòng)小車，使樹木通過轉(zhuǎn)盤及導(dǎo)軌的缺口進(jìn)入到轉(zhuǎn)盤中央。再將最外面的繩頭穿過導(dǎo)繩孔,系在樹干上。工作時(shí)，直流電機(jī)通過減速器帶動(dòng)主動(dòng)同步帶輪，進(jìn)而通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到兩同步摩擦輪，從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包樹功能。
包樹時(shí)，轉(zhuǎn)盤帶著儲(chǔ)繩筒繞樹作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)儲(chǔ)繩筒在草繩的牽引下不斷自轉(zhuǎn)，不斷給繩，從而使草繩源源不斷地纏繞在樹干上。當(dāng)排線齒輪碰到固定齒輪1時(shí)，會(huì)有一段嚙合區(qū)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠。由于排線螺母被滑塊約束，其自身不能自轉(zhuǎn)，于是在齒輪嚙合過程中沿著絲杠上升半個(gè)繩徑（d/2）的距離。同理，在碰到固定齒輪2時(shí)又上升半個(gè)繩徑(d/2)距離。如此往復(fù)，在每圈中纏繞過程中都能上升一個(gè)繩徑(d)的距離，從而實(shí)現(xiàn)緊密排列。到達(dá)預(yù)定的極限位置時(shí)，螺母便會(huì)觸動(dòng)極限開關(guān)，電路便自動(dòng)斷開，包樹結(jié)束。
包樹結(jié)束時(shí)，只需將草繩剪斷，打個(gè)結(jié)即可。接著就可以退出小車，反方向纏繞下一棵樹。
1.2主要組成部分
1.2.1底板機(jī)架
底板機(jī)架的主要功能為固定和連接其它四個(gè)功能裝置，還可以通過它方便的移動(dòng)包樹機(jī)。其大小及結(jié)構(gòu)主要由上面的主體機(jī)構(gòu)決定，效果圖如圖2所示。
1.2.2動(dòng)力裝置
考慮到包樹過程負(fù)載較小，所需轉(zhuǎn)速也不大，以及室外使用等因素，動(dòng)力裝置采用由蓄電池驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)，配合減速換向裝置使用。動(dòng)力裝置主要參數(shù)如表1所示：
表1 動(dòng)力裝置主要參數(shù)
額定電壓
額定電流
額定功率
轉(zhuǎn)速
24V
5A
120W
220r/min
1.2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要將動(dòng)力傳給包樹執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由同步帶輪、同步帶、張緊裝置、摩擦輪組成，帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)相對(duì)較遠(yuǎn)距離的動(dòng)力傳送，摩擦輪壓緊轉(zhuǎn)盤，將動(dòng)力傳送給轉(zhuǎn)盤，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2：
圖2 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包樹執(zhí)行機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤及導(dǎo)軌，排線裝置，儲(chǔ)繩裝置三大部分組成，共同完成了包樹功能。其中排線裝置和儲(chǔ)繩裝置要成對(duì)使用，筆者建議采用兩對(duì)，不僅使效率提高一倍，還充分利用了轉(zhuǎn)盤上的空間，另外還能平衡負(fù)載，防止轉(zhuǎn)盤傾覆；減小轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡量，減小振動(dòng)。具體如圖3所示。
因?yàn)榇蟛糠謽渚鶠樨Q直生長，所以包樹機(jī)需有一缺口以方便樹木進(jìn)入到轉(zhuǎn)盤中央，同時(shí)為使機(jī)器能平穩(wěn)運(yùn)行，不致產(chǎn)生過大噪音和摩擦，應(yīng)采用導(dǎo)軌引導(dǎo)。導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)盤缺口處應(yīng)采用平滑過渡以避免過大剛性沖擊。
排線裝置主要為保證繞繩緊密，排列有序，避免每匝繩之間有過大間隙，確保能起到保溫保濕效果。排線裝置的核心部件為光桿、固定齒輪（參見圖1）、排線齒輪、絲桿和螺母，絲桿底端的排線齒輪，可帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并與底座齒輪間歇嚙合。光桿固定在轉(zhuǎn)盤上，絲桿在轉(zhuǎn)盤上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母與絲桿配合，且被光桿約束，只能上下移動(dòng)。整個(gè)裝置隨轉(zhuǎn)盤一起運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤每旋轉(zhuǎn)一周，齒輪和絲桿也通過與另外兩個(gè)齒輪嚙合傳動(dòng)，使絲桿被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)特定角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)螺母上升（或下降）一定距離，保證草繩逐漸上升（或下降）。
轉(zhuǎn)盤及導(dǎo)軌
儲(chǔ)繩裝置
排線裝置
圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)效果圖
繞線機(jī)構(gòu)主要是為了實(shí)現(xiàn)將繞有繩子的線筒置于轉(zhuǎn)盤上，為排線機(jī)構(gòu)連續(xù)提供繩子，同時(shí)避免繩子纏死和打結(jié)。線筒軸置于轉(zhuǎn)盤上，并可在轉(zhuǎn)盤上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，線筒拆卸方便，并可固定在線筒軸上。當(dāng)繩子用完后，更換線筒即可。同時(shí)包樹的松緊可通過改變繩子與導(dǎo)線孔的摩擦及線筒轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2. 產(chǎn)品功能及特色
(1)目前市場(chǎng)上還沒有能給未挖起的樹木纏繞草繩的機(jī)械裝置。而此機(jī)器采用了特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)了此功能,樹可以通過轉(zhuǎn)盤上的缺口直接進(jìn)入轉(zhuǎn)盤的中心，因此可以用于已經(jīng)植好的樹木。為了傳動(dòng)這個(gè)轉(zhuǎn)盤，此機(jī)器采用“兩點(diǎn)傳動(dòng)”的方式——兩個(gè)摩擦輪在不同位置同時(shí)和轉(zhuǎn)盤接觸，從而保證在任何時(shí)間，至少有一個(gè)摩擦輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤。
(2)此機(jī)器采用了專門的排線裝置，不僅可以保證草繩纏繞的緊密度，還能在保證纏線緊密地前提下對(duì)一定范圍內(nèi)任意直徑的樹木進(jìn)行纏繞。
(3)此機(jī)器采用了專門的儲(chǔ)繩裝置，此裝置可以作為草繩的儲(chǔ)存和供給機(jī)構(gòu)，減少了對(duì)繩子的限制。
(4)通過采用多對(duì)排線機(jī)構(gòu)和繞線機(jī)構(gòu)，可使效率成倍提高。
(5)可以正反轉(zhuǎn),包樹時(shí)，若第一棵從下往上包，下一棵則可從上往下包，以提高效率。
(6)通過調(diào)節(jié)K2和K3的高度，即可實(shí)現(xiàn)包樹高度的可控。
(7)該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率高 (660mm/min),體積小(1000×750×800mm3),重量輕(25～35kg),方便操作,適合所有圓林養(yǎng)護(hù)人員使用。
第3章 自動(dòng)包樹機(jī)傳動(dòng)部分的計(jì)算
3.3 電機(jī)的選取
（1）粗略計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率
已知重量為m=100kg
g=10N/kg
總重力G1=mg=1000N
1）驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
則工件受到的摩擦力為：
則移行電機(jī)所需牽引力為：
假設(shè)直徑R=125mm
假設(shè)轉(zhuǎn)速na=61rpm
速度vω=πRna=π×0.125×61=24m/min
設(shè)功率安全系數(shù)為1.2，驅(qū)動(dòng)裝置的效率為0.8，則需要的驅(qū)動(dòng)功率為：
2）電動(dòng)機(jī)至的總效率η
ηc—聯(lián)軸器效率，ηc=0.99
ηb—對(duì)滾動(dòng)軸承效率，ηb=0.99
ηv—帶效率，ηv=0.94
ηcy—效率，ηcy=0。96
估算傳動(dòng)系統(tǒng)總效率
η=ηvηbηcηcy=0.94×0.99×0.99×0.96=0.88
3） 所需電動(dòng)機(jī)的功率Pd（kw）
Pd=Pw/η=0.05/0.88=0.06kw
（1） 基于電動(dòng)機(jī)的以上特點(diǎn)，本文選用作為北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)輸送機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置。
圖3.4是北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。
圖3.4 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)
所以根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA型號(hào)的電機(jī)，圖3.5是110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說明。
圖3.5 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說明
110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸，如圖3.6所示。
圖3.6 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸
110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，如圖3.7所示。
圖3.7 110BYG350DH型電機(jī)矩頻特性曲線
4.1 確定傳動(dòng)裝置效率
由下列要求致動(dòng)器的效率：
（1）在這一問題的產(chǎn)量較低是相關(guān)的一對(duì)軸承。
（2）同類型的活動(dòng)千萬不要錯(cuò)過，你需要采取一些具有傳輸效率占到副或機(jī)構(gòu)。
（3）驅(qū)動(dòng)蝸桿和第一對(duì)頂部的蝸桿Z1的效率，這是經(jīng)過一番初步選舉估計(jì)第一效率，而且必須。
此外，蝸桿傳動(dòng)效率高，不包括一對(duì)承載蝸桿軸的效率，因此，在蝸桿軸的計(jì)算的總效率將不再返回低計(jì)數(shù)。
每個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，磨損的效率：
法蘭效率：
一級(jí)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)效率:
一對(duì)滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率：
凸緣聯(lián)軸器效率：
——從電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)主動(dòng)軸之間的總效率故傳動(dòng)裝置總效率：
＝，
4.2 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1 選擇蝸桿、蝸輪材料
1.設(shè)得蝸桿傳動(dòng)的形式：
使用準(zhǔn)平行環(huán)面蝸桿傳動(dòng).
2.設(shè)出蝸桿、蝸輪材料，設(shè)出許用應(yīng)力
考慮蝸輪傳動(dòng)，讓我們想想功率傳輸，而不是速度，這些期望效率高，相應(yīng)的參考表5-2中，由于優(yōu)異的耐磨性，蝸桿選擇40Cr鋼，按照適度要求一些溫暖的牙齒表面變得如此：為了挽救加強(qiáng)貴金屬，磷青銅鑄ZQSn10-1，金屬鑄造，選擇HB265285蝸桿，只有錫的磷青銅齒圈，灰鑄鐵HT100鋼產(chǎn)量輪轂中心。
按照相關(guān)引用書本表格5－3設(shè)得蝸輪材質(zhì)的許用接觸應(yīng)力式子是：
[] =190
按照相關(guān)引用書本表格5－5找到并設(shè)得蝸輪材料的許用彎曲應(yīng)力：
[]=44
4.2.2 確定蝸桿頭數(shù)Z及蝸輪齒數(shù)Z
按照相關(guān)引用書本表格5－6，
設(shè)得Z＝1
則Z＝Z·i＝1×50＝50
設(shè)得值Z＝50
4.2.3 驗(yàn)算的速度
實(shí)際傳動(dòng)比： i＝50/1
舉升速度：
=
速度誤差： ％＝％＝0.78％<5%，合適。
4.2.4 確定蝸桿蝸輪中心距a
1.確定蝸桿的計(jì)算功率
式子里， K——使用場(chǎng)合系數(shù)，每天工作一小時(shí),輕度震動(dòng)從書本上找到相關(guān)數(shù)據(jù)并設(shè)得：K＝0.7；
K——制造精度系數(shù)，設(shè)得7級(jí)，找到并設(shè)得：K＝0.9；
K——材料配對(duì)系數(shù)，齒面滑動(dòng)速度 < 10，從相關(guān)引用書本找到參數(shù)并并設(shè)得：K＝0.85。
代到數(shù)據(jù)得出：
＝KW
按照相關(guān)引用書本表格2·5－22a，以等于或略大于蝸桿計(jì)算功率所對(duì)應(yīng)的中心距作為合理的設(shè)得數(shù)據(jù)值，找出并設(shè)得蝸桿的中心距：a＝100mm.
由于準(zhǔn)平行二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿為新型得蝸桿,接觸面大,導(dǎo)程角,它的值穩(wěn)定且一定是它的優(yōu)勢(shì),潤滑好,接觸面大應(yīng)直接根據(jù)“原始型”傳動(dòng)蝸桿設(shè)計(jì)參數(shù)。
4.2.5 蝸桿傳動(dòng)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)
準(zhǔn)平行二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的幾何參數(shù)以及尺寸計(jì)算表：
1.中心距：從相關(guān)引用書本找出數(shù)據(jù)，設(shè)得數(shù)據(jù)a=100mm。
2.齒數(shù)比：u＝＝50
3.蝸輪齒數(shù)：從相關(guān)引用書本找出數(shù)據(jù)，并設(shè)得。
4.蝸桿頭數(shù)：從相關(guān)引用書本找出數(shù)據(jù)，設(shè)得數(shù)據(jù)
5.蝸桿齒頂圓直徑：找到相關(guān)引用書本表格2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù) =45mm
6.蝸輪輪緣寬度：找到相關(guān)引用書本表格2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù)b=28mm
7.蝸輪齒距角：＝
8.蝸桿包容蝸輪齒數(shù)：K＝=5
9.蝸輪齒寬包角之半：＝0.5（K－0.45）=
10.蝸桿齒寬：找到相關(guān)引用書本表格2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù) =53mm
11.蝸桿螺紋部分長度：找到相關(guān)引用書本表格2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù)=59mm
12.蝸桿齒頂圓弧半徑：找到相關(guān)引用書本表格2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù)R=82mm
13.成形圓半徑：找到相關(guān)引用書本表格2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù)=65mm
14.蝸桿齒頂圓最大直徑：找到相關(guān)引用書本表格，2.5－16，設(shè)得數(shù)據(jù)=53.8mm.
15.蝸輪端面模數(shù)：m＝=mm
16.徑向間隙：=0.5104mm
17.齒頂高：h=0.75 m=2.233mm
18.齒根高：h= h+ C=2.7434mm
19.全齒高：h= h+ h=4.9764mm
20.蝸桿分度圓直徑：＝（0.624＋）a ＝40.534mm
21.蝸輪分度圓直徑：＝2a－＝159.466mm
22.蝸輪齒根圓直徑：d＝－2 h=153.9792mm
23.蝸桿齒根圓直徑：d＝－2 h=35.05，
判斷：因?yàn)?28.12mm,滿足要求
24.蝸輪喉圓直徑：d＝＋2 h=163.932mm
25.蝸輪齒根圓弧半徑：=82.475mm
26.蝸桿螺紋包角之半：
==
27.蝸輪喉母圓半徑：=
=
=25.88mm
28.蝸輪外緣直徑：從圖設(shè)出=164.95mm
29.蝸桿分度圓導(dǎo)程角：＝
=
30.蝸桿平均導(dǎo)程角：＝
31.分度圓壓力角：=
32.蝸桿外徑處肩帶寬度： 取3mm
33.蝸桿螺紋兩端連接處直徑：=35mm
34.蝸輪分度圓齒厚：
把數(shù)據(jù)代到下面式子得 5.508mm
35.齒側(cè)隙：找到表格4-2-6得
36.蝸桿分度圓齒厚：=4.2984
37.蝸桿分度圓法向齒厚：=4.285
38.蝸輪分度圓法向齒厚：=5.49
39.蝸輪齒冠圓弧半徑：=19.2775
40.蝸桿測(cè)量齒頂高：
=2.2035
41.蝸桿測(cè)量齒頂高：
=2。185
4.3 環(huán)面蝸輪蝸桿校核計(jì)算
蝸輪強(qiáng)度，主要是，通過蝸輪齒面的有限暖根剪切強(qiáng)度和粘合劑的影響。允許發(fā)射功率為中心，因?yàn)樗鼪Q定著距離，如果，請(qǐng)檢查牙齒剪路線。
變形以下，所以，以增加蝸輪，蝸輪的軸向位移和電阻都集中在齒2-3的負(fù)載。由于蝸輪的齒的變形，負(fù)載導(dǎo)致在牙齒，卸載，所得，所以根尖的高度的不均勻分布切換的組合效果的方向。因此，破碎蝸輪齒主要由剪切強(qiáng)度缺乏齒的原因的控制：
式子里， —— 作用于蝸輪齒面上的及摩擦力影響的載荷;
—— 蝸輪包容齒數(shù)
—— 蝸桿與蝸輪嚙合齒間載荷分配系數(shù);
——蝸輪齒根受剪面積;
公式子里，各參數(shù)的計(jì)算：
1.的計(jì)算
=
——作用在蝸輪輪齒上的圓周力，
——蝸桿喉部螺旋升角 ，4.5
—— 當(dāng)量齒厚，
滑動(dòng)速度
=
=2.01m/s
按照滑動(dòng)速度找出相關(guān)引用書本3－3－9得
將把數(shù)據(jù)代到下面式子得：
=N
2.算出得到： = 5
3.蝸輪齒根受剪面積
—— 蝸輪齒根圓齒厚；
由上可知：
—— 蝸輪端面周節(jié)；
—— 蝸輪理論半包角；
—— 蝸輪分度圓齒厚所對(duì)中心角。
把數(shù)據(jù)代到下面式子得：
=7.03mm
由上可得：
對(duì)于錫青銅齒圈 設(shè)得
找到書本設(shè)得鑄錫磷青銅，砂模鑄造，抗拉強(qiáng)度=225MPa
， 則 <
4.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.4.1 蝸桿軸的設(shè)計(jì)
1.設(shè)出軸的材質(zhì)
按照相關(guān)引用書本表格6－1設(shè)出45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)。
2.最小軸徑的預(yù)設(shè)
按照相關(guān)引用書本表格6－2，取 ＝105，根據(jù)
公式
㎜
式子里， —— 軸的轉(zhuǎn)速 ，940r/min
—— 軸傳遞的功率 , 1.47kw
—— 算出截面處的軸的直徑， mm
把數(shù)據(jù)代到式子算出：
=12.2mm
輸出軸的最小直徑是按照聯(lián)軸器處軸的直徑，為了使所選的軸的直徑 與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)設(shè)得數(shù)據(jù)聯(lián)軸器的型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)距，找到表格15—3，考慮到轉(zhuǎn)距變化很小，故取Ka=1.3，則
按照計(jì)算轉(zhuǎn)距應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)（GB5843-86）設(shè)出YL4型凸緣聯(lián)軸器，半聯(lián)軸器的孔徑=22mm，故取 =22mm，半聯(lián)軸器的長度L=52mm。
3.根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
擬訂軸上零件的裝配方案：本題的裝配方案已經(jīng)在前面分析比較，現(xiàn)設(shè)出請(qǐng)參請(qǐng)參見圖的裝配方案。
1) 為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，1-2軸段右端制 出一軸肩，故取=28mm，左端用軸端擋定位，按軸端直徑 取擋圈直徑D=30mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度=52mm,保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上，而不壓在軸的端面上，故1-2段的長度應(yīng)比略短一些，故取=50mm.
2) 初步選擇滾動(dòng)軸承，因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力
的作用，故設(shè)出單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù)
=28mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步設(shè)得數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列圓錐滾子軸承30207，其尺寸為d×D×T=35×72×18.25mm，
故==35mm。
3) 已求得蝸桿喉部齒頂圓直徑=45mm，最大齒頂圓直徑=53.8mm，蝸桿螺紋部分長度L=59mm，蝸桿齒寬=53mm，所以取=68mm，=53.8mm，=45mm，=42mm。
4) 軸承端蓋的總寬度為20mm(由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定)。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸的右端面間的距離l=20 mm，
故取=40mm.
5) 為避免蝸輪與箱體內(nèi)壁干涉，應(yīng)取箱體內(nèi)壁凸臺(tái)之間距離略大于蝸輪的最大直徑，取內(nèi)壁距離=175mm考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離，
S，取S=8mm（請(qǐng)參請(qǐng)參見圖）。
6）在3-4和7-8軸段應(yīng)各裝一個(gè)濺油輪，形狀請(qǐng)參請(qǐng)參見圖，取其長度L=27.75mm。
所以，可求得：
mm，
33.75mm
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
4 軸上零件的周向定位 ；
半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平健聯(lián)接。按由手冊(cè)找到并設(shè)得平鍵截面為mm(GB／T1095--1979)，鍵槽用鍵 槽銑刀加工，長為45mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見GB／T1096--1979)，半聯(lián)軸器與軸的配合為H7／k6。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
4)確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為2，各軸肩處的圓角半徑請(qǐng)參請(qǐng)參見圖5-1
圖5-1軸肩處的圓角半徑
4.4.2 蝸輪軸的設(shè)計(jì)
1. 設(shè)出軸的材質(zhì)
按照相關(guān)引用書本表格6－1設(shè)出45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)。
=650
2.軸徑的預(yù)設(shè)
按照相關(guān)引用書本表格6－2，設(shè)A＝112，按式子，
，
式子里， —— 軸的轉(zhuǎn)速 ，18.8r/min
—— 軸傳遞的功率 , 0.97kw
—— 算出截面處的軸的直徑， mm
把數(shù)據(jù)代到式子算出：
mm
輸出軸的最小直徑明顯是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，所以設(shè)得數(shù)據(jù)聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)距，找到表格15—3，考慮到轉(zhuǎn)距變化很小，故取Ka=1.3，則式子是：
按照計(jì)算轉(zhuǎn)距應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，找到相關(guān)書本并設(shè)出YL11型凸緣聯(lián)軸器，數(shù)據(jù)如下：
半聯(lián)軸器的孔徑是：=50mm，設(shè)得=50mm，半聯(lián)軸器的長度L=112mm。
3.根據(jù)段落的直徑和長度的要求，確定所述軸的軸向位置
組件程序的軸組件的詳細(xì)描述：分析當(dāng)前組的問題，進(jìn)行了比較顯示在前面，是當(dāng)前的裝配程序。
1）為了滿足一半的耦合的要求軸向定位的，因?yàn)樗x擇，有一個(gè)從一個(gè)右肩制成的1-2軸部=55mm，設(shè)得=110mm。
2）預(yù)設(shè)滾動(dòng)軸承，參照要求并根據(jù) =55mm，找到，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列圓錐滾子軸承30212，它的尺寸d×D×T= 60×110×23.75mm，所以==60毫米，而=23.75毫米。
3) 設(shè)蝸輪處的軸段為65毫米，
前面已經(jīng)了解，
蝸輪輪緣寬度為28毫米，所以可取蝸輪輪轂寬度為52毫米，根據(jù)需要，4-5段的尺寸要比輪轂寬度小，所以設(shè)為50毫米。
4）軸肩高度0.07d，
設(shè)為為6毫米；
軸環(huán)處直徑為77毫米，
軸環(huán)寬度，設(shè) 為12毫米，
為12毫米，
為68毫米。
5) 軸承的總寬度（可以是齒輪單元和設(shè)計(jì)，軸承帽結(jié)構(gòu)）28毫米已被損壞。簡(jiǎn)要地蓋分解軸承根據(jù)該距離來潤滑脂添加到軸承的要求，覆蓋的右端面之間的耦合的外周端面的一半l為22毫米，
所以設(shè)得為50毫米。
6)設(shè)蝸輪距箱體內(nèi)壁之距離a為16毫米．因誤差的存在，在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離，設(shè)定：
s=8mm（請(qǐng)參請(qǐng)參見圖），則
=2+16+8+23.75=49.75mm，
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
4.軸上零件的周向定位
蝸輪，半聯(lián)軸器和軸的周向定位是通過平健聯(lián)接。本文設(shè)得軸的直徑尺寸公差為m6。
5.設(shè)出軸上圓角以及倒角尺寸。設(shè)得軸端倒角是2，各軸肩處的圓角半徑請(qǐng)參請(qǐng)參見圖5-2。
圖5-2各軸肩處的圓角半徑
4.5 軸的校核
4.5.1 蝸桿軸的強(qiáng)度校核
1．制定軸的草圖
在確定軸承支點(diǎn)位置時(shí)，從相關(guān)引用書本設(shè)得a值，單列圓錐滾子軸承，30207型設(shè)值，a=16mm，所以，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支撐跨距
=（20+43.75+34）+（20+43.75+34）
=97.75+97.75=195.5mm
2．算出軸所承受得力：
=736.67N，
=6179.88N，
3．算出支點(diǎn)反力：
水平反力：
垂直反力：
4．算出彎矩，畫出彎矩圖：
水平彎矩：
垂直彎矩：
合成彎矩
5．扭矩圖：
按照相關(guān)引用書本表格6－18 找到并設(shè)得折算系數(shù)
6．校核軸的強(qiáng)度
從相關(guān)引用書本表格15-1找到并設(shè)得：
，強(qiáng)度足夠。
請(qǐng)參見圖5-3。
圖5-3 軸的強(qiáng)度
4.5.2 蝸輪軸的強(qiáng)度校核
1．制定軸的草圖
在設(shè)出軸承支點(diǎn)位置時(shí)，從相關(guān)引用書本設(shè)得a值，對(duì)于30212列圓錐滾子軸承，a=22mm，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支撐跨距式子是：
=（20+43.75+34）+（20+43.75+34）
=97.75+97.75=195.5mm
2．算出軸所承受得力
=6179.88N，
=736.67N，
3．算出支點(diǎn)反力：
水平反力：
垂直反力：
4．計(jì)算彎矩，作彎矩圖
水平彎矩：
垂直彎矩：
合成彎矩：
5．扭矩圖
按照相關(guān)引用書本表格6－18 找到并設(shè)得折算系數(shù)
6．校核軸的強(qiáng)度
從相關(guān)引用書本表格15-1找到并設(shè)得：
，
，強(qiáng)度足夠。
請(qǐng)參見圖5-4。
圖3-6軸的強(qiáng)度
4.6 滾動(dòng)軸承的選擇及校核
4.6.1 蝸桿軸滾動(dòng)軸承的選擇及校核
1．軸承的徑向載荷式子如下：
2．派生軸向力的計(jì)算
從相關(guān)引用書本設(shè)出，，圓錐滾子軸承30207型的派生軸向力式子是：
α=14o02，10，，
找到表格d=35mm時(shí)，e=0.37，y=1.6；
故
所以，軸承2受壓。
則：
3．算得當(dāng)量動(dòng)載荷
所以，對(duì)于軸承1.
x=1 ， y=0
對(duì)于軸承2
x=0.4 ， y=1.6
4．驗(yàn)證軸承壽命
從相關(guān)引用書本設(shè)出，c=51.5KN ε=10/3 n=940r/min
故，經(jīng)以上驗(yàn)證，軸承壽命合格 。
4.6.2 蝸輪軸上軸承的校核
1．求徑向載荷
2．算得派生軸向力
從相關(guān)引用書本設(shè)出，，圓錐滾子軸承30212型的派生軸向力式子如下：
， y=1.5
故 ：
則：軸承2受壓
所以，
3．算得當(dāng)量動(dòng)載荷
所以，對(duì)于軸承1：x=1 ，y=0
對(duì)于軸承2：x=1 ，y=0
4．驗(yàn)證軸承壽命
查手冊(cè) c=97.8KN ，ε=10/3 ，n=18.8r/min
所以經(jīng)以上驗(yàn)證，軸承的壽命是合格的。
4.7 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核
4.7.1 蝸桿軸上安裝聯(lián)軸器處的鍵聯(lián)接
按照相關(guān)引用書本表格8－1 設(shè)出普通平鍵：
8×7mm， 取L＝45mm。
按照相關(guān)引用書本表格8－7 找到并設(shè)得，
鍵的工作長度
l＝L－b＝45－8＝37mm，
鍵的工作高度
k＝＝3mm。
按照相關(guān)引用書本表格8－8 找到并設(shè)得，
鍵聯(lián)接的許用壓力
，
所以，，所選平鍵合適。
4.7.2 蝸輪軸上裝蝸輪處的鍵聯(lián)接
按照相關(guān)引用書本表格8－1 設(shè)出普通平鍵
18×11mm， 取L＝45mm
按照相關(guān)引用書本表格8－7 找到并設(shè)得
鍵的工作長度
l＝L－b＝45—18=27mm
鍵的工作高度
k＝＝5.5mm
由書表8－8 找到并設(shè)得鍵聯(lián)接的許用壓力
所以，，所選平鍵合適。
3.2.1同步帶介紹
同步帶是綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的新塑傳動(dòng)帶。它由帶齒形的一工作面與齒形同步帶輪的齒槽嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，其強(qiáng)力層是由拉伸強(qiáng)度高、伸長小的纖維材料或金屬材料組成，以使同步帶在傳動(dòng)過程中節(jié)線長度基本保持不變，帶與同步帶輪之間在傳動(dòng)過程中投有滑動(dòng)，從而保證主、從動(dòng)輪間呈無滑差的間步傳動(dòng)。
同步帶傳動(dòng)（見圖3-1）時(shí)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，對(duì)軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,對(duì)于要求同步的傳動(dòng)也可用于低速傳動(dòng)。
圖3-1 同步帶傳動(dòng)
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力。 同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。 本產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動(dòng)中。同步帶的使用，改變了帶傳動(dòng)單純?yōu)槟Σ羵鲃?dòng)的概念，擴(kuò)展了帶傳動(dòng)的范圍，從而成為帶傳動(dòng)中具有相對(duì)獨(dú)立性的研究對(duì)象，給帶傳動(dòng)的發(fā)展開辟了新的途徑。
3.2.2 同步帶的特點(diǎn)
(1)、傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比；
(2)、傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
(3)、傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；
(4)、維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低；
(5)、速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；
(6)、可用于長距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。
3.2.3 同步帶傳動(dòng)的主要失效形式
在同步帶傳動(dòng)中常見的失效形式有如下幾種：
(1)、同步帶的承載繩斷裂破壞
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載繩斷裂損壞是常見的失效形式。失效原因是帶在傳遞動(dòng)力過程中，在承載繩作用有過大的拉力，而使承載繩被拉斷。此外當(dāng)選用的主動(dòng)撈輪直徑過小，使承載繩在進(jìn)入和退出帶掄中承受較大的周期性的彎曲疲勞應(yīng)力作用，也會(huì)產(chǎn)生彎曲疲勞折斷(見圖3-2)。
圖3-2 同步帶承載繩斷裂損壞
(2)、同步帶的爬齒和跳齒
根據(jù)對(duì)帶爬齒和跳齒現(xiàn)象的分析，帶的爬齒和眺齒是由于幾何和力學(xué)兩種因素所引起。因此為避免產(chǎn)生爬齒和跳齒，可采用以下一些措施：
1、控制同步帶所傳遞的圓周力，使它小于或等于由帶型號(hào)所決定的許用圓周力。
2、控制帶與同步帶輪間的節(jié)距差值，使它位于允許的節(jié)距誤差范圍內(nèi)。
3、適當(dāng)增大帶安裝時(shí)的初拉力開。，使帶齒不易從輪齒槽中滑出。
4、提高同步帶基體材料的硬度，減少帶的彈性變形，可以減少爬齒現(xiàn)象的產(chǎn)生。
(3)、帶齒的剪切破壞
帶齒在與同步帶輪齒嚙合傳力過程中，在剪切和擠壓應(yīng)力作用下帶齒表面產(chǎn)生裂紋此裂紋逐漸向齒根部擴(kuò)展，并沿承線繩表面延件，直至整個(gè)帶齒與帶基體脫離，這就是帶齒的剪切脫落（見圖3-3）。造成帶齒剪切脫落的原因大致有如下幾個(gè)：
1、同步帶與同步帶輪問有較大的節(jié)距差，使帶齒無法完全進(jìn)入輪齒槽，從而產(chǎn)生不完全嚙合狀態(tài)，而使帶齒在較小的接觸面積上承受過大的載荷，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致帶齒剪切損壞。
2、帶與同步帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)過少，使嚙合帶齒承受過大的載荷，而產(chǎn)生剪切破壞。
3、同步帶的基體材料強(qiáng)度差。
為減少帶齒被剪切，首先應(yīng)嚴(yán)格控制帶與同步帶輪間的節(jié)距誤差，保證帶齒與輪齒能正確嚙合；其次應(yīng)使帶與同步帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)等于或大于6，此外在選材上應(yīng)采用有較高勿切韌擠壓強(qiáng)度的材料作為帶的基體材料。
圖3-3 帶齒的剪切破壞
(4)、帶齒的磨損
帶齒的磨損（見圖3-4）包括帶齒工作面及帶齒齒頂因角處和齒谷底部的廓損。造成磨損的原因是過大的張緊力和忻齒和輪齒間的嚙合干涉。因此減少帶齒的磨損，應(yīng)在安裝時(shí)合理的調(diào)整帶的張緊力；在帶齒齒形設(shè)計(jì)時(shí)，選用較大的帶齒齒頂圓角半徑，以減少嚙合時(shí)輪齒的擠壓和刮削；此外應(yīng)提高同步帶帶齒材料的耐磨性。
圖3-4 帶齒磨損
(5)、同步帶帶背的龜裂(圖3-5)
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)期后，有時(shí)在帶背會(huì)產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，而使帶失效。同步帶帶背產(chǎn)
生龜裂的原因如下，
1、帶基體材料的老化所引起；
2、帶長期工作在道低的溫度下，使帶背基體材料產(chǎn)生龜裂。
圖3-5 同步帶帶背龜裂
防止帶背龜裂的方法是改進(jìn)帶基體材料的材質(zhì)，提向材料的耐寒、耐熱性和抗老化性能，此外盡量避免同步帶在低溫和高溫條件下工作。
3.2.4 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
據(jù)對(duì)同步帶傳動(dòng)失效形式的分析，可知如同步帶與同步帶輪材料有較高的機(jī)械性能，制造工藝合理，帶、輪的尺寸控制嚴(yán)格，安裝調(diào)試也正確，那么許多失效形式均可避免。因此，在正常工作條件下，同步帶傳動(dòng)的主要失效形式為如下三種；
(1)同步帶的承載繩疲勞拉斷；
(2同步帶的打滑和跳齒；
(3)同步帶帶齒的磨損。
因此，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)淮則是同步帶在不打滑情況下，具有較高的抗拉強(qiáng)度，保證承線繩不被拉斷。此外，在灰塵、雜質(zhì)較多的工作條件下應(yīng)對(duì)帶齒進(jìn)行耐磨性計(jì)算。
3.2.5 同步帶分類
同步帶齒有梯形齒和弧齒兩類，弧齒又有三種系列：圓弧齒(H系列又稱HTD帶)、平頂圓弧齒(S系列又稱為STPD帶)和凹頂拋物線齒（R系列)。
梯形齒同步帶 梯形齒同步帶分單面有齒和雙面有齒兩種，簡(jiǎn)稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對(duì)稱齒型（代號(hào)DA)和交錯(cuò)齒型(代號(hào)DB〕。
梯形齒同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制和模數(shù)制。我國采用節(jié)距制，并根據(jù)ISO 5296制訂了同步帶傳動(dòng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11361～11362-1989和GB/T 11616-1989。
弧齒同步帶 弧齒同步帶除了齒形為曲線形外，其結(jié)構(gòu)與梯形齒同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當(dāng)，其齒高、齒根厚和齒根圓角半徑等均比梯形齒大。帶齒受載后，應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力。故弧齒同步帶比梯形齒同步帶傳遞功率大，且能防止嚙合過程中齒的干涉。
弧齒同步帶耐磨性能好，工作時(shí)噪聲小，不需潤滑，可用于有粉塵的惡劣環(huán)境。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
3.4 同步帶傳動(dòng)計(jì)算
3.4.1 同步帶計(jì)算選型
設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)類型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長短等因素共同確定的，表達(dá)式如下：
式中 ——需要傳遞的名義功率
——工作情況系數(shù)，按表2工作情況系數(shù)選取=1.7；
表2.工作情況系數(shù)
1. 確定帶的型號(hào)和節(jié)距
可根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd'和小同步帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。
其中Pd=0.63kw，n1=61rpm。查表3-2-2
表3-2-2
選同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm
3) 選擇小同步帶輪齒數(shù)z1，z2
可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。
查得小同步帶輪最小齒數(shù)14。
實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù)
初步取值z(mì)1=34故大同步帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。
故z1=34，z2=34。
4） 確定同步帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2
小同步帶輪節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm
大同步帶輪節(jié)圓直徑d2=Pbz2