全自动植树车说明书_合肥学院

第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组预赛项目第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组预赛项目““全自动植树机全自动植树机””设计说明书设计说明书设设 计计 者者 冯建国、江黄、马具锋、臧俊、邸铁彪冯建国、江黄、马具锋、臧俊、邸铁彪 设计单位设计单位 合合 肥肥 学学 院院 设计部门设计部门 机械工程系机械工程系 指导教师指导教师 王王 勇勇 时时 间间 2007 年年 9 月月 安 徽·合 肥目目 录录一、设计背景 二、作品功能及指标 三、机构设计 四、运动和动力分析 五、控制设计 六、作品创新点 七、应用前景 八、总结与感谢 九、主要参考文献 附录：实物照片一、设计背景一、设计背景地球是人类唯一的家园，随着工业化不断发展，环境问题日益严重， 沙漠 化、水土流失、沙尘暴已经越来越严重地影响到人类的生存和发展，解决这些 问题已到了刻不容缓的地步人类无节制地砍伐森林是产生这些环境问题的主 要原因森林作为“地球之肺” ，是地球气候变化的指挥棒，它不仅能够提供大 量木材，还具有涵养水源、保持水土、防风固沙、保护农田、净化大气、防治 污染等生态效益。

所以植树造林是保护环境的一大重要举措目前正在实施的 “三北防护林”工程被称为“绿色万里长城，它地跨东北西部、华北北部和西 北大部分地区，东西长４４８０公里，南北宽５６０~１４６０公里，总面积 ４０６．９万平方工公里，占国土面积的４２．２％，接近我国的半壁江山 由于这些情况，我国迫切需要快速、高效的植树方法及装备图 1-1 沙漠化和荒漠化现象的危害机器植树作为一种新型的植树方法，它比传统的人工植树具有两大优点， 一是效率高，二是树苗成活率也高植树机设计思路是：机器代替人自动完成植树过程现有的植树装置自动 化程度偏低，操作时需要有多人辅助作业，而且体积庞大、功能单一，不适合 种植多种苗木，这些不足限制了植树机的推广应用针对上述情况，我们提出一种新的方案：设计一种自动植树机，在无人控 制的情况下，完成植树过程植树机可由普通轻型卡车改装而成，可种植多种 树苗，大幅降低植树成本具有高效率、低成本、适用范围广的特点二、二、作品的功能及指标作品的功能及指标作品自动完成植树的各个过程动作，包括植树机（车）自动行走、钻坑、 移苗、送苗、覆土、镇土等功能机器能够自主运行，实现连续作业，完成成 片树林植树，并能按照要求的几何排列形状植树。

作品能同时种植多种树苗， 适用于种植中、小苗木，如果简单地加以改造，也可用于缓坡植树预计每小 时植树可达 90—120 棵植树速度约为：用材林每公顷 50~75 小时，经济林、 果林每公顷 25~50 小时，灌木林每公顷 250~500 小时三、机构设计三、机构设计植树机主要动作的执行顺序依次为：小车（钻头）到达预定位置钻坑；前 行一段距离（根据我们作品的尺寸为 21cm） ；机械手转至车箱抓取树苗，同时 同步传送带将树苗移动到指定位置，在取苗之后，同步传送带再前移一个微小 距离为下次动作作好准备；机械手将树苗送到树坑位置，放入树坑并抓稳扶直； 覆土机构的覆土构件移至地面，完成覆土动作；镇土机构的气缸完成 360 度的 压土动作，然后覆土构件抬起；植树机按以上过程循环工作 （1）钻坑机构的设计 现有植树机一般采用开沟方式，这种方法挖沟效率 虽然很高，但沟的深度较浅，不适合种植需要深栽的苗木此外，使用犁式开 沟器不仅严重破坏地表植被，还会丧失大量表层土壤水分为此，设计时采用 特制的钻头钻出树坑，也可根据需要更换钻头，以得到不同直径以及深度的树 坑 （整个机构如图 3-2 所示） ，工作原理是电机固定在丝杠上，电机转动带动 丝杠旋转并作上下运动，丝杠下端安装钻头完成钻坑操作。

图 3-1 全自动植树机运动循环图（2）覆土机构的设计 采用两个相同的机构对称布置，分层覆土在工 作行程段，覆土构件接触地面，执行覆土操作完成后，快速回到起始位置 起始位置距地面一定高度起初我们采用连杆机构，通过拉簧控制它的回程， 但测试发现弹簧力过大，工作时难以克服拉簧产生的阻力最终选择曲柄滑块 机构，机构具有急回特性，通过增加一个限位开关，运动精确到位，覆土均匀， 效果很好（机构如图 3-3 所示） 为避免自锁现象，需对机构尺寸进行合理设计工作原理是：电机正转，带动齿轮 3 转动，齿轮 3 具有曲柄的作用，它带 动连杆作平面运动，联结在连杆端部的滑块接触到地面，开始工作行程，完成 覆土功能然后电机反转，执行快速回程通过开关传感器，控制机构准确回 到起始位置，避免了由于惯性等因素造成机构运动的不稳定 （3）同步传送带移苗机构的设计 设计移苗机构应考虑移苗操作要稳定、 精确、连续，充分利用车厢空间，尽可能多放置树苗同步传送带传动具有稳 定、可靠的优点，满足移苗操作要求，该机构采用两个光电传感器，具有定位 识别功能，提高了移苗操作的精确程度，有利于机械手准确抓取树苗 （见图 3- 4 所示）1 丝杆2 螺母4 钻头图 3-2 钻坑机构结构示意图3 电机图 3-3 覆土机构结构示意图5 销9 覆土构件1 限位开关2 电机3 齿轮4 支架6 连杆7 绊轴8 铰链10 限位挡板机构由同步传送带、四个齿轮、两个滑轮组成，其中构件 8 为主动齿轮。

当混合排列不同树苗时，植树机能自动区别不同种类的树苗如树苗按 ABAB...AB 排列，因首末两棵树的间距与其它相邻两棵树的间距不同，从而确 定起始位置是哪种树苗每个装苗容器放置一棵树苗，树苗能够平稳、可靠、 连续传送4）机械手送苗机构的设计 机械手一般结构复杂、价格昂贵，为了降 低植树机成本，采用简易机械手我们先后设计出螺纹式、气动式和绕线式机 械手，最后选择了绕线式机械手为了保证机械手转动位置精确，使用两个限 位开关分别控制其两个极限位置（如图 3-5 所示） 工作原理为：蜗轮 10 可以相对机架旋转 360 度，螺杆 11 通过螺旋传动带11 螺杆5 光电传感器4 从动带 轮6 机械手1 车身2 装苗容 器3 从动齿 轮7 同步带8 主动齿轮图 3-4 同步传送带移苗机构示意图4 电机12 限位开关9 限位开关2 导向轴8 手指7 手指3 限位开关135 限位开 关10 蜗轮1 电机 图 3-5 机械手结构图13 蜗杆6 限位挡板动智能手指 7 和 8 作升降运动，智能手指的开合由电机 4 带动绕线控制两手 指各装有开关 5 和 12在作抓取树苗的动作时，如果抓取到树，限位开关 5 压 触树干；如果没有抓取到树，限位开关 12 压触限位挡板 6。

根据开关 5 和 12 的状态，决定控制手指的电机 4 是否继续转动、反转或者停止5）镇土机构的设计 人工植树中，镇土是用脚压实实现的，脚可在树坑 的任意位置踩压基于这一思想，镇土机构要能旋转 360 度，可以在树坑处任 意位置镇压土壤，并且用程序控制实现分层压土 （如图 3-6 所示） 工作原理是，不完全齿轮 4 与定轴轮系啮合，带动固定在不完全齿轮下面的各 个镇压装置旋转镇压装置由汽缸、活塞、镇土构件组成，采用气动方式，具 有其它机械传动无法替代的浮动作用，保证土壤松紧程度合适此外，两个倾 斜安装的镇压装置构成一个“V”字型，通过镇土，树苗附近形成一个凸台，这 样下雨时，不会积聚大量雨水，避免树苗被淹死，有利于提高成活率四、运动和动力分析四、运动和动力分析（一）覆土机构分析 1、降落地面过程 :o1 电机2 主动齿轮3 从动齿 轮4 不完全齿 轮6 活塞5 气缸7 压块8 支架图 3-6 镇土机构结构示意图图 4-1 覆土机构开始位置（状态 B） 图 4-2 覆土机构中间位置（状态 C） （1）从状态 B（见图 4-1）到状态 C（图 4-2，杆 3 为水平位置）过程利用 图中的拌轴与 V 型结构处的几何锁合使杆 3 和杆 2 保持同步运动。

此时杆 2 和 杆 3 可视为同一物体，且围绕铰链 O 同速转动 电机转速 n=290 转/分钟，传动比 i=6，利用控制器调速可实现 1~8 级转速/63. 0128660290(min)srado./06. 5828660290(max)srado其中：杆 3 的o3传动比 i=60/10=6o图 4-3 覆土机构接触地面位置（状态 D） （2）从状态 C 到状态 D（见图 4-3） ，V 型块开始接触地面，杆 2、杆 3 继续 绕铰链同步转动，但是此时 V 型块（由铰链结构决定的）几何锁合消失，机构 多出一个自由度，出现欠驱动现象此时时活动构件数为 2，转动副数为 2，其 自由度为：22232F从 B 到 D 过程保持 V 型结构后在重力与外力作用下保持下垂状态必须满 足一定条件设 V 型块的质量为 M，杆 3 的角速度为 ω3θ在状态 D 时，θ 值最大，设 ，R=0.05m得,10gM , 1sin032MgRsin23到： 所以在下降过程取电机的速度为 2 或 1 档 （1.26rad/s 或256. 130.63rad/s） ，可以满足以上要求。

3）从状态 D 到状态 E（见图 4-4） ，不仅 V 形块，而且拌轴处的几何锁 合也消失，其其自由度为 3i=33233o图 4-4 覆土构件工作位置（状态 E）这一过程中与地面垂直的 V 型块在重力、杆 3 的作用力和摩擦力的作用 下 ，最终与地面平行，沿地面滑行 2、机构的地面覆土过程 此时覆土机构变为曲柄滑块机构（见图 4-5） ，自由度为 1其中杆 2 为曲 柄，杆 3 为连杆，V 型块为滑块图中所标角度为压力角，为了保证机构传动 良好，防止自锁现象的发生，传动角一般大于 40 度，即压力角小于 50 度图 4-5 是按照作品尺寸分析得到，最大行程为 47.28mm，实际取用的行程为 36.84mm取用行程最大行程图 4-5 覆土构件工作分析图如图建立直角坐标系对 C 点进行运动分析点ψ2ψ3图 4-6 覆土机构分析图为保证覆土的效率与平稳取，Ψ2的取用值-200 度到-70 度srad /256. 12由 推出以下公式，分别做出 C 点的位移，速度，加速度图)cos()cos( 3322LLXcψ2(゜)图 4-7 滑块位移线图LLLa32213)sin(sin)cos()cos( 332323LwLVc Cm/sψ2图 4-8 滑块速度线图323332222cos)cos(wLwLacXLLLc321ψ2/图 4-8 滑块加速度线图 在整个运动过程中速度变化平稳，加速度的冲击大多为柔性冲击，对整个机构 的运动的平稳起积极的作用。

（二）镇土机构分析 从电机通过定轴轮系传动到转盘（不完全齿轮） ，为了不与的所种树苗发生 干涉，转盘设有 100 度角的开口不完全弧形齿条电机传动比 i=60/10=6，为提高效率要求转盘在 1 秒钟内转动 180 度角,则电机最小转速：n=0.5×6×60=180 r/min电机做的功转化为轮 1、轮 2、轮 3 的动能 轮 1 的质量: M1=40Kg，M2=10Kg，M3=5Kg 轮 1 的转速: ω1= rad/s 轮 3 的转速: ω3=6 rad/s平均半径分别为 ,75. 01mr,3 . 02mr.15. 03mr动能分别为： ， ，，Ek1Ek 2Ek3VMVMVMEEEEKkkk23322221121 21 21321)9 . 0()9 . 0。