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本科畢業(yè)論文（設計）
自動鋪磚機方案改進及機械部分設計
摘要：伴隨著全國城市化進程的高速發(fā)展，城市道路硬化的急劇增加，道路鋪設緩慢是一項重大難題。就目前而言，建筑施工和道路鋪設中的地面鋪磚大多為手工鋪設，少數(shù)的機械鋪設也存在著許多缺陷，而且地面鋪磚進度非常緩慢，因此研究一種高效率的結構穩(wěn)定的自動鋪磚機是非常有必要的。
根據(jù)任務書的要求，設計制定出了一套科學合理的方案，本次的設計包含了圖像處理技術、機械結構設計、和系統(tǒng)控制部分，首先是利用重力原理進行鋪磚，進而采用圖像處理技術對道路的寬度進行采集，并控制調(diào)整鋪設的寬度。這種設計具有結構簡單穩(wěn)定、操作簡便、維護方便、和高效率等特點。通過creo 進行三維結構設計的建模仿真，并對主要零部件進行計算校核，對典型進行有限元分析，這樣有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
關鍵詞：自動化，系統(tǒng)控制，設計校核
Improvement?of?automatic?brick?laying?machine?and?design?of?mechanical?part
?Abstract:?Along?with?the?rapid?development?of?the?urbanization?process?in?the?country,?the?hardening?of?urban?roads?has?increased?dramatically?and?the?slow?laying?of?roads?is?a?major?problem.?At?present,?most?of?the?floor?paving?in?building?construction?and?road?paving?is?hand-laying,?and?a?few?mechanical?pavings?also?have?many?defects,?and?the?progress?of?paving?on?the?ground?is?very?slow.?Therefore,?a?high-efficiency?structurally?stable?automatic?shop?is?being?studied.?Brick?machine?is?very?necessary.
According?to?the?requirements?of?the?task?book,?a?set?of?scientific?and?rational?solutions?was?designed?and?developed.?This?design?includes?image?processing?technology,?mechanical?structure?design,?and?system?control.?The?first?is?to?use?the?principle?of?gravity?for?paving,?and?then?use?image?processing?technology.?Collect?the?width?of?the?road?and?control?the?width?of?the?paving.?This?design?has?the?characteristics?of?simpleand?stable?structure,?easy?operation,?easy?maintenance,?and?high efficiency.?The three
dimensional?structural?design?and?simulation?through?creo,?and?the?main?components?for?calculation?and?verification,?typical?finite?element?analysis,?which?will?help?improve?the?stability?of?the?system.
Keywords:?Automation；System?control；The design and checking；
目 錄
摘要 I
?Abstract II
1 緒論 1
1.1 研究目的及意義 1
1.1.1 研究的目的 1
1.1.2 研究的意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究內(nèi)容 2
1.4 預期結果及意義 3
1.5 本章小結 3
2 自動鋪磚機結構設計和改進 4
2.1 自動鋪磚機方案分析 4
2.1.1方案研究 4
2.1.2 方案設想 4
2.2 自動鋪磚機整體結構設計 5
2.3 自動鋪磚機方案工作原理 6
2.3.1 磚艙 6
2.3.2 傳送帶結構 6
2.3.3 寬度調(diào)節(jié)鋪磚結構 7
2.4 自動鋪磚機零件選用 8
2.4.1 軸承選用 8
2.4.2 正反牙滾珠絲杠 8
2.4.3 電機與驅動選用 9
2.4.4 頂推裝置動力選用 10
2.5 本章小結 10
3 關鍵零部件校核計算及有限元分析 12
3.1 關鍵零部件的校核計算 12
3.1.1 軸的結構設計 12
3.1.2 軸強度計算 12
3.2 聯(lián)軸器與軸承的選擇 15
3.2.1 聯(lián)軸器的選擇 15
3.2.2 軸承的選擇 16
3.3 典型零件的有限元分析 16
3.3.1 分析軟件簡介 16
3.3.2 直線往復運動部件的受力分析 17
3.3.3 頂推裝置前段有限元分析 18
3.4 本章小結 19
4 自動鋪磚機系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 20
4.1 自動鋪磚機系統(tǒng)構成 20
4.2 自動鋪磚機系統(tǒng)工作過程 21
4.3 自動鋪磚機系統(tǒng)測試 22
4.4 自動鋪磚機推廣評估 23
4.5 自動鋪磚機系統(tǒng)總評 24
4.6 本章小結 24
5 展望與評估 25
5.1 課題概述 25
5.2 自動鋪磚機前景展望 25
5.3 收獲啟發(fā) 25
參考文獻 27
致 謝 28
附錄A外文文獻 29
附錄B零件三視圖 47
附錄C實物圖 48
III
1 緒論
1.1 研究目的及意義
1.1.1 研究的目的
隨著全國城市化的快速發(fā)展，眾多地區(qū)的公共基礎建設逐漸增加，國家建設的過程中一直堅持主張綠色環(huán)保無污染，因此把地磚鋪設在人行道路上已經(jīng)成為一種很普遍的現(xiàn)象。但現(xiàn)有的鋪磚機在鋪筑路面時，基本上都是人工對路面進行排磚，或者是多種車輛相互配合進行鋪磚，這些不但費力且而效率不高。并且戶外鋪設還要受到天氣、工地環(huán)境等各種不確定因素的影響，工人在進行鋪磚工作時大多處于半蹲狀態(tài)，長時間工作不但容易腰酸腿麻，而且工作效率也會隨之慢慢降低，工程的進度就會受到影響而延期。根據(jù)相關行業(yè)的調(diào)查和研究表明，利用自動鋪磚機不但可以節(jié)約大量的人力財力，而且還能夠提高工作效率。所以本課題制定了一套自動鋪磚機方案，以及設計了機械結構部分,用來替換人工鋪設，提升工作效率，加快工程的進度。本課題側重的是機械自動化部分的設計，及主要結構的改進進行分析研究。
1.1.2 研究的意義
（1）自動化鋪磚機不但提高了工作效率，而且解決了人工鋪設地磚的諸多如體力消耗大，工程進度慢等缺點，并且還節(jié)省了大量人力財力，這種新的科技理念，有助于城市化進程的高速發(fā)展。
（2）自動化鋪磚機的技術不僅為公共基礎建設提供了技術支持，而且是低能耗，低成本的一種設計，有助于促進節(jié)約可持續(xù)型社會的發(fā)展。
綜上可知，自動鋪磚機是一種發(fā)展?jié)摿O大，實際應用范圍極廣，并且符合節(jié)省人力，高效實用，有提高利用價值的功能。還有一定的不足需要以后深度研發(fā)。該課題擁有非常重要的研究意義。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
2013年青島大學公開了一種人行道鋪磚機，其特征是，包括底盤，底盤兩端分別有前輪和后，底盤中間設有磚艙，磚艙與鋪磚斜軌連接，還有定滑輪，推手等機構。這種方式是把傳統(tǒng)的彎腰半蹲式鋪磚改為了現(xiàn)在的直立式行走鋪磚[1]。在2011年王懷成提出了一種“智能鋪磚機”設計方案，先利用先進傳感技術和傳感器等裝置進行空間定位，再通過機械手臂上電動吸盤將磚塊放到指定的位置[2]。然而現(xiàn)在人行道鋪磚基本上還都是人工手工彎腰鋪磚。隨著各國城市化發(fā)展的急劇增強，各個地區(qū)基礎的建設會慢慢齊全，磚路鋪設工作量急劇增加，所以為了不影響發(fā)展，設計出一種新的自動鋪磚機顯得尤為重要。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
德國Optimas公司設計了一系列使用液壓為動力的磚石攤鋪機，有液壓磚石夾鉗，液壓路沿石夾鉗，真空水泥攤鋪機，液壓磚縫填充機，液壓軋制清掃機等。并切具有快速，安全，整潔能輕松的進行大面積的攤鋪工作。在荷蘭設計了一款名叫“虎石”的自動化鋪磚機，“虎石”的秘密在于利用地心引力。施工時只需將磚塊填裝在一個成角度的斜槽，隨著“虎石”前進磚塊便自動碼放在一起。通過操作虎石，人們便可以鋪設出整齊完整的磚路[3]。
使用磚石鋪設的道路不但美觀，而且還結實耐用，特別是使用透水磚鋪設路面不僅可以減少路面積水問題，還能提高城市地下水位。所以自動化鋪磚機的設計不僅節(jié)省了大量人力體力，而且簡易的操作步驟會讓工作變得更加的輕松。
1.3 研究內(nèi)容
本次課題是要設計一種自動鋪磚機系統(tǒng)，通過利用重力，使得磚塊在斜軌上的運動與機器本身產(chǎn)生的運動發(fā)生相對運動進行鋪設。在此基礎上增加圖像處理技術，對要進行鋪設路面的寬度進行實時采集，與寬度調(diào)節(jié)裝置形成反饋。想比傳統(tǒng)人工鋪設提高了效率，降低施工成本。
課題主要在以下幾個方面展開研究：
1.機械結構設計：設計出一套能夠實現(xiàn)自動鋪磚的機械結構方案。
2.機械結構優(yōu)化：在原來的基礎結構設計上，對機械結構方案進行改進設計，以達到最完美設計。
3.力學性能的分析：用creo分析軟件對典型零件進行分析，是否設計的合理。
4.零件的計算加工：對零件進行計算，繪制零圖和三維工程圖。
5.系統(tǒng)的調(diào)試：裝配完成后與控制系統(tǒng)進行同步協(xié)調(diào)。
1.4 預期結果及意義
本次自動鋪磚機設計經(jīng)過合理的計算及調(diào)試，運行時結構性能穩(wěn)定、鋪磚效率高、并且對施工環(huán)境要求低等優(yōu)點。機器在運行的工作過程中狀態(tài)穩(wěn)定，零部件使用時間久。該設備能夠緩解一部分人力缺少的現(xiàn)狀，而且設備基本上都是自動化的、所以就會節(jié)約時間，能夠給施工單位節(jié)約大量的成本，還可以加快施工進度，縮短了工程的期限。
本次自動鋪磚機設計采用圖像處理技術，并且與寬度調(diào)節(jié)機構進行了相連接，實現(xiàn)了實時調(diào)節(jié)，突破了施工環(huán)境的限制，做到實時調(diào)整，實時鋪設，大大提高了鋪設效率。通過研究該課題具有較廣泛的發(fā)展與應用。
1.5 本章小結
本章明確了本次課題的研究目的和意義，通過查閱分析了國內(nèi)外有關自動鋪磚機的發(fā)展現(xiàn)狀，對于本次課題研究方案進行了一系列構想和設計。
2 自動鋪磚機結構設計和改進
2.1 自動鋪磚機方案分析
2.1.1方案研究
自動鋪磚機的主要工作地點是人行道和大型廣場以及公園的道路塊磚鋪設，并且借鑒于國內(nèi)外現(xiàn)在已經(jīng)有的機器和發(fā)表的設計等技術方案，在這些基礎上面研后進行改進和創(chuàng)新設計。因此本次課題是要設計出一款能夠在圖像處理方面并且能夠自動化鋪磚設備，因此只要設計出能夠實現(xiàn)自動化鋪磚原理的方案，并搭建簡單出模型就算達到設計目第=地。
本次設計的選材是用鋁合金支架為設備結構的基本框架材料，有機玻璃為設備零件加工主要的材料，并設計獨特的寬度調(diào)節(jié)鋪磚裝置，磚艙結構，磚塊頂推裝置，輥壓裝置以及傳送帶裝置。以上的裝置和結構是用來保證自動鋪磚機施工時的能夠穩(wěn)定的工作，以及提高工作效率。
2.1.2 方案設想
本課題為了能夠讓自動鋪磚機受外界因素影響小，并且適應外界工作環(huán)境，所以該機器應該具有良好的工作穩(wěn)定性，并且還要使用到規(guī)定的時間，這樣就需要充分理解考慮清楚機械結構的力學性能，結構的穩(wěn)定性和磨損等。現(xiàn)根據(jù)要求設計出如下方案，見圖1.1。
自動鋪磚機的主要結構設計，分為以下六大部分，1結構主要包括傳送帶機構；2磚艙（直線往復機構，儲磚機構）；3寬度調(diào)節(jié)機構（斜軌鋪磚機構，滾珠絲杠）；4頂推機構；5滾壓結構；6整體框架。并且每一部分都受系統(tǒng)的控制，并且之間相互協(xié)調(diào)。
本次方案設計出的模型不但要符合自動鋪設條件需求，而且還應該具有結構簡單穩(wěn)固、容易操作，易懂可以讓新手快速的學會使用、并且其實用性要強、易于檢修維護特點。本次設計將提供零件圖紙，實物簡易模型，并與控制系統(tǒng)相結合進行測試。
圖1.1自動鋪磚機整體方案
2.2 自動鋪磚機整體結構設計
自動鋪磚機結構設計的主要機械結構應包括下圖中1頂推裝置、2傳送帶機構、3寬度調(diào)節(jié)鋪磚機構、4磚艙和5輥壓裝置。這五大部分的主要零部件有T10同送帶、鋁合金結構框架、滾珠絲杠、滑磚臺、電動機、彈性聯(lián)軸器、直線往復運動機構、磚箱 、同步帶輪、軸、寬度調(diào)節(jié)擋板、移動輪、圓錐滾子軸承座、和電機支座等。該機械設備工作時穩(wěn)定性較強、操作簡便，而且很好的使用了模塊化的設計，這樣安裝會非常簡單，調(diào)試也非常容易。該機械結構模型設計的三維裝配圖如下圖2.1所示[4] 。實物圖見附錄A，關鍵零件三視圖紙見附錄B。
圖2.1 機械結構模型三維裝配圖
2.3 自動鋪磚機方案工作原理
2.3.1 磚艙
磚艙結構是由直線往復運動機構，磚箱和電機組成，如下圖2.2所示。磚箱與直線往復運動機構通過螺栓或焊粘連接接。電機、直線往復運動機構兩者之間是通過聯(lián)軸器相連接。當電機通電運行時，直線往復運動機構就把電機的旋轉的運動轉換為直線運動的，并且?guī)哟u箱來回運動，磚箱利用慣性和重力使的磚塊從磚箱下的漏孔中落到滑臺上。
圖2.2 磚艙結構圖
該磚艙結構搭建于鋁合金結構框架上，通過螺栓把直線往復運動機構周向固定，磚箱在框架上面能夠隨電機驅動直線往復運動機構來回回晃動，以此來實現(xiàn)工作目的。
2.3.2 傳送帶結構
傳送帶結構是由T10同步皮帶、滾筒、電動機、軸、深溝球軸承、彈性聯(lián)軸器等組成。電機和軸兩者之間通過聯(lián)軸器連接，軸和滾筒兩者之間通過螺栓緊接，滾筒和同步帶之間是通過齒相互配合。電機提供動力通過軸帶動滾筒轉動，同而使同步帶運動，同步帶上的擋板把儲磚艙中的磚運送到相應鋪設的位置。傳送帶結構圖如下圖2.3所示。
圖2.3 傳送帶結構圖
該傳送帶機構結構簡單，搭建于結構框架上，主要是軸與帶輪的配合，帶輪與同步帶的齒合。其特點有；
1. 同步帶與帶輪精度高，穩(wěn)定性好，
2. 可以保證精準的把磚運轉到指定的位置。
3. 可以由電機自動控制調(diào)，體現(xiàn)應該鋪設的寬度。
2.3.3 寬度調(diào)節(jié)鋪磚結構
寬度調(diào)節(jié)機構與斜軌鋪磚機構兩大部分組成了寬度調(diào)節(jié)鋪磚結構。它們由正滾珠絲杠、寬度調(diào)節(jié)檔板、步進電機、深溝球軸承、攝像頭和滑塊斜軌、側板等構成。正反牙滾珠絲杠上的滑塊與寬度調(diào)節(jié)擋板用螺栓連接，寬度調(diào)節(jié)板緊貼在斜軌上。攝像頭在設備的前段將所采集的道路寬度信息反饋給控制系統(tǒng)，在由控制系統(tǒng)進行相應的處理后調(diào)節(jié)步進電機的旋轉量，進而來實現(xiàn)寬度調(diào)節(jié)。磚塊在斜軌上實現(xiàn)磚塊鋪設工作是由于受到重力的作用發(fā)生相對運動。其結構圖如圖2.4所示。
圖2.4 寬度調(diào)節(jié)鋪磚結構圖
該機構結構簡單，依附于結構框架上，并且直流電機和車輪直接連接，所以在直流電機驅動安裝于底部的輪子使設備前行時避免傳動誤差。寬度調(diào)節(jié)機構的核心關鍵是滾珠絲杠和寬度調(diào)節(jié)擋板與圖像處理系統(tǒng)之間的相互配合。
其優(yōu)點有：
1.滾珠絲杠的精度非常的高，而且穩(wěn)定性良好，因此可以保證攝像頭所提取的道路寬度能夠精準調(diào)節(jié)；
2.可以實現(xiàn)自動化的寬度調(diào)節(jié)；
3.直流電機驅動時的轉速轉速較低，有較大的扭矩，能夠提高動力；
4.設備轉彎時可以利用差速控制原理實現(xiàn)；
5.斜軌的模塊化設計便于調(diào)節(jié)斜軌寬度；
2.4 自動鋪磚機零件選用
2.4.1 軸承選用
在自動鋪磚機結構設計中，如圖2.3所示，步進電機驅動帶動滾筒軸轉動，依據(jù)軸的設計尺寸要求以及承受的載荷力來計算，跟據(jù)設計的需求選用深溝球軸承，用立式軸承座安裝于軸的兩端，使軸能夠平穩(wěn)轉動,降低在旋轉中所受到摩擦力，承受徑向的載荷，并且并保證轉動的精度。軸承實物圖如圖2.5所示。
圖2.5 深溝球軸承座圖
2.4.2 正反牙滾珠絲杠
滾珠絲杠是應用于各種行業(yè)的工業(yè)設備和精密儀器上的一種傳動元器件。它的主要功能是將旋轉的運動轉化成為直線運動，而且傳動精度高，具有摩擦阻力小，傳動效率高和具有可逆性等特點，是將旋轉運動轉化為直線運動的最理想的結構[5]。
特別是最近幾年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機床上面的直線驅動工作單元，在機床這行業(yè)獲得了普遍應用，這極大的鞭策了機床這個行業(yè)的數(shù)控化高速發(fā)展。這些都是因為其具有高傳動效率、高的定位精度、傳動性能可逆、使用時間長、而且其同步性能非常好。實物圖如下圖2.6所示。
圖2.6 滾珠絲杠圖
2.4.3 電機與驅動選用
因為自動鋪磚機結構的轉動控制裝置要非常精準并且穩(wěn)定，所以找到一種精準控制的動力源就非常的重要。然而步進電機恰好能夠依據(jù)給出的脈沖信號來實現(xiàn)精準的轉動控制，而且也一定的制動轉矩，所以步進電機的這些特性能夠滿足自動化鋪磚機的工作要求。而且由于自動鋪磚機的寬度調(diào)節(jié)機構需要有精準的位移，所以需要電動機能夠隨時的利用單片機對其他部件進行控制，并且要具有較大的靜力矩。綜上可得，應該選用的電機是步進電機[6]。如圖2.7所示。
電步進電機的控制還需要配合專用驅動器才能工作。如圖2.8所示，本次結構設計通過查閱資料選用的是集成驅動器，該驅動工作時所允許的最大電流是3A ，通過撥碼可以進行多級調(diào)控，并且和單片機的連接性能非常好。電機和驅動器之間的相互配合使得電機的轉矩較小，而且在低速運行時非常平穩(wěn)且噪音低，步進電機的定位非常準確而且還有較大的力矩。
圖2.7 步進電機 圖2.8 集成驅動器
2.4.4 頂推裝置動力選用
頂推裝置是由電動推桿和耙塊構成，推桿與耙塊兩者之間焊接，能夠實現(xiàn)對傳送帶上磚塊的起到推動作用。電機推桿如圖2.8所示。頂推裝置具有以下幾個優(yōu)點：
1.能夠精確地控制且誤差較小。能夠長時間使用，并且沒有累積誤差，而且精準控制的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對磚塊進行精準穩(wěn)定推動。
2.控制系統(tǒng)操作方便。該裝置本質(zhì)上為控制電機，因此控制簡單高效，而且方便調(diào)試。
3.種類型號較多，便于選擇。還可依據(jù)推力的大小推動的距離等要求選型，實用范圍極廣。
圖2.8 直流電機推桿
2.5 本章小結
本章主要敘述的是鋪磚機零部件結構的分析，包括寬度調(diào)節(jié)鋪磚機構、磚艙、傳送帶結構等部分，明確了各個部件的機械結構和安裝方法以及工作原理。并且知道了各個零部件之間相互協(xié)調(diào)配合過程，同時對于部分零件進行研究分析。通過查閱資料和文獻對一些零件進項選用說明。通過分析可以更好的對整個系統(tǒng)進行研究和充分的理解，為了下一步的制作和裝配與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)奠定了堅定的操作基礎。
3 關鍵零部件校核計算及有限元分析
3.1 關鍵零部件的校核計算
3.1.1 軸的結構設計
1）軸零件的定位，固定和裝配是采取非對稱方式將滾筒放于軸右端，滾筒的左端采取的是軸肩定位，另一端面采用套筒固定，使用得潤滑方式是脂潤滑。階梯軸通常采用的倒角是圓角（1~2）。為了便加工方便，安裝與拆卸維修簡單，所以兩端軸承通常采用同一尺寸，為便于裝拆軸承，軸承上軸肩不宜過高。
2）確定軸的各段直徑和長度（由左至右），初選軸徑軸長為20cm，安裝滾筒軸徑為12mm，長為7cm，初選30110型號的軸承，內(nèi)徑為10mm，外徑為20mm，寬度10mm。如圖3.1所示。
圖3.1 軸的結構圖
3.1.2 軸強度計算
已知：
輸出功率P=0.0029kw ，
轉速n=3.62min/r ，
轉矩T=6.435N/m。
同步帶輪分直徑，
按照彎扭合成的強度條件進行校核：
力學模型圖3.2如下所示。
圖3.2力學模型圖
轉矩 ， 圓周力：，
徑向力： ， 軸向力：，
水平支反力：
垂直支反力：
彎矩：
總彎矩：
M
根據(jù)上述做出軸的載荷分布圖3.3如下。
圖3.3 軸的載荷分布圖
取， ，
材料45鋼調(diào)質(zhì)， ，可得出強度安全。
精確的校核軸疲勞強度：
如圖3.2所示，分析得滾筒安裝的右截面為危險截面。
截面的右側：抗彎曲截面的系數(shù)為：，
抗扭轉截面的系數(shù)為：，
右側的彎矩為：，
截面上的扭矩；，
截面上的彎曲應力， ，
扭轉的切應力 ：，
已知45鋼的材料[7]參數(shù)為： 抗拉強度極限，
彎曲疲勞強度，
剪切疲勞強度，
在軸肩部位而發(fā)生的理論應力集中系數(shù)，
用插值法可得：，
材料敏感系數(shù)為：，
所以有效應力集中系數(shù)按式：
根據(jù)附圖查得：，
磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)：，
未經(jīng)表面強化處理：，
得綜合系數(shù)為：
碳鋼的特性系數(shù)：取，
于是，計算安全系數(shù)值：
由上可得出右截面安全。
同理可計算的左截面，
故左截面安全[8]。
3.2 聯(lián)軸器與軸承的選擇
3.2.1 聯(lián)軸器的選擇
已知；
功率，轉速，轉矩，
1)初選彈性柱銷聯(lián)軸器；
載荷計算：
轉矩：N/m，
查得：,
所以， ，
2)類型選擇：從GB/T5014-1995中，查得用GL7型彈性柱銷聯(lián)軸器，其許用轉矩為630Nmm。允許最大轉速為100r/m。配合軸徑為12mm，軸孔長度為10mm。
3.2.2 軸承的選擇
根據(jù)根據(jù)條件，軸承預計壽命： 小時。
1)計算軸承，
已知：
轉矩： ， 轉速： ， 功率： 。
滾筒分度圓直徑為74mm，
滾筒上圓周力：
滾筒上的徑向力：
滾筒上的軸向力：
與聯(lián)軸器相連，選取最小軸徑為10mm，選用30110型號軸承其中：
C=73200,,d=12，D=22,B=10.
判斷系數(shù)為0.35。
2）初步計算當量動載荷p：
根據(jù)參考文獻表13-6得：，
根據(jù)參考文獻表13-5得：X=0.56，Y=1.3。
則 ： 。
3）根據(jù)參考文獻[3]13-6，求軸承應有的額定動載荷值：
4）根據(jù)參考文獻，及和C的值，選30110軸承，其中：
C=73200,,d=12，D=22,B=10.
5）驗算如下：
在此次驗算中得到軸承的使用壽命為19325小時與預設計壽命19200相比得到結果可知：此軸承合格。
3.3 典型零件的有限元分析
3.3.1 分析軟件簡介
本此設計中所采用的分析軟件是工程三維繪制模擬中常用的CREO軟件。該軟件不但能夠模擬仿真結構發(fā)生受力（應力/位移）形變等問題，而且還能夠模擬如質(zhì)量擴，熱電偶分析散，熱傳導等別的工程領域中的許多問題。本次課題應用了其結構分析功能，分析了自動鋪磚機中典型的關鍵零部件的受力后所產(chǎn)生的變化情況。
3.3.2 直線往復運動部件的受力分析
自動鋪磚機設備中的直線往復運動機構的零部件如圖3.4所示，該零件受到磚箱的壓力和電機運動時所受到的推拉力，因此對該零件進行有限元分析。直線往復運動機構有限元分析參數(shù)如表3.1所示。
表3.1 直線往復運動機構有限元分析參數(shù)
材料
彈性模量（N/m^2）
泊松比
質(zhì)量密度(kg/m^3)
拉力（N）
重力（N）
AL2014
2.12E+11
0.288
7.86E+03
90
50
圖3.4 直線往復運動機構
經(jīng)過有限元分析得到如圖3.5所示，可知直線往復運動機構在T型接口處受力形變較大，在加工時是此處應該加厚。其余各處無較大的形變，所以能滿足設計要求。
圖3.5直線往復運動機構有限元分析圖
3.3.3 頂推裝置前段有限元分析
自動鋪磚機設備中的頂推裝置前段的零部件圖如圖3.6所示，該部件承受電機的推力和和磚塊的壓力并且還有自身的重力。因此需進行有限元分析。有限元分析參數(shù)如表3.2所示。
表3.2 頂推裝置前段有限元分析參數(shù)
材料
彈性模量（N/m^2）
泊松比
質(zhì)量密度(kg/m^3)
推力（N）
重力（N·m）
Q235-A
2.11E+11
0.266
6.86E+03
60
30
圖3.6 頂推裝置前段圖
經(jīng)過有限元分析得到結果如圖3.7所示，由圖可知頂推裝置各個部分的受力形變較小也無應力集中和形變，能夠滿足設計要求。
圖3.7 頂推裝置前段有限元分析結果
3.4 本章小結
本章對自動鋪磚系統(tǒng)中的重要零部件進行了設計算校核，并且對關鍵的部件利用限元軟件進行分析，驗證零件設計的合理性。通過查閱機械設計書籍，學習鞏固了相關校核的方法和計算公式。有限元分析很有效的檢驗了方案設計零件的安全合理科學性，保障了整個系統(tǒng)在工作中的穩(wěn)定性。通過查閱相關資料文獻在進行有限元分析的過程中，懂得了有限元分析處理后的結果圖。
19
4 自動鋪磚機系統(tǒng)聯(lián)調(diào)
4.1 自動鋪磚機系統(tǒng)構成
本課題在自動鋪磚機結構方案設計完成之后，將會對自動鋪磚機進行加工和裝配，組裝完成后將會安裝控制系統(tǒng)并與圖像處理系統(tǒng)進行同步聯(lián)調(diào)測試。
自動鋪磚機上安裝的系統(tǒng)主要分為，頂推裝置機構系統(tǒng)和寬度調(diào)節(jié)鋪磚系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)及傳送帶系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)這五大系統(tǒng)[9]。控制系統(tǒng)之間相互的關系網(wǎng)絡框架圖如圖4.1所示。
圖4.1 自動鋪磚機控制系統(tǒng)結構
圖像采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)是利用攝像頭采集道路寬度圖像數(shù)據(jù)然后傳輸給Qt客戶端模塊(人機交互部分)并且實時顯示出來，Qt客戶端調(diào)用機器的視覺庫(OpenCV)對圖像進行一系列如：灰度轉換、高斯濾波、圖像二值化處理、基爾霍夫變換等等處理。提取出圖像中需要的寬度數(shù)據(jù)，通過提取的信息反饋給STM32單片機控制系統(tǒng)部分，控制鋪磚的寬度。
單片機控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用STM32單片機進行控制，在芯片中寫入控制算法程序，實現(xiàn)對采集信號的處理, 驅動步進電機1，從而實現(xiàn)對道路寬度的實時調(diào)節(jié)。通過驅動電動機2實現(xiàn)了對傳送帶機構系統(tǒng)的控制，通過驅動電動機3實現(xiàn)對頂推裝置系統(tǒng)的控制。
寬度調(diào)節(jié)鋪磚系統(tǒng)：該系統(tǒng)利用電機驅動正反牙滾珠絲杠滑塊運動，圖像采集系統(tǒng)將寬度信息傳遞給STM32單片機系統(tǒng)，單片機發(fā)出信號脈沖給驅動器，電機1接受到定量脈沖，實現(xiàn)寬度調(diào)整。
傳送帶機構系統(tǒng)：該系統(tǒng)的運行是通過STM32單片機給出信號控制驅動電機2轉動同步帶，把磚塊運送到指定位置，實現(xiàn)運磚功能。
頂推裝置系統(tǒng)；該系統(tǒng)通過STM32單片機驅動電機3運動，把耙塊推出進而把磚塊推送到斜軌上，實現(xiàn)了頂推作用[10]。
4.2 自動鋪磚機系統(tǒng)工作過程
自動鋪磚機結構設計吐如圖4.2所示，包括電機1電機2，滾壓棒4與機體8通過螺栓連接在后面，機體8底部設置有四個電機驅動輪15通過螺栓連接，機體后半部分有斜軌5和寬度調(diào)節(jié)機構的調(diào)節(jié)板6和滾珠絲杠7，中間部設置有儲磚艙9和滑臺10，儲磚艙下連接傳送帶機構16，傳送帶機構邊上有頂推裝置3，機體8前端有磚箱結構11，磚箱11下端與直線往復運動機構12相連接，直線往復運動結構與電機13相連接。攝像頭14在機體8前部。攝像頭連接圖像處理單元，圖像處理單元連接單片機控制器，單片機控制器連接傳送帶機構、頂推裝置裝置、寬度調(diào)節(jié)機構和驅動電機。
圖5.2 自動鋪磚機結構圖
1.2.13電機，3頂推裝置，4滾壓棒，5斜軌，6寬度調(diào)節(jié)板，7滾珠絲杠，8機體，9儲磚艙，10滑臺，11磚艙，12直線往復運動機構，14攝像頭，15電機驅動輪，16傳送帶機構
自動鋪磚機的工作控制方法包括以下步驟：
第一步，攝像頭提取預鋪道路寬度的信息，并將預鋪道路寬度信息傳送到圖像處理系統(tǒng)；
第二步，圖像處理系統(tǒng)將預鋪道路的寬度信息經(jīng)過一系列的轉化變成脈沖信號；
步驟三，圖像處理系統(tǒng)將所需輪廓的長寬度發(fā)送至單片機處理中心；
步驟四，單片機處理單元控制正反牙滾珠絲杠滑臺7調(diào)整擋板6間的間距，使擋板6間的間距與預鋪道路同寬；并且控制傳送帶機構16轉動相應的圈數(shù)，使磚塊的寬度相加與道路寬的寬的相等；
步驟五，同時，電機13帶動通過直線往復運動機構12使得磚艙11晃動，工程磚通過滑臺10落入儲磚艙9中，讓傳送帶把磚帶到相應的位置。
步驟六，這是單片機給出一個人信號，使得頂推裝置把磚推到斜軌上，通過光流算法得出當前磚塊在鋪磚斜軌5上的運動速度，單片機處理單元控制機體8前進，完成鋪磚[12]。
4.3 自動鋪磚機系統(tǒng)測試
在自動鋪磚機系統(tǒng)方案設計完成之后，進行圖像處理部分與控制部分聯(lián)調(diào)測試，通過CAM攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)傳輸給Qt客戶端模塊并實時顯示出來如圖4.3所示，Qt調(diào)用機器視覺庫(OpenCV)對圖像進行例如：圖像二值化處理、灰度轉換、基爾霍夫變換、高斯濾波等。提取出圖像中需要的寬度輪廓數(shù)據(jù)如圖4.4所示，通過提取的輪廓信息反饋給STM32單片機控制部分，實現(xiàn)控制鋪磚的寬度[11]。
圖4.3 人機交互界面
圖4.4 寬度采集
4.4 自動鋪磚機推廣評估
不管什么機器或者設備在推廣中都要進行一些市場調(diào)查，都要解決一些成本問題。對于自動鋪磚機在推廣應用的過程中，可能存在單價成本過高的問題，本課題針對于單價成本問題在社會上進行了市場調(diào)查，現(xiàn)將調(diào)查結果整理如下表4.1所示。
現(xiàn)在假設一條人行橫道為3000x3m為例，進行了一系列的預設，總面積為9000。路磚一般使用的規(guī)格為200x50x50mm,單塊面積為0.01。
表4.1 道路鋪設成本分析表
鋪設方式
成本
人工
工價
日均成本
完成時間
總成本
人工鋪設
0
10
80元/天
800元
12天
7600元
自動鋪磚機
5萬
2
80元/天
300元（含電費）
5天
51500元
由上表可以看出，由于自動鋪磚機設備費用高，在鋪設時間段，工程量小的鋪路中，總成本會比人工鋪設的總成本高出許多。但是如果是長期進行路磚的鋪設的公司或者大型的公路工程就可購買自動鋪磚機，在長時間進行鋪路工作施工項目可以大大的降低成本，縮減建設費用節(jié)約了成本。
4.5 自動鋪磚機系統(tǒng)總評
經(jīng)過系統(tǒng)測試的結果表明，本次設計的系統(tǒng)可以達到設計要求，并且工作過程中狀態(tài)穩(wěn)定、運行良好。
總體而言，此模型具有最超前的想法、造價便宜，并且實現(xiàn)了圖像處理技術和寬度調(diào)節(jié)鋪磚機構兩者之間的結合。該系統(tǒng)的推廣使用將能為以后的設計研究提供技術支持，成為以后研究的基石，具有及其重要意義。
4.6 本章小結
本章主要是對自動鋪磚機系統(tǒng)的同步聯(lián)調(diào)進行了闡述，明確了圖像處理技術在設備中的重要作用，以及控制系統(tǒng)部分的工作流程，并對次設計搭建的模型的推廣進行說明。雖然在進行調(diào)試的過程中碰到了一些困難，但是通過不懈努力，我們逐個攻破困難，終于完成了各部分的調(diào)試與整體的聯(lián)調(diào)工作，并且對后期發(fā)展進行了系統(tǒng)評估。
5 展望與評估
5.1 課題概述
本次設計為自動鋪磚機方案設計及機械部分的改進，經(jīng)過對任務書的分析、以及查閱相關資料文獻、對方案進行研究選擇、對自動鋪磚機結構開展設計、零部件進行加工裝配以及對控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等過程，通過我們不懈的努力，終于讓本課題達到了設計的要求。
本課題設計并且組裝出了自動鋪磚機模型裝設備，是依照現(xiàn)代化鋪磚的需求提出超前思路。并且在通過對自動鋪磚機測試結果的分析研究，可以得出該裝置能夠在對于提高鋪磚工作效率，降低施工成本以及節(jié)省勞動力方面有重要的意義。通過對該設備的評估可知，該機械設備具有使用簡單、結構性能穩(wěn)定、工作效率快等優(yōu)點，而且還可以適應較為復雜工作環(huán)境，對于縮短施工期期，和降低勞動力成本具有及重要意義。
本次研究該課題，是對于科技進步很好的一種體現(xiàn)，設計出來能夠替代人力的設備，可以提高工作的效率。并且具有較高的科學含義和以及市場使用價值。
5.2 自動鋪磚機前景展望
我國在21世紀，人力市場早已經(jīng)出現(xiàn)用工難，成本高的現(xiàn)象，而且像路磚的鋪設基本上依靠純手工作業(yè)，對于這一現(xiàn)象，德國、荷蘭等國發(fā)明了幾種鋪磚機，但這些機器對自動化這方面的利用也不是很高。這些鋪磚機工作時大都需要其它小型鏟車進行配合使用，而且還需要人工進行碼磚，而且還要人工進行寬度調(diào)節(jié)鋪設。由于這些因素，使得鋪磚機的推廣受到限制，對于施工也沒有起到改善。本次設計的自動鋪磚機設備是一種在工作運行中非常穩(wěn)定的、并且具有高效率的鋪磚機器，在未來的城市化建設中將發(fā)揮出舉足輕重的作用。而且由于其容易操作，維護檢修方便等的優(yōu)勢，能夠為施工單位縮短施工周期，節(jié)省施工成本，減少了對周圍環(huán)境的影響。并且隨著我國機械化進程的不斷發(fā)展，對于人行道鋪設需求量急劇加大。由此可知國內(nèi)的鋪磚機市場潛力巨大，得出自動鋪磚機發(fā)展前景明朗[13]。
5.3 收獲啟發(fā)
本課題經(jīng)過查閱大量文獻與資料，合理的運用學過了專業(yè)知識，終于完成了任務書上的設計要求，并且從中獲益頗豐。
從一開始的選題直到到完成這一整體的過程中，不僅要查閱資料文獻，回顧以學的專業(yè)知識，還要學習各種新的軟件。這是對大學四年學習的一次很好的復習與應用，這將對我們以后工作時提供了相應的經(jīng)驗。通過對本次設計的認真研究，我們鞏固自己所學的專業(yè)內(nèi)容，而且還對自主學習與獨立解決問題的能力得到提升。
當然，收獲更多的是自己能力的提高，在本次課題研究中，提高專業(yè)素養(yǎng)和提高綜合能力，這遠遠比掌握專業(yè)知識重要，但是這些只有建立在學習專業(yè)知識基礎上才能體現(xiàn)出來。
總而言之，通過本次畢業(yè)設計，提高了自己的專業(yè)素養(yǎng)，鍛煉了團隊合作能力，并且收獲友誼，同時也深刻認識到自己的缺陷，這將受益無窮。
參考文獻
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致 謝
大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺，感慨良多。
首先誠摯的感謝我的論文指導老師張艷麗老師。她在忙碌的教學工作中擠出時間來審查、修改我的論文。還有教過我的所有老師們，您們嚴謹細致、一絲不茍的教學作風一直是我工作、學習中的榜樣，他們循循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。在這最美好也最迷茫的年華里，我有幸結識了諸位良師益友，通過與你們的交流使我逐步明確了方向，懂得了“行是知之始，知是行之成”的道理，更加珍惜時間，認真學習提高自身能力。再次感謝張老師在對我的個人發(fā)展和各項大賽中的辛勤指導，其中的受益已無法用三言兩語述清，僅銘記在心，砥礪奮進，不辜負老師的期盼與自己的理想。
感謝四年中陪伴在我身邊的同學、朋友、感謝他們?yōu)槲姨岢龅慕ㄗh和意見，有了他們的支持、鼓勵和幫助，我才能充實的度過了四年的學習生活。
附錄A外文文獻
Design of an Autonomous Agricultural Robot
Dept. of Industrial Engineering and Management, Ben Gurion University of the Negev
Abstract. This paper presents a state-of-the-art review in the development of autonomous agricultural robots including guidance systems, greenhouse autonomous systems and fruit-harvesting robots. A general concept for a field crops robotic machine to selectively harvest easily bruised fruit and vegetables is designed. Future trends that must be pursued in order to make robots a viable option for agricultural operations are focused upon.
A prototype machine which includes part of this design has been implemented for melon harvesting. The machine consists of a Cartesian manipulator mounted on a mobile chassis pulled by a tractor. Two vision sensors are used to locate the fruit and guide the robotic arm toward it. A gripper grasps the melon and detaches it from the vine. The real-time control hardware architecture consists of a blackboard system, with autonomous modules for sensing, planning and control connected through a PC bus. Approximately 85% of the fruit are successfully located and harvested.
Keywords: Robotics；Autonomous；Agriculture； Intelligent control
1 Introduction
Robots are perceptive machines that can be programmed to perform a variety of agricultural tasks such as cultivating, transplanting, spraying, trimming and selective harvesting. The advent of agricultural robots has the potential of raising the quality of the fresh produce, lowering production costs and reducing the drudgery of manual labor. However, since the agricultural environment is complex and loosely structured fundamental technologies must be developed to solve difficult problems such as: mobile operation in a threedimensional continuously changing track; random location of targets which are difficult to detect and reach (hidden by leaves and positioned among branches); variability in fruit size and shape; delicate products; and hostile environmental conditions like dust, dirt and extreme temperature and humidity. The uncertainties in the fruits locations, size, shape and maturity necessitate a sophisticated sensory system which must identify fruit that are partially occluded in constantly changing illumination conditions (clouds, sun direction) and decide whether a specific fruit is ripe. Uncertainty in location caused by variable vehicle speed and uneven terrain requires velocity and position monitoring. Hence, the overall task requires dynamic, real-time interpretation of the environment and control of various sensing-dependent operations.
The objectives of this paper are to demonstrate the difficulties and complexities involved in the development of autonomous agricultural robots; present the state-of-the-art in development of autonomous agricultural robots; and to layout a general concept and design for an autonomous field crops robotic machine. The initial implementation of this concept for robotic melon harvesting will be presented. The article is summarized with future research and development (R&D) directions which must be pursued before commercial robots can become a viable option for agricultural operations.
2 State-of-the-art Review
2.1 Automatic Guidance Sensors
In contrast to military or public transport robots in which studies of mobile robots are related to constructing a path with wide opportunities of choice according to a complete perception of the environment, automatic guidance of agricultural robots is usually limited to simple problems such as finding the next line of citrus trees to be picked, the next furrow to plough, etc. However, automatic mobile control of agricultural robots is very difficult since the robot operates in a very hostile and unpredictable environment (slopes, hills, mud, rocks). This is further complicated by the fact that the area of movement is relatively large (1 km 2) and although less accurate systems are required (cm vs. mm for industrial operations), the overall system resolution must be quite high to obtain the'necessary accuracies.
A review of automatic guidance sensors for agricultural systems'has been presented by Tillet . This includes mechanical sensing, ultrasonic, radio frequency,