基于機器視覺的精準施藥噴頭移動機構設計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,基于,機器,視覺,精準,施藥,噴頭,移動,挪動,機構,設計,cad,圖紙,說明書,仿單 基于機器視覺的精準施藥噴頭移動機構設計 學校代碼： 序 號： 本 科 畢 業(yè) 設 計 題目： 基于機器視覺的精準施藥噴頭移動機構設計 學 院： 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 班 級： 指導教師： - * 15 摘 要 在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的植保領域，化學除草劑的使用方式普遍為粗放式的大面積噴灑，一方面容易造成人身傷害，另一方面因為噴藥時不是精確對準目標物，往往也噴在了無目標的土壤上。由于雜草在田間的分布是隨機的，不均勻的，而且具有簇生性。正是這種雜草分布的不連續(xù)性，為精確施藥技術的可行性提供了依據(jù)。本設計機構利用步進電機易于啟動、停止，正反轉及速度響應性好，同步帶的傳遞平穩(wěn)、準確，傳遞效率高等優(yōu)點，通過他們作為機構的主要部件，帶動施藥噴頭左右移動，從而達到對不規(guī)則生長的農(nóng)作物進行精準施藥的目的。本文的主要研究內(nèi)容如下: 1、移動機構的分析 2、電機、聯(lián)軸器、軸的選用 3、同步帶控制系統(tǒng) 關鍵詞：精準施藥，同步帶，噴頭，移動機構 Abstract Roughs Praying technology in traditional the usage method of chemistry herbicide is wide-spread to spray，spraying isn’t to aim at a target thing accurately，but usually spraying at the soil without weed，so plenty of herbicide is wasted，resulting in not only the Human body hurt easily，but also the ecosystem environment crisis and increasing agricultural chemicals residue. Because the distributing of weed in the field is random and asymmetry .The discontinuity of weed distributing Provide a basis for the Precise -spraying. This design using the step-motor easy to start, stop, positive and negative and response of the synchronous belt transmission, smooth, accurate, higher efficiency through them as a major part of the organization, spraying nozzles, and move on to grow crops irregular precision of pesticide.The contents of the study could briefly summarized as follows : 1、 The analysis of the move machine; 2、 The external motor、the coupling、the axle to choose; 3、 The system of the synchronous control Key words: Precise spraying，synchronous belt，spraying nozzles，the mobile mechanism. 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅰ 第一章 緒 論 1 第二章 基于機器視覺的精準施藥噴頭移動機構原理說明 2 第三章 精準施藥噴頭移動機構的設計與計算 3 3.1 步進電機的選型 3 3.2 電機驅動器的選型 3 3.3 傳動軸的選型 4 3.4 聯(lián)軸器的選型 6 3.5 軸承的選型 7 3.6 同步帶和帶輪的選型 8 3.7 機構設計數(shù)據(jù)的計算 11 第四章 總 結 12 參 考 文 獻 13 致 謝 14 第一章 緒 論 長期以來，人們賴以生存的食物靠栽種植物和飼養(yǎng)動物等方法來提供，然而在栽種植物過程中，不可避免地要遇到防治病蟲害的問題。對農(nóng)田作物病蟲害防治一般來說有三種方法，一是利用自然天敵，自然界很多作物害蟲都有其天敵，合理地利用它的自然天敵可以有效地防止作物病蟲害的發(fā)生和蔓延，而且也減少了農(nóng)藥的使用;二是人工清除，用手或借助一些簡單機械設備來防治;三是用化學防治的方法，通過噴灑農(nóng)藥來消滅害蟲和細菌等。隨著時代的發(fā)展，人工防治的方法已逐漸被淘汰，化學防治成為目前控制病蟲危害的主要手段，而防治效果的好壞，噴施技術十分重要。 目前，我國噴施農(nóng)藥的方法是普遍采用植保機械，80%左右的國產(chǎn)植保機械仍處于發(fā)達國家20世紀50-60年代的水平，尤其是各種手動噴霧器存在嚴重的“跑、冒、漏、滴”現(xiàn)象，故障率高，性能落后，遠遠達不到科學使用農(nóng)藥的要求。一方面對人身傷害很大，遇到惡劣天氣人在作業(yè)時甚至容易中毒。另一方面噴藥時也不是精確對準農(nóng)作物，往往也噴在土壤上，不僅浪費了農(nóng)藥，增加了作物的農(nóng)藥殘留量，而且噴在土壤中的農(nóng)藥易造成土壤酸化和地下水污染。隨著農(nóng)藥的大量使用，其殘留在農(nóng)作物和土壤中的農(nóng)藥對人身和環(huán)境的危害也與日俱增，這跟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求精準高效、綠色環(huán)保的要求是背道而馳的。因此，有必要研制一種基于機器視覺的高效可行的噴藥裝置，讓機器代替人在田間作業(yè)的同時能比較精準地對準農(nóng)作物噴藥，以降低人的勞動強度，提高藥效和保護農(nóng)田環(huán)境。 同時，國家“十一五”規(guī)劃中己將研究高效低污染的噴藥技術和植保裝備技術作為重大攻關項目，而且國家中長期科學和技術發(fā)展綱要也已把農(nóng)業(yè)精準作業(yè)和信息化列為重大課題。在精準農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展壯大和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從機械化、自動化逐步向智能化方向發(fā)展的趨勢下，智能化農(nóng)業(yè)機械必將成為未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要裝備。 為了減少成本和保護環(huán)境，人們開展了除草劑的精確噴藥技術的研究，希望替代傳統(tǒng)的大面積噴藥技術，以降低人的勞動強度，提高藥效和保護農(nóng)田環(huán)境。本設計機構就是基于這一背景下著手準備的，研究基于機器視覺的作物精準施藥機構設計不僅對農(nóng)田作物噴藥自動化具有十分重要的意義，而且也是精準農(nóng)業(yè)技術體系的重要組成部分和實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)中變量技術中的重要環(huán)節(jié)。 第二章 基于機器視覺的精準施藥噴頭移動機構原理說明 設計任務要求設計一個能帶動噴頭左右移動的移動機構。機構要求移動平穩(wěn)而精確，這很大程度的限制了我們對零部件的選用。在老師及同學的指導和幫助下，經(jīng)過反復求證，我們最終制定了“通過步進電機帶動同步帶左右移動”的方案，理由有兩點：一、步進電機的位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應，可以組成結構具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，且易于起動，停止，正反轉及速度響應性好。另外，步進電動機的步距角可在大范圍內(nèi)選擇；二、同步帶傳動具有以下特點：（1）傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比；（2）傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低，傳動效率達 0.98，速比范圍可達1:10，允許線速可達50m/s；（3）傳動效率高，可達0.98，節(jié)能效果明顯；（4）維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低。這兩個主部件的特點促使了我們制定了這套方案。下面，我將對這套方案的原理進行簡要的說明。 步進電機帶動通過連接軸連接的同步帶帶輪轉動，施藥的噴頭固定在同步帶下帶的前內(nèi)側（俯視圖為相切）的帶上面，考慮到帶的同步帶由于噴頭和藥水的重力，可能會彎曲，我在同步帶的正下面安裝了5個裝緊輪，裝緊輪固定在臺面上。當同步帶移動時，它們的輪會滾動，但其本身不動，從而一定量的減少了帶的彎曲，提高了效率。當噴頭需要向左移動時，電機發(fā)出一個脈沖信號，帶輪轉動，皮帶帶動噴頭向左移動，當噴頭需向右移動亦然，從而達到對農(nóng)作物偏差在0.5個行距之間的雜草進行施藥的目的。其中，用布進電機能夠更好地控制施藥的精確度和同步帶移動的速度，不致于因移動過快而精度降低的現(xiàn)象。通過步進電機發(fā)出一個脈沖，同步帶移動一格，噴頭隨之移動，很好的結合了步進電機與同步帶兩機構的優(yōu)點，從而達到預期目的。同時，步進電機與同步帶中間通過帶輪、兩個軸和一個聯(lián)軸器相連，降低了損耗，提高了效率。 圖1：噴頭移動機構原理示意圖 第三章 精準施藥噴頭移動機構的設計與計算 3.1 步進電機的選型： 根據(jù)機構原理中所介紹，經(jīng)過老師的指導及自己的粗略演算，再對步進電機的查找。我們最終采用了75BYG4502型步進電機，具體如下： 型號 D B （h7） L1 b D1(h7) h h1 L D2 D1 75BYG4502 75 75 9.5 30 3 60 2.5 8 127 84 5.5 表一：步進電機型號和參數(shù)： 型號 步距角 相數(shù) 電壓(V) 相電流 (A) 保持轉矩(N·M) 起動頻率(步/秒) 轉動慣量(Kg·cm2) 重量 (Kg) 75BYG4502 0.9/1.8 2 24 3 2.0 3600 1.5 2.8 注： 1）以上數(shù)據(jù)為平均參考值，用戶可據(jù)此繪成矩頻特性曲線。 2）二相及四相電機在低頻段100±20步/秒處有諧振區(qū),工作時避開此區(qū)為佳。 3) 當電機的運行頻率超過二分之一空載起動頻率時，所用控制器應具有升降頻功能。 4） 電機軸功率與轉矩轉速及頻率間的關系 ????????M（N·M）× n (轉/分)= 9.55 ×P(W) ????????n （轉 /分）= 步矩角×f （步 /秒）/ 6 ° 圖2：步進電機 3.2 電機驅動器的選型 根據(jù)步進電機的型號，我們采用了BY系列二相混合式步進電機驅動器， 電機驅動器參數(shù)如下： 驅動器型號 相數(shù) 細分數(shù) 相電流 工作電源 BY-2HB04M 2 2、5、10、20、40 0.5-4.0A DC24-40V 圖3：驅動器與電機連線示意圖 驅動器有以下特點： 恒流控制，極低的電源損耗，極高的開關效率，驅動電流和細分數(shù)可由撥碼開關設定，并具有半流鎖定功能，脫機控制功能，所有輸入信號與功率放大部分光電隔離,散熱器外殼與驅動器內(nèi)部完全電隔離。 3.3 傳動軸的選型 根據(jù)步進電機的計算公式，我們得出電機輸出功率為： 據(jù)：M（N·M）× n (轉/分)= 9.55 ×P(W) 得：P(W)=62.8 W ?????據(jù)：n （轉 /分）= 步矩角×f （步 /秒）/ 6 ° 得：n=300 (r/min) 軸的傳遞轉矩：T=9.55×10 =1.55 N·m 齒輪的圓周力：F===4.2 N 齒輪的徑向力：F= F=4×0.416=1.65N 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質處理, 其機械性能由表查得： 　?。?50MPa，=360MPa，=300MPa，＝155MPa；＝60MPa。 據(jù)以上參數(shù)，根據(jù)我們設計要求傳遞動力小，對軸材料的機械性能和淬火性能要求不高，同時，碳鋼比其他材料的剛更加廉價，對應力集中的敏感性較低，因此我們采用了比較常用的45號鋼材料。軸通過軸承來定位，通過軸承端蓋來實現(xiàn)。 下面兩個圖中，圖3的左端是連接聯(lián)軸器的部分，左端是連接皮帶輪部分；圖4的連接皮帶輪的軸。 圖4：傳動軸1示意圖 圖5：傳動軸2示意圖 另外，零件安裝在軸上，要有準確的定位。各軸段長度的確定，應盡可能使結構緊湊。對于不允許軸向滑動的零件，零件受力后不要改變其準確的位置，即定位要準確，固定要可靠。與輪轂相配裝的軸段長度, 一般應略小于輪轂寬2～3mm。對軸向滑動的零件, 軸上應留出相應的滑移距離。軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋等來保證的。 3.4 聯(lián)軸器的選型 常用聯(lián)軸器大多已標準化或規(guī)格化，一般情況下只需正確選擇聯(lián)軸器的類型、確定聯(lián)軸器的型號及尺寸。我們采用剛性的YLD型凸緣聯(lián)軸器，凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器用鍵分別與電機和軸聯(lián)接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器聯(lián)成一體以傳遞運動和轉矩。聯(lián)軸器用灰鑄鐵制造而成，線速度小于30m/s。 對于已標準化和系列化的聯(lián)軸器，選定合適類型后，可按轉矩、軸直徑和轉速等確定聯(lián)軸器的型號和結構尺寸。聯(lián)軸器的計算轉矩如下： 　　　　　　 T=K·T=K·9550·=1.7 N·m 　　式中：K為工作情況系數(shù)，查表得：K=1.1； T為理論扭矩，T= T=1.55 N·m； T為聯(lián)軸器扭矩， P為驅動功率，KW，P=P=62.8 W； n為工作轉速，r/m ,n=300 r/mi 　　根據(jù)計算轉矩、軸直徑和轉速等，由下面條件，可從有關手冊中選取聯(lián)軸器的型號和結構尺寸，具體如下： 單位：mm 型號 L D D D(h7) M L 許用轉速n 公稱扭矩T m YLD 32 71 53 14 M6 68 8100 r/min 10 N·m 0.94 kg 圖6：凸緣聯(lián)軸器 優(yōu)點：凸緣聯(lián)軸器構造簡單、成本低、可傳遞較大的轉矩，由于步進電機轉速低、無沖擊且聯(lián)軸器的剛性打、兩周對中性較好，故選此聯(lián)軸器。 3.5 軸承的選型 軸承為標準間，所以不需要做過多的考慮。因軸承同時受有徑向力的作用，也是基于本設計機構對軸承的要求不高，故選用深溝球軸承。深溝球軸承由一個外圈，一個內(nèi)圈、一組鋼球和一組保持架構成，類型代號為6。 圖7：深溝球軸承示意圖 滾動軸承的當量動載荷P=XFr+YFa 由于前面軸的計算中，F(xiàn)= 1.5 N 查表得：X=1 Y=0 故：P=1.5 N 圖8：軸承疲勞曲線 圖9：深溝球軸承 特點：深溝球軸承的摩擦系數(shù)很小，極限轉速也很高， 特別是在軸向載荷很大的高速運轉工況下，深溝球軸承比推力球軸承更有優(yōu)越性。深溝球軸承結構簡單，與別的類型相比易于達到較高的制造精度， 制造成本也較低，非常耐用，無需經(jīng)常維護。 另外，軸承座由于也是標準間，在此就不作過多介紹，其型號與尺寸只要能與軸承對應，即可。 3.6 同步帶和帶輪的選型 （1）設計功率：P=K·P=1×62.8=62.8 W 式中：K為載荷系數(shù)，查表得：K=1 （2）根據(jù)設計功率，我們選擇了480H型橡膠同步帶，其節(jié)距P=12.7mm。 （3）根據(jù)帶輪的轉速 n=0.9 m/s 我們將帶輪的齒數(shù)，Z定為18.故帶輪節(jié)圓直徑 d==72.77 mm 同步帶的帶長由下式計算： L=2a cos++ mm ··············(3) 式中：a為中心距，為方便計算，我們先?。篴=500mm； d、d為大小圓節(jié)圓直徑，因為大小圓相同，故相等； d= d==72.77 mm； Z、Z為輪的齒數(shù)，這里，我們?nèi)。篫= Z=18 =sin() 所以：L=2a+=1228.59 mm 故取標準帶長：L=1219.2 mm ,故帶的齒數(shù)：Z=96 （4） 根據(jù) M=（2Z-Z-Z） a≈M+ 得：M=（2Z-Z-Z）=342.9 mm 帶的中心距：a≈M+=2M=685.8 mm 圖10：同步帶示意圖 同步帶的其他參數(shù)表： 帶寬/mm 帶厚h/mm 基準寬度 b/mm 許用工作壓力 T/N 齒高h/mm 齒根厚/mm 齒半角 A/° 76.2 4.3 76.2 2100.5 2.29 6.12 20 （5）根據(jù)帶的數(shù)據(jù)及型號我們采用了18H型帶輪，其尺寸數(shù)據(jù)如下圖： mm 模數(shù) 帶輪齒數(shù)Z 節(jié) 距 P 齒半角A/° 齒高h 齒頂厚b 齒頂圓角半徑r 齒根圓角半徑 r 兩倍節(jié)跟距2 輪寬 節(jié)徑 外徑 4 18 12.7 20 3.05 4.24 1.47 1.42 1.372 19.1 72.77 71.39 圖11：帶輪示意圖 圖12：帶輪結構示意圖 圖13：帶輪 帶輪平行度與錐度：帶輪齒應與周孔的軸線平行，其公差t應是每毫米輪寬不大于0.001mm，每毫米輪寬的最大錐度為0.001mm。由于同步帶帶輪的轉速很低，運行很慢，故普通的同步帶及帶輪即可滿足要求，無需校核其工作能力。 另外，由于同步帶下面的裝緊輪固定在臺面上，起著一定支撐同步帶的作用，沒有其他技術要求，故在此不作說明，選擇上只選擇普通類型的裝緊輪即可。 3.7 設計數(shù)據(jù)計算 （1）裝緊輪與帶的摩擦力計算： 我們預計：噴頭裝置質量 m=300g 水流質量 m=100g 查機械手冊得知 橡膠皮帶與裝緊輪摩擦因素 =0.6 水的沖力F=15 N 實際沖力 故摩擦力 F=(mg+ F)=0.6×（0.4×10+15）=8.4 N （2）齒輪的徑向力：F= F=4×0.416=1.65 N （3）齒輪的圓周力：F===4.2 N （4）力矩的校核： 同步帶帶輪上產(chǎn)生的力偶矩 T=2（F+ F+ F）·d/2 =1.25 N·m 據(jù)前面計算得知：步進電機扭矩 T=9.55×10 =1.55 N·m 根據(jù) T=1.25 N·m T=1.55 T N·m 故步進電機能夠帶動同步帶正常運轉，本設計機構能夠滿足設計要求。 第四章 總 結 緊張而又辛苦的八周畢業(yè)設計結束了。畢業(yè)設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會、從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆保ㄟ^這次畢業(yè)設計我們深深體會到這句千古名言的真正含義。我今天認真地進行畢業(yè)設計，學會腳踏實地地邁開這一步，就是為了明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。 通過這次畢業(yè)設計我們深刻的體會到：做設計是苦活但要細心；實踐動手做比空想強；三個臭皮匠比上一個諸葛亮，合作精神是強大的；老師是很好的資源，要向他挖掘。面對一堆堆的參數(shù)，我們需要逐一去查找，核對，算公式，從這本書上找出動量載荷、尺寸數(shù)據(jù)，那本書又要找輸出功率、扭矩計算公式。因為很多地方都沒有經(jīng)驗，不會選取參數(shù)，如此重復，時間用了不少。不知道多少次因為一個數(shù)據(jù)出錯了，而全盤皆輸，又要從新做過。所以我深刻的認識到：做畢業(yè)設計是件勞力與智力結合的事，一點粗心都會導致前攻盡廢，細心方能使萬年船。 書是前人正確經(jīng)驗的總結，我們做畢業(yè)設計是離不開工具書的。它可以給我們很多有用的知識，幫我們解決一些難題。接到設計任務之后，我們?nèi)フ伊撕芏鄷陔姍C和傳動帶上作了很多比較，覺得每個都合適，因為設計的要求都不是很高，只要達到效果即可。因此，對別人的經(jīng)驗，自己要從實際出發(fā)，多點思考，把前人的知識經(jīng)驗變成自己的力量。摸著石頭過河是我們初學者必須要的精神，只有自己思考了，錯誤的會改正，正確的繼續(xù)發(fā)揚，這樣才符合畢業(yè)設計的要求。 老師是一本活書是最好利用的資源，我們要不斷在他身上進行開采，獲取自己寶貴的知識。無論在方案的設計，還是在做設計零部件篩選及計算過程中遇上的種種問題，我們自己不能解決都需要老師的幫助。老師具備專業(yè)的知識和過硬的實踐經(jīng)驗，是我們在機械設計制造業(yè)中航行的指明燈，老師不會什么都幫我們親手的去做好，他主要做的工作是引指引我們，啟發(fā)我們。以他的話說就是：授之以魚不如授之以漁。 畢業(yè)設計做完了，畫上一個完美的句號，也嘗到成功的味道，但漫漫的人生路還需繼續(xù)努力。面對日趨嚴峻的就業(yè)形勢，我們相信只要學好知識技術，以一種刻苦勤勞的精神對待工作，我們定會活出不平凡的人生。 參 考 文 獻 1. 上海煤礦機械研究所編 《同步帶傳動手冊》 上海人民出版社 1999.10 2. 東南大學鄭文緯、吳克堅 《機械原理》 高等教育出版社 2000.4 3. 成大先 機械設計手冊（第三卷） 北京:化學工業(yè)出版社 1993.12 4. 成大先 機械設計手冊（第五卷） 機械工業(yè)出版社 1996.10 5. 周元康 林昌華 張海兵 《機械設計課程設計》 重慶大學出版社 1996.12 6. 于永泗、齊民 《機械工程材料》 大連理工大學出版社 2005.4 7. 鄧鴻文 《材料力學》第二版 高等教育出版社 2002.12 8. 余桂英 郭紀林 《AUTO CAD 2006中文版實用教程》 大連理工出版社 2003.4 9. 譚建榮 張樹有 陸國棟 施岳定 《圖學基礎教程》 高等教育出版社 2006 10. 中南五省（區(qū)）九院（校）《機械制圖》寫作編寫組編 《機械制圖》 人民教育出版社 1998.4 11. 饒洪輝 基于機器視覺的作物對行噴藥控制系統(tǒng)研究 南京 南京農(nóng)業(yè)大學 2006.10 12. 傅澤田 祁力鈞 王俊紅 精準施藥技術研究進展與對策 農(nóng)業(yè)機械學報 2004.12 13. 李會芳 邱白晶 劉保玲等 對精確農(nóng)業(yè)中變量噴霧控制的研究 . 中國農(nóng)機化 2003.4 14. 陳勇,鄭加強 精確施藥可變量噴霧控制系統(tǒng)的研究 農(nóng)業(yè)工程學報 2006.12 致 謝 在這次畢業(yè)設計的過程中，讓我復習了以前學過很多知識，比如說同步帶應用、選型及電機的選擇等，讓我重新熟悉了AUTO CAD 2007和PROE以及OFFICE軟件的應用。這些都將會是在我以后的工作中起積極地作用。 此次畢業(yè)設計，還沒有達到很理想的地步，有些地方還是有些缺陷，比如說畫圖、計算等方面，今后將在我的工作中注重加強。 在此，我要向我的指導教師饒洪輝博士致以崇高的敬意!饒老師深厚淵博的知識、嚴謹踏實的治學態(tài)度和平易近人的性格使我受益匪淺!從本文的選題到課題的深入，導師都給以精心的指導。在此我再次向饒洪輝老師表達最衷心的感謝!感謝他在論文遇到難題后抽空指點我。他豐富的知識和敏捷的思維和樂于助人的精神是我學習的榜樣。感謝我的搭檔盧星明同學，我們一起在饒老師的指點下共同克服困難，解決難題。 謝謝所有教過我們機制班的老師，沒有你們的悉心教導，我們就不可能學有所成；感謝工學院的各位領導對我們的關心和幫助. 謝謝你們！！