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本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
自動(dòng)鋪磚機(jī)方案改進(jìn)及機(jī)械部分設(shè)計(jì)
摘要：伴隨著全國(guó)城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市道路硬化的急劇增加，道路鋪設(shè)緩慢是一項(xiàng)重大難題。就目前而言，建筑施工和道路鋪設(shè)中的地面鋪磚大多為手工鋪設(shè)，少數(shù)的機(jī)械鋪設(shè)也存在著許多缺陷，而且地面鋪磚進(jìn)度非常緩慢，因此研究一種高效率的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的自動(dòng)鋪磚機(jī)是非常有必要的。
根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)制定出了一套科學(xué)合理的方案，本次的設(shè)計(jì)包含了圖像處理技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、和系統(tǒng)控制部分，首先是利用重力原理進(jìn)行鋪磚，進(jìn)而采用圖像處理技術(shù)對(duì)道路的寬度進(jìn)行采集，并控制調(diào)整鋪設(shè)的寬度。這種設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)方便、和高效率等特點(diǎn)。通過(guò)creo 進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建模仿真，并對(duì)主要零部件進(jìn)行計(jì)算校核，對(duì)典型進(jìn)行有限元分析，這樣有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化，系統(tǒng)控制，設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究?jī)?nèi)容 2
1.4 預(yù)期結(jié)果及意義 3
1.5 本章小結(jié) 3
2 自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn) 4
2.1 自動(dòng)鋪磚機(jī)方案分析 4
2.1.1方案研究 4
2.1.2 方案設(shè)想 4
2.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.3 自動(dòng)鋪磚機(jī)方案工作原理 6
2.3.1 磚艙 6
2.3.2 傳送帶結(jié)構(gòu) 6
2.3.3 寬度調(diào)節(jié)鋪磚結(jié)構(gòu) 7
2.4 自動(dòng)鋪磚機(jī)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(jī)與驅(qū)動(dòng)選用 9
2.4.4 頂推裝置動(dòng)力選用 10
2.5 本章小結(jié) 10
3 關(guān)鍵零部件校核計(jì)算及有限元分析 12
3.1 關(guān)鍵零部件的校核計(jì)算 12
3.1.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1.2 軸強(qiáng)度計(jì)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(jiǎn)介 16
3.3.2 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(jié) 19
4 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 20
4.1 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 20
4.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程 21
4.3 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)測(cè)試 22
4.4 自動(dòng)鋪磚機(jī)推廣評(píng)估 23
4.5 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)總評(píng) 24
4.6 本章小結(jié) 24
5 展望與評(píng)估 25
5.1 課題概述 25
5.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)前景展望 25
5.3 收獲啟發(fā) 25
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
附錄A外文文獻(xiàn) 29
附錄B零件三視圖 47
附錄C實(shí)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(guó)城市化的快速發(fā)展，眾多地區(qū)的公共基礎(chǔ)建設(shè)逐漸增加，國(guó)家建設(shè)的過(guò)程中一直堅(jiān)持主張綠色環(huán)保無(wú)污染，因此把地磚鋪設(shè)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(jī)在鋪筑路面時(shí)，基本上都是人工對(duì)路面進(jìn)行排磚，或者是多種車輛相互配合進(jìn)行鋪磚，這些不但費(fèi)力且而效率不高。并且戶外鋪設(shè)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(jìn)行鋪磚工作時(shí)大多處于半蹲狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間工作不但容易腰酸腿麻，而且工作效率也會(huì)隨之慢慢降低，工程的進(jìn)度就會(huì)受到影響而延期。根據(jù)相關(guān)行業(yè)的調(diào)查和研究表明，利用自動(dòng)鋪磚機(jī)不但可以節(jié)約大量的人力財(cái)力，而且還能夠提高工作效率。所以本課題制定了一套自動(dòng)鋪磚機(jī)方案，以及設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)部分,用來(lái)替換人工鋪設(shè)，提升工作效率，加快工程的進(jìn)度。本課題側(cè)重的是機(jī)械自動(dòng)化部分的設(shè)計(jì)，及主要結(jié)構(gòu)的改進(jìn)進(jìn)行分析研究。
1.1.2 研究的意義
（1）自動(dòng)化鋪磚機(jī)不但提高了工作效率，而且解決了人工鋪設(shè)地磚的諸多如體力消耗大，工程進(jìn)度慢等缺點(diǎn)，并且還節(jié)省了大量人力財(cái)力，這種新的科技理念，有助于城市化進(jìn)程的高速發(fā)展。
（2）自動(dòng)化鋪磚機(jī)的技術(shù)不僅為公共基礎(chǔ)建設(shè)提供了技術(shù)支持，而且是低能耗，低成本的一種設(shè)計(jì)，有助于促進(jìn)節(jié)約可持續(xù)型社會(huì)的發(fā)展。
綜上可知，自動(dòng)鋪磚機(jī)是一種發(fā)展?jié)摿O大，實(shí)際應(yīng)用范圍極廣，并且符合節(jié)省人力，高效實(shí)用，有提高利用價(jià)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
2013年青島大學(xué)公開(kāi)了一種人行道鋪磚機(jī)，其特征是，包括底盤(pán)，底盤(pán)兩端分別有前輪和后，底盤(pán)中間設(shè)有磚艙，磚艙與鋪磚斜軌連接，還有定滑輪，推手等機(jī)構(gòu)。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(jī)”設(shè)計(jì)方案，先利用先進(jìn)傳感技術(shù)和傳感器等裝置進(jìn)行空間定位，再通過(guò)機(jī)械手臂上電動(dòng)吸盤(pán)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(guó)城市化發(fā)展的急劇增強(qiáng)，各個(gè)地區(qū)基礎(chǔ)的建設(shè)會(huì)慢慢齊全，磚路鋪設(shè)工作量急劇增加，所以為了不影響發(fā)展，設(shè)計(jì)出一種新的自動(dòng)鋪磚機(jī)顯得尤為重要。
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
德國(guó)Optimas公司設(shè)計(jì)了一系列使用液壓為動(dòng)力的磚石攤鋪機(jī)，有液壓磚石夾鉗，液壓路沿石夾鉗，真空水泥攤鋪機(jī)，液壓磚縫填充機(jī)，液壓軋制清掃機(jī)等。并切具有快速，安全，整潔能輕松的進(jìn)行大面積的攤鋪工作。在荷蘭設(shè)計(jì)了一款名叫“虎石”的自動(dòng)化鋪磚機(jī)，“虎石”的秘密在于利用地心引力。施工時(shí)只需將磚塊填裝在一個(gè)成角度的斜槽，隨著“虎石”前進(jìn)磚塊便自動(dòng)碼放在一起。通過(guò)操作虎石，人們便可以鋪設(shè)出整齊完整的磚路[3]。
使用磚石鋪設(shè)的道路不但美觀，而且還結(jié)實(shí)耐用，特別是使用透水磚鋪設(shè)路面不僅可以減少路面積水問(wèn)題，還能提高城市地下水位。所以自動(dòng)化鋪磚機(jī)的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了大量人力體力，而且簡(jiǎn)易的操作步驟會(huì)讓工作變得更加的輕松。
1.3 研究?jī)?nèi)容
本次課題是要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)利用重力，使得磚塊在斜軌上的運(yùn)動(dòng)與機(jī)器本身產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鋪設(shè)。在此基礎(chǔ)上增加圖像處理技術(shù)，對(duì)要進(jìn)行鋪設(shè)路面的寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，與寬度調(diào)節(jié)裝置形成反饋。想比傳統(tǒng)人工鋪設(shè)提高了效率，降低施工成本。
課題主要在以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究：
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)鋪磚的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案。
2.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在原來(lái)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到最完美設(shè)計(jì)。
3.力學(xué)性能的分析：用creo分析軟件對(duì)典型零件進(jìn)行分析，是否設(shè)計(jì)的合理。
4.零件的計(jì)算加工：對(duì)零件進(jìn)行計(jì)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(jìn)行同步協(xié)調(diào)。
1.4 預(yù)期結(jié)果及意義
本次自動(dòng)鋪磚機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)合理的計(jì)算及調(diào)試，運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、鋪磚效率高、并且對(duì)施工環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器在運(yùn)行的工作過(guò)程中狀態(tài)穩(wěn)定，零部件使用時(shí)間久。該設(shè)備能夠緩解一部分人力缺少的現(xiàn)狀，而且設(shè)備基本上都是自動(dòng)化的、所以就會(huì)節(jié)約時(shí)間，能夠給施工單位節(jié)約大量的成本，還可以加快施工進(jìn)度，縮短了工程的期限。
本次自動(dòng)鋪磚機(jī)設(shè)計(jì)采用圖像處理技術(shù)，并且與寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相連接，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，突破了施工環(huán)境的限制，做到實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)時(shí)鋪設(shè)，大大提高了鋪設(shè)效率。通過(guò)研究該課題具有較廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。
1.5 本章小結(jié)
本章明確了本次課題的研究目的和意義，通過(guò)查閱分析了國(guó)內(nèi)外有關(guān)自動(dòng)鋪磚機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)于本次課題研究方案進(jìn)行了一系列構(gòu)想和設(shè)計(jì)。
2 自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)
2.1 自動(dòng)鋪磚機(jī)方案分析
2.1.1方案研究
自動(dòng)鋪磚機(jī)的主要工作地點(diǎn)是人行道和大型廣場(chǎng)以及公園的道路塊磚鋪設(shè)，并且借鑒于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在已經(jīng)有的機(jī)器和發(fā)表的設(shè)計(jì)等技術(shù)方案，在這些基礎(chǔ)上面研后進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此本次課題是要設(shè)計(jì)出一款能夠在圖像處理方面并且能夠自動(dòng)化鋪磚設(shè)備，因此只要設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化鋪磚原理的方案，并搭建簡(jiǎn)單出模型就算達(dá)到設(shè)計(jì)目第=地。
本次設(shè)計(jì)的選材是用鋁合金支架為設(shè)備結(jié)構(gòu)的基本框架材料，有機(jī)玻璃為設(shè)備零件加工主要的材料，并設(shè)計(jì)獨(dú)特的寬度調(diào)節(jié)鋪磚裝置，磚艙結(jié)構(gòu)，磚塊頂推裝置，輥壓裝置以及傳送帶裝置。以上的裝置和結(jié)構(gòu)是用來(lái)保證自動(dòng)鋪磚機(jī)施工時(shí)的能夠穩(wěn)定的工作，以及提高工作效率。
2.1.2 方案設(shè)想
本課題為了能夠讓自動(dòng)鋪磚機(jī)受外界因素影響小，并且適應(yīng)外界工作環(huán)境，所以該機(jī)器應(yīng)該具有良好的工作穩(wěn)定性，并且還要使用到規(guī)定的時(shí)間，這樣就需要充分理解考慮清楚機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和磨損等?，F(xiàn)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出如下方案，見(jiàn)圖1.1。
自動(dòng)鋪磚機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為以下六大部分，1結(jié)構(gòu)主要包括傳送帶機(jī)構(gòu)；2磚艙（直線往復(fù)機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)磚機(jī)構(gòu)）；3寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（斜軌鋪磚機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠）；4頂推機(jī)構(gòu)；5滾壓結(jié)構(gòu)；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(shè)計(jì)出的模型不但要符合自動(dòng)鋪設(shè)條件需求，而且還應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)固、容易操作，易懂可以讓新手快速的學(xué)會(huì)使用、并且其實(shí)用性要強(qiáng)、易于檢修維護(hù)特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)將提供零件圖紙，實(shí)物簡(jiǎn)易模型，并與控制系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行測(cè)試。
圖1.1自動(dòng)鋪磚機(jī)整體方案
2.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)包括下圖中1頂推裝置、2傳送帶機(jī)構(gòu)、3寬度調(diào)節(jié)鋪磚機(jī)構(gòu)、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(jié)構(gòu)框架、滾珠絲杠、滑磚臺(tái)、電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、磚箱 、同步帶輪、軸、寬度調(diào)節(jié)擋板、移動(dòng)輪、圓錐滾子軸承座、和電機(jī)支座等。該機(jī)械設(shè)備工作時(shí)穩(wěn)定性較強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，而且很好的使用了模塊化的設(shè)計(jì)，這樣安裝會(huì)非常簡(jiǎn)單，調(diào)試也非常容易。該機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的三維裝配圖如下圖2.1所示[4] 。實(shí)物圖見(jiàn)附錄A，關(guān)鍵零件三視圖紙見(jiàn)附錄B。
圖2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型三維裝配圖
2.3 自動(dòng)鋪磚機(jī)方案工作原理
2.3.1 磚艙
磚艙結(jié)構(gòu)是由直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，磚箱和電機(jī)組成，如下圖2.2所示。磚箱與直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓或焊粘連接接。電機(jī)、直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩者之間是通過(guò)聯(lián)軸器相連接。當(dāng)電機(jī)通電運(yùn)行時(shí)，直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的，并且?guī)?dòng)磚箱來(lái)回運(yùn)動(dòng)，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(tái)上。
圖2.2 磚艙結(jié)構(gòu)圖
該磚艙結(jié)構(gòu)搭建于鋁合金結(jié)構(gòu)框架上，通過(guò)螺栓把直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)周向固定，磚箱在框架上面能夠隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)回回晃動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工作目的。
2.3.2 傳送帶結(jié)構(gòu)
傳送帶結(jié)構(gòu)是由T10同步皮帶、滾筒、電動(dòng)機(jī)、軸、深溝球軸承、彈性聯(lián)軸器等組成。電機(jī)和軸兩者之間通過(guò)聯(lián)軸器連接，軸和滾筒兩者之間通過(guò)螺栓緊接，滾筒和同步帶之間是通過(guò)齒相互配合。電機(jī)提供動(dòng)力通過(guò)軸帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，同而使同步帶運(yùn)動(dòng)，同步帶上的擋板把儲(chǔ)磚艙中的磚運(yùn)送到相應(yīng)鋪設(shè)的位置。傳送帶結(jié)構(gòu)圖如下圖2.3所示。
圖2.3 傳送帶結(jié)構(gòu)圖
該傳送帶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建于結(jié)構(gòu)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(diǎn)有；
1. 同步帶與帶輪精度高，穩(wěn)定性好，
2. 可以保證精準(zhǔn)的把磚運(yùn)轉(zhuǎn)到指定的位置。
3. 可以由電機(jī)自動(dòng)控制調(diào)，體現(xiàn)應(yīng)該鋪設(shè)的寬度。
2.3.3 寬度調(diào)節(jié)鋪磚結(jié)構(gòu)
寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與斜軌鋪磚機(jī)構(gòu)兩大部分組成了寬度調(diào)節(jié)鋪磚結(jié)構(gòu)。它們由正滾珠絲杠、寬度調(diào)節(jié)檔板、步進(jìn)電機(jī)、深溝球軸承、攝像頭和滑塊斜軌、側(cè)板等構(gòu)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(shè)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(jìn)行相應(yīng)的處理后調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)量，進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)寬度調(diào)節(jié)。磚塊在斜軌上實(shí)現(xiàn)磚塊鋪設(shè)工作是由于受到重力的作用發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。
圖2.4 寬度調(diào)節(jié)鋪磚結(jié)構(gòu)圖
該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，依附于結(jié)構(gòu)框架上，并且直流電機(jī)和車輪直接連接，所以在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝于底部的輪子使設(shè)備前行時(shí)避免傳動(dòng)誤差。寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的核心關(guān)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(diǎn)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(zhǔn)調(diào)節(jié)；
2.可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的寬度調(diào)節(jié)；
3.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速較低，有較大的扭矩，能夠提高動(dòng)力；
4.設(shè)備轉(zhuǎn)彎時(shí)可以利用差速控制原理實(shí)現(xiàn)；
5.斜軌的模塊化設(shè)計(jì)便于調(diào)節(jié)斜軌寬度；
2.4 自動(dòng)鋪磚機(jī)零件選用
2.4.1 軸承選用
在自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如圖2.3所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)滾筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)軸的設(shè)計(jì)尺寸要求以及承受的載荷力來(lái)計(jì)算，跟據(jù)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)動(dòng),降低在旋轉(zhuǎn)中所受到摩擦力，承受徑向的載荷，并且并保證轉(zhuǎn)動(dòng)的精度。軸承實(shí)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(yīng)用于各種行業(yè)的工業(yè)設(shè)備和精密儀器上的一種傳動(dòng)元器件。它的主要功能是將旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成為直線運(yùn)動(dòng)，而且傳動(dòng)精度高，具有摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高和具有可逆性等特點(diǎn)，是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的最理想的結(jié)構(gòu)[5]。
特別是最近幾年來(lái)，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床上面的直線驅(qū)動(dòng)工作單元，在機(jī)床這行業(yè)獲得了普遍應(yīng)用，這極大的鞭策了機(jī)床這個(gè)行業(yè)的數(shù)控化高速發(fā)展。這些都是因?yàn)槠渚哂懈邆鲃?dòng)效率、高的定位精度、傳動(dòng)性能可逆、使用時(shí)間長(zhǎng)、而且其同步性能非常好。實(shí)物圖如下圖2.6所示。
圖2.6 滾珠絲杠圖
2.4.3 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)選用
因?yàn)樽詣?dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置要非常精準(zhǔn)并且穩(wěn)定，所以找到一種精準(zhǔn)控制的動(dòng)力源就非常的重要。然而步進(jìn)電機(jī)恰好能夠依據(jù)給出的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，而且也一定的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以步進(jìn)電機(jī)的這些特性能夠滿足自動(dòng)化鋪磚機(jī)的工作要求。而且由于自動(dòng)鋪磚機(jī)的寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要有精準(zhǔn)的位移，所以需要電動(dòng)機(jī)能夠隨時(shí)的利用單片機(jī)對(duì)其他部件進(jìn)行控制，并且要具有較大的靜力矩。綜上可得，應(yīng)該選用的電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)[6]。如圖2.7所示。
電步進(jìn)電機(jī)的控制還需要配合專用驅(qū)動(dòng)器才能工作。如圖2.8所示，本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)查閱資料選用的是集成驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)工作時(shí)所允許的最大電流是3A ，通過(guò)撥碼可以進(jìn)行多級(jí)調(diào)控，并且和單片機(jī)的連接性能非常好。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的相互配合使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較小，而且在低速運(yùn)行時(shí)非常平穩(wěn)且噪音低，步進(jìn)電機(jī)的定位非常準(zhǔn)確而且還有較大的力矩。
圖2.7 步進(jìn)電機(jī) 圖2.8 集成驅(qū)動(dòng)器
2.4.4 頂推裝置動(dòng)力選用
頂推裝置是由電動(dòng)推桿和耙塊構(gòu)成，推桿與耙塊兩者之間焊接，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳送帶上磚塊的起到推動(dòng)作用。電機(jī)推桿如圖2.8所示。頂推裝置具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
1.能夠精確地控制且誤差較小。能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，并且沒(méi)有累積誤差，而且精準(zhǔn)控制的控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磚塊進(jìn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定推動(dòng)。
2.控制系統(tǒng)操作方便。該裝置本質(zhì)上為控制電機(jī)，因此控制簡(jiǎn)單高效，而且方便調(diào)試。
3.種類型號(hào)較多，便于選擇。還可依據(jù)推力的大小推動(dòng)的距離等要求選型，實(shí)用范圍極廣。
圖2.8 直流電機(jī)推桿
2.5 本章小結(jié)
本章主要敘述的是鋪磚機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的分析，包括寬度調(diào)節(jié)鋪磚機(jī)構(gòu)、磚艙、傳送帶結(jié)構(gòu)等部分，明確了各個(gè)部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝方法以及工作原理。并且知道了各個(gè)零部件之間相互協(xié)調(diào)配合過(guò)程，同時(shí)對(duì)于部分零件進(jìn)行研究分析。通過(guò)查閱資料和文獻(xiàn)對(duì)一些零件進(jìn)項(xiàng)選用說(shuō)明。通過(guò)分析可以更好的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(jiān)定的操作基礎(chǔ)。
3 關(guān)鍵零部件校核計(jì)算及有限元分析
3.1 關(guān)鍵零部件的校核計(jì)算
3.1.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）軸零件的定位，固定和裝配是采取非對(duì)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(rùn)滑方式是脂潤(rùn)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(jiǎn)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(guò)高。
2）確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度（由左至右），初選軸徑軸長(zhǎng)為20cm，安裝滾筒軸徑為12mm，長(zhǎng)為7cm，初選30110型號(hào)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(jié)構(gòu)圖
3.1.2 軸強(qiáng)度計(jì)算
已知：
輸出功率P=0.0029kw ，
轉(zhuǎn)速n=3.62min/r ，
轉(zhuǎn)矩T=6.435N/m。
同步帶輪分直徑，
按照彎扭合成的強(qiáng)度條件進(jìn)行校核：
力學(xué)模型圖3.2如下所示。
圖3.2力學(xué)模型圖
轉(zhuǎn)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(qiáng)度安全。
精確的校核軸疲勞強(qiáng)度：
如圖3.2所示，分析得滾筒安裝的右截面為危險(xiǎn)截面。
截面的右側(cè)：抗彎曲截面的系數(shù)為：，
抗扭轉(zhuǎn)截面的系數(shù)為：，
右側(cè)的彎矩為：，
截面上的扭矩；，
截面上的彎曲應(yīng)力， ，
扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力 ：，
已知45鋼的材料[7]參數(shù)為： 抗拉強(qiáng)度極限，
彎曲疲勞強(qiáng)度，
剪切疲勞強(qiáng)度，
在軸肩部位而發(fā)生的理論應(yīng)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(yīng)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(qiáng)化處理：，
得綜合系數(shù)為：
碳鋼的特性系數(shù)：取，
于是，計(jì)算安全系數(shù)值：
由上可得出右截面安全。
同理可計(jì)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(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，
1)初選彈性柱銷聯(lián)軸器；
載荷計(jì)算：
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為630Nmm。允許最大轉(zhuǎn)速為100r/m。配合軸徑為12mm，軸孔長(zhǎng)度為10mm。
3.2.2 軸承的選擇
根據(jù)根據(jù)條件，軸承預(yù)計(jì)壽命： 小時(shí)。
1)計(jì)算軸承，
已知：
轉(zhuǎn)矩： ， 轉(zhuǎn)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(hào)軸承其中：
C=73200,,d=12，D=22,B=10.
判斷系數(shù)為0.35。
2）初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷p：
根據(jù)參考文獻(xiàn)表13-6得：，
根據(jù)參考文獻(xiàn)表13-5得：X=0.56，Y=1.3。
則 ： 。
3）根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]13-6，求軸承應(yīng)有的額定動(dòng)載荷值：
4）根據(jù)參考文獻(xiàn)，及和C的值，選30110軸承，其中：
C=73200,,d=12，D=22,B=10.
5）驗(yàn)算如下：
在此次驗(yàn)算中得到軸承的使用壽命為19325小時(shí)與預(yù)設(shè)計(jì)壽命19200相比得到結(jié)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(jiǎn)介
本此設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)發(fā)生受力（應(yīng)力/位移）形變等問(wèn)題，而且還能夠模擬如質(zhì)量擴(kuò)，熱電偶分析散，熱傳導(dǎo)等別的工程領(lǐng)域中的許多問(wèn)題。本次課題應(yīng)用了其結(jié)構(gòu)分析功能，分析了自動(dòng)鋪磚機(jī)中典型的關(guān)鍵零部件的受力后所產(chǎn)生的變化情況。
3.3.2 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的受力分析
自動(dòng)鋪磚機(jī)設(shè)備中的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件如圖3.4所示，該零件受到磚箱的壓力和電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的推拉力，因此對(duì)該零件進(jìn)行有限元分析。直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元分析參數(shù)如表3.1所示。
表3.1 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
經(jīng)過(guò)有限元分析得到如圖3.5所示，可知直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在T型接口處受力形變較大，在加工時(shí)是此處應(yīng)該加厚。其余各處無(wú)較大的形變，所以能滿足設(shè)計(jì)要求。
圖3.5直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元分析圖
3.3.3 頂推裝置前段有限元分析
自動(dòng)鋪磚機(jī)設(shè)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(jī)的推力和和磚塊的壓力并且還有自身的重力。因此需進(jìn)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(guò)有限元分析得到結(jié)果如圖3.7所示，由圖可知頂推裝置各個(gè)部分的受力形變較小也無(wú)應(yīng)力集中和形變，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
圖3.7 頂推裝置前段有限元分析結(jié)果
3.4 本章小結(jié)
本章對(duì)自動(dòng)鋪磚系統(tǒng)中的重要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)算校核，并且對(duì)關(guān)鍵的部件利用限元軟件進(jìn)行分析，驗(yàn)證零件設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)籍，學(xué)習(xí)鞏固了相關(guān)校核的方法和計(jì)算公式。有限元分析很有效的檢驗(yàn)了方案設(shè)計(jì)零件的安全合理科學(xué)性，保障了整個(gè)系統(tǒng)在工作中的穩(wěn)定性。通過(guò)查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)在進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，懂得了有限元分析處理后的結(jié)果圖。
19
4 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)
4.1 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成
本課題在自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)完成之后，將會(huì)對(duì)自動(dòng)鋪磚機(jī)進(jìn)行加工和裝配，組裝完成后將會(huì)安裝控制系統(tǒng)并與圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行同步聯(lián)調(diào)測(cè)試。
自動(dòng)鋪磚機(jī)上安裝的系統(tǒng)主要分為，頂推裝置機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和寬度調(diào)節(jié)鋪磚系統(tǒng)、單片機(jī)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]?？刂葡到y(tǒng)之間相互的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)框架圖如圖4.1所示。
圖4.1 自動(dòng)鋪磚機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(jī)交互部分)并且實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，Qt客戶端調(diào)用機(jī)器的視覺(jué)庫(kù)(OpenCV)對(duì)圖像進(jìn)行一系列如：灰度轉(zhuǎn)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(guò)提取的信息反饋給STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)部分，控制鋪磚的寬度。
單片機(jī)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，在芯片中寫(xiě)入控制算法程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的處理, 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道路寬度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)2實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳送帶機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的控制，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)正反牙滾珠絲杠滑塊運(yùn)動(dòng)，圖像采集系統(tǒng)將寬度信息傳遞給STM32單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)脈沖給驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)1接受到定量脈沖，實(shí)現(xiàn)寬度調(diào)整。
傳送帶機(jī)構(gòu)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的運(yùn)行是通過(guò)STM32單片機(jī)給出信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)同步帶，把磚塊運(yùn)送到指定位置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)磚功能。
頂推裝置系統(tǒng)；該系統(tǒng)通過(guò)STM32單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3運(yùn)動(dòng)，把耙塊推出進(jìn)而把磚塊推送到斜軌上，實(shí)現(xiàn)了頂推作用[10]。
4.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程
自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吐如圖4.2所示，包括電機(jī)1電機(jī)2，滾壓棒4與機(jī)體8通過(guò)螺栓連接在后面，機(jī)體8底部設(shè)置有四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪15通過(guò)螺栓連接，機(jī)體后半部分有斜軌5和寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)板6和滾珠絲杠7，中間部設(shè)置有儲(chǔ)磚艙9和滑臺(tái)10，儲(chǔ)磚艙下連接傳送帶機(jī)構(gòu)16，傳送帶機(jī)構(gòu)邊上有頂推裝置3，機(jī)體8前端有磚箱結(jié)構(gòu)11，磚箱11下端與直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)12相連接，直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與電機(jī)13相連接。攝像頭14在機(jī)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(jī)控制器，單片機(jī)控制器連接傳送帶機(jī)構(gòu)、頂推裝置裝置、寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
圖5.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)圖
1.2.13電機(jī)，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(jī)體，9儲(chǔ)磚艙，10滑臺(tái)，11磚艙，12直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，14攝像頭，15電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪，16傳送帶機(jī)構(gòu)
自動(dòng)鋪磚機(jī)的工作控制方法包括以下步驟：
第一步，攝像頭提取預(yù)鋪道路寬度的信息，并將預(yù)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(yù)鋪道路的寬度信息經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)化變成脈沖信號(hào)；
步驟三，圖像處理系統(tǒng)將所需輪廓的長(zhǎng)寬度發(fā)送至單片機(jī)處理中心；
步驟四，單片機(jī)處理單元控制正反牙滾珠絲杠滑臺(tái)7調(diào)整擋板6間的間距，使擋板6間的間距與預(yù)鋪道路同寬；并且控制傳送帶機(jī)構(gòu)16轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)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(shí)，電機(jī)13帶動(dòng)通過(guò)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)12使得磚艙11晃動(dòng)，工程磚通過(guò)滑臺(tái)10落入儲(chǔ)磚艙9中，讓傳送帶把磚帶到相應(yīng)的位置。
步驟六，這是單片機(jī)給出一個(gè)人信號(hào)，使得頂推裝置把磚推到斜軌上，通過(guò)光流算法得出當(dāng)前磚塊在鋪磚斜軌5上的運(yùn)動(dòng)速度，單片機(jī)處理單元控制機(jī)體8前進(jìn)，完成鋪磚[12]。
4.3 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)測(cè)試
在自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行圖像處理部分與控制部分聯(lián)調(diào)測(cè)試，通過(guò)CAM攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)傳輸給Qt客戶端模塊并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)如圖4.3所示，Qt調(diào)用機(jī)器視覺(jué)庫(kù)(OpenCV)對(duì)圖像進(jìn)行例如：圖像二值化處理、灰度轉(zhuǎn)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(guò)提取的輪廓信息反饋給STM32單片機(jī)控制部分，實(shí)現(xiàn)控制鋪磚的寬度[11]。
圖4.3 人機(jī)交互界面
圖4.4 寬度采集
4.4 自動(dòng)鋪磚機(jī)推廣評(píng)估
不管什么機(jī)器或者設(shè)備在推廣中都要進(jìn)行一些市場(chǎng)調(diào)查，都要解決一些成本問(wèn)題。對(duì)于自動(dòng)鋪磚機(jī)在推廣應(yīng)用的過(guò)程中，可能存在單價(jià)成本過(guò)高的問(wèn)題，本課題針對(duì)于單價(jià)成本問(wèn)題在社會(huì)上進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)將調(diào)查結(jié)果整理如下表4.1所示。
現(xiàn)在假設(shè)一條人行橫道為3000x3m為例，進(jìn)行了一系列的預(yù)設(shè)，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(shè)成本分析表
鋪設(shè)方式
成本
人工
工價(jià)
日均成本
完成時(shí)間
總成本
人工鋪設(shè)
0
10
80元/天
800元
12天
7600元
自動(dòng)鋪磚機(jī)
5萬(wàn)
2
80元/天
300元（含電費(fèi)）
5天
51500元
由上表可以看出，由于自動(dòng)鋪磚機(jī)設(shè)備費(fèi)用高，在鋪設(shè)時(shí)間段，工程量小的鋪路中，總成本會(huì)比人工鋪設(shè)的總成本高出許多。但是如果是長(zhǎng)期進(jìn)行路磚的鋪設(shè)的公司或者大型的公路工程就可購(gòu)買(mǎi)自動(dòng)鋪磚機(jī)，在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行鋪路工作施工項(xiàng)目可以大大的降低成本，縮減建設(shè)費(fèi)用節(jié)約了成本。
4.5 自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)總評(píng)
經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且工作過(guò)程中狀態(tài)穩(wěn)定、運(yùn)行良好。
總體而言，此模型具有最超前的想法、造價(jià)便宜，并且實(shí)現(xiàn)了圖像處理技術(shù)和寬度調(diào)節(jié)鋪磚機(jī)構(gòu)兩者之間的結(jié)合。該系統(tǒng)的推廣使用將能為以后的設(shè)計(jì)研究提供技術(shù)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(jié)
本章主要是對(duì)自動(dòng)鋪磚機(jī)系統(tǒng)的同步聯(lián)調(diào)進(jìn)行了闡述，明確了圖像處理技術(shù)在設(shè)備中的重要作用，以及控制系統(tǒng)部分的工作流程，并對(duì)次設(shè)計(jì)搭建的模型的推廣進(jìn)行說(shuō)明。雖然在進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中碰到了一些困難，但是通過(guò)不懈努力，我們逐個(gè)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(duì)后期發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。
5 展望與評(píng)估
5.1 課題概述
本次設(shè)計(jì)為自動(dòng)鋪磚機(jī)方案設(shè)計(jì)及機(jī)械部分的改進(jìn)，經(jīng)過(guò)對(duì)任務(wù)書(shū)的分析、以及查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)、對(duì)方案進(jìn)行研究選擇、對(duì)自動(dòng)鋪磚機(jī)結(jié)構(gòu)開(kāi)展設(shè)計(jì)、零部件進(jìn)行加工裝配以及對(duì)控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等過(guò)程，通過(guò)我們不懈的努力，終于讓本課題達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
本課題設(shè)計(jì)并且組裝出了自動(dòng)鋪磚機(jī)模型裝設(shè)備，是依照現(xiàn)代化鋪磚的需求提出超前思路。并且在通過(guò)對(duì)自動(dòng)鋪磚機(jī)測(cè)試結(jié)果的分析研究，可以得出該裝置能夠在對(duì)于提高鋪磚工作效率，降低施工成本以及節(jié)省勞動(dòng)力方面有重要的意義。通過(guò)對(duì)該設(shè)備的評(píng)估可知，該機(jī)械設(shè)備具有使用簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、工作效率快等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以適應(yīng)較為復(fù)雜工作環(huán)境，對(duì)于縮短施工期期，和降低勞動(dòng)力成本具有及重要意義。
本次研究該課題，是對(duì)于科技進(jìn)步很好的一種體現(xiàn)，設(shè)計(jì)出來(lái)能夠替代人力的設(shè)備，可以提高工作的效率。并且具有較高的科學(xué)含義和以及市場(chǎng)使用價(jià)值。
5.2 自動(dòng)鋪磚機(jī)前景展望
我國(guó)在21世紀(jì)，人力市場(chǎng)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(shè)基本上依靠純手工作業(yè)，對(duì)于這一現(xiàn)象，德國(guó)、荷蘭等國(guó)發(fā)明了幾種鋪磚機(jī)，但這些機(jī)器對(duì)自動(dòng)化這方面的利用也不是很高。這些鋪磚機(jī)工作時(shí)大都需要其它小型鏟車進(jìn)行配合使用，而且還需要人工進(jìn)行碼磚，而且還要人工進(jìn)行寬度調(diào)節(jié)鋪設(shè)。由于這些因素，使得鋪磚機(jī)的推廣受到限制，對(duì)于施工也沒(méi)有起到改善。本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)鋪磚機(jī)設(shè)備是一種在工作運(yùn)行中非常穩(wěn)定的、并且具有高效率的鋪磚機(jī)器，在未來(lái)的城市化建設(shè)中將發(fā)揮出舉足輕重的作用。而且由于其容易操作，維護(hù)檢修方便等的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槭┕挝豢s短施工周期，節(jié)省施工成本，減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響。并且隨著我國(guó)機(jī)械化進(jìn)程的不斷發(fā)展，對(duì)于人行道鋪設(shè)需求量急劇加大。由此可知國(guó)內(nèi)的鋪磚機(jī)市場(chǎng)潛力巨大，得出自動(dòng)鋪磚機(jī)發(fā)展前景明朗[13]。
5.3 收獲啟發(fā)
本課題經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)與資料，合理的運(yùn)用學(xué)過(guò)了專業(yè)知識(shí)，終于完成了任務(wù)書(shū)上的設(shè)計(jì)要求，并且從中獲益頗豐。
從一開(kāi)始的選題直到到完成這一整體的過(guò)程中，不僅要查閱資料文獻(xiàn)，回顧以學(xué)的專業(yè)知識(shí)，還要學(xué)習(xí)各種新的軟件。這是對(duì)大學(xué)四年學(xué)習(xí)的一次很好的復(fù)習(xí)與應(yīng)用，這將對(duì)我們以后工作時(shí)提供了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)本次設(shè)計(jì)的認(rèn)真研究，我們鞏固自己所學(xué)的專業(yè)內(nèi)容，而且還對(duì)自主學(xué)習(xí)與獨(dú)立解決問(wèn)題的能力得到提升。
當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)比掌握專業(yè)知識(shí)重要，但是這些只有建立在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上才能體現(xiàn)出來(lái)。
總而言之，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了自己的專業(yè)素養(yǎng)，鍛煉了團(tuán)隊(duì)合作能力，并且收獲友誼，同時(shí)也深刻認(rèn)識(shí)到自己的缺陷，這將受益無(wú)窮。
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致 謝
大學(xué)生活一晃而過(guò)，回首走過(guò)的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫(xiě)完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，感慨良多。
首先誠(chéng)摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師張艷麗老師。她在忙碌的教學(xué)工作中擠出時(shí)間來(lái)審查、修改我的論文。還有教過(guò)我的所有老師們，您們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的教學(xué)作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣，他們循循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。在這最美好也最迷茫的年華里，我有幸結(jié)識(shí)了諸位良師益友，通過(guò)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(shí)間，認(rèn)真學(xué)習(xí)提高自身能力。再次感謝張老師在對(duì)我的個(gè)人發(fā)展和各項(xiàng)大賽中的辛勤指導(dǎo)，其中的受益已無(wú)法用三言兩語(yǔ)述清，僅銘記在心，砥礪奮進(jìn)，不辜負(fù)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(xué)、朋友、感謝他們?yōu)槲姨岢龅慕ㄗh和意見(jiàn)，有了他們的支持、鼓勵(lì)和幫助，我才能充實(shí)的度過(guò)了四年的學(xué)習(xí)生活。
附錄A外文文獻(xiàn)
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,