微型全自主掃雪機器人機械結構設計【三維UG】【含動畫仿真】

喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內，有疑問咨詢QQ:414951605 或 1304139763 新疆大學本科生畢業(yè)論文（設計）中期檢查表 學生姓名 趙營營 學院 班級 機械工程學院機械 13-11 班 指導 教師 李長勇 論文（設計）題目 微型全自主掃雪機器人機械結構設計 已 完 成 的 任 務 1.根據設計要求對掃雪機器人進行結構設計。 2.根據要求完成部分零件的三維建模。 3.繪制相應的零件圖。 4.設計說明書的撰寫完成1/2。 是否符合 任務書要 求進度 是 尚 須 完 成 的 任 務 1. 進行整體裝配。 2. 設計任務書的撰寫。 3.進行運動仿真。 能否按期 完成任務 能 存在的問題和解決辦法 存在的問題：1.運動仿真的制作。 2.部分較難的裝配。 解決方法：1.對NX 10.0進行深度學習。 2.查閱相應的文獻資料，向指導老師請教。 填 表 人 日期 教研室主任簽字： 教學副院長（主任）簽字： 新疆大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 機械工程學院本科畢業(yè)論文答辯記錄 學 號 20132008004 姓名 趙營營 班 級 機械13-11 論文題目 微型全自主掃雪機器人機械結構設計 指導教師 李長勇 專業(yè)名稱：機械工程（礦山機電） 答辯記錄： 1． 你是用了幾個液壓缸？怎么用這么多的液壓缸？（海幾哲老師提問） 答：我用了五個液壓缸，因為可以通過這五個液壓缸來控制三個掃雪板的自由運動，這樣有個很大的不足就是增加了控制的難度。 2. 你的掃雪裝置有幾個自由度？（海幾哲老師提問） 答：我的掃雪裝置有兩個自由度，下面的兩個液壓缸可以控制整個雪板的上下運動，上面的三個液壓缸可以控制三個小的雪板的上下俯仰運動。 3. 你的這里（圖紙上掃雪軸的地方）這個是什么？（伊力哈木老師提問） 答：我這里設計的是一個外腹板，可以相當于軸肩的作用。 4. 你選擇的是什么型號的電機，它的輸出扭矩是多少？這個扭矩能否帶動這個小車，你計算過了嗎？這個小車有多重？（烏日凱西老師提問） 答：我選擇的是57直流無刷電動機，他的輸出扭矩是0.7N.M。通過減速器降速后增大了輸出扭矩為6.6N.M，我計算過了這個扭矩可以帶動小車，我的小車的重量大概有七八十公斤。 答辯組負責人： 2017 年 6 月 4 日 新疆大學畢業(yè)論文（設計） 新疆大學畢業(yè)論文(設計) 題 目： 微型全自主掃雪機器人機械結構設計 指導老師： 李長勇 學生姓名： 趙營營 所屬院系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程（礦山機電） 班 級： 機械13-11 完成日期： 2017年5月25日 41 新疆大學畢業(yè)論文（設計） 聲 明 本人鄭重聲明，畢業(yè)設計論文——《微型全自主掃雪機器人機械結構設計》系本人在相關教師指導下獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的一切后果由本人負責。 簽名： 時間： 年 月 日 新 疆 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 班 級： 機械13-11 姓 名： 趙營營 論文（設計）題目： 微型全自主掃雪機器人機械結構設計 專 題： 要求完成的內容： 1）查閱國外文獻，了解國內外現有微型自主掃雪機器人功能和結構； 2）針對設計要求，設計微型自主掃雪機器人的結構； 3）利用UG建模并進行運動仿真，工程圖（A0圖1張）、零件圖（A3 圖2張）； 4）設計計算說明書一份（1.5萬字左右）； 發(fā)題日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日 實習實訓單位： 地點： 論文頁數： 頁； 圖紙張數： 指導教師： 教研室主任： 院 長：  摘 要 在我國北方大多數地區(qū)，冬天下雪量多，下雪時間比較長，尤其是新疆烏魯木齊，長時間堆積的積雪的清除也成為城市正常運行的基礎。大多數地區(qū)開始使用除雪機械來代替原始的人工掃雪。與原始的人工掃雪,除雪劑除雪相比機械式除雪具有更高的效率，更低的耗能，因此得到了廣泛的應用和迅速的發(fā)展。 但是已有的大型掃雪機械設備不適用于如校園，小區(qū)等較窄的道路，并且目前的除雪機械中自主掃雪功能的實現還未成熟，因此設計出可自主實現導航避障功能的自主掃雪機器人也是非常有意義的，此次設計基于國內外已有的掃雪設備和方法研究出了一種適合較窄道路的可實時進行清掃工作的微型全自主掃雪機器人。 本論文主要是對其機械結構進行設計和創(chuàng)新，對其設計方案和工作原理進行分析，對其重要部分的零件進行計算和校核。最終用UG NX10.0 軟件建立出掃雪機器人各個部件的三維模型，然后進行裝配，行成運動仿真。在此次設計研究中，主要用到了以下幾個關鍵技術：利用 UG NX10.0 軟件建立了掃雪機零件的三維實體模型，進行裝配后實現運動仿真，導出二維裝配圖。利用Auto CAD 2007 軟件對導出的二維裝配圖進行修改達到國家標準圖紙要求。 關鍵詞 掃雪機；UG NX10.0；三維設計；設計計算 Abstract Due to the xinjiang region special climate, winter time is longer, the more snow, so looking for a kind of high efficiency, structure is simple, low cost way of snow become the top priority.With the current artificial snow, snow removal agent snow removal than mechanical snow removal has higher efficiency, lower energy consumption, therefore has been widely used and rapidly developing. But the existing large snow machinery equipment does not apply to such as campus, community and so on a narrow path, and the realization of the function of autonomic snow in the snow removal machine is not yet mature, so design can be independent autonomous navigation and obstacle avoidance and functions to sweep robot is also very meaningful, This design is based on the domestic and foreign existing snow device and method developed a suitable for narrow roads may real-time full autonomy to sweep microrobots for cleaning work.This paper is mainly to its mechanical structure design and innovation, the design scheme and working principle were analyzed, and the important part to calculate and check the parts.Use UG NX10.0 software to create 3d modeling of all parts of the robot, create the physical model, and carry out motion simulation.In this project study, mainly adopts the following key technologies: using UG NX10.0 software 3 d entity modeling technology and assembly technology, created the snowplow components of the three-dimensional entity model, and completed the whole machine of the three-dimensional entity unit model, design for assembly is realized. keywords The Snowplow machine; UG NX10.0; 3D design; Design calculation V 新疆大學畢業(yè)論文（設計） 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒論 1 1.1 選題的意義 1 1.2 國內外的發(fā)展狀況與趨向 1 1.2.1 國內發(fā)展狀況 1 1.2.2 國外發(fā)展狀況 2 1.2.3 發(fā)展趨勢 3 1.3 掃雪途徑及其應用范圍 4 2 路面積雪性質的研究 5 2.1 積雪的物理性質 5 2.1.1 雪的密度 6 2.1.2 積雪的濕度 7 2.2 積雪的力學性能 7 2.2.1 積雪的硬度 7 2.2.2 積雪的摩擦系數 7 2.3 本章小結 8 3 微型全自主掃雪機器人機械結構設計 9 3.1 總體結構設計方案及其比較 9 3.2 微型全自主掃雪機器人的工作原理 9 3.2.1 基本結構 9 3.2.2 工作原理 9 3.3 本章小結 10 4 行走裝置的設計計算和校核 11 4.1 設計方案 11 4.1.1 結構組成 11 4.1.2 工作原理及工作過程 12 4.2 履帶行走裝置動力方式的選擇 12 4.2.1 履帶行走裝置牽引力的計算 12 4.2.2 履帶行走裝置原動機的選擇 14 4.3 履帶行走機構關鍵部件的設計及選擇 16 4.3.1 履帶的設計及選擇 16 4.3.2 驅動輪的設計及選擇 17 4.3.3 驅動軸的設計及計算校核 18 4.3.4 導向輪，拖帶輪，支重輪的設計及選擇 20 4.3.5 履帶行走機構螺栓的選擇與校核 22 4.4 本章小結 23 5 推雪裝置的設計計算和校核 24 5.1 推雪板的設計 24 5.2 鏟刃的設計 25 5.3 鏈接裝置的設計 25 6 掃雪裝置的設計計算和校核 27 6.1 掃雪裝置的設計 27 6.2 掃雪裝置的計算與校核 28 6.3 刷毛的選擇 30 7 三維建模與裝配及運動仿真 31 7.1 UG NX 10.0 功能介紹 31 7.2 UG NX 10.0 建模方法介紹 31 7.3 UG NX 10.0 用戶 32 7.4 UG NX 10.0 裝配建模 35 7.5 UG NX 10.0 運動仿真 36 參考文獻 37 致謝 40 VII 新疆大學畢業(yè)論文（設計） 1 緒論 1.1 選題的意義 我們知道一定的積雪對我們來說也有一定的好處，瑞雪兆豐年，對空氣也有一定的凈化作用，但對于城市化的地區(qū)，馬路上的積雪則會造成相應問題。時常會造成一系列的麻煩和事故，比如說交通堵塞或者交通事故。因此要實時對道路上的積雪進行清理，然而目前我國的掃雪方式有人工掃雪和機械掃雪，人工掃雪既費時又費力，機械掃雪一般都是大型的機械設備，對于一些較窄路段的積雪就不能夠及時的清掃，大型機械掃雪設備不能夠滿足城市小道比如說校園，人行道，居民小區(qū)里的較窄的街道。因此這些小道中的雪全靠人力清掃，用人工掃雪板，用十字鎬，用掃把來進行清掃，用的全是人海戰(zhàn)術，這樣的方式不僅浪費了大量的精力，清雪的效率也不高。這些積雪和被壓實的雪常常會引發(fā)各種交通隱患，和造成交通堵塞，因此要設計出一種效率又高，結構又比較簡單，又能實現自主掃雪，成本又低的掃雪機器人成為首要任務，所以在小伙伴和李長勇老師以及房愛青師哥的幫助下，設計出了微型全自主掃雪機器人，用來解決較窄道路的積雪清理，不僅提高了掃雪效率，也為環(huán)衛(wèi)工人帶來了保障，降低了道路交通事故的產生。 1.2 國內外的發(fā)展狀況與趨向 1.2.1 國內發(fā)展狀況 在中國，除雪機械的研制相對晚些，80年代以后才開始研制與開發(fā)，在改革開放的背景下，道路越修越好，車輛越來越多，交通也越來越復雜，接著就研發(fā)出了多種型號的除雪機械，用來清理道路上的積雪。清雪設備開始發(fā)展起來，與此同時，相關部門也開始關注國外的先進道路保養(yǎng)技術，并向國內發(fā)展，最近幾年，陸續(xù)向國內引進了一些養(yǎng)護道路的機械設備，當中包含一些具有清理積雪功能的設備，比如奔馳牌的 U1650 型萬能工程車，烏尼莫克道路綜合等養(yǎng)護車。[19] （1）產品級次低，功能單一 中國的掃雪方式多種多樣，在北方冬天不是特別的冷，下的雪也不是很多，下雪的天數也不多，因此就不需要太大的專門的清雪車。許多廠家生產出來的設備并非專門用來清除積雪，而是有許多其他的功能，掃雪設備也通常是一個附屬品，在設計除雪設備時，可根據汽車的情況，設計出可掃雪的推板機構然后安裝在汽車前面或者后面，此機構對汽車的結構狀態(tài)沒有太多的要求，因此對汽車的行走功能也沒有太大的影響。然而這種方式并不是很專業(yè)，所以一些廠家也開始致力于除雪設備的研究和開發(fā)，引進高端人才，在研究上做技術支持，在擁有好的制造設備和高的研究能力下研發(fā)出高效率的機械設備。在融雪技術層面：中國使用的方法是將具有融雪作用的一些化合物灑在道路上進行雪的融化，比如鹽巴是最常用的，再就是氯化鈉等類似物質。[10]但是此方法會產生有害氣體，對環(huán)境造成污染，所以響應國家的環(huán)保政策，要減少氯化鈉的使用，那么所用的融雪物質就用進口的多點，國產的造價比較高。此方法在大片面積的路況使用比較合適，比如機場和跑道等。 （2） 產品簡單，沒有標準 每個商家對新產品的設計都是基于最理想的使用條件，進行研發(fā)設計。這種設計研發(fā)的方式雖然一定程度上確保了專利形式的多樣化，但在產品的實際使用中各方面明顯不足，功能單一，在綜合使用過程中，產品的用戶體驗不佳。同時，有些廠商為了增加自己產品銷售量，縮短資金流轉周期，在產品研發(fā)的過程中投機取巧，一味的去模仿國外的產品技術，沒有自己的核心技術，在追求性價比的同時降低產品的質量。因為各種各樣的原因，現在全球方面并沒有一個統(tǒng)一的產品標準，比如“掃雪車”。 1.2.2 國外發(fā)展狀況 目前，國外的掃雪機械發(fā)展技術比較先進，其各種附屬功能也更加豐富。在芬蘭、德國等歐洲北部的一些國家，掃雪機械的相關研發(fā)技術和制造過程已經相當成熟，走在了相關領域的最前列。最初的清雪機械是采用推土機或裝載機，利用其推土板和裝載斗江積雪集中在一起，后來發(fā)展成犁式除雪機。早在 1943年日本就開始把 V 型犁裝在載重卡車上用于除雪，經過多年的發(fā)展，國外犁式除雪機已具有較高的技術水平。犁式除雪機出現以后，又出現了將用合成材料制成的紙箱圓周不同方向排列的棒裝在滾筒上作為清雪專用器械，但只對沒凍得積雪效果好，直接后來出現了連續(xù)快速的大型旋轉式清雪機，清理積雪的工作才變得簡單。切削，調集，推移和拋投是旋轉式除雪機的功能，旋轉式除雪機有結構復雜，功能多的特點。旋轉式掃雪機生產的主要國家是俄羅斯和日本，這兩個國家的技術成熟。產品的性能一直居在世界領先水平。隨著人們物質生活水平的提高，人們對路面的質量要求也有了更高的期待，尤其是冬天路面被冰雪覆蓋，這就要求國家在公路護養(yǎng)方面對掃雪機械的投入大大增加。同時，國外較為成熟的技術研發(fā)的掃雪產品也幾乎可以滿足一機多用的使用性能，往往一種產品即可面對各種路面狀況，但是，國外的掃雪產品的價格也較為高昂。 1.2.3 發(fā)展趨勢 目前，掃雪產品的發(fā)展趨勢已經呈現了較為明顯的不同發(fā)展方向： （1）體型較小、速度較高 在掃雪除冰的過程中，掃雪設備的體積尺寸和設備行走速度在一定程度上對交通狀況也會產生很大的影響。設備本身體型太大，就會占用交通要道，影響車輛交通流。同樣，如果掃雪速度太慢，也會造成交通擁堵，給冬天本來就不好的路況造成新的困難。因此，新型的掃雪設備應該要有較高的清雪速度和較小的設備體型，以適應擁堵的路面。因此，除雪除冰裝置的小型化，高速度應為掃雪設備的發(fā)展目標。[19] （2）多功能、高效率 為了提高掃雪設備的使用效率，掃雪設備的功能應該向多功能多用化方向發(fā)展。設備應該具有良好的移植互換性，表現為不僅可以在專用設備車型上安裝使用，而且也可以植入其他常用工程車輛，具有更加良好的兼用性能。例如，在行 駛的卡車自身地盤上進行相關設備安裝和改造，對裝載機、挖掘機等工程車輛進行相關研究和設計，不僅可以滿足車輛自身的使用性能，還可以兼顧拓寬設備的適用范圍。用于未來掃雪除冰的機械裝備應采取新的技術研發(fā)設計手段，進一步提高除雪除冰工程設備的科技含量。 （3）智能化 掃雪設備面臨的工作路況和工作條件較為多樣化，因此難免會產生路面擦傷或者掃雪設備發(fā)生碰撞產生故障等行為。為此，新型的掃雪工程設備應該提高對路面和工作環(huán)境的適應性，優(yōu)化設計相關避讓機構和設備智能化成為掃雪設備機電一體化的發(fā)展新方向。例如，增加設備相關的自控技術的投入，使設備能夠自身自動避開碰撞，從而減少設備在使用過程中會出現的各種設備損壞狀況。 （4）安全、舒適 掃雪機械裝置的傳動部分在設備運行過程中會對周圍人員產生一定的危險，工作環(huán)境也比較惡劣，面對著寒冷和噪聲的工作環(huán)境，因此掃雪設備應該降低操作人員的工作強度，提高除雪設備的使用舒適性和安全性，同時提高駕駛室工作條件，降低噪聲，使操作人員在一個舒適的環(huán)境中工作。 （5）實時化 掃雪機向實時化除雪的方向發(fā)展可以表示為：高速清雪機械可以隨時融入道路，隨時下的雪，可以隨時清理，保證道路上不會出現積雪被往來車輛壓成冰層的狀況發(fā)生。這種要求就要做到不僅對道路上的交通流不會產生太大影響，而且可以及時消除掉可能造成交通事故的冰雪。對實時出現的危險因素所產生的相關影響進行相關處理。[8] 1.3 掃雪途徑及其應用范圍 根據積雪路況的特點，掃雪作業(yè)工作方式主要分為新雪掃雪，壓實雪掃雪和薄冰處理三種路況處理方[7]。目前，我國在對路面進行掃雪防滑處理時主要采取的途徑有：人工掃雪，機械掃雪，融雪劑掃雪，微波掃雪，綜合式掃雪。這幾種途徑當中最主要的還是以機械掃雪為主，各種方式最主要的特色如下： (1) 人工掃雪：人工進行掃雪的方式比較適合于小雪天氣以及收費站口和人行道及其他難重點路況，這些工作狀況不適于機械掃雪的工況要求，在應用過程中往往困難很大且操作不便，而人工掃雪的工作方式較為靈活，各種復雜的工作狀況都可通過人工清掃的方式進行完全的清理。但人工掃雪方式的工作效率較低，人工成本也較高，影響路面交通狀況且對操作工人的人身安全也有較大的安全患。 (2) 融雪劑掃雪：融雪劑式掃雪是通過噴灑或拋灑相關化學材料，利用其本身相關的使用性能，從而達到降低融點或融雪的目的。這種工作方式適用于剛入冬時，這時的氣候特點是初冬天氣氣溫偏高，雪量有點大，融雪劑掃雪的工作特點對融雪的效果還是比較明顯的。這種掃雪方式也有一定的缺點：對環(huán)境和道路具有相當危害程度的污染，尤其是對道路兩旁的綠化植的影響更為嚴重，其中，以鈉鹽的影響最為厲害，不僅對植物而且對路面的腐蝕性也比較大。就將來發(fā)展的角度看，融雪劑的利用及其規(guī)模將越來越有限，如此下去它的利用將會受到越來越嚴格的限定。 （3）機械掃雪：機械形式的掃雪全天作業(yè)也不會出現太大的問題，可對大，中面積的雪進行機械清洗操作。機械式掃雪裝置能比較徹底的清除路面積雪，由于有它有高效率，環(huán)保的特點能快速清理積雪不會影響交通行駛。 （4）微波掃雪：目前各國研究的微波掃雪對加熱路面的深度較淺，目前的微波加熱材料只能對路面 1cm 范圍的積雪有作用，僅吸收微波發(fā)出熱量的 5%的部分，存在嚴重的能量損耗，由于加熱，道路表面的溫度升高，冰雪掃除的時間長，因此微波掃雪的效率會下降。不能快速的清理高速公路上的積雪與積冰，關于這方面，國內外有很大的發(fā)展。 （5）綜合式掃雪：一般化學形式的掃雪和機械形式的掃雪一體化的形式叫做混合式掃雪，有些螺旋葉片或推雪板等掃雪配置安裝在掃雪設備的前部分，后端部分可以裝在撒融雪劑等一些配置。根據實際情況，可以選擇混合式掃雪機現有的兩種功能里的一個來清除積雪，也可以兩個功能一起使用。[13] 42 2 路面積雪性質的研究 2.1 積雪的物理性質 為了研究，設計，開發(fā)更便捷的除雪裝置開發(fā)高效率的和適合當地的掃雪方法和工作裝置，首先要掌握積雪的基本物理性質。再進行設計和計算掃雪設備的掃雪阻力和掃雪功率等有關的問題。由于雪的物理性質會不斷發(fā)生復雜的轉變，比如隨著氣候溫度的轉變，雪落下的時間的長短，再或者是因為空氣濕度等的原因。路面積雪如此巨大的轉變都是因為車輛的行駛，除雪作業(yè)及水份的加入等因素導致的。雪的主要物理性質直接影響除雪設備的除雪阻力和除雪功率等有關的問題的設計計算。[18]雪的主要物理性質包括雪的密度，濕度，硬度，摩擦系數等。路面冰雪的分類如下表： 表2-1 路面冰雪的分類 雪的形態(tài) 雪的形狀 特征 雪粒直徑大小 密度 Kg/m3 新雪 結晶狀 新下的雪 ———— 100 塵狀雪 粉塵狀 車輛運行揚起的新降的雪片分化而成的小顆粒粉末狀的雪粒 雪粒的直徑為 0.045mm-0.3mm 相互沒有毗連 270-410 粒雪 粒狀 不能飄揚起來溫度交替變化后機械攪拌或化學處理的積雪 雪粒的直徑0.3mm以上，不毗連的圓粒 280-500 碾壓的雪 板狀 被一些行駛的車輛碾壓過的雪 直徑0.045mm-0.3mm，相互毗連的圓粒 450-745 冰雪 板狀 壓實雪熔化又凍結在一起，度在1mm 以下 直徑為0.05mm-2mm的多結晶冰，含有粒為 0.01-0.1m的氣泡 745以上 結冰 薄膜狀 結冰了的水附著在路面或雪上行成膜狀，厚度在 1mm 如下 雪顆粒的直徑為0.05mm-0.4mm 多結晶冰，含有粒為 0.01-0.1m的氣泡 ———— 2.1.1 雪的密度 雪的密度直接影響了微型全自主掃雪機器人的設計和計算，由于雪是水的固體形態(tài)，所以是積雪在熔化后所得的水的質量與其熔化前積雪體積的比值就等于雪密度值，積雪的密度變化是很大的。有的學者認為在普通的平常環(huán)境下雪的密度在 0.007-0.79g/cm3之間轉變。但前蘇聯學者則認為雪的密度在 0.01-0.8g/cm3之間變化。雪的密度由于雪的條件，沉積條件，測量方法等因素的不同有著很大的差異，但是我國的降雪的雪質大體上與俄羅斯的降雪雪質一樣相符，所以我們選擇了前蘇聯的研究數據[22] 國外學者通過各種綜合的方法對雪進行研究，測量，分析，得到下列結論： （1）平常雪的密度會隨著下來時間的增大而增大，每個月均勻要增多 10%-20%。 （2）平常雪的密度會隨著雪下來沉積厚度的增加而增大。對兩個多月的積雪進行測量后得到20cm 厚度的積雪密度為300-320Kg/m3，100-200cm 厚度 的積 雪 密 度 為600-649Kg/m3。 （3）新落雪的密度會隨著下雪時間的長短不同而變化，測量結果見表 2-2。 （4）新落雪的密度與當地溫度的關系見表 2-3。 表2-2 雪的密度 狀態(tài) 密度g/cm3 新下雪 0.1—0.15 下了30天的雪 0.2—0.3 大于30天的雪 0.34—0.42 密實的雪 0.4—0.6 冰雪混合 0.6—0.75 冰 0.9 表2-3 新降雪密度與溫度的關系 降雪氣溫 新降雪密度 最小值 最大值 平均值 -10—-5.1 0.011 0.295 0.087 -5.1—-2.1 0.035 0.258 0.104 -2.1—-0.1 0.043 0.455 0.128 0—+2.0 0.069 0.529 0.183 +2.0以上 0.158 0.588 0.196 2.1.2 積雪的濕度 積雪的濕度對雪的工性質有著較大的影響。積雪中的水分有雪體表面的水和薄膜水這兩個方面。我們經常把雪的含水情況分為四個等級：水濕雪，濕雪，潮雪，干雪等。水濕雪：略微使勁就能夠擠壓出水的雪；濕雪：雪層中很明顯的看出有液體水存在的雪；潮雪：雪層中不能分離水，但卻可以凝結成塊的雪；干雪：一點都不含水不能凝結成塊的雪。水濕雪是這四個等級里最不穩(wěn)定的，其它三個雪使用掃雪裝置就能夠清除掉。[20]最大持水量的各類積雪表 2-4 所示。 表2-4 各種狀態(tài)雪的持水能力 雪的狀態(tài) 最大持水能力 剛降的雪（沒有風） 0.55——0.5 剛降的雪（有風） 0.55——0.32 沒密實的雪 0.3——0.21 密實的雪 0.2——0.12 冰 2.2 積雪的力學性能 積雪的力學性能包括硬度，摩擦系數等，這些參數在掃雪機分析和設計過程中是很重要的。 2.2.1 積雪的硬度 積雪的單位面積上所能承受的壓力是指積雪的硬度，雪的硬度也稱雪的抗壓強度。一般情況下雪的硬度包含：松雪，稍硬雪，堅雪，堅實雪等四個等級。松雪：指的是除了大拇指以外的其他四個手指伸直不費力就能夠插入到這種雪層；稍硬 雪：指的是可輕易插入一個指頭，其余手指不易插入；堅雪：需要用鉛筆插入；堅固雪：小刀能夠插入?？箟簭姸葧r設計掃雪車中非常重要的參數是雪硬度，隨著環(huán)境的不同雪的抗壓強度也不同。 2.2.2 積雪的摩擦系數 積雪的摩擦系數包括雪的內摩擦系數μ2，外摩擦系數μ1和履帶與冰雪路面的行駛阻力系數等。內部磨擦：指雪和雪內部與雪彼此摩擦。外磨擦：指雪和其他物體之間的磨擦；平常雪的狀況直接影響到積雪的表里磨擦。凡是路面上積雪以后，它的利用特征大大下降。對于冬季養(yǎng)護道路的機械設備進行分析和計算時，必須知道行駛阻力系數一般是大于裝置在冰雪路面運行的附著系數和外摩擦系數的，應為行駛阻力系數不僅產生摩擦，而且還發(fā)生擠壓。動摩擦系數=壓力/所受的滑動摩擦力所以:雪的動摩擦系數約為0.03-0.2。 2.3 本章小結 此章節(jié)查閱了一定的資料，對路面的性質和路面積雪的性質做了一定的研究和了解，為此后的設計計算打下了堅實的基礎。 3 微型全自主掃雪機器人機械結構設計 3.1 總體結構設計方案及其比較 方案一：前置一塊推雪板將積雪推到路邊，板后就連接著滾刷將積雪卷起，最后被拋到路邊。這種掃雪方式使用比較廣泛，但結構有點復雜，不好做到自動控制，并且成本比較高。所以不適合微型掃雪機器人。 方案二：直接使用了鼓風機，利用鼓風機里吹出來的空氣將積雪高速吹到路邊。但這種吹雪式清雪方式，生產率高，可是只適用于新降的雪，對于碾壓的積雪不能使用，并且只能在機場，高速公路等寬闊的路段使用，不太適合在小區(qū)等較窄的路段使用。 方案三：車體前置分體式推雪板，分為三個可獨立運動的推雪板，在遇到障礙時可單獨運動，用三個可收縮的結構分別控制。后置掃雪刷子，可對漏雪和薄雪進行清理，動力都是由電動機提供，整體結構相對簡單，容易制造，成本比較小，使用標準件維護起來比較方便，并且更適合在校園等的較窄街道使用，所以我們選擇了第三個方案。 3.2 微型全自主掃雪機器人的工作原理 3.2.1 基本結構 此次設計的微型全自主掃雪機器人是由，原動機，傳動裝置，推雪裝置，掃雪裝置，行走裝置組成，由于是微型全自主掃雪機器人，此次原動機采用電動機，因此需配有移動電源，推雪裝置采用三個獨立的推雪板，掃雪裝置采用螺旋滾刷式，將雪旋到一邊，行走裝置實現掃雪機器人的運動，采用履帶式，用電動機鏈接實現自動控制，操作裝置用單片機實現自動控制，完成自主掃雪。 3.2.2 工作原理 由電動機提供的動力帶動車體運動，工作部分依舊由電動機提供動力，在車體的移動下進行掃雪工作，各個部分都是獨立工作，因此可不斷進行掃雪工作，微型全自主掃雪機器人結構示意圖如圖： 圖3-1 微型全自主掃雪機器人結構示意圖 3.3 本章小結 此章節(jié)內容較少，主要是提出了設計方案和方法，以及微型自主機器人的結構和工作原理，相當于一個總體結構的概述。 4 行走裝置的設計計算和校核 4.1 設計方案 此次研究環(huán)境是雪地，經過綜合考慮采用履帶式行走機構，履帶式行走機構對路面的要求較低，履帶的防護性能比輪胎好，履帶式還可增加車體重量，相應的提高牽引力。 （1）控制方式及動力形式：采用控制器控制，采用直流伺服電機提供動力，移動電源提供電力。 （2）組成結構方式：履帶行走機構的各個部分采用獨立的結構，用螺栓進行連接，可實現拆卸和便于調整。 （3）傳動方式的選擇：采用直流電動機直接與減速器相連接，相應的增大扭矩滿足設計要求，減速器輸出軸直接與驅動輪相連接，以這樣的方式實現動力傳遞。 （4）轉向設計：采用雙側履帶雙控方式，一個電動機控制一側履帶實現自主轉向功能。 4.1.1 結構組成 履帶式行走機構由機架、履帶、電動機、減速器、控制器、驅動輪、導向輪、支重輪、托帶輪和張緊裝置等構成。[12]履帶式行走機構的自重與鏟雪裝置和掃雪裝置的重量所產生的載荷，通過支重輪和與其相嚙合的履帶傳到地面上。產生履帶行走機構向前運動的動力。機構如圖 4-1 所示： 圖4-1 履帶行走機構結構組成 4.1.2 工作原理及工作過程 工作原理：通過單片機的遠程控制模塊發(fā)送控制指令到履帶式行走機構的接收控制器，再由電動機的驅動控制器控制電動機的運轉，電動機的輸出扭矩通過減速器放大后傳輸到驅動輪上，驅動輪和履帶鏈之間相互嚙合，使得履帶不斷的向前卷動，支重輪連著履帶連著地面，因此，履帶和地面接觸時產生一個向后的摩擦力，根據牛頓第三定律，力都是相互的，因此地面會給履帶一個向前的力，大小與向后的摩擦力相等，方向相反，這個反方向的相互作用力就是使得履帶向前運動的一個驅動力，當驅動力大于行駛阻力的時候，支重輪在履帶內滾動，使得整個機構向前運動。利用左右兩個控制器來控制左右兩個電動機的工作狀態(tài)，來實現履帶式行走機構的直行，后退以及轉向功能，最終更好的實現掃雪功能。 工作過程：掃雪機器人的前置推雪板在履帶行走裝置的帶動下進行推雪功能，電動機反轉時，機器人向后行走，后置的掃雪刷子開始運動，將漏雪清掃干凈，在機器人的前進和后退下將雪清理干凈。推雪裝置，掃雪裝置，和蓄電池都可增加機器人的配重，蓄電池的位置調節(jié)對機器人的質心調節(jié)也有很大的影響。 4.2 履帶行走裝置動力方式的選擇 4.2.1 履帶行走裝置牽引力的計算 履帶行走裝置的牽引力必須要大于或等于各個阻力之和，在不考慮轉彎阻力，和空氣阻力的情況下，此次掃雪機器人的行走裝置的阻力主要有滾動阻力，慣性阻力，坡道阻力，和除雪裝置工作阻力。[13]因此最大牽引力計算公式如下： T=Tf+Tx+Tj+T∝ （4-1） 式中：T為所需總的牽引力 Tf為履帶行走裝置的滾動阻力 Tf=G×f×cos∝ （4-2） 其中：G為整個機器人的重量 f 為履帶行走裝置的滾動阻力系數 ∝ 為最大設計坡度角度 G取100KG，由表4-1得f 取0.2，根據城市道路坡度設計原則，城市道路坡度一般為3%（高程差/水平距離），即∝取1.70。帶入計算得到履帶行走裝置的滾動阻力為200N。 表4-1 行駛阻力系數 雪的狀態(tài) 雪的密度 阻力系數f 輪胎 履帶 松軟的 0.15——0.25 0.2——0.25 0.2 松軟潮濕的 0.15——0.25 0.3 0.2 輕碾壓的 0.25——0.35 0.15——0.2 0.1 碾壓的 0.4——0.6 0.08——0.1 0.05 冰雪 0.7 0.06——0.08 0.07——0.1 Tx為除雪裝置的工作阻力 Tx=Tx1+Tx2 （4-3） Tx1為鏟雪裝置的阻力，Tx2為掃雪裝置的阻力。 除雪工作時產生的阻力為工作阻力，主要由推雪板切削雪的切削阻力Ne，雪與板面的摩擦阻力Nf，推雪板前的雪堆移動的阻力Nr，板刃與存雪地面之間的摩擦阻力Nd組成。 Tx1=Ne+Nf+Nr+Nd=G×K0+G×μ1+G×μ2+G×μ1 （4-4） G為所推最多雪的重量，取55KG，μ1為雪的外摩擦系數，即雪與其他物體之間的摩擦系數，μ2為雪的內摩擦系數，即雪與雪內部之間的摩擦系數，K0為雪的切削阻力系數。由表4-2，表4-3，表4-4，取μ1為0.085，μ2為0.3，K0為0.12。帶入計算得Tx1等于277N。 Tx2為掃雪刷子的阻力，在少量積雪的情況下，其阻力為20N。于是得到除雪裝置的工作阻力Tx為297N。 表4-2 雪的外摩擦系數μ1 雪的密度（g/cm3） 雪的溫度(0C) -2——-4 -30——-16 0.1 0.10 0.14 0.18 0.2 0.085 0.097 0.11 0.3 0.07 0.08 0.09 0.4 0.055 0.065 0.075 0.45 0.018 0.018 0.056 0.5 0.025 0.033 0.010 表4-3 雪的內摩擦系數μ2 雪的密度（g/cm3） 雪的溫度(0C) 0附近 -1——-6 -10度以下 0.1 0.24 0.29 0.34 0.2 0.30 0.33 0.36 0.3 0.35 0.39 0.46 0.4 0.40 0.44 0.50 0.45 0.42 0.47 0.53 0.5 0.45 0.50 0.57 表4-4 雪的切削阻力系數K0 雪的狀態(tài) 雪的密度 雪的溫度 -1——-3 -4——-22 -22以下 松軟的 0.12——0.18 0.7——1.8 0.2——0.8 0.1——1.2 密實的 0.20——0.28 2.0——1.0 1.5——3.0 2.0——5.0 小粒冰雪密實的 0.30——0.36 3.0——6.0 1.0——7.0 5.0——10 大粒冰雪密實的 0.28——0.35 1.0——7.0 3.0——6.0 5.0——9.0 Tj為履帶行走裝置的慣性阻力 Tj=σ0×Gg×dvdt （4-5） 其中σ0為回轉質量的系數，dvdt為直線加速度，在掃雪工作過程中，直線加速度為0，因此可以不考慮慣性阻力。 T∝為履帶行走裝置的坡道阻力 Tα=G×sinα （4-6） α取1.7，帶入計算得到Tα為30N。 因此得到總的牽引力T=200+297+30=527N。 4.2.2 履帶行走裝置原動機的選擇 履帶行走裝置總的牽引力為527N，根據車輛行駛計算公式： P=FV （4-7） 在設計中掃雪機器人的行走速度為0.5m/s，考慮到完全能夠達到設計要求，需增加一個安全系數，安全系數取1.2，帶入計算得到履帶行走機構所需要的功率為316.2W。履帶式行走機構在工作時需要足夠的動力，并且該機構為高載荷下工作，因此要考慮過載保護這一方面，所以需要配備減速器，在減速器的傳遞下不僅提高了轉矩還可以起到過載保護的功能。[11]因此我選擇了57直流無刷電機57BL115S21-203TF9無刷直流電機24V 210W 1000轉。性能表4-5，表4-6： 表4-5 無刷直流電機參數表 名稱 參數 額定電壓（V） 24V 空載轉數（r/min） 1000 輸入電流（A） 8.75 額定轉矩（kg/cm） 0.7 額定電流（A） 13 級數 4 重量（kg） 1.22 型號 57BL115S21-203TF9 表4-6電機接線定義 電機相線定義 霍爾信號線定義 U V W HU ＨＶ ＨＷ Ｈ＋ Ｈ－ 黃 紅 黑 黃 白 藍 紅 黑 由此根據以下公式： Ｔ＝Ｍｒｒ （4-8） Ｍｒ=9549×Pn （4-9） n=60×fp （4-10） p=T×2πn60×r=Tn/9.55 （4-11） 其中：Mr為驅動力矩 R為驅動輪輪動半徑，經設計計算為0.025MM N為電機轉數 P為磁極對數 帶入計算得到驅動輪所需要的驅動力矩為6.6N.M，驅動輪的轉速為303r/min，所以需要配備傳動比為1:4的減速器。因此我選擇了PX系列的行星減速器，減速比為1:4，可配套于57直流無刷電機。此配套減速器動作靈敏，具有較好的調速性能。 配備電池的選擇：可配備24V的蓄電池，具有體積小，安裝方便等優(yōu)點，也能夠滿足此次設計要求，價格也合理。 4.3 履帶行走機構關鍵部件的設計及選擇 4.3.1 履帶的設計及選擇 履帶的工作環(huán)境是惡劣的冰雪天氣，因此要考慮到履帶的打滑，強度和剛度也必須符合此次設計要求，防滑性能要好，耐磨性能要高，盡量減少金屬材料的消耗，可以有效地減少履帶在運動過程中的動載荷，并且具有良好的附著力，能輸出足夠的牽引力，本次設計方案機器人質量估計為 100kg，履帶總條數為 2 條，履帶與地面接觸長度為 L ，軌距為 B ，履帶板的寬度 b 必須合理的匹配，使得接地比壓，附著性能符合設計的要求。另L0 標示接地長度，h0 表示履帶的高度，G 表示機器整機質量。[14] 履帶與地面接觸長度為455mm，軌距為460mm，履帶班的寬度為5mm。 經公式可得知： 履帶的節(jié)距T0和驅動輪的齒數Z會直接影響到履帶的高度，為了滿足設計要求，履帶應該盡量選擇小的結局，驅動輪的齒數也應該盡量的少。 履帶行走機構的節(jié)距與其總重量的關系 t0=(15~17.5)4G （4-12） 帶入計算得到節(jié)距為T0=10mm 因此計算得到單側履帶的長度為L=1617mm，設計出來履帶的寬度為70mm，履帶的適合長度為1800mm。履帶鏈的三維建模如下圖： 圖4-2 履帶鏈三維建模 履帶的前角和后角：水平地面和驅動輪與第一個支重輪外圓相切的延長線相交所產生的夾角為履帶的前角，此角度的大小直接影響了行走機構的通過性，角度越大，履帶行走機構的通過性越小，因此履帶行走機構的前角不能過大也不能太小，前角過大時運行時遇到障礙會是行走機構受到更大的阻力，前角過小時運行時遇到障礙會產生較大的震動。后角的作用是可通過對后角的調節(jié)來改變履帶的接地長度，水平地面和導向輪與最后一個支重輪外圓相切的延長線相交所產生的夾角為履帶的后角，后角越大接地長度越小。此次設計中履帶的前角為45度履帶的后角為50度。履帶板的三維設計如下圖： 圖4-3 履帶板三維建模 履刺的設計可相應參考實驗數據和設計經驗，為了能夠更好的在冰雪路況下工作，設計履刺時可相應增加履刺的高度，從而增大履刺的剪切力，增加與地面之間的摩擦力，提高負載能力和抗變形能力。履刺的結構如下圖： 圖4-4 履刺的結構 4.3.2 驅動輪的設計及選擇 此設計的驅動輪將設置在行走機構的后方，這樣可以減小驅動階段的長度，防止動力不足時履帶脫落，還能延長履帶的使用壽命，提高履帶行走機構的效率。驅動輪的高度直接影響履帶的接地長度和其中心，所以驅動輪的高度不應該太高，此次設計驅動輪后置，驅動輪的齒數為20。驅動輪直徑為50MM。驅動輪的三維建模如圖： 圖4-5驅動輪的三維建模 4.3.3 驅動軸的設計及計算校核 考慮到驅動輪的寬度太寬，減速器的軸不足以長，提供不了較大的扭矩，因此設計了驅動軸，履帶行走機構驅動軸的設計要求如下： （1）便于加工，軸體上的部件容易拆裝； （2）軸與軸上的組件能夠正確的配合在一起； （3）零件的設計應盡量提高可靠性； （4）為了避免驅動軸被應力破壞，應合理的設計。 圖4-6 驅動輪傳動軸 1段：為輸入軸度軸端，利用聯軸器將其與減速器的輸出軸相連接，按照強度計算出直徑為10MM，長度為11.5MM，將電動機的動力傳輸到驅動輪上，與其配合的是聯軸器。 2段：此段用于安裝密封圈，直徑為12MM，長度為3MM。 3段：此段為驅動輪安裝段，按照計算其直徑為10MM，長度為35MM，將電動機的動力傳輸到驅動輪上，與其相匹配的驅動輪配合時因選用鍵連接，選擇鍵的型號為鍵3X3，為正常連接。 4段：此段采用螺紋連接來固定驅動輪，螺母右側安裝端蓋加強固定。 對驅動軸進行力學分析，如圖4-7： 圖4-7 驅動軸力學性能分析圖 AB段：M（x）＝F1L1=160N.M，彎矩如圖4-8： 圖4-8 驅動軸彎矩圖 由此彎矩圖可以得知 AB 段的最大彎矩在 B 點，所以根據已知的 AB 段為 12mm，所以這段軸的抗彎系數： WZ=πd332≈7.8mm （4-13） 最大的彎曲應力為 σmax=M BWZ=2.1MPa<σ （4-14） 經計算此段符合設計要求。 BC 段：因為這段會受到扭矩根據式 可知， T+M=0 （4-15） M=9549pkwnr.min （4-16） T=M≈75N/m （4-17） 此段軸的扭矩如圖4-9： 圖4-9 驅動軸扭矩圖 由此可以看出，這段軸所受的扭矩是均勻的，所以扭矩為 M,這段軸的直徑為 10mm。由式 得這段軸的抗扭截面系數為 Wt=IpR=πD316≈5×10-7mm3 （4-18） 可計算出此軸的最大切應力 τmax=TWt=4.2MPa<τ=6MPa （4-19） 根據計算結果，可知這段軸強度和剛度符合設計的要求。 4.3.4 導向輪，拖帶輪，支重輪的設計及選擇 導向輪，拖帶輪和支重輪都選用深溝球軸承來代替，導向輪的作用是引導履帶在正確的方向上運轉，一般放在行走裝置的前端，具體位置與驅動輪的位置有關，行走機構要直線行走導向輪和驅動輪要置于平行的位置，導向輪的位置高一些有利于降低重心，此次設計重心本來就不高因此導向輪與驅動輪位于同一直線上，直徑要小于驅動輪。DDk=0.8~0.9 ，取導向輪直徑Dk=10mm。[12] 拖帶輪的作用是支撐起下垂的履帶，起到防止履帶應為下垂的太多而引起的劇烈的震動，同時也防止了履帶的脫落，一般拖帶輪受到的力也不會很大因此可以減小其尺寸和所用的個數，在此次設計中將拖帶輪與導向輪合二為一，用一個軸承來代替，完成這兩個作用。 支重輪的作用是用來傳遞壓力，壓力的不同分為多支點和少支點，在此次設計中需要傳遞的壓力比較大，也需要較好的穩(wěn)定性能，因此選擇了多支點用來均勻的分配壓力。此次設計中設計了四個支重輪，直徑為10MM，間隔比較近可以均勻的分配壓力，在合理設計支重輪間隔后使得行走機構在運動時，每一個時刻都有支重輪處于履帶上，防止了支重輪在履帶上的擺動，也避免了路面不平時履帶產生的震動使得履帶脫落，保證了履帶行走機構的穩(wěn)定性，其數量也不應太多，太多會增加滾動阻力。支重輪與地面離得比較近因此會容易進入雜質，所以在支重輪的兩邊應該設計密封圈和軸承端蓋。導向輪，拖帶輪和支重輪的三維圖如下： 圖4-10 導向輪，拖帶輪，支重輪的三維建模 驅動輪齒面接觸疲勞強度的校核 齒面接觸疲勞強度公式： n=60000vπD （4-20） 經過計算得到驅動輪的轉數n=303r/min 傳動比μ=1000303=3.3 齒輪接觸強度公式為： δH=Fnπb×1ρ1×1ρ21-μ12E1+1-μ22E2 （4-21） 其中：Fn為法相力，ρ1為曲率半徑，μ為傳動比，E為綜合彈性模量。 驅動輪的齒數為20個齒，可得到驅動輪的接觸強度： σH=1230MPa<σH<1370MPa （4-22） 其中載荷系數K=1.6，μ=3.3，a=70mm，b=10mm，T=6.6N.M 解得齒面接觸疲勞強度滿足設計要求。 驅動輪齒根彎曲疲勞強度的計算： 齒根彎曲強度校核公式： σF=2KFT1YFaYSaYε?dm3Z12≤σF （4-23） 其中KF為彎曲疲勞強度計算得載荷系數， T1為齒輪傳遞的轉矩，YFa為齒形系數，YFa為載荷作用于齒頂時的應力修正系數，Yε為直齒圓柱齒輪的重合度，?d=b/d1，m為模數，Z為齒數，帶入計算得到 4.3.5 履帶行走機構螺栓的選擇與校核 此設計中用到了許多的螺栓進行連接，列如用螺栓將軸承與履帶板連接起來，用來做支重輪的軸承上會承受較大的力，因此所選螺栓需要有較高的強度和剛度，也必須對其進行校核，選擇等級為8.8級的螺栓，螺栓型號為M10×2，材料為低碳合金鋼，抗拉強度為800N/mm2，[3]根據以下公式進行校核： 圖4-11 螺栓的預緊力分析 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為 σp=Fd0Lmin≤σp （4-24） 螺栓桿的剪切強度條件為 τ=Fπ4d02≤τ （4-25） 許用切應力及許用擠壓應力 τ=σsSτ σp=σsSp （4-26） 式中：F——螺栓所受的工作剪力，N； d0——螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑），mm； Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm，設計時Lmin≥1.25d0； σp——螺栓或孔壁材料的許用擠壓應力，MPa； τ——螺栓材料的許用切應力，MPa。 帶入計算得到該螺栓的選擇符合設計的要求。 4.4 本章小結 本章節(jié)是此論文的重點章節(jié)，對掃雪機器人的行走機構進行了設計和研究，通過對整體機器人的動力及運行方式的研究采用履帶行走式機構。介紹了履帶行走機構的結構組成及其工作原理。根據設計要求對其各個零部件進行計算校核，得出各個關鍵零件的設計與選型符合設計要求。 5 推雪裝置的設計計算和校核 5.1 推雪板的設計 為了實現自主避障功能，實現可自主清掃凹凸不平的路況，此次設計中將推雪鏟分為三個獨立的小塊雪鏟，分別對其進行控制，經過調查發(fā)現還沒有這種方式的雪鏟，雖然其結構復雜，成本相對較高，但是其自主性能更好了，總體來說還是可以繼續(xù)進行研究和發(fā)展。單個的雪鏟還是根據犁形的雪鏟來設計。 犁形的雪鏟是依靠車體前進的動力將路面的積雪堆積到一起，并且使積雪沿著一側滑到一邊，積雪在雪鏟上的運動類似于高速犁翻土時土塊在犁體表面的運動。但是雪的滑移距離要大于土塊的，因此鏟體曲面應具有高速犁的特點。但是雪鏟和農用犁制造的方法不同，農用犁一般用鑄造的方法而雪鏟采用數控卷板機來加工出設計的曲面，經過調查列出