折叠式高速公路绿化带高效修剪机设计与研究

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独创性声明本人声的研巧工作及取得的研究成果。明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行尽我所知，除了文中特别加标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰的学位或证书而使用过写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构一己在论文中作了明确的说明并的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均表示了谢意。时廊＞年如日研究生签名：斗知］４？关于论文使用授权的说明目；本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，Ｐ学校有权保留送；学校可Ｗ用不同方式在不同媒体上发交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅、汇用脚、缩印棚描等复制手段保存，可贼表、传播学位论文的全部或部分内容编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此协议）【研究生签名：时间；曰导师签名；时间；＾年知／严 山东理工大学硕士学位论文摘要摘要本文主要是在已有的高速公路修剪机械实体的基础上，进行进一步设计，实现结构的优化和功能的创新。根据前期的规划和设计目标，进行三维模型的建立，并对模型进行运动学仿真、主要零部件的有限元分析以及部分功能的自动控制。新型修剪机械实现了绿化带同时多面剪切的进行，并通过折叠变形实现大面积的单面修剪，实现对于多面刀具水平位置的自动控制，对于提高工作效率以及增强修剪质量有重要意义。本文是在了解了国内外园林绿化机械研究现状与发展趋势的基础上，针对新的绿化带的修剪要求，完成修剪机械的三面修剪和水平修剪距离的自动控制设计要求。实现该修剪机械工作高效、修剪姿态多样、修剪适应性强以及智能化水平高等优势。首先，借鉴农业收获机械的往复式切割技术，再根据绿化带植物的特性，对修剪刀具进行适当的改造，选择合适的摆环机构作为动力的转换，由液压马达为刀具提供动力，通过液压缸伸缩来转换三面刀具的相对位置。由于无法直接制造样机，因此本次设计选择UG8.0软件对修剪机进行三维模型的绘制，结合ADAMS软件，对其模型进行运动学及动力分析。同时利用ANSYS对重要部件摆环机构进行有限元分析，得到主要零部件主要应力分布，为下一步主要零部件的改进提供了数据支持。最后，利用单片机技术实现对于三面刀具水平位置的自动控制。关键词：绿化带修剪机；运动学仿真；有限元分析；单片机技术；自动控制；ADAMS；ANSYSI 山东理工大学硕士学位论文AbstractAbstractThispaperisbasedonthehighwaycuttingmachineentity,forfurtherdesign,optimizationoffunctionandinnovationoffunction.Accordingtoformerplananddesigntarget,thethree-dimensionalmodelhasbeenestablished.Meanwhile,kinematicssimulationofthemodel,finiteelementanalysisofmaincomponentsandautomaticcontrolofpartialfunctionaredone.Anewpruningmachinecouldnotonlyachievethesimultaneousmultiple-surfaceshearingofgreenbelt,butalsoachievetheautomaticcontrolofhorizontalpositionofmultiple-surfaceknivesbyachievingalargeareaofthesidetrimthroughfoldingdeformationtoimproveworkefficiencyandenhancethequalityofpruning.Thispaperisbasedonthestudyoftheresearchingstatusofgardeningmachinesathomeandabroadanddevelopmenttrend,putforwardthedesigningrequirementofthreeplanetrimmingandhorizontaltrimmingdistanceautomaticcontrolthroughdemandingnewgreenbelttrimming.Thispruningmachineisofhighworkingefficiency,highdiversityoftrimminggesture,strongtrimmingadaptabilityandhighintelligencelevel.Firstofall,usethereciprocatingcuttingtechnologyinagricultureandthecharacteristicsofgreenbeltplantsforreference,bringappropriatetransformationtothecuttingtool,choosetherightswayringmechanismaspowerconversion,poweredbythehydraulicmotorandtransfertherelativepositionsofthreeplaneknivesthroughthestretchoutanddrawbackofhydrauliccylinders.AlloftheaboveareavailablethroughUG3Dsoftwaretoestablishthemodeltorealize.Formakingtheprototypedirectly,thesoftwareofUG8.0drawthree-dimensionalmodeloftrimmers,andcombinedwithADAMSsoftware,toanalysisthekinematicsanddynamicofthemodel.ThenuseANSYSfiniteelementanalysisofimportantpartsoftheringbodyswing,getthemainpartsofthemainstressdistribution,providesdatasupportforfurtherimprovementofmainparts.Finally,usesingle-chiptechnologytorealizetheautomaticcontrolofthethreeplaneknifehorizontaldistance.Keywords:greenbeltcuttingmachine；kinematicssimulation；finiteelementanalysis；singlechiptechnology；automaticcontrol；ADAMS；ANSYSII 山东理工大学硕士学位论文目录目录摘要..................................................................IAbstract.............................................................II目录................................................................III第一章绪论...........................................................11.1研究背景及意义.................................................11.1.1研究背景.................................................11.1.2研究意义.................................................11.2修剪机构的国内外的发展现状.....................................21.2.1国外研究状况.............................................21.2.2国内研究现状.............................................21.2.3园林绿化机械的发展趋势...................................21.3设计与研究方法.................................................31.3.1计算机辅助设计...........................................31.3.2可靠性设计...............................................41.3.3虚拟样机技术.............................................41.3.4有限元分析技术...........................................41.4研究的主要内容.................................................4第二章修剪机械的整体设计.............................................62.1高速公路绿化带.................................................62.1.1中央隔离带的尺度要求.....................................62.1.2隔离带绿化植物的技术规范.................................72.2折叠式修剪机的设计目标与功能规划...............................82.2.1修剪机的设计目标.........................................82.2.2修剪机的功能规划.........................................82.3修剪方式的选择.................................................92.4动刀片基本尺寸的设计..........................................102.4.1刀片的工作角度对受到阻力大小的影响......................102.4.2动刀片尺寸的设计........................................122.5修剪机械中的主要的传动机构....................................132.5.1传动机构的基本构造与工作原理............................132.5.2摆环机构运动的理论分析..................................152.6三面折叠机构的设计............................................182.7修剪机构的工作原理.............................................19第三章修剪机构的运动和动力学仿真....................................213.1概述..........................................................213.2虚拟样机技术的简介............................................213.3虚拟样机的动力学方程理论分析..................................233.4三维立体模型建立..............................................25III 山东理工大学硕士学位论文目录3.4.1修剪机构零部件模型的构件................................253.4.2整体装配模型的建立......................................263.5修剪机构三维模型的导入........................................273.6运动仿真及分析................................................283.6.1物理模型的建立..........................................283.6.2运动仿真及测量结果......................................303.6.3修剪机构动力学仿真及测量结果的分析......................323.7本章小结......................................................34第四章修剪机构的有限元分析..........................................354.1有限元分析法概述..............................................354.1.1有限元分析的演变过程....................................354.1.2常用软件及未来发展前景..................................364.2有限元分析整体流程............................................364.2.1结构的离散化............................................374.2.2位移函数的选择..........................................374.2.3单元的力学特性的分析....................................374.2.4整个结构平衡方程的建立..................................384.2.5未知的节点位移的求解....................................384.2.6对结果进行整理..........................................384.3ANSYS软件中部分模块的介绍....................................384.3.2ANSYS软件的主要特点.....................................384.4修剪机构主要零件模型的建立....................................394.4.1三维模型的建立..........................................394.4.2主轴与摆叉的有限元分析..................................394.4.3摆臂有限元分析..........................................454.5本章小结......................................................48第五章修剪机的自动仿形控制..........................................495.1仿形方案的选择................................................495.1.1传统仿形技术的发展历史..................................495.1.2不同仿形技术对比........................................495.1.3本次自动仿形修剪系统的方案设计..........................505.2超声波距离传感器的选择........................................515.2.1超声波的测距原理........................................515.2.2超声波距离传感器的型号选择..............................525.3主控系统的选择................................................535.3.1单片机型号的选择........................................535.3.2系统电路图的设计........................................545.3.3程序的编写................................................555.4本章小结......................................................59第六章总结及展望....................................................606.1总结..........................................................606.2展望..........................................................60参考文献.............................................................61IV 山东理工大学硕士学位论文目录致谢.................................................................63在读期间公开发表的论文...............................................64V 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景交通运输业是一个国家发展过程中的重要一环，而高速公路又是一个国家重要的交通运输形式，是衡量国家经济发展的重要的指标，在推动国家的经济发展中起到了重要作用。同时，经济的发展也带来了高速公路发展的空前规模。高速公路在国家的发展中具有重要地位，因此，在这一领域资金投入的比重与日俱增，经过短短的几十年的发展，2到21世纪初，我国高速公路的总里程就已经超过了6.5万km，高居世界第二。预计未[1-2]来几年内，国内的高速公路业还将持续发展。随着高速公路总里程数的快速增长，绿化带不仅仅是高速公路上一道不可或缺的风[3]景，同时由于人们环保意识的日益提高，其在高速公路上发挥的作用日益增多。为了[4]共创高速公路的和谐发展，绿化带的发展不仅在面积上与日俱增，同时在形式上变得越来越多样化。为了维护高速公路上绿化带的规范化生长，高效而智能的修剪机械的研究就变得十分有必要。1.1.2研究意义由于我国城市化的快速推进，带来了高速公路的快速发展，绿化带的修剪和造型就成为了公路养护中的一项重要一环。绿化带保护是高速公路保护中的重要一环。首先，绿化带对公路路基的基本机构有稳定作用，可以减少雨水的正面冲击，其次，在吸收汽车尾气、美化环境、防风固沙以及保护水土等方面有很好的作用。处于道路中间的绿化带作用尤为突出，主要表现在可以减弱相向行驶车辆灯光的炫目感，减轻车辆擦肩而过时候的危险感，以及可以缓解因长时间驾驶带来的疲惫感，还可以隔音吸尘、分化车道、[5-6]诱导交通、安全警示、防止眩晕以及减少交通事故等作用。近年来，人们对于绿化带修剪的造型、表面的平整度以及修剪的速度要求越来越高。正是因为以上诸多原因，使得车载式绿化带修剪机有了很好的市场。车载式修剪机大大的改善了传统的修剪模式，解决了修剪方式速度慢、效率低等缺陷，极大的提高了劳动[4]生产率和绿化带的修剪质量，满足了市场的需要，取得了良好的社会效益。其实现了绿化带修剪机与机动车一体化的目标，大大的缓解了高速公路绿化带快速增长所带来的压力，带来了绿化带修剪机械的一个崭新发展阶段。1 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论1.2修剪机构的国内外的发展现状1.2.1国外研究状况有关园林方面的修剪机械的研究早在近一百年之前就已经开始发展。从20世纪初期开始，随着城市化进程的发展，人们对于城市绿化的重视程度的逐渐提高，西方国家开始将机械设备运用到园林绿化作业中。从20世纪50年代开始，各式各样的专门用于园林的机械开始出现，例如草坪机、植树机械、专用载重机等，与此同时，园林机械的[7,8]发展速度越来越快。经过大约20年的发展，在日本、美国等国家开始出现车载的悬臂式园林机械，主要是为了满足不同的植物修剪特殊要求。这类机械可以改变修剪姿势，不仅可以对不同高度、不同形状的绿化植物进行修剪，而且提高了绿化带的修剪效率。为之后的大型园林绿化机械做了很好的技术储备。80年代以后，随着经济的发展，欧美[9]国家的一些中产阶级家庭开始使用例如草坪机等小型的园林机械，园林绿化机械又进入了一个新的发展阶段。进入21世纪，在发达国家园林绿化已经可以实现机械化，各种其他领域的新技术也开始被引入园林绿化修剪中来，园林机械进入了一个新的阶段[10,11]。1.2.2国内研究现状进入20世纪的六七十年代，我国逐渐出现了有关园林方面的机械，经过20年左右的发展，国内的园林市场出现比较明显的发展趋势。国内的企业初期主要是参照和研究国外先进的园林绿化机械，再结合我国园林绿化的特点和需求，生产出适合市场的产品。其中一些国内企业发展十分迅速，例如南通机床厂旗下的南通草地机械有限公司生产的个别园林机械都已经可以远销美国等海外市场。由于发展的时间较短，目前为止主要是发展小型园林机械为主。与此同时，国内园林市场需求的大幅增长，导致国外一些大公司的先进的园林机械涌进国内市场。例如比较早出现的德国的SOLO、日本的小松等公司草坪机械，美国MTD[10]的园林拖拉机等都逐步开始在中国设立办事处。随着全球市场的发展，很多公司已经将子公司建到了中国，以此来拓展自己的市场份额。1.2.3园林绿化机械的发展趋势随着科技的不断进步，带来的新的技术和新的设计理念的不断涌现，专业的园林机械设备在功能性和专业性方面都有了较大幅度的提高。总体来讲，未来专业的园林机械设备将会在以下几个点上有所加强：（1）绿色环保。人们对与自己身处的环境愈来愈重视，使得园林绿化机械在设计2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论之初就到考虑到对环境有危害性的问题，在整个设计过程中是始终注意其环保性能。环保性能一般包括尾气的排放和噪音大小，所以现在绝大部分的专业的园林机械设备采用的汽油机已经从原先的两冲程机换成了四冲程机，也有部分园林机械开始用电能作为修剪机的动能来源；也有部分公司研发出低噪音、轻污染的汽油机。专业园林机械设备的绿色环保性将会被人们所大大的重视起来。（2）高效可靠。城市园林化的发展，使得园林造型的样式纷繁多样，这就要求修剪机械能够满足多种工作环境，通过调节修剪机械的姿态来实现对园林树木的修剪。例如公路绿化带的三面同时修剪可提高工作效率。避免多次修剪对交通堵塞的影响。不仅如此，园林机械的可靠性同样重要，可靠的修剪机械可以缩短工期或者按期完成任务，避免不必要的损失。（3）多用途性。基于提高设备的利用效率，可以在工作平台上选择多种工作装置，通过转换工作装置可以节约工作时间，提高工作的效率和机械的利用率，实现一机多用。（4）联合作业。类似于农业机械的联合收获机械。园林绿化机械同样需要发展其联合作业的功能。可以在绿化带的修剪机械上，加入收集碎叶、护栏的清洗等附加功能。这种联合作业减少了工作流程，使整体结构更加“瘦身”，节省了资源，实现了经济利益的最大化。（5）人工智能。现代园林绿化机械已经脱离了在人们心中那种笨重简陋的形象。它已经趋于设计更加合理、操作安全却舒适、售后维修更加方便。与此同时，其他领域的新技术如液压控制技术、无线电子遥控技术以及单片机技术等。随着人们需求的增长，园林绿化机械市场越来越火爆。新的技术将源源不断的被引[12-13]入园林绿化行业，这会极大的推进新的产品研发，进一步提高产品的竞争力。1.3设计与研究方法从19世纪中期开始，由传统技术到现在的计算机辅助创新设计经历了一百多年的发展，包括了产品服务创新、理论、方法以及工具发展与创新。近几年来，随着科学技术尤其是计算机技术的飞速发展，现代设计方法理念发生了天翻地覆的变化，设计理念有了质的飞跃，设计方法更加趋向于规范化、流程化以及统一化。这极大的缩短了设计周期，节约了设计成本，确保了产品质量。以下介绍几种常用的设计方法。1.3.1计算机辅助设计计算机辅助设计（CAD）是一种利用计算机软件和外部辅助硬件，通过人机相互交互实现设计目标。在设计过程中，计算机能够帮助设计人员完成计算、信息储存、绘图和文档制作等工作。在设计过程中经常会利用计算机对各种方案做大量的计算、分析以3 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论及比较，为选择最优的方案作参考；在设计初期，设计人员可以利用CAD绘制草图，从草图到工作图，这些工作都由计算机完成。在CAD技术的支持下，设计工作可以实现网络化、集成化以及智能化的发展。同时，缩短了设计周期，节约了设计成本，提高生产劳动力。1.3.2可靠性设计可靠性设计是一种为保证机械和零部件能够满足给定的可靠性指标的设计方法。它利用概率论、数理统计等学科知识将以前设计中遇到的变量（如载荷、强度、弹性等）的不同值，近似的看成满足于某种分布规律的随机变量，然后利用统计学的知识分析更加合理的产品的主要参数和零件尺寸。1.3.3虚拟样机技术虚拟样机是一种将虚拟样机进行数字化处理的设计方法，是对CAD/FEA技术发展与延伸。它实现了将单纯的零部件设计与各种分析技术的结合，可以在短时间内实现对不[14]同的方案进行比较，降低了进行物理实验的危险性与成本，大大缩短了设计的周期。1.3.4有限元分析技术有限元分析技术是进行结构分析、处理固体力学的一种非常有效数值方法，结合计算机计算并设计出人们期望的工程结果，可实现用较低的成本、最快的速度、较少的试验次数达成目标。通过有限元分析,人们在设计时能比较精确地模拟出被设计对象的技[15]术性能,从而减少设计成本、缩短设计与分析的循环周期、增加产品或工程的可靠性。有限元分析的较大优势表现在把复杂问题转化为简单的问题，然后在求解。多个有限元的小的互连子域组成它的求解域，对每一单元设定一个合适的近似解，然后推导求解这[16]个域的总的满足条件,从而得到问题的解。有限元分析包括前处理、处理和后处理三个阶段。前处理包括建立有限元模型，完成单元格划分；处理主要是对有限元模型进行求解，后处理是采集处理分析结果使用户能便捷提取信息，明白计算结果。1.4研究的主要内容本论文主要从以下几个方面进行了研究：（1）机械主要部件和动力来源的选择。根据本次设计的创新点和设计目标，选择修剪机械的修剪方式、动刀的尺寸大小、曲柄连杆的类型、三面修剪刀具的位置、修剪4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论机的支架方式及车载平台等零部件。（2）三维模型的建立。在UG对三面刀具的主要部件进行设计。这里面包括：动刀和定刀的布置、摆环箱设计、刀架设计、伸缩臂设计和车载平台设计。（3）运动学仿真分析。将在UG中构建的三维模型进行格式转化，然后导入ADAMS仿真软件。根据设计要求计算出割刀的位移、速度、加速度等参数，输入仿真模型，进行运动仿真分析，进而得出分析结果。（4）部件的有限元分析。利用ANSYS软件对摆环机构的主要的零部件进行分析，得到主要应力分布。以ANSYS分析的结果作为依据，提出对于关键零部件的改进意见。（5）实现对于修剪刀具的自动控制。利用单片机技术，通过传感器测得车与中间护栏之间的距离，以此为信号控制水平方向的液压缸的长短，进而保证绿化带的修剪形状。5 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计第二章修剪机械的整体设计本章的主要工作是对修剪机各个零部件的选择，以及对于整个机械的设计工作。本次研究选择往复式切割技术，主要零部件有：动刀具、定刀具、摆环机构、传动机构以及车载平台等。往复式切割器的特点在于结构简单、可靠性高、属于有支撑修剪、修剪[17]的质量好且修剪载荷较小等，如今在农林业中得到了广泛的应用。本章主要研究包括：高速公路绿化带的基本尺寸，动刀尺寸的选择，定刀配合的选择，旋转到摆动机构选择，[18-19]悬臂支撑结构的设计以及车载方式的选择等。最后利用三维设计软件UG对以上零部件进行建模设计，根据设计思路进行。2.1高速公路绿化带绿化带是高速公路建设的重要一环，其中中央隔离区绿化带有提高道路美观性、固沙防风、遮光防眩、诱导视线等功能。高速公路绿化带设计重要是避免绿化植物品种过于雷同，采取灌木为主乔木为辅相搭配、常绿与落叶、花卉与草本植物相结合的原则，要做到四季常青、层次分明的特点。这样设计原则的好处提高生态环境，缓解驾驶疲劳，[20]遮蔽对面来的汽车的灯光照射，提高了行车的安全。中央绿化带的设计还应考虑要保证绿色植物不要伸到护栏外边，防止阻碍高度公路上的驾驶员的视野。绿化带尽量保证样式简单舒适，不要样式过于绚丽，以免影响司机注意力而引起安全问题。2.1.1中央隔离带的尺度要求我国高速公路的中央隔离带的设计带有尺寸规范，为了保证绿化带形状在隔离带内部，需要进行定期修剪。中央隔离带的宽度在1500mm-3000mm左右，个别的中央隔离带设有路缘石，其高度一般在120mm。隔离带与道路两侧设有波形梁护栏，起到防护作用。中央隔离带有路缘石护栏时，护栏会设有防阻块。将防护栏边缘与中央隔离带边缘距离用d表示，其最小值保持在250mm。具体设计如示意图2-1所示。6 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计图2-1中央隔离带示意图根据上边的示意图，绘制出中央隔离带的横断面图示，且标出各相关部件的主要尺寸，如图2-2所示。中央隔离带的宽度在3000mm左右，而路缘石最窄的宽度在250mm，绿化带的宽度在2000mm以下，高度在1800以下，护栏的高度700以下，侧面修剪长度在1100mm左右。具体分布如图示2-2。图2-2中央隔离带横向断面图2.1.2隔离带绿化植物的技术规范对了是实现上面提到的绿化带的功能，以及主要的防眩作用。绿色防眩相对于其他防眩措施来说，造价低廉、低碳环保，现在全国90%左右的高速公路都有绿色防眩这一项。以下表2-3是绿色防眩主要的技术规范要求。7 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计表2-3绿色眩晕主要技术规范要求项目特性与基本指标基本条件四季常青便于管理简单明了品种选择龙柏女贞类冬青类高度要求1200mm-1500mm株间距2000mm左右栽植形式全遮光式或者半遮光式为了保证中央绿化带发育茁壮，枝叶繁茂，利用接收光照。需要对绿化带进行定时修剪，形状以长方形位置，树冠保持水平。2.2折叠式修剪机的设计目标与功能规划2.2.1修剪机的设计目标本次设计主要是针对高速公路绿化带的修剪，主要的修剪对象包括高速公路中央绿化带的修剪与两侧绿色草坪的修剪，甚至拓展到可以实现棉花打顶功能等。基于对高速修剪的特点和市场修剪机类型的分析，本次设计提出在以下几个前期目标：1.修剪机选择了车载式修建模式，大大的提高了工作效率。2.在之前的单面修剪刀具的基础上，全新设计成多面一次修剪，减少了工作步骤，进一步提高了作业效率。3.选用前置式拖拉机作为作业平台，使整机结构更加紧凑，使驾驶员既可观察行车状况又可兼顾修剪机构的工作情况。提高了作业的安全性。4.采取在其他领域运用比较成熟的单片机技术，实现承载车辆与修剪刀架位置的自动控制。减小了工作人员的操作步骤，使得设计更加智能化和人性化。5.使得修剪姿态的调节更加方面，可以对不同高度、不同角度的绿化植物进行修剪。6.前置式拖拉机可以直接提供液压系统，设计更加简便，市场竞争更强。2.2.2修剪机的功能规划市面上的修剪机械功能过于单一，都是单面修剪，但现在大多数绿化带都要求多三个面绿化带表面都进行修理，单面修剪机械需要对同一绿色植物进行多次重复修剪，且修剪的质量也无法得到有效的保证。为了解决以上修剪机械的缺点与不足，本次设计主要达到以下几种功能：（1）本次修剪刀架设有三个刀头，分别可以对绿化带的顶部以及两侧进行同时修剪，实现了对绿化带三个表面进行一次性高质量的修剪。8 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计（2）本次修剪作业平台选择前置式拖拉机，整个修剪机械可以处于拖拉机的前面，且可以直接实现由拖拉机提供液压的供给。（3）本次修剪机首次采用单片机技术，实现对三面修剪刀架在绿化带修剪过程中水平位置的调控。（4）本次设计的三面刀具是折叠式结构，通过液压机构的控制，实现三面变一面的姿态调节，实现对较宽面积的绿化带、草坪甚至棉花顶部的修剪工作。2.3修剪方式的选择本次设计主要是参照了联合收获机械中往复式切割方式，借用到原理绿化修剪机械中来。而在有无定刀具的选择上，按照支撑条件上，可以包括两种形式，分别是有支撑切割方式和无支撑切割方式两种。有支撑切割方式是一种在动刀的运动的相反方向是有一个力作为切割的支撑的切割方式。而无支撑切割方式是指在动刀片直接切割茎秆的方式，不会在相反的方向上有固定部件作为支撑。两种切割方式的具体原理如图2-4所示。无支撑切割的原理如图2-4a）所示，有支撑切割原理如图2-4b）所示，其中Pd为动刀切割力，而Pbc和Pcb分别是上下两个定刀片的切割阻力。有支撑切割a）无支撑切割b）图2-4切割方式图相对与无支撑切割方式来说，有支撑切割方式需要的切割速度较慢，在相同切割阻力的情况下，切割的速度越小，所需要的切割功率就越小，可以选择小功率液压马达作为输入的动力源，降低的生产成本。另外，切割速度较低的情况下，对于动刀片的磨损程度就会降低，这有利于延长动刀片的使用寿命。因此本次设计选择往复式切割与低速9 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计有支撑切割方式相结合的修剪方式。2.4动刀片基本尺寸的设计通过大量的查阅相关的文献，了解到动刀片在设计的过程中主要是考虑刀片的使用寿命和切割阻力大小等方面。次设计主要是考虑使动刀片在切割的过程中受到最小的切割阻力。根据研究发现，切割力的大小与木材的切屑、切割的厚度、切割方向与木材纤维的方向、刀具的角度、木材的性质以及切割速度有一定的关系。由于灌木的切割属于无屑切割，所以不需要考虑切割厚度。对于灌木材料来说，对于切割阻力产生主要影响是刀具角度、木材性质以及切割速度。2.4.1刀片的工作角度对受到阻力大小的影响对于灌木的切割来说主要是有端向与纵端向的切割两种，该种木材切割在实际的切割过程中，的切割阻力是比较大的，在这种情况下，可以通过在设计中引入滑切角来实现降低切割阻力的目的。刀片的工作角度主要是包括刀刃角和切割角。根据木材切割原理，随着刀刃角的增大，切割过程中刀刃的变形就越明显，也就是说其所产生的切割阻力应该越大。相对于刀刃角对于受到的工作阻力的影响的这么小来说，切割角对刀片工作中所受的阻力的影响会更大。查阅相关文献发现，刀片工作的阻力与切割角设计的大小是成反比的。如图2-5所示。引起阻力减小的原因有两点：首先，当刀片工作的切割角的增加时，刀片相对茎秆的切割速度也会随着增加（sin）；其次，刀刃线方向与相对运动线11的方向所夹的角（）的大小会随着角的大小的变化而不断变化。当在α角过11大的情况下，动刀和定刀对于茎秆的夹持将出现向前滑动的不稳定工作的现象。因此，将对α角进行进一步的分析，如图2-6所示，以确保动刀和定刀对于茎秆的切割保持稳定（不从剪口向前滑动）。当茎秆分别与上下刀片都达到接触状态时，在两个刀片与茎杆相互接触到的两个点分别用C、D来表示，且两处茎杆所受的有正压力分别是F、FN1N2表示，而所受到的摩擦力分别是f、f(fFtan，fFtan)来表示。F与121N112N22N1f的合成的力用F来表示,F与f的合成的力用F来表示,对于两个合力所需要满足11N222[17]的条件是:F与F必须在同一条直线上。12由图2-6中的三角形OCD可看出:10 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计(2-1)12式子中,所表示的是动刀片与茎秆之间的摩擦力所成的夹角;所表示的是定12刀片与茎秆之间的摩擦力所成的夹角;从四边形OCDE看出:(2-2)12有以上两个式子可以得到,保证茎杆被刀片所能够夹持住条件是:(2-3)1212式中,所表示的是动刀片尺寸中的切割角;所表示的是定刀片尺寸中的切割角。12由于刀片所切割的植物材料的各种属性不相同,切割机构的刀片与各种材料的茎秆之间的摩擦系数很难推算出来,因此一般会通过做实验的方法来测得所切割灌木的需要的滑切角大致的范围。图2-5切割角及原理图图2-6茎秆夹持受力的分析图11 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计2.4.2动刀片尺寸的设计经研究发现，刀刃角对最大切割力影响很小,其原因为灌木直径中等（约8mm）,而且动刀与定刀均有刃口,使得不同刀刃角进行切割时切割厚度相差很小,故增大刀刃角对最大切割力影响不大,因而可适当提高刀刃角以增加刀体强度,减少刀体崩坏。通过分析45度刀刃角较合适。滑切角为5°时能有效的降低最大切割力,而大于等于10°时反而较5°增加,其原因可能为切割时刀刃与灌木之间的摩擦角在10-20°之间,当两刀夹角（即两刀滑切角之和）大于20°时,侧向滑动的增加,导致了整体的刀片受到的工作阻力增大；当滑切角少于15°时,侧向滑移严重,很难进行切割,因此滑切角选择0°—5°为宜。摆环机构中的主轴转速的增加对于减少茎杆与刀片之间的最大切割力有显著的效果,当转速从100r/min提升到120r/min时，茎杆与刀片之间的最大切割力变化不是很大（即对其影响减弱）。当主轴的转速增加到大于120r/min时,刀片的切割工作将会变得越来越困难,因此摆环机构主轴的转速定在100r/min-120r/min之间比较合适。当摆环机构中主轴的转速增加时,动刀片的往复切割速度将跟着加快速度,在刀片与植物茎秆发生切割的时候，植物本身的惯性力将会保证被切割的植物不会出现侧滑现象,因此，这种情况下刀片受到工作阻力会变小。因此可推测在切割小直径（<5mm）灌木植物,其茎秆较细,进给相对容易,增大曲柄转速并提高滑切角能有效的降低切割力,但对于大直径（>5mm）灌木,提高曲柄转速使得进给困难,容易造成少割、重割等现象,反而无法有效完成切割,故采用大滑切角和高转速的参数组合不适用于大直径灌木。综上所述,针对本试验灌木对象（直径约8mm）,根据试验乡果并结合分析可得刀刃角45度、滑切角5度，曲柄转速120°时能取得最小白切割力,试验测得切割力最大值为1100N。根据以上分析的结构来说进行设计刀片，具体的设计的刀片的三维模型如图2-7所示。图2-7动刀片的三维结构12 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计2.5修剪机械中的主要的传动机构本次设计的往复式切割机构需要选择合适的传动机构来实现割刀在往复式切割机械中做往复运动,这个可以借鉴农业收获机械中往复式切割技术。由于往复式切割机构在农业收获机械中应用已经相当广泛,其中传统的机械中采用的传动机构有很多种。由于相对于其他传动机构的制造费用过高、各部件的加工精度过高、结构复杂等缺点来讲,摆环机构具有整体的构造更加紧凑、工作更加稳定、产生的噪音较少等优势,因此，不[21]多数的联合收割机机构多选用摆环机构来作为其传动机构。综合分析，本次设计也选用摆环机构作为修剪机构的传动机构。2.5.1传动机构的基本构造与工作原理根据前面的分析，本次设计选用了摆环机构来作为修剪机的传动机构。摆环机构主要包括以下几个部件构成：（a）主轴部件、（b）摆环部件、（c）摆叉部件、（d）摆轴部件、（f）摆臂部件、（e）连接杆部件和（g）动刀部件等。具体的零部件的分布如图2-7所示。机构的四个工作极点状态下的主轴运动情况，如图2-8所示,轴AO的的中间位置装置一个与主轴中轴线构成角的斜形轴，外边装置一个轴承,轴承与摆环部件以面接触的形式相结合。摆环部件上下两个地方设有环形突起，摆叉部件与摆环部件是以铰接的方式链接在一起的。在工作的过程中，以上三个部件的轴线始终交于一O点，摆环部件不会随着主轴的转动而动，只是以O点为中心作球面的轨迹转动。可以假设图2-8中的图（1）为一个转动周期的起始状态,这个时候摆环部件与平面处于相互垂直的位置,CD线与x轴的正方向之间的夹角为角（即摆角）；当机构转动到图（2）。（轴的转过90°）时,摆环部件和纸面所成的夹角是（90）,CD线与x轴成0°交；当机构转动到图（3）（轴转过180°）时,摆环部件与纸面相互之间处于垂直位置,CD线与x轴角；当机构转动到图（4）（轴转过270°）时,摆环部件与纸面。成(90)角，CD线与x轴成0°角。经过一周的转动后,整个机构将恢复到图（1）位置。经过这样的传动机构，实现了由转动到摆动的转变,转动一周所实现的摆角是4。13 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计a.主轴部件b.摆环部件c.摆叉部件d.摆轴部件e.摆臂部件f.连接杆部件g.动刀部件图2-7转动机构的基本机构图图2-8转动机构的运动原理图14 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计2.5.2摆环机构运动的理论分析根据传动机构的特点，以摆环部件的两环的轴线与主轴的中心线的交点为原点O点，建立空间直角坐标系，画出传动机构的原理简图如图2-9所示。图2-9传动机构的原理简图将本次设计的轴转动的角速度定为，摆叉会随着与水平方向成一定角度的斜圆轴的转动而做球面运动，OB与OA会构成相应的夹角，可以定义为传动机构的摆动角。通过分析，可以得到皮带轮上B点的参数方程为（2-4）式：xLcostBAByBLABsint（2-4）zLcosBOB摆环部件上的C点在坐标系中的运动的参数方程为（2-5）式：xRsinCy0（2-5）CzRcosC传动机构中的摆环部件的运动的特点是，CD两点始终保持在同一平面内，而图2-9中的会不停的变化，并且图中OB线与OC线始终保持90°的夹角。由两个矢量积公式定义可知，通用的公式为（2-6）式：abababababcos（2-6）xxyyzz15 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计将OB与OC两个矢量带入到式子（2-6）中可得（2-7）式：xCOBOCxyzBBByCxxBCyyBCzzBC0（2-7）zC对以上式子化简得：1tan（2-8）tancost进一步求导可得：tantant（2-9）21tan在进行二次求导得：21tan2t2tant2tantan（2-10）21tanOE如图2-9中1可以表示为传动机构的摆臂，其长度可以用字母L表示，然后可以得到动刀的移动方程为：xELsinyE0（2-11）zLcosE动刀的速度方程为：xELcosyE0（2-12）zELsin动刀的加速度方程为：16 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计2xEL(cossin)yE0（2-13）zL(sin2cos)E2.5.3动刀的运动曲线将设计中选的基本参数，例如摆动的角度设为：15°，而其摆杆L的长度为145mm，主轴的转速设为：nr400/min。通过对的式（2-8）、（2-10）、（2-11）、（2-12）以及（2-13）来求得相应动刀的移动、速度等曲线。动刀的行程S：SZEEmaxZminL[cos()cos()]（2-14）22再把相应的参数代入到式子（2-14）可得：S=75mm2.5.4摆环机构三维模型摆环机构的三维模型具体实体分布如图2-9所示。图2-9摆环机构的三维模型17 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计2.6三面折叠机构的设计折叠机构作为本次设计的主要组成部分，为了适应当下不同绿化带修剪形状的要求，在首要满足三面同时修剪的前提下，设计的目标是还有实现从三面修剪姿态到单面修剪的变化，又因为本次设计的工业平台是选用了前置式拖拉机，拖拉机上有液压装置，不需要另设动力源（作为修剪机械作业竖直水平位置调控），所以这里我们选用液压缸作为折叠机构的的伸缩控制的构件。当需要修剪机构进行三面修剪时，液压缸进行收缩，这样两侧刀具折叠到竖直位置，实现对绿化带侧面的修剪。当修剪机构需要完成单面修剪任务时，液压缸又进行伸张，使三面刀具处于一条水平面上，这样可以完成单面的较大面积的修剪工作。不仅，可以实现水平方向的修剪任务，还可以实现道路两旁斜面草坪的大面积的修整。利用液压系统，可以在驾驶室中通过操纵杆就可以实现对于各个液压缸的控制，实现了半智能化设计。选用液压缸作为修剪机工作模式的调节控制的构件可以只需要很小的尺寸可以满足设计的需要，有利于整体刀架的轻量化，更加经济实惠。液压缸的工作相对其他控制装置来说更加稳定，技术也更加成熟。折叠机构的基本结构如图2-10所示：图2-10折叠机构的基本机构图图2-10中包括液压缸、固定支架、刀具链接板。两侧的刀具与刀具链接板链接成刚性一体结构，链接板的另一边是横向的转轴，转轴的上一侧的端点和中间点分别与外边的支架接触，受到支架的约束作用，轴不能做移动，只能沿轴线转动；支架在整个结构中承受了其他构件的载重，又对转轴起到了一定约束作用；液压缸通过自身的伸缩带动了转轴的转动，实现了了两侧刀具的竖直与水平两个方向的变换。18 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计2.7修剪机构的工作原理1液压缸2回转底座3液压缸4液压缸5液压缸6液压马达7液压缸8液压马达9液压马达图2-11修建机构的工作原理图本次的修剪机构的设计是选用的前置式拖拉机作为修剪机构的工作平台，由于拖拉机可以提供直接的液压系统，因此本次设计中修剪机构的工作的各个姿态的调节选用的是液压缸，而修剪刀的动力同样选择由液压马达提供。选择基本的工作方式之后，进行了初步的设计方案的制定，修剪机的具体结构如图2-11所示。对整个修建机构的关键部件的工作原理做以下简单介绍：1.通过控制1号液压缸的伸长与收缩，来实现修剪刀具高度的调节。2.通过控制2号的回转底座，使工作的刀架可以由工作状态到载运状态的来回切换。3.通过控制3号液压缸的伸缩，可以调节水平伸缩臂的角度。4.通过控制4号液压缸的伸缩，可以实现对三面修剪刀具水平位置的控制。5.通过控制5号液压缸的伸缩，可以满足修剪刀具对于不同角度的修剪平面的修剪需求。6.通过控制7号液压缸的伸缩，能够将三面刀具变为单面刀具，实现刀具的折叠式多用途修剪。7.图中的6号、8号以及9号都为液压马达，他们就是为修剪刀具提供动力的最直接的来源机构。以上所有的伸缩式液压缸的工作状态，驾驶员都可以在驾驶室中进行操控。液压马达的工作的状态也能够设置在驾驶室中的相对应的开关进行实时的控制。工作开始之前，驾驶员控制回转底座的转动角度，使得整个修剪刀架转动到待修建区域，然后进行修剪。工作结束后，驾驶员再控制回转底座的转动角度，使修剪刀具回到图示位置，便于运输。在修建工作进行中，车身与护栏水平位置上会有超声波的测距仪器，将车身到护栏之间19 山东理工大学硕士学位论文第二章修剪机械的整体设计的距离制作成信号，提供为主控制机构（单片机），由控制机构向图示2-11中的3号水平伸缩缸上的接受机构发送信号，液压缸通过伸长与收缩，来实现对修剪刀具水平位置的及时控制。实现对修剪机构的自动仿形的控制。本文的第五章有对自动仿形控制更加深入的研究。20 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真第三章修剪机构的运动和动力学仿真3.1概述结合本章的研究目的，首先，本次设计中的整体机构的虚拟模型的设计软件选择的是UG8.0画图软件；然后，将建立好的三维模型通过格式转化再导入到专业的分析软件ADAMS中去，在此软件中对修建机构的三维虚拟模型进行仿真分析，这样可以使得更加直观的看到修剪机构的整个作业的过程以及工作原理，进而分析修剪机构的运动情况是不是符合预期的设计目标。经过软件分析得到的数据可以为下面进一步的分析工作打下好的基础。3.2虚拟样机技术的简介虚拟样机技术是一项依托于现在发展迅速的计算机技术基础之上的，对不能或者不[22-23]适合短时间制造出样机的设计方案进行设计、分析、校核等工作的技术。21 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真机械系统建模几何建模施加运动副和运动约束施加载荷仿真分析设置测试和仿真结果进行仿真分析仿真结果分析回放仿真结果绘制仿真结果曲线验证仿真结果分析输入实验数据添加施压数据曲线与实验结果一致增加摩擦力改变载荷函数定义柔性体和连接精致机械系统模型定义控制重复仿真分析设置可变参数定义设计变量进行主要设计影响因素研究进行实验设计进机械系统优化分析行最优化研究图3-1虚拟样机仿真技术的分析流程图[24]虚拟样机仿真技术其主要的流程在图3-1中都有具体的体现。它可以极大地实现了产品全寿命周期的延长。这种技术大大的缩短了产品研发的周期，增强了所需要设计[25-27]的产品在如今市场中的竞争力。22 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真3.3虚拟样机的动力学方程理论分析3.3.1仿真前的动力学方程的建立本设计进行的仿真分析软件选用的是ADAMS软件，中主要建立在刚体的质心笛卡尔坐标和能够很好反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标的基础之上的。其中，下边是建立在拉格朗日方程基础之上的运动方程：TdTTTTQ(3-1)qqdtqq.非完整约束的方程式为：q,q,t0完整约束的方程式为：q,t0公式中：一系统动能；Q一广义列阵；q一系统广义坐标列阵；一非完整约束的拉氏乘子列阵；一完整约束的拉氏乘子列阵。3.3.2仿真前的动力学方程求解本次设计选用的软件主要建立在变阶、变步长积分的求解程序的基础之上的,分别对应着的是BDF积分器、GSTIFF积分器和DSTIFF积分器。通过对式（3-1）整理可得23 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真TFF1........quh0qqF1I.........I.........0uG（3-2）h0jj.........0.........0Qj式子（3-2）中的等式左边又被称作为系统的雅克比矩阵jF式子（3-2）中：系统的刚度矩阵；qF一系统的质量矩阵；uF一系统的阻尼矩阵。u通过分析以上的公式及系统雅克比矩阵j，可以进一步求解得出q、u、，jjj...还可以得到qj1、uj1、j1、uj1、qj1、j1等。通过进一步的多次的验证计算,[28-33]可以得到需要的收敛条件的情况。3.3.3静力学分析和运动学的方程理论的分析1．静力学方程在前边的分析的基础之上,进行以下分析时，需要把上式（3-2）中的速度、加速度都赋值为0，再经过整理之后得到下边式子（3-3）（称之为静力学方程）：TFqFqq（3-3）jjqj2．运动学方程运动学方程主要是对分析过程的一定简化之后而得到的，处理之后主要内容是对整个系统中被约束的部件的位移、速度、加速度、和受到的阻力情况进行理论分析，所以求解系统的约束方程就变成了式子（3-4）：q,t0n（3-4）24 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真可采用方程中的Newton-Raphson迭代方对主要部件的具体位置的变化情况进行求解，如式子（3-5）：qq,t（3-5）jnnqj其中：qqqjj1jjj表示第次迭代。t可通过对式（3-5）进行一阶或者二阶的求导，来实现对n时刻的速度与加速度的计算,如式子（3-6）（3-7）:.q（3-6）qt...2nn2...q2qkqlqq（3-7）qtk1l1qkqttqqt将t时刻受到的力带入拉格朗日方程得到，就可以得到以下式子（3-8）：nTTTdTT.Q（3-8）qdtqq3.4三维立体模型建立3.4.1修剪机构零部件模型的构件本次设计选用的建立三维模型的软件是UG8.0。UG软件一种常用的三维模型构件的[34]软件，它有助于工程设计人员将自己的设计灵感，快速的转换成实体模型。本次修剪机械各个零部件也是在参照了部分传统的修剪机械的基础上，进行了再次优化改造，设[35-37]计的零部件的三维模型。三维的零部件模型如图3-2所示25 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真（1）转轴（2）摆环（3）摆叉（4）摆臂（5）动刀片（6）连接杆图3-2修剪机构零件的模型图对本次折叠式修剪机械设计中关键的零部件进行建模设计。主要包括主轴部件、摆环部件、摆叉部件、摆臂部件和连接杆部件等,具体的三维立体模型如图3-2所示。3.4.2整体装配模型的建立整体的装配模型是建立在上一节主要零部件的基础上，再设计相配合的连接部件，利用UG8.0中的装配模块对其相互配合的零部件之间进行应有的配合与约束，这些可以26 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真实现由小部件到大的整体的装配体的转变。装配好的单面刀具的模型如图3-3所示。图3-3修建机构的三维模型3.5修剪机构三维模型的导入把装配模型经过格式的转化之后导入到ADAMS软件中具体步骤如下：（1）先将UG转换成Parasoild格式①把在UG8.0软件中建好的文件，在ADAMS软件中的File菜单中，命令的依次的顺序是FileExportParasoild，然后会出现Parasoild文件的选择对话框。图3-4导入ADAMS后的模型图27 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真②在选择对话框中需要首先挑选正确的UG版本，接着在选择好要导入的文件。③选择OK按钮,建立一个新的文件名，并且在两个“xmt_txt”和“x_t”格式中选择一个④选择OK按钮,就生成一个新的Parasoild格式的文件。（2）再将Parasoild文件导入ADAMS到中：①选择步骤时FileExportImportaFile,然后就会出现文件选择对话框。②FileType中,在文件格式的选择中选择Parasoild，接着会出现文件选择对话框。③文件的选择有两种方式：可以在FileToRead栏中直接选择输入文件名进行选择；也可以选择用鼠标右击FileToRead栏，在弹出的对话框中选择Browse命令，进行文件的选择。④选择完文件之后还要进行文件类型的选择，这个在FileType菜单栏中选择。⑤在选择了模型的名称与储存的格式之后，再选择OK按钮，前边建立的虚拟模型就会导到ADAMS中去了。导入之后的单面修建机构的模型的界面如图3-4所示。3.6运动仿真及分析3.6.1物理模型的建立（1）建模和仿真的步骤如图3-5所示：28 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真建模测试模型验证模型优化模型迭代进行优化分析以宏的形式操作模型图3-5建模与仿真步骤的流程图（2）主要内容①选择所要的坐标系；②零件材料属性的设置；③各个部件添加相应的约束条件。分析本次设计的修剪机构在工作过程中每个零部件的约束情况，在皮带轮上出入各种数据，切割刀具部分输出相应数据，各个零部件的约束情况如表3-1所示。表3-1修剪机构各个零部件的约束汇总表约束的对象约束的类型皮带轮-主轴固定副底座-主轴转动副底座-大地固定副摆环-主轴转动副摆叉-摆环转动副摆叉-底座固定副摆叉-摆臂固定副摆臂-连接杆转动副连杆-动刀刀具固定副29 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真3.6.2运动仿真及测量结果进入ADAMS软件后，首先工具栏中选择仿真工具模块（InteractiveSimulationControl），将本次仿真时间（EndTime）设置为44，仿真步长（Stepsize）设置为0.05，再将计算好的各种参数相应的进行一一的设定完成，这样就可以进行仿真计算了。最后可以通过观看回放，检查仿真结果是否正确。仿真过程的其中的界面如图3-6所示。图3-6修剪机构的仿真模型综合了大量资料的相关信息，选择了合适的结构的工作条件为：输入转速400r/min，摆环的中心与主轴的中心线之间的夹角α为15°，经过一系列的仿真计算，将会得到相关的仿真结果。（1）切割刀具在水平方向上的位移变化规律如图3-6所示图3-6切割刀具在水平方向上的位移变化规律图30 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真（2）切割刀具的水平方向的线速度变化规律如图3-7所示图3-7切割刀具的水平方向的线速度变化规律（3）主轴转动的角速度的变化规律如图3-8所示图3-8主轴转动的角速度的变化规律31 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真（4）主轴转动的角加速度的变化规律如图3-9所示图3-9主轴转动的角加速度的变化规律3.6.3修剪机构动力学仿真及测量结果的分析在输入的转速在400r/min，模拟阻力在1100N，不考虑各转动副的相对摩擦的状态（理想的状况）下，刀具、摆臂、摆叉、主轴的受力变化情况的介绍。（1）刀具的受力情况如图3-10所示图3-10刀具的受力情况32 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真（2）摆臂的受力情况如图3-11所示图3-11摆臂的受力情况（3）摆叉的受力情况如图3-12所示图3-12摆叉的受力情况33 山东理工大学硕士学位论文第三章修剪机构的运动和动力学仿真（4）主轴的受力情况如图3-13所示图3-13主轴的受力情况3.7本章小结选择在UG8.0画图软件中建立本次设计的折叠式刀具的整体三维图,首先对修剪机构中单面修剪部分进行了运动学仿真分析,得出了相应的分析数据与图表,行程为104mm与之前通过相应的方程计算出的数据相差不大,同时，又对单面修剪机构的各主要零部件的受力情况进行了分析。另外，本章所分析出的相应数据可以为接下来进一步的有限元分析做有关数据参考。34 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析第四章修剪机构的有限元分析修剪机构的虚拟样机建立之后，它主要的部件需要进行受力分析以及材料强度的校核。通过各种各样的方程和解法对零部件的由于各种因素而引起的应变、应力等情况进行计算，过程十分复杂，需要的计算量较大，并且计算的结果达不到理想效果。目前,人们成功地找到了一些有效和可行的方法（如有限元法、有限差分法及边界元法等）。但从实用性和应用的广泛性来说,主要还是有限元法。有限元法目前在工程中的应用最[38-41]为广泛。限元法就是一种先进的,行之有效的方法,具有其它方法无法比拟的优点,如节省投[42]资、缩短研究周期。4.1有限元分析法概述4.1.1有限元分析的演变过程有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）是一种将真实物理中的系统进行一定量的数学近似之后,来对虚拟样机进行分析的技术。最开始仅仅是对结构力学分析发展起来的求解微分方程组或积分方程组解的一种数值技术；其起源于各类工程弹性与结[43-47]构分析的研究，在实际生产实践中为了解决工程类问题。后来运用的更加广泛的领域。AlexanderHrennikoff（1941）和RichardCourant(1942)是有限元分析的开创者，先驱们通过网格离散化将一个连续区域转化为相关联、离散的子区域，并把这样的子区域[48]叫“单元”；并研究了偏微分方程，推动了有限元的发展。到了五十年代中后期就开始了在机身框架和结构分析上的应用。由于其方便性、实用性和有效性在力学方向得到迅速发展。早期由于计算自动化程度的限制，对于较复杂的机械设计参数的实现比较困难，但是经过长期的发展，其如今已经成为一种应用面比较广泛、实用效果较高的数值分析方法。随着市场竞争的日益加剧，要求产品更新愈来愈快，这对企业开发新技术提出了更高的要求，而有限元数值模拟技术可以说就是一种行之有效的方法，其具有提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的优势。其优点主要表现在以下几个方面：（1）增加产品和工程的可靠性；（2）在设计过程中就能及时的找出问题；（3）可设计方案进行优化，降低成本；（4）缩短产品投向市场的时间；（5）减少了做物理实验的次数与费用。35 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析4.1.2常用软件及未来发展前景ANSYS是现在国外主要常用的有限元商业软件有和三维结构设计软件方面主要是选在UG,CATIA,Proe等三维软件较多而。在国内，目前主要的有限元分析软件包括：SciFEA、JiFEX、KMAS等。（1）与相关软件的无缝集成；（2）更为强大的网格处理能力；（3）非线性问题的求解；（4)耦合场性问题的求解；（5)程序面向用户的开放性。4.2有限元分析整体流程在基本步骤上，有限元求解法大部分都是相同的，只是在相对每个公式推导和运算求解之间存在着很多不同点。具体问题的解决过程如图4-1所示：发现问题与定义求解域离散化求解域前置处理阶段确定状态变量和控制方法推导单元矩阵形成总矩阵方程计算求解阶段联立方程组求解联立方程组求解和结果解后置处理阶释段图4-1有限元分析流程图36 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析4.2.1结构的离散化结构的离散化，实际上就是将需要被分析的物体进行网格的划分。主要包括三个步骤：单元类型选择、单元划分和节点编码。4.2.2位移函数的选择在上边对物体进行离散化基础之上,将部件的变化假设成为某种被简化之后的函数,这类的函数通常又被称为位移模式（或者插值函数），依据不同机构的工作特性来进一步的选择合适的位移插值函数,然后将各个点的位移表示为每个区域内的各个点位移的相应的函数式,他们矩阵式一般为：ef(4-1)式子中f一区域内各个点的位移列阵一单元的结点位移列阵e一形函数矩阵。4.2.3单元的力学特性的分析完成位移函数的选择之后,需要对各个单元的力学特性进行研究分析,一般包括三点：（1）通过将几何方程与上边的方程进行结合，可以得到单元应变的关系式为：e(4-2)其中，式子中一区域中各个点的应变列阵；一单元应变矩阵。（2）结合本构方程,得到单元应力的关系式为：eD（4-3）其中，式子中一区域内各个点的应力列阵；D一与材料有关的弹性矩阵。（3）变分原理,得到有关于节点力和节点位移间的关系式（又称为平衡方程）为：eeeF（4-4）37 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析e其中，式子中一单元刚度矩阵；eF一等效节点力。4.2.4整个结构平衡方程的建立其中主要包括两点：（1）对每个区域内的单个单元的刚度矩阵进行合成后，形成一个整体的刚度矩阵；（2）对不同单元的等效接点力矩阵进行合成后，是结果成为一个总的载荷列阵。能够相互结合的条件是：当不同单元的相接触结点处的位移保持相等状态时,各个单元就可以集合得到总的平衡方程，此方程为：F（4-5）其中，式子中：F一载荷列阵区；一整体刚度矩阵协；一整体的结点位移列阵。4.2.5未知的节点位移的求解结合（4-5）式子中的方程以及相对应的边界条件,得到相对应的未知位移。4.2.6对结果进行整理结合上面得到各个方程,再经整理后，进而能得出所要结果。4.3ANSYS软件中部分模块的介绍本次设计的折叠式修剪机构的模型的分析主要是用到了ANSYS软件中的Workbench模块中，而Workbench工具箱又主要是由四部分组成，它们分别是：分析系统、组建系统、耦合分析、设计探索。4.3.2ANSYS软件的主要特点ANSYS软件的特点主要包括以下几点:（1）完备的前处理功能。38 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析（2）强大的求解器。（3）方便的后处理器。4.4修剪机构主要零件模型的建立4.4.1三维模型的建立ANSYS软件本身内部具有直接建模的功能,但其自身的建模功能不够强大，对复杂的几何实体建模实现起来不太方便,因此ANSYS软件支持与许多其他建模软件的相互格式转化,一方面降低了建模的难度，另一方面也使自身的功能性得到了极大的拓展。本次设计的折叠式修剪机构的主要零部件结构并非十分复杂,但为了便于计算与分析,对于一些倒角或者退刀槽进行分析前的简单处理工作。本次设计中的实体建模选择了利用UGNX8.0软件来进行，然后对已经建好的模型通过转换格式，再导进ANSYS15.0中。其操作如下：（1）利用中数据格式Parasolid.Iges转换ANSYS文件。UG软件中存在Iges和Parasolid.Iges两种常用的格式（也是用的最多的数据交换格式）。并且在ANSYS软件中也有一Iges转换过滤器,用于帮助Iges格式的文件进入到ANSYS软件中。而Parasolid格式是在UG与ANSYS之间进行数据转换经常被选用的格式类型。(2)具体步骤是:FileExpoetParasolid,在相对于的对话框内输入文件名,选择OK按钮,然后文件就以.x_t格式进行了保存。在ANSYS软件中选择UtilityMenu按钮：FileImportPARA，在相应的对话框内选择需要文件的名称,完成了模型的导入工作。利用Parasolid格式导入模型实体时,有时模型只显示线框而没有实体和面,可选PlotCtrlsStyleSolidModelFacetsNormalFaceting就变成实体显示了。4.4.2主轴与摆叉的有限元分析把在UG8.0软件中设计的折叠式修剪机的关键零部件模型导入到ANSYS软件后的界面如图5-2所示。为了保证后面的步骤（包括求解及后面处理等工作正常进行，先进行对部件进行前期的处理工作。考虑到主轴所需要的特性,对零部件模型进行基本设定,然后进行网格的划分工作。而为了避免看不见的间隙影响分析的结果，需要进行布尔运算的处理。39 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图5-2在分析软件中主轴与摆叉的三维模型图图5-3在分析软件中摆臂的三维模型①单元选择和材料特性计算时，选用SOLID95作为其主要的计算单元,此单元是一种三维20节点6面体单元,它由20个节点定义,每个节点具有3个自由度。能够用于不规则形状,对构件形状的适用性比较好,而且也不会在精度上产生任何损失。具有位移协调形状,而且满足在任何40 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析方向上进行研究的要求。而在本章中对这次设计的主要部件进行静力学分析中，部件上的载荷分布属于弯扭结合。以上选用的SOLID95单元可以实现研究需要的满足。最主要零部件进行有限元分析的前提是要先了解设计部件的材料、结构和外部载荷情况。因此，所选用的材料的属性必须在分析之前就要进行设定。本次设计的主轴选用的材料为45号钢,45号钢的性能参数为：表5-145号钢的性能参数表项目参数3密度7.85gcm/弹性模量210Ga泊松比0.269ANSYS软件中并无一套固定的单位制,单位制的选择主要是依靠使用者自己把控,但是有一点需要注意：同一篇论文中的单位要保持一致,本次分析我们选用了标准的国际单位。②网格的划分在ANSYS软件中对主要的部件进行分析的时候必须先对其进行网格的划分，网格是进行模拟和分析最小的单位。网格划分的好坏关系到计算量的大小和计算精度的高低。网格划分如果一味的追求精密，就将会使得计算量大大的增加。我们本次分析选择对主要的受力部件的网格划分的精细一些，其他的相对稀疏一点。这样既保证了主要部件上重要点的分析又使得计算量不至于过大。在ANSYS软件中，网格的划分主要包括：自由网格划分、映射网格划分及扫略网格划分等。本次分析选用的是自由网格的划分。在划分时，根据主轴和摆叉的基本尺寸来选择合适的单元尺寸进行网格划分工作。主轴以及摆叉三维网格划分选择的单位大小是3mm，划分成以六面体为主的结构网格。这个尺寸的选择有利于保证网格的质量。经过对零部件记性网格划分之后，可以得到本次主轴与摆叉整体有80704个节点和21174个单元,具体的网格划分图如4-3所示：41 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图4-3主轴以及轴套的有限元网格划分图（2）计算结果和分析在进行了上边一系列的加工处理之后,ANSYS软件修剪机的传动机构中的主轴所受到的应力状况做出了分析计算，然后可以得到主轴的位移变形图如图4-4所示和主轴的应变云图如图4-5所示。图4-4主轴的位移变形图42 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图4-5主轴的应力云图从主轴的位移变形图4-5上可以看出,主轴在安装摆环与轴承位置阶梯轴根部处的某处应力值已经达到了347.24MPa。太接近与材料的最大屈服强度355MPa。图4-6转轴的Von.Mises应力云图（修改版）经过分析，最初设计的修剪机的传动机构中的主轴上某一处所受的到应力太过接近许用弯曲应力。提出的改变方案：将主轴的轴径大小由20mm改为25mm,主轴中心线与斜轴部分的中心线的夹角也有原先的30°更改为15°。修改后主轴的应力云图如图4-6所示。应力由原先的347.24MPa降到110MPa。符合选定材料的要求。（3）主轴与摆环之间位移以及应力分析图以下是修改前后摆动角度和轴径尺寸后的轴以及装配机构的位移变形图以及应力云图对比。43 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图4-7摆环的位移变形图（左）摆环的位移变形图（修改版）（右）图4-8摆环的应力云图（左）摆环的应力云图（修改版）（右）图4-9主轴与摆环间的位移变量图（右）主轴与摆环间位移变量图（修改版）（左）44 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图4-10主轴与摆环间的应力云图（右）主轴与摆环间的应力云图（修改版）（左）4.4.3摆臂有限元分析（1）单元选择、材料特性及网格的划分设计摆臂时，根据其工作的特点选择使用的是Q235-A（俗称碳素结构钢）,此种材料的主要性能参数如表4-2所示。表Q235-A（俗称碳素结构钢）的性能参数表项目参数3密度7.85gcm/弹性模量210Ga泊松比0.29-0.3本次分析选用的是自由网格的划分。在划分时，根据摆臂的基本尺寸来选择合适的单元尺寸进行网格划分工作。摆臂的三维网格划分选择的单位大小是3mm，划分成以六面体为主的结构网格。划分成以六面体为主的结构网格，通过网格精度检测后,摆臂的网格划分完成,通过自由网格划分得到46584个节点和11393个单元。在软件中对摆臂部件进行完网格的划分之后，出现的界面会是如图4-11所示。45 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图4-11摆臂在限元分析中的网格划分图（2）边界条件及载荷的施加①约束条件通过分析我们发现摆臂与摆轴之间是通过铰接在一起的,约束接触面的三个自由度。②载荷的施加根据摆臂的实际使用情况,得到摆臂径F为1100N,（3）计算结果和分析在进行了上边一系列的加工处理之后,ANSYS软件修剪机的传动机构中的摆臂所受到的应力状况做出了分析计算，得出了摆臂的位移形变图如图4-13所示，以及摆臂的应力云图如图4-14所示。46 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析图4-13摆臂的位移形变图图4-14摆臂的应力云图从图4-14中可以看出摆环机构的摆臂的应力集中在摆臂与铰接过度区域,应力为157.77MPa,查表可知,材料许用弯曲应力235MPa能满足设计要求。因此，摆臂的基本尺寸不需要修改。47 山东理工大学硕士学位论文第四章修剪机械的有限元分析4.5本章小结经过分析，最初设计的修剪机的传动机构中的主轴上某一处所受的到应力太过接近许用弯曲应力。提出的改变方案：将主轴的轴径大小由20mm改为25mm,主轴中心线与斜轴部分的中心线的夹角也有原先的30°更改为15°。修改后主轴的应力云图如图4-6所示。应力由原先的347.24MPa降到110MPa。通过与相对应的主轴与摆环机构等理论分析结果对比的基础上,然后对整个的主要机构的每个零部件进行了有限元分析,得到了各个零部件相应的分布云图和位移云图,由应力云图可知,修剪机的传动机构中的主轴上某一处所受的到应力太过接近许用弯曲应力。提出的改变方案：将主轴的轴径大小由20mm改为25mm,主轴中心线与斜轴部分的中心线的夹角也有原先的30°更改为15°。修改之后主轴的相对应的应力得以改进。摆环机构的摆臂的设计满足材料的许用应力取值范围,通过修改各个部件的设计能满足设计要求。48 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制第五章修剪机的自动仿形控制由于本次设计是在原先的单面修剪的基础进行的优化，功能优化成的三面同时修剪。三面修剪的优点是工作效率高、修剪的质量高等，但是要想达到的较高的修剪质量就要必须考虑到对于修剪刀具垂直高度的控制和水平高度控制。经分析发现，由于高速公路绿化带的高度设计与道路的高低具有同步关系，所以只要将修剪刀具与车载平台保持刚性一体，就能满足修剪机构在水平方向上的修剪质量。而由于需要实现对中央绿化带的两面同时修剪，因此水平方向上修剪刀架相对于绿化带的中心线的位置保持不变十分的重要。因此，本章节是通过研究借鉴其他的机械装备上的仿形技术，通过对比，找出适合本次修剪机械的仿形技术，加以设计，以实现对修剪刀具水平方向的位置控制，进而做到对于中央绿化带的高质量的修剪。5.1仿形方案的选择5.1.1传统仿形技术的发展历史仿形技术在其他的机械中已经有过应用。例如现在市面上的许多的播种机械，播种机械需要保证播种的深度，因此对不同的地形进行地面仿形。为了保证播种深度能够控制在一定的范围内，需要控制播种机械在土壤中的工作部件的工作深度不会因为地形的[49]高低起伏有很大幅度的变化。由于开沟的深度是否一致,仿形效果的好坏直接影响整个播种过程的作业质量。因此经过不断的研究，很多机构都采用了电液自控仿形机构,实践[49]证明其仿形效果较好,仿形技术的快速发展使得原茬精密播种得到很好的实现。5.1.2不同仿形技术对比如今主要仿形机构包括：平行四杆仿形机构和电液自控仿形机构。经过上面的各个方面的对比不难发现,电液自控仿形机构在总得仿形量、仿形精度、仿形灵敏度以及精量控制方面明显优于平行四杆仿形机构。这个技术更加适合现在各个机械设备对于仿真质量的要求。本次设计选用的是电液自动控制仿真的技术，原因是相对仿形的精度不高以及仿真的延迟对于播种机械的影响来说，他们对本次设计的影响会更大,中央隔离带中的绿化带的外形保持整齐单一，有利于减轻驾驶员的疲劳感，有舒缓减压作用；还有利于遮蔽对面车辆的灯光的照射，有防眩晕的作用。中央隔离带的绿化带的外形修剪需要较高的平整度以及较高的质量,所以选用仿形精度以及仿形的延迟小的电液一体自控仿形机械是很有必要的。49 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制5.1.3本次自动仿形修剪系统的方案设计本模块的设计定位是自动仿形水平修剪控制系统，基本的结构如图5-1所示。仿形修剪系统的主要构成包括车身到护栏的距离的检测系统、液压缸行程的控制系统、电液比例阀等。距离检测系统是用来对车身到隔离带的距离进行不停的检测，能够给液压缸的控制系统提供实时信号，供控制系统做出指令提供依据；控制系统根据检测系统提供的距离信号，通过自身系统的计算，得出数据，将特定的指令发送给控制液压缸行程的电液比例阀，实现对于电磁阀的控制；电磁阀主要是根据主控系统提供的指令，将电信号来控制油液的流向、压力和流量来控制液压缸的伸缩，已达到对液压缸水平长度的控制；液压缸属于整个仿形修剪机构的执行机构，将电磁阀给的信息转化成修剪机构运动方向、推力和速度的变化。SCI单超声波距离传感片PWM器机电液比例阀液压油缸系控制开关统图5-1自动仿形修剪控制系统的结构图该控制系统的作业的流程如图5-2所示修剪机进入高速公路开关控制超声波距离传感器单片机系统电液比例阀水平液压缸修剪刀具图5-2控制系统的工作流程图50 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制车载式修剪机进入高速公路之后，在进行修剪作业之前，先对修剪高度进行调节。三面修剪刀具进入中央隔离带进行作业时，按动开始按钮，修剪机开始修剪工作，超声波距离传感器识别车身与中央隔离带之间的距离，传感器将检测的数据传输给信号处理模块，进一步进行数据，将数据以信号的形式传动给单片机系统，单片机系统进而发出指令给电液比例阀，电液比例阀通过调节油液的方向、流量等方式来实现对液压缸行程的控制，这样超声波距离传感器会将对车到隔离带之间的距离不断的进行实时的测量，进而使得主控机构对于修剪机的水平距离进行不断的调节，以达到提高修剪质量的目的。在绿化带的修剪作业任务完成之后，停车之后关闭控制开关，结束整个的修剪工作。5.2超声波距离传感器的选择超声波测距是一种利用超声波在介质中容易被介质所吸收，进而使其衰减，在遭遇不同介质的界面时会发生折射以及反射等性质，来对被测事物的距离进行测量的测距方[50]法。5.2.1超声波的测距原理当工作开始时，超声波测距模块中的发射器就会发出超声波，与此同时，内部的计时系统开始计时，当此超声波遭遇了障碍物时，像前面所讲的，就会发生反射现象，[50]内部的接受装置接收到超声波的同时，计时结束。测距模块一次工作就完成。具体工作原理如图5-3所示。图5-3超声波测距原理图LScos（5-1）arctanDL/（5-2）51 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制其中，式子中：D-测距装置两个探头之间距离的一半超声波的传播距离公式：2St（5-3）其中，式子中：-超声波在空气中的速度；t-播的时间。将以上（5-1）、（5-2）、（5-3）进行合并得到：L1/2cosarctantDL/（5-4）因此，可通过检测一次工作周期内中超声波的传播的时间t；进而经过以上一系列的式子进行计算得到车身与中央隔离带之间的距离L。5.2.2超声波距离传感器的型号选择本次设计选择的测距传感器主要特点是使用方便，测距精度误差只有±5cm，且稳定性较好，采用的处理器是工业级单片机，该单片机性能好运算速度高。同时，模块中有软件校正。本模块拥有多种接口输出模式可供选择，其中本次设计需要的正是其中的RS232接口，其接口可实现与PC机串口（终端仪表串口的）无缝衔接。然后，PC机上的串口调试助手能够方便的发送、控制指令及接收并显示被测的长度，有较高的精度保证。本次选用的超声波距离传感器实物组成如5-4所示：图5-4超声波的探头（左）超声波的处理盒（右）本次设计选用的超声波测距传感器的主要性能参数如表5-5所示：52 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制表5-5超声波测距传感器的主要性能参数表格项目性能参数工作电源12V～+24V工作电流<100mA超声波测距范围1m―50m分辨率5mm精度＋10mm5.3主控系统的选择本次设计选用的主控系统是单片机。单片机在自动控制系统中能比较容易实现系统自动控制，结合修剪刀具水平位置的自动控制系统。单片机应用在传统人工操作的机械设备的改进中具有较大优势。高速公路绿化带修剪的工作特点是工作量大、作业环境危险、周期频繁，长时间重复一个工作流程容易使得工作人员感到疲劳，而造成事故，因此，不断改造修剪机的自动化是有必要的。通过单片机的自动控制系统对原有设备进行改造，有效减少工作人员的作业强度，保证操作人员安全。5.3.1单片机型号的选择本自动控制系统选用的是飞思卡尔S08系列单片机控制板，选用的单片机型号为MC9S08AW60，即使在各类恶劣环境下,S08系列亦达到极佳的EMC性能。MC9S08AW60单片机性能概述：（1）最高达40MHz的CPU工作频率和20Hz的内部总线工作频率表；时钟源选项包括晶振、谐振器、外部时钟或内部产生的时钟。（2）相比HC08CPU指令集，S08CPU增加了BGND指令。（3）单线后台调试模式接口；增强的断点能力，允许单一的断点设置在线调试（在片内调试的模块增加了多于两个的断点）。（4）内含32个中断/复位源；内含2KB的片内RAM；内含60KB的片内在线可编程Flash存储器，带有块保护和安全选项。（5）可选的计算机正常操作（COP）复位；低电压检测和复位或中断；非法操作码检测与复位；非法地址检测与复位。（6）ADC：多达16个通道，10位A/D转换器与自动比较功能；两个串行通信接口SCI模块与可选的13位中断；一个串行外设接口SPI模块；集成电路互连总线I2C模块运作高达100kbps的最高总线负载；8引脚键盘中断KBI模块。53 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制（7）Timers:1个2通道和1个6通道16位定时器/脉冲宽度调制器模板。具有输入、捕捉、输出比较、脉宽调制功能。5.3.2系统电路图的设计（1）最小系统电路图：（2）电源模块设计插接件（3）SCI部分的设计（4）PWM的设计54 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制5.3.3程序的编写芯片初始化部分：voidMCUInit(void){SOPT=0b01100000;ICGC2=0b00110000;ICGC1=0b01111000;while(!ICGS1_LOCK);}PWM初始化;voidPWM(uint8TPMNo,uint8CHNo,uint16Period,uint8Duty){uint16j;TPM_CSTR(TPMNo)=0x00;TPM_CNTH(TPMNo)=0x00;TPM_CNTL(TPMNo)=0x00;TPM_MODH(TPMNo)=(uint8)(Period>>8);TPM_MODL(TPMNo)=(uint8)Period;if(Duty>=100)Duty=100;elseif(Duty<=0)Duty=0;j=(Period/100)*Duty;if(TPMNo==1)//定时器1{if(CHNo>5)CHNo=5;//根据占空比,设置相应通道数值寄存器TPM1_CHVH(CHNo)=(uint8)(j>>8);TPM1_CHVL(CHNo)=(uint8)j;TPM1_CHSCSTR(CHNo)=0b00101000;}if(TPMNo==2)//定时器2{if(CHNo>1)CHNo=1;TPM2_CHVH(CHNo)=(uint8)(j>>8);TPM2_CHVL(CHNo)=(uint8)j;TPM1_CHSCSTR(CHNo)=0b00101000;TPM_CSTR(TPMNo)=0b00010100;}SCI初始化函数:voidSCIInit(uint8SCINo,uint8sysclk,uint16baud){uint16ubgs;ubgs=0;55 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制if(SCINo>2){SCINo=2;}ubgs=sysclk*(10000/(baud/100))/16;SCI_BDH(SCINo)=(uint8)((ubgs&0xFF00)>>8);SCI_BDL(SCINo)=(uint8)(ubgs&0x00FF);SCI_C1(SCINo)=0b00000000;//SCI控制寄存器1SCI_C2(SCINo)=0b00001100;//SCI控制寄存器2}SCI中断接收函数:#include"isr.h"uint8SerialBuff[1];//此处为用户新定义中断处理函数的存放处//-------------------------------------------------------------------------*//函数名:SCI1_Recv*//功能:串口1接受数据中断处理函数*//参数:无*//返回:无*//说明:无*//-------------------------------------------------------------------------*interrupt17voidSCI1_Recv(void){uint8i;DisableInterrupt();i=SCIReN(1,1,SerialBuff);EnableInterrupt();}SCI功能函数://-------------------------------------------------------------------------*//函数名:SCISend1*//功能:串行发送1个字节*//参数:uint8SCINo:第SCINo个SCI模块，其中SCINo取值为1，2*//uint8ch:要发送的字节*//返回:无*//说明:SCINo=1表示使用SCI1模块，依此类推*//-------------------------------------------------------------------------*voidSCISend1(uint8SCINo,uint8ch){if(SCINo>2){SCINo=2;//若传进的通道号大于2，则按照2来接收}56 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制while(!(SCI_S1(SCINo)&0b1000000));//判断发送缓冲区是否为空SCI_D(SCINo)=ch;}//-------------------------------------------------------------------------*//函数名:SCISendN*//功能:串行发送N个字节*//参数:uint8SCINo:第SCINo个SCI模块，其中SCINo取值为1，2*//uint16n:发送的字节数*//uint8ch[]:待发送的数据*//返回:无*//说明:SCINo=1表示使用SCI1模块，依此类推*//调用了SCISend1函数*//-------------------------------------------------------------------------*voidSCISendN(uint8SCINo,uint16n,uint8ch[]){uint16i;if(SCINo>2){SCINo=2;//若传进的通道号大于2，则按照2来接收}for(i=0;i2)TPMNo=2;elseif(TPMNo<1)TPMNo=1;//设置定时器状态和控制寄存器//分频因子64,设置为固定时钟频率,为2MHz,禁止溢出中断TPM_CSTR(TPMNo)=0b00010110;//||||||57 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制//|||||+-----PS0//||||+------PS1----64倍分频//|||+-------PS2///||+--------CLKSA//|+---------CLKSB/--时钟源选择系统固定时钟//+-----------TOIE----禁止溢出中断//计数寄存器初值=0x0000TPM_CNTH(TPMNo)=0x00;TPM_CNTL(TPMNo)=0x00;//预置寄存器设定值=0x7A12TPM_MODH(TPMNo)=0x07;TPM_MODL(TPMNo)=0xA1;}定时器中断函数(每隔0.1s获取一次距离)：interrupt11voidisrSCIre(void){uint8temp;DisableInterrupt();//禁止总中断SCISendN(SCI_NUM_1,5,GetMessage);EnableInterrupt();//开放总中断}主函数：#include"Includes.h"externuint8SerialBuff[1];uint8length_duty;voidmain(void){DisableInterrupt();MCUInit();length_duty=50;SCIInit(SCI_NUM_1,SYSTEM_CLOCK,9600);PWM(TPM_NUM_1,TPM1_CH_0,0x0138,length_duty);TPMinit(TPM_NUM_1);EnabletimerInt(TPM_NUM_1);//开放定时器1溢出中断EnableSCIReInt();EnableInterrupt();while(1){if(SerialBuff[1]>=20){PWM(TPM_NUM_1,TPM1_CH_0,0x0138,length_duty--);}if(Right_SerialBuff[1]<=10)58 山东理工大学硕士学位论文第五章修剪机的自动仿形控制{PWM(TPM_NUM_1,TPM1_CH_0,0x0138,length_duty++);}}}5.4本章小结本章主要是针对实现修剪机中的三面刀具的切割功能而进行的，三面切割需要很高的仿形功能进行技术支持。本章通过分析借鉴过去传统的机械中的仿形机构，对着多种的仿形机构进行对比，选择了精度更高、延迟时间更小的电液自动控制仿真技术作为本次设计的仿形机构。研究分析了这种机构的工作原理，选择了合适的超声波距离传感器型号。最后，将单片机作为主控制系统的机构。对相应的电路进行设计，程序进行编写。59 山东理工大学硕士学位论文第六章总结及展望第六章总结及展望6.1总结本文的主要任务是针对各种各样的绿化带修剪需求，设计一款折叠式高速公路修剪机。本次设计主要的内容有以下几点：1.首先，根据本次设计的目标与要求，选择合适的车载机构，以及动力的传输方案等。2.根据上边制定的初步方案，选择在UG8.0软件中对制定的方案进行具体的设计工作，并且可以再设计过程中对不可行的地方进行修改。3.计完三维模型之后，由于不能够制造出样机实物，因此选择了利用ADAMS仿真软件对三维机构进行虚拟仿真。4.为了确保重要部件的设计的合理性与可靠性，要对折叠式修剪机构的主要的运转机构进行有限元的分析，对各个部件在不同工作状况应力的合理性进行评估以及对设计的不合理处进行再次的修改。5.由于要实现三面的同时修剪，所以需要对修剪刀具的水平位置变化合理的控制，本次设计选择了先进的单片机自控系统方案，保证了绿化带修剪的高质量要求。6.2展望本次设计主要想实现机械的一机多用。采用了虚拟样机技术、单片机自控技术等新的设计理念，目的是提高修剪机械的智能型。同时，为了适应新的折叠式修剪机在市场中面临的激烈竞争。需要对以下几个方面进行进一步的研究。1.需要对控制机构的稳定性做进一步的分析。2.需要对折叠机构做进一步的升级设计，可以实现对不同宽度的绿化带进行修剪。3.可以对整体的机构做进一步优化，使得机构能够更加轻量化，提高机械的经济性。60 山东理工大学硕士学位论文参考文献参考文献[1]葛昊,沈永宝.高速公路防护林带设计探讨[J].林业科技开发,2011(2):6-11.[2]齐志刚.我国高速公路发展的特点分析[J].交通世界(建养.机械),2009(Z1):109-110.[3]Carson,R.1962.Silentspring.OxfordUniversityPress,Oxford,England.Curtis,J.T.1959.VegetationofWisconsin,ordinationofplantcommunities.UniversityofWisconsinPress,Madison.FederalRegister.1995.Notice,review&comment,Vol.60,No.154.10August1995.[4]赵悟,雒晓辉,杨力超,等.车载式绿篱修剪机的设计与仿真[J].筑路机械与施工机械化,2010(12):79-82.[5]黄笑锋.公路绿化与公路交通问题的研究[D].[西安]:长安大学,2000.[6]金杰.公路绿化与环境保护[J].辽宁林业科技,2005(2):49-50.[7]张俊虎.园林绿化机械的应用及发展前景[J].山西林业科技,2001(S1):17-19,26.[8]朱权.园林绿化机械设备的现状与发展趋势[J].现代园艺,2011(21):108.[9]Y.Ozcelik,E.Yilmazkaya.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，Volume48,Issue4,June2011,Pages626–636.[10]顾正平,沈瑞珍.国内外园林绿化机械现状与发展趋势[J].林业机械与木工设备,2004(2):4-7.[11]张立富,陆怀民.国内外园林绿化机械的现状及其发展前景[J].林业机械与木工设备,2009(7):4-6.[12]王磐岩,李成.我国城市园林绿化_十一五_及2020年远景规划[J].风景园林,2005(2):35-38.[13]李世葳,王述洋,王慧,等.树木整枝修剪机械现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备,2008(1):15-16.[14]王侃,杨秀梅.虚拟样机技术综述[J].新技术新工艺,2008(3):1,29-33.[15]张锐,陈志远,陈志平,等.有限元分析技术在空间太阳望远镜结构设计中的应用[J].天文学进展,2005(4):355-362.[16]张永宁,甘应进,王建刚,等.有限元分析技术及其在纺织中的应用[J].纺织学报,2002(5):4,85-86.[17]陈诚.往复切割器式灌木平茬机切割力的研究[D].[北京]:北京林业大学,2011.[18]DavidN.s.llars,RoozbehKangari.JapaneseConstructionAlliances[J].JournalofconstructionEngineeringandManagement,1997,(2):146-152.[19]Eddiew.L.Chenga,HengLia,PeterE.D.Lovebetal.StrategicA1liances:AModelforEstablishingLongTermCommitmenttoInterorganizationalRelationsinConstruction,BuildingandEnvironment,2004,39(4):45-46.[20]戴慰.高速公路绿化设计与养护管理[J].现代园艺,2014(6):123.[21]赵红乔.摆环机构的动力学仿真及有限元分析[D].[湖南]:湖南大学,2010.[22]王侃,杨秀梅.虚拟样机技术综述[J].新技术新工艺,2008(3):1,29-33.[23]祖旭,黄洪钟,张旭.虚拟样机技术及其发展[J].农业机械学报,2004(2):168-171.[24]徐中明,余烽,汪先国.全地形车车架挂发动机结构动态特性建模方法[J].振动与冲击,2011,(06).[25]孙裕晶.虚拟样机技术及其在精密排种部件设计中的应用[D].吉林]:吉林大学,2005.[26]崔新涛.基于虚拟样机技术的变速器动力学仿真研究[D].[天津]:天津大学,2004.[27]李青林,戴青玲.基于ADAMS油菜联合收获机割刀驱动机构的仿真[J].农机化研究,2009(3):56-58.[28]Shabana，A.AFlexibleMultibodyDynamics:ReviewofPastandRecentDevelopmentsMultibody61 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山东理工大学硕士学位论文致谢致谢时光荏苒，转眼间，二年的研究生求学生活即将结束，站在毕业的门槛上，回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。山理以其优良的学习风气、严谨的科研氛围教我求学，以其博大包容的情怀胸襟、浪漫充实的校园生活育我成人。值此毕业论文完成之际，我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。本论文是在导师杨自栋教授悉心指导下完成的。从论文的选题、实验方案的设计、结果分析到论文的撰写，无不倾注了杨的大量心血和辛勤汗水。杨老师深厚的理论基础、丰富的实践经验、严谨求实的治学态度，让我受益非浅。此外，在生活上杨老师也给予我很大的关怀。在实验阶段为我解决了很多疑难问题，循循善诱的教导和不拘一格的思路都给予了我很大的帮助。感谢我实验室所有的师兄师姐师弟师妹，在我研究生学习、实验研究和生活中给予的帮助和支持。另外我还要感谢我的同门师兄弟在实验过程和论文写作中提供的热情帮助。衷心感谢我的父母，感谢他们一直以来给予我的最无私、最伟大的爱，他们的理解和支持是我不断努力的原动力，是我力量的源泉。在此文论完成之际，谨向两年来给予我关心的良师益友和亲人们致以最诚挚的谢意!最后感谢在这二年中所有给过我帮助和支持过我的人，衷心感谢他们为我所作的一切。63 山东理工大学硕士学位论文在读期间公开发表的论文在读期间公开发表的论文文章名字发表刊物发表时间作者排名双击真空挤出机泥料农业工程2015.35排1挤出质量控制64'