全自动植树车说明书合肥学院

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1、第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组预赛项目“全自动植树机”设计说明书 设 计 者 冯建国、江黄、马具锋、臧俊、邸铁彪 设计单位 合 肥 学 院 设计部门 机械工程系 指导教师 王 勇 时 间 2007年9月 安 徽·合 肥目 录一、设计背景二、作品功能及指标三、机构设计四、运动和动力分析五、控制设计六、作品创新点七、应用前景八、总结与感谢九、主要参考文献附录：实物照片一、设计背景地球是人类唯一的家园，随着工业化不断发展，环境问题日益严重， 沙漠化、水土流失、沙尘暴已经越来越严重地影响到人类的生存和发展，解决这些问题已到了刻不容缓的地步。人类无节制地砍伐森林是产生这些环境问题的主要

2、原因。森林作为“地球之肺”，是地球气候变化的指挥棒，它不仅能够提供大量木材，还具有涵养水源、保持水土、防风固沙、保护农田、净化大气、防治污染等生态效益。所以植树造林是保护环境的一大重要举措。目前正在实施的“三北防护林”工程被称为“绿色万里长城，它地跨东北西部、华北北部和西北大部分地区，东西长公里，南北宽公里，总面积万平方工公里，占国土面积的，接近我国的半壁江山。由于这些情况，我国迫切需要快速、高效的植树方法及装备。图1-1 沙漠化和荒漠化现象的危害机器植树作为一种新型的植树方法，它比传统的人工植树具有两大优点，一是效率高，二是树苗成活率也高。植树机设计思路是：机器代替人自动完成植树过程。现有的

3、植树装置自动化程度偏低，操作时需要有多人辅助作业，而且体积庞大、功能单一，不适合种植多种苗木，这些不足限制了植树机的推广应用。针对上述情况，我们提出一种新的方案：设计一种自动植树机，在无人控制的情况下，完成植树过程。植树机可由普通轻型卡车改装而成，可种植多种树苗，大幅降低植树成本。具有高效率、低成本、适用范围广的特点。二、作品的功能及指标作品自动完成植树的各个过程动作，包括植树机（车）自动行走、钻坑、移苗、送苗、覆土、镇土等功能。机器能够自主运行，实现连续作业，完成成片树林植树，并能按照要求的几何排列形状植树。作品能同时种植多种树苗，适用于种植中、小苗木，如果简单地加以改造，也可用于缓坡植树。

4、预计每小时植树可达90120棵。植树速度约为：用材林每公顷5075小时，经济林、果林每公顷2550小时，灌木林每公顷250500小时。三、机构设计图3-1 全自动植树机运动循环图 植树机主要动作的执行顺序依次为：小车（钻头）到达预定位置钻坑；前行一段距离（根据我们作品的尺寸为21cm）；机械手转至车箱抓取树苗，同时同步传送带将树苗移动到指定位置，在取苗之后，同步传送带再前移一个微小距离为下次动作作好准备；机械手将树苗送到树坑位置，放入树坑并抓稳扶直；覆土机构的覆土构件移至地面，完成覆土动作；镇土机构的气缸完成360度的压土动作，然后覆土构件抬起；植树机按以上过程循环工作。（1）钻坑机构的设计

5、现有植树机一般采用开沟方式，这种方法挖沟效率虽然很高，但沟的深度较浅，不适合种植需要深栽的苗木。此外，使用犁式开沟器不仅严重破坏地表植被，还会丧失大量表层土壤水分。为此，设计时采用特制的钻头钻出树坑，也可根据需要更换钻头，以得到不同直径以及深度的树坑。（整个机构如图3-2所示），工作原理是电机固定在丝杠上，电机转动带动丝杠旋转并作上下运动，丝杠下端安装钻头完成钻坑操作。 图3-2 钻坑机构结构示意图4钻头2螺母3电机1丝杆 （2）覆土机构的设计 采用两个相同的机构对称布置，分层覆土。在工作行程段，覆土构件接触地面，执行覆土操作。完成后，快速回到起始位置。起始位置距地面一定高度。起初我们采用连杆

6、机构，通过拉簧控制它的回程，但测试发现弹簧力过大，工作时难以克服拉簧产生的阻力。最终选择曲柄滑块机构，机构具有急回特性，通过增加一个限位开关，运动精确到位，覆土均匀，效果很好（机构如图3-3所示）。为避免自锁现象，需对机构尺寸进行合理设计。10限位挡板9覆土构件8铰链7绊轴6连杆5销4支架3齿轮1限位开关2电机图3-3 覆土机构结构示意图工作原理是：电机正转，带动齿轮3转动，齿轮3具有曲柄的作用，它带动连杆作平面运动，联结在连杆端部的滑块接触到地面，开始工作行程，完成覆土功能。然后电机反转，执行快速回程。通过开关传感器，控制机构准确回到起始位置，避免了由于惯性等因素造成机构运动的不稳定。 （3

7、）同步传送带移苗机构的设计 设计移苗机构应考虑移苗操作要稳定、精确、连续，充分利用车厢空间，尽可能多放置树苗。同步传送带传动具有稳定、可靠的优点，满足移苗操作要求，该机构采用两个光电传感器，具有定位识别功能，提高了移苗操作的精确程度，有利于机械手准确抓取树苗。（见图3-4所示） 图3-4 同步传送带移苗机构示意图8主动齿轮7同步带6机械手5光电传感器4从动带轮1车身3从动齿轮2装苗容器机构由同步传送带、四个齿轮、两个滑轮组成，其中构件8为主动齿轮。当混合排列不同树苗时，植树机能自动区别不同种类的树苗。如树苗按ABAB.AB排列，因首末两棵树的间距与其它相邻两棵树的间距不同，从而确定起始位置是哪

8、种树苗。每个装苗容器放置一棵树苗，树苗能够平稳、可靠、连续传送。 （4）机械手送苗机构的设计 机械手一般结构复杂、价格昂贵，为了降低植树机成本，采用简易机械手。我们先后设计出螺纹式、气动式和绕线式机械手，最后选择了绕线式机械手。为了保证机械手转动位置精确，使用两个限位开关分别控制其两个极限位置（如图3-5所示）。10蜗轮6限位挡板13蜗杆12限位开关11螺杆9限位开关8手指7手指5限位开关4电机3限位开关2导向轴1电机 13图3-5 机械手结构图工作原理为：蜗轮10可以相对机架旋转360度，螺杆11通过螺旋传动带动智能手指7和8作升降运动，智能手指的开合由电机4带动绕线控制。两手指各装有开关5

9、和12。在作抓取树苗的动作时，如果抓取到树，限位开关5压触树干；如果没有抓取到树，限位开关12压触限位挡板6。根据开关5和12的状态，决定控制手指的电机4是否继续转动、反转或者停止。 （5）镇土机构的设计 人工植树中，镇土是用脚压实实现的，脚可在树坑的任意位置踩压。基于这一思想，镇土机构要能旋转360度，可以在树坑处任意位置镇压土壤，并且用程序控制实现分层压土。（如图3-6所示）工作原理是，不完全齿轮4与定轴轮系啮合，带动固定在不完全齿轮下面的各个镇压装置旋转。镇压装置由汽缸、活塞、镇土构件组成，采用气动方式，具有其它机械传动无法替代的浮动作用，保证土壤松紧程度合适。此外，两个倾斜安装的镇压装

10、置构成一个“V”字型，通过镇土，树苗附近形成一个凸台，这样下雨时，不会积聚大量雨水，避免树苗被淹死，有利于提高成活率。5气缸4不完全齿轮3从动齿轮2主动齿轮1电机图3-6 镇土机构结构示意图8支架6活塞7压块四、运动和动力分析（一）覆土机构分析1、降落地面过程 : 图4-1 覆土机构开始位置（状态B） 图4-2 覆土机构中间位置（状态C）（1）从状态B（见图4-1）到状态C（图4-2，杆3为水平位置）过程利用图中的拌轴与V型结构处的几何锁合使杆3和杆2保持同步运动。此时杆2和杆3可视为同一物体，且围绕铰链O同速转动。电机转速 n=290转/分钟，传动比i=6，利用控制器调速可实现18级转速。

11、其中：杆3的 传动比i=60/10=6图4-3覆土机构接触地面位置（状态D）（2）从状态C到状态D（见图4-3），V型块开始接触地面，杆2、杆3继续绕铰链同步转动，但是此时V型块（由铰链结构决定的）几何锁合消失，机构多出一个自由度，出现欠驱动现象。此时时活动构件数为2，转动副数为2，其自由度为： 从B到D过程保持V型结构后在重力与外力作用下保持下垂状态必须满足一定条件。设V型块的质量为M，杆3的角速度为3。在状态D时，值最大，设 ，R=0.05m。得到： 。所以在下降过程取电机的速度为2或1档 （1.26rad/s或0.63rad/s），可以满足以上要求。 （3）从状态D到状态E（见图4-4）