大连理工大学机械电子大作业之新木牛流马

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图 4.6 连杆组合式结构示意图 大；b）是液压缸后推连杆式(加伍德举升臂式)，其转轴反力小，升举力系数大， 升举臂较大， 活塞行程短；c） 是液压缸前推杠杆式，其升举力小，构件受力较大， 油缸摆角大； d） 是液压缸后推杠杆式， 其升举力一般， 结构紧凑但布置集中后部， 车厢底板受力大； e） 是液压缸浮动连杆式， 其油缸进出油管活动范围大， 油管大。 4.4.2 升举机构形式的确定 由于升举机构的重要性，所以在选择升举机构时一定要全面考虑，合理选用，以 便能够达到设计的要求。选用升举机构必须考虑以下几点因素： 1)自卸车的使用条件与环境，本车是行驶在公路上，且工作条件差，垃圾不 是太重，即车的载重量小。 2)要考虑制造工艺与制造成本，要求尽可能的降低成本。 3)液压系统是否能承受在升举质量作用下的升举力以及液压油缸的行程能否 满足车厢的最大举升角。 从上述的分析并通过直推式和连杆组合式的对比，直推式升举机构结构紧凑、 举升效率高，工艺简单、易于设计、成本较低。由于车的载重量小，为了简化整 车结构，根据设计要求，本次设计的垃圾自卸车采用中置单液压油缸直推式的升 举机构。 4.4.3 最大升举角、升举降落时间的确定 车厢的最大升举角，即车厢最大倾斜角，是指车厢升举至极限位置，车厢底 部平面与水平面之间的夹角。确定车厢最大升举角的依据是倾卸货物的安息角， 安息角是建筑学上的词汇，指一堆散料保持自然稳定状态的最大角度。一旦这个 角度形成后，再往上堆加散料，就会自然滑下，并保持这个角度。它可以表明货 物内摩擦所能维持的堆积角度，内摩擦越小，安息角越小。本车型为垃圾运输车， 普通生活垃圾的安息角一般为350 ～450 。 车厢最大升举角������max 必须大于货物的安息角。自卸车车厢最大升举角可在450 ～ 700 之间选取。最大升举角大，有利于车厢内的货物卸净。但过大的倾斜角会导致 卸货稳定性差，车厢不易复位。如图 4.7 所示。本车型最大升举角选择480 。 车厢的升举时间是指车厢满载时，从车厢开始升举到车厢升举到最大升举角 的时间，一般为 15s～25s。车厢降落时间是指车厢卸完垃圾后，开始下降至完全 降落到车架上的时间，一般为 8s～15s。如图 4.7 所示。
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图 4.7 自卸车后倾最大升举角 4.5 差速机构 现在，用于轮式机器人的底盘的轮系结构己经越来越多。就从地面移动的角 度而言，就有履带式、车轮式、腿脚式、躯干式等很多种形式。车轮式结构具有 移动平稳，体积小，易于控制等优点。随着科学技术的进步，车轮式结构也逐步 发展成两个大类。 一种是差速直轮结构(简称差速轮)， 另一种是全方位移动结构(简 称全向轮)。 差速轮结构具有行走平稳、振动小、容易控制速度和方向等优点。为了获取 很好的灵活性和机动性，通常采用双电机分别驱动左右轮的控制方式。左右两轮 除了负责自卸车的前进和后退以外还能够曲线行进和原地转向等动作。 如图 4.8 所 示。
5 控制系统设计
5.1 传感部件的选择 为了使垃圾自卸车具有以上所述功能，先必须具有感知外界的能力和内部的 能力，即通过传感器进行外部环境和内部情况的信息采集。传感器是用来感知外 界和内部信息，以确定周围的环境、当前的位姿以及其自身运动状态；控制器用 来分析采集到的信息，并执行预定的程序；自卸车的执行机构接收控制器发来的 指令，完成相应的运动。这是一个循环控制，其控制框图如图 5.1 所示。
电机
图 4.8 差速直轮结构示意图 由于自卸车的左右轮釆用分别独立控制的方式，即差动方式驱动。当两个轮 子的转速和方向相同时自卸车会保持直线运动，而当两个轮子的转速不同时自卸 车就会以曲线方式运动。因此如果想要自卸车从一个位置移动到另一个位置只需 要将上述运动方式结合即可。
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图 4.2 自卸车测视图
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图 4.3 自卸车正视图 4.4 自卸机构的设计 自卸机构及升举机构设计是自卸汽车设计的核心技术问题。应根据使用具体 实际要求结合制造工艺条件，在多方案综合比较的基础上决定取舍。但不论选取 何种升举机构，都必须确保举升力与最大举升角度，这两项是基本的要求，但由 于垃圾自卸车载重量小，故升举力不需太大，只要保证升举角即可。 4.4.1 升举机构的形式 在当今的自卸汽车上，液压升举机构被广泛采用。根据油缸与车厢底板的 连接方式，常用的升举机构可以分为直推式和连杆组合式两大类。 1）直推式升举机构 直推式升举机构的升举油缸直接作用在车厢底架上，由液压缸直接推动车厢 升举，倾卸，如图 4.4 所示。根据液压油缸所在车厢位置的不同分为前置式和中 置式；根据液压缸形式的不同分为单级液压缸直推式和多级液压缸直推式；根据 使用液压缸数量的不同又可分为单液压缸直推式和双液压缸直推式。
4 机械机构设计
4.1 整车主要参数 整车外形尺寸(长*宽*高)：1550mm*920mm*700mm； 车厢尺寸(长*宽*高)：1000mm*700mm*500mm； 轴距：950mm； 底盘：1500mm*700mm； 前轮距：780mm； 车灯：Φ 100mm； 底盘距地：350mm。 4.2 技术参数 车速：0-20km/h； 工作电压：24Ｖ； 电池组：铅酸蓄电池 停止精度：±20mm 以下（如需提高精度可加装辅助定位） ； 运动方向：直行，绕行；
单片机控 制系统 自卸车 行驶 启动各 传感器 到达规定 地点待机
恢复原态垃圾
返回原点 并待机
启动并原 路返回
图 2.1 控制及行驶过程 打开电源启动装卸车，自卸车按规定路线行驶，同时各传感器开始工作。自
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卸车可直行，传感器检测其速度并通过单片机控制其速度的快慢，且路遇障碍物 时可鸣笛或绕行。当自卸车到达指定地点时停止行驶并待机等待下一步的执行命 令，同时清洁人员可装入垃圾，其中传感器判断是否装满，若装满则再次启动装 卸车沿原路返回。当自卸车返回到原点即垃圾中转站时调整姿势，并且启动液压 站控制液压缸开始自动倾卸垃圾。垃圾倾卸完毕后，自卸车将恢复原始状态继续 下一次运载垃圾。如此循环下去直到垃圾清理完毕。如若自卸车在行驶的过程中 发生故障，可以通过人工控制自卸车来完成此次的装运，等待垃圾运送完成后再 进行修复。这样可以避免自卸车停在道路之间影响交通，同时也加快了垃圾运送 效率。
3 方案设计要求
通过对自卸车行驶过程的研究，提出装卸车应满足一下要求： 1）移动：在平地上能够实现直行和拐弯等运动，并且在行驶过程中可以调节 车速的快慢。 2）路线规划：自卸车能够在规定的路线上行驶，并采用相应的控制算法，实 现自卸车面向目标点的自主移动，形成对电机的速度、位移的闭环控制。并能通 过输入指定地点的路标可以得到所需行走的路线。 3）定位：能够将传感器采集的信息作相应的算法处理，得到机器人行走的距 离和自身的位置等信息，完成二维空间内定位的功能。定位是实际控制中最为关 键的问题，定位的准确性和精度直接影响路径规划的实现，关乎到整个系统的可 靠性。 4）避障：当自卸车遇到障碍物时可以通过传感器的检测执下一步的命令，鸣 笛或绕行等。 5）系统自检：系统在通电后，根据各部分模块的反馈信息，确定工作是否正 常。并且在装垃圾时能够自动检测垃圾是否装满。 6）自卸功能：当自卸车返回到原点时可以通过液压油缸自动倾倒垃圾。 7）人机交互：自卸车可以实现人为的模式设定、策略选择、基准矫正、辅助 控制、数据显示输出等功能。
大连理工大学研究生试卷
类别 平时 系别：机械工程学院 课程名称：机械电子学 学号： 姓名： 考试时间：2014 年 1 月 20 日 成绩 作业 成绩 总分
标准分数
实得分数
授课教师 签字
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新木牛流马之垃圾自卸车
1 方案设计背景
独立完成
地球是我们赖以生存的家园，为我们提供美好的生活环境，我们应努力保护 它。随着时代的发展，人们生活节奏的加快，一次性垃圾袋、餐盒等越来越受人 们的欢迎。但是在给人们带来便利的同时，顺着而来的是这种垃圾越来越多，清 洁起来也越来越不方便。而垃圾清理人员每天生活在肮脏的环境中，呼吸着熏天 的气味，并时常被人误会为“脏”的代名词，严重危害着垃圾清理和回收人员的 身体和心理健康。我国是世界上十大塑料制品生产和消费国之一，丢弃在环境中 的废旧包装塑料，不仅影响市容和自然景观，产生"视觉污染"，而且因难以降解， 对生态环境还会造成潜在危害，如：混在土壤中，影响农作物吸收养分和水分， 导致农作物减产；增塑剂和添加剂的渗出会导致地下水污染；混入城市垃圾一同 焚烧会产生有害气体，污染空气，损害人体健康。 如何来解决这种问题？目前最好的发法就是回收利用。但回收垃圾需要人力、 物力和财力，这些都是我们要考虑的因素。为了解决这些问题，同时也为了垃圾 清理人员的身体健康，为了方便垃圾回收，我们有责任，也有义务利用所学知识 设计制作一种机电化，智能化的设备来帮助垃圾清理人员运送垃圾并自卸垃圾， 为保护地球家园出一份力！
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图 4.4 直推式升举机构 中置式升举机构的液压缸与车厢的连接位置在车厢几何中心的后面，且液压 缸稍向后倾斜。这样布置的自卸车车厢是向后倾斜货物的，虽然会增加液压缸的 推力，但可以大大地缩短液压缸行程，车厢倾斜的稳定性好，有利于缩短车厢升 举和降落的时间，而且短而粗的液压缸筒和活塞杆易于加工，故这种中置式升举 机构得到了广泛应用，如图 4.4 b)、c） 、d）所示。 前置式升举力小，但液压缸行程大，升举时横向刚度较大，如图 4.4 a）所示。
2 总体设计方案的拟定（原创）
根据垃圾自卸车的工作要求， 要求实现装卸车在整个行走过程中轻捷、 灵巧、 能够判别障碍物达到指定地点，并且判断垃圾是否装满，最后返回原点并自动倾 卸垃圾， 如此反复循环。 在必要的情况下可以手动无线控制来完成装卸车的工作， 如此可以减轻人力和物力以达到总体要求。 自卸车分为机械部分和控制部分，其控制及运行过程如图 2.1 所示：
图 4.5 直推式结构示意图 直推式升举机构结构简单紧凑、升举效率高，工艺简单，成本低，安装位置 所需空间小。在装载质量相同的条件下，液压缸所需推力小于连杆组合式。 2）连杆组合式升举机构 连杆组合式升举机构的液压缸通过连杆作用在车厢底架上。常用的连杆组合 式升举机构有：液压缸前推连杆式(马勒里举升臂式)、液压缸后推连杆式(加伍德 举升臂式)、液压缸前推杠杆式、液压缸后推杠杆式、液压缸浮动连杆式等。 连杆式升举机构主要是利用一套三角连杆系使升举液压缸以较小的行程将车 厢倾斜一定的角度而卸货，并使液压缸能采用单级活塞式结构，以降低液压缸的 制造成本，而且液压缸容易布置，其原始位置接近于水平，液压缸可与控制阀、 液压泵连成一体，取消高压油管；同时，也利用连杆系的横向跨距来加强车厢升 举的横向稳定性。但连杆式升举机构会使车架和车厢承受液压缸产生的水平推力， 从而产生较大的应力。 连杆式升举机构的结构示意图如图 4.6 所示。其中 a）是液压缸前推连杆式(马 勒里举升臂式)，其升举力系数小、省力、油压特性好，但缸摆角大，活塞行程