蘋果采摘機結(jié)構(gòu)設(shè)計-摘果機器人設(shè)計

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 摘 要 蘋果種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求，為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。蘋果采摘機是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動采摘裝置，本論文對具有移動功能的采摘機進行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、末端執(zhí)行器部分進行了詳細的設(shè)計。 本文首先，通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了蘋果采摘機總體功能構(gòu)架；接著，對本采摘機車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細設(shè)計與校核；最后采用AtuoCAD軟件繪制了采摘機的裝配圖及主要零件圖。 通過本次設(shè)計，對大學所學專業(yè)知識在理論結(jié)合實際的鍛煉下加深了知識的理解，對今后的工作必定帶來很大幫助。 關(guān)鍵詞：蘋果；采摘；手臂；手抓；車體 Abstract The development of Apple planting industry has increased the demand of orchard machinery market. In order to save human and material resources and improve the economic benefits of fruit farmers, it is of great significance to carry out the research on picking equipment. Apple picker is a kind of agricultural ground mobile picker with great research value and application prospect. In this paper, the overall technology of the picker with mobile function is studied, and its body structure part, arm part and end actuator part are designed in detail. First of all, through the analysis of function and design task, the overall functional framework of Apple picker is established; then, the detailed design and verification of the structure part, arm part and hand grip part of the picker are carried out; finally, the assembly drawing and main parts drawing of the picker are drawn by using the software of atocad. Through this design, the professional knowledge learned in the university will deepen the understanding of knowledge under the practice of combining theory with practice, which will certainly bring great help to the future work. Key words: Apple; picking; arm; hand grasping; car body 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.1 國外現(xiàn)狀 1 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 2 第2章 總體方案設(shè)計 3 2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析 3 2.2方案選定 3 2.2.1行走裝置方案設(shè)計 3 2.2.2手臂方案設(shè)計 4 2.2.3末端執(zhí)行器方案設(shè)計 4 2.2.4驅(qū)動方案的選擇 5 第3章 零部件的設(shè)計與選擇 7 3.1行駛小車設(shè)計 7 3.1.1主電機的選擇 7 3.1.2驅(qū)動齒輪傳動設(shè)計 8 3.1.3驅(qū)動軸及軸承、鍵的設(shè)計 12 3.1.4車輪設(shè)計 14 3.2手臂部分設(shè)計 14 3.2.1電機的選擇 15 3.2.2大臂的靜力學分析 19 3.2.3小臂的靜力學分析 20 3.2.4尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 3.2.5回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計 23 3.3末端執(zhí)行器的設(shè)計 24 3.3.1采摘電機的選擇 24 3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 25 3.3軸承的選擇與校核 28 總 結(jié) 29 參考文獻 30 致 謝 31 32 第1章 緒 論 1.1研究背景及意義 我國的蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界的50%以上，而且蘋果是我國的四大水果之一。果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求。在整個生產(chǎn)中，由采摘果實所耗費的勞動力占據(jù)整個生產(chǎn)過程的50％～70％㈣。采摘作業(yè)季節(jié)性相對強，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實損傷。同時，采摘不及時將會導致經(jīng)濟上的損失。農(nóng)業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。 現(xiàn)階段農(nóng)村的土地政策不斷改變使得果農(nóng)的生產(chǎn)成本不斷增加，減少了果農(nóng)的收入。而且隨著社會的發(fā)展越來越多的年輕人向城市發(fā)展和生活。我們國家的人口正在步入老齡化，使的農(nóng)業(yè)勞動力出現(xiàn)了短缺的問題。 綜上所述，勞動力減少和生產(chǎn)效率低是我們現(xiàn)階段必須要解決的問題。只有加快蘋果采摘機械手的設(shè)計和改進才能夠逐步解決現(xiàn)階段的問題，而且隨著我國種植業(yè)技術(shù)的加快發(fā)展，加大了對采摘機械的研究力度。采用機械采摘不僅加快了采摘的速度，也能夠及時采摘降低了果實的損傷率，同時也能減少人力，降低生產(chǎn)成本，提高果農(nóng)的收益。因此提高蘋果采摘的機械化水平具有很大的意義。 1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國外現(xiàn)狀 在國外農(nóng)業(yè)采摘機械手的研究最早是在20世紀60年代開始的，其中美國是最早進行研究水果采摘機械手的，也是美國學者Schertz和Brown在1968年首次提出把機械手應(yīng)用于果蔬采摘。最早研究出的機械只是半自動化的，研究出的采摘方式大致分為振搖式、撞擊式和切割式三種類型，其中，振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振搖或振動，使蘋果果實產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋果果實。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實與果樹分離的方式，切割式又分為機械切割式和動力切割式。而且這三種采摘方式都存在著容易損傷果實、效率低和采摘到不成熟果實的缺點，存在著很大的局限性。此后隨著技術(shù)的發(fā)展，人們才開始借助梯子、升降平臺等工具協(xié)助果蔬的采摘，但是仍然存在著勞動密集型的特點。 美國是全球上最早研究出的，美國是在1983年成功研究出的第一臺西紅柿采摘機械手的；在1987年研究出了柑橘采摘機械手。此后法國、英國、韓國、日本等國家陸陸續(xù)續(xù)研發(fā)出了許多果蔬采摘機械手各式各樣，比如韓國在1998年研究出了利用傳感器識別成熟蘋果并進行采摘的蘋果采摘機械手。日本研究出里可以采摘西紅柿、草莓、黃瓜等果蔬的一系列果蔬采摘機械手。 對于西班牙的柑橘采摘機器人，西班牙科研人員發(fā)明的柑橘采摘機器人主體是裝在拖拉機上的，是由機械手、和計算機，光學視覺系統(tǒng)三大部分組成的，可以通過識別柑橘的直徑大小、顏色、來判斷其是否成熟來決定是否可以采摘。機器人的采摘速度是非常快的，大約一分鐘就能夠采摘60個，如果是人工采摘同樣的時間內(nèi)只能夠采摘8個左右。而且柑橘采摘機器人還可以通過視頻器，對采摘下來的柑橘按要求進行分類。 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 國內(nèi)水果采摘機械手的研究與國外相比起步是比較晚的，我們國家是從20世紀70年代開始研究的，由國內(nèi)的大學和研究所帶頭進行采摘機器人和智能農(nóng)業(yè)機械的研究。我們最早研究出了機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動式采果器，而且后兩種為輔助人工采摘機械，采摘效率還是太低后進行改進。在80年代我們研究出了切割型采摘器，90年代由于種植果樹的熱潮出現(xiàn)了氣動剪枝機和升降平臺等機械。在近30年來我們國家的研究有了很大的進步，在農(nóng)業(yè)采摘方面有著大量的研究和研究成果。 蘋果采摘領(lǐng)域方面，在以江南大學中李想等人研究下設(shè)計出了一種實用型欠驅(qū)動蘋果采摘機器人三指末端執(zhí)行器，并運用Unigraphics NX進行了機構(gòu)設(shè)計和三維模型的創(chuàng)建。而且這種新型欠驅(qū)動末端執(zhí)行器大大的提高了機構(gòu)的靈活性和適用性，對不同尺寸的果實都具有一定的抓取適用性；西北農(nóng)林科技大學的宋懷波、張陽等人研發(fā)的偏心切割式蘋果采摘裝置主要是由：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道三部分組成。偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)果柄的切割：其伸縮桿可進行拆卸來實現(xiàn)不同高度蘋果的采摘：緩沖裝置采用內(nèi)置布條構(gòu)成緩沖通道，降低速度防止蘋果損傷。該裝置通過實現(xiàn)測得其成功率為92.00%，其受損率為4.70%，提高了采摘效率。 在蘋果采摘方面，河南職業(yè)技術(shù)學院在以紹堃等人的研究下，為能夠在溫室大棚內(nèi)采摘設(shè)計出了一種基于五自由度機械臂的蘋果智能采摘機器人。其主要由定位導航系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)和五自由度機械臂等組成，可通過雙目視覺系統(tǒng)判斷蘋果的大小和顏色判斷是否成熟，而且五自由度的機械臂精度是很高的，也進行了試驗其在9個不同的高度方位上最大偏差為6.71mm，而且它的采摘效率為94.82%，每采摘一顆大約耗時9.94s，成功率高采摘效率高。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析 蘋果的大小，分布和果樹的高度等生物學特征是我們設(shè)計采摘機械手的數(shù)據(jù)支持，決定著如何設(shè)計采摘機械手的機構(gòu)和采摘方式。 通過調(diào)研得到如下蘋果生物學特征及參數(shù)： 由于不同地區(qū)的環(huán)境都有著差以，所以我們將以河北省省內(nèi)的蘋果種植園為研究對象，進行數(shù)據(jù)采集，蘋果園內(nèi)標準種植應(yīng)為樹行距為2-3×4-5此為科學種植，實際中果園中種植間距大約為3m左右，行距大約為3.5m。蘋果樹樹高最高在3m，樹枝據(jù)地面最低為0.8米，蘋果樹冠幅在2.0到2.5m范圍內(nèi)。由于我們蘋果種植種類較多但是眾多種類中屬紅富士品種種植面積最廣，也最受歡迎。本文將以紅富士蘋果為例進行數(shù)據(jù)分析如表格1紅富士數(shù)據(jù)表。 表格 2-1紅富士蘋果數(shù)據(jù)表 指標 最小值 平均值 最大值 蘋果直徑/mm 55 80 120 蘋果重量/g 75 140 290 果梗直徑/mm 1.3 2.5 5.1 2.2方案選定 2.2.1行走裝置方案設(shè)計 本次設(shè)計的蘋果采摘機行走裝置車體結(jié)構(gòu)采用的四輪結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計方案如圖2-1所示。采摘裝置的車體的驅(qū)動輪作為移動機構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào)，增加了采摘裝置運動靈活性。 采摘裝置車體左右兩邊驅(qū)動輪各有永磁式直流電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向，前進時的自由轉(zhuǎn)向，隨時調(diào)解爬坡時的力矩大小。在車體主驅(qū)動輪前端是慣性軸，與主動軸配合，保證采摘裝置運動的平穩(wěn)。 圖2-1 蘋果采摘機車體結(jié)構(gòu)組成 2.2.2手臂方案設(shè)計 本次設(shè)計的機械手要求：機械手臂可實現(xiàn)6個自由度，分別是腰部回轉(zhuǎn)，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕擺動，手腕回轉(zhuǎn)，手抓伸縮并且采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，因此選定的設(shè)計方案如下： 其由三個電機驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機械手臂上下移動，手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)；機械手爪具有3個自由度，分別是手爪回轉(zhuǎn)，手爪伸縮、手爪夾持；手爪回轉(zhuǎn)由電機驅(qū)動，手爪伸縮、夾持由電動的正反接驅(qū)動絲杠螺母移動實現(xiàn)。 2.2.3末端執(zhí)行器方案設(shè)計 末端執(zhí)行器是蘋果采摘機械手采摘裝置的主要執(zhí)行部件，與蘋果進行直接接觸，其末端執(zhí)行器設(shè)計的好壞關(guān)系到采摘效果和采摘效率，設(shè)計一個好的采摘器可以大大降低生產(chǎn)成本，提高工作效率?，F(xiàn)有的蘋果采摘機械手末端執(zhí)行器主要分為三種： （1）抓拉式采摘器 目前市場上售賣的末端采摘器大部分為兩指或三指的機械鉗爪式。其結(jié)構(gòu)簡單，是模擬人手進行設(shè)計的，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。但是它是通過拽拉的方式采摘的，直接與蘋果接觸，容易損傷蘋果。 （2）吸附式末端采摘器 吸附式末端采摘器用于一定形狀，表皮光滑，較為堅硬的水果，如梨，蘋果，橙子等水果。吸附式可根據(jù)工作原理將其分為磁力吸附和真空吸附兩種。 （3）剪切式末端采摘器 最簡單的剪切采摘器主要有夾持裝置和剪切裝置組成。夾持裝置完成蘋果的采和收兩過程，剪切裝置完成蘋果的剪切即摘這一環(huán)節(jié)。定位要求較高，采摘效率較低，不適合采摘。 表2-1 采摘方式比較表 類型 優(yōu)點 缺點 抓拉式 結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效率高 對枝條和花蕾傷害稍大 吸附式 定位要求低、動作靈敏 需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價較高。 剪切式 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實和枝條的傷害較小 定位要求高，效率較低，不方便收集。 通過上述對比，本次設(shè)計的為手持式采摘機械手，因此吸附式不適合。而抓拉式、剪切式各有優(yōu)缺點，為了設(shè)計出合適的末端執(zhí)行器，本次采用抓拉式與剪切式組合的形式，即：如下圖2-2所示，采用半球形采摘爪，采摘爪前端設(shè)置剪切刀刃，且刀刃尺寸范圍較寬。工作時，采摘爪握住蘋果時，刀刃夾緊蘋果柄剪斷。這種結(jié)構(gòu)，既可以避免抓拉式末端執(zhí)行器對枝條和花蕾的傷害，也可以降低剪切式末端執(zhí)行器定位要求高，效率較低的缺點。 圖2-2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案簡圖 2.2.4驅(qū)動方案的選擇 目前這類機械手的驅(qū)動源主要是采用氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動、液壓驅(qū)動這三種[10]。 （1）氣動壓力是一個壓縮空氣驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動致動器的運動，空氣壓縮機通常被用作動力源。氣動驅(qū)動器過載安全，結(jié)構(gòu)簡單，污染少，成本低，通過調(diào)節(jié)空氣流量，可以實現(xiàn)無級變速，但大尺寸設(shè)備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高，抓小舉行力。 （2）液壓驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動流體壓力致動器的輸出力來驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級調(diào)速，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。 （3）電動驅(qū)動模式包括步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機和步進電機和力矩電機等驅(qū)動器類型。步進電機具有控制簡單，響應(yīng)速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，良好的動態(tài)特性，采摘裝置由一個伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成與運行精度高，調(diào)速范圍廣，速度快，運行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點。 基于步進電機的這些優(yōu)點本設(shè)計中采用步進電機驅(qū)動。 綜合上述2.2.1~2.2.4提出的方案可以得到本次設(shè)計的蘋果采摘自動裝置總體方案如下圖2-2所示。其六個自由度分別通過1、2、3、4、5、6各機構(gòu)實現(xiàn)：1、腰部回轉(zhuǎn)；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回轉(zhuǎn)；6、手抓伸縮。其中2、3、4處關(guān)節(jié)采用電機驅(qū)動，通過諧波輪減速器減速。 圖2-3 蘋果采摘機總體結(jié)構(gòu)圖 第3章 零部件的設(shè)計與選擇 3.1行駛小車設(shè)計 3.1.1主電機的選擇 （1）采摘裝置在平直的路上行駛 蘋果采摘機在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設(shè)其速度最大，且勻速前進，則取 根據(jù)采摘裝置爬坡情況的分析， , 機器在平面狀況下， 因而選取P=80W作為采摘裝置的最大輸出功率。 根據(jù)計算的蘋果采摘機的最大輸出功率為80W,輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M,輸出轉(zhuǎn)速為56.2r/min。 因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主驅(qū)動輪頻繁受沖擊，制動和反轉(zhuǎn)的要求，滿足采摘裝置要攜帶移動電池的要求，因而則選擇90ZY54型號的直流永磁電機，其參數(shù)如下： 額定功率 92 額定轉(zhuǎn)矩 0.6 額定轉(zhuǎn)速 1500 電流 7 電壓 12 允許正反轉(zhuǎn)速差 150 因為 則 因為, 則 又 則選取 3.1.2驅(qū)動齒輪傳動設(shè)計 1、選精度等級、材料和齒數(shù) 采用7級精度由表6.1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。 選小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)，取 2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式進行試算，即 1） 確定公式各計算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （3）小齒輪相對兩支承對稱分布，選取齒寬系數(shù) （4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù) （5）由圖6.14按齒面硬度查得 小齒輪的接觸疲勞強度極限 大齒輪的接觸疲勞強度極限 （6）由式6.11計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （7）由圖6.16查得接觸疲勞強度壽命系數(shù) （8）計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得 （9）計算 試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值 計算圓周速度v 計算齒寬b 計算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 計算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級精度，查得動載荷系數(shù) 假設(shè)，由表查得 由表6.2查得使用系數(shù).05 由表查得 查得 故載荷系數(shù) （10）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 （11）計算模數(shù)ｍ 3、按齒根彎曲強度設(shè)計 彎曲強度的設(shè)計公式為 （1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值 由圖6.15查得 小齒輪的彎曲疲勞強度極限 大齒輪的彎曲疲勞強度極限 由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 　 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.2，由式得 計算載荷系數(shù) （2）查取齒形系數(shù) 由表6.4查得　 （3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得 　 （4）計算大小齒輪的，并比較 大齒輪的數(shù)據(jù)大 （5）設(shè)計計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù)1.83，并就近圓整為標準值m＝4mm 按接觸強度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)　取　 大齒輪齒數(shù)　取 4、幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 （2）計算中心距 （3）計算齒寬寬度取B2=15mm, B1=15mm 5.5驗算 合適 圓柱齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)整理如下： 序號 名稱 符號 計算公式及參數(shù)選擇 1 齒數(shù) Z 20，20 2 模數(shù) m 4mm 3 分度圓直徑 4 齒頂高 5 齒根高 6 全齒高 7 頂隙 8 齒頂圓直徑 9 齒根圓直徑 10 中心距 3.1.3驅(qū)動軸及軸承、鍵的設(shè)計 （1）尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 1）高速軸上的功率P1,轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1 ，， 2）初步確定軸的最小直徑 先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機械設(shè)計表11.3，取，于是得： 該處開有鍵槽故軸徑加大5％～10％，且高速軸的最小直徑顯然是安裝大帶輪處的直徑。?。?。 3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 （a）為了滿足大帶輪的軸向定位的要求2軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度，取故取2段的直徑，長度。 (b) 初步選擇滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機械設(shè)計手冊選取0基本游隙組，標準精度級的深溝球軸承6205，故，，軸承采用軸肩進行軸向定位，軸肩高度軸肩高度，取，因此，取。 (c) 齒輪處由于齒輪分度圓直徑，故采用齒輪軸形式，齒輪寬度B=47mm，齒故取。另考慮到齒輪端面與箱體間距10mm以及兩級齒輪間位置配比，取，。 4）軸上零件的周向定位 查機械設(shè)計表，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面。 （2）強度校核計算 1）求作用在軸上的力 已知高速級齒輪的分度圓直徑為，根據(jù)《機械設(shè)計》（軸的設(shè)計計算部分未作說明皆查此書）式(10-14)，則 2）求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊中查取a值。對于6205型深溝球軸承，由手冊中查得a=16mm。因此，軸的支撐跨距為L1=72mm。 根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險截面。先計算出截面C處的MH、MV及M的值列于下表。 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F ， ， C截面彎矩M 總彎矩 扭矩 3）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù) ，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取，軸的計算應(yīng)力 已選定軸的材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得。因此，故安全。 4）鍵的選擇 采用圓頭普通平鍵A型（GB/T 1096—1979）連接，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面，。齒輪與軸的配合為，滾動軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為。 3.1.4車輪設(shè)計 車輪采用實心橡膠輪胎，直徑選用240mm能夠滿足行駛要求。 3.2手臂部分設(shè)計 3.2.1電機的選擇 本機械手臂有無個電機，分別是手臂回轉(zhuǎn)電機，大小臂關(guān)節(jié)電機、手抓回轉(zhuǎn)電機、手抓俯仰電機，此處以手臂回轉(zhuǎn)電機為例進行選擇計算，其他電機的選擇類似。 （1）手腕回轉(zhuǎn)電機的選擇 ------被采摘蘋果質(zhì)量， ------末端執(zhí)行器的質(zhì)量， ------手腕的質(zhì)量， ------蘋果重心到銷軸中心之間的距離， ------銷軸中心到手腕與手臂連接處的距離， ------手腕回轉(zhuǎn)時其中心軸到與之相連手臂中心軸之間的夾角 設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為，則 對回轉(zhuǎn)軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對回轉(zhuǎn)軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對回轉(zhuǎn)軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為： 經(jīng)過分析得到時，即手腕和手臂處于同一條軸線時，整個手腕受到的負載轉(zhuǎn)矩最大。此時， 同時，為了使末端執(zhí)行器在實際的采摘作業(yè)中有更好的適應(yīng)性能可以將計算出來的理論上的負載轉(zhuǎn)矩乘以一個系數(shù)，則機構(gòu)的實際轉(zhuǎn)矩為： 根據(jù)算出來的轉(zhuǎn)矩，初選型號為 （2）手腕擺動電機的選擇 ------被采摘蘋果質(zhì)量， ------末端執(zhí)行器的質(zhì)量， ------手腕的質(zhì)量， ------手腕電機， ------蘋果重心到銷軸中心之間的距離， ------銷軸中心到手腕與小臂連接處的距離， ------手腕擺動的夾角 設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為，則 對擺動軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對擺動軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對擺動軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對擺動軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為： 經(jīng)過分析得到時，即手腕和手臂處于同一條軸線時，整個手腕受到的負載轉(zhuǎn)矩最大。此時， 同時，為了使末端執(zhí)行器在實際的采摘作業(yè)中有更好的適應(yīng)性能可以將計算出來的理論上的負載轉(zhuǎn)矩乘以一個系數(shù)，則機構(gòu)的實際轉(zhuǎn)矩為： 根據(jù)算出來的轉(zhuǎn)矩，初選型號為 （3）小臂俯仰電機的選擇 本設(shè)計中，機械關(guān)節(jié)實現(xiàn)小臂與大臂的連接，通過大臂相對固定，使小臂沿x軸方向轉(zhuǎn)動，該關(guān)節(jié)所承載的力為手爪和電機的重量，工件的重量以及小臂的重量。 ------末端執(zhí)行器的質(zhì)量， ------手腕電機的質(zhì)量， ------小臂的質(zhì)量， ------末端執(zhí)行器到手腕的距離， -----小臂的長度， ------小臂俯仰的夾角 設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為，則 對小臂俯仰軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對小臂俯仰軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 對小臂俯仰軸處的負載轉(zhuǎn)矩為 整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為： 經(jīng)過分析得到時，即手腕和手臂處于同一條軸線時，整個手腕受到的負載轉(zhuǎn)矩最大。此時， 總力矩： 根據(jù)算出來的轉(zhuǎn)矩，初選型號為 （4）大臂俯仰電機的選擇 本設(shè)計中的機械關(guān)節(jié)實現(xiàn)大臂與腰部之間的連接，通過腰部的相對固定，使大臂沿x軸方向的俯仰，其原理圖如下： m1——手腕和末端的質(zhì)量：m1=2.5kg m2——手臂的質(zhì)量：m2=1.5kg m3——大臂的質(zhì)量：m3=2kg l1——手腕到小臂的距離：l1=60mm l2——小臂的長度：l2=300mm l3——大臂的長度：l3=400mm θ——俯仰的角度：θ=0°時，轉(zhuǎn)矩最大 設(shè)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩為,整個系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩為，則 m1對小臂連接軸的轉(zhuǎn)矩： m2對大臂連接軸的轉(zhuǎn)矩： m3對大臂連接軸的轉(zhuǎn)矩： 負載轉(zhuǎn)動時，可看作一物體繞其一邊軸的軸運動。因此其運動的轉(zhuǎn)動慣量為 若單片機每秒發(fā)50個脈沖，步進電機初始的步距角為1.8° 則 所以負載運動時最大的轉(zhuǎn)速為每秒90°，最大加速度即 慣性力矩 M02——負載運動時產(chǎn)生的慣性力矩 總力矩： 故電機的選擇為 （5）腰部回轉(zhuǎn)電機的選擇 根據(jù)分析腰部所受的負載轉(zhuǎn)矩和大臂所受的負載轉(zhuǎn)矩一致，故可選用相同的電機 RV減速器選擇RV-6E型號，減速比為30 3.2.2大臂的靜力學分析 在做受力分析前，設(shè)：旋轉(zhuǎn)臂與大臂間夾角為α；大臂與小臂間夾角為β；小臂與副臂間的夾角為γ；大臂的重力為G0=160 N；小臂的重力為G1=180 N；副臂與采摘頭的重力為G2=260 N。然后做出受力分析圖，如圖3.4。 圖3.4大臂受力分析圖 1.求出F1 其中O點為旋轉(zhuǎn)臂的支撐點，所以LAO=810mm；θ為F與與AO之間的夾角。 對A點進行受力分析得： （3.1） 根據(jù)斜三角形邊角關(guān)系得： （3.2） 把已知的參數(shù)數(shù)值和公式3.2代入公式3.1中可求出F1得大小。 2.求F1x；F1y；FAx；FAy 如圖3.5上所示 ，將A點受的力和F1受力分解。 則根據(jù)圖可得： F1x=F1cosθ；F1y=F1sinθ。 （3.3） 由受力平衡可知： FAx+F1x=0； （3.4） FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5） 聯(lián)合公式3.3、3.4、3.5得出F1x、F1y、FAx、FAy。 為了求出最大受力情況，我們可以取運動到最大范圍時的取值，則α=1600；β=1600；γ=1800上面我們已經(jīng)得出采摘臂1的長度為1660 mm，采摘臂2的長度為1710 mm；副臂長度為1120 mm。則可以求出： F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。 3.2.3小臂的靜力學分析 圖3.6小臂受力分析圖 1、求F2 根據(jù)斜三角形邊角關(guān)系得： （3.6） 對B點有： （3.7） 聯(lián)合公式3.6和3.7可以求出F2=1562.7 N。 2、求F2x；F2y；FBx；FBy 如圖3.6上所示 ，將b點受的力和F2受力分解。由圖可知： （3.8） 由受力平衡可知： （3.9） （3.10） 聯(lián)合公式3.8、3.9、3.10得出： =781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。 3.分析大臂受力情況時，大臂還受到另外的兩個來自上下電機的旋轉(zhuǎn)力矩提供的力、，如圖3.8所示。 圖3.8大臂力F3F4分析圖 由圖可以得出： ；。 （3.11） ；。 （3.12） 取d=900、e=1000分析圖中角度關(guān)系可以得出： b=α-d、c=β-e。 （3.13） 此時，我們并不知道、的大小，需要進一步分析才可以得出。 因為大臂受力平衡，所以我們對大臂上面的力全部正交分解，如圖 所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。 (3.14) （3.15） 通過公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15可得出：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。 3.2.4尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)荷載分析，大小臂的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示： 3.2.5回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計 采摘臂的底座分為傳動裝置、固定裝置，底座的傳動裝置是用來控制旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動，本設(shè)計傳動裝置選用的標準件伺服電機，即為腳架式軸輸出單齒條螺旋擺動電機。擺動缸的原理是通過齒條帶動齒輪，將電機的往返直線運動，轉(zhuǎn)化成軸的正反方向的擺動旋轉(zhuǎn)運動，同時把往返運動的旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化成齒輪軸的輸出扭矩[9]。 螺旋擺動電機是一種特殊的電機，其利用大螺旋升角的螺旋副實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，輸出軸的中間棒與缸體固定，活塞內(nèi)表面螺旋齒與螺旋棒的螺旋齒嚙合，輸出軸的螺旋棒表面形狀與活塞外表面形狀相同[8]。所以，轉(zhuǎn)動軸套內(nèi)部的壓力下，活塞順著中間棒向上運動的情況下還做著旋轉(zhuǎn)運動，并且輸出軸也一起做著旋轉(zhuǎn)運動，使擺動缸的運動方式得到實現(xiàn)。螺旋擺動缸的特點有構(gòu)造緊密、占的空間體積小、安全性能好、方便搭配、旋轉(zhuǎn)的空間范圍大、輸出的工作扭矩大等。 固定裝置是用來固定旋轉(zhuǎn)臂以及傳動裝置，即旋轉(zhuǎn)臂的支座，如圖3-10所示。 圖3-10 底座 3.3末端執(zhí)行器的設(shè)計 3.3.1采摘電機的選擇 （1）電機類型的選擇 選擇電機主要是利用電機工作時產(chǎn)生的力和力矩，直接驅(qū)動負載或者通過減速機構(gòu)間接地去驅(qū)動負載。使用電機作為動力來源，提高了工作效率，同時這也是目前最為普遍的方式。伺服電機比步進電機體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，力矩大，反應(yīng)速度快，精準度高，噪音小，壽命長，應(yīng)用廣泛所以我們將采用伺服電機。 （2）電機型號選擇 而BF系列伺服電動機為反應(yīng)式伺服電動機，具備以上的所有條件，我們選用了型號我們選用了型號GA12-N10電壓范圍為8-12V的絲杠電機。的反應(yīng)伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為20W。 的反應(yīng)伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為20W。選用時主要有以下幾個步驟： 初選電機型號，并從手冊中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是： Mmq= 伺服電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機型號時應(yīng)滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即： MkqMmq=λMjmax 計算Mkq的各項力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 （1）型號選擇 （a）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求 選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預緊方式； （b）計算普通絲杠副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； ②計算當量轉(zhuǎn)速 ③計算當量載荷 ④初步確定導程 ，取4mm ⑤計算絲桿預期工作轉(zhuǎn)速 ⑥計算絲桿所需的額定載荷 （c）選擇絲桿型號 根據(jù)初定的和計算的，選取導程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查普通絲杠型號表知，本次選定的普通絲杠螺母副型號為：GD801-1 由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導程 （2）校核計算 （a）臨界轉(zhuǎn)速校核 校核合格。 （b）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。 （c）普通絲桿的預緊 預緊力一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即： 其相應(yīng)的預緊轉(zhuǎn)矩 （d）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 ① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。 臨街轉(zhuǎn)速按下式計算： 式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 ③ 此外普通絲杠副還受值的限制，通常要求 3.3軸承的選擇與校核 （1）軸承選擇 因為軸承受一定的軸向力的作用，所以選用角接觸軸承。 軸左側(cè)：從《機械設(shè)計課程設(shè)計》中表15-3中查得軸承的型號為：6000。外形尺寸為：d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。 （2）軸承校核 1）按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預期壽命取為：L'h＝29200h 由上面的計算結(jié)果有軸承受的徑向力為Fr1=340.43N， 軸向力為Fa1=159.90N， 基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。 2）徑向當量動載荷 動載荷為，查得，則有 ，滿足要求。 總 結(jié) 蘋果采摘機是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動采摘裝置，本論文對具有移動功能的采摘機進行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、末端執(zhí)行器部分進行了詳細的設(shè)計和論證，本論文完成的主要工作如下： （1）通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了蘋果采摘機總體功能構(gòu)架，初步制定了小型蘋果采摘機的總體組成和性能指標。 （2）在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，移動平臺是小型蘋果采摘機實現(xiàn)復雜地形運動的功能載體，本文采用了后輪驅(qū)動的驅(qū)動輪式移動機構(gòu)，并具有可獨立控制的前擺，具有較強的地形適應(yīng)能力。 （3）通過對比多種采摘執(zhí)行裝置，最終確定采用半球式抓爪的結(jié)構(gòu)，模仿人類手來采摘蘋果。 設(shè)計中，我對蘋果采摘機的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進行了比較詳細的分析，針對蘋果采摘機中采用的驅(qū)動輪、減速器、電動機等也進行了必要的闡析。 對于本文研究的蘋果采摘機，是一個復雜的采摘裝置系統(tǒng)，在總體設(shè)計中，由于能力和精力有限，研究內(nèi)容還是很初步的，由于本人水平和能力有限，文中難免存在有疏漏和不妥之處，敬請老師給予批評和指正。 參考文獻 [1] 成大先. 機械設(shè)計手冊（第5版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008. 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[16]ZHAO Liang，MA Xiaoli，YAN Zhiyong.WANG Zhe.NEW Type Mechanical Hand Picking High Branch Fruits[J].Light Industry Machinery,2013,4:15-17,21. 致 謝 在本文即將結(jié)束之際，請允許我對在這四年的大學生活學習中給予我支持和鼓勵的各位老師和同學致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導老師，感謝他在我的研究和學習過程中給予我的指導和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴謹?shù)闹螌W風范和對學術(shù)問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個先進的學習、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學考試的各個課程。 最后，請讓我將這篇學士學位論文獻給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個對社會有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵是我所有信念的力量源泉。