畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）便攜式樣山核桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì)

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1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目： 便攜式樣山核桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)自0701班 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 提交日期： 2011年06月12日 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 便攜式山核桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：林立碧 指導(dǎo)老師：周國(guó)斌 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 摘

2、 要 目前國(guó)內(nèi)果蔬采摘作業(yè)基本以手工采摘為主，隨老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提高，發(fā)展機(jī)械化，特別是果蔬采摘機(jī)的研究，具有重要意義。 本文設(shè)計(jì)的便攜式山核桃采摘機(jī)，屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械。山核桃采摘機(jī)包括電源、連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)殼、驅(qū)動(dòng)裝置、連接臂、上下拍爪，連桿機(jī)構(gòu)由外管、內(nèi)管和鎖緊裝置構(gòu)成。外管內(nèi)套接有可在外管內(nèi)部伸縮的內(nèi)管，外管右端與內(nèi)管外壁連接處設(shè)有鎖緊裝置，內(nèi)管右端與機(jī)殼左端固定連接，上拍爪左端與機(jī)殼右端上殼體鉸接，下拍爪左端與機(jī)殼右端下殼體鉸接，機(jī)殼內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，上下拍爪通過(guò)連接臂與驅(qū)動(dòng)裝置連接。 關(guān)鍵詞： 便攜式山核桃采摘機(jī) 驅(qū)動(dòng)裝置 上拍爪 下拍爪 連桿機(jī)構(gòu)

3、 The Design of portable pecan picking machine Student:Libi Lin Advisor:Dr.Guobin Zhou College of Engineering Zhejiang University of Technology Abstract At present, the harvest of fruit and vegetable in China is basically by hand. With the aging, the reducing of agr

4、icultural labor force, and the increasing of the cost of agricultural production, the development of mechanization of harvest, especially the research on robots of fruit and vegetable harvest, has a great significance. The portable pecan picking machine designed in this thesis is a kind of agric

5、ultural machinery .This machine employs power supplies, linkages, machine shells, driving devises, connecting arms, upper fingers and down fingers. Thereinto, the linkage is made up of an outer pipe, an inner pipe and a lock device. The flexible inner pipe is connected in the inner surface of the ou

6、ter pipe. Lock device is in the joint of the right end of outer pipe and the outer surface of the inner pipe. The right end of inner pipe is fixedly connected with the left end of the machine shell. The left end of upper finger is articulated with the upper part of the machine shells, while the left

7、 end of down finger is articulated with the down part of the machine shells. The machine shell is equipped with a driving devise. The upper finger and down finger are connected by connecting arms. Keyword: portable pecan picking machine;driving devise;upper finger;down finger; linkage iii

8、 目 錄 摘 要 i Abstract ii 第一章 緒論 3 1.1選題的背景及現(xiàn)狀 3 1.1.1山核桃采摘的現(xiàn)狀 3 1.1.2便攜式山核桃采摘機(jī)的使用現(xiàn)狀 3 1.2研究的意義 3 第二章 便攜式山核桃采摘機(jī)機(jī)械系統(tǒng) 5 2.1便攜式山核桃采摘機(jī)使用的可行性 5 2.2便攜式山核桃采摘機(jī)的基本工作原理 5 2.3便攜式山核桃采摘機(jī)的構(gòu)造 5 第三章 采摘裝置的設(shè)計(jì) 9 3.1上下拍爪及剪切刀具的材料選擇 9 3.2剪切刀片尺寸的確定 9 3.3上下拍爪的力學(xué)分析 9 3.3.1上下拍爪剪切刀具之間的工作載荷 9 3.3.2上下拍爪剪切刀具的強(qiáng)度校核

9、 10 3.4上下拍爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 第四章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 17 4.1.1電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 17 4.1.2電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)電路 19 4.2傳動(dòng)軸及齒輪的設(shè)計(jì) 20 4.2.1傳動(dòng)軸及齒輪的工作情況介紹 20 4.2.2傳動(dòng)軸及齒輪的計(jì)算、校核及設(shè)計(jì) 20 4.2.2.1選擇軸的材料及熱處理 20 4.2.2.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 20 4.2.2.3圓柱齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4.2.2.4 圓錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 25 4.2.2.5 II軸的計(jì)算及設(shè)計(jì) 29 4.2.2.6 I軸的計(jì)算及設(shè)計(jì) 33 4.2.2.

10、7鍵的校核 38 第五章 便攜式山核桃采摘機(jī)的總體重量及校核 40 5.1便攜式山核桃采摘機(jī)的總體重量 40 5.2便攜式山核桃采摘機(jī)的總體校核 40 第六章 便攜式山核桃采摘機(jī)的裝配 42 6.1裝配設(shè)計(jì)特點(diǎn) 42 6.2便攜式山核桃采摘機(jī)的裝配 42 第七章 總結(jié) 46 參考文獻(xiàn)： 47 致謝 48 第一章 緒論 1.1選題的背景及現(xiàn)狀 1.1.1山核桃采摘的現(xiàn)狀 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，特別是食品方面需求，山核桃有著極其高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，含有較多的蛋白質(zhì)及人體營(yíng)養(yǎng)必需的不飽和脂肪酸

11、，還有多種維生素，有潤(rùn)腸、滋腎、益腦等功效[1]。山核桃是浙江傳統(tǒng)特產(chǎn)，主產(chǎn)于浙、皖交界的天目山區(qū)，分布于臨安的昌化、于潛、淳安的臨岐、唐村、安吉的孝豐，桐廬的分水等地，昌化的山核桃產(chǎn)量居首位。每年白露（9月8日）過(guò)后，山核桃主產(chǎn)區(qū)臨安昌化開(kāi)始統(tǒng)一采摘。山核桃樹(shù)通常高5到20米不等，需要農(nóng)民爬到樹(shù)上，然后人站在樹(shù)上用竹竿將枝頭的山核桃敲打下來(lái)，掉到地上后撿到麻袋中運(yùn)回。山核桃產(chǎn)業(yè)給當(dāng)?shù)貛?lái)巨大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的同時(shí)，每年因山核桃采摘事故造成的死傷悲劇卻不斷在上演。2004年，共有7人在采摘山核桃過(guò)程中死亡，108人受傷；到了2006年這一數(shù)字上升為16人死亡200多人受傷；而到2009年，開(kāi)摘僅

12、8天即有9人死亡[2]。這一組組血淋淋的數(shù)據(jù)，無(wú)時(shí)不刻地拷問(wèn)著當(dāng)?shù)氐纳胶颂耶a(chǎn)業(yè)。 1.1.2便攜式山核桃采摘機(jī)的使用現(xiàn)狀 便攜式山核桃采摘機(jī)是通過(guò)上下拍爪剪切山核桃的枝頭將剪斷的枝頭的山核桃收集在上下拍爪下方的收集網(wǎng)中。首次應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行果蔬收獲的是美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown于1968年提出的，但當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)的收獲機(jī)器人樣機(jī)只能算是半自動(dòng)化的收獲機(jī)械。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、美國(guó)、荷蘭、法國(guó)、英國(guó)、意大利、以色列、西班牙等國(guó)家在采摘機(jī)器人的研究上做了大量研究工作，并且試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的采摘機(jī)器人。但是由于采

13、摘對(duì)象的復(fù)雜性和采摘環(huán)境的特殊性，目前市場(chǎng)上仍沒(méi)有商品化的采摘機(jī)器人[3]。從1983年第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來(lái)，采摘機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)經(jīng)歷了近20年。日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼立項(xiàng)研究用于采摘蘋(píng)果、柑桔、西紅柿、茄子、葡萄等水果的智能機(jī)器人[4，5，6]。根據(jù)對(duì)智能機(jī)器人的不同理解，目前采摘機(jī)器人的研究朝著人機(jī)互助型和自主智能型兩種不同的方向發(fā)展[7]。在我國(guó)只有趙偉忠、徐建鋒曾設(shè)計(jì)過(guò)便攜式堅(jiān)果采摘機(jī)[8]，但是也未應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中，相關(guān)資料也很少。 1.2研究的意義 本課題所研究的是便攜式山核桃采摘機(jī)，屬于一種農(nóng)用機(jī)械，特別是一種適用于采摘高處山核桃的便攜式采摘機(jī)，屬于

14、農(nóng)用機(jī)械的制造領(lǐng)域。 一直以來(lái)，采摘山核桃都是依靠人工采摘，而采摘不到的山核桃則需要借助長(zhǎng)竹竿或長(zhǎng)木棍等桿狀工具進(jìn)行拍打，使果實(shí)掉落到地上，然后人工拾取果實(shí)，這種方法采摘效率低，而且安全隱患多，每年都有操作人員從樹(shù)上摔下傷人事件，而國(guó)外也只有大型的采摘設(shè)備，由于設(shè)備體積和重量都比較大，移動(dòng)麻煩，使用起來(lái)極為不便，特別不適合我國(guó)山區(qū)、丘陵地帶的使用。而該采摘機(jī)有重量輕，體積小，容易移動(dòng)，壽命長(zhǎng)，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。 第二章 便攜式山核桃采摘機(jī)機(jī)械系統(tǒng) 2.1便攜式山核桃采摘機(jī)使用的可行性 要實(shí)現(xiàn)剪切果實(shí)的功能，可以

15、有多種功能原理實(shí)現(xiàn)，如吸附式、抓拉式、剪切式等[9]。而本課題所要設(shè)計(jì)的便攜式山核桃采摘機(jī)就是利用剪切式功能原理進(jìn)行采摘的，主要是由于山核桃果實(shí)枝頭處比較堅(jiān)韌，利用吸附式和抓拉式對(duì)果樹(shù)的枝條都具有較大的傷害。但是也由于山核桃樹(shù)非常高大，并且通常位于險(xiǎn)峻的高山上，人工采摘比較危險(xiǎn)，每年采摘季節(jié)都有不少的死傷事故發(fā)生。本課題設(shè)計(jì)的便攜式山核桃采摘機(jī)可以不用讓采摘人員爬到高處采摘，減少人員傷亡事故。本課題所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)的伸高是通過(guò)配合使用內(nèi)外管和鎖緊裝置來(lái)控制高度，而外管與內(nèi)管的材料都是由較輕盈的塑料做成，不僅堅(jiān)固而且操作起來(lái)比較省力，可以降低采摘人員的勞動(dòng)難度，提高采摘效率。 2.2便攜式山核桃

16、采摘機(jī)的基本工作原理 便攜式山核桃采摘機(jī)的主要工作部件是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)嚙合著的齒輪來(lái)帶動(dòng)上下拍爪的剪切工作。工作時(shí)，通過(guò)內(nèi)管和外管以及鎖緊裝置來(lái)控制采摘機(jī)的伸展的高度，驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)和變速箱，變速箱由箱體、I軸（包含一段齒輪軸）、II軸、小圓錐齒輪、大圓錐齒輪和大圓柱齒輪構(gòu)成，I軸上中部前后分別設(shè)有大圓錐齒輪和一段齒輪軸，且I軸兩端分別和箱體前后兩側(cè)連接，II軸位于I軸右側(cè)，且II軸后端與箱體后側(cè)連接，II軸前端與大圓柱齒輪連接，大圓柱齒輪和齒輪軸相互嚙合，I軸上設(shè)有一段偏心軸，電機(jī)位于變速箱左側(cè)且其動(dòng)力輸出端上設(shè)有小圓錐齒輪，小圓錐齒輪和大圓錐齒輪嚙合。電機(jī)帶動(dòng)小圓錐齒輪，將動(dòng)力傳到大圓

17、錐齒輪上，實(shí)現(xiàn)第一次變速，I軸上的小圓柱齒輪軸把動(dòng)力傳到大圓輪齒輪上，實(shí)現(xiàn)第二次變速，在II軸上設(shè)一個(gè)偏心軸，偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)長(zhǎng)的連接動(dòng)力臂，連接臂由2根短的連接動(dòng)力臂和1根長(zhǎng)的連接動(dòng)力臂構(gòu)成，2根短的連接動(dòng)力臂分別與上拍爪左端和下拍爪的左端鉸接，其另一端都與長(zhǎng)的連接動(dòng)力臂右端鉸接，長(zhǎng)的連接動(dòng)力臂左端與II軸上的偏心軸連接。偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)長(zhǎng)短動(dòng)力臂實(shí)現(xiàn)上拍爪和下拍爪交互運(yùn)動(dòng)，上下拍爪上設(shè)有剪切的刀具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)山核桃果實(shí)枝頭的剪切，然后把剪切后的獲得的山核桃收集在上下拍爪下的收集網(wǎng)中。 2.3便攜式山核桃采摘機(jī)的構(gòu)造 便攜式山核桃采摘機(jī)包括電源、連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)殼、驅(qū)動(dòng)裝置、連接臂、上拍爪和

18、下拍爪，連桿機(jī)構(gòu)由外管、內(nèi)管和鎖緊裝置構(gòu)成。外管內(nèi)套接有可在外管內(nèi)伸縮的內(nèi)管，外管右端與內(nèi)管外壁連接處設(shè)有鎖緊裝置，內(nèi)管右端與機(jī)殼左端固定連接，上拍爪左端與機(jī)殼右端上殼體鉸接，下拍爪左端與機(jī)殼右端下殼體鉸接，機(jī)殼內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，上拍爪與下拍爪通過(guò)連接臂與驅(qū)動(dòng)裝置連接，如圖2-1到2-9所示。 圖2-1 總裝配三維前視圖 圖2-2 總裝配三維前視圖 圖2-3 總裝配二維主視圖 圖2-4 總裝配二維俯視圖 圖2-5 工作及傳動(dòng)部分裝配三維前視圖 圖2-6 工作部分三維下視圖 圖2-7 工作部分三維左視圖 圖2-8 減速箱部分三維前視圖 圖2-9

19、 傳動(dòng)部件三維前視圖 驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)和變速箱，變速箱由箱體、I軸（包含一段齒輪軸）、II軸（設(shè)有偏心軸）、小圓錐齒輪、大圓錐齒輪、大圓柱齒輪構(gòu)成，齒輪直接用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，通過(guò)在機(jī)殼外殼打幾個(gè)小孔，讓空氣流動(dòng)進(jìn)入減速箱體內(nèi)，運(yùn)用流動(dòng)的空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫效果。 工作部分是由連接臂和上下拍爪構(gòu)成，其中有多個(gè)鉸接孔，連接動(dòng)力臂與上下拍爪是鉸接的。 內(nèi)管和電機(jī)箱體相連，內(nèi)管的直徑比外管直徑小，內(nèi)管可以在外管內(nèi)部實(shí)現(xiàn)伸縮，通過(guò)鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)鎖緊，其中內(nèi)外管內(nèi)均設(shè)有導(dǎo)線，把手與外管相連，把手上設(shè)有與外界電源相連的導(dǎo)線。 第三章 采摘裝

20、置的設(shè)計(jì) 3.1上下拍爪及剪切刀具的材料選擇 上拍爪和下拍爪材料的選擇必須保證耐腐蝕，不生銹，有一定的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)還要考慮其機(jī)械加工性和經(jīng)濟(jì)性。為此，在1Crl3 和9Crl8 兩種材料中參考表3-1進(jìn)行選擇。 表3-1 材料1Crl3 和9Crl8參數(shù)表[10] 材料 性能 1Cr13 9Cr18 化學(xué)成分/% C0.15 Cr11.50~13.50 C0.90~1.00 Cr17.00~19.00 硬度(HB) 159 255 屈服強(qiáng)度 345 — 抗拉強(qiáng)度 540 — 加工性能 普通材料，稍難切削 難以加工的材料 用途

21、具有良好的耐蝕性、機(jī)械加工性，一般用途 刃具類用 不銹切片機(jī)械刃具及剪片道具、手術(shù)刀片、高耐磨設(shè)備零件等 (a)材料中C 的含量越高，其耐腐蝕性越差； (b)在鋼中加入Cr 能顯著提高鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，并能提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性，從而能顯著提高鋼的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能，因而在各種用途的鋼中普遍加入數(shù)量不等的Cr[11]。但由于我國(guó)Cr 資源稀少，故應(yīng)盡量節(jié)約使用，少用或不用。 根據(jù)分析可以看出， 1Crl3 比9Crl8 易加工，C、Cr 的含量低，價(jià)位大體相當(dāng)，所以，本課題的上下拍爪選用1Crl3 作為材料來(lái)加工。 3.2剪切刀片尺寸的確定 出于對(duì)一串山

22、核桃果實(shí)個(gè)數(shù)以及果樹(shù)高度對(duì)視野影響的考慮，初步確定刀片的長(zhǎng)為210mm，刀刃距離拍爪平面的距離為10mm。 3.3上下拍爪的力學(xué)分析 3.3.1上下拍爪剪切刀具之間的工作載荷 上下拍爪工作時(shí)需要克服阻力，為了確保刀具有足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)刀具時(shí)首先應(yīng)對(duì)刀具載荷進(jìn)行分析。把上下拍爪之間的剪切運(yùn)動(dòng)設(shè)想為上拍爪上的刀具與下拍爪上的2個(gè)刀具縫平行，因而能進(jìn)行剪切，在剪切處是山核桃果實(shí)枝頭的樹(shù)枝剪切的阻力。 枝頭剪切阻力的計(jì)算 一般山核桃的枝頭都很細(xì)，不考慮彎矩，所以只考慮剪切力，由于山核桃果實(shí)質(zhì)量較小，不考慮其重力。如圖3-1所示 枝條 圖3-1 山核桃枝條剪

23、切力示意圖 山核桃果實(shí)的枝條屬木質(zhì)材料，取最粗為5mm，偏心軸軸心的平均水平方向的速度設(shè)定為0.02 m/s，剪切處的剪切速度大概可取為m/s，刀刃最厚處可取為0.01mm，剪力為 ，，果實(shí)新生枝頭屬嫩的木質(zhì)材料，其切變模量G值大約為1GPa，，MPa，剪切力N，所以取N。 3.3.2上下拍爪剪切刀具的強(qiáng)度校核 上下拍爪處的剪切刀具工作時(shí)候需要克服阻力，為了確保其具有足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)剪切處所承受的載荷進(jìn)行分析，刀具受到剪切時(shí)的載荷作用，容易發(fā)生疲勞破壞。刀具的設(shè)計(jì)是決定便攜式山核桃采摘機(jī)的壽命長(zhǎng)短的因素之一，因此，應(yīng)按無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，即要求各部件在工作載荷作用下具有無(wú)限

24、長(zhǎng)壽命。 金屬材料在交變應(yīng)力強(qiáng)度常用曲線或者疲勞極限來(lái)衡量，見(jiàn)圖3-2，當(dāng)時(shí)，試件則能經(jīng)受無(wú)限循環(huán)而不發(fā)生破壞。為此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力水平應(yīng)該很低，以便有足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備。 疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系為： 材料1Cr13的抗拉強(qiáng)度=540Mpa，取其下限MPa。 圖3-2 圖 計(jì)算上下拍爪剪切刀具的強(qiáng)度 一般山核桃的枝條都比較細(xì)，可以盡可能的選擇最粗的枝條直徑為5mm進(jìn)行計(jì)算以確保剪切刀具有足夠的強(qiáng)度進(jìn)行剪切。 由上述可知，=20N，切應(yīng)力MPa 查表得材料1Cr13的抗剪強(qiáng)度MPa，所以=1Mpa<<320Mpa。 由于幾乎不存在拉應(yīng)力，所以 綜上所述，試

25、件能經(jīng)受無(wú)限循環(huán)而不發(fā)生破壞，因此設(shè)計(jì)的上下拍爪的剪切刀具滿足強(qiáng)度要求。 3.4上下拍爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)果實(shí)采摘的功能，可以有多種功能原理實(shí)現(xiàn)，如吸附式、抓拉式、剪切式。因此可以制定以下三種方案。 （1）方案一：通過(guò)吸附式實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘功能，機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)主要有架體、真空吸盤和真空發(fā)生器組件組成，架體使用剛性連接，其中真空吸盤是果實(shí)抓取的重要元器件，吸附機(jī)構(gòu)由4個(gè)吸盤組成，呈矩形分布，對(duì)果實(shí)形成均衡的吸附力(如圖3-3)，其中機(jī)械手設(shè)計(jì)大致構(gòu)型(如圖3-4)，機(jī)械的結(jié)構(gòu)形式為四個(gè)自由度機(jī)械手，分別有腕部、大臂、小臂、腰部組成。 當(dāng)吸附抓取機(jī)構(gòu)接近山核桃時(shí)，啟動(dòng)真空吸盤功能，可以實(shí)現(xiàn)山核桃

26、過(guò)時(shí)的采摘。 圖3-3 真空吸附抓取機(jī)構(gòu)示意圖 圖3-4 真空發(fā)生器工作原理示意圖 （2）方案二：通過(guò)抓拉式實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘功能(如圖3-5)，該機(jī)械手主要的設(shè)計(jì)元件是機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)，手爪有2個(gè)手指，每個(gè)手指有2個(gè)關(guān)節(jié)，如圖3-5所示。 當(dāng)通過(guò)抓拉式采摘山核桃時(shí)，在電機(jī)的控制下，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)手指的聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)山核桃的采摘功能。 圖3-5 抓拉式機(jī)械臂示意圖 （3）方案三：通過(guò)剪切式實(shí)現(xiàn)山核桃果實(shí)采摘功能(如圖3-6和圖3-7)，上下拍爪由2個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剪切刀片組成。當(dāng)采摘山核桃時(shí)候，通人機(jī)互助，將拍爪定位好以后，可以啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)裝置傳遞動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)上下拍爪

27、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)枝頭的剪切功能，從而實(shí)現(xiàn)了山核桃的采摘功能。 圖3-6 上拍爪示意圖 圖3-7 下拍爪示意圖 （4）三種方案的比較 上述三種方案均可以實(shí)現(xiàn)山核桃果實(shí)的采摘，但是這僅僅從上下拍爪的實(shí)現(xiàn)功能來(lái)考慮，選取一個(gè)合適的方案還須綜合考慮多方面因素，進(jìn)行可行性分析。 方案一采用吸附式功能采摘，有定位要求低，動(dòng)作靈敏等優(yōu)點(diǎn)，但是需要配備真空形成裝置，成本較高，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，對(duì)果實(shí)的枝條的傷害較大。 方案二采用抓拉式功能采摘，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是自由度較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，成本也較高，對(duì)果實(shí)枝條的傷害極大。 方案三采用剪切式功能采摘，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操

28、作方便，對(duì)果實(shí)枝條傷害極小等優(yōu)點(diǎn)，且通過(guò)人機(jī)互助來(lái)實(shí)現(xiàn)人工定位，成本較低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常方便。 綜合以上等因素，采取第三種方案最佳。 當(dāng)上拍爪與下拍爪全張開(kāi)時(shí)，此時(shí)不處于剪切枝條狀態(tài)，所需的剪切力最小，切為0N，當(dāng)上拍爪與下拍爪夾緊剪切枝條時(shí)，所需的剪切力最大，為20N。設(shè)定此時(shí)上拍爪與下拍爪的夾角為，第一動(dòng)力短臂與第二動(dòng)力短臂的夾角為，此時(shí)所需的動(dòng)力也最大，如圖3-8 圖3-8 工作部分力學(xué)分析簡(jiǎn)圖 之前的計(jì)算可知道如圖3-3可知N，設(shè)定上下拍爪的長(zhǎng)的臂長(zhǎng)為194mm，短的臂長(zhǎng)為19.4mm。根據(jù)力矩平衡原理可以計(jì)算出N，N 設(shè)定刀具長(zhǎng)度為10mm，根據(jù)以上的圖可以求出與機(jī)體相

29、連的兩個(gè)鉸鏈空的之間距離為mm 依次可以求出短的連接臂長(zhǎng)為mm。 上拍爪的三維結(jié)構(gòu)示意圖3-9 圖3-9 上拍爪示意圖 下拍爪的三維結(jié)構(gòu)示意圖3-10 圖3-10 下拍爪示意圖 第四章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 驅(qū)動(dòng)電機(jī)是便攜式山核桃采摘機(jī)的工作能量的提供源，也是關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響著便攜式山核桃采摘機(jī)的使用效果。在設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的特征為時(shí)間短，啟動(dòng)頻繁。 4.1.1電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 目前，電動(dòng)機(jī)的種類繁多，價(jià)格、性能差別較大，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的指導(dǎo)思想對(duì)電動(dòng)機(jī)類型

30、及型號(hào)進(jìn)行優(yōu)化選擇是十分重要的。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)是便攜式山核桃采摘機(jī)的工作能量的提供源，也是關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響著便攜式山核桃采摘機(jī)的使用效果。根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求選擇電動(dòng)機(jī)的類型。直流電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速頻繁無(wú)極啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；具有過(guò)載能力大，能承受頻繁的載荷沖擊，優(yōu)良的調(diào)速性能，調(diào)速平滑、精切、方便和范圍廣等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中，便攜式山核桃采摘機(jī)的電動(dòng)機(jī)的特征為頻繁短時(shí)間運(yùn)行、快速啟動(dòng)，無(wú)調(diào)速要求。依據(jù)直流電動(dòng)機(jī)具有的特點(diǎn)和表4-1與表4-2，設(shè)計(jì)選取電動(dòng)機(jī)的類型為直流電動(dòng)機(jī)。 表4-1 電動(dòng)機(jī)類型選擇參考表[12] 負(fù)載類別 選用電機(jī)類

31、型 恒轉(zhuǎn)矩和通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性的機(jī)械 選用機(jī)械特性為硬性的電動(dòng)機(jī)較適宜 恒功率負(fù)載特性的機(jī)械 選用調(diào)勵(lì)磁的變速直流電機(jī)或帶有機(jī)械變速的交流異步電機(jī) 無(wú)調(diào)速要求的機(jī)械 負(fù)載平穩(wěn)，對(duì)啟動(dòng)、制動(dòng)無(wú)特殊要求的長(zhǎng)期運(yùn)行的機(jī)械 小功率 普通籠型電動(dòng)機(jī) 大功率 采用同步電動(dòng)機(jī) 帶周期性變動(dòng)負(fù)載的機(jī)械（如飛輪）或啟動(dòng)條件沉重 大中功率 采用繞線型電動(dòng)機(jī) 小功率經(jīng)過(guò)載能力啟動(dòng)條件校驗(yàn)通過(guò)的 采用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī) 某些斷續(xù)運(yùn)行機(jī)械，采用交流電機(jī)在發(fā)熱、啟動(dòng)、制動(dòng)特性等方面不能滿足要求或技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)過(guò)低 采用直流電動(dòng)機(jī) 表4-2 電動(dòng)機(jī)類型選擇參考表[12]

32、序號(hào) 負(fù)載性質(zhì) 生產(chǎn)機(jī)械工作狀態(tài) 選用電動(dòng)機(jī)類型 平穩(wěn) 沖擊 長(zhǎng)期 短時(shí) 斷續(xù) 調(diào)速 飛輪儲(chǔ)能 異步電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 籠型 繞線型 他勵(lì) 串勵(lì) 1 2 3 4 5 6 7 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ ② √ √ ③④ √ √ ③ ③ ① √ √ √ √ √ ⑤ √ ①對(duì)于小功率機(jī)械，或啟動(dòng)次數(shù)較多而電網(wǎng)容量不大易受沖擊

33、時(shí)，不推薦采用同步電動(dòng)機(jī)。 ②對(duì)于大中型機(jī)械，當(dāng)電網(wǎng)容量不大時(shí)，不宜選用籠型電動(dòng)機(jī)，而選用繞線型電動(dòng)機(jī)。 ③異步電動(dòng)機(jī)需帶調(diào)速裝置（一般為轉(zhuǎn)子外接電阻方式，還有采用滑差離合器、渦流制動(dòng)器、串級(jí)或變頻等方式）。 ④指小功率機(jī)械只要求幾級(jí)速度時(shí)，采用多速籠型電動(dòng)機(jī)。 ⑤需要啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的機(jī)械（如電車、牽引機(jī)車等）采用串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)前面的計(jì)算可知，N，即為偏心軸所要提供的拉力，而為了確保山核桃采摘機(jī)的工作順利進(jìn)行，可以取N，取偏心軸軸心的水平平均速度為m/s。 偏心軸偏心距的計(jì)算 上拍爪與下拍爪短的臂長(zhǎng)為mm，不工作時(shí)，上下拍爪的長(zhǎng)臂保持平行；夾緊時(shí)，上拍爪與下拍爪形成的夾角為3

34、0，所以拍爪的短臂只轉(zhuǎn)動(dòng)了，由圖可知，其運(yùn)動(dòng)行程是如何的，所以長(zhǎng)的連接動(dòng)力臂所運(yùn)動(dòng)的路程約為mm，因此偏心軸的偏心距mm，取該處軸直徑為10mm，長(zhǎng)為8mm。 1．確定電動(dòng)機(jī)的功率[13] （1）電動(dòng)機(jī)所需的功率為： kW 式中： 為工作裝置所需功率，單位為kW；為由電動(dòng)機(jī)至工作裝置的傳動(dòng)裝置的總效率。 kW 式中。N，取m/s，工作裝置的效率考慮到偏心軸及其軸承的效率取。代入上式得： kW=9W 電動(dòng)機(jī)的輸出功率按式計(jì)算： kW 式中，為電動(dòng)機(jī)軸偏心軸的傳動(dòng)裝置總效率。 由公式，，查表得，取滾動(dòng)軸承，8級(jí)精度圓柱齒輪傳動(dòng)（稀油潤(rùn)滑）效率，8級(jí)精度圓錐齒輪傳動(dòng)

35、（稀油潤(rùn)滑）效率，則 故 kW=9.66W 因載荷平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)額定功率只需略大于即可，所以選取的直流動(dòng)機(jī)的額定功率為12W，額定電壓為12V，轉(zhuǎn)速為r/m。可以在電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)上尋找已經(jīng)有的產(chǎn)品，或者找產(chǎn)商定做。 4.1.2電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)電路 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)發(fā)生由于剪切枝頭過(guò)于堅(jiān)韌，使電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加，由于電動(dòng)機(jī)本身有一定的過(guò)載能力，電動(dòng)機(jī)不會(huì)超過(guò)允許的溫度，這種過(guò)載是允許的；但是過(guò)載的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度升高超過(guò)允許的最大量程，將會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。為了保證電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，在電動(dòng)機(jī)發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載時(shí)能自動(dòng)切斷電路，防止電動(dòng)機(jī)過(guò)熱燒毀，如圖4-1所示，

36、 圖4-1 過(guò)載電路保護(hù)示意圖 4.2傳動(dòng)軸及齒輪的設(shè)計(jì) 4.2.1傳動(dòng)軸及齒輪的工作情況介紹 在機(jī)械設(shè)備中，軸指的是作為傳動(dòng)件支承和旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)軸，軸的結(jié)構(gòu)尺寸配置、剛度和強(qiáng)度，直接影響著固定傳動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)精度、工作性能和使用壽命，是各種傳動(dòng)系統(tǒng)的極重要基礎(chǔ)件，軸端合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)設(shè)計(jì)首要設(shè)計(jì)的工作。 齒輪是傳遞軸與軸之間動(dòng)力的重要部件，并且齒輪的傳動(dòng)的效率非常高。 本設(shè)計(jì)中，主要對(duì)I軸與II軸以及各個(gè)齒輪的計(jì)算及校核設(shè)計(jì)。 軸的尺寸及結(jié)構(gòu)形狀、支承跨距等與傳動(dòng)件的軸向尺寸，受力大小和方向直接相關(guān)。本設(shè)計(jì)中I軸通過(guò)齒輪直接與電動(dòng)機(jī)相連接，II軸位于大圓柱齒輪上，I軸受到2個(gè)扭矩作

37、用，II軸受到來(lái)自于小圓柱齒輪的扭矩和彎矩作用，偏心軸受到長(zhǎng)的連接動(dòng)力臂的彎矩作用。 4.2.2傳動(dòng)軸及齒輪的計(jì)算、校核及設(shè)計(jì)[13.14] 4.2.2.1選擇軸的材料及熱處理 由于本設(shè)計(jì)中傳遞的功率不是很大，為了減輕便攜式山核桃采摘機(jī)的重量以及對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)成本的考慮，I軸選取40Cr，II軸選取45鋼，調(diào)制處理即可。 4.2.2.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 1．傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比 r/min 2．分配傳動(dòng)裝置的各級(jí)傳動(dòng)比 由式，為使圓錐齒輪的外廓尺寸不致過(guò)大，取傳動(dòng)比，，所以，則圓柱齒輪傳動(dòng)比，圓錐齒輪的傳動(dòng)比不能過(guò)大，否則會(huì)影響工作的平穩(wěn)性，且加工起來(lái)難度

38、較大。 3．計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) （1）各軸轉(zhuǎn)速 I軸：r/min II軸： r/min 工作軸： r/min （2）各軸輸入功率 I軸：W II軸：W 工作軸：W （3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩 I軸： II軸： 工作軸： 電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩： 將以上算的的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)列表4-3如下 表4-3 各傳動(dòng)件數(shù)據(jù) 軸名 參數(shù) 電動(dòng)機(jī)軸 I軸 II軸 工作軸 轉(zhuǎn)速 1000 333.3 73.5 73.5 功率P(W) 9

39、.66 9.37 9.04 9.04 轉(zhuǎn)矩 0.0923 0.268 1.175 1.175 傳動(dòng)比 3 4.53 1 效率 0.97 0.965 1 4.2.2.3圓柱齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 1 選材料：查表得，選擇小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 2 由于便攜式山核桃采摘機(jī)的機(jī)械工作部分即采摘所需的精度不需要很高，因此選擇選小齒輪的齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)，取。 3按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 試選載荷系數(shù)K=1.3 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 0.268 =268 查

40、表得，選取齒寬系數(shù)=1 由表得查得材料的彈性影響系數(shù)=189.8 MPa 查圖表得，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550MPa，齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=500Mpa 由圖表查得，取接觸疲勞壽命系數(shù)=0.90,=0.95。 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1,由公式查得 ==MPa ==0.95=475 Mpa 計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小值。 =2.32mm 計(jì)算圓周速度。 =m/s 計(jì)算齒寬b。 b==1mm 4 計(jì)算齒寬與齒高之比。 模數(shù) ==mm 齒高

41、mm = 5 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=0.165 m/s,8級(jí)精度，由圖表查得動(dòng)載荷系數(shù)K=1 直齒輪，K=1 由表查得使用系數(shù)K=1.50 用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，=1.450。由=5.33，=1.468查圖表得K=1.30,故動(dòng)載荷系數(shù) K= KK=1.50 6按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由公式得 9.465mm 7計(jì)算模數(shù)m。 mm 8按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由公式的彎曲強(qiáng)度得設(shè)計(jì)公式為 確定公式中的各計(jì)算數(shù)值： 由圖表查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限=380MPa。由圖

42、表查得，取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.85, =0.88。 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由公式得：==303.57 MPa ==238.86 MPa 計(jì)算載荷系數(shù)K。 K==1 查取齒形系數(shù)。由表查得 =2.99，=2.57 查取應(yīng)力校正系數(shù)。 由表查得 =1.50,=1.60 計(jì)算大小齒輪的并加以比較。 = = 大齒輪的數(shù)值大。 9設(shè)計(jì)計(jì)算： m mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒

43、面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.437，取標(biāo)準(zhǔn)值m=1mm,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d=11.24 mm，算出小齒輪齒數(shù) == 大齒輪齒數(shù) ，取=100。 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度， 做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 10幾何尺寸計(jì)算 計(jì)算分度圓直徑 mm mm 計(jì)算中心距 a=mm 計(jì)算齒輪寬度 b==1mm 取=12mm, 大齒輪齒頂圓直徑 mm 大齒

44、輪齒根圓直徑 mm 4.2.2.4 圓錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算[15] 1 材料選擇：小齒輪用40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為260HB, 大齒輪用45號(hào)鋼(調(diào)質(zhì)),硬度為250HB，二者材料硬度差為10HB。 2 選小齒輪的齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)=，取=36。 3 齒數(shù)比 錐距 4 齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 （1）直齒錐齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度可近似的按平均分度圓處的當(dāng)量圓柱齒輪進(jìn)行計(jì)算 因此 （2） 直齒錐齒輪的載荷系數(shù)同樣為,其中使用系數(shù)=1.50可由表查取，動(dòng)載系數(shù)=1.0可查圖表中低一級(jí)的精度線及查取，齒間載荷分配系數(shù)及可取為1，齒向載荷分布系數(shù)可按下式

45、計(jì)算， ， 試選載荷系數(shù) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 小齒輪轉(zhuǎn)矩：N mm 由表查取材料彈性影響系數(shù)MPa 按齒面硬度查表得小齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度極限Mpa， 大齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度極限MPa 5由圖表查得接觸疲勞壽命系數(shù)1, 1 6計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1,由式（10-12）得 ==MPa ==MPa 試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的式。 =2.92mm 7計(jì)算齒寬b =mm 計(jì)算齒寬和齒高之比。 模數(shù) mm 齒高 mm 8得彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)

46、公式為 由圖表查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPa，大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限Mpa。 由圖表查取彎曲疲勞壽命系數(shù)， (1) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)為S=1.4，可得 =321.43Mpa MPa （2）計(jì)算載荷系數(shù) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，查公式得 mm 計(jì)算模數(shù) mm 9查取齒形系數(shù) 由表查得 ， 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表查得 ， 計(jì)算大，小齒輪的并加以比較 大齒輪的數(shù)值大。 設(shè)計(jì)計(jì)算 =mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，

47、由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.58并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.5mm,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 大齒輪的齒數(shù) 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度， 做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 幾何尺寸計(jì)算 計(jì)算分度圓直徑 mm mm 計(jì)算錐距 mm 計(jì)算齒輪寬度 mm 取 mm,mm 由于小圓錐齒輪分度圓直徑太小而且為了減輕機(jī)器整體的質(zhì)量，因此不采用聯(lián)軸器，直接采用軸相連。 4

48、.2.2.5 II軸的計(jì)算及設(shè)計(jì) （1）II軸的計(jì)算 II軸上的功率 W，轉(zhuǎn)速r/min ,轉(zhuǎn)矩N m。軸的簡(jiǎn)圖如圖4-2，其中2個(gè)軸承安裝在I-II和VII-VIII段，大圓柱齒輪安裝在II-III段。 圖4-2 II軸示意圖 （2）求作用在大圓柱齒輪上的力 因?yàn)槭侵饼X輪，所以，因此只有圓周力徑向力，無(wú)軸向力。 已知當(dāng)上下拍爪進(jìn)行剪切工作時(shí)，第一動(dòng)力臂、II軸軸心、偏心軸軸心都在同一線上，N，偏心距mm，但偏心軸對(duì)于II軸無(wú)扭矩作用，因此只有一個(gè)拉力為N作用在大圓柱齒輪中心位置即II軸心位置。 低速級(jí)大圓柱直齒輪的分度圓直徑為 mm N N （3）初步確定軸的

49、最小直徑 先按公式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表查取120，于是得 mm II軸的最小直徑顯然是安裝軸承處軸的直徑 (圖4-2)，取mm。 （4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案，根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 1） 由之前可知mm，因此可以取mm 2）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承只受到徑向力作用而無(wú)軸向力的作用。故選用深溝球軸承。參考工作要求并根據(jù)數(shù)據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度的深溝球軸承60000型的618/8型號(hào)，其中尺寸為，故，右端深溝球軸承的定位軸肩高度為2.4

50、mm，所以取， 3）取安裝齒輪處的軸段II-III的直徑為，因?yàn)榇髨A柱齒輪的齒寬=12mm，所以取齒輪的輪轂寬度為12mm，為了使套筒斷面可靠的壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，所以取，偏心軸軸長(zhǎng)為8mm，直徑，齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩的高度，故取，又由于考慮到偏心軸處的直徑，則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)的寬度，取。 4）取齒輪距箱體內(nèi)壁的距離，考慮到箱體的鑄造誤差，在確定深溝球軸承的位置時(shí)候，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離，已知深溝球軸承寬度，圓柱齒輪的輪轂長(zhǎng)為12mm，則 取 至此，已初步確定了軸的各段的直徑和長(zhǎng)度。 （5）軸上零

51、件的周向定位 齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接。按，由表6-1查得平鍵的截面，鍵用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為，同時(shí)為了保證齒輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為。深溝球軸承與軸的定位由過(guò)渡配合來(lái)保證，此處選軸的直徑尺寸公差為n6[16]。 （6）確定軸上圓角和倒角尺寸 參考表可得，曲軸端倒角為，圓角為， （7）求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4-3，在確定軸承支點(diǎn)的位置時(shí)，從手冊(cè)中查詢a的值，查取a=2mm,因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支撐跨距為，根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖，從圖4-3中可以看出，偏心軸處的截面為危險(xiǎn)截面。

52、 可得： 因此： F F T T 圖4-3 扭矩彎矩分析圖 表4-4 扭矩彎矩?cái)?shù)據(jù) 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩T （8）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上上的承受的最大彎矩和扭矩的截面（即為危險(xiǎn)截面）的強(qiáng)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)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，

53、軸的計(jì)算應(yīng)力 前已選定的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得60Mpa。因此，故安全。 4.2.2.6 I軸的計(jì)算及設(shè)計(jì) （1）I軸上的功率 ，轉(zhuǎn)速 ,轉(zhuǎn)矩，軸的簡(jiǎn)圖如圖4-4所示，直接取小圓柱齒輪改為齒輪軸段，其中2個(gè)軸承安裝在I-II和VI-VII段，大圓錐齒輪安裝在V-VI段，小圓柱齒輪安裝在II-III段。 圖4-4 I軸示意圖 （2）求作用齒輪上的力 圓柱齒輪，圓錐齒輪，，因此小圓柱齒輪只有圓周力徑向力，無(wú)軸向力，圓錐齒輪有圓周力徑向力，軸向力，方向如圖4-5所示. ，，所以取 （3）初步確定軸的最小直徑

54、 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表15-3，取，于是得 I軸的最小直徑顯然是安裝軸承處軸的直徑(圖4-4)，為了保證山核桃采摘機(jī)能順利進(jìn)行工作，取。 （4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案，根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 1） 由之前可知， 2）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承受到徑向力和軸向力的作用，又由于所需的軸承內(nèi)徑過(guò)小，故選用深溝球軸承，在一定的程度上也能承受軸向力的作用。參考工作要求并根據(jù)數(shù)據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度的深溝球軸承60000型的618/8型號(hào)，其中尺寸為，為了

55、避免圓柱齒輪碰到箱體內(nèi)壁，故。 3）小圓柱齒輪直接選擇傳動(dòng)齒輪軸，取軸段II-III直徑 ， ，齒輪軸的右端設(shè)有1mm長(zhǎng)的間隙，便于加工，取軸段VI-V直徑。齒輪的左端采用軸肩定位，軸肩的高度，故取，則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)的寬度，取。 4）設(shè)定大圓錐齒輪的輪轂為11mm，取，則 至此，已初步確定了軸的各段的直徑和長(zhǎng)度。 （5）軸上零件的周向定位 齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接。按，由表查得平鍵的截面，鍵用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為，同時(shí)為了保證齒輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為。深溝球軸承與軸的定位由過(guò)渡配合來(lái)保證，

56、此處選軸的直徑尺寸公差為n6。 （6）確定軸上圓角和倒角尺寸 參考表查得，曲軸端倒角為，圓角為， （7）求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4-5，在確定軸承支點(diǎn)的位置時(shí)，從手冊(cè)中查詢a的值，查取a=2mm,因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支撐跨距為，根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖。 ， 可得：，， ，，， 可得：，,， ， T T 圖4-5 扭矩彎矩分析圖 表4-5 扭矩彎矩?cái)?shù)據(jù) 載荷

57、水平面H 垂直面V 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩T （8）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上上的承受的最大彎矩和扭矩的截面（即為危險(xiǎn)截面）的強(qiáng)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)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力 前已選定的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得60Mpa。因此，故安全。 4.2.2.7鍵的校核 （1）I軸上鍵的校核 錐齒輪與軸的軸向定位采用平鍵聯(lián)結(jié)。按 查表得平鍵截面，長(zhǎng)為8

58、mm，其傳遞的扭矩為=268，由表查得許用擠壓應(yīng)力，對(duì)于與錐齒輪相連的鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。由式（6-1）可得： 所以擠壓強(qiáng)度足夠。 （2）II軸上鍵的校核 根據(jù)，從表中查得鍵的截面尺寸為，，其傳遞的扭矩為，由表查得許用擠壓應(yīng)力，對(duì)于與錐齒輪相連的鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。由式（6-1）可得： 所以擠壓強(qiáng)度足夠。 （3）電動(dòng)機(jī)軸上鍵的校核 錐齒輪與軸的軸向定位采用平鍵聯(lián)結(jié)。由齒輪的結(jié)構(gòu)可以取該處的軸段直徑為。 由查表得平鍵截面，長(zhǎng)為6mm，其傳遞的扭矩為，由表查得許用擠壓應(yīng)力，對(duì)于與錐齒輪相連的鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。查公式

59、可得： 所以擠壓強(qiáng)度足夠。 第五章 便攜式山核桃采摘機(jī)的總體重量及校核 5.1便攜式山核桃采摘機(jī)的總體重量 主要的材料是改性聚丙烯和鋼材料，查表格得改性聚丙烯為，鋼的密度為，電機(jī)的重量為。 改性聚丙烯的體積 + 聚丙烯材料的總重量約為 鋼的體積 鋼的總質(zhì)量約為 整體的總質(zhì)量為 而該機(jī)器是人機(jī)互助型的，但是為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此重量應(yīng)該可以滿足，采摘人員可以將機(jī)器靠在地面上支撐著來(lái)減少采摘時(shí)候體力的消耗。 5.2便攜式山核桃采摘機(jī)的總體校核 主要的承受壓力部分是在采摘工

60、作部分，工作部分的工作總重量約為2.7kg，彎矩，主要是壓應(yīng)力的作用，最脆弱的地方在鎖緊裝置處。 ，， 查得E=3500Mpa 所以求得： 因?yàn)楦男跃郾┑臉O限伸展率為200%~700%，屬于工程塑料，抗彎曲強(qiáng)度大，而很小，且57mm相對(duì)與10m來(lái)說(shuō)是非常小，滿足要求。 第六章 便攜式山核桃采摘機(jī)的裝配 6.1裝配設(shè)計(jì)特點(diǎn) 總體裝配是三維實(shí)體建模的最后階段，也是建模過(guò)程的關(guān)鍵。用戶可以使用配合關(guān)系來(lái)確定零件的位置方向，可以自上而下設(shè)計(jì)一個(gè)裝配體，也可以自下而上的進(jìn)行設(shè)計(jì)，或兩種方法結(jié)合使用。 所謂自

61、下而上的設(shè)計(jì)方法，就是先生成零件并將其插入裝配體中，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合零件。這是比較傳統(tǒng)的方法，因?yàn)榱慵仟?dú)立設(shè)計(jì)的，所以可以讓設(shè)計(jì)者更加專注于單個(gè)零件的設(shè)計(jì)工作，而不用建立控制零件大小和尺寸的參數(shù)關(guān)系等復(fù)雜概念。在本設(shè)計(jì)中，象上下拍爪、齒輪、軸等是比較重要的零部件，所以我們采用單個(gè)零件加以設(shè)計(jì)。 自上而下的設(shè)計(jì)方法是從裝配體開(kāi)始設(shè)計(jì)，用戶可以使用一個(gè)零件的幾何體來(lái)幫助定義另外一個(gè)零件，或生產(chǎn)組裝零件后才添加加工特征?？梢詫⒉輬D布局作為設(shè)計(jì)的開(kāi)端，定義固定零件的位置，基準(zhǔn)面等，然后參考這些定義來(lái)設(shè)計(jì)零件。在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)殼，內(nèi)外管等各零部件之間需要配合，所以采用裝配體的環(huán)境下設(shè)計(jì)各零件。

62、 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，山核桃采摘機(jī)的內(nèi)外管、電機(jī)外殼材料選用改性聚丙烯。 改性聚丙烯以它獨(dú)特、優(yōu)越的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于電力、化工、制藥、食品等行業(yè)的防腐設(shè)備制作，隨著塑性工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料越來(lái)越廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的防腐設(shè)備中。改性聚丙烯作為新型的化學(xué)工業(yè)防腐材料，該材料無(wú)毒，對(duì)于制藥食品行業(yè)尤為適宜，并能滿足設(shè)備提高耐熱性能的要求，深受廣大用戶信賴。改性聚丙烯的主要性能具有質(zhì)輕，價(jià)廉，機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨損，耐彎曲疲勞抗老化等特點(diǎn)。所以山核桃采摘機(jī)的電機(jī)外殼，內(nèi)外管，把手等選用改性聚丙烯。 6.2便攜式山核桃采摘機(jī)的裝配 由于采摘機(jī)的內(nèi)外管都較長(zhǎng)，因此把最主要的部分顯示出來(lái)即可，如圖6-1到

63、6~9所示 圖6-1 總裝配三維前視圖 圖6-2 總裝配三維前視圖 圖6-3 工作及傳動(dòng)部分裝配三維前視圖 圖6-4 工作部分三維下視圖 圖6-5 工作部分三維左視圖 圖6-6 減速箱部分三維前視圖 圖6-7 傳動(dòng)部件三維前視圖 圖6-8 總裝配二維主視圖 圖6-9 總裝配二維俯視圖 電源將能源傳給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)緊接其后的減速箱運(yùn)動(dòng)，II軸上有一段偏心軸，利用偏心的作用，帶動(dòng)動(dòng)力臂來(lái)帶動(dòng)上下拍爪運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)剪切運(yùn)動(dòng)。 因?yàn)樾A錐齒輪較小，其所需的軸也相對(duì)較小，因此不采用聯(lián)軸器，可以把電機(jī)直接固定在外殼上，實(shí)現(xiàn)小圓錐齒輪的定位。

64、 第七章 總結(jié) 我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)業(yè)對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。國(guó)家也提出過(guò)“三農(nóng)”問(wèn)題，國(guó)家也采取了一定措施實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化。 由于我國(guó)屬于多山區(qū)，多丘陵地帶的國(guó)家，很多大型的農(nóng)業(yè)機(jī)械都不能很好的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中去，因此研究設(shè)計(jì)一些便攜的農(nóng)業(yè)機(jī)械還是很有必要的。農(nóng)業(yè)機(jī)械化不僅有利于提高農(nóng)民的收入和生活水平，而且可以節(jié)省大量的勞動(dòng)力和時(shí)間來(lái)從事其他事業(yè)。 目前國(guó)內(nèi)，采摘機(jī)的還處于起步期，很多技術(shù)方面還有很大的局限性，不過(guò)憑借著科技進(jìn)步，人才的開(kāi)發(fā)，前景還是一片寬闊的

65、。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，我國(guó)的農(nóng)民生活水平也會(huì)得到質(zhì)的提高。 山核桃樹(shù)非常高大，并且通常位于險(xiǎn)峻的高山上，人工采摘比較危險(xiǎn)，每年采摘季節(jié)都有死傷事故發(fā)生。本課題擬設(shè)計(jì)一種便攜式山核桃采摘機(jī)，在本機(jī)器的幫助下，工人不必爬到高處，從而減少工傷事故的發(fā)生。 國(guó)內(nèi)曾有人設(shè)計(jì)過(guò)山核桃采摘機(jī)，但是存在一定的問(wèn)題，如下：1結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，不容易普遍；2機(jī)器噪音大；3，不易于操作，體積較大。 本設(shè)計(jì)的山核桃采摘機(jī)具有以下特點(diǎn)： 1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，維修方便，成本較低； 2工作平穩(wěn)，無(wú)噪聲； 3總體質(zhì)量較輕，采摘高度可以根據(jù)人以及樹(shù)的高度來(lái)簡(jiǎn)單控制。 目前在國(guó)內(nèi)，

66、山核桃采摘機(jī)還處于初步發(fā)展階段，該機(jī)器由人工控制電源開(kāi)關(guān)以及采摘高度，大大節(jié)省了人工勞動(dòng)力的輸出，也杜絕了采摘事故的發(fā)生。 由于時(shí)間及個(gè)人能力有限，畢業(yè)設(shè)計(jì)中必定有不少不足之處，本文所做的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，有待于今后的進(jìn)一步深入及完善。論文中存在的紕漏、錯(cuò)誤之處，肯定各位老師和專家批評(píng)指正。 參考文獻(xiàn)： [1] 中藥健康網(wǎng)之山核桃營(yíng)養(yǎng)價(jià)值 [2]網(wǎng)易新聞中心滾動(dòng)新聞 山核桃采摘“硬傷”，何時(shí)能“痊愈” [3] 張潔，李艷文. 果蔬采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，. 2010，27（6）:1 [4] 宋健，張鐵中，徐麗明，湯修映. 果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望 [J] . 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程報(bào)，2006，37（5）:159 [5] Shigehiko Hayashi.Katsunhu Canno,Yukitsugu Ishii,etal.Rob