小型可升降蘋果采摘機畢業(yè)設計

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本 科 畢 業(yè) 設 計 論 文 題 目 小型可升降可移動蘋果采摘機 系 別 專 業(yè) 班 級 學生姓名 指導老師  本科畢業(yè)設計（論文）任務書 No：J 題 目 小型果樹自動采摘機的設計 姓 名 1． 畢業(yè)設計（論文）課題的主要任務： 進入21世紀，陜西省已成為全國蘋果產量大省。醴泉、洛川、白水等地的果農們有的每戶每年大多需要手工收獲5-10萬多斤的蘋果，摘果時常因上梯或上樹而感到非常勞累不便，也有因不慎從樹上或梯子上掉下來的情況，采摘勞動強度大，非常辛苦。因此，急需要有一種既能有效采摘又能減輕勞動輕度的小型實用機械，目前市面上尚未見到此種工具。 本項目擬研究出可升降的且能自動采摘高空樹干蘋果的采摘機。利用它可以站在地上準確快捷摘到樹上的任何部位的果實，再也不用帶著凳子上來下去為摘果而費時費力，既能減輕摘果時的勞動強度提高采摘速度，又可避免摘果站在凳子或果樹上的危險性。 2.課題的具體工作內容（原始數據、技術要求、工作要求）： 1）了解蘋果自動采摘機應用的環(huán)境與條件，分析其功能要求； 2）查閱相關資料，學習研究設計小型機械的思路和方法； 3）設計出總體實現方案并進行充分論證； 4）設計出采摘機的總體結構設計圖； 5）要求以1：1的比例畫出切割部分的機械加工圖紙； 6）采摘重量范圍：2兩到2斤的都可以，不會碰掉其它果實。 3.課題完成后提交的書面材料要求（論文字數，圖紙規(guī)格、數量，實物樣品、外文翻譯字數等）： 1)撰寫出1.5萬字以上的論文； 2）總體結構設計圖一張； 3）機械加工圖紙（1：1的比例）1張； 4）不少于20，000印刷符號的英文翻譯 4.主要參考文獻： n [1]侯書林，朱海主編，《機械制造基礎》北京 中國林業(yè)出版社，北京大學出版社 2007 n [2]郭艷玲，李彥蓉主編，《機械制造工藝學》北京 北京大學出版社 2008 n [3]任金泉主編，《機械設計課程設計》西安 西安交通大學出版社2006 n [4]蔡懷崇，閔行主編，《材料力學》西安 西安交通大學出版社 2004 n [5]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編，《理論力學I》哈爾濱 高等教育出版社 2004 n [6]沈蓮主編，《機械工程材料》西安 機械工業(yè)出版社 2007 n [7]唐克中，朱同軍主編，《畫法幾何及工程制圖》西安 高等教育出版社 2006 n [8]任曉莉，史艷莉主編，《互換性與測量技術基礎》西安 西安交通法大學城市學院 n [9]諸文俊，鐘發(fā)祥主編，《機械原理及機械設計（上冊）》西安 西安交通大學城市學院 n [10] 諸文俊，鐘發(fā)祥主編，《機械原理及機械設計（下冊）》西安 西安交通大學城市學院 5課題工作進度計劃 時間 工作內容 第1周∽第2周 查閱相關資料，學習設計小型機械的思路和方法 第3周∽第4周 反復論證所設計的總體實現方案 第5周 設計出總體結構設計圖 第6周∽第8周 畫出夾持、切割部分的機械加工圖紙 第9周∽第11周上半周 畫出支撐和升降等部分的機械加工圖紙 第11周下半周∽第13周 撰寫論文，做好總結答辯工作 第14周 畢業(yè)論答辯 指導教師（簽名）： 學生（簽名）： 系審批意見： 負責人簽字： 年 月 日 摘要 摘 要 進入21世紀，陜西省已成為全國蘋果產量大省。醴泉、洛川、白水等地的果農們有的每戶每年大多需要手工收獲5-10萬多斤的蘋果，目前，對于采摘高枝蘋果主要靠人力來采摘，摘果時常因上梯或上樹而感到非常勞累不便，也有因不慎從樹上或梯子上掉下來的情況，采摘勞動強度大，非常辛苦。因此，急需要有一種既能有效采摘又能減輕勞動輕度的小型實用機械，目前市面上尚未見到此種工具。 蘋果采摘機的出現，有望改變傳統(tǒng)的勞動方式。小型可升降蘋果采摘機具有結構簡單，使用方便，經濟實用等特點，適用于對高枝蘋果的剪切，亦可以控制升降高度，從而有效地進行剪切。 本次畢業(yè)設計擬研究出可升降的且能自動采摘高空樹上蘋果的采摘機。利用它可以站在地上準確快捷摘到樹上的任何部位的果實，再也不用帶著凳子上來下去為摘果而費時費力，既能減輕摘果時的勞動強度提高采摘速度，又可避免摘果站在凳子或果樹上的危險性。 蘋果采摘機主要由夾持、切割、支撐和升降機構等部分組成。設計結構簡單，經濟實用。像人的手一樣摘果準確靈活，不影響其它臨位水果，觸部位特軟成弧形并且保果不傷果；攜帶、摘果方便；站在地上能準確摘下樹上任何部位的果實；采摘重量范圍：2兩到2斤的都可以，不會碰掉其它果實。 通過完成畢業(yè)設計，全面復習，鞏固機械設計原理、機械制造工藝學以及相關課程的基本知識，并運用所學知識解決加工中的工藝、材料及性能關系等問題，優(yōu)化結構。 關鍵字：蘋果，可升降，采摘機 I ABSTRACT ABSTRACT Entering the 21st century, has become the countrys Apple production in Shaanxi Province. Liquan, Luo chuan, whitewater and other places, the fruit of some household mostly need to be hand-harvested more than 5.1 million pounds of apples a year, At present, the main rely on manpower to harvest branches for Apple picking, picking the fruit often feel very tired on ladders or trees on inconvenience, accidentally fell out of a tree or on a ladder picking intensive, very hard. Therefore, urgent need to have a valid picking can ease labor slightly small practical machine, currently on the market that have not seen this kind of tool. The emergence of Apple-picking machine, is expected to change the traditional way of working. Small lift Apple-picking machine is simple in structure, easy to use, economical and practical features, applies to the high branches of Apples cut, can also control the height, thus effectively cutting. Apple picking mainly by supporting and clamping, cutting, lifting mechanism components. Design structure is simple, economical and practical. Like a human hand, fruit picking precision and flexibility, without affecting the other fruits, special soft touch parts of the fruit into the arc and does not hurt fruit and fruit, and easy to carry, picking fruit; standing on the ground can accurately take off any parts of the fruit on the trees; pick the weight range: 22 to 2 kg can, wont touch some fruit. Through the final, comprehensive review and consolidation of machinery design and theory, basic knowledge of mechanical manufacturing processes, as well as related courses, and use what they have learned to resolve processing technology, materials and property relations and other issues, optimized structure. KEY WORDS： Apple, lifting, harvesting machines 目錄 目 錄 前 言 1 第1章 小型可升降蘋果采摘機的國內外研究分析 3 1.1小型可升降蘋果采摘機的研究目的 4 1.2小型可升降蘋果采摘機的國內外研究分析研究現狀及特點 4 1.2.1小型可升降蘋果采摘機的國內外研究現狀 5 1.2.2小型可升降蘋果采摘機的特點 5 1.3小型可升降蘋果采摘機的基本構造 5 1.4 本章小結 6 第2章 小型可升降蘋果采摘機的總體設計 8 2.1 設計思路分析 8 2.2 總體結構分析及設計 8 2.2.1切割機構的設計 8 2.2.2可升降機構的設計 9 2.2.3安全傳輸機構的設計 13 2.2.4運送行走機構的設計 13 2.4 本章小結 15 第3章 小型可升降蘋果采摘機的切割機構 16 3.1 切割果柄方式的選擇 16 3.2 切割機構材料的選擇 16 3.3 復位彈簧的設計 17 3.4 切割機構上力的分析論證 19 3.5 本章小結 第4章 小型可升降蘋果采摘機可升降機構的設計 20 4.1 可升降機構的方案選型 20 4.2 可升降機構的材料選取 20 4.3 可升降機構的分析及論證 25 4.4 本章小結 27 第5章 小型可升降蘋果采摘機安全傳輸機構的設計 28 5.1 蘋果安全傳輸的要求 28 5.2 安全傳輸機構的設計方案 28 5.3 柔性帶的優(yōu)點 29 5.4 本章小結 29 第6章 小型可升降蘋果采摘機運送行走機構的設計 30 6.1 可移動蘋果采摘機運送行走機構的一般方案 30 6.2 可移動蘋果采摘機運送行走機構的選擇 30 6.3 本章小結 第7章 結論和展望 7.1結論 7.2展望 致 謝 32 參考文獻 34 附 錄 36 39 小型農用車啟動裝置的國內外研究分析 前言 前 言 果樹種植業(yè)是我國農業(yè)中的重要產業(yè)之一，近幾十年來，我國果樹種植業(yè)規(guī)模和產量都有大規(guī)模的增長，其中蘋果產量居世界第一位。如果在每年蘋果收獲季節(jié)，由自動化、機械化采摘代替人工勞作，能夠大大提高蘋果采摘效率，降低勞動強度，提高經濟效率。 據農業(yè)部統(tǒng)計，2008年全國蘋果栽培面積和產量為199．22萬hm2和2 984．66萬t，占全國水果總面積和總產量的18．56％和26．32％，面積和產量均居水果生產的首位。與2007年相比，2008年蘋果的面積和產量分別增加3．04萬hm2和198．67萬t，同比增長了1．55％和7．13％。20lO年中國蘋果總需求約3 120萬t，2015年蘋果總需求達到約3 370萬t。但目前蘋果收獲主要由人工采摘，勞動強度大、消耗時間長，具有一定危險性。隨著蘋果種植園生產的擴大，規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化、時令需求以及農民外出打工增多等因素使勞動力不足的現象越來越明顯，人們自然不斷地對農業(yè)機械提出新的要求，于是果園收獲作業(yè)機械化、自動化成為廣大果農們最為關注的熱點問題，采摘機器人便應運而生。一般蘋果在采摘收獲的基本受力原理主要有拉伸、彎曲、剪切、折斷、撞擊以及下落沖擊等。 研究表明，由于蘋果果柄具有韌性大、易剪斷、位置高低不定等特點，為保護果樹枝干不受較大損壞，且蘋果收獲時不受或少受撞擊損傷，蘋果采摘機一般由底 座支撐機構、伸縮機構、剪切機構、緩沖機構、裝運機構和可移動機構等組成。 蘋果采摘機的問世，有望改變傳統(tǒng)的勞動方式，改善農民的生活勞動狀態(tài)。為此，本文針對我國蘋果種植的情況以及規(guī)模，果樹的區(qū)域生長特點，考慮到使用者(果農)的經濟情況和文化水平，設計出一種高效率、低成本、操作簡單的設計方案，滿足了廣大果農的需求。 小型農用車啟動裝置的國內外研究分析 第1章 小型可升降蘋果采摘機國內外研究分析 最早采摘果實的方法是采用機械振搖式和氣動振搖式, 但是存在果實容易損壞, 效率不高以及容易采摘到不成熟果實的缺點。隨著技術的改進, 人們開始用梯子、升降臺等設備協(xié)助機器采摘水果, 但是仍然存在勞動密集型的特點。從而, 運用機器人技術采摘水果有了快速的發(fā)展。 美國學者Schertz和Brown于1968年首先提出應該用機器人技術采摘果實，1987年Sistler指出當時開發(fā)的果實采摘機器人都需要人協(xié)助, 因此只能算是半自動化的收獲機械。目前在國內, 果實采摘基本上還是人工進行, 但隨著人口老齡化和農村勞動力的日益減少, 水果采摘機器人將會得到充分的使用。而在日本和歐美等發(fā)達國家在果實采摘機器人方面已取得了較大的發(fā)展。 隨著高科技的迅速發(fā)展 ,機器人技術已廣泛地應用于各個領域 。機器人應用于農業(yè)生產中 ,特別是設施農業(yè)生產過程 ,是農業(yè)向自動化和智能化發(fā)展的標志 。在農業(yè)機器人的研究方面 ,目前國內還只是處于起步階段 ;但是國外農業(yè)機器人發(fā)展迅速,美國、歐洲和亞洲等許多國家對蔬菜和水果機器人系統(tǒng)進行了研究開發(fā)并有初步應用,主要用于番茄、黃瓜 、草莓、葡萄、西瓜、蘋果、柑橘、甘藍、蘑菇等收獲以及育苗生產和作物管理等各類農業(yè)機器人 。 在果蔬生產作業(yè)中 ,收獲采摘約占整個作業(yè)量的33% ～50%。由于采摘作業(yè)的復雜性 ,采摘自動化程度仍然很低。21 世紀農業(yè)勞動力將逐漸向社會其它產業(yè)轉移 ,世界各國面臨著人口老齡化問題,勞動力資源不足將逐漸變?yōu)楝F實 ,收獲機器人作為農業(yè)機器人的重要類型,能夠降低人工勞動強度 ,提高勞動生產率和產品質量 ,保證果實適時采收,具有很大發(fā)展?jié)摿?。因?發(fā)展機械化收獲技術 ,研究開發(fā)果蔬采摘機器人,具有重要的意義。 1.1小型可升降蘋果采摘機的研究目的 在農業(yè)生產作業(yè)中 ,收獲采摘約占整個作業(yè)量很大比重。由于采摘作業(yè)的復雜性 ,采摘自動化程度仍然很低。21 世紀農業(yè)勞動力將逐漸向社會其它產業(yè)轉移 ,世界各國面臨著人口老齡化問題,勞動力資源不足將逐漸變?yōu)楝F實 ,而采用小型可升降蘋果采摘機能夠降低人工勞動強度 ,提高勞動生產率，利用它可以站在地上準確快捷摘到樹上的任何部位的果實，再也不用帶著凳子上來下去為摘果而費時費力，既能減輕摘果時的勞動強度提高采摘速度，又可避免摘果站在凳子或果樹上的危險性。 1.2 小型可升降蘋果采摘機研究現狀及特點 當前，農業(yè)機械化的普及化程度還不高，大多還是采用傳統(tǒng)的農業(yè)生產方式，這樣不僅耗費人力體力，而且勞動效率也不高，更重要的是帶有一定的危險性。因此，設計一種經濟實用，省時省力的小型機械產品成為市場的一種強烈需求。 1.2.1小型可升降蘋果采摘機的研究現狀 對于小型蘋果采摘機的研究，目前主要有兩種，一種是應用機器人技術的智能采摘機。另一種則是小型機械化的采摘機。應用機器人技術而開發(fā)的采摘機，雖說采摘效率高，對果樹傷害較小，但其代價昂貴，不適合應用于廣大農村。而基于小型機械化的蘋果采摘機，設計結構簡單，使用方便，成本低廉，非常適合果園種植面積大，勞動力不足的農村，大大降低農民在集中收獲蘋果時的勞動強度，因為其經濟實用，所以可以大力推廣。 1.2.2小型可升降蘋果采摘機的特點 小型可升降蘋果采摘機的出現，可以大大提高勞動效率，降低勞動強度，解決勞動力不足、提高經濟效率，有望改變傳統(tǒng)的勞動方式。小型可升降蘋果采摘機的特點有以下幾點: (1 ) 設計結構簡單，易操作。 （2）像人手一樣準確靈活，不會傷害其他果實。 （3）攜帶，摘果方便，站在地上就可以摘到高處的蘋果。 （4）經濟實用性很高，非常適用于廣大農村果園種植地，大大降低勞動強度。 1.3一般小型可升降蘋果采摘機的基本構造 一般蘋果在采摘的過程中基本受力原理主要有拉伸，彎曲，剪切，折斷，撞擊以及下落沖擊等，研究表明，由于蘋果果柄具有韌性大，易剪切，位置高等特點，為保護蘋果枝干不受較大的損傷，且蘋果收獲時不受或者少受撞擊損傷，蘋果采摘機一般由底座支撐機構，伸縮機構，剪切機構，緩沖機構，裝運機構和可移動機構等組成。如圖1-1為常見的蘋果采摘機。 （1） 底座支撐機構：主要起到支撐的作用，能更好地進行切割。 （2） 伸縮機構：蘋果樹有高有低，高的最高可達4m左右，沒有伸縮機構就無法夠到，所以設計出可伸縮機構，可以根據蘋果的高低來調節(jié)桿的高度，以達到剪切的目的。 （3） 緩沖機構：蘋果容易損傷，在剪切的過程中會受到下落沖擊的作用，緩沖機構可以降低或消除下落所帶來的沖擊，常用的緩沖機構主要有柔性布筒裝置。 （4） 裝運機構：可以用來存放采摘下來的蘋果的機構，該機構的設計要求盡量簡單實用，而且不傷害蘋果。 （5） 可移動機構：由于果實生長的植株是固定的，所以小型蘋果采摘機在采摘果實時通過運送行走機構移動，配合采摘蘋果?？梢苿邮教O果采摘機的行走機構方案一般有3種：車輪式、履帶式和人形結構。其中，車輪式應用最廣泛。車輪式的走機構轉彎半徑小，轉向靈活，但輪式的結構對于松軟的地面適應性較差，會影響切割機構的精度。而履帶式的行走機構對地面的適應性較好，但因其轉彎半徑過大，轉向不靈活。目前只有葡萄采摘機器人使用履帶式行走機構。 圖1-1 常見蘋果采摘機 1.4 本章小結 本章首先交代了小型可升降蘋果采摘機研究的目的，簡要的介紹了小型可升降蘋果采摘機的發(fā)展，國內外的研究現狀、以及小型可升降蘋果采摘機的特點；其次說明了本課題研究的內容、目的和意義，最后簡單介紹了小型可升降蘋果采摘機基本構造。 小型農用車啟動裝置的總體設計 第2章 小型可升降蘋果采摘機的總體設計 2.1 設計思路分析 設計小型可升降蘋果采摘機的目的是為了減輕農民的負擔，降低勞動強度，使蘋果采摘更安全，更有效率，小型蘋果采摘機也要考慮到其經濟實用，這也是很重要的。本文設計的小型可升降蘋果采摘機可以極大的提高采摘的效率，對于高處的蘋果，再也不用去費力搬梯子，也就不會出現因不慎從樹上或梯子上掉下來的危險情況。 設計小型可升降蘋果采摘機主要是為了應用于農村廣大種植園，所以就首先要經濟實用，所以這里不考慮那些基于機器人技術和智能技術的基礎上來設計蘋果采摘機。果柄有的韌度大有的韌度小，所以這里就要采用剪刀來剪切，這樣就可以保證韌度較大的果柄被順利剪切.蘋果樹有高有低，高的可達四米左右，單靠人根本無法夠到，所以就要設計出一種可伸縮的機構，根據果樹的高低可以來調節(jié)剪切的高度。剪切下來的蘋果在下落過程中會受到沖擊作用而傷害果實，所以，就必須設計一種可以緩解或者消除沖擊力的機構來使得蘋果能安全落到蘋果筐里面。由于果實生長的植株是固定的，對于搬運采摘下來的蘋果來說就很費力，設計一種適合在果園里移動的安全行走機構就可以大幅降低勞動力，目前，采用智能導航技術的無人駕駛自主式小車是智能采摘機器人行走部分發(fā)展的趨勢。 2.2 總體結構分析及設計 蘋果采摘機基本組成： 切割機構 可伸縮機構 安全傳輸機構 運送行走機構 首先為了達到能順利地剪切果柄，剪切機構的剪切部分采用剪刀來剪切，然后用拉桿來控制剪刀的剪切，剪刀的兩個手柄中間設置有復位彈簧，可以在剪切完成后又能使剪刀恢復張開狀態(tài)；其次是可升降機構，該機構由內桿和外桿組成，內桿套在外桿內，內桿內有壓縮彈簧被壓縮著，頂著外桿的內壁，內外桿可以用手來驅動相互運動，當內桿伸出一定距離后，里面的壓縮彈簧就會彈出來，起到固定的作用，根據果樹的高低來設定內外桿的可伸縮長度。接下來的安全傳輸機構的設置主要是為了使剪切下來的蘋果安全落到蘋果筐里面，該機構主要采用柔性布筒來減輕或者消除蘋果下落所帶來的沖擊對蘋果造成的損傷，蘋果剪切下來后，可以順利落到連接在下面的柔性布筒當中，柔性布筒里面安裝有彈性網，可以使蘋果下落減速，不會傷果。柔性布筒可以直接連接到蘋果筐里，其結構簡單，實用方便，有利于降低勞動強度，減少人力消耗，提高工作效率，保障人身安全。接下來就是運送行走機構的設計，考慮到蘋果園地形的因素，這里選用車輪式的行走機構。 小型可升降蘋果采摘機由切割機構，可伸縮機構，安全傳輸機構和運送行走機構幾部分組成的，下面就這幾個方面分別分析。 2.2.1切割機構的設計 1）切割機構的設計方案 切割機構目前主要有兩種方案： （1）利用手腕的旋轉和周轉關節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實后擰斷果柄。 該方案可以避免切刀對其他蘋果造成的誤傷，適合對于果柄易斷的蘋果，但對于果柄韌度較大，就不容易切割下來，從而降低勞動效率。 （2）利用切刀或者電極直接切斷果柄。 該方案能夠有效地切割果柄，但切刀容易傷到其他果實，并且也要對果柄的位置做出精確的判斷，同時手腕要有必要的自由度，否則很容易傷到別的果實，根據果柄的方位，由手腕調整末端執(zhí)行器的采摘姿態(tài)后，切刀才能進行精準的切斷果柄。而如果要對果柄的方位做精確的檢測的話，就相應的增加了設計的難度和成本?！?　 2）針對以上兩種方案的優(yōu)缺點，再結合采摘蘋果的實際情況，我設計研究 了以下兩種采摘方案。 （1）根據電磁原理切割研究方案 電磁原理切割機構包括交流電機，磁性剪刀，電池電源，開關和導線等，利用電磁原理，通過改變電路正負極方向來改變剪刀兩端的磁性實現切割。例如，左邊剪刀定位S極，開始時右邊為S極，由于同性相斥，剪刀狀態(tài)為打開狀態(tài)。然后剪切時通電改變右邊剪刀的磁性，使其變?yōu)镹極，由于異性相吸，剪刀就會閉合，從而實現切割。 （2）根據機械設計原理設計的切割方案 本機構包括：壓縮彈簧，剪刀，剪刀連接鞘，小拉桿，拉桿連接鞘，鋼絲繩。利用平面四桿結構和簡單機械機構的設計來達到切割目的，如圖所示： 其中，1為剪刀，2為剪刀連接鞘，3為壓縮彈簧，4為剪刀連接鞘，5為拉桿連接鞘，6為拉桿。該機構采用瞬間拉動拉桿，通過外部拉桿拉動鋼絲繩連接的拉桿6，兩個小拉桿的角度就會減小，然后壓縮彈簧被壓縮，剪刀閉合從而實現切割。切割完后，壓縮彈簧收縮，剪刀就會成張開狀態(tài)，剪刀柄和小拉桿角度恢復，鋼絲繩拉桿自動恢復原狀。 2.2.2可升降機構的設計 可升降機構的設計關系到切割機構能否達到剪切的高度，可升降機構的要求首先是機構設計簡單容易操作，更重要的是設計出來的結構不會過于沉重，否則就會增加勞動強度，影響到采摘的效率。 1）可升降機構的可行方案 方案一： 方案一說明： 上圖為蘋果采摘機升降機構的設計方案一，重要組成部分在圖中已有明確表示，主要包括底座，升降臺一，升降臺二，桿一，桿二，伸縮支撐器等。其中升降臺一可繞底座轉動，增大采摘面積。伸縮支撐器可上下伸縮，由此調整采摘桿相對于地面的角度，這樣一來更加增大了蘋果采摘的范圍。升降臺和伸縮支撐器的動力部分均是由液壓完成，液壓系統(tǒng)的主要設備安裝在底座部分，其他的輔助設備安裝在適當部位。 方案二： 方案二說明： 上圖為蘋果采摘機升降機構的設計方案二，重要組成部分在圖中已有明確表示，主要包括凸輪機構，箱體一和二，支架，支架板，球鉸鏈等。箱體一中安裝電動機，使得凸輪一轉動，實現升降效果。支架固定于箱體一和支架板之間，起到穩(wěn)定支架板的作用。箱體二的作用主要為安裝桿件的驅動機構和控制機構，要是有更多的人為參與的話，箱體二的作用有所減弱。球鉸鏈的作用主要為讓桿件獲得更多的自由度，以實現增大采摘范圍的目的。 方案三： 方案三說明： 該方案的可升降機構主要有內桿和外桿組成，內桿套在外桿里，兩桿接觸的部分做成螺紋接觸，這樣就不會出現由于桿太滑而影響可升降桿的升降和切割機構的切割。內桿中有彈片，兩彈片之間用壓縮彈簧相連，頂著內桿內壁，當內桿伸出來時，彈片就會彈出，就會頂住外桿，這樣就可以起到固定的作用，不會影響到切割。 2.2.3安全傳輸機構的設計 剪切下來的蘋果要受到下落沖擊的作用，下落沖擊產生的力會損傷蘋果，造成損失，如何安全地使剪切下來的蘋果落到蘋果筐里面，這就是設計安全傳輸機構所要考慮的。安全傳輸機構的設計，主要是為了減少或者消除沖擊力，避免傷害到蘋果。安全傳輸機構的設計也應該結構簡單，實用方便和經濟實用。根據實際情況，我設計出了以下的安全傳輸機構： ? 如上圖所示，1為剪刀，2為鐵圈，3為網兜，4為柔性袋，5為支架，6為拉桿。 ? 撐桿的端部固定設置有鐵圈，鐵圈直徑有15厘米，足夠蘋果落入。鐵圈上設有網兜，網兜下面與柔性布袋相連接，柔性布袋通過支架固定在撐桿上。柔性布袋可收縮，富有彈性，不會在蘋果下落過程中傷蘋果，而且布袋下面設有緩沖網，且可以直接連接到蘋果筐里，該結構簡單，使用方便，經濟實用。 2.2.4運送行走機構的設計 考慮到果園里采摘要運送蘋果，為了降低勞動強度，就得設計一種適合在蘋果園里移動的運送行走機構，這樣就省去了費大力氣去人工搬運的許多麻煩，小型蘋果采摘機在采摘時候，通過運送行走機構的移動來配合采摘蘋果。目前，可用于實際操作的運送行走機構主要有兩種，一種是車輪式結構，一種是履帶式結構。如圖所示： 2.4 本章小結 本章主要分析了小型可升降蘋果采摘機的總體結構設計。詳細地介紹了切割機構，可升降機構，安全傳輸機構和運送行走機構的可選擇設計方案以及當前的應用發(fā)展，下面主要就是對各個結構部分做出最優(yōu)選擇以及可行性論證。 小型農用車啟動裝置的動力傳輸機構設計 第3章 小型可升降蘋果采摘機切割機構設計 3.1 切割方式的選擇 從國內外的研究成果來看，對于果柄的打斷，基本上采用以下兩種方式： （1）利用手腕的旋轉和周轉關節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實后擰斷果柄。 該方案可以避免切刀對其他蘋果造成的誤傷，適合對于果柄易斷的蘋果，但對于果柄韌度較大，就不容易切割下來，從而降低勞動效率。 （2）利用切刀或者電極直接切斷果柄。 該方案能夠有效地切割果柄，但切刀容易傷到其他果實，并且也要對果柄的位置做出精確的判斷，同時手腕要有必要的自由度，否則很容易傷到別的果實，根據果柄的方位，由手腕調整末端執(zhí)行器的采摘姿態(tài)后，切刀才能進行精準的切斷果柄。而如果要對果柄的方位做精確的檢測的話，就相應的增加了設計的難度和成本。 針對以上兩種方案的優(yōu)缺點，再結合采摘蘋果的實際情況，我設計研究了以下兩種采摘方案。 （1）根據電磁原理切割研究方案 電磁原理切割機構包括交流電機，磁性剪刀，電池電源，開關和導線等，利用電磁原理，通過改變電路正負極方向來改變剪刀兩端的磁性實現切割。例如，左邊剪刀定位S極，開始時右邊為S極，由于同性相斥，剪刀狀態(tài)為打開狀態(tài)。然后剪切時通電改變右邊剪刀的磁性，使其變?yōu)镹極，由于異性相吸，剪刀就會閉合，從而實現切割。 ( 2 ) 機械設計原理設計的切割方案 本機構包括：壓縮彈簧，剪刀，剪刀連接鞘，小拉桿，拉桿連接鞘，鋼絲繩。利用平面四桿結構和簡單機械機構的設計來達到切割目的，如圖所示： 其中，1為剪刀，2為剪刀連接鞘，3為壓縮彈簧，4為剪刀連接鞘，5為拉桿連接鞘，6為拉桿。該機構采用瞬間拉動拉桿，通過外部拉桿拉動鋼絲繩連接的拉桿6，兩個小拉桿的角度就會減小，然后壓縮彈簧被壓縮，剪刀閉合從而實現切割。切割完后，壓縮彈簧收縮，剪刀就會成張開狀態(tài)，剪刀柄和小拉桿角度恢復，鋼絲繩拉桿自動恢復原狀。 以上的可行性設計方案中，方案一結構比較簡單，設計也較合理，不足的是要用到電池或者電機，而且容易傷到其他果實，不好實現控制；方案二結構簡單，設計也合理，而且容易操作，經濟實用。所以在這里切割機構的設計選擇方案二。 3.2 切割材料的選擇 材料的力學性能有強度，硬度和疲勞強度，強度是材料在外力的作用下抵抗變形和斷裂的能力，根據外力的作用方式，材料的強度分為抗拉強度，抗壓強度，抗彎強度和抗剪強度等。硬度是材料抵抗更硬物體壓入的能力，常用的硬度指標有布氏硬度，洛式硬度等。疲勞強度是在交變應力下工作的，所謂交變應力是指零件所受應力的大小和方向隨時間做周期性變化。例如，受力發(fā)生彎曲的軸，在轉動時材料要反復受到拉應力和壓應力，屬于對稱交變應力循環(huán)。零件在交變應力的作用下，當交變應力值遠低于材料的屈服強度時，經長時間運行后也會發(fā)生破壞，這種破壞成為疲勞破壞，疲勞破壞往往會突然發(fā)生，無論是塑性材料還是脆性材料，斷裂時都不產生明顯的變形。 對于要剪切韌度高的果柄，這就要求刀片的硬度要高，而且耐磨。 碳素鋼應用非常廣泛，能滿足工農業(yè)生產的需要，加之價格低廉，并且有一定的力學性能，所以在這里刀片選用碳素工具鋼。碳素工具鋼又可分為碳素結構鋼，優(yōu)質碳素結構鋼，碳素工具鋼和一般工程鑄造碳素鋼。下表就是對各類碳素鋼的介紹： 名稱 特點 應用 碳素結構鋼 較高的強度和良好的塑性，韌性，工藝性能優(yōu)異 用于一般工程結構，普通機械零件以及日用品等 優(yōu)質碳素結構鋼 這類鋼中有害雜質含量較少，化學成分控制較嚴格，塑性和韌性較高 多用于制造較重要的零件，一般經過熱處理后使用，以充分發(fā)揮其性能潛力。 碳素工具鋼 生產成本較低，加工性能好 可用于制造低速，手動刀具及常溫下使用的工具，模具，量具等。 一般工程鑄造碳素鋼 能制造形狀復雜的零件。 應用于機械制造尤其是重型制造業(yè)中。 綜合以上表，切割機構選擇碳素工具鋼比較好。 3.3 復位彈簧的設計 . 1. 彈簧的種類很多，按受載性質可以分為拉伸彈簧，壓縮彈簧，扭轉彈簧和彎曲彈簧等四種；按照彈簧形狀又可以分為螺旋彈簧，碟形彈簧，環(huán)形彈簧等。 螺旋彈簧使用螺旋線圈繞而成，由于制造簡便，所以應用最廣，螺旋彈簧按外形可分為圓柱形彈簧和圓錐形彈簧。在這里，圓柱形彈簧應用最廣，在這里選用圓柱形彈簧。如圖所示： 2.彈簧的制造 螺旋彈簧的制造過程包括卷繞，兩端面加工（壓縮彈簧）、熱處理和工藝試驗。 彈簧制成后，如再進行一次強壓處理，一般可提高承載能力約百分之二十，如果進行噴丸處理，則承載能力可提高百分之三十至百分之五十，使用壽命增大2——2.5倍。 3.彈簧的材料 彈簧在工作中經常受到沖擊載荷和循環(huán)變載荷的作用，因而要求制造彈簧的材料應具有較高的抗壓強度和一定的沖擊韌性、塑性以及良好的熱處理性能。 選擇彈簧的材料時，應充分考慮彈簧的工作條件、功用、重要性和經濟性等因素。 常用的彈簧材料有碳素彈簧鋼、合金鋼和有色金屬等。 碳素彈簧鋼: 含碳量在0.6%——0.9%之間，按其力學性能可分為B、C、D三級。這類鋼價廉易得，熱處理后具有較高的強度，適宜的韌性和塑性，但當彈簧絲直徑大于12mm時，不易淬透，故僅用于做小尺寸的彈簧。 故這里選用的材料為碳素彈簧鋼。 4.彈簧的許用應力計算 由教材《機械原理及設計》中的表20-4試取彈簧絲直徑d=1mm,C（彈 簧指數）取5。其中C為彈簧中徑與彈簧絲直徑的比。 則由表20-2可取碳素彈簧鋼的抗拉強度@1為1660Mpa(B級） 可得彈簧的許用應@2=0.45*@1=0.45*1660=747Mpa 曲率系數K=（4c-1）/(4c-4)+0.615/c=1.31 彈簧所受到的應力為@=c*8*F*d2/3.14*d*d*d 代入數據得：@=667.5﹤747Mpa 故所選尺寸和材料符合要求。 3.4切割機構上力的分析論證 蘋果樹枝的半徑一般為2mm,剪刀末端切割蘋果時的角度為50度，其受力分析如下所示： ? 如上受力分析圖所示，剪切果枝用大概二十牛的力，兩角度可近似看做50度，根據圖中剪切力受力分析可知： ? F1=F2 ? F=2F1cos65=2F2cos65 由以上式解得剪斷果柄所需要的施加在拉桿上的拉力大概為F=16.9N。 ? 通過分析可得，當剪刀與蘋果果柄相切時，需要的拉力為16.9牛的力就可以切割下來，拉動拉桿的力為瞬時力，比這個力大得多，所以剪刀可以切割下來。 3.4 本章小結 本章主要介紹了小型可升降蘋果采摘機的設計，分別詳細介紹了切割方式，切割機構材料的選擇，復位彈簧的設計以及加在切割機構上力的分析論證。 小型農用車啟動裝置的儲能裝置及動力轉換機構的設計 第4章 小型可升降蘋果采摘機可升降機構的設計 4.1可升降機構的設計和方案選型 上章我介紹了關于小型可升降蘋果采摘機可升降機構的可行性方案，有兩種方案，一種是基于液壓系統(tǒng)的可升降機構，另一種則是基于凸輪系統(tǒng)的可升降機構。 這兩種設計方案各有優(yōu)缺，但這兩種設計方案都不可避免地增加了機構的復雜性，既增加了操作的的復雜性，降低了靈活性，也增加了成本，不利于在農村果園普及推廣開來。 我根據雨傘的可升降原理設計出了一種結構簡單，經濟可行的可升降方案，如圖所示： 如圖所示，1為外桿，2為內桿，3為彈片，4為壓縮彈簧。 蘋果樹最高為4米，可伸縮桿外桿長度為1.25米，內桿為2.00米，內桿可以自由伸縮。所以，可伸縮桿長度的長度變化范圍為2.00——2.90之間，再加上人的身高最低1.5米，長度足夠，可以滿足采摘要求。 該方案的可升降機構主要有內桿2和外桿1組成，內桿套在外桿里，兩桿接觸的部分做成螺紋接觸，這樣就不會出現由于桿太滑而影響可升降桿的升降和切割機構的切割。內桿中有彈片3，兩彈片之間用壓縮彈簧4相連，頂著內桿內壁，當內桿伸出來時，彈片3就會彈出，就會頂住外桿1，這樣就可以起到固定的作用，不會影響到切割。 4.2可升降機構材料的選擇 可升降桿材料的要求: 首先不能過重，其次要有一定的強度。而鋁合金強度高，用它可以代替某些鋼鐵材料，可以減輕機構的質量。下表是有關鋁合金代號，力學性能以及用途的說明： 類別 牌號 代號 化學成分（質量分數） 處理狀態(tài) 力學性能 用于舉例 Cu Mg Mn Zn 其他 σb δ HBS 硬鋁合金 2A01 LY1 2.2-3.0 0.2-05 0.2 0.1 線材Cz 300 24 70 工作溫度不超過100℃的結構用中等用中等強度鉚釘。 2A11 LY11 3.8-4.8 0.4-0.8 0.4-0.8 0.3 板材Cz 420 18 100 中等強度結構零件，如骨架，模鍛的固定端頭，支柱，葉片等。 2A12 LY12 3.8-4.9 1.2-1.8 0.3-0.9 0.3 板材Cz 470 17 105 高強度結構零件，如骨架，蒙皮，梁，鉚釘等150℃之下的零件。 7A04 LC4 1.4-2.0 1.8-2.8 0.2-0.6 5.0-7.0 Cs 600 12 105 結構中主要受力件，如飛機大梁，加強框，蒙皮，及起落架等。 結合上表所示，可升降桿的材料應選擇ＬＹ１２材料，該材料時鋁－銅－鎂合金系中的典型硬鋁合金，其成分也比較合理，綜合性能也較好。合金桿的許用應力為３７０ＭＰａ． 4.3 可升降機構上力的分析計算及其論證 　　　可升降構件上連接的部分有剪刀，網兜，柔性袋及其連接件，其質量約為１Ｋｇ，果農在進行采摘時，桿與水平地面夾角設為８０度。 受力分析如圖所示： 　　　　　　 （１） 求支反力 分別由平衡方程∑ＭＢ＝０和∑ＭＡ＝０求得 ＦＡ＝ｂＦ／ａ＋ｂ，ＦＢ＝ａＦ／ａ＋ｂ （２） 列剪力方程和彎矩方程 ＡＣ段： 　　　在ＡＣ段任取一截面，設截面上有正的剪力Ｆｓ１和彎矩Ｍ１，如圖所示： 　　　 　　　由平衡可得，Ｆｓ１＝ＦＡ＝ｂＦ／ａ＋ｂ?。ǎ埃迹兀保迹岍w 　　　　　　　　　Ｍ１＝ＦＡＸ１?。剑猓疲幔狻。ǎ埃迹兀保迹岍w ＣＢ段： 　　　在ＣＢ段任取一截面，設截面上有正的剪力Ｆｓ２和彎矩M 2，受力分析如圖所示: 由平衡條件可得：Fs2=FA－F=﹣aF／a+b (a ＜X2＜a+b﹚ M2=FAX2－F(X2－a)= bF／a+bX2－F(X2－a) (a＜X2＜a+b﹚ 做剪力圖和彎矩圖： 由剪力方程和彎矩方程分別作出剪力圖和彎矩圖，如圖所示： 由圖可知 最大剪力為Fs max=bF／a+b 最大彎矩為Mmax=abF／a+b 要求出F的大小，就得先作出剪切力受力分析。如圖： 從圖中可知桿在拉伸到最大時所受切向的力為F=mgsin10=1.7N 代入數據可得最大剪力為Fsmax=1.7(2－0.35﹚2＝1.4N. 可升降桿的截面相當于薄壁圓環(huán)截面，最大切應力發(fā)生在中性軸上，方向平行于剪力Fs,由計算得: Τmax=2Fs／A 其中設計d=29mm，A為圓環(huán)截面面積，求得A=2πR t(R為圓環(huán)的中徑，t為圓環(huán)壁厚) 代入數據可得A=2πRt＝23.140.0270.002＝0.000339mm 所以最大切應力τmax=21.40.000339=8.26Mpa〈370Mpa 因此，可升降桿的剛度完全符合要求。 4. 4本章小結 本章介紹了可升降機構的設計方案，分析了設計的可行性，并且通過計算進行了論證和分析。 小型農用車啟動裝置的止動機構、釋放機構的設計和離合機構的選型 第5章 小型可升降蘋果采摘機安全傳輸機構的設計 5.1 蘋果安全傳輸機構的要求 采摘下來的蘋果如何安全地傳輸到蘋果筐里面是設計時必須要考慮到的，如果單靠人力一個個放到筐子里，就會增加勞動的強度，消耗體力。所以應該設計一種安全傳輸機構，，可以減輕或者消除蘋果下落產生的下落沖擊力，使蘋果安全地落到筐子里。安全傳輸機構的設計應該結構簡單，安裝使用方便，經濟實用，可以在滿足采摘的不同要求。 5.2安全傳輸機構的設計方案 根據蘋果下落安全，結構簡單，安全使用方便等要求，設計安全傳輸機構如圖所示： 如圖所示，1為剪刀，2為鐵圈，3為網兜，4為柔性布筒，5為布筒撐桿，6為拉桿。 在剪刀下部設置有鐵圈，鐵圈直徑有15cm,足夠蘋果落入。鐵圈上設有網兜，網兜的下部與柔性布筒相連接，柔性布筒通過布筒撐桿固定在桿上。切割機構所在的部分與可升降機構所在的部分成135℃，是為了增加采摘時的靈活性，也可以避免采摘下來的蘋果直接落入柔性布筒，有了角度可以緩緩滾入里面，柔性布筒采用柔性帶，可收縮，帶有彈性，而且柔軟有張力，柔性布筒里面安裝有彈性網，可以使蘋果下落減速，不會傷果，布筒可以直接連到蘋果筐里。 該方案結構簡單，操作容易 ，可以極大地減少工作強度，提高工作效率，能夠使得采摘下來的蘋果安全落入。 5.3 柔性帶的選型 柔性帶的設計主要是為了減輕或者消除蘋果下落所帶來的沖擊力，以免損傷蘋果，柔性布筒采用的是柔性帶，柔性帶有以下的優(yōu)點： 1 有著高抗拉能力，可承受0.5——8.5t的拉力。 2 高抗沖擊性能，能夠很好地吸收沖擊能量。 3 使用安全，柔軟質量小，不會產生安全隱患， 4 不傷產品。 5 不生銹不變質，不會污染產品，能經受各種氣候條件的考驗。 6 經濟實用，節(jié)約成本。 5.4 本章小結 本章首先介紹了安全傳輸機構的設計要求，然后設計出了可行性方案，并且對結構材料的性能要求做了說明。 第6章 運送行走機構的設計 6.1可移動蘋果采摘機運送行走方案 對于采摘下來的蘋果，如果單靠人力去運送，就會增加勞動強度，為此，必須設計一種可以在果園自由運送蘋果的裝置，通過這個運送裝置來配合采摘。 可移動采摘機的運送方案一般有三種：車輪式，履帶式和人形機器人結構。如圖所示： 6.2 運送行走方案的選擇 車輪式運送行走方案應用最為廣發(fā)，車輪式轉彎半徑小，轉向較為靈活，可以在果園自由行走。而履帶式行走機構雖然對地面的適應性好，但其轉彎半徑大，轉向又不靈活。對于目前尚處于研究開發(fā)中的人形機器人技術，則由于技術還不成熟，有待進一步的探索。 所以，考慮到地形，經濟方面的因素，在這里選用車輪式的運送行走方案。 結論和展望 第7章 結論和展望 7.1結論 研究本課題對于提高農業(yè)勞動的生產效率，降低勞動強度，改善工作環(huán)境，提高經濟效率有著重要意義，本文針對采摘蘋果的具體要求，設計出一種適用于廣大農村地區(qū)，該產品充分利用機械設計原理，設計出了一種經濟實用，實用操作簡便的小型可升降蘋果采摘機。 研究工作結論：本文根據農業(yè)中采摘蘋果的存在的問題，主要介紹了一種簡單的、可靠的純機械式的蘋果采摘機。它操作簡單，維護方便，使用成本低廉，可以滿足采摘的要求，文中詳細地介紹了小型可升降蘋果采摘機的各個組成部分的設計，通過對比，最后選擇了其中較好的機構，并通過計算、分析論證了設計的可行性。 6.2展望 本研究中設計的小型可升降蘋果采摘機有許多的不足之處，如可能會傷害到蘋果芽的生長，也可能因為刀片會碰到其他蘋果而造成不必要的損失等。希望在以后的研究中能夠借以為鑒，發(fā)揮其優(yōu)勢，優(yōu)化其不足之處。本設計還可以加以改進，將來需要進一步可以設計出果實識別和定位系統(tǒng)，可以更加精確地進行切割，使其能成為一個完善的機構。總之，希望我設計的機構能夠發(fā)揮出應有的作用，為我國農業(yè)做貢獻。 致謝 致 謝 本論文是在指導老師樊琛教授的精心指導下完成的。從選題、論證、設計、到畢業(yè)論文的撰寫無不滲透著恩師的心血。導師嚴謹的治學態(tài)度、淵博的知識、對問題的敏銳洞察力、精益求精的務實學風讓我受益匪淺；同時，導師在生活和學習上對我給予了無微不至的關懷和教誨，在此特別向樊老師致以誠摯的感謝。 在整個課題研究期間，還得到了曹凡老師、楊振坤老師大力幫助和支持，特別是樊琛老師對我的精心輔導，對我的幫助也非常大，在此向他們表示衷心的感謝！ 同時還得特別感謝我的父母，在我學習期間，他們無論是精神上還是在物質上都給了我很大的支持。在這里，我表示最衷心的謝意！ 面對如此多的關心和幫助，這是一種幸福也是一種感動，唯有在以后的日子里時時敦促自己，努力成長，不斷進取，以不辜負師長、親人和朋友對我的殷切期望。 參考文獻 參考文獻 n [1]侯書林，朱海主編，《機械制造基礎》北京 中國林業(yè)出版社，北京大學出版社 2007 n [2]郭艷玲，李彥蓉主編，《機械制造工藝學》北京 北京大學出版社 2008 n [3]任金泉主編，《機械設計課程設計》西安 西安交通大學出版社2006 n [4]蔡懷崇，閔行主編，《材料力學》西安 西安交通大學出版社 2004 n [5]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編，《理論力學I》哈爾濱 高等教育出版社 2004 n [6]沈蓮主編，《機械工程材料》西安 機械工業(yè)出版社 2007 n [7]唐克中，朱同軍主編，《畫法幾何及工程制圖》西安 高等教育出版社 2006 n [8]任曉莉，史艷莉主編，《互換性與測量技術基礎》西安 西安交通法大學城市學院 n [9]諸文俊，鐘發(fā)祥主編，《機械原理及機械設計（上冊）