苹果采摘机结构设计（三维PROE运动仿真）

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 摘 要 苹果种植行业的全面发展，增加果园对于机械的需要两，若想在人力，物力方面能够尖山投入，增加果农的收入，研发采摘设备是现实之所需。苹果采摘设备是一款非常有市场前途的机器，能够在农场中移动彩照果实，文中主要针对采摘机进行研发，此款采摘机能够移动，设计它的结构，手臂以及末端执行器。 文中起先分析设备的功能，设计任务，对苹果采摘机的整体结构确定；此后，大篇幅设计采摘季的结构，手臂还有手爪，此后对每一部分展开校核，之后以软件CAD将设备的装配图，主要零件图画出。 完成此设计之后，学校里面学到的专业知识和实践联系起来，对其有更深的理解，给未来来说奠定一定的实践基础。 关键词：苹果；采摘机；手臂；手抓；末端执行器 Abstract The comprehensive development of Apple planting industry increases the demand for machinery in orchard. If we want to invest in manpower and material resources and increase the income of fruit growers, it is necessary to develop harvesting equipment.The Apple Picker is a promising machine that can move colored fruit on a farm. This paper focuses on the research and development of the picker, which can move and design its structure, arms and end actuators. In this paper, the function of the equipment, design tasks and overall structure of the apple picker are analyzed at first, and then the structure of the harvesting season, arms and claws are designed in a large amount. After that, each part is checked. After that, assembly drawings of the equipment and main parts are drawn by software CAD. After completing this design, the expertise and practice learned in the school are linked to provide a deeper understanding and lay a certain practical foundation for the future. Key words: Apple; Picker; Arm; Hand Grab; End Actuator 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪 论 1 1.1研究背景及意义 1 1.2 国内外研究及发展现状 1 1.2.1 国外现状 1 1.2.2 国内现状 2 第2章 总体方案设计 3 2.1 苹果的数据分析 3 2.2方案选定 3 2.2.1行走装置方案设计 3 2.2.2手臂方案设计 4 2.2.3末端执行器方案设计 4 2.2.4驱动方案的选择 5 第3章 零部件的设计与选择 8 3.1行驶小车设计 8 3.1.1主电机的选择 8 3.1.2驱动齿轮传动设计 9 3.1.3驱动轴及轴承、键的设计 13 3.1.4车轮设计 15 3.2手臂部分设计 15 3.2.1电机的选择 16 3.2.2大臂的静力学分析 19 3.2.3小臂的静力学分析 21 3.2.4尺寸结构设计 23 3.2.5回转底座的设计 23 3.3末端执行器的设计 24 3.3.1采摘电机的选择 24 3.3.2丝杆螺母副的选型与校核 25 3.3轴承的选择与校核 28 总 结 28 参考文献 29 致 谢 30 31 第1章 绪 论 1.1研究背景及意义 全球范围来看，中国种植苹果，不管是面积还是产量都站到世界一般的份额，并且它也是中国的四大水果。因为种植业的大力发展，导致市场对于种植机械的需求加大。全面生产之中，最耗费劳力的一项工作就是采摘水果，水果采摘的时间性要求非常高，原先工人采摘的话，会磕破弄伤水果，并且不及时采摘水果的话，农户会有亏损。很多劳动力不再选择在田地种植水果，转而从事别的行业的工作，工作人员非常少，并且从业人员年龄还越来越大，投入到生产中的费用越来越多，大家对于种植方面并无太大的积极性，种植行业的发展停滞不前，为了省去不必要的人力还有物力，让果农获得更高的收入，研发采摘设备很有现实必要。 时代在变迁，农村中土地政策也一直在变化，导致果农投入的资金越来越多，相反降低果农的经济收入。很多农村里面的年轻人，都喜欢丰富多彩的城市生活，想到城市中去发展，再加上中国已然进入到老龄社会，从事农业的劳动力已经远远不够。 1.2 国内外研究及发展现状 1.2.1 国外现状 上世纪六十年代，国外就已经开始对农业采摘机械手进行研究，最早研究的国家是美国，1968年的时候，第一次使用机械手去采摘水果还有蔬菜。最开始的机械都是半自动化的，采摘的时候，多半以振摇式、撞击式和切割式开展，当中振摇式的机械手，在外力的作用下，树枝被振摇、振动，让苹果出现加速度，梗连接最不好的地方就会跟树枝分开，继而掉下来。撞击式机械手，对果树果枝进行直接的装置，也可以对果枝进行敲打，将果实掉落下来。切割式机械手，切断树枝和果实的连接处，让果实掉落下来，切割式中还有两种款型：机械切割式，动力切割式。并且不管是哪一种采摘办法，都会把果实给弄破，效率不高，并且无法将成熟的果实采摘下来，受到较大限制。之后，因为技术一直在提升，工人开始在梯子，升降平台的帮助下，去采摘水果，只是劳动的密集程度很大。 世界上最早研究采摘机械手的国家是美国，1983年美国人成功生产出西红柿机械手，1987年加工出采摘柑橘的机械手，紧接着法国，美国等发达国家都加工出更多款型的采摘机械手，譬如在1998年，韩国人研发出一款苹果机械手，有传感器在其中，能够对苹果的成熟程度进行识别。日本研发出多款机械手，能够对西红柿，黄瓜，草莓等进行采摘。 西班牙生产的采摘柑橘的机械手，将它安装在拖拉机的上面，其之组成有机械手，电脑还有光学视觉系统，可以对感觉的体积，颜色，还有成熟度进行识别，在确定是否要采摘。使用机器人去采摘，有很快的速度，基本上一分钟可以摘60个，但是人工去摘的话，一样的时间能够摘到八个。采摘柑橘的机械手，在视频器的作用下，还能够分类摘下来的柑橘。 1.2.2 国内现状 中国生产的采摘水果机械手，和国外比，研究时间并不长，中国在上世纪70年代开始对这方面研发，大学还有研究所专门开展研发，较为成功的有机械机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动式采果器，而且后两种为辅助人工采摘机械，销量上来看，还是比不上国外，有待改良。到80年代之后，中国又研发出切割型的采摘器，到了90年代，因为很多人都开始对果树种植，生产出气动剪枝机以及升降平台，经过三十年的发展，中国在这方面得到较大的提升，并且获得一定的成果。 采摘苹果机这里，江南大学的李想等人，专门研究一款苹果采摘机器人，非常实用，没有驱动，并且执行装置为三指，使用Unigraphics NX设计出结构，并且架构出三维模型。因为此款欠驱动的末端执行器灵活性非常好，适应性也很强，不一样大小的苹果，都能够很好的摘届时。西北农林科技大学里面，有一波人专门研发偏心切割式的苹果采摘季，它的组成有：偏心式采摘头、可拆卸伸缩杆和缓冲下落通道。偏心式采摘头要想切割水果，在刀片的旋转下可得到：能够拆卸掉伸缩杆，那么处在不一样高度上的苹果都能够采摘，内部布局布条形成缓冲通道的缓冲装置，让速度变慢，避免把苹果弄伤，能够测试得到，此装置的成功率能够达到92%，受损率在4.70%，让采摘的效率有效的提升。 采摘苹果这边，河南职业技术学院中有科研人员，设计一款能够对苹果采摘的智能机器人，拥有五个自由度。它的组成有定位导航系统，双目视觉系统还有机械臂，拥有五个自由度，判定苹果的大小以及颜色，还有成熟度由双目视觉系统来进行判定，机械臂拥有五个自由度，其之精度非常高，另外展开实验，让其处于九个不一高度的方位上进行采摘，偏差最大在6.71mm，并且其之采摘效率处于94.82%，采摘一个果实耗时9.94s，有很高的功率率，并且采摘有极高的效率。 第2章 总体方案设计 2.1 苹果的数据分析 对采摘机械手设计，需要注意苹果有多大，如何布局，果蔬有多高等，这些都是机械手的设计数据依据，直接关系到采摘机械手是何种结构，如何采摘。 前期开展调研，之后就可获得苹果一些特征，和数据通： 因为所处地域不一样，会有差异存在，暂时就用河北这个地方苹果种植为主要研究，搜集相关的数据，种植果树的时候，每一行需要间隔2-3×4-5，这是有科学依据的，这种果园在种植果树的时候，彼此之间相距三米，行距大概在3.5米。最高的苹果树在三米，树枝和地面之间最近在0.8米，整个苹果树的宽幅在2米到2.5米。因为中国境内种植的苹果树非常多，苹果之中的精品是红富士，种植面积最大，也是市面上最受欢迎的苹果品种。此文就以红富士果树来作为例子，在表1中罗列红富士苹果树的数值。 表格 2-1红富士苹果数据表 指标 最小值 平均值 最大值 苹果直径/mm 55 80 120 苹果重量/g 75 140 290 果梗直径/mm 1.3 2.5 5.1 2.2方案选定 2.2.1行走装置方案设计 文中对苹果采摘机器人进行设计，以四轮结构作为它的行走装置，图2-1中展现总设计方案。移动装置使用采摘装置里面车体的驱动轮，需要让前臂以及后臂的转动协调好，让采摘部分的动作更加灵活。 使用用词是直流电机在采摘装置车体的左右两个驱动轮上，在控制系统的匹配下，能够对前轴，后轴的速度，力矩进行把控，在原来地方能够转动360°，向前走可以实现自由转向，任何时间都能够对爬坡时候力矩进行调整。惯性轴处在车体主驱动轮的前端，需要匹配主动轴，确保采摘装置动作时的平稳。 图2-1 苹果采摘机车体结构组成 2.2.2手臂方案设计 文中所设计的机械手，需要能实现：要能够开展六个自由度，大臂、小臂都要能够俯仰，手腕要实现摆动和回转动作，腰部要能够回转，手爪要能够伸缩，并且结构为关节式，所以它的设计当为： 机械手臂要向上，向下移动，需在三个电机的带动下，关节转动可获得，装有回转电机在底部，可实现机械手臂的整体回转；机械手爪的自由度是三个：回转，伸缩还有夹持；电机给予手爪回转的动力，电动正反接驱动丝杠螺母移动后就可实现机械手爪的伸缩和夹持。 2.2.3末端执行器方案设计 苹果采摘机械手来说，主要的执行部分就是末端执行器，会直接碰触到苹果，所以设计末端执行器如何，关系到采摘的效率以及效果，采摘器设计的好，能够大为缩减加工的投入资金，增加工作效率。目前作为苹果采摘机械手的末端执行器有三款： （1）抓拉式采摘器 如今市面上销售的采摘机器手，绝大多数都是机械手指为两指或者三指。构造并不复杂，设计是仿照人手开展的，很便于操作，采摘水果的时候以拽拉方式开展，直接抓住苹果，会把苹果弄坏。 （2）吸附式末端采摘器 此款采摘机多用来采摘一些比较硬，并且表皮较为光滑的水果，比如苹果，橙子等，按照工作原理去划分吸附式：磁力吸附还有真空吸附。 （3）剪切式末端采摘器 此款采摘器是最为简单的，其之组成有夹持部分、剪切部分。采、收苹果通过夹持部分来实现，剪切苹果的部分由剪切装置来实现。定位有很高的需求，采摘时效率并不高，不能用来采摘。 表2-1 采摘方式比较表 类型 优点 缺点 抓拉式 构造不复杂，使用起来很便利，有较高的效率 对于树枝还有花苞，有很大的伤害 吸附式 定位时要求不高，及灵活的动作 需匹配真空形成部分，很重，携带不是很便利，投入资金比较。 剪切式 构造不复杂，使用很便利，不管是果实还是树枝，不会有太大伤害 定位有较高需求，效率不高，收集时并不便利。 鉴于此前的比较，文中所设计的采摘机械手是手持式，鉴于吸附式并不匹配，但是抓拉式，剪切式都有自身的好处，缺点，若想设计出最为恰当的末端执行器，此文当以抓拉式匹配剪切式，也就是图2-2中展现，采摘爪用的是半球形，安排剪切刀刃在采摘爪的前端，并且刀刃有较宽的规格。工作之时，苹果被机械手爪抓住，苹果柄被刀刃夹紧，之后剪断。如此构造，能够很好的防止树枝、花苞被抓拉式末端执行器弄坏，还能够让剪切式末端执行器不会有太高的定位需求，效率不高等缺陷。 图2-2 末端执行器结构方案简图 2.2.4驱动方案的选择 对于机械手来说，动力来源有气压，电，还有液压三款 [10]。 （1）对空气压缩的系统能够带动制动器进行工作，动力源就是空气压缩机。启动驱动器的过载很安全，构造不复杂，并无多少污染，投入资本不高，只要对空气流量调整，就能够开展无级变速，只是设备的规格太大，导致运行时速度并不平稳，没有多高的定位精度。 （2）液压驱动系统能够带动流体压力制动器的输出力，继而对系统驱动，非常平稳，效率很高，反应的速度很快，速度也并不复杂，能够在很大的范围中展开无几调速，只是会有油漏出来，还会污染环境，投入多，相比较空气压缩定位精度高，相比较电机而言要差一些，流体的度数以及粘性有改变，导致传输性能受到影响。 （3）电动驱动模式涵盖步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等。步进电机的控制最不复杂，有很快的响应速度，极为可靠，不会有累计误差出现等。伺服电机转子惯量，动态特征很不错，在伺服电机驱动系统的组成下作为采摘部分，运行之时有较高的精度，，可调整较宽范围的速度，运行稳定，有较高可靠性，并且控制很容易等特征。 因为步进电机的好处，文中的驱动就选用步进电机。 根据此前章节2.2.1~2.2.4中所给出的方案，届时有文中所设计苹果采摘机中自动部分的总方案，图2-2中展现，他们的六个自由度通过每一个装置1、2、3、4、5、6来体现：1、腰部回转；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回转；6、手抓伸缩。电机驱动用在2、3、4处关节，减慢速度在谐波轮减速器的作用下实现。 图2-3 苹果采摘机总体结构图 第3章 零部件的设计与选择 3.1行驶小车设计 3.1.1主电机的选择 （1）平直路面上采摘装置的行走 在平面的沟槽上，还有在平面上苹果采摘机动作，设定它最快的速度，需要匀速的向前行走，那么 分析采摘装置在坡道上爬行状况， , 处于平面上的设备状况， 故此当用P=80W当做采摘装置输出的最大功率 遵照所算出采摘机输出功率最大值80W,输出转矩22.1N.M,输出转速56.2r/min。 鉴于开启的直流电机有很不错的性能，有很厉害的过载性能，能够承担多次的冲击，刹车以及反转，能够让冲击电流达到额定电流的三倍到五倍。还有，在用的时候，可将运动蓄电池带在其中，电源就用干电池，操作很便利。因为直流电机的性能，对于主驱动轮多次受到冲击的要求可满足，对于制动以及反转的需求也可满足，采摘部分要将移动电池带着是能够实现的，就用直流永磁电机90ZY54型，下表罗列数值： 额定功率 92 额定转矩 0.6 额定转速 1500 电流 7 电压 12 允许正反转速差 150 在于 届时有 在于,届时可有 再加上 彼时给定 3.1.2驱动齿轮传动设计 1、对精度级别、、原料以及齿数予以确定 是为七级精度，从表6.1中可晓以40Cr加工小齿轮，调质后硬度在280HBS，以45钢加工大齿轮，调制后硬度在240HBS。 此处小齿轮的齿数 大齿轮齿数，给定 2、设计遵照齿面接触疲劳强度 验算据设计公式开展 1） 将公式中涉及数据确定 （1）咱给定载荷系数 （2）将小齿轮所传送转矩算出 （3）小齿轮和两个支承的布局对称，此处齿宽系数 （4）观察表格6.3知晓：材料的弹性影响系数 （5）观察图纸6.14由齿面硬度可找出接触疲劳强度极限 小齿轮 大齿轮 （6）式6.11能将应力循环次数算出 （7）观察图纸6.16能够找出接触疲劳强度寿命系数 （8）接触疲劳强度许用应力 此处的失效概率为1％，安全系数S=1，在式子10-12： （9）验算 暂时将小齿轮分度圆直径算出，将里面较小数据放进去 求出圆周速度v 求出齿宽b 齿宽和齿高的比值b/h 模数 齿高 算出载荷系数K 已然得晓，精度为七级，找出动载荷系数 如若说，表中找寻一番可有 观察表格6.2找到使用系数.05 表中找寻一番可有 找到 届时载荷系数 （10）对算出分度圆直径校正根据真实的载荷系数开展，遵照关系式 （11）模数ｍ 3、设计从齿根弯曲强度开展 弯曲强度的设计等式 （1）将式中所涉及到的数据给定 观察图纸6.15找到每部分的弯曲疲劳强度极限 小齿轮 大齿轮 观察图纸6.16找到弯曲疲劳寿命系数 　 弯曲疲劳许用应力 此处的失效概率为1％，安全系数S=1.2，从关系式可有 验算载荷系数 （2）找出来 齿形系数 观察表格6.4找到　 （3）找出来应力校正系数 观察表格6.4找到 　 （4）验算大小齿轮的，数值对比 数据较大的当为大齿轮。 （5）设计验算 比较验算数据，对模数验算时，根据齿面接触疲劳强度开展，一定会超过通过齿根弯曲疲劳强度所验算的模数，此处由弯曲强度算出模数1.83，圆整之后m＝4mm 对分度圆直径的求算根据接触强度开展 届时将小齿轮齿数求出届时　 大齿轮齿数届时 4、几何规格的验算 （1）验算分度圆直径 （2）验算中心距 （3）验算齿宽之宽届时B2=15mm, B1=15mm 5.5验算 对于设计非常恰当 罗列圆柱齿轮的数值在表中： 序号 名称 符号 验算公式及参数选择 1 齿数 Z 20，20 2 模数 m 4mm 3 分度圆直径 4 齿顶高 5 齿根高 6 全齿高 7 顶隙 8 齿顶圆直径 9 齿根圆直径 10 中心距 3.1.3驱动轴及轴承、键的设计 （1）设计规格，结构，还需验算 1）针对高速轴，其之功率P1,转速n1和转矩T1 ，， 2）暂时给定最小部分轴直径 最开始据等式大概算出最小部分轴直径。以45钢加工轴，需要对它调质。到机械设计表11.3中找寻一番，届时，届时可有： 这里需要安排键槽，它的直径要加大5％～10％，大带轮需要安装在高速轴直径最小部分。届时；。 3）遵照轴向定位之所需将每一段轴的直径和长予以确定 （a）为匹配轴向上大带轮的定位所需，要加工一个轴肩在2轴段的左端，轴肩的高需，届时届时2段轴直径，长。 (b) 对滚动轴承暂时给定，只有径向力作用在轴承上，那就用深沟球型。遵照，到机械设计手册中找寻一番，届时 0基本游隙组，深沟球轴承6205，精度级别是为标准的，所以，，轴承的轴向定位以轴肩开展，轴肩的高处于，届时故此届时。 (c) 因为齿轮分度圆直径，所以就用齿轮轴的样式，齿轮的宽B=47mm届时。对齿轮端面和箱体要距离10mm另外还有两级齿轮彼此所处位置的配比，届时，。 4）轴上零件的周向定位 到机械设计表中找寻一番，和大带轮的平键截面相连接，其之规格。 （2）验算强度 1）轴所承受的作用力 已然得知较高速级的齿轮，其之分度圆直径，从书本机械设计中展出式(10-14)，届时可有 2）作用于轴的载荷 起先要按照轴结构图纸将轴计算图纸画出来，在对轴承支点所处地点确定的时候,，翻看手册找出来a值。是深沟球轴承6205，翻看手册找出来a=16mm。届时可得到轴支承跨距L1=72mm。 遵从画出的计算简图，将弯矩以及扭矩图都画出，观察这些图纸，知道轴的危险截面是截面C，首先将此处的MH、MV及M值算出，罗列在表中。 载荷 水平面H 垂直面V 支反力F ， ， C截面弯矩M 总弯矩 扭矩 3）轴强度校核之时遵照弯扭合成应力开展 从等式(15-5)还有前面表中罗列的数值 ，另外轴的单向转动，扭转切应力，届时，算出轴的应力 45Cr去加工轴，需要对它调质。观察表格15-1找到届时，安全性很棒。 4）键的选用 用的是一般的平键，型号A，和大带轮的平键截面相连， ，。齿轮匹配轴的时候，标准，以过渡配合来确保滚动轴承和轴的轴向定位，另外轴直径尺寸公差当是。 3.1.4车轮设计 车轮上用的轮胎是实心的，材质为橡胶，直径在240mm就可合乎行驶之所需。 3.2手臂部分设计 3.2.1电机的选择 所设计的机械手使用五个电机，用在手臂回转，大臂，小臂，手爪回转，手爪俯仰，在这里验算手臂回转电机，别的电机和它相差无几。 （1）选用手腕回转电机 ------需要采摘苹果有多重， ------末端执行器的重量， ------机械手腕有多重 ------从苹果重心至销轴中心相距有多远 ------从销轴中心抵达手腕连接手臂之处，相距多远 ------手腕回转之时，它的中心轴距离和它连接的手臂中心轴，形成多大角度 接下来求算系统输出转矩，整个系统负载转矩 作用于回转轴这里，有多大的负载转矩 回转轴这里承受所给予的负载转矩 回转轴这里承受所给予的负载转矩 完整的系统所承受的负载转矩： 分析后时，也就是手腕和手臂处在一个轴线上，作用于整个手腕上负载转矩是为最大的，届时， 并且，若想真正采摘的时候，末端执行器的工作效果更好，需要验算负载转矩的理论值，之后用它和系数相乘，那么真实的转矩： 依着所算转矩，所用型号 （2）选用实现手腕摆动的电机 ----需要采摘苹果有多重， -------末端执行器的重量， ------机械手腕有多重， ------手腕电机， ------从苹果重心至销轴中心相距有多远 ------从销轴中心抵达手腕连接手臂之处，相距多远， ------手腕摆动所形成的角度 对系统而言，其之输出转矩以及整个系统的负载转矩： 处于摆动轴这里，承受的负载转矩 处于摆动轴这里，承受的负载转矩 处于摆动轴这里，承受的负载转矩 处于摆动轴这里，承受的负载转矩 一个整系统来说，负载转矩： 分析之后时，也就是手腕和手臂处在一个轴线上，作用于整个手腕上负载转矩是为最大的，届时， 并且，若想真正采摘的时候，末端执行器的工作效果更好，需要验算负载转矩的理论值，之后用它和系数相乘，那么真实的转矩：： 依着所算转矩，所用型号 （3）实现小臂俯仰所用电机 文中，机械关节要连接大臂和小臂，相对固定以大臂实现，顺着x轴方向上，让小臂进行转动，作用于这个关节的力，主要是手爪以及电机。零件质量还有小臂的重。 ------表示多重的末端执行器， ------手腕电机的质量， ------机械小臂有多重， ------从末端执行器抵达手腕相距多远， -----小臂之长， ------俯仰的小臂，形成的夹角 此处将系统的输出转矩写作,整个系统的负载转矩写作，届时 小臂俯仰轴之处，对其作用的负载转矩 小臂俯仰轴之处，对其作用的负载转矩 小臂俯仰轴之处，对其作用的负载转矩为 对一个完整系统来说，求出负载转矩： 分析之后时，也就是手腕和手臂处在一个轴线上，作用于整个手腕上负载转矩是为最大的，届时， 力矩的总值： 依着所算转矩，所用型号 （4）用于实现大臂俯仰的电机 文中所设计机械关节，主要为连接大臂和腰部，只要相对固定摇臂，就能在x轴方向上，让大臂实现俯仰动作，其之原理： m1——机械手腕以及末端总共有多种m1=2.5kg m2——机械手臂有多重：m2=1.5kg m3——表示大臂有多重：m3=2kg l1——从机械手腕抵达机械小臂有多远：l1=60mm l2——小臂之长：l2=300mm l3——大臂之长：l3=400mm θ——俯仰的角度：θ=0°时，实现最大转矩 如若系统的输出转矩写作,整个系统的负载转矩写作，届时 小臂连接轴所承担的m1作用的转矩： 大臂连接轴所承担的m2作用的转矩： 大臂连接轴所承担的m3作用的转矩： 转动的负载，就当做是一个物体围绕着一个轴开展轴动作，求出运动时所产生的转动惯量 如果单片机一秒钟有五十个脉冲发出，步进电机初始步距角为1.8° 届时 故此开展负载动作时，转动速度最快在每秒钟90°，加速度的最大值 惯性力矩 M02——负载动作之时，所会出现的惯性力矩 力矩的总值： 彼时电机当用 （5）促使腰部实现回转动作的电机 对腰部所承担的负载转矩进行分析，和作用于大臂上的负载转矩是一样的，所以电机用一样的 RV减速器当用RV-6E型，减速比为30 3.2.2大臂的静力学分析 未开展作用力的分析之前，首先设定旋转臂和大臂之间形成的角度是α；大臂和小臂之间形成的夹角β；小臂与副臂间形成的夹角γ；大臂之重力G0=160 N；小臂的重力G1=180 N；副臂、采摘头之重力G2=260 N。此后将作用力的图纸画出，图3.4中有展现。 图3.4大臂受力分析图 1.求出F1 旋转臂的支撑点就是O点，故此LAO=810mm；θ代表F跟AO形成的角度。 分析作用于A点之力： （3.1） 遵照斜三角边角关系可有： （3.2） 依然得晓的数值，以及关系式3.2放入到关系式3.1中，能够将F1算出。 2.求F1x；F1y；FAx；FAy 观察图纸3.5 ，分解A点所承受的力，另外需要分解作用于F1之力。 观察图之后可有： F1x=F1cosθ；F1y=F1sinθ。 （3.3） 遵照受力均衡得晓： FAx+F1x=0； （3.4） FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5） 运用几个公式3.3、3.4、3.5给出F1x、F1y、FAx、FAy。 将作用力最大的状况算出，解释运动之时，区间最大的数据为α=1600；β=1600；γ=1800此前求算出采摘臂的长度1660 mm，采摘臂2之长为1710 mm；副臂之长1120 mm。届时得有： F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。 3.2.3小臂的静力学分析 图3.6小臂受力分析图 1、求F2 遵照斜三角形边角关系可有： （3.6） B点之处当有： （3.7） 通过两个公式3.6和3.7能够求解出F2=1562.7 N。 2、求F2x；F2y；FBx；FBy 图3.6中有展现 ，作用于b点、F2之力进行分解。观察图纸可知： （3.8） 依据受力均衡，届时可有： （3.9） （3.10） 运用多个公式3.8、3.9、3.10届时有： =781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。 3.对作用于大臂的分析，还会有另外两个因为上电机，下电机旋转力矩所给出的力作用在大臂之上，图3.8中有展现。 图3.8大臂力F3F4分析图 观察图纸届时有： ；。 （3.11） ；。 （3.12） 届时d=900、e=1000对图纸里面角度关系展开分析，届时有： b=α-d、c=β-e。 （3.13） 当下并不清楚、有多大，还需展开详细的分析。 鉴于作用于大臂之力平衡，届时需要分解大臂承受之力，图中展现 届时有 (3.14) （3.15） 运用几个公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15届时有：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。 3.2.4尺寸结构设计 遵照所分析的载荷，图中展现大臂，小臂的规格以及结构： 3.2.5回转底座的设计 采摘臂的底座能够对旋转臂的转动进行控制，其之组成有传动部分，固定部分还有底座的传动部分。文中以伺服电机作为传动部分，电机是为脚架式轴输出单齿条螺旋摆动型。摆动缸工作时，齿轮在齿条的带动下工作，电机来回开展直线动作，让其变成轴正反方向上的摆动旋转，同一时间转化往返动作中的旋转力，成为齿轮轴之输出扭矩 [9]。 螺旋摆动电机较为特别，在大螺旋升角的螺旋副作用下，可开展旋转动作，固定输出轴的中间棒还有缸体，活塞中的表面螺旋齿会齿合螺旋帮的螺旋齿，输出轴螺旋棒和活塞缸外面的样子完全一样 [8]。故此，因为转动轴套内部有压力，顺着中间棒的活塞，不光会向上动作，还会开展旋转动作，这样摆动缸的运动就可体现。螺旋摆动缸的结构较为紧密，不需太大的空间，有很好的安全性，搭配很便利，旋转有很大的空间，并且可将很大的工作扭矩输出等。 固定装置可用来对旋转臂，传动不服恩进行固定，也就是旋转臂的支座，图3-10中有展现。 图3-10 底座 3.3末端执行器的设计 3.3.1采摘电机的选择 （1）电机的选用 对电机选用，通过电机工作时所出现的力以及力矩，可以直接对载荷驱动，也可以在减速器处通过后，对载荷驱动。动力以电机来作为，工作效率极大增强，目前基本上都用这种动力。相比较伺服电机和步进电机，体型不大，质量很小，构造不复杂，有很大力矩，反应时间短，有很高精准度，噪声不大，可用较长时间，文中就用伺服电机来作为动力。 （2）电机之型号 BF系列伺服电动机作为反应式电机的一种，兼具此前的要求，型号就用GA12-N10，丝杠电机的电压介于8-12V。开展主运动，动力来源就是反应式伺服电机，其之功率在20KW。 选型号的时候按照下面顺序开展 首先对型号选用，需要到手册中去找寻，知道步距角初,在于 再三思量，完全合乎此前关系式。 对于电机而言，它的定位转矩就是最大经专局。步进电机中，名义启动转矩和最大静转矩的关系可以表达为： Mmq= 伺服电机空载启动：说的是并没有外部载荷作用于电机上，实现启动。下式能够短处步进电机需要的空载启动力： 并且最开始对电机型号选用之时，需得让步进电机名义启动转矩超过步进电机需要的空载启动力矩： MkqMmq=λMjmax 验算Mkq每一个力矩： ①加速力矩 ②空载摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 3.3.2丝杆螺母副的选型与校核 （1）选用型号 （a）遵照工作以及结构之所需 对滚道截面的形状予以选用，还需确定滚珠螺母如何循环，如何预紧； （b）验算普通丝杠副的关键数据 ①遵照运用时的工作条件，找到载荷系数=1.0系数=1.5； ②验算当量转速 ③验算当量载荷 ④暂时给定导程 ，届时4mm ⑤验算丝杆预期工作转速 ⑥验算丝杆需要多大额定载荷 （c）对丝杆型号选择 按照最开始设定、验算的，届时导程4mm，额定载荷要超过的丝杆。找寻普通丝杠的型号得晓，文中所用的是：GD801-1 观察表格2-9可有丝杠副数据： 公称直径 导程 （2）校核验算 （a）临界转速校核 说明最终校验的结果合乎设计。 （b）因为是数值板房丝杆的，作用力没有多大，温度也不会有太大的变化。那么不需要校核它的稳定性，温度的变形等。 （c）普通丝杆的预紧 预紧力通常是1/3载荷，也可以是1/10额定动载荷： 与其匹配的预紧转矩 （d）稳定性验算 需要让丝杠一头轴向固定，轴承使用深沟球以及双向球型，能够对轴向、径向载荷予以承担。还有一头是游动的，要对其进行径向约束，轴承选用深沟球型，不需要限位它的外圈，确保受到热量的丝杠会有形状的改变，游动端能够自由的伸缩，图中： ① 长丝杠有一头是轴向固定的，工作会有失稳状况出现，设计之时，需要对它的安全系数验算，数值要超过丝杠副能够允许的安全系数 [S] 丝杠不会有失稳状况出现，载荷的最大值就是临界载荷 当次之中，作为丝杠原料的钢，其之弹性模量E=206Gpa； 为长度系数，届时。 安全系数 找寻表格2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，丝杠很安全，失稳的状况不会出现。 ② 工作的高速丝杠会有共振的状况出现，所用要对没有共振的临界转速进行验算，需要丝杆转动最快的速度。 以下式验算临界转动速度： 当次之中：为临界转速系数，可从表格2-10，届时， 也就是：，故此工作的丝杠，不会有共振出现。 ③ 还有值对普通的丝杠副有限制，需要实现 3.3轴承的选择与校核 （1）选用轴承 会有轴向力作用在轴上，轴承当用角接触型。 轴左侧：书本机械设计中找寻一番，表15-3里面可晓轴承当用6000型，外部规格当为d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。 （2）轴承校核 1）遵从滚动轴承承受较大载荷对型号选用，鉴于没有太大的支承跨距，所以两头需要以固定式轴承来组合，轴承选用深沟球型，大概轴承能够工作时长：L'h＝29200h 通过此前算出数据，会有径向力作用于轴上Fr1=340.43N， 轴向力Fa1=159.90N， 基本额定静载荷为C0r=63.8KN。 2）径向当量动载荷 动载荷为，找到，届时 ，设计方面完全匹配 总 结 苹果采摘机的研发非常有现实意义，市场前景很不错，可以在地面移动进行采摘，文中研究能够移动的采摘机的技术，设计它的结构组成，机械手臂，机械手爪，并且展开仔细的探讨，设计中展开的工作有： （1）分析需要实现的功能，以及设计要求，将苹果采摘机的总框架建立出，编写苹果采摘机的组成内容，以及他的性能指标。 （2）并非是结构的处境中，小型苹果采摘机的移动平台，在复杂的地形上也能够行走，文中移动装置用的是后轮驱动，还能够自己对前摆进行控制，对地形有很厉害的适应能力。 （3）比较各种采摘执行装置，最后机械手爪选用半球式的构造，对苹果采摘的时候仿照人手去操作。 此番设计里面，分析苹果采摘机如何工作，其之构造，性能如何，展开详细的探讨，对于用于苹果采摘机中的电机，驱动轮还有减速器都予以详细的展述。 文中所设计的苹果采摘机，采摘系统非常繁琐，总设计之时，因为精力不够，自身专业水准不够，很多研究都仅仅是皮毛，所以肯定设计中有一些不完善的地方，还希望老师们帮我指出，进行修正。 参考文献 [1] 成大先. 机械设计手册（第5版）[M]. 北京：化学工业出版社，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 谢 在这里要谢谢导师的精心指导，帮我解决了关键性的技术难题，点明了设计思路，分析了实际工程应用的情况，我自己也全面的复习了这四年的知识，用理论知识解决实际问题，做到了活学活用。 这次设计是一个复杂的综合学习的过程，让我巩固了机械设计、制图、工程材料等等基础学科。我认为这次综合的考试对日后的工作也好学习也好都会帮助很大。在此要感谢我的学校，谢谢给予帮助的好老师以及同学，以后不管是生活还是学习上，我都不会害怕问题，会很好的发现问题、解决问题，并且永不放弃！谢谢在座的各位！