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 苹果种植业的发展提高了果园机械市场的需求，为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。苹果采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动采摘装置，本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、末端执行器部分进行了详细的设计。 本文首先，通过功能和设计任务的分析，确立了苹果采摘机总体功能构架；接着，对本采摘机车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细设计与校核；最后采用AtuoCAD软件绘制了采摘机的装配图及主要零件图。 通过本次设计，对大学所学专业知识在理论结合实际的锻炼下加深了知识的理解，对今后的工作必定带来很大帮助。 关键词：苹果；采摘；手臂；手抓；车体 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 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 7 3.1行驶小车设计 7 3.1.1主电机的选择 7 3.1.2驱动齿轮传动设计 8 3.1.3驱动轴及轴承、键的设计 12 3.1.4车轮设计 14 3.2手臂部分设计 14 3.2.1电机的选择 15 3.2.2大臂的静力学分析 19 3.2.3小臂的静力学分析 20 3.2.4尺寸结构设计 22 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 29 参考文献 30 致 谢 31 32 第1章 绪 论 1.1研究背景及意义 我国的苹果种植面积和产量均占世界的50%以上，而且苹果是我国的四大水果之一。果园种植业的发展提高了果园机械市场的需求。在整个生产中，由采摘果实所耗费的劳动力占据整个生产过程的50％～70％㈣。采摘作业季节性相对强，传统人工采摘的方式不仅仅易造成果实损伤。同时，采摘不及时将会导致经济上的损失。农业劳动力向其他行业转移，人员缺乏，随着老龄化的增长，生产成本不断提高，降低了人们的种植积极性，果园种植业的发展受到了制约。为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。 现阶段农村的土地政策不断改变使得果农的生产成本不断增加，减少了果农的收入。而且随着社会的发展越来越多的年轻人向城市发展和生活。我们国家的人口正在步入老龄化，使的农业劳动力出现了短缺的问题。 综上所述，劳动力减少和生产效率低是我们现阶段必须要解决的问题。只有加快苹果采摘机械手的设计和改进才能够逐步解决现阶段的问题，而且随着我国种植业技术的加快发展，加大了对采摘机械的研究力度。采用机械采摘不仅加快了采摘的速度，也能够及时采摘降低了果实的损伤率，同时也能减少人力，降低生产成本，提高果农的收益。因此提高苹果采摘的机械化水平具有很大的意义。 1.2 国内外研究及发展现状 1.2.1 国外现状 在国外农业采摘机械手的研究最早是在20世纪60年代开始的，其中美国是最早进行研究水果采摘机械手的，也是美国学者Schertz和Brown在1968年首次提出把机械手应用于果蔬采摘。最早研究出的机械只是半自动化的，研究出的采摘方式大致分为振摇式、撞击式和切割式三种类型，其中，振摇式是利用外力使树体或树枝发生振摇或振动，使苹果果实产生加速度，在梗连结最弱处与果枝分离而掉落。撞击式是撞击部件直接撞击果枝或敲打牵引果枝的棚架振落苹果果实。切割式是将树枝或果柄切断使果实与果树分离的方式，切割式又分为机械切割式和动力切割式。而且这三种采摘方式都存在着容易损伤果实、效率低和采摘到不成熟果实的缺点，存在着很大的局限性。此后随着技术的发展，人们才开始借助梯子、升降平台等工具协助果蔬的采摘，但是仍然存在着劳动密集型的特点。 美国是全球上最早研究出的，美国是在1983年成功研究出的第一台西红柿采摘机械手的；在1987年研究出了柑橘采摘机械手。此后法国、英国、韩国、日本等国家陆陆续续研发出了许多果蔬采摘机械手各式各样，比如韩国在1998年研究出了利用传感器识别成熟苹果并进行采摘的苹果采摘机械手。日本研究出里可以采摘西红柿、草莓、黄瓜等果蔬的一系列果蔬采摘机械手。 对于西班牙的柑橘采摘机器人，西班牙科研人员发明的柑橘采摘机器人主体是装在拖拉机上的，是由机械手、和计算机，光学视觉系统三大部分组成的，可以通过识别柑橘的直径大小、颜色、来判断其是否成熟来决定是否可以采摘。机器人的采摘速度是非常快的，大约一分钟就能够采摘60个，如果是人工采摘同样的时间内只能够采摘8个左右。而且柑橘采摘机器人还可以通过视频器，对采摘下来的柑橘按要求进行分类。 1.2.2 国内现状 国内水果采摘机械手的研究与国外相比起步是比较晚的，我们国家是从20世纪70年代开始研究的，由国内的大学和研究所带头进行采摘机器人和智能农业机械的研究。我们最早研究出了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，采摘效率还是太低后进行改进。在80年代我们研究出了切割型采摘器，90年代由于种植果树的热潮出现了气动剪枝机和升降平台等机械。在近30年来我们国家的研究有了很大的进步，在农业采摘方面有着大量的研究和研究成果。 苹果采摘领域方面，在以江南大学中李想等人研究下设计出了一种实用型欠驱动苹果采摘机器人三指末端执行器，并运用Unigraphics NX进行了机构设计和三维模型的创建。而且这种新型欠驱动末端执行器大大的提高了机构的灵活性和适用性，对不同尺寸的果实都具有一定的抓取适用性；西北农林科技大学的宋怀波、张阳等人研发的偏心切割式苹果采摘装置主要是由：偏心式采摘头、可拆卸伸缩杆和缓冲下落通道三部分组成。偏心式采摘头采用刀片偏心旋转实现果柄的切割：其伸缩杆可进行拆卸来实现不同高度苹果的采摘：缓冲装置采用内置布条构成缓冲通道，降低速度防止苹果损伤。该装置通过实现测得其成功率为92.00%，其受损率为4.70%，提高了采摘效率。 在苹果采摘方面，河南职业技术学院在以绍堃等人的研究下，为能够在温室大棚内采摘设计出了一种基于五自由度机械臂的苹果智能采摘机器人。其主要由定位导航系统，双目视觉系统和五自由度机械臂等组成，可通过双目视觉系统判断苹果的大小和颜色判断是否成熟，而且五自由度的机械臂精度是很高的，也进行了试验其在9个不同的高度方位上最大偏差为6.71mm，而且它的采摘效率为94.82%，每采摘一颗大约耗时9.94s，成功率高采摘效率高。 第2章 总体方案设计 2.1 苹果的数据分析 苹果的大小，分布和果树的高度等生物学特征是我们设计采摘机械手的数据支持，决定着如何设计采摘机械手的机构和采摘方式。 通过调研得到如下苹果生物学特征及参数： 由于不同地区的环境都有着差以，所以我们将以河北省省内的苹果种植园为研究对象，进行数据采集，苹果园内标准种植应为树行距为2-3×4-5此为科学种植，实际中果园中种植间距大约为3m左右，行距大约为3.5m。苹果树树高最高在3m，树枝据地面最低为0.8米，苹果树冠幅在2.0到2.5m范围内。由于我们苹果种植种类较多但是众多种类中属红富士品种种植面积最广，也最受欢迎。本文将以红富士苹果为例进行数据分析如表格1红富士数据表。 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 本次设计的苹果采摘机行走装置车体结构采用的四轮结构，总体设计方案如图2-1所示。采摘装置的车体的驱动轮作为移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了采摘装置运动灵活性。 采摘装置车体左右两边驱动轮各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地360°转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主驱动轮前端是惯性轴，与主动轴配合，保证采摘装置运动的平稳。 图2-1 苹果采摘机车体结构组成 2.2.2手臂方案设计 本次设计的机械手要求：机械手臂可实现6个自由度，分别是腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕摆动，手腕回转，手抓伸缩并且采用关节式结构，因此选定的设计方案如下： 其由三个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现；机械手爪具有3个自由度，分别是手爪回转，手爪伸缩、手爪夹持；手爪回转由电机驱动，手爪伸缩、夹持由电动的正反接驱动丝杠螺母移动实现。 2.2.3末端执行器方案设计 末端执行器是苹果采摘机械手采摘装置的主要执行部件，与苹果进行直接接触，其末端执行器设计的好坏关系到采摘效果和采摘效率，设计一个好的采摘器可以大大降低生产成本，提高工作效率。现有的苹果采摘机械手末端执行器主要分为三种： （1）抓拉式采摘器 目前市场上售卖的末端采摘器大部分为两指或三指的机械钳爪式。其结构简单，是模拟人手进行设计的，结构简单，操作方便。但是它是通过拽拉的方式采摘的，直接与苹果接触，容易损伤苹果。 （2）吸附式末端采摘器 吸附式末端采摘器用于一定形状，表皮光滑，较为坚硬的水果，如梨，苹果，橙子等水果。吸附式可根据工作原理将其分为磁力吸附和真空吸附两种。 （3）剪切式末端采摘器 最简单的剪切采摘器主要有夹持装置和剪切装置组成。夹持装置完成苹果的采和收两过程，剪切装置完成苹果的剪切即摘这一环节。定位要求较高，采摘效率较低，不适合采摘。 表2-1 采摘方式比较表 类型 优点 缺点 抓拉式 结构简单、操作方便、效率高 对枝条和花蕾伤害稍大 吸附式 定位要求低、动作灵敏 需要配备真空形成装置，笨重不方便携带，造价较高。 剪切式 结构简单，操作方便，对果实和枝条的伤害较小 定位要求高，效率较低，不方便收集。 通过上述对比，本次设计的为手持式采摘机械手，因此吸附式不适合。而抓拉式、剪切式各有优缺点，为了设计出合适的末端执行器，本次采用抓拉式与剪切式组合的形式，即：如下图2-2所示，采用半球形采摘爪，采摘爪前端设置剪切刀刃，且刀刃尺寸范围较宽。工作时，采摘爪握住苹果时，刀刃夹紧苹果柄剪断。这种结构，既可以避免抓拉式末端执行器对枝条和花蕾的伤害，也可以降低剪切式末端执行器定位要求高，效率较低的缺点。 图2-2 末端执行器结构方案简图 2.2.4驱动方案的选择 目前这类机械手的驱动源主要是采用气压驱动、电驱动、液压驱动这三种[10]。 （1）气动压力是一个压缩空气驱动系统来驱动致动器的运动，空气压缩机通常被用作动力源。气动驱动器过载安全，结构简单，污染少，成本低，通过调节空气流量，可以实现无级变速，但大尺寸设备的运行速度不稳定，定位精度不高，抓小举行力。 （2）液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。 （3）电动驱动模式包括步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等驱动器类型。步进电机具有控制简单，响应速度快，可靠，无累积误差等。伺服电机转子惯量，良好的动态特性，采摘装置由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高，调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。 基于步进电机的这些优点本设计中采用步进电机驱动。 综合上述2.2.1~2.2.4提出的方案可以得到本次设计的苹果采摘自动装置总体方案如下图2-2所示。其六个自由度分别通过1、2、3、4、5、6各机构实现：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。其中2、3、4处关节采用电机驱动，通过谐波轮减速器减速。 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）采摘装置在平直的路上行驶 苹果采摘机在跨越平面的沟槽或在平面移动，假设其速度最大，且匀速前进，则取 根据采摘装置爬坡情况的分析， , 机器在平面状况下， 因而选取P=80W作为采摘装置的最大输出功率。 根据计算的苹果采摘机的最大输出功率为80W,输出转矩为22.1N.M,输出转速为56.2r/min。 因为直流电机启动性能好，过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转，允许冲击电流可达额定电流的3到5倍。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，满足主驱动轮频繁受冲击，制动和反转的要求，满足采摘装置要携带移动电池的要求，因而则选择90ZY54型号的直流永磁电机，其参数如下： 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 因为 则 因为, 则 又 则选取 3.1.2驱动齿轮传动设计 1、选精度等级、材料和齿数 采用7级精度由表6.1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。 选小齿轮齿数 大齿轮齿数，取 2、按齿面接触疲劳强度设计 由设计计算公式进行试算，即 1） 确定公式各计算数值 （1）试选载荷系数 （2）计算小齿轮传递的转矩 （3）小齿轮相对两支承对称分布，选取齿宽系数 （4）由表6.3查得材料的弹性影响系数 （5）由图6.14按齿面硬度查得 小齿轮的接触疲劳强度极限 大齿轮的接触疲劳强度极限 （6）由式6.11计算应力循环次数 （7）由图6.16查得接触疲劳强度寿命系数 （8）计算接触疲劳强度许用应力 取失效概率为1％，安全系数为S=1，由式10-12得 （9）计算 试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值 计算圆周速度v 计算齿宽b 计算齿宽与齿高之比b/h 模数 齿高 计算载荷系数K 根据，7级精度，查得动载荷系数 假设，由表查得 由表6.2查得使用系数.05 由表查得 查得 故载荷系数 （10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得 （11）计算模数ｍ 3、按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 （1）确定公式内的计算数值 由图6.15查得 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 由图6.16查得弯曲疲劳寿命系数 　 计算弯曲疲劳许用应力 取失效概率为1％，安全系数为S=1.2，由式得 计算载荷系数 （2）查取齿形系数 由表6.4查得　 （3）查取应力校正系数 由表6.4查得 　 （4）计算大小齿轮的，并比较 大齿轮的数据大 （5）设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数1.83，并就近圆整为标准值m＝4mm 按接触强度算得的分度圆直径 算出小齿轮齿数　取　 大齿轮齿数　取 4、几何尺寸计算 （1）计算分度圆直径 （2）计算中心距 （3）计算齿宽宽度取B2=15mm, B1=15mm 5.5验算 合适 圆柱齿轮参数数据整理如下： 序号 名称 符号 计算公式及参数选择 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）尺寸与结构设计计算 1）高速轴上的功率P1,转速n1和转矩T1 ，， 2）初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢，调质处理。根据机械设计表11.3，取，于是得： 该处开有键槽故轴径加大5％～10％，且高速轴的最小直径显然是安装大带轮处的直径。取；。 3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （a）为了满足大带轮的轴向定位的要求2轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取2段的直径，长度。 (b) 初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6205，故，，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩高度轴肩高度，取，因此，取。 (c) 齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度B=47mm，齿故取。另考虑到齿轮端面与箱体间距10mm以及两级齿轮间位置配比，取，。 4）轴上零件的周向定位 查机械设计表，联接大带轮的平键截面。 （2）强度校核计算 1）求作用在轴上的力 已知高速级齿轮的分度圆直径为，根据《机械设计》（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则 2）求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a值。对于6205型深沟球轴承，由手册中查得a=16mm。因此，轴的支撑跨距为L1=72mm。 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。先计算出截面C处的MH、MV及M的值列于下表。 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）按弯扭合成应力校核轴的强度 根据式(15-5)及上表中的数据 ，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计算应力 已选定轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得。因此，故安全。 4）键的选择 采用圆头普通平键A型（GB/T 1096—1979）连接，联接大带轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。 3.1.4车轮设计 车轮采用实心橡胶轮胎，直径选用240mm能够满足行驶要求。 3.2手臂部分设计 3.2.1电机的选择 本机械手臂有无个电机，分别是手臂回转电机，大小臂关节电机、手抓回转电机、手抓俯仰电机，此处以手臂回转电机为例进行选择计算，其他电机的选择类似。 （1）手腕回转电机的选择 ------被采摘苹果质量， ------末端执行器的质量， ------手腕的质量， ------苹果重心到销轴中心之间的距离， ------销轴中心到手腕与手臂连接处的距离， ------手腕回转时其中心轴到与之相连手臂中心轴之间的夹角 设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则 对回转轴处的负载转矩为 对回转轴处的负载转矩为 对回转轴处的负载转矩为 整个系统的负载转矩为： 经过分析得到时，即手腕和手臂处于同一条轴线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时， 同时，为了使末端执行器在实际的采摘作业中有更好的适应性能可以将计算出来的理论上的负载转矩乘以一个系数，则机构的实际转矩为： 根据算出来的转矩，初选型号为 （2）手腕摆动电机的选择 ------被采摘苹果质量， ------末端执行器的质量， ------手腕的质量， ------手腕电机， ------苹果重心到销轴中心之间的距离， ------销轴中心到手腕与小臂连接处的距离， ------手腕摆动的夹角 设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则 对摆动轴处的负载转矩为 对摆动轴处的负载转矩为 对摆动轴处的负载转矩为 对摆动轴处的负载转矩为 整个系统的负载转矩为： 经过分析得到时，即手腕和手臂处于同一条轴线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时， 同时，为了使末端执行器在实际的采摘作业中有更好的适应性能可以将计算出来的理论上的负载转矩乘以一个系数，则机构的实际转矩为： 根据算出来的转矩，初选型号为 （3）小臂俯仰电机的选择 本设计中，机械关节实现小臂与大臂的连接，通过大臂相对固定，使小臂沿x轴方向转动，该关节所承载的力为手爪和电机的重量，工件的重量以及小臂的重量。 ------末端执行器的质量， ------手腕电机的质量， ------小臂的质量， ------末端执行器到手腕的距离， -----小臂的长度， ------小臂俯仰的夹角 设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则 对小臂俯仰轴处的负载转矩为 对小臂俯仰轴处的负载转矩为 对小臂俯仰轴处的负载转矩为 整个系统的负载转矩为： 经过分析得到时，即手腕和手臂处于同一条轴线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时， 总力矩： 根据算出来的转矩，初选型号为 （4）大臂俯仰电机的选择 本设计中的机械关节实现大臂与腰部之间的连接，通过腰部的相对固定，使大臂沿x轴方向的俯仰，其原理图如下： m1——手腕和末端的质量：m1=2.5kg m2——手臂的质量：m2=1.5kg m3——大臂的质量：m3=2kg l1——手腕到小臂的距离：l1=60mm l2——小臂的长度：l2=300mm l3——大臂的长度：l3=400mm θ——俯仰的角度：θ=0°时，转矩最大 设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则 m1对小臂连接轴的转矩： m2对大臂连接轴的转矩： m3对大臂连接轴的转矩： 负载转动时，可看作一物体绕其一边轴的轴运动。因此其运动的转动惯量为 若单片机每秒发50个脉冲，步进电机初始的步距角为1.8° 则 所以负载运动时最大的转速为每秒90°，最大加速度即 惯性力矩 M02——负载运动时产生的惯性力矩 总力矩： 故电机的选择为 （5）腰部回转电机的选择 根据分析腰部所受的负载转矩和大臂所受的负载转矩一致，故可选用相同的电机 RV减速器选择RV-6E型号，减速比为30 3.2.2大臂的静力学分析 在做受力分析前，设：旋转臂与大臂间夹角为α；大臂与小臂间夹角为β；小臂与副臂间的夹角为γ；大臂的重力为G0=160 N；小臂的重力为G1=180 N；副臂与采摘头的重力为G2=260 N。然后做出受力分析图，如图3.4。 图3.4大臂受力分析图 1.求出F1 其中O点为旋转臂的支撑点，所以LAO=810mm；θ为F与与AO之间的夹角。 对A点进行受力分析得： （3.1） 根据斜三角形边角关系得： （3.2） 把已知的参数数值和公式3.2代入公式3.1中可求出F1得大小。 2.求F1x；F1y；FAx；FAy 如图3.5上所示 ，将A点受的力和F1受力分解。 则根据图可得： 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） 联合公式3.3、3.4、3.5得出F1x、F1y、FAx、FAy。 为了求出最大受力情况，我们可以取运动到最大范围时的取值，则α=1600；β=1600；γ=1800上面我们已经得出采摘臂1的长度为1660 mm，采摘臂2的长度为1710 mm；副臂长度为1120 mm。则可以求出： F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。 3.2.3小臂的静力学分析 图3.6小臂受力分析图 1、求F2 根据斜三角形边角关系得： （3.6） 对B点有： （3.7） 联合公式3.6和3.7可以求出F2=1562.7 N。 2、求F2x；F2y；FBx；FBy 如图3.6上所示 ，将b点受的力和F2受力分解。由图可知： （3.8） 由受力平衡可知： （3.9） （3.10） 联合公式3.8、3.9、3.10得出： =781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。 3.分析大臂受力情况时，大臂还受到另外的两个来自上下电机的旋转力矩提供的力、，如图3.8所示。 图3.8大臂力F3F4分析图 由图可以得出： ；。 （3.11） ；。 （3.12） 取d=900、e=1000分析图中角度关系可以得出： b=α-d、c=β-e。 （3.13） 此时，我们并不知道、的大小，需要进一步分析才可以得出。 因为大臂受力平衡，所以我们对大臂上面的力全部正交分解，如图 所示。可以得出以下结论。 (3.14) （3.15） 通过公式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尺寸结构设计 根据荷载分析，大小臂的结构尺寸如下图所示： 3.2.5回转底座的设计 采摘臂的底座分为传动装置、固定装置，底座的传动装置是用来控制旋转臂的转动，本设计传动装置选用的标准件伺服电机，即为脚架式轴输出单齿条螺旋摆动电机。摆动缸的原理是通过齿条带动齿轮，将电机的往返直线运动，转化成轴的正反方向的摆动旋转运动，同时把往返运动的旋转力转化成齿轮轴的输出扭矩[9]。 螺旋摆动电机是一种特殊的电机，其利用大螺旋升角的螺旋副实现旋转运动，输出轴的中间棒与缸体固定，活塞内表面螺旋齿与螺旋棒的螺旋齿啮合，输出轴的螺旋棒表面形状与活塞外表面形状相同[8]。所以，转动轴套内部的压力下，活塞顺着中间棒向上运动的情况下还做着旋转运动，并且输出轴也一起做着旋转运动，使摆动缸的运动方式得到实现。螺旋摆动缸的特点有构造紧密、占的空间体积小、安全性能好、方便搭配、旋转的空间范围大、输出的工作扭矩大等。 固定装置是用来固定旋转臂以及传动装置，即旋转臂的支座，如图3-10所示。 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）电机类型的选择 选择电机主要是利用电机工作时产生的力和力矩，直接驱动负载或者通过减速机构间接地去驱动负载。使用电机作为动力来源，提高了工作效率，同时这也是目前最为普遍的方式。伺服电机比步进电机体积小，重量轻，结构简单，力矩大，反应速度快，精准度高，噪音小，寿命长，应用广泛所以我们将采用伺服电机。 （2）电机型号选择 而BF系列伺服电动机为反应式伺服电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号我们选用了型号GA12-N10电压范围为8-12V的丝杠电机。的反应伺服电动机作为主运动的动力源，该机功率为20W。 的反应伺服电动机作为主运动的动力源，该机功率为20W。选用时主要有以下几个步骤： 初选电机型号，并从手册中查到步距角,由于 综合考虑，我初选了，可满足以上公式。 步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是： Mmq= 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算： 式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即： MkqMmq=λMjmax 计算Mkq的各项力矩如下： 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）型号选择 （a）根据使用和结构要求 选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式； （b）计算普通丝杠副的主要参数 ①根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0系数=1.5； ②计算当量转速 ③计算当量载荷 ④初步确定导程 ，取4mm ⑤计算丝杆预期工作转速 ⑥计算丝杆所需的额定载荷 （c）选择丝杆型号 根据初定的和计算的，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杆。查普通丝杠型号表知，本次选定的普通丝杠螺母副型号为：GD801-1 由表2-9得丝杠副数据： 公称直径 导程 （2）校核计算 （a）临界转速校核 校核合格。 （b）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。 （c）普通丝杆的预紧 预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即： 其相应的预紧转矩 （d）稳定性验算 丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 ① 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S] 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa；l为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，丝杠是安全的，不会失稳。 ② 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速——临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 ③ 此外普通丝杠副还受值的限制，通常要求 3.3轴承的选择与校核 （1）轴承选择 因为轴承受一定的轴向力的作用，所以选用角接触轴承。 轴左侧：从《机械设计课程设计》中表15-3中查得轴承的型号为：6000。外形尺寸为：d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。 （2）轴承校核 1）按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为：L'h＝29200h 由上面的计算结果有轴承受的径向力为Fr1=340.43N， 轴向力为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，查得，则有 ，满足要求。 总 结 苹果采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动采摘装置，本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、末端执行器部分进行了详细的设计和论证，本论文完成的主要工作如下： （1）通过功能和设计任务的分析，确立了苹果采摘机总体功能构架，初步制定了小型苹果采摘机的总体组成和性能指标。 （2）在非结构环境下，移动平台是小型苹果采摘机实现复杂地形运动的功能载体，本文采用了后轮驱动的驱动轮式移动机构，并具有可独立控制的前摆，具有较强的地形适应能力。 （3）通过对比多种采摘执行装置，最终确定采用半球式抓爪的结构，模仿人类手来采摘苹果。 设计中，我对苹果采摘机的工作原理、基本结构、性能要求进行了比较详细的分析，针对苹果采摘机中采用的驱动轮、减速器、电动机等也进行了必要的阐析。 对于本文研究的苹果采摘机，是一个复杂的采摘装置系统，在总体设计中，由于能力和精力有限，研究内容还是很初步的，由于本人水平和能力有限，文中难免存在有疏漏和不妥之处，敬请老师给予批评和指正。 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. [2] 邓星钟主编.机电传动控制[M].第三版，华中科技大学出版社 2012 [3] 严霖元主编.机械制造基础[M].中国农业大学 2013 [4] 郑文纬，吴克坚主编.机械原理[M].高等教育出版社 2013 [5] 范思冲.画法几何及机械制图. 北京：机械工业出版社，1995：3―12. [6] 于永泗、齐民主编，机械工程材料[M]，大连：大连理工大学出版社，2007 [7] 余桂英、郭纪林主编，AutoCAD2008中文版实用教程[M]，大连：大连理工大学出版社，2007 [8]何瑛,欧阳八生.机械制造工艺学[M].长沙：中南大学出版社,2015. [9]陈新民,赵燕.机械制造装备设计[M].长春：东北师范大学出版社,2017. [10]赵晓军.理论力学[M].西安：西安交通大学出版社,2015. [11]张强,金世佳.苹果采摘辅助机械手设计[J].农业科技与装备,2017,278（8）：18-21. [12] 徐丽明,张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策[J].农业工程学报,2004,20(5);38. [13] 姜丽萍,陈树人.果实采摘机器人的研究综述[J].农业装备技术,2006,2,32(1):8-10. [14] 崔玉洁,张祖立,白晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析[J].农机化研究,2007,(2):4-5. [15] Ling P, Ehsani R, Ting K C, et al.Sensing and end-effector for a robotic tomato harvester[C]//ASAE Paper 043088,2004. [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 在本文即将结束之际，请允许我对在这四年的大学生活学习中给予我支持和鼓励的各位老师和同学致以深深的感谢。 首先，我要感谢我的指导老师，感谢他在我的研究和学习过程中给予我的指导和帮助。老师深厚的理论素养，渊博的学识和诲人不倦的精神使我受益非浅，更重要的是，老师严谨的治学风范和对学术问题的概括与抽象能力在潜移默化中影响着我，教育着我。在大学生活中，老师对我的言传身教以及给予我许多无私的关心和帮助，所有这些不仅是我得以顺利地完成本文，而且更是使我终身受益。我还要感谢系里的各位老师，他们为我的毕业设计提出诸多良好的建议以及努力方向，使我得以较快地完成设计。 其次，我还要特别感谢我的母校，为我提供了一个先进的学习、工作环境，能让我顺利完成自学考试的各个课程。 最后，请让我将这篇学士学位论文献给我的父母亲，感谢他们的养育之恩，感谢他们使我成为一个对社会有用的人，他们的关怀、支持和鼓励是我所有信念的力量源泉。