苹果采摘机的设计

苹果采摘机的设计,苹果,采摘,设计 塔里木大学 毕业论文（设计）中期检查记录表 2016年 4 月18日 学生姓名 郭晓东 班级 农机16-3 课题名称 苹果采摘机的设计 课题完成进度（学生自述） 基本完成，毕业设计课题中苹果采摘机的机械部分的三维图的制作，部分零件的二维图的制作，设计说明书的撰写。 存在的问题及整改措施（学生自述） 1.机器各部分装配时出现尺寸误差，应对各个部分进行尺寸匹配，进行优化设计。 2.采摘机械手的动力配置不合理，应配置功率较小，扭矩较大，能够实现精确控制转位的伺服电机。 3.某些零件绘制不合要求，应针对这些不合格零件进行改进设计。 4.应尽力把零部件做得精细。 指导教师意见（课题进展情况、优缺点、整改措施等） 指导教师签名 年 月 日 学院意见 负责人签名 年 月 日 塔里木大学 毕业论文（设计）任务书 学院 机械电气化工程学院 班级 农机16-3 学生姓名 郭晓东 学号 8031212327 课题名称 苹果采摘机的设计 起止时间 2015年10月15日—— 2016年5月28日（共 14周） 指导教师 李传峰 职称 副教授 课题内容 由于果园占地面积相对狭小，而且果树之间的间距很小，果树生长性状复杂，这就给对果园的果类采摘等带来了巨大的麻烦。为了节约人们的体力劳动，设计一种苹果等果类无损采摘机械装置是非常必要的，专门应用于果类采摘。可爬坡、越埂、阶梯性强。广泛适用于平原、山区、丘陵、温室等区域种植的果树果类采摘收获。本设计的成功实现了果园机械化水平的提高，也提高了劳动效率，减轻人们的体力劳动。 本课题的研究内容： 1）查找相关文献，了解果园苹果采摘机的工作原理。 2）查找专利及相关文献，熟悉了解果园苹果采摘机的结构。 3）利用力学原理，机械手臂和行走承载装置进行优化设计。 4）依据查找到的专利及文献，设计果园苹果采摘机的三维实体模型，并生成关键部件及装配图工程图。 拟定工作进度（以周为单位） 第 一 周：查找相关资料，熟悉课题内容。 第 二 周：撰写开题报告，并制定总体方案。 第三到十周：设计果园苹果采摘机的三维实体模型，并生成关键部件及装配图工程图。 第 十一 周：对果园苹果采摘机进行传动设计和机构设计。 第 十二 周：撰写毕业论文，修改图纸中存在的问题。 第十三周：编写答辩提纲，准备答辩。 第十四周：答辩 主要参考文献 [1]李伟,李吉,张俊雄,陈英,任永新.苹果采摘机器人机械臂优化设计及仿真[J].北京工业大学学报,2009,06:721-726. [2]郑爽爽,李艳聪,张盛,王睿,王东阳,顾典荣.苹果采摘机械人结构设计[J].科技创新与应用,2015,21:11-12. [3]杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析[D].江苏大学,2009. [4]马强.苹果采摘机器人关键技术研究[D].中国农业机械化科学研究院,2012. [5]张杰,姬长英,顾宝兴,沈子尧,董芒.三自由度苹果采摘机器人本体设计[J].计算机工程与应用,,:. [6]邓小蕾.果园信息获取现代传感方法及装置研究[D].中国农业大学,2014. [7]张麒麟,姬长英,高峰,赵文旻.苹果采摘机械手对果实损伤的影响[J].食品工业科技,2011,12:404-405. [8]崔鹏.苹果采摘机器人末端执行器的设计研究[D].中国农业机械化科学研究院,2010. [9]刘兆祥,刘刚,乔军.苹果采摘机器人三维视觉传感器设计[J].农业机械学报,2010,02:171-175. [10]GHBrusewitz,JABartsch,吴劲松.与苹果采摘后损伤有关的碰撞参量[J].力学进展,1993,01:135-140. [11]常有宏,吕晓兰,蔺经,薛新宇,王中华. 我国果园机械化现状与发展思路[J]. 中国农机化学报,2013,06:21-26. [12]王建超. 悬挂式丘陵山地果园作业升降平台设计[D].山东农业大学,2013. [13]葛世康. 怎样确定果树修剪轻重程度和修剪量大小[J]. 农业科技与信息,1997,07:17. [14]吕萌萌,陆声链,郭新宇. 果树虚拟修剪研究进展[J]. 系统仿真学报,2015,03:448-460. [15]赵鹏,赵德安.双目立体视觉在果树采摘机器人中的应用[J].农机化研究,2009,31(1):212-214.DOI:10.3969/j.issn.1003-188X.2009.01.064. [16]刘国华. 果树的适时采摘与管理分析[J]. 农民致富之友,2015,07:74. 任务下达人（签字） 年 月 日 任务接受人意 任务接受人签名 年 月 日 注：1、此任务书由指导教师填写，任务下达人为指导教师。 2、此任务书须在学生毕业实践环节开始前一周下达给学生本人。 3、此任务书一式三份，一份留学院存档，一份学生本人留存，一份指导教师留存。 苹果采摘机的设计 郭晓东1 李传锋1 (1. 塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300） 摘要：本文通过对采摘机的设计同时介绍了采摘机械的发展历史、种类、工作原理及其主要参数。并详细的分析了苹果采摘机的构成、以及采摘机的日常维护和基本安全操作规程，并分析了采摘机的日常检修及其常见故障分析。通过自身的实践，更加的认识到对采摘机专业理论知识的学习，提高操作技能，了解采摘机的内部构造，大概了解机的采摘观运用，叙述了利用传统的方法、结合先进的知识、科学的逻辑思维方法来客观的阐述分析苹果采摘机出现的一系列缺点以及设计的心得体会。并对苹果采摘机的未来发展前景有着很好的憧憬。 关键词：苹果；苹果采摘机；农业机械 中图分类号:TD451 文献标识码：A 0引言 苹果原产欧洲中部、东南部，中亚西亚以及中国新疆。苹果（Apple），是常见的水果之一。苹果树属于蔷薇科，落叶乔木，叶椭圆形，有锯齿。其果实球形，味甜，口感爽脆，且富含丰富的营养，是世界四大水果之冠。苹果通常为红色，不过也有黄色和绿色。苹果是一种低热量食物，每100克只产生60千卡热量。苹果中营养成份可溶性大，易被人体吸收，故有“活水”之称，其有利于溶解硫元素，使皮肤润滑柔嫩。 中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，苹果种植面积和产量均占世界总量的40%以上，在世界苹果产业中占有重要地位。苹果消费市场主要为鲜果和加工制品,鲜食的比例高达90%,加工制品仅占10%左右。为保证苹果的品质,适时采摘是我国苹果产业的重中之重。采摘工作量繁重与劳动力的缺乏使得适时采摘变得越来越困难。 采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，果品采摘作业是水果生产 链中最耗时、最费力的一个环节。故此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。采摘作业非常复杂，目前，国内水果采摘作业基本上都是人工 进行，其费用约占成本的50%-70%，并且时间较为集中。采摘机作为农业机器的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生 产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。 1总体设计思路 作为毕业设计的研究课题，考虑到个人搜集、整理信息的局限，本设计致力形成完整的设计理念，不确保每个工作部分在任何工作环境下均可长时间、全负荷工作。 本设计致力于，苹果采摘机械的机械结构的设计与选型，完整的采摘机器包括机械部分和控制部分，设计过程难点是空间点的定位，与捕捉点的路径控制与模拟，机械结构的选择，造型设计等。本设计的动力主要源于一台功率足够大的柴油发动机提供，保障苹果输送、机车移动，通过皮带传送和齿轮传动实现动力传输。苹果通过机械手抓取实现采摘过程，通关过输送装置实现轻柔装筐等工作。 1.1设计原理 机械手接受控制中心信号，机械手在拟定路径上移动，抓取目标苹果，手臂收缩将抓取果实放置在导流盘内，苹果经过导流盘以适当的速度进入输送装置，经提升到达装筐输送机构，装筐输送机构相对于输送装置反向转动，承接板承接苹果使其落于毛刷上再进入果筐，实现轻柔装筐，保障苹果损伤较小。 1.2设计总体结构 苹果采摘机的总体结构示意图，如图1所示。 苹果采摘机械手是整个机械部分的核心部件，难点在于机械手造型设计，以及机械手抓取方式、移动方式的设计。此处机械手手指选型，利用仿生学原理，以及连杆机构，模拟人手抓取动作，手指内测均贴有力学传感器应变片，向计算机控制中心实时反馈接触果实部位受力变化，方便计算机运算，判断并控制机械手舒张量。根据来自百度百科的数据，苹果直径一般在60—85mm，因此，机械手的抓取最大直径设计标准不小于100mm,以确保可以抓取绝大多数成熟苹果果实。 机械手臂设计，仿生学难度较大，故而舍弃，那么为了能够实现平移以及上下、左右等空间运动，在我现在图2-4 机械手臂图例 的知识层次水平上，考虑使用机械滑台，以机车前进方向为正方向，实现手臂上下、左右，配合机车前进或者后退，运用运动合成与分解原理（理论力学）实现机械手在有限三维空间的运动。 采摘机构动力传输主要依靠异步步进电机实现，丝杆滑台由一台小功率直线步进电机，两台较大功率步进电机控制，机械手抓取与舒张由一台丝杆直线步进电机通过牵动丝杆套沿轴向往复运动驱动机械手手指握紧与舒张。 苹果定位装置设计主要结合角度传感器，视频摄像头，物理伸缩杆，计算机运算模拟控制，最终实现三维空间坐标系的建立，运用伽利略坐标变换等知识原理，寻找机械手臂抓取果实的最优路径。 图1苹果采摘机的总体结构示意图 1、后桥 2、机车机架 3、换向小带轮 4、苹果倒流盘 5、机械滑台 6、机械手 7、大带轮8、装筐输送机构9、机械手II 10、大直齿锥齿轮 11、小直齿锥齿轮 12、齿轮箱 13、换向大带轮 14、调节臂15、纵向输送机构 16、柴油发动机 17、转向液压缸 18、制动液压缸 19、前轮 20、万向联轴器传动轴 2关键部件的设计 2.1电机的选择 采摘机构动力传输主要依靠异步步进电机实现，丝杆滑台由一台小功率直线步进电机，两台较大功率步进电机控制，机械手抓取与舒张由一台丝杆直线步进电机通过牵动丝杆套沿轴向往复运动驱动机械手手指握紧与舒张。 2.2齿轮的设计 直齿锥齿轮齿廓曲面的形成与圆柱齿轮类似。如下图所示，发生平面 1 与基锥 2 相切并作纯滚动， 该平面上过锥顶点 O 的任一直线 OK 的轨迹即为渐开锥面。渐开锥面与以 O 为球心，以锥长 R 为半径的球面的交线 AK 为球面渐开线，它应是锥齿轮的大端齿廓曲线。但球面无法展开成平面， 这就给锥齿轮的设计制造带来很多困难。为此产生一种代替球面渐开线的近似方法。 图2 由于直齿锥齿轮大端的尺寸大，测量方便。因此，规定锥齿轮的参数和几何尺寸均以大端为准。 大端的模数 m 的值为标准值，按下表选取。在 GB12369-90 中规定了大端的压力角 a=20。，齿 顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.2。 当量齿轮的齿数 称为锥齿轮的当量齿数。与锥齿轮的齿数 z 的关系可由上图求出，由图可 得当量齿轮的分度圆半径 。 有 式中：d 为锥齿轮的分度锥角。 直齿圆锥齿轮传动的几何关系, 如图3-3 、、和、、分别为小齿轮和大齿轮的大端分度圆直径、平均直径、分度圆锥角；R为锥距;b为齿宽。小端、大端分度圆直径; 齿数比 平均直径 2.3 输送装置的选择 带式输送机的倾角一般小于18°，本设计纵向输送带，不需要很大的提升角，提升工作强度不大，故而设定输送带倾角为10o，输送带长1.5米，宽0.6米，前端与导流盘吻接。 3总结 在李传峰老师的指导下，以及各位老师和同学的支持和帮助下，我在现有的知识水平层次完成了我的毕业设计“苹果采摘机械的设计”。 本设计致力于苹果采摘及机械结构的选型与设计，运用所学专业知识，采用运动合成原理，简化机械手臂的设计，降低机械手臂设计技术难度，方便设计采摘机的控制程序。本设计机械结构，基本满足苹果的采摘，初步清理，输送，装筐，运输等工作环节，实现苹果果实较低损伤收获，利于提高果园产品品质，提高经济效益。 本设计由于采用新的设计思路，必然存在很多不足之处，仍需进行优化设计。 参考文献 [1]常有宏,吕晓兰,蔺经,薛新宇,王中华. 我国果园机械化现状与发展思路[J]. 中国农机化学报,2013,06:21-26. [2]刘国华. 果树的适时采摘与管理分析[J]. 农民致富之友,2015,07:74. [3]张杰,姬长英,顾宝兴,沈子尧,董芒.三自由度苹果采摘机器人本体设计[J].计算机工程与应用 [4]邓小蕾.果园信息获取现代传感方法及装置研究[D].中国农业大学,2014. [5]张麒麟,姬长英,高峰,赵文旻.苹果采摘机械手对果实损伤的影响[J].食品工业科技,2011,12:404-405. [6]崔鹏.苹果采摘机器人末端执行器的设计研究[D].中国农业机械化科学研究院,2010. [7]刘兆祥,刘刚,乔军.苹果采摘机器人三维视觉传感器设计[J].农业机械学报,2010,02:171-175 塔里木大学 毕业论文（设计）开题报告 课题名称 苹果采摘机的设计 学生姓名 郭晓东 学 号 8031212327 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 班 级 农 机 16-3 指导教师 李传峰 起止时间 2015.11.15-2016.5.28 机械电气化工程学院教务办制  填 表 说 明 一、学生撰写《开题报告》应包含的内容： 1、本课题来源及研究的目的和意义； 2、本课题所涉及的问题在国内（外）研究现状及分析； 3、对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析； 4、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路； 5、完成本课题所必须的工作条件及解决的办法； 6、完成本课题的工作方案及进度计划； 7、主要参考文献（不少于7篇）。 二、本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在接到“毕业论文（设计）任务书”的两周内独立撰写完成，并交指导教师审阅。 三、开题报告要求手写体，字数在3000字以上，由学生在本报告册内填写，页面不够可自行添加A4纸张。 四、每个毕业论文（设计）课题须提交开题报告一式三份，一份学生本人留存，一份指导教师存阅，一份学生所在学院存档，备检备查。 一、本题来源及研究的目的和意义 1.1 课题的来源：自选题 1.2 研究的目的 随着中国农业的不断发展，果园业也得到了很大的发展。由于果园占地面积相对狭小，而且果树之间的间距很小，果树生长性状复杂，这就给对果园的果类采摘等带来了巨大的麻烦。为了节约人们的体力劳动，设计一种苹果等果类无损采摘机械装置是非常必要的，专门应用于果类采摘。可爬坡、越埂、阶梯性强。广泛适用于平原、山区、丘陵、温室等区域种植的果树果类采摘收获。 1.3 研究的意义 我国是世界第一大苹果果消费国，也是世界第一大苹果生产国。苹果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，目前我国的苹果果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。苹果采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，因此提高苹果采摘作业机械化程度有重要的意义。 苹果采摘机械在果园规模化发展和规范化管理的地区应用更能突显其显著特点。用机械代替传统的人力操作完成苹果采摘作业，既能减轻工人的劳动强度，提高功效，还可降低生产成本，提高经济效益，同时又能抢农时，减少损失，为果树生长发育创造良好环境，促进果品优质高产。 二、 本课题国内外研究现状及背景 1.国外果园采摘机械的发展现状 上世纪40年代以英、美、法为首的西方国家率先开始苹果等水果的机械化采摘研究，已经针对酿造等特殊用途的苹果实现机械化采摘。然而，人们期待的仿生学机器人的研究和开发正在进行当中，当下人工智能技术尚不能使机器人像真实人一样完成采摘工作。 目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。华盛顿州立大学在2013年获得了美国国家机器人计划(美国农业部)的54.8万美元拨款，现在，该项目已经制造了一个苹果采摘机器人原型，将在今年秋天进行测试。 1.1.国外果园采摘机械的发展现状 国外苹果采摘机械采摘主要有振摇式、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，又分为机械切割式和动力切割式。 国外对果园采摘机械的研究始于上世纪40年代初，以美国、法国、英国为首的西方国家较早开展此方面的研究。于40年代中期开始，美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃、苹果和杏等水果，到50年代中期，利用振摇果树方式收获水果的采摘机械在欧美国家得到了发展和普遍应用，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机。60年代，振摇采摘机械的结构由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机、使用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式机械等多种类型的果园采摘机械。当时的机械采摘工作效率普遍较低，采摘的损伤率还较高，也不适用于采收易损伤、完好率要求较高的鲜食用和贮藏的苹果。60年代中期，美国研究出液压升降平台车，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。 自60年代后期，欧美一些国家将水果采摘机械与果树的培育和修剪结合起来研究，例如修整树形使之适合机械化作业。直至70年代出现了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪。 日本的果园种植地形与我国南方地形极为相似，许多在平地上使用的果园机械在丘陵地形上并不适用，故此在20世纪90年代初，日本开始研究陡坡地果园的机械化。其中四国农业试验场研究开发的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分的自走式采摘车，配备使用电视摄像机和无线电控制组合。该采摘车的轮距宽，重心低，故爬坡能力强；采用就地车轮正反转机构，故回转能力好；采用枢轴悬挂机构，因而使机体摆动小、行走稳定，适合在坡度15°～30°的地区使用。 关于机器人采摘的研究始于70年代末期，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。自1983年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经20多年的研究和试验，日本、美国、法国、荷兰、英国、西班牙等发达国家，相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人。 采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等四大系统组成。在80年代中期日本京都大学研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行器的可操作度也比较低。与此同时韩国研制的苹果采摘机器人使用极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达3m。日本岗山大学在20世纪90年代，设计出番茄采摘机器人具有7个自由度的能够设定采摘姿态的机械手。 2 我国苹果采摘机械发展现状 目前，我国在人工智能机器人采摘研究领域仍处于起步阶段。 我国大部分苹果果园生产规模小，种植模式多样，栽培和管理比较分散，果园的规模化和规范化程度偏低。目前，我国果园机械化基础差，新疆优势林果产区虽然已逐步形成规模化生产，但规范化管理不足，农艺未实现标准化，果园机械化水平仍然很低，果园机械无论从数量上还是品种、质量上都难以满足林果产业大发展的需要，在一些果园专有机械上仍处于空白。 2.1我国苹果采摘机械研究开发背景 自20世纪70年代，我国开始研究果园采摘机械，先后开发了与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械，虽然在保护果实不受损伤方面做得较好，但是其效率还是太低。80年代后，开始研究和制造切割型采摘器，果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘。电机式采摘器利用果柄引导突片将果柄引向切刀，再用微型电机带动的切刀作往复运动把果柄切断。此外，一种振摇式采摘器，用拨叉伸入果枝用电机摆动拨叉而振落果实。切割式采摘的优点是省时省力，对果实的损伤也小。此后有了更多的辅助工具如液压剪枝升降平台，可用来提升工人工作位置，利于采摘作业。 尽管如此，国内苹果采摘机械基本处于空白，苹果不同于山楂、核桃、枣等，苹果果皮易在采摘过程中受到损伤，损伤容易造成苹果氧化变质品质下降，降低经济效益。 三 本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路 3.1 研究的主要问题： 传统的果园苹果收获基本以人工采摘为主（特殊用途的果类除外），耗时费力，劳动成本高。苹果从采摘到运输过程周期较长，不容易保障果品质量。本设计主要致力苹果无损采摘，以及初步清理，运出果园等收获环节。 3.2 解决思路： （1）用大功率的发动机进行装配及其，保证机器在工作的时间不会因为超载而熄火。 （2）设计机械手臂，编写机械手臂工作程序，实现柔性抓取，摘果。 （3）添加视觉捕捉辅助系统，辅助操作员操作机械手臂。 （4）设计苹果输送，初步清洗装置，将采摘的苹果进行运输、清理、装箱。 （5）设计多自由度承载升降自走车体，搭载全部采摘设备、操作人员、驾驶人员，及采摘苹果、果箱等。 （6）保证机器的安全性能。 3.3具体方案： （1）本次设计把视觉捕捉系统、智能机器人、苹果输送淸选装置、多自由度式承载装置相结合，本设计的研究对果园的管理非常重要。 （2）该设计的成型产品是机械手臂、苹果输送清洗装置、行走装置与升降装置均通过独立动力源提供动力，以确保机器工作稳定。 （3）产品能够实现苹果采摘、输送、清洗，工作台升降由操作员独立进行。 （4）前后的工作装置都可以卸载，当需要什么样的工作时进行安装即可。 四 完成本课题需要的工作条件及解决的办法 （1）查阅有关资料选择相关参数及材料,设计机械手臂、行走装置、输送清洗装置、行走装置等的形状。 （2）设计完各零部件后，进行装配组合，试验设计的可靠性。 （3）运用Solidworks软件，绘制三维零件图和装配图。 （4）运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模并进行运动仿真。 五 工作方案及进度计划 工作方案： 1、设计并绘制苹果采摘机总体机架。 2、传动机构的选择方案及大小设计。 3、苹果采摘机主要零部件的设计。 4、绘制所有零部件并查阅相关说明，各零部件尺寸要啮合达到合适效果。 5、组装装配图并生成三维立体模型，观察效果并加以改进。 进度计划： 第 一 周：查找相关资料、熟悉课题内容。 第 二 周：撰写开题报告，并制定总体方案。 第三周至十周：设计苹果采摘机试验装置的三维实体模型图，并生成关键部件及装配图工程图。 第 十一 周：对苹果采摘机进行传动设计和机构设计。 第 十二 周：撰写毕业论文，修改图纸中存在的问题。 第十三周：编写答辩提纲，准备答辩。 第十四周：答辩 六 参考文献 [1]李伟,李吉,张俊雄,陈英,任永新.苹果采摘机器人机械臂优化设计及仿真[J].北京工业大学学报,2009,06:721-726. [2]郑爽爽,李艳聪,张盛,王睿,王东阳,顾典荣.苹果采摘机械人结构设计[J].科技创新与应用,2015,21:11-12. [3]杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析[D].江苏大学,2009. [4]马强.苹果采摘机器人关键技术研究[D].中国农业机械化科学研究院,2012. [5]张杰,姬长英,顾宝兴,沈子尧,董芒.三自由度苹果采摘机器人本体设计[J].计算机工程与应用,,:. [6]邓小蕾.果园信息获取现代传感方法及装置研究[D].中国农业大学,2014. [7]张麒麟,姬长英,高峰,赵文旻.苹果采摘机械手对果实损伤的影响[J].食品工业科技,2011,12:404-405. [8]崔鹏.苹果采摘机器人末端执行器的设计研究[D].中国农业机械化科学研究院,2010. [9]刘兆祥,刘刚,乔军.苹果采摘机器人三维视觉传感器设计[J].农业机械学报,2010,02:171-175. [10]GHBrusewitz,JABartsch,吴劲松.与苹果采摘后损伤有关的碰撞参量[J].力学进展,1993,01:135-140. [11]常有宏,吕晓兰,蔺经,薛新宇,王中华. 我国果园机械化现状与发展思路[J]. 中国农机化学报,2013,06:21-26. [12]王建超. 悬挂式丘陵山地果园作业升降平台设计[D].山东农业大学,2013. [13]葛世康. 怎样确定果树修剪轻重程度和修剪量大小[J]. 农业科技与信息,1997,07:17. [14]吕萌萌,陆声链,郭新宇. 果树虚拟修剪研究进展[J]. 系统仿真学报,2015,03:448-460. [15]赵鹏,赵德安.双目立体视觉在果树采摘机器人中的应用[J].农机化研究,2009,31(1):212-214.DOI:10.3969/j.issn.1003-188X.2009.01.064. [16]刘国华. 果树的适时采摘与管理分析[J]. 农民致富之友,2015,07:74. 学生签名 年 月 日 指导教师审阅意见 指导教师签名 年 月 日 塔里木塔里木大学大学机械电气化工程学院机械电气化工程学院开题报告答辩开题报告答辩苹果采摘机械的设计苹果采摘机械的设计 学院：机械电气化工程学院 专业：农业机械化及其自动化 班级：16届3班 姓名：郭晓东 学号：8031212327 电话：18399578179 Q Q：909631348 指导老师：李传峰研究的目的和意义研究的目的和意义研究的目的 设计开发一种专门应用于苹果等类似水果的采摘工作的农业机械装备。研究的意义 我国的苹果产量约占世界苹果总产量的50%，本设计将致力改善苹果的收获环节仍以人工采摘为主，耗时费力劳动成本高的现状，更进一步提高苹果业的经济效益。国外苹果采摘机械的发展现状国外苹果采摘机械的发展现状上世纪40年代以英、美、法为首的西方国家率先开始苹果等水果的机械化采摘研究，已经针对酿造等特殊用途的苹果实现机械化采摘。然而，人们期待的仿生学机器人的研究和开发正在进行当中，当下人工智能技术尚不能使机器人像真实人一样完成采摘工作。华盛顿州立大学在2013年获得了美国国家机器人计划(美国农业部)的54.8万美元拨款，现在，该项目已经制造了一个苹果采摘机器人原型，将在今年秋天进行测试。我国苹果采摘机械发展现状我国苹果采摘机械发展现状自20世纪70年代，我国开始研究果园采摘机械，先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。目前，我国在人工智能机器人采摘研究领域仍处于起步阶段。苹果采摘机械的现实需要分析苹果采摘机械的现实需要分析意大利苹果采摘国内国外均未出现成熟的采摘、输送全程机械化一体的采摘机械。即使是现在的意大利果园机械化水平较高，仍然需要人工辅助采摘。因此，本设计的研究与开发不仅有实用需求，而且将填补国内市场的空白！适应机械化采摘果园管理新模式适应机械化采摘果园管理新模式在当下人工智能不能实现机器人高效率自动化采摘的现实情况下，要实现苹果机械化采摘，不能单纯考虑让农机适应大田采摘工作需要，果园也必须在栽培、修剪、管理上逐步创新适应当下机械发展水平。自60年代后期，欧美一些国家将水果采摘机械与果树的培育和修剪结合起来研究，比如修整树形使之适合机械化作业。产品设计简介产品设计简介 实现人机结合，共同实现苹果机械化采摘最大程度减少劳动力使用量。采用多个动力源，机械采摘工作部分单独提供动力。多自由度自走承载装置，配备液压升降工作台，实现更加灵活移动车位以及搭载的工作台位置，实现全覆盖采摘。行走装置重心低，配备大功率发动机，保障工作过程不熄火，能够在平原、山地、丘陵等地域完成采摘工作。视觉捕捉部分视觉捕捉部分视觉捕捉测算的基本原理根据简易目测法测量线度统计建立不同品种苹果数据库计算机模拟计算将所得数据转换为电信号传递给采摘机械手目标镜头采摘结构原理简述采摘结构原理简述拟采用机械剪刀式末端执行装置。在机械手剪切装置下方配置轻质输送管路，管路内置柔性减速材料，以保障苹果果实到达输送清理装置时以最小速度撞击输送带表面。机械手基本结构行走承载结构原理行走承载结构原理行走装置底盘设计保障较低重心，内置较大功率柴油发动机，以保障具备较强的行走承载能力，适应在山区丘陵地域正常工作承载装置与采摘工作台采用球杆连接增加工作台位置变换能力，辅以6-8组液压驱动装置图例展示图例展示毕业设计流程毕业设计流程概述概述毕业论文撰写编写设计说明书，完成各个模块参数设计，修改草图开始三维装配图设计将设计概念划分模块单元，分单元进行草图绘制查找资料文献、期刊、科技论文以及视频图文资料，统计分析所获资料结合当下实际确定设计方案设计关注的领域设计关注的领域果园应当为适应机械化采摘而改进栽培修剪模式不适当栽培修剪方式对果园生物量的影响果园栽培修剪规范化智能机械手柔性采摘研究以及避障研究视觉捕捉系统的开发应用多自由度行走承载装置研究智能机械手以及多自由度自走承载装置毕业设计工作毕业设计工作进度进度当前完成部分资料收集，设计方案确定正在进行机械结构分模块准备开始部分部件草图绘制完成开题报告撰写设计工作设计工作日程日程第 一 周：查找相关资料，熟悉课题内容。第 二 周：撰写开题报告，并制定总体方案。第三到十周：设计果园苹果采摘机的三维实体模型，并生成关键部件及装配图工程图。第 十一 周：对果园苹果采摘机进行传动设计和机构设计。第 十二 周：撰写毕业论文，修改图纸中存在的问题。第十三周：编写答辩提纲，准备答辩。第十四周：毕业答辩下次审查的目标下次审查的目标完整地设计说明书一份二维CAD图纸一套三维solidworks图纸一套关键关键部位设计参数毕业设计论文初稿一份.谢谢观看 16届毕业设计 学生姓名： 郭晓东 学 号： 8031212327 所属专业：农业机械化及其自动化 学 院： 机械电气化工程学院 班 级： 农机16-3 指导老师： 李传峰 日 期： 2016.05 苹果采摘机的设计 机械电气化工程学院制  前 言 苹果原产欧洲中部、东南部，中亚西亚以及中国新疆。苹果（Apple），是常见的水果之一。苹果树属于蔷薇科，落叶乔木，叶椭圆形，有锯齿。其果实球形，味甜，口感爽脆，且富含丰富的营养，是世界四大水果之冠。苹果通常为红色，不过也有黄色和绿色。苹果是一种低热量食物，每100克只产生60千卡热量。苹果中营养成份可溶性大，易被人体吸收，故有“活水”之称，其有利于溶解硫元素，使皮肤润滑柔嫩。 中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，苹果种植面积和产量均占世界总量的40%以上，在世界苹果产业中占有重要地位。苹果消费市场主要为鲜果和加工制品,鲜食的比例高达90%,加工制品仅占10%左右。为保证苹果的品质,适时采摘是我国苹果产业的重中之重。采摘工作量繁重与劳动力的缺乏使得适时采摘变得越来越困难。 采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，果品采摘作业是水果生产 链中最耗时、最费力的一个环节。故此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。采摘作业非常复杂，目前，国内水果采摘作业基本上都是人工 进行，其费用约占成本的50%-70%，并且时间较为集中。采摘机作为农业机器的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生 产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。 关键词：农业机械 ； 机械手 ； 输送机构 ； 苹果 ； 农业机械  目 录 1引言 - 1 - 1.1题来源及研究的目的和意义 - 1 - 1.2本课题国内外研究现状 - 1 - 1.3本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路 - 3 - 1.4完成本课题需要的工作条件及解决的办法 - 4 - 1.5 方案及进度计划 - 4 - 2.机械的总体设计 - 4 - 2.1苹果采摘机工作流程 - 5 - 2.2机械手臂设计 - 7 - 3.苹果采摘机械动力控制机构的设计 - 11 - 3.1输送机构传动方式 - 11 - 3.2V带传动的失效形式及设计准则 - 11 - 3.3V带传动设计步骤和传动参数选择 - 11 - 3.4齿轮箱齿轮结构 - 12 - 4. 苹果采摘机械行走机构的选择 - 16 - 4.1行走机构 - 16 - 5.苹果采摘机输送装置的选择 - 17 - 5.1带式输送机 - 17 - 5.2 装筐输送机构 - 17 - 6.部位仿真模拟分析 - 18 - 总 结 - 21 - 致 谢 - 22 - 参考文献 - 23 - 塔里木大学毕业设计 1引言 1.1题来源及研究的目的和意义 随着中国农业的不断发展，果园业也得到了很大的发展。由于果园占地面积相对狭小，而且果树之间的间距很小，果树生长性状复杂，这就给对果园的果类采摘等带来了巨大的麻烦。为了节约人们的体力劳动，设计一种苹果等果类采摘机械装置是非常必要的，专门应用于果类采摘。可爬坡、越埂、阶梯性强。广泛适用于平原、山区、丘陵、温室等区域种植的果树果类采摘收获。 1.1.2研究的意义 我国是世界第一大苹果果消费国，也是世界第一大苹果生产国。苹果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，目前我国的苹果果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。苹果采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，因此提高苹果采摘作业机械化程度有重要的意义[1]。 苹果采摘机械在果园规模化发展和规范化管理的地区应用更能突显其显著特点。用机械代替传统的人力操作完成苹果采摘作业，既能减轻工人的劳动强度，提高功效，还可降低生产成本，提高经济效益，同时又能抢农时，减少损失，为果树生长发育创造良好环境，促进果品优质高产[2]。 1. 2本课题国内外研究现状 1.2.1国外果园采摘机械的发展现状 上世纪40年代以英、美、法为首的西方国家率先开始苹果等水果的机械化采摘研究，已经针对酿造等特殊用途的苹果实现机械化采摘。然而，人们期待的仿生学机器人的研究和开发正在进行当中，当下人工智能技术尚不能使机器人像真实人一样完成采摘工作。目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。 国外苹果采摘机械采摘主要有振摇式、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，又分为机械切割式和动力切割式。 国外对果园采摘机械的研究始于上世纪40年代初，以美国、法国、英国为首的西方国家较早开展此方面的研究。于40年代中期开始，美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃、苹果和杏等水果，到50年代中期，利用振摇果树方式收获水果的采摘机械在欧美国家得到了发展和普遍应用，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机。60年代，振摇采摘机械的结构由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机、使用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式机械等多种类型的果园采摘机械。当时的机械采摘工作效率普遍较低，采摘的损伤率还较高，也不适用于采收易损伤、完好率要求较高的鲜食用和贮藏的苹果[3]。60年代中期，美国研究出液压升降平台车，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。 自60年代后期，欧美一些国家将水果采摘机械与果树的培育和修剪结合起来研究，例如修整树形使之适合机械化作业。直至70年代出现了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪。 日本的果园种植地形与我国南方地形极为相似，许多在平地上使用的果园机械在丘陵地形上并不适用，故此在20世纪90年代初，日本开始研究陡坡地果园的机械化。其中四国农业试验场研究开发的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分的自走式采摘车，配备使用电视摄像机和无线电控制组合。该采摘车的轮距宽，重心低，故爬坡能力强；采用就地车轮正反转机构，故回转能力好；采用枢轴悬挂机构，因而使机体摆动小、行走稳定，适合在坡度15°～30°的地区使用。 关于机器人采摘的研究始于70年代末期，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。自1983年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经20多年的研究和试验，日本、美国、法国、荷兰、英国、西班牙等发达国家，相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人。 采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等四大系统组成。在80年代中期日本京都大学研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行器的可操作度也比较低。与此同时韩国研制的苹果采摘机器人使用极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达3m。日本岗山大学在20世纪90年代，设计出番茄采摘机器人具有7个自由度的能够设定采摘姿态的机械手。 1.2.2我国苹果采摘机械发展现状 目前，我国在人工智能机器人采摘研究领域仍处于起步阶段。 中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，苹果种植面积和产量均占世界总量的40%以上，在世界苹果产业中占有重要地位。中国苹果有黄土高原、渤海湾、黄河故道和西南冷凉高地四大产区，根据气候和生态适宜标准，西北黄土高原产区和渤海湾产区是中国最适苹果发展产区，两个区域苹果栽培面积分别占全国的44%和34%，产量分别占全国的49%和31% ，出口量占全国的90%以上。黄河故道产区属于苹果生产的次适宜区，西南冷凉高地苹果生产规模小、产业基础差，无法满足苹果生产优势区域的要求。 我国大部分苹果果园生产规模小，种植模式多样，栽培和管理比较分散，果园的规模化和规范化程度偏低。目前，我国果园机械化基础差，新疆优势林果产区虽然已逐步形成规模化生产，但规范化管理不足，农艺未实现标准化，果园机械化水平仍然很低，果园机械无论从数量上还是品种、质量上都难以满足林果产业大发展的需要，在一些果园专有机械上仍处于空白。 自20世纪70年代，我国开始研究果园采摘机械[4]，先后开发了与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械，虽然在保护果实不受损伤方面做得较好，但是其效率还是太低。80年代后，开始研究和制造切割型采摘器，果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘。电机式采摘器利用果柄引导突片将果柄引向切刀，再用微型电机带动的切刀作往复运动把果柄切断。此外，一种振摇式采摘器，用拨叉伸入果枝用电机摆动拨叉而振落果实[5]。切割式采摘的优点是省时省力，对果实的损伤也小。此后有了更多的辅助工具如液压剪枝升降平台，可用来提升工人工作位置，利于采摘作业。 尽管如此，国内苹果采摘机械基本处于空白，苹果不同于山楂、核桃、枣等，苹果果皮易在采摘过程中受到损伤，损伤容易造成苹果氧化变质品质下降，降低经济效益。 1.3本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路 1.3.1 研究的主要问题： 本设计的难点在于，如何实现现实空间中苹果的定位，采摘方式的可行性设计，设备各个部位的动力控制与传输的设计，机械设备稳定性考察，本设计主要致力苹果采摘，以及初步清理，装筐，运出果园等收获环节的机械部分的设计。 传统的果园苹果收获基本以人工采摘为主（特殊用途的果类除外），耗时费力，劳动成本高。苹果从采摘到运输过程周期较长，不容易保障果品质量。常见的采摘机械的采摘原理：果园的机械式采摘主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型。振摇式是利用外力使树体或树枝发生振动或振摇，使果实产生加速度，在连结最弱处与果枝分离而掉落。撞击式是撞击部件直接冲撞果枝或敲打牵引果枝的棚架振落果实。切割式是将树枝或果柄切断使果实与果树分离的方式，又分为机械切割式和动力切割式。然而这些采摘方式很难控制收获苹果果实的损伤率，影响苹果的品质，不利于果园经济效益的提升。 1.3.2 解决思路： （1）用大功率的发动机进行装配及其，保证机器在工作的时间不会因为超载而熄火。 （2）设计机械手臂，编写机械手臂工作程序，实现柔性抓取，摘果。 （3）采用物理方式与计算机辅助系统，构建空间坐标系，配合视觉捕捉设备，机械手臂，进行枝头苹果定位以及采摘。 （4）添加视觉捕捉辅助系统，辅助操作员操作机械手臂。 （5）设计苹果输送，初步清洗装置，将采摘的苹果进行运输、清理、装箱。 （6）设计多自由度承载自走车体，搭载全部采摘设备、操作人员、驾驶人员，苹果、果箱等。 （7）仿真模拟以确保证机器的安全性能。 1.3.3具体方案： （1）本次设计把视觉捕捉系统、智能机器人、苹果输送淸选装置、多自由度式承载装置相结合，本设计的研究对果园的管理非常重要[6]。 （2）该设计的成型产品是机械手臂、苹果输送清洗装置、行走装置与升降装置均通过相对独立的动力源提供动力，以确保机器工作稳定。 （3）产品能够实现苹果采摘、输送、清洗，工作台升降由操作员独立进行。 （4）前后的工作装置都可以卸载，当需要什么样的工作时进行安装即可。 （5）本设计致力于采摘机的机械部分的选型与设计。 1.4完成本课题需要的工作条件及解决的办法 （1）查阅有关资料选择相关参数及材料,设计机械手臂、行走装置、输送清洗装置、行走装置等的形状。 （2）实地参观果园，果园机械，观看国外现代化管理的果园采收视频，搜集整理有用信息。 （3）设计完各零部件后，进行装配组合，试验设计的可靠性。 （4）运用Solidworks软件，绘制三维零件图和装配图。 （5）运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模并进行运动仿真。 1.5 方案及进度计划 1.5.1 工作方案： (1) 设计并绘制苹果采摘机总体机架。 (2) 传动机构的选择方案及大小设计。 (3) 苹果采摘机主要零部件的设计。 (4) 输送机构的设计与选型。 (5) 绘制所有零部件并查阅相关说明，各零部件尺寸要啮合达到合适效果。 (6) 分模块完成各个工作部分的装配模型。 (7) 组装装配图并生成三维立体总装模型，观察效果并加以改进。 1.5.2进度计划： 第 一 周：查找相关资料、熟悉课题内容。 第 二 周：撰写开题报告，并制定总体方案。 第三周至十周：设计苹果采摘机试验装置的三维实体模型图，生成关键部件及装配图工程图。 第 十一 周：对苹果采摘机进行传动设计和机构设计。 第 十二 周：撰写毕业论文，修改图纸中存在的问题。 第十三周：编写答辩提纲，准备答辩。 第十四周：毕业设计答辩 2.机械的总体设计 作为毕业设计的研究课题，考虑到个人搜集、整理信息的局限，本设计致力形成完整的设计理念，不确保每个工作部分在任何工作环境下均可长时间、全负荷工作。 本设计致力于，苹果采摘机械的机械结构的设计与选型，完整的采摘机器包括机械部分和控制部分，设计过程难点是空间点的定位，与捕捉点的路径控制与模拟，机械结构的选择，造型设计等。本设计的动力主要源于一台功率足够大的柴油发动机提供，保障苹果输送、机车移动，通过皮带传送和齿轮传动实现动力传输。苹果通过机械手抓取实现采摘过程，通关过输送装置实现轻柔装筐等工作[8]。 1、 后桥 2、机车机架 3、换向小带轮 4、苹果倒流盘 5、机械滑台 6、机械手 7、大带轮8、装筐输送机构9、机械手II 10、大直齿锥齿轮 11、小直齿锥齿轮 12、齿轮箱 13、换向大带轮 14、调节臂15、纵向输送机构 16、柴油发动机 17、转向液压缸 18、制动液压缸 19、前轮 20、万向联轴器传动轴 图2-1 总统装配图 图2-2苹果采摘机械总体SW装配图 2.1苹果采摘机工作流程 机械手接受控制中心信号，机械手在拟定路径上移动，抓取目标苹果，手臂收缩将抓取果实放置在导流盘内，苹果经过导流盘以适当的速度进入输送装置，经提升到达装筐输送机构，装筐输送机构相对于输送装置反向转动，承接板承接苹果使其落于毛刷上再进入果筐，实现轻柔装筐，保障苹果损伤较小[9]。 2.2采摘机械采摘机械手的设计 苹果采摘机械手是整个机械部分的核心部件，难点在于机械手造型设计，以及机械手抓取方式、移动方式的设计。 2.2.1机械手手指指型设计 图2-3 机械手SW示意图 1、3号关节旋转轴 2、手指座盘 3、手指座 4、手指2-3 5、2号关节旋转轴 6、手指2-1 7、手指3-2 8、手指1 9、 手指1-2 10、1号关节旋转轴 11、手指2 12、手指3 13、拉杆 图2-4 机械手结构图 此处机械手手指选型，利用仿生学原理，以及连杆机构，模拟人手抓取动作，手指内测均贴有力学传感器应变片，向计算机控制中心实时反馈接触果实部位受力变化，方便计算机运算，判断并控制机械手舒张量[10]。 图2-3 机械手抓取效果 根据来自百度百科的数据，苹果直径一般在60—85mm，因此，机械手的抓取最大直径设计标准不小于100mm,以确保可以抓取绝大多数成熟苹果果实。 2.2机械手臂设计 图2-4 机械手-滑台 机械手臂设计，仿生学难度较大，故而舍弃，那么为了能够实现平移以及上下、左右等空间运动，在我现在 图2-4 机械手臂图例 的知识层次水平上，考虑使用机械滑台，以机车前进方向为正方向，实现手臂上下、左右，配合机车前进或者后退，运用运动合成与分解原理（理论力学）实现机械手在有限三维空间的运动。 2.2.1采摘机构动力传输设计 采摘机构动力传输主要依靠异步步进电机实现，丝杆滑台由一台小功率直线步进电机，两台较大功率步进电机控制，机械手抓取与舒张由一台丝杆直线步进电机通过牵动丝杆套沿轴向往复运动驱动机械手手指握紧与舒张。 2.2.2电机的选择计算 2.2.2.1滑台纵向运动电机的选择 图2-5机械手动力结构计算示意图 预设负载重量，螺杆螺距，螺杆直径，螺杆质量， 摩擦系数，机械效率，负载移动速度，加速减速时间，截止时间 （1）计算折算到电机轴上的负载惯量 重物折算到电机轴上的转动惯量 螺杆转动惯量 总负载惯量 （2）计算电机转速 电机所需转速 （3） 计算电机驱动负载所需要的扭矩 克服摩擦力所需转矩 重物加速时所需转矩 螺杆加速时所需要转矩 加速所需总转矩 （4）计算瞬时最大扭矩 加速扭矩 匀速扭矩 实效扭矩 （5）选择伺服电机 伺服电机额定扭矩且 伺服电机最大扭矩 最后查机械设计课程设计手册选定 2.2.2.2机械手左右移动伺服电机的选择 预设负载重量，螺杆螺距，螺杆直径，螺杆质量， 摩擦系数，机械效率，负载移动速度，加速减速时间，截止时间 （1）计算折算到电机轴上的负载惯量 重物折算到电机轴上的转动惯量 螺杆转动惯量 总负载惯量 （2）计算电机转速 电机所需转速 （4） 计算电机驱动负载所需要的扭矩 克服摩擦力所需转矩 重物加速时所需转矩 螺杆加速时所需要转矩 加速所需总转矩 （4）计算瞬时最大扭矩 加速扭矩 匀速扭矩 实效扭矩 （5）选择伺服电机 伺服电机额定扭矩且 伺服电机最大扭矩 最后查机械设计课程设计手册选定 2. 2.3苹果采摘机械定位装置的设计 苹果定位装置设计主要结合角度传感器，视频摄像头，物理伸缩杆，计算机运算模拟控制，最终实现三维空间坐标系的建立，运用伽利略坐标变换等知识原理，寻找机械手臂抓取果实的最优路径。伽利略变换（Galileo transformation）是牛顿力学中所使用的两个相对做等速直线运动的参考系中的时空变换，属于一种被动态变换。伽利略变换中，直观上明显成立的公式在物体以接近光速运动时就会瓦解，这是相对论性效应造成的。伽利略变换建基于人们加减物体速度的直觉，变换的核心是假设时间、空间是绝对的、彼此独立的，其中时间均匀流逝，空间均匀分布且各向同性。 3 .苹果采摘机械动力控制机构的设计 3.1输送机构传动方式 苹果采摘机械输送机构、装筐旋转机构、液压系统的动力均由一台三缸的卧式柴油机提供，通过带轮与皮带传动实 现输送带是顺时针转动、逆时针转动。 图3-1 皮带传动 3.2 V带传动的失效形式及设计准则 根据带传动的工作情况分析可知，V带传动的主要失效形式是： ⑴ V带疲惫断裂：带的任一横截面上的应力将随着带的运转而循环变化。当应力循环达到一定次数，即运行一定时间后，V带在局部出现疲惫裂纹脱层，随之出现疏松状态甚至断裂，从而发生疲惫损坏，丧失传动能力。 ⑵ 打滑：当工作外载荷超过V带传动的最大有效拉力时，带与小带轮沿整个工作面出现相对滑动，导致传动打滑失效。 因此，在不打滑条件下，保证带具有一定的疲惫强度和寿命是V带传动工作能力的设计计算准则。单根V带既不打滑，又保证一定疲惫寿命时所能传递的额定功率P为 其中，为根据疲劳寿命决定的带的许用拉应力。 3.3 V带传动设计步骤和传动参数选择 V带有普通V带、窄V带、宽V带、大楔角V带等多种类型，其中普通V带应用最广，窄V带的使用也日见广泛。普通V带由顶胶、抗拉体（承载层）、底胶和包布组成,抗拉体由帘布或线绳组成，是承受负载拉力的主体。其上下的顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉伸和压缩变形。线绳结构普通V带具有柔韧性好的特点，适用于带轮直径较小，转速较高的场合。窄V带采用合成纤维绳或钢丝绳作承载层，与普通V带相比，当高度相同时，其宽度比普通V带小约30%。窄V带传递功率的能力比普通V带大，答应速度和挠曲次数高，传动中心距小。适用于大功率且结构要求紧凑的传动。 当多个执行件之间需获得固定运动关系时，通常是用一个原动机构，所以往往需要在两者之间加入通过一定的方式组合而成的并能实现运动、力(或力矩)的传递和变换的机械传动系统，以实现原动机的输出与执行件在运动、力和力矩方面得到合理的匹配。 带的型号可根据计算功率Pc小带轮转速n1选取： -工作情况系数（使用系数） P=名义传动功率（KW） 表3-1 皮带KA 选择参考表 农用低速柴油机转速约300r/min,输出扭矩约146牛/米，功率月43KW,估算，选取 所以， 3.4齿轮箱齿轮结构 实现减速以及传动变向的原理是，齿轮箱，锥齿轮传动实现传动和动力转换。 图3-2 齿轮箱 图3-3直齿圆锥齿轮啮合示意图 3.4.1齿廓曲面的形成 直齿锥齿轮齿廓曲面的形成与圆柱齿轮类似。如下图所示，发生平面 1 与基锥 2 相切并作纯滚动， 该平面上过锥顶点 O 的任一直线 OK 的轨迹即为渐开锥面。渐开锥面与以 O 为球心，以锥长 R 为半径的球面的交线 AK 为球面渐开线，它应是锥齿轮的大端齿廓曲线。但球面无法展开成平面， 这就给锥齿轮的设计制造带来很多困难。为此产生一种代替球面渐开线的近似方法。 图3-4 图3-5 3.4.2锥齿轮大端背锥、当量齿轮及当量齿数 如图3-5，为一锥齿轮的轴向半剖面，其中 DOAA 为分度锥的轴剖面，锥长 OA 称锥距，用 R表示；以锥顶O为圆心，以R为半径的圆应为球面的投影。若以球面渐开线作锥齿轮的齿廓，则圆bAc为轮齿球面大端与轴剖面的交线，该球面齿形是不能展开成平面的。为此，再过 A 作 O1A ⊥OA，交齿轮的轴线于点O1。设想以OO1为轴线，以 O1A 为母线作圆锥面 O1AA，该圆锥称 为锥齿轮的大端背锥。显然，该背锥与球面切于锥齿轮大端的分度圆。由于大端背锥母线 1A 与 锥齿轮的分度锥母线相互垂直，将球面齿形的圆弧bAc投影到背锥上得到线段bAc，圆弧bAc与线段bAc非常接近，且锥距R与锥齿轮大端模数 m 之比值愈大（一般 R/m>30），两者就更接近。这说明：可用大端背锥上的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形。由于背锥可展开成平面并得到一扇形齿轮，扇形齿轮的模数 m、压力角 a 和齿高系数 ha*等参数分别与锥齿轮大端参数相同。再将扇形齿轮补足成完整的直齿圆柱齿轮，这个虚拟的圆柱齿轮称为该锥齿轮的大端当量齿 轮。这样就可用大端当量齿轮的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形，即锥齿轮大端轮齿尺寸（ha、hf等）等于当量齿轮的轮齿尺寸。 3.2.2.1基本参数 表3-2 锥齿轮参数表 锥齿轮模数 ... 1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.75 3.25 3.5 3.75 4 4.5 5 5.5 6 6.5 8 由于直齿锥齿轮大端的尺寸大，测量方便。因此，规定锥齿轮的参数和几何尺寸均以大端为准。 大端的模数 m 的值为标准值，按下表选取。在 GB12369-90 中规定了大端的压力角 a=20。，齿 顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.2。 3.2.2.2当量齿数 当量齿轮的齿数 称为锥齿轮的当量齿数。与锥齿轮的齿数 z 的关系可由上图求出，由图可 得当量齿轮的分度圆半径 。 有 所以 式中：d 为锥齿轮的分度锥角。 一般不是整数 直齿圆锥齿轮传动的几何关系, 如图3-3 、、和、、分别为小齿轮和大齿轮的大端分度圆直径、平均直径、分度圆锥角；R为锥距;b为齿宽。小端、大端分度圆直径; 齿数比 锥距R 齿宽系数常用 通常取 平均直径 3.2.2.3直齿圆锥齿轮的受力分析 锥齿轮轮齿刚度大端较大,小端小,故沿齿宽的载荷分布不均匀,若忽视摩擦力和载荷集中的影响,假设法向力Fn集中作用在齿宽节线中点处,该集中力凡可分解为圆周力Ft径向力Fr、轴向力Fa三个正交的分力为直齿圆锥齿轮轮齿的受力情况。 各力的大小计算如下 式中:T1-小锥齿轮转矩(N·m); Dm1-小锥齿轮齿宽中点分圆直径(mm) 1-小锥齿轮分锥角; 各力方向的判断:主动轮圆周力方向与轮的回转方向相反,从动轮圆周力方向与轮的回转方向相同;径向力分别指向各轮轮心;轴向力分别指向各轮大端。 3.2.2.4齿根弯曲疲劳强度计算 机器传动部分选用一对传动比为λ = 0.8的渐开线直齿圆锥齿轮，基本参数如下： Z1 = 70；Z2 = 28，m=3.75 由于是农机齿轮，取精度为 10。查机械设计手册得： 使用系数 动载系数 齿向载荷分布系数 齿形系数 （小齿轮） 应力校正系数 （大轮） 齿轮材料选用 HT350 硬度为 197~269HBS 查得𝜎𝐵 = 350𝑀𝑃𝑎 对于开式齿轮，按弯曲强度进行初步计算： 亦有 经过计算 齿轮选择在安全使用范围内 4. 苹果采摘机械行走机构的选择 图4-1 行走机构 4.1行走机构 主要考虑能够实时控制机车前进或者后退以及运动速度，因此采用电控液压系统，通过计算机监控，处理远端传感器反馈的数据信号，及时判断，发送动作指令，通过前轮液压操作舵、液压调速装置，控制转向以及机车移动速度。前轮有球面电动液压操舵和3-缸950厘米³柴油机,保证足够的最低燃油消耗缓慢的速度慢0到0.5公里/小时,快从0.3到4[11][12] 。 图5-1纵向输送带 5.苹果采摘机械输送装置的选择 5.1带式输送机 带式输送机的倾角一般小于18°，本设计纵向输送带，不需要很大的提升角，提升工作强度不大，故而设定输送带倾角为10o ，输送带长1.5米，宽0.6米，前端与导流盘吻接。 图5-1向输送带工程图 5.2 装筐输送机构 装筐输送机构与纵向输送带转向相反，实现苹果自动均匀装筐，毛刷设计引导苹果轻柔装筐，减少装筐损伤[13]。 6.部位仿真模拟分析 - 29 - 总 结 在李传峰老师的指导下，以及各位老师和同学的支持和帮助下，我在现有的知识水平层次完成了我的毕业设计“苹果采摘机械的设计”。 本设计致力于苹果采摘及机械结构的选型与设计，运用所学专业知识，采用运动合成原理，简化机械手臂的设计，降低机械手臂设计技术难度，方便设计采摘机的控制程序。本设计机械结构，基本满足苹果的采摘，初步清理，输送，装筐，运输等工作环节，实现苹果果实较低损伤收获，利于提高果园产品品质，提高经济效益。 本设计由于采用新的设计思路，必然存在很多不足之处，仍需进行优化设计。 致 谢 时光荏苒，四年的大学生活接近尾声，作为农业机械化及其自动化专业的学生，毕业设计可以检验大学专业学习的成果，在李传峰老师的指导下，以及各位老师和同学的支持和帮助下，我在现有的知识水平层次完成了我的毕业设计“苹果采摘机械的设计”。 导师李传峰的悉心指导、热忱鼓励不仅使我树立了深远的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。还有，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力将使我终生受益。 参考文献 [1]常有宏,吕晓兰,蔺经,薛新宇,王中华. 我国果园机械化现状与发展思路[J]. 中国农机化学报,2013,06:21-26. 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