蘋果采摘機結構設計-摘果機器人設計

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 摘 要 蘋果種植行業的全面發展，增加果園對于機械的需要兩，若想在人力，物力方面能夠尖山投入，增加果農的收入，研發采摘設備是現實之所需。蘋果采摘設備是一款非常有市場前途的機器，能夠在農場中移動彩照果實，文中主要針對采摘機進行研發，此款采摘機能夠移動，設計它的結構，手臂以及末端執行器。 文中起先分析設備的功能，設計任務，對蘋果采摘機的整體結構確定；此后，大篇幅設計采摘季的結構，手臂還有手爪，此后對每一部分展開校核，之后以軟件CAD將設備的裝配圖，主要零件圖畫出。 完成此設計之后，學校里面學到的專業知識和實踐聯系起來，對其有更深的理解，給未來來說奠定一定的實踐基礎。 關鍵詞：蘋果；采摘機；手臂；手抓；末端執行器 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 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2 國內外研究及發展現狀 1 1.2.1 國外現狀 1 1.2.2 國內現狀 2 第2章 總體方案設計 3 2.1 蘋果的數據分析 3 2.2方案選定 3 2.2.1行走裝置方案設計 3 2.2.2手臂方案設計 4 2.2.3末端執行器方案設計 4 2.2.4驅動方案的選擇 5 第3章 零部件的設計與選擇 8 3.1行駛小車設計 8 3.1.1主電機的選擇 8 3.1.2驅動齒輪傳動設計 9 3.1.3驅動軸及軸承、鍵的設計 13 3.1.4車輪設計 15 3.2手臂部分設計 15 3.2.1電機的選擇 16 3.2.2大臂的靜力學分析 19 3.2.3小臂的靜力學分析 21 3.2.4尺寸結構設計 23 3.2.5回轉底座的設計 23 3.3末端執行器的設計 24 3.3.1采摘電機的選擇 24 3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 25 3.3軸承的選擇與校核 28 總 結 28 參考文獻 29 致 謝 30 31 第1章 緒 論 1.1研究背景及意義 全球范圍來看，中國種植蘋果，不管是面積還是產量都站到世界一般的份額，并且它也是中國的四大水果。因為種植業的大力發展，導致市場對于種植機械的需求加大。全面生產之中，最耗費勞力的一項工作就是采摘水果，水果采摘的時間性要求非常高，原先工人采摘的話，會磕破弄傷水果，并且不及時采摘水果的話，農戶會有虧損。很多勞動力不再選擇在田地種植水果，轉而從事別的行業的工作，工作人員非常少，并且從業人員年齡還越來越大，投入到生產中的費用越來越多，大家對于種植方面并無太大的積極性，種植行業的發展停滯不前，為了省去不必要的人力還有物力，讓果農獲得更高的收入，研發采摘設備很有現實必要。 時代在變遷，農村中土地政策也一直在變化，導致果農投入的資金越來越多，相反降低果農的經濟收入。很多農村里面的年輕人，都喜歡豐富多彩的城市生活，想到城市中去發展，再加上中國已然進入到老齡社會，從事農業的勞動力已經遠遠不夠。 1.2 國內外研究及發展現狀 1.2.1 國外現狀 上世紀六十年代，國外就已經開始對農業采摘機械手進行研究，最早研究的國家是美國，1968年的時候，第一次使用機械手去采摘水果還有蔬菜。最開始的機械都是半自動化的，采摘的時候，多半以振搖式、撞擊式和切割式開展，當中振搖式的機械手，在外力的作用下，樹枝被振搖、振動，讓蘋果出現加速度，梗連接最不好的地方就會跟樹枝分開，繼而掉下來。撞擊式機械手，對果樹果枝進行直接的裝置，也可以對果枝進行敲打，將果實掉落下來。切割式機械手，切斷樹枝和果實的連接處，讓果實掉落下來，切割式中還有兩種款型：機械切割式，動力切割式。并且不管是哪一種采摘辦法，都會把果實給弄破，效率不高，并且無法將成熟的果實采摘下來，受到較大限制。之后，因為技術一直在提升，工人開始在梯子，升降平臺的幫助下，去采摘水果，只是勞動的密集程度很大。 世界上最早研究采摘機械手的國家是美國，1983年美國人成功生產出西紅柿機械手，1987年加工出采摘柑橘的機械手，緊接著法國，美國等發達國家都加工出更多款型的采摘機械手，譬如在1998年，韓國人研發出一款蘋果機械手，有傳感器在其中，能夠對蘋果的成熟程度進行識別。日本研發出多款機械手，能夠對西紅柿，黃瓜，草莓等進行采摘。 西班牙生產的采摘柑橘的機械手，將它安裝在拖拉機的上面，其之組成有機械手，電腦還有光學視覺系統，可以對感覺的體積，顏色，還有成熟度進行識別，在確定是否要采摘。使用機器人去采摘，有很快的速度，基本上一分鐘可以摘60個，但是人工去摘的話，一樣的時間能夠摘到八個。采摘柑橘的機械手，在視頻器的作用下，還能夠分類摘下來的柑橘。 1.2.2 國內現狀 中國生產的采摘水果機械手，和國外比，研究時間并不長，中國在上世紀70年代開始對這方面研發，大學還有研究所專門開展研發，較為成功的有機械機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動式采果器，而且后兩種為輔助人工采摘機械，銷量上來看，還是比不上國外，有待改良。到80年代之后，中國又研發出切割型的采摘器，到了90年代，因為很多人都開始對果樹種植，生產出氣動剪枝機以及升降平臺，經過三十年的發展，中國在這方面得到較大的提升，并且獲得一定的成果。 采摘蘋果機這里，江南大學的李想等人，專門研究一款蘋果采摘機器人，非常實用，沒有驅動，并且執行裝置為三指，使用Unigraphics NX設計出結構，并且架構出三維模型。因為此款欠驅動的末端執行器靈活性非常好，適應性也很強，不一樣大小的蘋果，都能夠很好的摘屆時。西北農林科技大學里面，有一波人專門研發偏心切割式的蘋果采摘季，它的組成有：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道。偏心式采摘頭要想切割水果，在刀片的旋轉下可得到：能夠拆卸掉伸縮桿，那么處在不一樣高度上的蘋果都能夠采摘，內部布局布條形成緩沖通道的緩沖裝置，讓速度變慢，避免把蘋果弄傷，能夠測試得到，此裝置的成功率能夠達到92%，受損率在4.70%，讓采摘的效率有效的提升。 采摘蘋果這邊，河南職業技術學院中有科研人員，設計一款能夠對蘋果采摘的智能機器人，擁有五個自由度。它的組成有定位導航系統，雙目視覺系統還有機械臂，擁有五個自由度，判定蘋果的大小以及顏色，還有成熟度由雙目視覺系統來進行判定，機械臂擁有五個自由度，其之精度非常高，另外展開實驗，讓其處于九個不一高度的方位上進行采摘，偏差最大在6.71mm，并且其之采摘效率處于94.82%，采摘一個果實耗時9.94s，有很高的功率率，并且采摘有極高的效率。 第2章 總體方案設計 2.1 蘋果的數據分析 對采摘機械手設計，需要注意蘋果有多大，如何布局，果蔬有多高等，這些都是機械手的設計數據依據，直接關系到采摘機械手是何種結構，如何采摘。 前期開展調研，之后就可獲得蘋果一些特征，和數據通： 因為所處地域不一樣，會有差異存在，暫時就用河北這個地方蘋果種植為主要研究，搜集相關的數據，種植果樹的時候，每一行需要間隔2-3×4-5，這是有科學依據的，這種果園在種植果樹的時候，彼此之間相距三米，行距大概在3.5米。最高的蘋果樹在三米，樹枝和地面之間最近在0.8米，整個蘋果樹的寬幅在2米到2.5米。因為中國境內種植的蘋果樹非常多，蘋果之中的精品是紅富士，種植面積最大，也是市面上最受歡迎的蘋果品種。此文就以紅富士果樹來作為例子，在表1中羅列紅富士蘋果樹的數值。 表格 2-1紅富士蘋果數據表 指標 最小值 平均值 最大值 蘋果直徑/mm 55 80 120 蘋果重量/g 75 140 290 果梗直徑/mm 1.3 2.5 5.1 2.2方案選定 2.2.1行走裝置方案設計 文中對蘋果采摘機器人進行設計，以四輪結構作為它的行走裝置，圖2-1中展現總設計方案。移動裝置使用采摘裝置里面車體的驅動輪，需要讓前臂以及后臂的轉動協調好，讓采摘部分的動作更加靈活。 使用用詞是直流電機在采摘裝置車體的左右兩個驅動輪上，在控制系統的匹配下，能夠對前軸，后軸的速度，力矩進行把控，在原來地方能夠轉動360°，向前走可以實現自由轉向，任何時間都能夠對爬坡時候力矩進行調整。慣性軸處在車體主驅動輪的前端，需要匹配主動軸，確保采摘裝置動作時的平穩。 圖2-1 蘋果采摘機車體結構組成 2.2.2手臂方案設計 文中所設計的機械手，需要能實現：要能夠開展六個自由度，大臂、小臂都要能夠俯仰，手腕要實現擺動和回轉動作，腰部要能夠回轉，手爪要能夠伸縮，并且結構為關節式，所以它的設計當為： 機械手臂要向上，向下移動，需在三個電機的帶動下，關節轉動可獲得，裝有回轉電機在底部，可實現機械手臂的整體回轉；機械手爪的自由度是三個：回轉，伸縮還有夾持；電機給予手爪回轉的動力，電動正反接驅動絲杠螺母移動后就可實現機械手爪的伸縮和夾持。 2.2.3末端執行器方案設計 蘋果采摘機械手來說，主要的執行部分就是末端執行器，會直接碰觸到蘋果，所以設計末端執行器如何，關系到采摘的效率以及效果，采摘器設計的好，能夠大為縮減加工的投入資金，增加工作效率。目前作為蘋果采摘機械手的末端執行器有三款： （1）抓拉式采摘器 如今市面上銷售的采摘機器手，絕大多數都是機械手指為兩指或者三指。構造并不復雜，設計是仿照人手開展的，很便于操作，采摘水果的時候以拽拉方式開展，直接抓住蘋果，會把蘋果弄壞。 （2）吸附式末端采摘器 此款采摘機多用來采摘一些比較硬，并且表皮較為光滑的水果，比如蘋果，橙子等，按照工作原理去劃分吸附式：磁力吸附還有真空吸附。 （3）剪切式末端采摘器 此款采摘器是最為簡單的，其之組成有夾持部分、剪切部分。采、收蘋果通過夾持部分來實現，剪切蘋果的部分由剪切裝置來實現。定位有很高的需求，采摘時效率并不高，不能用來采摘。 表2-1 采摘方式比較表 類型 優點 缺點 抓拉式 構造不復雜，使用起來很便利，有較高的效率 對于樹枝還有花苞，有很大的傷害 吸附式 定位時要求不高，及靈活的動作 需匹配真空形成部分，很重，攜帶不是很便利，投入資金比較。 剪切式 構造不復雜，使用很便利，不管是果實還是樹枝，不會有太大傷害 定位有較高需求，效率不高，收集時并不便利。 鑒于此前的比較，文中所設計的采摘機械手是手持式，鑒于吸附式并不匹配，但是抓拉式，剪切式都有自身的好處，缺點，若想設計出最為恰當的末端執行器，此文當以抓拉式匹配剪切式，也就是圖2-2中展現，采摘爪用的是半球形，安排剪切刀刃在采摘爪的前端，并且刀刃有較寬的規格。工作之時，蘋果被機械手爪抓住，蘋果柄被刀刃夾緊，之后剪斷。如此構造，能夠很好的防止樹枝、花苞被抓拉式末端執行器弄壞，還能夠讓剪切式末端執行器不會有太高的定位需求，效率不高等缺陷。 圖2-2 末端執行器結構方案簡圖 2.2.4驅動方案的選擇 對于機械手來說，動力來源有氣壓，電，還有液壓三款 [10]。 （1）對空氣壓縮的系統能夠帶動制動器進行工作，動力源就是空氣壓縮機。啟動驅動器的過載很安全，構造不復雜，并無多少污染，投入資本不高，只要對空氣流量調整，就能夠開展無級變速，只是設備的規格太大，導致運行時速度并不平穩，沒有多高的定位精度。 （2）液壓驅動系統能夠帶動流體壓力制動器的輸出力，繼而對系統驅動，非常平穩，效率很高，反應的速度很快，速度也并不復雜，能夠在很大的范圍中展開無幾調速，只是會有油漏出來，還會污染環境，投入多，相比較空氣壓縮定位精度高，相比較電機而言要差一些，流體的度數以及粘性有改變，導致傳輸性能受到影響。 （3）電動驅動模式涵蓋步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機和步進電機和力矩電機等。步進電機的控制最不復雜，有很快的響應速度，極為可靠，不會有累計誤差出現等。伺服電機轉子慣量，動態特征很不錯，在伺服電機驅動系統的組成下作為采摘部分，運行之時有較高的精度，，可調整較寬范圍的速度，運行穩定，有較高可靠性，并且控制很容易等特征。 因為步進電機的好處，文中的驅動就選用步進電機。 根據此前章節2.2.1~2.2.4中所給出的方案，屆時有文中所設計蘋果采摘機中自動部分的總方案，圖2-2中展現，他們的六個自由度通過每一個裝置1、2、3、4、5、6來體現：1、腰部回轉；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回轉；6、手抓伸縮。電機驅動用在2、3、4處關節，減慢速度在諧波輪減速器的作用下實現。 圖2-3 蘋果采摘機總體結構圖 第3章 零部件的設計與選擇 3.1行駛小車設計 3.1.1主電機的選擇 （1）平直路面上采摘裝置的行走 在平面的溝槽上，還有在平面上蘋果采摘機動作，設定它最快的速度，需要勻速的向前行走，那么 分析采摘裝置在坡道上爬行狀況， , 處于平面上的設備狀況， 故此當用P=80W當做采摘裝置輸出的最大功率 遵照所算出采摘機輸出功率最大值80W,輸出轉矩22.1N.M,輸出轉速56.2r/min。 鑒于開啟的直流電機有很不錯的性能，有很厲害的過載性能，能夠承擔多次的沖擊，剎車以及反轉，能夠讓沖擊電流達到額定電流的三倍到五倍。還有，在用的時候，可將運動蓄電池帶在其中，電源就用干電池，操作很便利。因為直流電機的性能，對于主驅動輪多次受到沖擊的要求可滿足，對于制動以及反轉的需求也可滿足，采摘部分要將移動電池帶著是能夠實現的，就用直流永磁電機90ZY54型，下表羅列數值： 額定功率 92 額定轉矩 0.6 額定轉速 1500 電流 7 電壓 12 允許正反轉速差 150 在于 屆時有 在于,屆時可有 再加上 彼時給定 3.1.2驅動齒輪傳動設計 1、對精度級別、、原料以及齒數予以確定 是為七級精度，從表6.1中可曉以40Cr加工小齒輪，調質后硬度在280HBS，以45鋼加工大齒輪，調制后硬度在240HBS。 此處小齒輪的齒數 大齒輪齒數，給定 2、設計遵照齒面接觸疲勞強度 驗算據設計公式開展 1） 將公式中涉及數據確定 （1）咱給定載荷系數 （2）將小齒輪所傳送轉矩算出 （3）小齒輪和兩個支承的布局對稱，此處齒寬系數 （4）觀察表格6.3知曉：材料的彈性影響系數 （5）觀察圖紙6.14由齒面硬度可找出接觸疲勞強度極限 小齒輪 大齒輪 （6）式6.11能將應力循環次數算出 （7）觀察圖紙6.16能夠找出接觸疲勞強度壽命系數 （8）接觸疲勞強度許用應力 此處的失效概率為1％，安全系數S=1，在式子10-12： （9）驗算 暫時將小齒輪分度圓直徑算出，將里面較小數據放進去 求出圓周速度v 求出齒寬b 齒寬和齒高的比值b/h 模數 齒高 算出載荷系數K 已然得曉，精度為七級，找出動載荷系數 如若說，表中找尋一番可有 觀察表格6.2找到使用系數.05 表中找尋一番可有 找到 屆時載荷系數 （10）對算出分度圓直徑校正根據真實的載荷系數開展，遵照關系式 （11）模數ｍ 3、設計從齒根彎曲強度開展 彎曲強度的設計等式 （1）將式中所涉及到的數據給定 觀察圖紙6.15找到每部分的彎曲疲勞強度極限 小齒輪 大齒輪 觀察圖紙6.16找到彎曲疲勞壽命系數 　 彎曲疲勞許用應力 此處的失效概率為1％，安全系數S=1.2，從關系式可有 驗算載荷系數 （2）找出來 齒形系數 觀察表格6.4找到　 （3）找出來應力校正系數 觀察表格6.4找到 　 （4）驗算大小齒輪的，數值對比 數據較大的當為大齒輪。 （5）設計驗算 比較驗算數據，對模數驗算時，根據齒面接觸疲勞強度開展，一定會超過通過齒根彎曲疲勞強度所驗算的模數，此處由彎曲強度算出模數1.83，圓整之后m＝4mm 對分度圓直徑的求算根據接觸強度開展 屆時將小齒輪齒數求出屆時　 大齒輪齒數屆時 4、幾何規格的驗算 （1）驗算分度圓直徑 （2）驗算中心距 （3）驗算齒寬之寬屆時B2=15mm, B1=15mm 5.5驗算 對于設計非常恰當 羅列圓柱齒輪的數值在表中： 序號 名稱 符號 驗算公式及參數選擇 1 齒數 Z 20，20 2 模數 m 4mm 3 分度圓直徑 4 齒頂高 5 齒根高 6 全齒高 7 頂隙 8 齒頂圓直徑 9 齒根圓直徑 10 中心距 3.1.3驅動軸及軸承、鍵的設計 （1）設計規格，結構，還需驗算 1）針對高速軸，其之功率P1,轉速n1和轉矩T1 ，， 2）暫時給定最小部分軸直徑 最開始據等式大概算出最小部分軸直徑。以45鋼加工軸，需要對它調質。到機械設計表11.3中找尋一番，屆時，屆時可有： 這里需要安排鍵槽，它的直徑要加大5％～10％，大帶輪需要安裝在高速軸直徑最小部分。屆時；。 3）遵照軸向定位之所需將每一段軸的直徑和長予以確定 （a）為匹配軸向上大帶輪的定位所需，要加工一個軸肩在2軸段的左端，軸肩的高需，屆時屆時2段軸直徑，長。 (b) 對滾動軸承暫時給定，只有徑向力作用在軸承上，那就用深溝球型。遵照，到機械設計手冊中找尋一番，屆時 0基本游隙組，深溝球軸承6205，精度級別是為標準的，所以，，軸承的軸向定位以軸肩開展，軸肩的高處于，屆時故此屆時。 (c) 因為齒輪分度圓直徑，所以就用齒輪軸的樣式，齒輪的寬B=47mm屆時。對齒輪端面和箱體要距離10mm另外還有兩級齒輪彼此所處位置的配比，屆時，。 4）軸上零件的周向定位 到機械設計表中找尋一番，和大帶輪的平鍵截面相連接，其之規格。 （2）驗算強度 1）軸所承受的作用力 已然得知較高速級的齒輪，其之分度圓直徑，從書本機械設計中展出式(10-14)，屆時可有 2）作用于軸的載荷 起先要按照軸結構圖紙將軸計算圖紙畫出來，在對軸承支點所處地點確定的時候,，翻看手冊找出來a值。是深溝球軸承6205，翻看手冊找出來a=16mm。屆時可得到軸支承跨距L1=72mm。 遵從畫出的計算簡圖，將彎矩以及扭矩圖都畫出，觀察這些圖紙，知道軸的危險截面是截面C，首先將此處的MH、MV及M值算出，羅列在表中。 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F ， ， C截面彎矩M 總彎矩 扭矩 3）軸強度校核之時遵照彎扭合成應力開展 從等式(15-5)還有前面表中羅列的數值 ，另外軸的單向轉動，扭轉切應力，屆時，算出軸的應力 45Cr去加工軸，需要對它調質。觀察表格15-1找到屆時，安全性很棒。 4）鍵的選用 用的是一般的平鍵，型號A，和大帶輪的平鍵截面相連， ，。齒輪匹配軸的時候，標準，以過渡配合來確保滾動軸承和軸的軸向定位，另外軸直徑尺寸公差當是。 3.1.4車輪設計 車輪上用的輪胎是實心的，材質為橡膠，直徑在240mm就可合乎行駛之所需。 3.2手臂部分設計 3.2.1電機的選擇 所設計的機械手使用五個電機，用在手臂回轉，大臂，小臂，手爪回轉，手爪俯仰，在這里驗算手臂回轉電機，別的電機和它相差無幾。 （1）選用手腕回轉電機 ------需要采摘蘋果有多重， ------末端執行器的重量， ------機械手腕有多重 ------從蘋果重心至銷軸中心相距有多遠 ------從銷軸中心抵達手腕連接手臂之處，相距多遠 ------手腕回轉之時，它的中心軸距離和它連接的手臂中心軸，形成多大角度 接下來求算系統輸出轉矩，整個系統負載轉矩 作用于回轉軸這里，有多大的負載轉矩 回轉軸這里承受所給予的負載轉矩 回轉軸這里承受所給予的負載轉矩 完整的系統所承受的負載轉矩： 分析后時，也就是手腕和手臂處在一個軸線上，作用于整個手腕上負載轉矩是為最大的，屆時， 并且，若想真正采摘的時候，末端執行器的工作效果更好，需要驗算負載轉矩的理論值，之后用它和系數相乘，那么真實的轉矩： 依著所算轉矩，所用型號 （2）選用實現手腕擺動的電機 ----需要采摘蘋果有多重， -------末端執行器的重量， ------機械手腕有多重， ------手腕電機， ------從蘋果重心至銷軸中心相距有多遠 ------從銷軸中心抵達手腕連接手臂之處，相距多遠， ------手腕擺動所形成的角度 對系統而言，其之輸出轉矩以及整個系統的負載轉矩： 處于擺動軸這里，承受的負載轉矩 處于擺動軸這里，承受的負載轉矩 處于擺動軸這里，承受的負載轉矩 處于擺動軸這里，承受的負載轉矩 一個整系統來說，負載轉矩： 分析之后時，也就是手腕和手臂處在一個軸線上，作用于整個手腕上負載轉矩是為最大的，屆時， 并且，若想真正采摘的時候，末端執行器的工作效果更好，需要驗算負載轉矩的理論值，之后用它和系數相乘，那么真實的轉矩：： 依著所算轉矩，所用型號 （3）實現小臂俯仰所用電機 文中，機械關節要連接大臂和小臂，相對固定以大臂實現，順著x軸方向上，讓小臂進行轉動，作用于這個關節的力，主要是手爪以及電機。零件質量還有小臂的重。 ------表示多重的末端執行器， ------手腕電機的質量， ------機械小臂有多重， ------從末端執行器抵達手腕相距多遠， -----小臂之長， ------俯仰的小臂，形成的夾角 此處將系統的輸出轉矩寫作,整個系統的負載轉矩寫作，屆時 小臂俯仰軸之處，對其作用的負載轉矩 小臂俯仰軸之處，對其作用的負載轉矩 小臂俯仰軸之處，對其作用的負載轉矩為 對一個完整系統來說，求出負載轉矩： 分析之后時，也就是手腕和手臂處在一個軸線上，作用于整個手腕上負載轉矩是為最大的，屆時， 力矩的總值： 依著所算轉矩，所用型號 （4）用于實現大臂俯仰的電機 文中所設計機械關節，主要為連接大臂和腰部，只要相對固定搖臂，就能在x軸方向上，讓大臂實現俯仰動作，其之原理： m1——機械手腕以及末端總共有多種m1=2.5kg m2——機械手臂有多重：m2=1.5kg m3——表示大臂有多重：m3=2kg l1——從機械手腕抵達機械小臂有多遠：l1=60mm l2——小臂之長：l2=300mm l3——大臂之長：l3=400mm θ——俯仰的角度：θ=0°時，實現最大轉矩 如若系統的輸出轉矩寫作,整個系統的負載轉矩寫作，屆時 小臂連接軸所承擔的m1作用的轉矩： 大臂連接軸所承擔的m2作用的轉矩： 大臂連接軸所承擔的m3作用的轉矩： 轉動的負載，就當做是一個物體圍繞著一個軸開展軸動作，求出運動時所產生的轉動慣量 如果單片機一秒鐘有五十個脈沖發出，步進電機初始步距角為1.8° 屆時 故此開展負載動作時，轉動速度最快在每秒鐘90°，加速度的最大值 慣性力矩 M02——負載動作之時，所會出現的慣性力矩 力矩的總值： 彼時電機當用 （5）促使腰部實現回轉動作的電機 對腰部所承擔的負載轉矩進行分析，和作用于大臂上的負載轉矩是一樣的，所以電機用一樣的 RV減速器當用RV-6E型，減速比為30 3.2.2大臂的靜力學分析 未開展作用力的分析之前，首先設定旋轉臂和大臂之間形成的角度是α；大臂和小臂之間形成的夾角β；小臂與副臂間形成的夾角γ；大臂之重力G0=160 N；小臂的重力G1=180 N；副臂、采摘頭之重力G2=260 N。此后將作用力的圖紙畫出，圖3.4中有展現。 圖3.4大臂受力分析圖 1.求出F1 旋轉臂的支撐點就是O點，故此LAO=810mm；θ代表F跟AO形成的角度。 分析作用于A點之力： （3.1） 遵照斜三角邊角關系可有： （3.2） 依然得曉的數值，以及關系式3.2放入到關系式3.1中，能夠將F1算出。 2.求F1x；F1y；FAx；FAy 觀察圖紙3.5 ，分解A點所承受的力，另外需要分解作用于F1之力。 觀察圖之后可有： F1x=F1cosθ；F1y=F1sinθ。 （3.3） 遵照受力均衡得曉： FAx+F1x=0； （3.4） FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5） 運用幾個公式3.3、3.4、3.5給出F1x、F1y、FAx、FAy。 將作用力最大的狀況算出，解釋運動之時，區間最大的數據為α=1600；β=1600；γ=1800此前求算出采摘臂的長度1660 mm，采摘臂2之長為1710 mm；副臂之長1120 mm。屆時得有： F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。 3.2.3小臂的靜力學分析 圖3.6小臂受力分析圖 1、求F2 遵照斜三角形邊角關系可有： （3.6） B點之處當有： （3.7） 通過兩個公式3.6和3.7能夠求解出F2=1562.7 N。 2、求F2x；F2y；FBx；FBy 圖3.6中有展現 ，作用于b點、F2之力進行分解。觀察圖紙可知： （3.8） 依據受力均衡，屆時可有： （3.9） （3.10） 運用多個公式3.8、3.9、3.10屆時有： =781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。 3.對作用于大臂的分析，還會有另外兩個因為上電機，下電機旋轉力矩所給出的力作用在大臂之上，圖3.8中有展現。 圖3.8大臂力F3F4分析圖 觀察圖紙屆時有： ；。 （3.11） ；。 （3.12） 屆時d=900、e=1000對圖紙里面角度關系展開分析，屆時有： b=α-d、c=β-e。 （3.13） 當下并不清楚、有多大，還需展開詳細的分析。 鑒于作用于大臂之力平衡，屆時需要分解大臂承受之力，圖中展現 屆時有 (3.14) （3.15） 運用幾個公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15屆時有：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。 3.2.4尺寸結構設計 遵照所分析的載荷，圖中展現大臂，小臂的規格以及結構： 3.2.5回轉底座的設計 采摘臂的底座能夠對旋轉臂的轉動進行控制，其之組成有傳動部分，固定部分還有底座的傳動部分。文中以伺服電機作為傳動部分，電機是為腳架式軸輸出單齒條螺旋擺動型。擺動缸工作時，齒輪在齒條的帶動下工作，電機來回開展直線動作，讓其變成軸正反方向上的擺動旋轉，同一時間轉化往返動作中的旋轉力，成為齒輪軸之輸出扭矩 [9]。 螺旋擺動電機較為特別，在大螺旋升角的螺旋副作用下，可開展旋轉動作，固定輸出軸的中間棒還有缸體，活塞中的表面螺旋齒會齒合螺旋幫的螺旋齒，輸出軸螺旋棒和活塞缸外面的樣子完全一樣 [8]。故此，因為轉動軸套內部有壓力，順著中間棒的活塞，不光會向上動作，還會開展旋轉動作，這樣擺動缸的運動就可體現。螺旋擺動缸的結構較為緊密，不需太大的空間，有很好的安全性，搭配很便利，旋轉有很大的空間，并且可將很大的工作扭矩輸出等。 固定裝置可用來對旋轉臂，傳動不服恩進行固定，也就是旋轉臂的支座，圖3-10中有展現。 圖3-10 底座 3.3末端執行器的設計 3.3.1采摘電機的選擇 （1）電機的選用 對電機選用，通過電機工作時所出現的力以及力矩，可以直接對載荷驅動，也可以在減速器處通過后，對載荷驅動。動力以電機來作為，工作效率極大增強，目前基本上都用這種動力。相比較伺服電機和步進電機，體型不大，質量很小，構造不復雜，有很大力矩，反應時間短，有很高精準度，噪聲不大，可用較長時間，文中就用伺服電機來作為動力。 （2）電機之型號 BF系列伺服電動機作為反應式電機的一種，兼具此前的要求，型號就用GA12-N10，絲杠電機的電壓介于8-12V。開展主運動，動力來源就是反應式伺服電機，其之功率在20KW。 選型號的時候按照下面順序開展 首先對型號選用，需要到手冊中去找尋，知道步距角初,在于 再三思量，完全合乎此前關系式。 對于電機而言，它的定位轉矩就是最大經專局。步進電機中，名義啟動轉矩和最大靜轉矩的關系可以表達為： Mmq= 伺服電機空載啟動：說的是并沒有外部載荷作用于電機上，實現啟動。下式能夠短處步進電機需要的空載啟動力： 并且最開始對電機型號選用之時，需得讓步進電機名義啟動轉矩超過步進電機需要的空載啟動力矩： MkqMmq=λMjmax 驗算Mkq每一個力矩： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 3.3.2絲桿螺母副的選型與校核 （1）選用型號 （a）遵照工作以及結構之所需 對滾道截面的形狀予以選用，還需確定滾珠螺母如何循環，如何預緊； （b）驗算普通絲杠副的關鍵數據 ①遵照運用時的工作條件，找到載荷系數=1.0系數=1.5； ②驗算當量轉速 ③驗算當量載荷 ④暫時給定導程 ，屆時4mm ⑤驗算絲桿預期工作轉速 ⑥驗算絲桿需要多大額定載荷 （c）對絲桿型號選擇 按照最開始設定、驗算的，屆時導程4mm，額定載荷要超過的絲桿。找尋普通絲杠的型號得曉，文中所用的是：GD801-1 觀察表格2-9可有絲杠副數據： 公稱直徑 導程 （2）校核驗算 （a）臨界轉速校核 說明最終校驗的結果合乎設計。 （b）因為是數值板房絲桿的，作用力沒有多大，溫度也不會有太大的變化。那么不需要校核它的穩定性，溫度的變形等。 （c）普通絲桿的預緊 預緊力通常是1/3載荷，也可以是1/10額定動載荷： 與其匹配的預緊轉矩 （d）穩定性驗算 需要讓絲杠一頭軸向固定，軸承使用深溝球以及雙向球型，能夠對軸向、徑向載荷予以承擔。還有一頭是游動的，要對其進行徑向約束，軸承選用深溝球型，不需要限位它的外圈，確保受到熱量的絲杠會有形狀的改變，游動端能夠自由的伸縮，圖中： ① 長絲杠有一頭是軸向固定的，工作會有失穩狀況出現，設計之時，需要對它的安全系數驗算，數值要超過絲杠副能夠允許的安全系數 [S] 絲杠不會有失穩狀況出現，載荷的最大值就是臨界載荷 當次之中，作為絲杠原料的鋼，其之彈性模量E=206Gpa； 為長度系數，屆時。 安全系數 找尋表格2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠很安全，失穩的狀況不會出現。 ② 工作的高速絲杠會有共振的狀況出現，所用要對沒有共振的臨界轉速進行驗算，需要絲桿轉動最快的速度。 以下式驗算臨界轉動速度： 當次之中：為臨界轉速系數，可從表格2-10，屆時， 也就是：，故此工作的絲杠，不會有共振出現。 ③ 還有值對普通的絲杠副有限制，需要實現 3.3軸承的選擇與校核 （1）選用軸承 會有軸向力作用在軸上，軸承當用角接觸型。 軸左側：書本機械設計中找尋一番，表15-3里面可曉軸承當用6000型，外部規格當為d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。 （2）軸承校核 1）遵從滾動軸承承受較大載荷對型號選用，鑒于沒有太大的支承跨距，所以兩頭需要以固定式軸承來組合，軸承選用深溝球型，大概軸承能夠工作時長：L'h＝29200h 通過此前算出數據，會有徑向力作用于軸上Fr1=340.43N， 軸向力Fa1=159.90N， 基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。 2）徑向當量動載荷 動載荷為，找到，屆時 ，設計方面完全匹配 總 結 蘋果采摘機的研發非常有現實意義，市場前景很不錯，可以在地面移動進行采摘，文中研究能夠移動的采摘機的技術，設計它的結構組成，機械手臂，機械手爪，并且展開仔細的探討，設計中展開的工作有： （1）分析需要實現的功能，以及設計要求，將蘋果采摘機的總框架建立出，編寫蘋果采摘機的組成內容，以及他的性能指標。 （2）并非是結構的處境中，小型蘋果采摘機的移動平臺，在復雜的地形上也能夠行走，文中移動裝置用的是后輪驅動，還能夠自己對前擺進行控制，對地形有很厲害的適應能力。 （3）比較各種采摘執行裝置，最后機械手爪選用半球式的構造，對蘋果采摘的時候仿照人手去操作。 此番設計里面，分析蘋果采摘機如何工作，其之構造，性能如何，展開詳細的探討，對于用于蘋果采摘機中的電機，驅動輪還有減速器都予以詳細的展述。 文中所設計的蘋果采摘機，采摘系統非常繁瑣，總設計之時，因為精力不夠，自身專業水準不夠，很多研究都僅僅是皮毛，所以肯定設計中有一些不完善的地方，還希望老師們幫我指出，進行修正。 參考文獻 [1] 成大先. 機械設計手冊（第5版）[M]. 北京：化學工業出版社，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 謝 在這里要謝謝導師的精心指導，幫我解決了關鍵性的技術難題，點明了設計思路，分析了實際工程應用的情況，我自己也全面的復習了這四年的知識，用理論知識解決實際問題，做到了活學活用。 這次設計是一個復雜的綜合學習的過程，讓我鞏固了機械設計、制圖、工程材料等等基礎學科。我認為這次綜合的考試對日后的工作也好學習也好都會幫助很大。在此要感謝我的學校，謝謝給予幫助的好老師以及同學，以后不管是生活還是學習上，我都不會害怕問題，會很好的發現問題、解決問題，并且永不放棄！謝謝在座的各位！