手推車載式蘋果采摘機設(shè)計含proe三維及11張CAD圖,車載,蘋果,采摘,設(shè)計,proe,三維,11,十一,cad
I 摘 要 在國內(nèi)，蘋果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工 作環(huán)境差。蘋果種植業(yè)的發(fā)展提高了蘋果機械市場的需求，為了節(jié)約人力物力， 提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。蘋果采摘機是一種 極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動機器人，本論文對具有移動功能的采 摘機進行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分 進行了詳細的設(shè)計。 本文首先，通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了蘋果采摘機總體功能構(gòu)架； 接著，對本采摘機車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細設(shè)計與校核； 然后，對其氣動及電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計；最后采用 AtuoCAD 軟件繪制了蘋果 采摘機的裝配圖、主要零件圖及電氣控制系統(tǒng)圖。 通過本次設(shè)計，對大學所學專業(yè)知識在理論結(jié)合實際的鍛煉下加深了知識 的理解，對今后的工作必定帶來很大幫助。 關(guān)鍵字：蘋果；采摘機；氣動；電氣控制 II Abstract In China, apple harvesting is done manually, with low efficiency, high labor intensity and poor working environment. The development of Apple planting industry has increased the demand of Apple machinery market. In order to save manpower and material resources and improve the economic benefits of fruit growers, it is of great significance to carry out research on harvesting instruments. Apple harvester is a kind of farmland mobile robot with great research value and application prospect. In this paper, the overall technology of the mobile harvester is studied, and its body structure, arm and grasp are designed in detail. Firstly, through the analysis of functions and design tasks, the overall functional framework of Apple picker is established. Then, the structure, arm and grasp parts of the picking locomotive are designed and checked in detail. Then, the pneumatic and electrical control system is designed. Finally, the assembly drawings, main parts drawings and electrical drawings of the apple picker are drawn by using AtuoCAD software. Control system diagram. Through this design, we can 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; Harvester; Pneumatic; Electrical Control III 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(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................................................................1 第 2 章 總體方案設(shè)計 ..................................................................................................3 2.1 設(shè)計要求 ..............................................................................................................3 2.2 總體方案設(shè)計 ......................................................................................................3 2.2.1 驅(qū)動方案選擇 ................................................................................................3 2.2.2 移動形式的確定 ............................................................................................3 2.2.3 手抓方案設(shè)計 ................................................................................................3 2.2.4 機械臂、機身、機座方案 ............................................................................3 第 3 章 動力及驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 ......................................................................................5 3.1 電動機的選擇 ......................................................................................................5 3.1.1 扭矩的計算 ...................................................................................................5 3.1.2 啟動矩頻特性校核 .......................................................................................6 3.2 回轉(zhuǎn)減速器的選擇 ..............................................................................................6 3.3 回轉(zhuǎn)主軸及軸上零件的設(shè)計與校核 ..................................................................7 3.3.1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 ....................................................................................7 3.3.2 強度校核計算 ................................................................................................7 3.3.3 軸上零件的選擇與校核 ................................................................................9 3.4 氣缸的選擇 ........................................................................................................11 3.4.1 安裝方式 ......................................................................................................11 3.4.2 作用力大小 ..................................................................................................11 3.4.3 活塞行程 ......................................................................................................11 3.4.4 汽缸型號選擇 ..............................................................................................12 第 4 章 執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 ............................................................................................13 4.1 大臂、小臂的設(shè)計 ............................................................................................13 4.1.1 受力分析 ......................................................................................................13 4.1.2 內(nèi)力圖的繪制 ..............................................................................................20 4.1.3 寬度、鋼板厚度的選取 ..............................................................................21 4.1.4 危險截面處高度計算 ..................................................................................21 4.2 連接銷軸的校核 ................................................................................................22 IV 4.3 抓爪的設(shè)計 ........................................................................................................23 4.3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..............................................................................................23 4.3.2 手抓支架的設(shè)計 ..........................................................................................24 4.4 移動小車的設(shè)計 ................................................................................................25 4.5 回轉(zhuǎn)底座的設(shè)計 ................................................................................................25 第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................................................26 5.1 氣動控制系統(tǒng)原理圖 ........................................................................................26 5.2 PLC 的選擇 ........................................................................................................26 5.3 控制方案 ............................................................................................................27 5.3.1 工作原理及控制要求 ..................................................................................27 5.3.2 I/0 分配及原理接線圖 ................................................................................27 總 結(jié) ............................................................................................................................29 參考文獻 ......................................................................................................................30 致 謝 ............................................................................................................................31 1 第 1 章 緒 論 1.1 研究背景及意義 果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求。在整個生產(chǎn)中，由采摘果 實所耗費的勞動力占據(jù)整個生產(chǎn)過程的 5070。采摘作業(yè)季節(jié)性相對強， 傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實損傷。同時，采摘不及時將會導(dǎo)致經(jīng)濟 上的損失。農(nóng)業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產(chǎn) 成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為 了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。 這次的畢業(yè)設(shè)計，是對我大學 4 年所學的知識進行一次系統(tǒng)的應(yīng)用和鞏固， 對課本知識的重新梳理和完善，將 4 年所學知識整合起來，融匯貫通，以達到 經(jīng)過四年的量的積累后通過畢業(yè)設(shè)計得到質(zhì)的提升的目的。這次的畢業(yè)設(shè)計， 是我大學里最具挑戰(zhàn)性的項目，完成這次畢業(yè)設(shè)計，能使我的綜合能力有很大 的提升，使我以后的工作提供一個可靠的經(jīng)驗和基礎(chǔ)。 1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、 性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用 范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件， 在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式 機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正 確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn) 型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整 個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、 橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序 來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。 使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā) 生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前 已經(jīng)取得一定成績。 蘋果和蔬菜的采摘機器人的研究始于 20 世紀 60 年代，在 20 世紀的美國， 用于收割方法主要是機械和氣動搖晃搖晃風格。缺點是蘋果的脆弱性，效率不 高，是不是特別有選擇性的收獲，存在很大的局限性采摘柔軟，新鮮蘋果和蔬 菜方面。但此后，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是在工業(yè)機器人， 日益成熟的計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)，采摘機器人的研究和技術(shù)開 2 發(fā)得到了快速發(fā)展。目前，日本，荷蘭，法國，英國，意大利，美國，以色列， 西班牙等國相繼推出的蘋果和蔬菜采摘機器人方面的研究相關(guān)的研究主要橘子， 蘋果，西紅柿，櫻桃西紅柿，蘆筍，黃瓜，甜瓜，葡萄，甘藍，菊花，草莓， 蘑菇等，但這些收益還沒有真正商業(yè)化經(jīng)營的機器人。 研究農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域起步相對較晚，但近幾年的快速發(fā)展，也已經(jīng)有很多 的研究。張劍峰，董劍，張志勇，如自適應(yīng)魯棒跟蹤控制算法采摘機器人設(shè)計; 機器人視覺傳感器設(shè)計立體的中國農(nóng)業(yè)大學，劉兆祥，劉剛，誰撿到了蘋果方 面江蘇大學蔡健榮三維信息，例如恢復(fù)的障礙，為柑橘采摘機器人障礙識別技 術(shù)的研究;南京農(nóng)業(yè)大學工學院和奪權(quán)的蘋果和蔬菜研究技術(shù)姬長英王學林外環(huán) 控制。 在國內(nèi)，蘋果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工 作環(huán)境差。目前對蘋果采摘機的報道比較少，最近國內(nèi)也有一些采摘機具的專 利，如堅果采摘機，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強度，改變 采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡單，所以未從根本上解決采摘難度，效率 低等問題。 3 第 2 章 總體方案設(shè)計 2.1 設(shè)計要求 設(shè)計替代人工執(zhí)行采摘蘋果工作的一種機器裝置，在完成蘋果采摘機機械 機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上完成其控制系統(tǒng)設(shè)計。 2.2 總體方案設(shè)計 2.2.1 驅(qū)動方案選擇 驅(qū)動系統(tǒng)分為氣動、液動、電動和機械式，本次考了為戶外作業(yè)，且要求 靈活輕便，因此選用由蓄電池提供電源的直流電機及直流電機帶動的壓縮機組 合的方式，及氣動、電動組合的方式。 2.2.2 移動形式的確定 機器人的移動方式存在有輪式、履帶式及仿足式等，我們在考慮到機器人 的工作環(huán)境并不會出現(xiàn)路面狀態(tài)特別差的情況，所以在這里我們可以直接選擇 使用輪式結(jié)構(gòu)來作為機器人的移動方式。 2.2.3 手抓方案設(shè)計 目前，實現(xiàn)采摘的主要途徑有以下幾種： （1）采用吸盤牢牢地吸住了蘋果，然后用剪刀等工具切割莖稈這種方法需 要一個很好的位置來檢測和準確的調(diào)整端部執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增大控制系統(tǒng) 和機制的復(fù)雜性的困難。 （2）使用剪刀剪開莖，稈這個方法需要一個好的位置，以檢測并精確地調(diào) 節(jié)到致動器的姿勢的末端，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制機構(gòu)的難度。 （3）用激光切割，該方法還要求具有良好的檢測稈制成的高要求的視覺系 統(tǒng)中的位置。 （4）人工采摘蘋果，輕輕握住果實，食指按住稈，然后向上提起，使果柄 與果枝部位從離層斷開，輕輕取出果實。 蘋果莖脆弱，容易分離，因此通過垂直旋轉(zhuǎn)在手腕上，以模擬人的運動打 破手柄實現(xiàn)分離和果柄采摘蘋果或旋轉(zhuǎn)運動的模擬人工的方式設(shè)計。這種方法 簡單，視覺系統(tǒng)要求不高。 根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘手抓。該執(zhí)行器由手指、 手掌、機架等組成。手抓有 3 個手指，3 個手指圓周對稱布置，即每側(cè)一個手 指。每個手指有 6 個關(guān)節(jié)。在電機控制下，通過絲桿拉動手指下部的拉桿實現(xiàn) 4 3 個手指的聯(lián)動，以及對不同形狀物體的夾持。 2.2.4 機械臂、機身、機座方案 （1）機械臂 選用滑塊連桿機構(gòu)的關(guān)節(jié)型機械手臂結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)驅(qū)動選用氣壓傳動的方式， 靠連桿的伸縮來實現(xiàn)手臂的彎曲功能，具體可以參考小型機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與研 究文獻中所說的設(shè)計。 （2）機座和機身 可以選用固定式機座類型，腰部回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)，機身可做 360 度回轉(zhuǎn)運動 提供空間上的旋轉(zhuǎn)自由度，其動力靠步進電機供給，并通過機座內(nèi)部的蝸輪蝸 桿減速器提供減速傳動比。 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖 2.3 所示： 圖 2.3 機械手結(jié)構(gòu)簡圖 由圖 2.3 可以看出通過電機驅(qū)動渦輪減速器 4 的順時針轉(zhuǎn)動或者逆時針轉(zhuǎn) 動來帶動上面的整個回轉(zhuǎn)臺進行轉(zhuǎn)動從而帶動整個機械手轉(zhuǎn)動，氣缸 1 的收縮 與推出帶動大手臂在上下方位上進行擺動，氣缸 2 的收縮與推出將會帶動小手 臂在前后方位上的擺動，而氣缸 3 的收縮與推出則會帶動機械手手爪的閉合與 張開。這樣的工作過程是為了能夠更好的對機械手進行準確的控制，來完成蘋 果的采摘任務(wù)。 5 第 3 章 動力及驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 3.1 電動機的選擇 3.1.1 扭矩的計算 伺服電機最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。伺服電機的名義啟動轉(zhuǎn)maxjM 矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系是；mpMj maxjp 伺服電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。伺服電機所需 空載啟動力矩按下式計算： 0Mkfakq 式中： 空載啟動力矩；kqM 空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機a 軸上的加速力矩； 空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；kf 由于絲桿預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩；0M 而且初選電機型號時，應(yīng)滿足伺服電動機所需空載啟動力矩小于伺服電動 機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即： maxjpkqM 計算 的各項力矩如下：kqM 加速力矩 =J2521 /08.iR =1.810 51 6 = 25106.mKg rvnpb4036..1483maxax 2112max 10642)08..0(160 tnJMkq =0.519N/m 空載摩擦力矩 =0.648.02 796.130 iLGfkf mN 附加摩擦力矩 )1(2200iFMYJ = = )9.(48.2mN.1 0kfakq =0.519+0.6+1.222=2.341 =0.95125=23.775maxjqMmN 3.1.2 啟動矩頻特性校核 伺服電機有三種工況：啟動、快速進給運動、工進運行。 前面提出的 ，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)maxjqk 矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特 性進行校核。 伺服電機啟動有突跳啟動和升速啟動。 突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少見。而升 速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載力矩 中的加速力kqM 矩 不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。kaM 7 3.2 回轉(zhuǎn)減速器的選擇 臂部回轉(zhuǎn)的速度和加速度都不應(yīng)過大,所以減速環(huán)節(jié)就要有較大的傳動比, 這里采用蝸輪、蝸桿一級減速,沒有采用多級齒輪減速(其一級減速齒輪太大), 其基本參數(shù)如下: 傳動比:i=41 中心距;a=100mm 蝸桿頭數(shù) Z2=1,蝸輪齒數(shù) Z2=Iz1=41 齒形角 =20 模數(shù) m=4 蝸輪變位系數(shù) X2=-0.5 蝸桿軸向齒距 Px=m 蝸桿分度圓直徑 d1=mz1/tan=40(標準值) 蝸輪分度圓直徑:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=160 3.3 回轉(zhuǎn)主軸及軸上零件的設(shè)計與校核 3.3.1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 （1）傳動軸上的功率 P1,轉(zhuǎn)速 n1 和轉(zhuǎn)矩 T1 ， ，kwP5.0min/10rnmNT3.10 （2）初步確定軸的最小直徑 先按式 初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 3PdCn 根據(jù)機械設(shè)計表 11.3，取 ，于是得：12md5.410.231 該處開有鍵槽故軸徑加大 510，且傳動軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián) 軸器處的直徑 ，為了與減速器輸出軸直徑保持一致。取 ；1 md341 。mL51 （3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 為了滿足大帶輪的軸向定位的要求 2 軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸 肩高度 ，取 故取 2 段的直徑 ，長度 。dh07.mh3d39L472 初步選擇滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根 據(jù) ，查機械設(shè)計手冊選取 0 基本游隙組，標準精度級的深溝球軸承d392 6208，故 ， ，軸承采用軸肩進行軸向定位，軸肩47l73 高度軸肩高度 ，取 ，因此，取 。dh0.h5.2md4564 齒輪處由于齒輪分度圓直徑 ，故采用齒輪軸形式，齒輪寬度md91 B=95mm，齒故取 。另考慮到齒輪端面與箱體間距 10mm 以及兩級齒輪間9l 8 位置配比，取 ， 。ml74l6 （4）軸上零件的周向定位 查機械設(shè)計表，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面 。mlhb45810 3.3.2 強度校核計算 （1）求作用在軸上的力 根據(jù)機械設(shè)計（軸的設(shè)計計算部分未作說明皆查此書）式(10-14)，則 NtgFdTntrt 75.68207.184a.90.23Np5. （2）求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊 中查取 a 值。對于 6208 型深溝球軸承，由手冊中查得 a=18mm。因此，軸的支 撐跨距為 L1=90mm。 根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭 矩圖可以看出截面 C 是軸的危險截面。先計算出截面 C 處的 MH、MV 及 M 的 值列于下表。 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F ，NNH143NF126 ，NFNV237156 C 截面 彎矩 M mLNH8532 m MLaNV1432 總彎矩 MV 6858222max 扭矩 T490 9 （3）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取 ，6.0 軸的計算應(yīng)力： MpaWTMca 61.28351.024980684)( 2222 已選定軸的材料為 45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表 15-1 查得 。因此70P- ，故安全。1-ca （4）鍵的選擇 采用圓頭普通平鍵 A 型（GB/T 10961979）連接，聯(lián)接大帶輪的平鍵截 面 ， 。齒輪與軸的配合為 ，滾mlhb45810Mpap10 76Hr 動軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為 。m 3.3.3 軸上零件的選擇與校核 （1）軸承 10 根據(jù)前述計算選用的軸承為 6203 型深溝球軸承。 由滾動軸承樣本可查得,軸承背對背或面對 面成對安裝在軸上時,當量 載荷可以按下式計算： 22213418097351.0ANHV NRF0a222231094519.37BNHV378aaFN 計算動量載荷 在設(shè)計時選用 6208 深溝球軸承,查手冊知079.2,65.8CkNk 根據(jù) ,查得 143.7iA0.27e80.92251.3BR 查得 所以,XY.7519.37PAN 校核軸承的當量動載荷 已知 ,所以280hL336 602.74807. 7.5911nCP kC 故選用該軸承合適。 （2）聯(lián)軸器 根據(jù)聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩選擇聯(lián)軸器的類型； 聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩： 950wwczt ztnPTKKTn 式中 理論轉(zhuǎn)矩，N.m 驅(qū)動功率，kW 工作轉(zhuǎn)速，r/minn 動力機系數(shù)；電動機取 1.0w 工況系數(shù)，查表可得取 1.25K 啟動頻率，查表可得啟動頻率 120 時，可取 1.0z 11 溫度系數(shù)，查表可得，取 1.0tK 公稱轉(zhuǎn)矩，N.m，見各聯(lián)軸器參數(shù)表。nT 代入各數(shù)據(jù)可得： 95013.wwczt ztPKNmn 考慮到電動機輸出軸的直徑是 42mm，主軸端部軸徑為 40mm，兩端的軸徑 不同，且必須滿足 ，最終確定聯(lián)軸器型號為 型無沉孔基本型cT4JM 聯(lián)軸器。 （3）鍵 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 聯(lián)軸器處選用單圓頭平鍵，尺寸為 mlhb3678 校核鍵聯(lián)接的強度 鍵、軸材料都是鋼，由機械設(shè)計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 MPaP120 鍵的工作長度 mbl328621 ，合適 PP MadlkT5.485.0.92131 3.4 氣缸的選擇 本設(shè)計中用到的氣缸是根據(jù)德國 Festo 公司提供的型號選用的 2。 3.4.1 安裝方式 根據(jù)工作要求和條件，選擇雙作用雙耳環(huán)氣缸。 3.4.2 作用力大小 負載力 F，負載率 =70%，氣缸輸出力 F 拉=F，F(xiàn) 推=F， 氣體壓力 P=0.6MPa， 由公式 F 拉 = 2d DP （3.6） 和 F 推 = 2d -DP （3.7） 由于 F 拉
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