手推車載式蘋果采摘機設計含proe三維及11張CAD圖

手推車載式蘋果采摘機設計含proe三維及11張CAD圖,車載,蘋果,采摘,設計,proe,三維,11,十一,cad I 摘 要 在國內，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， 提高果農的經濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。蘋果采摘機是一種 極具研究價值和應用前景的農用地面移動機器人，本論文對具有移動功能的采 摘機進行了總體技術的研究，并主要對其車體結構部分、手臂部分、手抓部分 進行了詳細的設計。 本文首先，通過功能和設計任務的分析，確立了蘋果采摘機總體功能構架； 接著，對本采摘機車體結構部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細設計與校核； 然后，對其氣動及電氣控制系統(tǒng)進行設計；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。 通過本次設計，對大學所學專業(yè)知識在理論結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 國內外研究及發(fā)展現狀 .1 第 2 章 總體方案設計 .3 2.1 設計要求 .3 2.2 總體方案設計 .3 2.2.1 驅動方案選擇 .3 2.2.2 移動形式的確定 .3 2.2.3 手抓方案設計 .3 2.2.4 機械臂、機身、機座方案 .3 第 3 章 動力及驅動機構設計 .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 回轉減速器的選擇 .6 3.3 回轉主軸及軸上零件的設計與校核 .7 3.3.1 尺寸與結構設計計算 .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)行機構的設計 .13 4.1 大臂、小臂的設計 .13 4.1.1 受力分析 .13 4.1.2 內力圖的繪制 .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 抓爪的設計 .23 4.3.1 手指結構設計 .23 4.3.2 手抓支架的設計 .24 4.4 移動小車的設計 .25 4.5 回轉底座的設計 .25 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 .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 .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。在整個生產中，由采摘果 實所耗費的勞動力占據整個生產過程的 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，采摘不及時將會導致經濟 上的損失。農業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產 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，提高果農的經濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。 這次的畢業(yè)設計，是對我大學 4 年所學的知識進行一次系統(tǒng)的應用和鞏固， 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 經過四年的量的積累后通過畢業(yè)設計得到質的提升的目的。這次的畢業(yè)設計， 是我大學里最具挑戰(zhàn)性的項目，完成這次畢業(yè)設計，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驗和基礎。 1.2 國內外研究及發(fā)展現狀 目前國內機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數量、品種、 性能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。 所以，在國內主要是逐步擴大應用 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， 在應用專用機械手的同時，相應的發(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。此外還應大力研究伺服型、記憶再現 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，隨著電子技術和計算機技術的發(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和人工智能技術，采摘機器人的研究和技術開 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)化經營的機器人。 研究農業(yè)機器人領域起步相對較晚，但近幾年的快速發(fā)展，也已經有很多 的研究。張劍峰，董劍，張志勇，如自適應魯棒跟蹤控制算法采摘機器人設計; 機器人視覺傳感器設計立體的中國農業(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，例如恢復的障礙，為柑橘采摘機器人障礙識別技 術的研究;南京農業(yè)大學工學院和奪權的蘋果和蔬菜研究技術姬長英王學林外環(huán) 控制。 在國內，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；但大多結構簡單，所以未從根本上解決采摘難度，效率 低等問題。 3 第 2 章 總體方案設計 2.1 設計要求 設計替代人工執(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 機構設計的基礎上完成其控制系統(tǒng)設計。 2.2 總體方案設計 2.2.1 驅動方案選擇 驅動系統(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 使用輪式結構來作為機器人的移動方式。 2.2.3 手抓方案設計 目前，實現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 節(jié)到致動器的姿勢的末端，從而增加了系統(tǒng)的復雜性和控制機構的難度。 （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，因此通過垂直旋轉在手腕上，以模擬人的運動打 破手柄實現分離和果柄采摘蘋果或旋轉運動的模擬人工的方式設計。這種方法 簡單，視覺系統(tǒng)要求不高。 根據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，即每側一個手 指。每個手指有 6 個關節(jié)。在電機控制下，通過絲桿拉動手指下部的拉桿實現 4 3 個手指的聯動，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 選用滑塊連桿機構的關節(jié)型機械手臂結構，關節(jié)驅動選用氣壓傳動的方式， 靠連桿的伸縮來實現手臂的彎曲功能，具體可以參考小型機械手結構設計與研 究文獻中所說的設計。 （2）機座和機身 可以選用固定式機座類型，腰部回轉傳動機構，機身可做 360 度回轉運動 提供空間上的旋轉自由度，其動力靠步進電機供給，并通過機座內部的蝸輪蝸 桿減速器提供減速傳動比。 結構簡圖如下圖 2.3 所示： 圖 2.3 機械手結構簡圖 由圖 2.3 可以看出通過電機驅動渦輪減速器 4 的順時針轉動或者逆時針轉 動來帶動上面的整個回轉臺進行轉動從而帶動整個機械手轉動，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。 根據蘋果樹的高度選定本次蘋果采摘機作業(yè)范圍為采摘機車體停穩(wěn)后高度 3m，半徑 2.6m 的圓柱體區(qū)域，為確保不傷害蘋果，選定采摘時機械手運動速度 為 0.2m/s。 5 第 3 章 動力及驅動機構設計 3.1 電動機的選擇 3.1.1 扭矩的計算 伺服電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩。伺服電機的名義啟動轉maxjM 矩 與最大靜轉矩 的關系是；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 機名義啟動轉矩，即： maxjpkqM 計算 的各項力矩如下：kqM 加速力矩 =J2521 /08.iR =1.810 1 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)生丟步現象。kaM 7 查表選用 110BF003 型伺服電機，其參數如下：步距角 ，選用三5.1/70 相六拍工作時取 ，最大靜轉距 800N.cm，最高空載啟動頻率 75.0=b 1500Steps，運行頻率 7000 Steps，相數 3，電壓 80V，相電流 6A，滿足需 要。 3.2 回轉減速器的選擇 臂部回轉的速度和加速度都不應過大,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), 其基本參數如下: 傳動比:i=41 中心距;a=100mm 蝸桿頭數 Z2=1,蝸輪齒數 Z2=Iz1=41 齒形角 =20 模數 m=4 蝸輪變位系數 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=mZ2=2a1-d1-2X2m=160 3.3 回轉主軸及軸上零件的設計與校核 3.3.1 尺寸與結構設計計算 （1）傳動軸上的功率 P1,轉速 n1 和轉矩 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，調質處理。 3PdCn 根據機械設計表 11.3，取 ，于是得：12310.529.dm 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 軸器處的直徑 ，為了與減速器輸出軸直徑保持一致。取 ；1 140dm 。180Lm （3）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 為了滿足聯軸器的軸向定位的要求 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.mh346dm26.75Lm 8 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 ，查機械設計手冊選取 0 基本游隙組，標準精度級的圓錐滾子軸246dm 承 30210，故 ， ，軸承采用軸肩進行軸向定位，3750dml273 軸肩高度軸肩高度 ，取 ，因此，取 。h.h4650dm （4）軸上零件的周向定位 查機械設計表，聯接聯軸器的平鍵截面 。1287bhl 3.3.2 強度校核計算 （1）求作用在軸上的力 根據機械設計（軸的設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 首先根據軸的結構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。 根據軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結構圖以及彎矩和扭 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）按彎扭合成應力校核軸的強度 根據式(15-5)及上表中的數據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力，取 ，6.0 軸的計算應力： MpaWTMca 61.28351.024980684)( 2222 已選定軸的材料為 45Cr，調質處理。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 在設計時選用 6208 深溝球軸承,查手冊知079.2,65.8CkNk 根據 ,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）聯軸器 根據聯軸器的計算轉矩選擇聯軸器的類型； 聯軸器的計算轉矩： 950wwczt ztnPTKKTn 式中 理論轉矩，N.m 驅動功率， kW 工作轉速， r/minn 動力機系數；電動機取 1.0w 工況系數，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，查表可得，取 1.0tK 公稱轉矩，N.m，見各聯軸器參數表。nT 代入各數據可得： 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 ，最終確定聯軸器型號為 型無沉孔基本型cT4JM 聯軸器。 （3）鍵 選擇鍵聯接的類型和尺寸 聯軸器處選用單圓頭平鍵，尺寸為 mlhb3678 校核鍵聯接的強度 鍵、軸材料都是鋼，由機械設計查得鍵聯接的許用擠壓力為 MPaP120 鍵的工作長度 mbl328621 ，合適 PP MadlkT5.485.0.92131 3.4 氣缸的選擇 本設計中用到的氣缸是根據德國 Festo 公司提供的型號選用的 。2 3.4.1 安裝方式 根據工作要求和條件，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 推=F， 氣體壓力 P=0.6MPa， 由公式 F 拉 = 2d DP （3.6） 和 F 推 = （3.7）2d -DP 由于 F 拉F 推，T=FR（其中 R 為力臂），在氣缸輸出力計算時，選擇 F 拉為代表計算即可。 3.4.3 活塞行程 12 氣缸的行程由 3.2 節(jié)各個關節(jié)運動學分析和氣缸的行程要小于它的最大行 程決定。 3.4.4 汽缸型號選擇 （1）大臂驅動氣缸的選擇 關節(jié)力矩最大值為 Tmax=40 N m，取 d=0.3D，可得氣缸缸徑為 D=36mm，行程為 160 mm，氣缸型號為 DNG-36-160-PPV-A，氣缸如圖 3.11 所 示。 （2）小臂驅動氣缸的選擇 關節(jié)力矩最大值為 Tmax=30 N m，取 d=0.3D，可得氣缸缸徑為 D=36 mm，行程為 160 mm，氣缸型號為 DNG-36-160-PPV-A，氣缸如圖 3.11 所示。 （3）抓爪驅動氣缸的選擇 關節(jié)力矩最大值為 Tmax=20 N m，取 d=0.3D，可得氣缸缸徑為 D=32mm，行程為 80 mm，氣缸型號為 DNG-32-80-PPV-A，氣缸如圖 3.11 所示。 圖 3.11DNG-32-80-PPV-A 氣缸 13 第 4 章 執(zhí)行機構的設計 4.1 大臂、小臂的設計 本次設計計算以小臂為例，大臂設計計算方式類似不一一敘述。 4.1.1 受力分析 取小臂及抓爪為研究對象，如圖 4.1 所示，在該工況下存在的力有：小臂 及抓爪各部件所受到的重力 ；作用在抓爪上的抓取力，包括切向阻力 ，法iG1W 向阻力 ，側向阻力 。2W3 HK-連桿 HN-擺桿 C-大臂下鉸點 A-大臂氣缸下鉸點 B-大臂與大臂氣缸的 交點 F-大臂上鉸點 D-小臂氣缸上鉸點 E-小臂氣缸下鉸點 G-抓爪氣缸下鉸點 Q-抓爪下鉸點 K-抓爪上鉸點 V-抓爪抓爪 當處于以上位置時，由圖 4.1 知以下的角度關系。 201min2 根據前面的已知的角度可求得： = ，由圖 4.1 所示可知，向量 CF 可216 以表示為： 向量 389cos()in(62)CF = 5162i 14 圖 4.1 F 點坐標計算簡圖 由前面的計算結果可知， ，26.9ZFC8231DFlm 在 中 =DE90 7.cos0.79E 通過上式可解得 =71.5 同樣在前面我已經確定了 在四邊形 CDEF 中FQ =EFC26.90.8.4 由以上的角度關系可表達出向量 FV,設向量 FV 與 X 軸的夾角為 ，則可知：180(36018.450)62 則取正值就是39. 向量 FV= 23()cos1.4in0.l =3580.86 s14 連桿機構的總傳動比為 r，抓爪氣缸對 N 點的作用力臂為 ； 連桿 HK 對r N 點的作用力臂為 ； 連桿對 Q 點的作用力臂為 ； 抓爪對 Q 點的作用力臂2r 3r ；4r 132243sin5si160823n7.35.8rl mNHKlrm13248.0.66.51ri 則可得此時抓爪的理論抓取力： 34.810ODFi N 切向阻力 ：1W 抓爪的重心到 Q 點的水平距離為 2r 15 =2r 3cos140.57.82lm 取抓爪為研究對象，如圖 4.3 所示，并對 Q 點取矩，則有： 132 0()QODMFWlGr 代入數值可得： 51(0.468).4860.5780 51.2N 法向阻力 的求解：2W 小臂及抓爪所受重力對 C 點的力矩有： 12523462()()0.7Ci FMGXGXX4 41 1.730.9.6.)(coscs39.)062cos62i ll l 42 12coscs.o2l l 把 ， ， 的值代入上式得：1l35()0.81CiMGN 到 C 點的距離為 ：1W0r 23coslCFV =148.6839.15cos(6018.450) =2808.89 mm 到 C 點的距離為 ：2W1r1sin389.5sin01.637.4rFVm 法向阻力 決定于大臂氣缸閉鎖力 ，2 F 72651.4()102.3N 取整個小臂及抓爪為研究對象，則有： 0CM 16 即 11021()CiFeMGWr 把以上求得的數值全部該式可求得 ：2 N 52. 小臂氣缸作用力 的求解：gP 向量 FQ 在 X 軸上的模量： cos(104.)FNQ = 23.86 = .m 如圖 4.1 所示，取小臂（帶斗和連桿機構）為研究對象，則有： 0CM21323221()0g FNFNPEFWlGXrX 將已知量代入數值可得： 3 4 42 10.76.480.6.48.(.63.578)0.621.30g 解得： =2.3 NP51 而些時的小臂閉鎖力為： ，略大于 說明閉鎖力中夠 726523.40(640)12.30N2gP 橫向抓取力 的求解：kW 橫向抓取力 由回轉機構制動器所承受，即 的最大值決定于回轉平臺kW 的制動力矩，故先要計算出制動力矩。 地面附著力矩 ： M 4350(0.5)G其 中 = .2 = 51.3Nm 由經驗公式求得回轉機構的最制動力矩 ：BM 50.6.820BM 17 550.821.7043BKVMWNmX Q 點作用力與作用力矩 ， ， ， 的求解：QxRyQxMy 取連桿機構為研究對象，如圖 4.2 所示，則有： NH-搖 臂 HK-連 桿 G3-鏟 斗 油 缸 推 力RK-連 桿 的 作 用 力 RN-搖 臂 的 作 用 力 RN G3X YYZ N Q K H RK NH-搖臂 HK-連桿 G3-抓爪氣缸推力 RK-連桿的作用力 RN-搖臂的作用 力 圖 4.2 連桿機構的計算簡圖20X 即 3222coscoscos0NKPGHRXRHX 0Y 即 3222sinsinsinNKX 其中 765.4101.781PN 2.5GH2.X1.5HX 將這些數值代入到上式中就可以得到： 51.708cos4.cos57.cos.0NKR ininin15 解上兩式得： 5.31NR51.90K 如圖 4.2 所示，取整個抓爪為研究對象，以 V 點為新坐標的原點，VQ 為 軸，過 V 點與 VQ 垂直的直線為 ，建立 坐標，則有：3X3Y3XOY30 18 即 2cos1.50QxkWR 代入數值得： 50.91cos.0QxR 解得： 56QxN 30Y 即 1sin.5QykRW 代入數值得： 5504128.91sin.0Qy 解得： .3yN 30YM 即 32 1YkMWlb 代入數值得： 5530.71.480.21.0Y 解得： .9Nm 3X 即 31 02XbMW 代入數值得： 53.41280.1X 解得： 50.Nm N 點的作用力與力矩 ， 及 的求解：xRyNM 取曲柄和連桿為研究對象，如圖 4.3 所示：則有： 19 3 K HF NH-搖 臂 HK-連 桿 F3-鏟 斗 油 缸 推 力 NRNyRNx RK-連 桿 沿 HK方 向 的 作 用 力 RNy-搖 臂沒 HK方 向 的 作 用 力 RK NH-搖臂 HK-連桿 F3-抓爪氣缸推力 RK-連桿沿 HK 方向的作用力 RNy-搖臂沒 HK 方向的作用力 圖 4.3 曲柄和連桿的受力圖 20X 即 3cos1.5NxkRP 代入數值得： 5559cos1.7081.0Nx N 如圖可知： tantan241yFH 同樣根據圖可知： 3()NkMRPK 代入數值得： 551.9708.0.Nm F 點作用力與作用力矩的求解： 以小臂為研究對家，進行受力分析計算，以 F 為原點，FN 為 X 軸，以垂直 FN 的 FY 為 Y 軸進行分析： 40X 即 2cosFxNxRPER 4Y 即 2sin0FyNyX 另外 25363.81P 代入數值得： 555.40cos4.012.3810FxR N 20 5553.8410sin4.0213.70FyR N 同樣由圖可知： 292cos.YNxMPlR = 53.8410.07.15023 = 292sin5.ZNyPlR = 3.8410i.70.2413 = 576 則總力矩 M： 2XY = 5252(1.0)(1.3) = N 4.1.2 內力圖的繪制 根據最大彎矩工況所求出的小臂所受到的力和力矩，可以分別繪制出在最 大彎矩工況下內力圖。對于最大彎矩工況，小臂的內力圖包括橫向力，小臂平 面內外的彎矩和剪力；最大彎矩工況下小臂的軸向力 N 圖，如圖 4.4（單位： N） 圖 4.4 最大彎矩工況下小臂 N 圖 最大彎矩工況小臂的 圖，如圖 4.5（單位：N）yQ 21 圖 4.5 最大彎矩工況下小臂 圖yQ 最大彎矩工況下小臂的 圖，如圖 4.6（單位： ）yMNm 圖 4.6 最大彎矩工況下小臂的 yM 由前面的受力分析知，在通過 F 點且與小臂下底板垂直的截面所受到的應 力最大，是危險截面，故首先要對該截面進行計算，然后以此為基礎再求解其 它尺寸。 4.1.3 寬度、鋼板厚度的選取 由經驗統(tǒng)計和其它同斗容機型的測繪，取小臂寬度 280am 厚度一般為 815 mm，初選底板厚度 ，側板厚度11n 在采摘機選用的結構鋼材一般選 16Mn，其有足夠的屈服極限和良好的機械 性能，其屈服極限 ，在小臂中安全系數 ，則小臂的許用應350sMPa2.8n 力為： 23501.8sPan 4.1.4 危險截面處高度計算 危險截面的有效面積為 ：2S 22 210(2)(0Shh = 9 = （4.1）62(38)m 該截面對 Z 軸的慣性矩 ZI （4.2） 32010(2)hIhydA = 3220()1h 該截面對 Y 軸的慣性矩 ：.yI 10532910(2)yIhzdA （4.3） = 1053291()2zh 橫截面的總面積 ：1S （4.4）10h 該橫截面受到的最大正應力 ：N 5612.3810()FSh （4.5） 該截面受到最大的彎曲正應力 ， 。yz 532.10yyMhhII （4.6） 53 32.75.102.7zz zII （4.7） 則截面所受到軸向拉應力與彎曲應力合成后有： 23 Nyz （4.8） 由于剪應力的大小相對于彎矩所產生的彎曲正應力要上得多，為簡化計算， 在計算中簡應力忽略不計，僅在校核中用，則有： （4.9） 由式 4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9 可解得： 197hm 有了危險截面的結構尺寸，再結合前面的基本心尺寸，就可以利用軟件小 臂繪制出。這樣小臂的所有尺寸就已經基本確定。 4.2 連接銷軸的校核 銷軸在工作過程中主要受擠壓應力的作用，如圖 4.7 所示，在此主要進行 擠壓應力的校核。銷軸的直徑為 d=20mm，受到的橫向力為 F=600N，計算銷軸受 到的擠壓應力。 圖 4.7銷軸示意圖 由公式 jyjPA 在銷軸中， =4 ， =1090N 代入公 331020dhiy 42maxjyP 式得： = =2.5MPajy410 9 查表的材料的許用擠壓應力為 30MPa。jy 擠壓應力 遠小于許用擠壓應力，銷軸的強度滿足要求。jy 4.3 抓爪的設計 4.3.1 手指結構設計 手指握持力與一個大的，高負載能力，良好的通用性，能夠抓住任意形狀， 更寬的應用范圍的目的，同時減少驅動源的數量，從而使系統(tǒng)結構變得簡單， 24 容易控制。 （1）手指數量 果實形狀規(guī)則和不規(guī)則的。規(guī)則小果，采摘機器人使用了兩個有直接吸搶 果的指尖最線性驅動器。相對的兩個手指，三個手指也有一些研究采摘機器人， 3 指的是機器人搶蘋果的穩(wěn)定性更好。 （2）手指關節(jié)數量 關節(jié)執(zhí)行器抓取密切相關的端部效應數量越多關節(jié)的數量越多，端自由， 更靈活的抓動作，更好的爬的程度。從而增加接頭的數量同時增加的驅動裝置 的數量，驅動器將增加增大控制的數量的難度，同時導致系統(tǒng)結構復雜，可靠 性差，從而產生負面影響。 本文所設計的采摘機器人采摘的使用四連桿機構作為傳動機構，所欠的手 指驅動的多手指關節(jié)，并配有一個力傳感器和橡膠材料，測量夾緊力和摩擦力 增大。 按中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準，除三級蘋果外，果實橫切面最大直 徑要大于或等于 70mm9。這里設計機械手所抓取的蘋果直徑在 50mm150mm 之間，故取蘋果半徑為 25mmR75mm。 （3）手指的材料 手指選擇適當的材料，使用在機器人很大的影響作用。遵從手的結構尺寸， 手指，同時保持足夠的光強度和質量，系統(tǒng)將雙手尼龍材料的選擇。尼龍具有 很高的機械強度，耐熱，磨擦系數低，耐磨損，自潤滑性，吸震性，耐油，耐 弱酸等特點。 圖 3-9 手指結構 4.3.2 手抓支架的設計 支架主要是用來安裝驅動機構和手掌，小巧的機身，體積小，重量輕的設 計要求。這樣的設計是一個圓柱形主體框架，所述固定底板，中間板，下部主 傳動馬達構成的支撐柱的安裝位置。將主手指擋塊的上部。機架結構如圖 3.4 所示。 25 機器人可分為棕櫚基和棕櫚基類。手掌可以增加關于這個問題的制約，有 棕櫚機器人具有廣泛的適用性，操作方便的特點。無機械手可以抓住的對象， 但對象通常祝福規(guī)則的形狀，它的形狀和要求高的對象的大小特征的，無機械 手的手掌被廣泛應用于特殊的保持機構。 圖3-10 機架結構 4.4 移動小車的設計 考慮到本次設計的蘋果采摘機械手要求操作靈活方便，利于清潔工作業(yè)， 本次選用手推式平臺四輪小車作為承載平臺，結構如下圖示： 圖 4.9 移動小車結構圖 4.5 回轉底座的設計 進行底座結構形式的選擇是一個較復雜的過程，對結構形式、構件截面和 結點構造等均需要結合具體的情況進行仔細的分析。對結構方案要進行技術經 26 濟比較。由于各種設備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的底座結構選擇方法較 困難。但是，可以利用結構力學的知識提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了 節(jié)約材料在選擇形式時應遵守的一般規(guī)律。 （1）結構的內力分布情況要與材料的性能相適應，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點。 軸力較彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時，截面上的材料分布是均 勻的，所有材料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應力分布是不均勻 的，所以材料的應力分布不夠經濟。 （2）結構的作用在于把載荷由施力點傳到基礎。載荷傳遞的路程愈短，結 構使用的材料愈省。 （3）結構的連續(xù)性可以降低內力，節(jié)省材料。 綜合考慮機器的工作時所受的力，我選用機體材料 HT150 鑄造底座，力學 性能： =200MPa, =340MPa.適于制造箱體、底座類零件。bs 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 5.1 氣動控制系統(tǒng)原理圖 圖 5-1 為蘋果采摘機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖，表 5-1 為氣路元件 圖。氣源是由空氣壓縮機通過快換接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、 油霧器這氣動三聯件，進入各并聯氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作15。 27 圖 5-1 四自由度機械手氣路原理圖 表 5-1 氣路元件圖 序號 型號規(guī)格 名稱 數量 1 J41F-16 手動截止閥 1 2 儲氣缸 1 3 QLPY1 分水濾氣器 1 4 QLPY2 減壓閥 1 5 QLPY3 油霧器 1 6 TK-10 壓力