機(jī)械臂設(shè)計畢設(shè)計說明書.doc

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目 錄 1 緒論 1 1 1 前言 1 1 2 課題的來源與背景 1 1 3 研究的目的和意義 2 1 4 林業(yè)集材機(jī)的概述 3 1 5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 1 5 1 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 3 1 5 2 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 4 1 6 論文主要研究內(nèi)容 5 2 機(jī)械臂設(shè)計理論 7 2 1 機(jī)械臂的組成及分類 7 2 1 1 機(jī)械臂的組成 7 2 1 2 機(jī)械臂的分類 7 2 2 機(jī)械臂的自由度及坐標(biāo)形式 8 2 2 1 機(jī)械臂的自由度 8 2 2 2 機(jī)械臂的坐標(biāo)形式 8 3 集材機(jī)機(jī)械臂的總體設(shè)計 10 3 1 機(jī)械臂的設(shè)計參數(shù) 10 3 2 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式 10 3 3 機(jī)械臂典型部件特點(diǎn) 10 3 4 機(jī)械臂的工作范圍 11 4 集材機(jī)工作裝置的受力分析 13 4 1 集材機(jī)機(jī)械臂的工況分析 13 4 2 集材機(jī)機(jī)械臂的受力分析 13 4 2 1 空載時各級臂架所受的彎矩 13 4 2 2 抓舉活立木時各級臂架所受彎矩 14 4 3 機(jī)械臂連接處的受力分析 15 4 3 1 主臂鉸接處分析 15 4 3 2 副臂鉸接處分析 15 5 基于 SOLIDWORKS 集材機(jī)機(jī)械臂的造型 17 5 1 參數(shù)化設(shè)計與 SOLIDWORKS 軟件 17 5 1 1 參數(shù)化設(shè)計 17 5 1 2 SolidWorks 軟件介紹 17 5 2 集材機(jī)機(jī)械臂零部件造型 18 5 2 1 旋轉(zhuǎn)基座的造型 18 5 2 2 其它零部件的造型 21 5 3 集材機(jī)機(jī)械臂的虛擬裝配 22 6 集材機(jī)機(jī)械臂的有限元分析 24 6 1 SOLIDWORKS 有限元分析模塊及理論基礎(chǔ) 24 6 1 1 有限元法理論基礎(chǔ) 24 6 1 2 SolidWorks 的 Simulation 模塊 24 6 2 機(jī)械臂零部件的有限元分析 25 6 2 1 有限元分析過程 25 6 2 2 主臂的有限元分析結(jié)果 26 6 2 3 副臂的有限元分析結(jié)果 28 6 2 4 主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 29 6 2 5 副臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 31 結(jié)論 34 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 1 緒論 1 1 前言 新中國成立以來 我們國家林業(yè)建設(shè)取得了巨大成就 尤其在是改革開放 之后 黨中央 國務(wù)院高度重視林業(yè)工作 采取了一系列政策和措施 有效地 促進(jìn)了林業(yè)的發(fā)展 全社會辦林業(yè) 全民義務(wù)植樹運(yùn)動深入發(fā)展 全民搞綠化 的局面正在形成 近年來 實施天然林保護(hù)工程 退更換林 荒漠化治理和其 他重點(diǎn)項目進(jìn)展順利 部分地區(qū)的生態(tài)條件得到改進(jìn) 森林 濕地和野生動物 資源保護(hù)得到加強(qiáng) 我國目前的生態(tài)狀況整體惡化的趨勢 還沒有得到根本的扭轉(zhuǎn) 土地沙化 濕地 生物多樣性的破壞仍然呈加劇趨勢 濫伐森林 亂過度占用林地 過度 狩獵野生動物 無序開采 濫挖野生植物和其他現(xiàn)象屢禁不止 森林火災(zāi)和病 蟲害對林業(yè)仍然是非常嚴(yán)重的威脅 林業(yè)經(jīng)營和管理體制不適應(yīng)形勢發(fā)展的需 要 林業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小 科技含量低 結(jié)構(gòu)不合理 木材供需矛盾突出 林業(yè)職 工和森林地區(qū)的人民的收入增長比較緩慢 總體上 我國森林資源不足 森林 生態(tài)系統(tǒng)的整體功能仍然非常脆弱 所以現(xiàn)在林業(yè)要面臨比以往的任何時候都 要更重的改革和發(fā)展的任務(wù) 在加快推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化全面建設(shè)小康社會的過程中 必須把林業(yè)建設(shè) 放在更加突出的位置 我們必須高度重視并加強(qiáng)林業(yè)方面的工作 促使我國林 業(yè)能有一個比較大的發(fā)展 在西部的發(fā)展中 我們要給予林業(yè)以基礎(chǔ)地位 在 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施過程中 我們需要給林業(yè)以重要地位 在林業(yè)生態(tài)建設(shè) 中 我們要給予林業(yè)以領(lǐng)先地位 1 2 課題的來源與背景 第七次全國森林資源清查結(jié)果表明 截至 2008 年 全國森林面積為 19545 22 萬公頃 森林覆蓋率 20 36 活立木蓄積量 149 13 億立方米 森林蓄 積量 137 21 億立方米 人工林保存面積 6168 84 萬公頃 人工林蓄積量 19 61 億立方米 種植面積居世界第一 在第六次和第七次清查間隔的五年時間內(nèi) 人工林面積快速增長 人工林面積凈增 843 11 萬公頃 人工林蓄積凈增 4 47 億 立方米 幼林地面積 1046 18 萬公頃 森林蓄積量大大增加 森林采伐逐步向 人工林轉(zhuǎn)移 林木蓄積年凈生長量 5 72 億立方米 年采伐消耗量 3 79 億立方米 森林蓄積增長繼續(xù)超過消耗 長消盈余進(jìn)一步擴(kuò)大 天然林采伐量減少 人工 林采伐量增加 人工林采伐量占森林采伐量 39 44 提高 12 27 個百分點(diǎn) 現(xiàn) 有人工林是一種速生豐產(chǎn)林的發(fā)展 近年來 速豐林建設(shè)充分依靠政府推動 市場導(dǎo)向 利益的驅(qū)動和企業(yè)帶動等運(yùn)作機(jī)制 大力推進(jìn)速豐林基地建設(shè) 進(jìn) 入成熟林 采伐年齡段 面積成倍增長 依靠傳統(tǒng)的人工撫育和采伐技術(shù)已經(jīng)不 能滿足現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)的需要 但是傳統(tǒng)營林生產(chǎn)使用的輕型油鋸 割灌機(jī) 手 提式挖坑機(jī) 剪草機(jī)等便攜式林業(yè)機(jī)械 不僅效率低 而且均由操作者直接手 持或背負(fù)進(jìn)行作業(yè) 操作者除了完成控制 操作等任務(wù)外 還必須承受在作業(yè) 過程中機(jī)器產(chǎn)生的振動和噪聲 導(dǎo)致操作者的身體功能一定程度上受到功能性 障礙或不同程度的損傷 因此 對我國現(xiàn)有的大型商業(yè)人工林的撫育 采伐 造材等作業(yè)機(jī)械化 高效化以成為一個核心焦點(diǎn) 未來的林業(yè)生產(chǎn)要由勞動力集約型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變 以增加單位勞動生 產(chǎn)效率 增加林區(qū)人民的收入 這也是三農(nóng)問題解決的一個方面 此外 人工 林的撫育是季節(jié)性的 應(yīng)急性的 要在最好的季節(jié)完成除草 修剪 細(xì)化和緊 急控制害蟲及運(yùn)輸 必須通過機(jī)械化作業(yè)來提高作業(yè)效率 對于大中徑材的整 枝撫育作業(yè)和撫育間伐材的搬運(yùn) 只靠人工的話是沒有辦法做到高質(zhì) 高效地 完成有關(guān)作業(yè)的 需要用機(jī)械化裝備來達(dá)到安全高效地作業(yè) 國家中長期科學(xué) 和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要和林業(yè)科學(xué)技術(shù)十一五發(fā)展規(guī)劃也分別將開發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 包 括林業(yè) 裝備技術(shù)列為我國近期林業(yè)科技重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一 1 3 研究的目的和意義 林業(yè)裝備技術(shù)水平的高低 是衡量現(xiàn)代林業(yè)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo) 志 只有現(xiàn)代化的機(jī)械操作 才能真正解放勞動生產(chǎn)力 降低勞動強(qiáng)度 降低 生產(chǎn)成本 提高經(jīng)濟(jì)效益 近年來由于林區(qū)的勞動成本的上升 對傳統(tǒng)勞動 密集型為主的林業(yè)生產(chǎn)造成很大的沖擊 迫切需要開發(fā)新技術(shù) 新工藝 新裝 備 提高自主創(chuàng)新能力 提高機(jī)械化和智能化的林業(yè)裝備水平 改善操作環(huán)境 以高效低耗林業(yè)生產(chǎn)系列裝備來改變傳統(tǒng)人力為主的落后生產(chǎn)模式 目前國內(nèi)現(xiàn)有的采育作業(yè)裝備的運(yùn)行現(xiàn)狀均存在功能單一的缺點(diǎn) 這樣在 采育作業(yè)過程中 林業(yè)工人就要使用多種機(jī)械設(shè)備 降低了作業(yè)效率 多種機(jī) 械設(shè)備的頻繁使用不同程度的造成森林生態(tài)損傷和破壞 在此基礎(chǔ)上 提供一 種可以集中完成多種林地作業(yè)的多功能林地作業(yè)機(jī)械 使林業(yè)工人進(jìn)行安全 高效的工作 并減少對林木和林地的生態(tài)破壞是未來林業(yè)機(jī)械應(yīng)用發(fā)展的主要 趨勢 1 4 林業(yè)集材機(jī)的概述 林區(qū)的木材收集運(yùn)輸車 該車被廣泛使用在歐洲和美國等發(fā)達(dá)國家 由于 操作簡單 靈活 作業(yè)效率高 在發(fā)達(dá)國家被廣泛使用 機(jī)械臂控制系統(tǒng)安裝 在前駕駛室內(nèi) 工人不需要下車 轉(zhuǎn)身即可操作 在寒冷 潮濕多余的地區(qū)適 用性更強(qiáng) 也可安裝在機(jī)械臂立臂上方 視野開闊 適合使用在南部的熱帶地 區(qū) 機(jī)械臂的液壓抓頭可以 360 旋轉(zhuǎn) 第三節(jié)臂可伸縮 抓取木材極為方便 依托拖拉機(jī)后傳動軸作為動力輸出 驅(qū)動液壓泵 作為液壓動力來源 通用性 強(qiáng) 使用成本低廉 還可以配備柴油動力站 為了適應(yīng)林區(qū)運(yùn)輸要求 該車應(yīng) 用了專用山地輪胎 輪胎較寬 不易下陷 承載能力大 防滑性能好 經(jīng)久耐 用 裝備有效地解決了林區(qū)采伐時木材裝卸與運(yùn)輸?shù)陌踩院腿斯ぱb卸效率低 的問題 集材機(jī)的整體輪廓圖如圖 1 1 所示 圖 1 1 集材機(jī) 1 5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 5 1 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 我國大型林業(yè)設(shè)備的發(fā)展一直處于落后狀態(tài) 大部分的技術(shù)和產(chǎn)品都停留 在二十世紀(jì)七八十年代的水平 如目前仍在生產(chǎn)和使用的哈爾濱拖拉機(jī)廠的 J50 J80 等型號集材機(jī)均是上世紀(jì)五十年代的產(chǎn)品 大多數(shù)林區(qū)使用的僅僅是 在原有汽車 工程機(jī)械及拖拉機(jī)上加裝液壓抓具 鉸盤機(jī)等林業(yè)作業(yè)裝置改裝 的林業(yè)機(jī)械 上個世紀(jì)我國進(jìn)口過國外聯(lián)合采育機(jī) 并在南部地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)實 驗 并組織科研單位進(jìn)行了技術(shù)探索 但在不同條件的影響下 許多研究都沒 有進(jìn)一步的細(xì)化 近年來 隨著機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展 相關(guān)領(lǐng)域的汽車技 術(shù) 液壓技術(shù) 自動化控制技術(shù)等的飛速發(fā)展 特別是人工林的大面積的增加 原有的以人工作業(yè)為主的作業(yè)模式 效率己經(jīng)很難滿足林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場需 求 雖然國內(nèi)己經(jīng)有一部分企業(yè)開始開發(fā)新的專用多功能林業(yè)裝備 比如江蘇 常林股份有限公司研發(fā)和批量生產(chǎn)的 ZL3OM 系列輪式原木裝載機(jī) 在北部和 南部的林區(qū)都有投入大量的使用 另外有一些企業(yè)也已經(jīng)在嘗試引進(jìn)和仿制國 外的現(xiàn)代化林業(yè)裝備 然而 由于受到各方面的影響 當(dāng)前國內(nèi)正在開發(fā)和生 產(chǎn)的林業(yè)裝備仍然有工作效率低 功能單一的缺點(diǎn) 不能滿足日益增長的人工 林采育作業(yè)的效率要求 1 5 2 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 世界各主要林業(yè)國家的森林采運(yùn)機(jī)械化是在二十世紀(jì)五十年代末期前后開 始實現(xiàn) 主要是在生產(chǎn)工序上把手工作業(yè)用機(jī)械代替 可是大量繁重的手工勞 動依然存在 美國 瑞典 芬蘭 加拿大和蘇聯(lián)等國自二十世紀(jì)六十年代開始 在繼續(xù)改進(jìn)傳統(tǒng)單工序機(jī)械作業(yè)的同時 加強(qiáng)了伐區(qū)聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研究工作 并取得了很大的進(jìn)步 高新技術(shù) 智能技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用 1 現(xiàn)代化的試驗設(shè)備和訓(xùn)練手段 原來新產(chǎn)品開發(fā)過程比較緩慢 如集材機(jī)樣機(jī)必須進(jìn)行 2000 一 8000 h 野 外現(xiàn)場試驗來評估結(jié)構(gòu)件的可靠度 此外 獲取數(shù)據(jù) 處理數(shù)據(jù) 發(fā)現(xiàn)問題 解決問題的過程是一個昂貴和費(fèi)時的過程 需要幾個月甚至一年時間 Timberjack 公司推出的野外試驗數(shù)據(jù)獲取裝置 所有設(shè)備可以裝在一個手提箱 內(nèi) 攜帶方便 現(xiàn)場安裝時間不超過三十分鐘 整個裝置可以放置在機(jī)器上 這樣就省去了遠(yuǎn)距離測量系統(tǒng) 操作起來非常方便 該裝置由 50Mat 公司的試 驗控制軟件 TCS 控制 可以運(yùn)行在一臺筆記本電腦上 能自動完成數(shù)據(jù)采集 處理 分析 提示等功能 操作很簡單 整個裝置堅固 可靠 可在惡劣的工 作條件下正常操作 2 林業(yè)機(jī)械操作系統(tǒng)實現(xiàn)自動化 智能化 原 Timberjack 公司在 127OB 型伐區(qū)聯(lián)合機(jī)和 121OB 型原木自裝集運(yùn)機(jī)上 就裝備 TMC 整機(jī)程控系統(tǒng) 降低了工人的勞動程度 系統(tǒng)自動控制柴油機(jī) 起重臂和液壓傳動系統(tǒng) 以及所有有關(guān)功能 可確保平穩(wěn)而無級地傳遞動力 準(zhǔn)確控制和監(jiān)控整機(jī)運(yùn)行 3 節(jié)能與環(huán)保 世界性能源危機(jī)使節(jié)能作為一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題 林業(yè)集材機(jī)是一種大功 率設(shè)備 其能源效率直接影響設(shè)備使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性 為了提高產(chǎn)品的能 源效率 滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求 國外的林業(yè)集材機(jī)均采用各種節(jié)能控制系 統(tǒng) 取得了很好的節(jié)能效果 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用 可以減少液壓系統(tǒng)的功率損耗 提高發(fā)動機(jī)的功率利用率 更好地匹配動力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率 降低發(fā)動機(jī) 和液壓元件的工作強(qiáng)度 提高了聯(lián)合機(jī)的生產(chǎn)效率和使用的可靠性 同時可以 減少排放量 降低燃料消耗 減小工作時的振動和噪聲的影響 也改善了操縱 者的工作環(huán)境 Ponsse 公司 OPtiConirolTM 控制系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代化柴油機(jī)的可 靠性 節(jié)能 環(huán)保的技術(shù) 該控制系統(tǒng)每時每刻監(jiān)控設(shè)備的功能 調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī) 功率與當(dāng)前負(fù)載相匹配 減少功率損耗 節(jié)省燃料 提高發(fā)動機(jī)壽命 降低運(yùn) 行成本 4 人機(jī)工程學(xué)研究取得實效 自二十世紀(jì)九十年代以來 發(fā)達(dá)國家很重視研究人機(jī)工程學(xué) 加拿大林業(yè) 工程研究所研究之后 提出了關(guān)于伐區(qū)作業(yè)的機(jī)械的人機(jī)功效學(xué)特性的 6 項評 價指標(biāo) 包括操作方便性 上下車方便性 操作人員視野 乘坐舒適性 機(jī)器 噪聲和機(jī)器維修方便性 各大公司在二十世紀(jì)九十年代生產(chǎn)的林業(yè)機(jī)械 均對 人機(jī)工效學(xué)特性的改進(jìn)給予極大的關(guān)注 原 Timberjack 對 600 系列換代產(chǎn)品 850 型和 950 型伐木歸堆機(jī) 均在駕駛室上作了顯著的改進(jìn) 增加尺寸 前面 采用巨大的曲面玻璃 并配備了一個特殊的后視鏡 視野大大改善 改用符合 人機(jī)工效學(xué)的手柄 司機(jī)座椅可全方位調(diào)整 腳踏板的角度也可調(diào)整 安裝立 體聲音響和雙向通話裝置 采暖 空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備也得到了提高 在密封的駕 駛室內(nèi)安裝有空氣過濾防塵裝置 并設(shè)有排氣裝置 駕駛室內(nèi)的噪聲降到小于 77dB A 駕駛室有橡膠的振動隔離裝置 可消減振動 此外 為了保證駕駛?cè)?員的安全 駕駛室還普遍裝有傾翻保護(hù)裝置 1 6 論文主要研究內(nèi)容 本論文意在設(shè)計在林區(qū)作業(yè)時用于集運(yùn)木材的集材機(jī)的液壓驅(qū)動式機(jī)械臂 要求其易于控制 結(jié)構(gòu)靈活 定位準(zhǔn)確 論文研究涉及機(jī)械設(shè)計 機(jī)械原理 三維實體建模 有限元分析 計算機(jī)輔助設(shè)計等方面的相關(guān)內(nèi)容 機(jī)械臂的機(jī)械部分是整個系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)形式好壞 直接影響整個系 統(tǒng) 主要研究以下幾個方面 1 查閱資料 并進(jìn)行收集和整理 調(diào)研機(jī)械臂結(jié)構(gòu) 2 在機(jī)構(gòu)設(shè)計時選用合理的運(yùn)動副形式并合理配置 選擇運(yùn)動的最佳傳遞 路線和驅(qū)動速比 3 據(jù)設(shè)計要求和工作需要 要求機(jī)械臂應(yīng)能達(dá)到工作范圍內(nèi)的各個位置 4 在確定機(jī)械臂自由度的同時要兼顧機(jī)構(gòu)的靈活性 可操縱性 控制性和 機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度 設(shè)計方案確定后 經(jīng)過理論計算后再利用 SolidWorks 軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)造型設(shè) 計并進(jìn)行裝配 在此基礎(chǔ)上 通過進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)問題 改進(jìn)和完善設(shè)計 2 機(jī)械臂設(shè)計理論 2 1 機(jī)械臂的組成及分類 2 1 1 機(jī)械臂的組成 機(jī)械臂主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成 各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如下圖方框所示 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括主臂 負(fù)臂 伸縮臂 液壓缸以及液壓抓具 2 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置就是機(jī)械臂的驅(qū)動系統(tǒng) 常用的有氣壓傳動 液壓傳動 機(jī)械傳動以及電力傳動等四種基本形式 3 控制系統(tǒng) 主要有射流控制和電氣控制兩種 一般常見的為電氣控制 控制系統(tǒng)是機(jī) 械臂的重要組成部分 在某種意義上說 控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用 機(jī) 械臂的運(yùn)動以及相關(guān)部件的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的 4 位置檢測裝置 位置檢測裝置的作用是對機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置進(jìn)行檢測 并隨時隨 地將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際運(yùn)動位置反饋給控制系統(tǒng) 從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度 到達(dá)指定位置 2 1 2 機(jī)械臂的分類 1 按控制方式分 1 連續(xù)軌跡控制 驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 原木 位置檢測裝置 控制系統(tǒng) 圖 2 1 機(jī)械臂的組成框圖 它的運(yùn)動軌跡是任意的空間連續(xù)曲線 其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的 整個的 移動過程都是在控制之中 能夠做到平穩(wěn)而準(zhǔn)確的運(yùn)動 使用范圍較為廣泛 但是電氣控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜 2 點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動軌跡為空間點(diǎn)到點(diǎn)的移動 只能對運(yùn)動過程中幾個點(diǎn)的位置控制 不能控制其運(yùn)動軌跡 目前多數(shù)機(jī)械臂屬于點(diǎn)位控制 2 按驅(qū)動方式分 可以分為 氣壓傳動機(jī)械臂 液壓傳動機(jī)械臂 電力傳動機(jī)械臂 機(jī)械傳 動機(jī)械臂 2 2 機(jī)械臂的自由度及坐標(biāo)形式 2 2 1 機(jī)械臂的自由度 自由度是機(jī)械臂設(shè)計的主要參數(shù) 每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú) 立運(yùn)動叫做自由度 每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系最多有六個自由度 即繞 X Y Z 軸三個方向的三個獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和沿 X Y Z 三個方向的三個獨(dú) 立的往復(fù)移動 兩個構(gòu)件 即運(yùn)動件 組成相對運(yùn)動的聯(lián)接叫做運(yùn)動副 對相 對運(yùn)動加以限制的條件即為約束條件 林木集材機(jī)的機(jī)械臂是一個典型的多連桿機(jī)構(gòu) 它可以分為多個 4 連桿機(jī) 構(gòu) 而整個機(jī)械臂在一定工況下可看作是一個連桿機(jī)構(gòu) 它具有 3 個自由度 自由度數(shù)多少是衡量機(jī)械臂技術(shù)水平的指標(biāo)之一 自由度的數(shù)目越多 可完成 的動作就可以更復(fù)雜 但相應(yīng)的帶來的問題是技術(shù)上的困難 機(jī)械結(jié)構(gòu)和制系 統(tǒng)的復(fù)雜 機(jī)械臂本身的尺寸和重量的增加 也就使得研發(fā)成本變高 維修難 度增大 相反 自由度的數(shù)目少 通用性就差 但是技術(shù)上容易實現(xiàn) 機(jī)械結(jié) 構(gòu)相應(yīng)簡單 使用維修方便 因此 應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求來確定自由度的數(shù)目 而不能盲目的增加不必要的自由度 2 2 2 機(jī)械臂的坐標(biāo)形式 運(yùn)動系由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動組成 即大臂的仰俯 小臂仰俯和大臂的回轉(zhuǎn) 這 種坐標(biāo)形式的機(jī)械臂稱為關(guān)節(jié)式機(jī)械臂 特點(diǎn)是 工作范圍大 動作靈活 并 能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件 此為其它機(jī)械臂不可比擬的 優(yōu)點(diǎn) 機(jī)械臂傳動系統(tǒng)簡介 本文采用液壓驅(qū)動的工作臂 機(jī)械臂采用液壓驅(qū)動有如下特點(diǎn) 1 反應(yīng)比較靈敏 傳動相對平穩(wěn) 傳動滯后現(xiàn)象小 2 可以得到較大的輸出力或力矩 一般要得到 20 70 kg cm2 的油液壓力 是比較方便的 3 定位精度可以達(dá)到很高 現(xiàn)在一般的液壓機(jī)械臂在低于 400 mm s 的速 度且抓取重量比較輕的時候 采用一定的緩沖措施和定位方式 可以達(dá)到 1 0 02mm 的定位精度 如果采用電液伺服控制系統(tǒng) 不僅有較高的定位 精度 而且可以任意定位 適用于高速 重載的通用機(jī)械臂 4 比較容易控制輸出力和運(yùn)動速度 輸出力和運(yùn)動速度在一定的油缸結(jié)構(gòu) 尺寸下 主要由油液的壓力和流量決定 通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力和流量控制閥 可方便地控制輸出功率 就國內(nèi)而言 液壓傳動機(jī)械臂占機(jī)械臂總數(shù)的 52 以上 根據(jù)國內(nèi)外資料 液壓工作臂有三種基本型式 鉸接式 只有主臂和副臂 伸縮式 只有主臂和 伸縮臂 混合式 既有主臂 副臂 還有伸縮臂 通過對比分析 根據(jù)設(shè)計要求和采伐工藝要求 本文決定采用混合式 這 種型式兼顧前兩種型式的優(yōu)點(diǎn) 動作靈活 工作范圍廣 采伐自裝自卸性能好 3 集材機(jī)機(jī)械臂的總體設(shè)計 3 1 機(jī)械臂的設(shè)計參數(shù) 參考 Cranab FC106 型的集材機(jī)的各項技術(shù)參數(shù) 設(shè)計機(jī)械臂 主要的技術(shù) 參數(shù)如表 3 1 所示 表 3 1 集材機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)的主要參數(shù) 名 稱 參 數(shù) 單 位 外展 6700 mm 主臂 3100 mm 副臂 2200 mm 臂延伸臂 1400 mm 回轉(zhuǎn)角度 360 0 回轉(zhuǎn)力矩 28 7 KN m 工作壓力 23 5 MPa 液壓油流速 120 200 l min 3 2 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式基本都采用箱型結(jié)構(gòu) 從垂直于機(jī)械臂長度方向的截面 來看 大致有如下幾種 查閱相關(guān)的資料 認(rèn)為下圖 3 1 a 的截面形式較好 整個機(jī)械臂應(yīng)力流暢 無明顯力流阻滯和應(yīng)力集中 而且重量較輕 a b c d 圖 3 1 臂架的截面結(jié)構(gòu)形式 3 3 機(jī)械臂典型部件特點(diǎn) 1 臂架 臂架可以簡化成一個細(xì)長的懸臂梁 它要求臂架強(qiáng)度大 剛性好 重量輕 因此 臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成四塊鋼板焊接而成的箱型梁 材料選用 16Mn 鋼 其參數(shù)如表 3 2 所示 表 3 2 16Mn 材料參數(shù) 材 料 彈性模量 MPa 泊松比 密度 kg m 3 屈服極限 MPa 16 Mn 2 1 0 30 7 85 355 為充分利用高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能 借助現(xiàn)代化的有限元分析計算 按梁上 各處應(yīng)力趨于一致的原則 忽略焊接的殘余應(yīng)力 將梁設(shè)計成漸變梁 2 連桿 連桿一般為直桿或者弓形的二力桿 也有三角結(jié)構(gòu)的連桿即角桿 3 油缸 各節(jié)臂之間用液壓缸支撐 油缸為臂架的升降 伸縮提供動力 它由壓力 油推動活塞前后運(yùn)動 從而驅(qū)動臂架運(yùn)動 缸體的進(jìn)油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖 以防 止液壓軟管破裂時發(fā)生臂架墜落事故 3 4 機(jī)械臂的工作范圍 集材機(jī)要在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行木材的采集作業(yè) 如圖 3 2 所示 圖 3 2 機(jī)械臂工作范圍示意圖 作業(yè)范圍由高度 H 水平工作半徑 R 及工作深度 D 等參數(shù)確定 工作高度 H 是指各級臂全部垂直于地面時 從地面至臂端的液壓抓具的距離 水平工作 半徑 R 是指當(dāng)各級臂全部水平放置時 從旋轉(zhuǎn)基座的回轉(zhuǎn)中心至臂端的液壓抓 具的距離 工作深度 D 是指機(jī)械臂在水平位置以下工作時 地面至臂端的液壓 抓具的距離 H R D 等參數(shù)均與臂架長度有關(guān) 臂架長度是指各級臂在同一軸線上時 臂架與旋轉(zhuǎn)基座鉸接中心至臂端液壓抓具中心的距離 4 集材機(jī)工作裝置的受力分析 4 1 集材機(jī)機(jī)械臂的工況分析 工作裝置由旋轉(zhuǎn)基座 主臂 副臂 伸縮臂以及連桿機(jī)構(gòu)和各種工作液壓 缸組成 對這些結(jié)構(gòu)件的分析計算 首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)件的不利工況 即在這 種工況下對某一結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)最大的應(yīng)力 以這種工況作為設(shè)計該結(jié)構(gòu)件的 依據(jù) 比較各個工況后 當(dāng)各級臂處于水平狀態(tài) 并且伸縮臂伸出時的工況是 機(jī)械臂受力最不利的情況 4 2 集材機(jī)機(jī)械臂的受力分析 當(dāng)各級臂全部處于水平外伸狀態(tài)時 由于各個油缸支撐著各級機(jī)械臂 可 以把機(jī)械臂看做一個變截面的懸臂梁 這時其所受的載荷如圖 4 1 所示 圖 4 1 臂架受力示意圖 4 2 1 空載時各級臂架所受的彎矩 3214321321211 5 05 05 0 LGLGLLGM 478394 0 76 4 m10 N 1 32432322 5 5 LGLGM 1405 917600478 1402 4 m15 238 N 2 3433 0LGM 14025159176 4 m 42 N 3 式中 M i 各級機(jī)械臂左端點(diǎn)彎矩值 G1 G2 G3 各級機(jī)械臂的自重 為簡單計 以集中載荷看待 G4 機(jī)械臂末端連接的液壓抓具自重 L1 L2 L3 各級機(jī)械臂的長度尺寸 其中 G 1 10124 9 N G 2 7484 04 N G 3 1760 59 N G 4 2500 N L1 3100 mm L2 2200 mm L3 1400 mm 4 2 2 抓舉活立木時各級臂架所受彎矩 3214321321211 5 05 05 0 LLM 478394 07 76 4 m10 N 4 32432322 5 05 LGLGM 105 917678 410 4 m5 63 N 5 3433 0LGM 140751059176 4 m 2 N 6 式中 M i 各級機(jī)械臂左端點(diǎn)彎矩值 G1 G2 G3 各級機(jī)械臂的自重 為簡單計 以集中載荷看待 G4 機(jī)械臂末端連接的液壓抓具和活立木的重量 活立木重 15000N L1 L2 L3 各級機(jī)械臂的長度尺寸 其中 G 1 10124 9 N G 2 7484 04 N G 3 1760 59 N G 4 17500 N L1 3100 mm L2 2200 mm L3 1400 mm 4 3 機(jī)械臂連接處的受力分析 4 3 1 主臂鉸接處分析 已知 G 1 G2 G3 G4 為各級臂架的自重以及液壓抓具的自重 L1 L2 L3 為各級臂架的長度尺寸 對主臂末端點(diǎn) A 點(diǎn)求矩 321432132121Y1 5 05 05 0 LGLLLF 4 74Y F 7 得 KNY13 281 由垂直方向力平衡 4 432GFA 8 AY6 由臂架的幾何關(guān)系有 臂架水平時 旋轉(zhuǎn)基座液壓缸與主臂架夾角約為 750 故有 0175tan XYF175sin FY 4 9 得 KNY48 6t0KNFY87 256sin01 A 點(diǎn)的軸向力 KNFXA487 61 4 3 2 副臂鉸接處分析 對副臂末端點(diǎn) B 點(diǎn)求矩 4 32432322 5 05 068 LGLGFY 10 23815602 YF 得 KN 由垂直方向力平衡 4 4322GBY 11 FBY105 由臂架的幾何關(guān)系有 副臂水平時 連桿二與臂架夾角為 300 連桿一與油缸二 夾角為 450 故有 4 023tan XYF023sin FY 12 得 KNFYX89 56t02 KNY710 65i0 B 點(diǎn)的軸向力 FXB892 5 基于 SolidWorks 集材機(jī)機(jī)械臂的造型 5 1 參數(shù)化設(shè)計與 SolidWorks 軟件 5 1 1 參數(shù)化設(shè)計 參數(shù)化設(shè)計的主要特點(diǎn)是實體模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性模型的使用 實體模型 具有真實的 直觀的及與實際產(chǎn)品接近的特點(diǎn) 同時實體模型也有體積 質(zhì)量 質(zhì)心等物理特性 因此可以方便的進(jìn)行分析和制造等后續(xù)處理 參數(shù)化設(shè)計的 另一個主要特征是尺寸驅(qū)動 所謂尺寸驅(qū)動就是以模型尺寸來決定模型形狀 由一組具有一定相互關(guān)聯(lián)的尺寸來定義一個模型 設(shè)計者修改尺寸參數(shù)后 經(jīng) 過再生處理即可獲得新模型的形狀 生產(chǎn)中工程人員對結(jié)構(gòu)形狀比較定型的產(chǎn) 品系列化 標(biāo)準(zhǔn)化就是典型的參數(shù)化設(shè)計思想應(yīng)用 參數(shù)化設(shè)計的建模過程采用的方法是特征造型建模 基于建模對象的結(jié)構(gòu) 形狀以及裝配關(guān)系進(jìn)行合理的抽象 獲得不同類型的特征 例如實體特征 基 準(zhǔn)特征 曲面特征等等 一個模型可以看作是一個在一定程度上多個不同種類 的特征的組合 特征建模只需要在繪制出平面草圖后通過拉伸 旋轉(zhuǎn) 放樣 掃描等方法就可以創(chuàng)建出多種基礎(chǔ)特征 然后再在基礎(chǔ)特征之上添加諸如圓孔 倒角等特征 使整個設(shè)計過程簡潔 直觀 5 1 2 SolidWorks 軟件介紹 世界上第一個基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)就是 SolidWorks 軟件 SolidWorks 軟件現(xiàn)在是全球裝機(jī)量最大 最好用的軟件 因為它使用了先進(jìn)的 parasolid 內(nèi)核 Windows OLE 技術(shù) 直觀式的設(shè)計技術(shù)以及良好的與第三方軟 件的集成技術(shù) 有關(guān)資料表明 現(xiàn)在全球發(fā)放的 SolidWorks 軟件使用許可大約 是 28 萬 涉及到機(jī)車 離散制造 國防 電子通訊 交通 機(jī)械 模具 日用 品 娛樂工業(yè) 食品 醫(yī)療器械 消費(fèi)品 航空航天等分布于全球 100 多個國 家的約 3 萬 1 千家企業(yè) 在目前市場上所見到的三維 CAD 解決方案中 SolidWorks 是設(shè)計過程比 較簡便而方便的軟件之一 在強(qiáng)大的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作協(xié)同下 使用 SolidWorks 整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的 零件設(shè)計 裝配設(shè)計和工 程圖之間的是全相關(guān)的 由于 SolidWorks 軟件的易學(xué)易用 功能強(qiáng)大及技術(shù)創(chuàng)新這三大特點(diǎn) 使得 SolidWorks 成為主流的 領(lǐng)先的三維 CAD 設(shè)計軟件 其能夠提供很多種設(shè)計 方案 以便減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量 SolidWorks 不僅功能 強(qiáng)大 而且對于最初的設(shè)計者來說 比較容易上手且操作起來簡單方便 對于 用慣了微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶而言 基本上就可以用 SolidWorks 來搞設(shè) 計了 SolidWorks 的拖拽功能可以讓設(shè)計者花費(fèi)較少的時間就能完成大型設(shè)計 的裝配 SolidWorks 具有同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器 可 以方便地用它管理 CAD 文件 本文采用三維機(jī)械設(shè)計軟件為 SolidWorks2012 版本 5 2 集材機(jī)機(jī)械臂零部件造型 集材機(jī)機(jī)械臂主要由以下零部件組成 旋轉(zhuǎn)基座 旋轉(zhuǎn)支桿 主臂液壓油 缸 主臂 連桿 副臂液壓油缸 副臂 伸縮臂等 由于三維特征造型能夠全 面 準(zhǔn)確的反映零件的真實屬性 因此應(yīng)用 SolidWorks 軟件分別建立機(jī)械臂各 零件的三維實體模型 下面以旋轉(zhuǎn)基座為例 介紹其實體建模的主要過程 其 它零部件的建模過程不再贅述 5 2 1 旋轉(zhuǎn)基座的造型 圖 5 1 旋轉(zhuǎn)基座 從圖 5 1 中可以看到旋轉(zhuǎn)基座為一個圓形凸臺拉伸體 主要造型方式為凸 臺拉伸和切除拉伸 可以按照以下的順序進(jìn)行建模 1 首先啟動 SolidWorks 三維設(shè)計軟件后 新建一個零件文件 首先是繪 制零件的草圖 然后拉伸成為零件的基體特征 一般為了繪制對稱零件或者定 位的方便 首先繪制出對稱中心線 然后按以下步驟繪圖 1 單擊草圖工具欄上的 草圖繪制 按鈕 然后選擇上視基準(zhǔn)表面打開 一張新的草圖 然后單擊 繪制矩形 按鈕 選擇里面的中心矩形 點(diǎn)擊鼠標(biāo) 并拖動 繪制出中心矩形 2 單擊草圖繪制工具欄上的 繪制圓角 按鈕 設(shè)定圓角的半徑 繪制 草圖的圓角 繪制出拉伸基體的草圖之后 單擊草圖繪制工具欄上的 尺寸標(biāo) 注 按鈕 對草圖尺寸進(jìn)行標(biāo)注 使得草圖完全定義 草圖完全定義之后顯示 黑色 2 拉伸基體特征 通過拉伸上面步驟所繪制出來的草圖來生成特征的具體操作步驟如下 1 單擊 特征 工具欄上的 拉伸凸臺 基體 命令按鈕 拉伸屬性管 理器出現(xiàn) 在方向一的組框中 按以下步驟操作 1 將終止條件設(shè)定為 給定 深度 將深度設(shè)定為 50mm 可以直接輸入數(shù)值或者使用方向鍵來改變拉伸 深度 2 單擊確定按鈕 生成拉伸特征 如圖 5 2 所示 圖 5 2 矩形拉伸特征 圖 5 3 圓柱拉伸特征 2 選 擇 上 視 基 準(zhǔn) 面 繼 續(xù) 繪 制 拉 伸 所 需 要 的 草 圖 然 后 確 定 草 圖的 定 型 定 位 尺 寸 然 后 拉 伸 凸 臺 基 體 1 將 終 止 條 件 設(shè) 定 為 給 定 深 度 設(shè) 置 深 度 為 100mm 并 設(shè) 置 向 內(nèi) 拔 模 角 度 為 6 度 2 單 擊 確 定 按 鈕 生 成 拉 伸 特 征 如 圖 所5 3 示 圖 5 4 切除拉伸特征 圖 5 5 圓柱凸臺拉伸特征 3 選中上面拉伸特征的表面 然后單擊草圖繪制工具欄上的 草圖繪制 按鈕 這時候在拉伸特征的表面上繪制一張新的草圖 如圖 5 4 所示 單擊特 征工具欄上的 拉伸切除 命令按鈕 切除屬性管理器出現(xiàn) 在方向一組框中 按以下步驟操作 1 設(shè)置終止條件為 完全貫穿 單擊確定按鈕 生成拉伸 切除特征如圖 5 4 所示 同樣在另外一個拉伸表面上繪制一張新的草圖 并進(jìn) 行凸臺拉伸 將拉伸深度設(shè)定為 260mm 并向內(nèi)拔模 6 度 單擊確定按鈕 生 成新的拉伸特征如圖 5 5 所示 圖 5 6 圓柱拉伸特征 圖 5 7 圓柱拉伸特征 4 選擇右視基準(zhǔn)面 單擊 草圖繪制 按鈕 繪制草圖 并拉伸基體 設(shè)定拉伸方式為 兩側(cè)對稱 拉伸距離為 395mm 單擊確定按鈕 生成新的 拉伸特征 如圖 5 6 所示 采用同樣的方法 再生成一個新的拉伸特征 如圖 5 7 所示 圖 5 8 圓柱拉伸切除特征 5 選中拉伸表面 單擊 草圖繪制 按鈕 在拉伸表面上繪制一張新的 草圖 然后單擊 拉伸切除 按鈕 將終止條件設(shè)置為給定深度 設(shè)置深度為 10mm 再對其它部位進(jìn)行 圓角 特征處理 最終生成旋轉(zhuǎn)基座三維模型 如 圖 5 8 所示 5 2 2 其它零部件的造型 對于其他零部件的造型 可綜合利用 SolidWorks 基準(zhǔn)特征和實體特征的構(gòu) 建基本方法 首先構(gòu)建基準(zhǔn)特征 包括實體模型的坐標(biāo)系 基準(zhǔn)點(diǎn) 基準(zhǔn)軸 基準(zhǔn)面 基準(zhǔn)曲線等 然后利用拉伸 旋轉(zhuǎn) 掃描 混合等方法構(gòu)建基礎(chǔ)特征 最后利用材料的填充 去除等功能對基礎(chǔ)特征進(jìn)行完善 形成構(gòu)造特征 并完 成具體的實體特征造型 集材機(jī)機(jī)械臂主要零部件的實體造型如圖 5 9 5 16 所示 圖 5 9 機(jī)械臂主臂 圖 5 10 機(jī)械臂副臂 圖 5 11 機(jī)械臂伸縮臂 圖 5 12 旋轉(zhuǎn)支桿 圖 5 13 連桿一 圖 5 14 連桿二 圖 5 15 油缸收縮狀態(tài) 圖 5 16 油缸伸出狀態(tài) 5 3 集材機(jī)機(jī)械臂的虛擬裝配 機(jī)械臂的虛擬裝配是指根據(jù)各個零部件的相對位置和配合關(guān)系 然后利用 SolidWorks 三維設(shè)計軟件將各個零部件組裝成一個整體 這種裝配是通過 SolidWorks 軟件的組件模塊來實現(xiàn)的 通過組件模塊中各種配合方式的相互結(jié) 合 在完成虛擬裝配的同時還可進(jìn)行干涉檢查 來判斷各個零部件之間是否存 在空間位置的沖突 打開 SolidWorks 軟件 點(diǎn)擊 新建 然后點(diǎn)擊 裝配體 確定 選擇插 入零部件 點(diǎn)擊 瀏覽 彈出對話框 選擇要裝配的零部件 進(jìn)行配合處理 組件完畢后得到整個機(jī)械臂的裝配圖如下 圖 5 17 機(jī)械臂爆炸視圖 圖 5 18 機(jī)械臂裝配圖一 圖 5 19 機(jī)械臂裝配圖二 6 集材機(jī)機(jī)械臂的有限元分析 6 1 SolidWorks 有限元分析模塊及理論基礎(chǔ) 6 1 1 有限元法理論基礎(chǔ) 將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體 用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函 數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù) 近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其 導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá) 從而使一個連續(xù)的無限自由度問題 變成離散的有限自由度問題 現(xiàn)代工程設(shè)計的模擬方法 通常使用有限元方法 在計算機(jī)進(jìn)行仿真模擬 而不是傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試的方法 有限元法的分析指導(dǎo)思想就是化整為零 截彎取直 以簡馭繁 變難為易 6 1 2 SolidWorks 的 Simulation 模塊 目前 使用計算機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析的方法有兩種 第一種是利用有限元分析 軟件進(jìn)行專業(yè)的分析 比如分析功能比較強(qiáng)大的 Ansys 軟件 可以進(jìn)行全面的 受力分析 但用戶要具有豐富的力學(xué)知識背景 還需要很多次積累經(jīng)驗 因為 比較專業(yè) 所以比較難學(xué) 第二種是根據(jù)一些軟件自帶的應(yīng)力分析插件來進(jìn)行 分析 如 SolidWorks 提供的應(yīng)力分析工具 Simulation 模塊 利用它可以幫助用 戶確定目前的設(shè)計是否滿足工作的現(xiàn)實要求 對于一般的設(shè)計人員 在零件的 應(yīng)力情況不太復(fù)雜時 利用 Simulation 來進(jìn)行應(yīng)力分析顯得更為簡單實用 本文首先在 SolidWorks 環(huán)境下完成集材機(jī)機(jī)械臂的三維實體建模 然后利用 與 SolidWorks 無縫結(jié)合的 Simulation 有限元分析軟件對機(jī)械臂進(jìn)行分析 其優(yōu)點(diǎn) 在于結(jié)構(gòu)分析時不必脫離原三維設(shè)計環(huán)境 避免了模型導(dǎo)入第三方軟件時常見 的模型失真導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確的問題 SolidWorks 的 Simulation 設(shè)計分析結(jié)果基于線性靜態(tài)分析 當(dāng)載荷作用于 物體表面時 物體發(fā)生變形 載荷的作用將傳到整個物體 外部載荷會引起內(nèi) 力和反作用力 使得物體進(jìn)入平衡狀態(tài) 線性分析有兩個假設(shè) 1 靜態(tài)假設(shè) 所有載荷被緩慢且逐漸應(yīng)用 直到它們達(dá)到其完全量值 在達(dá)到完全量值后 載荷保持不變 不隨時間變化 2 線性假設(shè) 載荷和所引起的反應(yīng)力之間的關(guān)系是線性的 例如 如果 將載荷加倍 模型的反應(yīng) 位移 應(yīng)變及應(yīng)力 也將加倍 Simulation 模塊的有限元分析過程中主要包含以下三個步驟 1 有限元模型的創(chuàng)建 1 打開幾何模型 2 定義材料的屬性 3 劃分網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)或單元 2 施加載荷并運(yùn)行求解 1 施加載荷及載荷選項 設(shè)定約束條件 2 運(yùn)行求解 3 查看結(jié)果生成報告 1 查看分析結(jié)果 2 檢驗結(jié)果 分析是否正確 6 2 機(jī)械臂零部件的有限元分析 6 2 1 有限元分析過程 根據(jù)最初選擇的數(shù)據(jù)對機(jī)械臂進(jìn)行詳細(xì)校核 可以初步設(shè)計出機(jī)械臂的三 維模型 然后進(jìn)行 SolidWorks 的有限元分析 主要步驟如下 1 先對模型 零件的屬性進(jìn)行設(shè)置 包括材料 載荷的大小以及結(jié)果的單位體系等的設(shè)置 2 材料的選擇 從材料庫中的材料中選取 如果材料庫中沒有 可以添加自 定義的材料并選取 3 約束條件的設(shè)置 選擇面 零件的固定位置 可以選擇 一組約束也可以選擇幾組約束 4 設(shè)置載荷 指定產(chǎn)生零件應(yīng)力或?qū)е铝慵?變形的外部載荷 如力或壓力 5 開始進(jìn)行分析程序 可以設(shè)置零件網(wǎng)格的 劃分程度 網(wǎng)格劃分越細(xì) 計算結(jié)果也就越精確 也可以根據(jù)計算機(jī)推薦的網(wǎng) 格進(jìn)行劃分 6 查看并分析結(jié)果 在分析完成后 我們可以得出相應(yīng)的應(yīng)變 形狀分布圖 應(yīng)力分布圖和位移分布圖 然后生成分析結(jié)果報告 這樣就可以 對已經(jīng)設(shè)計出來的方案進(jìn)行分析和改進(jìn) 從而大大簡化了設(shè)計過程中繁雜的計 算量 提高了設(shè)計效率 受力分析圖可以顯示出零件的屈服應(yīng)力 并用不同的顏色表示應(yīng)力和變形 程度的不同 用藍(lán)色表示應(yīng)力和變形程度小的 用紅色表示應(yīng)力和變形程度大 的 所以 設(shè)計者很容易找出零件的薄弱環(huán)節(jié) 對自己的設(shè)計進(jìn)行修改 下面 對主臂及副臂總成這兩個受力零件進(jìn)行有限元分析 6 2 2 主臂的有限元分析結(jié)果 機(jī)械臂采用 16Mn 鋼板焊接而成 這里將機(jī)械臂所有部件處理成實體 忽 略焊接殘余應(yīng)力 依據(jù)機(jī)械臂作業(yè)工況的多樣性 分別對主臂和副臂建立有限 元模型和應(yīng)力應(yīng)變分析 圖 6 1 機(jī)械臂主臂優(yōu)化前的三維模型 此時主臂的基本特性參數(shù)為 質(zhì)量 1038 78 kg 體積 0 132 m3 密度 7850kg m3 重量 10180 1 N 由于主臂是大體積的多面的固體 故采用固體網(wǎng)格對它進(jìn)行劃分 利用 Simulation 網(wǎng)格劃分的自適應(yīng)性來修正網(wǎng)格的誤差 避免了繁瑣的有限元計算 表 6 1 主臂有限元模型的分網(wǎng)參數(shù) 網(wǎng)格信息細(xì)節(jié) 屬性 網(wǎng)格類型 實體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器 基于曲率的網(wǎng)格 雅可比點(diǎn) 4 點(diǎn) 最大單元大小 56 2262 mm 最小單元大小 11 2452 mm 網(wǎng)格品質(zhì) 高 節(jié)點(diǎn)總數(shù) 25645 單元總數(shù) 12819 最大高寬比例 81306 單元 其高寬比例 10 0 842 最終得到主臂網(wǎng)格化后的有限元模型如圖 6 2 所示 圖 6 2 主臂有限元模型 考慮到主臂一端是連接在旋轉(zhuǎn)基座上的 為保證模型在進(jìn)行應(yīng)力作用時有 足夠的約束保持穩(wěn)定 故將這部分假設(shè)為固定 作參考面約束 另一端是連接 在副臂上的 在工作時這一端是受到來自副臂 伸縮臂 集材機(jī)液壓抓具和活 立木的力矩作用 故在這端沿著主臂基準(zhǔn)面法向施加一個力 力的大小為 26744 6 N 此為參照國產(chǎn) BY 型液壓抓具和副臂總成的重量和所得 對主臂 進(jìn)行有限元仿真計算 其中 求解器的類型按照 SolidWorks 的默認(rèn)設(shè)置 仿真 后得到的主臂的應(yīng)力分析圖如圖 6 3 所示 應(yīng)變分析圖如圖 6 4 所示 位移分 析圖如圖 6 5 所示 圖 6 3 主臂應(yīng)力圖解 根據(jù)應(yīng)力結(jié)果圖可以看到 主臂的應(yīng)力值為 1 0 103 5 998 10 8Pa 其中 主臂與副臂的連接處應(yīng)力較小 主臂與旋轉(zhuǎn)基座接觸處的應(yīng)力較大 最大達(dá)到 5 998 108Pa 可見在這兩段主臂的受力最為明顯 圖 6 4 主臂應(yīng)變分析圖解 通過應(yīng)變結(jié)果圖結(jié)果可知 應(yīng)變最小為 4 193e 009 最大處在主臂與旋轉(zhuǎn) 基座連接處 應(yīng)變最大達(dá) 8 386e 004 圖 6 5 主臂位移分析圖解 由位移結(jié)果圖可知 在主臂與副臂的連接處位移較為明顯 在 1 000e 030 6 609e 000mm 之間 相對于主臂的尺寸是非常微小的 6 2 3 副臂的有限元分析結(jié)果 機(jī)械臂副臂采用與主臂相同的的分析方法 在這里只介紹其分析結(jié)果 其 中副臂選用的材料與主臂選用的材料相同 基本參數(shù)為 質(zhì)量 976 926kg 體積 0 124m3 密度 7850kg m3 重量 9573 61N 副臂總成的應(yīng)力分析結(jié)果圖如圖 6 6 所示 圖 6 6 副臂總成應(yīng)力分析圖解 副臂總成應(yīng)力分析結(jié)果 通過分析圖解可知 證實了在兩級副臂連接處所 受應(yīng)力最大的情況 此處的應(yīng)變也是最大的 最大處為 0 00118 最小處為 1 07e 011 再結(jié)合主臂的分析結(jié)果可以肯定 應(yīng)力與應(yīng)變的作用效果點(diǎn)是相同 的 兩者在同一點(diǎn)處反映效果也相同 因此在設(shè)計時采用的措施也相同 彼此 之間是相互證明的關(guān)系 6 2 4 主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 根據(jù)以上分析結(jié)果可知 主臂的受力變化主要集中在兩端連接處 特別是 主臂與旋轉(zhuǎn)基座的連接處 主臂中間部位變化較小 考慮到這一情況 提出如 下優(yōu)化建議 1 減薄主臂的中間部分 以減輕主臂的重量 2 加厚主臂的兩端 提高其承載能力 優(yōu)化設(shè)計后的效果如圖 6 7 所示 圖 6 7 主臂優(yōu)化設(shè)計效果 優(yōu)化后主臂的基本特征參數(shù)為 質(zhì)量 926 53kg 體積 0 119m3 可見 基 本參數(shù)都發(fā)生了較明顯的變化 尤其是重量減輕了 112 25kg 體積減少了 0 013m3 根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計重新進(jìn)行分析 結(jié)果如圖 6 8 所示 圖 6 8 優(yōu)化后的主臂有限元模型 優(yōu)化后應(yīng)力 應(yīng)變 位移分析結(jié)果分別如圖 6 9 6 10 6 11 所示 圖 6 9 主臂優(yōu)化后應(yīng)力分析圖解 圖 6 10 主臂優(yōu)化后應(yīng)變分析圖解 圖 6 11 主臂優(yōu)化后位移分析圖解 根據(jù)結(jié)果可看到 主臂受到的應(yīng)力為 1 0 103 3 08 10 8Pa 其中主臂與 副臂的連接處應(yīng)力較小 主臂與旋轉(zhuǎn)基座接觸處的應(yīng)力較大 可見優(yōu)化后 主 臂與副臂連接處的應(yīng)力有了明顯的減小 證實了優(yōu)化的合理效果 位移分析效果顯示位移較明顯的主臂與副臂連接處的位移為 6 659e 000mm 稍微增大一點(diǎn) 但參照尺寸基本符合實際應(yīng)用要求 應(yīng)變分析結(jié)果顯示主臂后端的應(yīng)變?yōu)?2 341e 009 1 024e 003 較優(yōu)化前變 化明顯 6 2 5 副臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 利用以上分析結(jié)果對副臂采取了如下優(yōu)化措施 1 對副臂后部分根據(jù)應(yīng)力分布和應(yīng)變分布分析結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)減薄設(shè)計 處理 2 對承載要求高的地方采用加固處理 優(yōu)化設(shè)計后的效果如圖 6 12 所示 圖 6 12 副臂優(yōu)化設(shè)計效果 優(yōu)化后的副臂基本特征參數(shù)為 質(zhì)量 943 33kg 體積 0 119m3 質(zhì)量減少 了 33 596kg 體積減少了 0 005m3 可見在基本特征參數(shù)上優(yōu)化效果比較明顯 起到了減輕質(zhì)量 節(jié)省材料的作用 根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計重新進(jìn)行分析 結(jié)果如 圖 6 13 所示 圖 6 13 優(yōu)化后的副臂有限元模型 優(yōu)化后應(yīng)變 位移 應(yīng)力分析結(jié)果分別如圖 6 14 6 15 6 16 所示 圖 6 14 副臂優(yōu)化后應(yīng)變分析圖解 圖 6 15 副臂優(yōu)化后位移分析圖 解 圖 6 16 副臂優(yōu)化后應(yīng)力分析圖解 根據(jù)分析結(jié)果可以看到 副臂受到的應(yīng)力 應(yīng)變以及位移較優(yōu)化前都有很 好的改善 基本達(dá)到了設(shè)計的理論要求 以上分析結(jié)果表明 經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后 機(jī)械臂的質(zhì)量 體積都發(fā)生了較明 顯的變化 有利于整個裝置功率的合理設(shè)置 節(jié)省材料 提高作業(yè)裝置 液壓 抓具 的承載力 通過計算機(jī)虛擬設(shè)計和對機(jī)械臂進(jìn)行的有限元分析 直觀的 驗證了利用公開資料進(jìn)行虛擬設(shè)計的結(jié)構(gòu)特性和結(jié)果 再現(xiàn)了在虛擬狀態(tài)下機(jī) 械臂模型受力后的應(yīng)力 應(yīng)變 位移分布情況 同時結(jié)合實際的作業(yè)要求 對 部分設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化 以提高實際樣機(jī)的可生產(chǎn)性 也為進(jìn)行物理樣機(jī)的試制 提供試驗依據(jù) 顯著地縮短了研發(fā)周期 降低了設(shè)計與制造的成本 為今后同 類型的林業(yè)機(jī)械設(shè)計提供了一種便捷 可靠的設(shè)計方法 對其他相似的工程機(jī) 械設(shè)計也具有一定的參考意義 結(jié) 論 本文根據(jù)選定的參數(shù)對集材機(jī)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了設(shè)計 本課題對計財 經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用 集材機(jī)的研究現(xiàn)狀以及研究意義進(jìn)行了深入的調(diào)研 對集材機(jī)機(jī) 械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及驅(qū)動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)設(shè)計等幾個方面進(jìn)行了比較全面和系 統(tǒng)的分析與設(shè)計 針對集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計合理性 本文應(yīng)用 SolidWorks 軟件 對主要零部件進(jìn)行三維實體造型 虛擬裝配以及受力分析 以此達(dá)到優(yōu)化設(shè)計 的目的 利用 SolidWorks 軟件中的 Simulation 模塊對主要零部件進(jìn)行有限元分析 得到各零部件最大變形量值 最大應(yīng)力值以及最大變形和最大應(yīng)力產(chǎn)生的部位 分析其中原因的基礎(chǔ)上 給出優(yōu)化設(shè)計的方案 本課題雖然在結(jié)構(gòu)分析的有限元法處理過程中進(jìn)行了較為精確的有限元模 型處理 基本上做到了滿足計算結(jié)果的要求 但只是基于 SolidWorks 軟件中的 Simulation 模塊進(jìn)行的線性靜態(tài)分析 還可以在選擇非線性接觸 合理處理網(wǎng) 格數(shù)量等方面做進(jìn)一步的全面分析和研究 機(jī)械臂末端軌跡的規(guī)劃是很重要的一個方面 即在機(jī)械臂的運(yùn)動過程中 規(guī)劃其位移 速度 加速度 本文在這一方面未作相應(yīng)研究 后續(xù)可以對機(jī)械 臂運(yùn)動的復(fù)雜程度和應(yīng)用廣泛性以及末端的規(guī)矩規(guī)劃問題進(jìn)行深入研究探討 致 謝 通過這三個月來的忙碌和學(xué)習(xí) 本次畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲 本課題是在導(dǎo) 師魏占國老師的精心指導(dǎo)下完成的 從一開始拿到課題的一無所知 到完成此 次畢業(yè)設(shè)計 期間的幾個月 從對于集材機(jī)的一無所知 到現(xiàn)在的設(shè)計完成 我無數(shù)次茫然 無措 根本不知道從哪里下手 不知道如何完成此次的畢業(yè)設(shè) 計 慶幸的是有老師和同學(xué)的鼓舞和幫助 我慢慢的知道了如何去面對它 了 解它 分析和設(shè)計它 老師的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和科學(xué)研究的精神是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣 并將積極 影響我今后的學(xué)習(xí)和工作 從選擇課題到論文結(jié)束的過程中 老師給予了我許 多的幫助和教誨 設(shè)計中遇到的難題在老師的講解和分析下也得到了解決 在 這里我向給予我無私幫助和耐心指導(dǎo)的魏占國老師表示最由衷的感謝和最崇高 的敬意 同時感謝我學(xué)習(xí)了四年 生活了四年的母校 感謝大學(xué)四年里傳授我專業(yè) 知識的所有老師 謝謝他們嘔心瀝血的教導(dǎo) 還要感謝 10 級森林工程一班的所 有同學(xué) 謝謝他們給了我無數(shù)的關(guān)心和鼓勵 也讓我的大學(xué)生活充滿了溫暖和 歡樂 最后 感謝我的父母 謝謝他們給了我無私的愛 為我求學(xué)所付出的巨 大犧牲和努力 參 考 文 獻(xiàn) 1 國家林業(yè)局 第七次全國森林資源清查結(jié)果 EB OL 中國網(wǎng)第七次全國森 林資源清查 2009 11 19 2 雷錫祿 中國速生豐產(chǎn)林建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略與對策 M 北京 中國林業(yè)出版社 1992 3 賈銘鈕 北美及北歐森林采運(yùn)發(fā)展?fàn)顩r J 森林工程 1990 14 03 58 63 4 劉晉浩 王丹 談國內(nèi)外人工林撫育機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 S 森林工程 2006 22 3 12 14 5 劉琴 中國林機(jī)發(fā)展 路在何方 EB OL 中國林業(yè)新聞網(wǎng)中國林機(jī)發(fā)展 路 在何方 2010 01 14 6 吳德山 發(fā)達(dá)國家林業(yè)機(jī)械化的某些趨向 J 世界林業(yè)研究 1989 2 63 68 7 宋景祿 芬蘭 Loglift 公司的木材液壓起重臂 J 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 1990 05 49 50 8 王乃康 現(xiàn)代園林機(jī)械 M 北京 中國林業(yè)出版社 2001 l 17 9 湯茂旭 劉木南 輪式起重機(jī)起重臂的發(fā)展歷程 J 建筑機(jī)械化 2007 2 29 32 10 王忠 瑞典木材裝卸液壓起重臂簡介 J 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 1976 03 09 31 37 11 金文勝 楊臣 劉寶山 液壓技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)機(jī)械上應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車 1999 4 14 15 12 王洪倫 龔烈航 肖斌安 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程機(jī)械仿真分析與應(yīng)用研 究 J 機(jī)床與液壓 2008 36 07 140 142 13 成大先 機(jī)械設(shè)計手冊 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2004 14 孫毅 程靳 理論力學(xué) M 北京 高等教育出版社 2009 15 劉鴻文 材料力學(xué) M 北京 高等教育出版社 2011 16 賈耀清 金屬材料手冊 M 北京 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 2007 17 Aed Ortiz D M E D Olsen andL D Kellogg 1997 Simulation a harvester forwarder softwood thinning A software evaluation Forestprod J 47 5 36 41 18 Eliasson L 1999 Simulation of thinning with a single grip harvester For Sci 45 l 26 34 19 蔡慧林 戴建強(qiáng) 基于 SolidWorks 的應(yīng)力分析和運(yùn)動仿真的研究 J 機(jī)械 設(shè)計與制造 2008 1 20 胡萬義 葛安話 液壓木材抓具評價指標(biāo)的研究 J 機(jī)械工程師 2005 12 21 趙洛育 SolidWorks2012 中文版從入門到精通 M 北京 清華大學(xué)出版社 2012 22 尹成龍 基于 SolidWorks 的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計及工作裝置運(yùn)動仿真 J 機(jī) 械制造 2009 4 23 美 SolidWorks 公司 M SolidWorks Simulation 基礎(chǔ)教程 機(jī)械工 業(yè)出版社 2009 6 24 孫旭 基于 SolidWorks 的自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計 J 南通航運(yùn)職 業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2009 6 25 郎峰 張振勇 SolidWorks Simulation 高級教程 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版 社 2012 26 劉義 許志沛 機(jī)械設(shè)計中基于有限元方法的模態(tài)分析 J 機(jī)械 2003 96 98