椰子采摘機的設(shè)計

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1、椰子采摘機的設(shè)計 海南大學 畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目： 椰了采摘機的設(shè)計 學 號： 20150581310095 姓 名： 李浩文 年 級： 2015級 學 院： 機電工程學院 系 另U ： 機械系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師： 朱冬云 完成日期：2015年5月10日 對于本次要設(shè)計的椰子采摘機械手來說，前面對他的組成自由度以及結(jié)構(gòu)有了一 個整體的規(guī)劃。那么在本小章節(jié)我們要先對組成這個機械手的第一個自由度也就是底座 的組成。地做結(jié)構(gòu)使我們這個機械手的第一個自由度，同時也是我們這個機械手的載體 組成。因為對于一個機械手來說，其所有的重量

2、以及運轉(zhuǎn)的部件都是以此當做基礎(chǔ)的。 所以這樣的要求對底座就需要具有強度和足夠的剛度支撐。在前面的原理圖中，我們已 經(jīng)確定了此第一個自由度具有360°的回轉(zhuǎn)能力?？紤]到這點我們將第一個自由度定為 蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)。之所以選擇渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)是因為其具有如下特性： 1：作為機械手的底座結(jié)構(gòu)不應(yīng)該具有急回特性，而蝸輪蝸桿就不具有急回特性； 2：蝸輪蝸桿具有轉(zhuǎn)矩大、承受負載高的特性； 3：輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大幅度衰減的問題； 4：蝸輪蝸桿制造難度低，制造成本合理； 針對以上，底座結(jié)構(gòu)選用的就是蝸輪蝸桿機構(gòu)。從下圖3-2我們可以看出，在結(jié)構(gòu) 上渦輪是通過鍵與渦輪軸進行連接的。當電機進行運轉(zhuǎn)

3、時，蝸桿將動力傳遞給渦輪，渦 輪在通過鍵將動力傳遞給渦輪軸。這樣電機的動力就能就能轉(zhuǎn)化為渦輪軸的動能。而渦 輪軸的的旋轉(zhuǎn)也就是我們底座可以旋轉(zhuǎn)的自由度組成。渦輪的下方設(shè)計有卡簧，其目的 是對渦輪進行一個支撐。 依據(jù)椰子采摘要求，初步設(shè)定如下參數(shù)：底座總高：237mm,動力源為渦輪蝸桿， 旋轉(zhuǎn)范圍達到360度，此處選擇的電機為步進電機，其功率為7. 5KW,聯(lián)軸器的效率為 0. 9.故輸出功率： P輸出=P額定 x 0.9 = 7.5 x 0.9 = 6.75KW 額定功率為7. 5KW,查表得電機型號：Y132M2-6, n=800r/mino所以其轉(zhuǎn)矩為： 7； =9550

4、x 金^ = 9550x 竺= 80.5N?m 此處取 7； =80N?m 7 n 800 7 底座結(jié)構(gòu)圖如下: 圖3-2底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 底座 主軸 3. 3. 2腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 在本小節(jié)中需要完成的設(shè)計就是構(gòu)成此機械手的中間轉(zhuǎn)接體的腰部結(jié)構(gòu)。對于腰部 結(jié)構(gòu)在空間組成上，其定義就是為了轉(zhuǎn)接底座主軸與大臂等機構(gòu)。作為一個連接體，由 于要跟底座主軸進行一個連接，所以在結(jié)構(gòu)上將其設(shè)計成圓柱形狀，連接的方式采用螺 釘螺母進行連接，即底座主軸的動力是通過螺釘傳遞給腰部結(jié)構(gòu)的。其次，既然腰部結(jié) 構(gòu)還要跟大臂等結(jié)構(gòu)連接，那么我們在設(shè)計上考慮的是將其腰部結(jié)構(gòu)的側(cè)面也開幾個螺 紋孔

5、，其目的一方面是為了連接大臂結(jié)構(gòu)，另一方面是為了連接大臂結(jié)構(gòu)的電機。為了 能讓大臂進行一個運轉(zhuǎn)，電動機需要一個載體和大臂進行連接，這個載體選定為大臂軸 來進行連接。動力上的傳輸原理如下：電動機將動力通過鍵傳遞給大臂軸，大臂軸又是 和大臂通過連接螺釘進行固定的，這樣就能將電動機的動力傳遞給大臂。針對這些，設(shè) 計出如下示意圖： 圖3-4腰部結(jié)構(gòu)示意圖 完成了機械手的底座和腰部結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，下面需要設(shè)計的一個機構(gòu)就是剛才上 面提到的和腰部機構(gòu)進行連接的大臂機構(gòu)。大臂機構(gòu)從結(jié)構(gòu)上來說應(yīng)該是簡單的，而且 其連接形式也比較明確，就是下面連接腰部結(jié)構(gòu)、上面連接凸臺結(jié)構(gòu)。

6、因此對于這個大 臂結(jié)構(gòu)來說我們需要考慮的內(nèi)容就是如何完成這兩個位置處的定位問題。對于與腰部結(jié) 構(gòu)的定位，前面已經(jīng)確定了，就是通過連接螺釘與大臂軸進行連接，這是周向定位，而 對于軸向定位就采用鍵進行連接。同理對于與上面的凸臺機構(gòu)連接也是一樣的道理。我 們也是考慮了兩個方向上的定位，軸向和周向。設(shè)計的大臂的結(jié)構(gòu)形式如下圖3-5所示。 依據(jù)大臂在工作中的運動性質(zhì)及底座蝸輪蝸桿的電機選型，本次大臂中電機型號選 用：Y132S-4 P額定?, n=1440r/min； 〃 = 0.9,故其轉(zhuǎn)矩： 5 5x0 9 T, = 9550x = 32.8N ? m v 80N ? m ' 14

7、40 大臂處的電機選擇符合設(shè)計要求。 大臂的長度最大值為：1000-237=76300,取565mmo 大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-5所示： 圖3-5機械手大臂結(jié)構(gòu)示意圖 3. 3.4連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計 底座與腰部體的連接組成其第一個自由度，大臂機構(gòu)組成其第二個自由度，而第三 個自由度我們將其設(shè)計成連桿結(jié)構(gòu)。由于大臂機構(gòu)的長度已定，而為了連接的方便連桿 結(jié)構(gòu)也要與大臂的端部連接件凸臺進行相同的連接，所以我們將此連桿拆分成三個進行 說明：電動機帶動驅(qū)動連桿1,通過中間連桿2將動力傳遞給連桿3,而連桿3也就是 執(zhí)行連桿，會將連桿2所傳遞過來的動力傳遞給與大臂相連的凸臺機構(gòu)。根據(jù)以上思

8、路設(shè)計的連桿具體示意圖參見下圖3-6所示。根據(jù)上述幾點設(shè)計思路，對整個連桿機構(gòu) 有了初步的設(shè)計方案，具體的參數(shù)計算如下： 初步選擇此處電機型號為Y132S1-2 =5.5KW n=2900r/min 〃 = 0.98,計 算得其轉(zhuǎn)矩為： 5 5x0 98 T4 = 9550 x-———=17.7N ? m < 80N 符合要求 2900 電機的選型完成后，開始設(shè)計大連桿的各項參數(shù)要求，從長度設(shè)計開始，大連桿的 長度應(yīng)滿足以下要求：LK763mm, L2<763mm, Ll+L2>565mm, L3的長度選擇無具體數(shù)據(jù)要 求，只需滿足大臂與連桿連接的配合要求即可。 取Ll=

9、290mm, L2=315mm。為了滿足其剛度和硬度要求L1的厚度取13mm, L2的厚度 取 20mm。 四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3-6和3-7所示： (a)連桿1 (b)連桿2 圖3-6連桿機構(gòu)設(shè)計 這三個連桿的連接也是通過兩個方向上的定位。一是軸向定位，一是周向定位。 具體的定位方式在前面的大臂機構(gòu)設(shè)計中己經(jīng)提到過了。根據(jù)以上設(shè)計條件，作出如 下結(jié)構(gòu)示意圖： 圖3-7連桿機構(gòu)連接設(shè)計 3. 3.5伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計 第4個自由度即小臂部分，在結(jié)構(gòu)上，我們想將其設(shè)計成可以伸縮的狀態(tài)。那么， 對于這樣的狀態(tài)常常使用的動力驅(qū)動形式有三種。氣壓、液壓和電機。對于

10、氣壓和液壓 來說，其密封性一直懸而未決，所以本次這個小臂結(jié)構(gòu)依然采用電機進行提供動力，其 具體的形式選用齒輪齒條進行伸縮，結(jié)構(gòu)如下圖所示： 其中，齒輪的各項參數(shù)：m=3,齒數(shù)z=20o此處的齒條長度取227mm。 3. 3.6手爪處結(jié)構(gòu)的設(shè)計 通過查閱相關(guān)的資料可以得知對于一個機械手來說，其執(zhí)行部分的爪部結(jié)構(gòu)常常有 三種形式的存在：一種是類似于人手形狀的抓取型的，另一種則是夾持型的，最后一種 則是吸附型的。既然我們的機械手在作用上是用來進行椰子的采摘的，那么，本次設(shè)計 的機械手的手爪部分就采用類似手爪形狀的形式。具體的形狀如下圖3-9所示： 圖3-9手爪設(shè)計圖 從

11、上面這個圖上面，可以清楚的看出，本次設(shè)計的椰子采摘機械手的手爪部分是由 4個類似手指的關(guān)節(jié)件組成。當控制系統(tǒng)下命令對椰子進行采摘時，機械手的其他相關(guān) 結(jié)構(gòu)進行一個自由度的空間位移變換。最后，手爪的松緊決定了椰子的抓取和放松。對 于這個機械手的手爪來說，在結(jié)構(gòu)上需要考慮其是如何進行固定的。參考下圖3-10可 以看出，這個機械手的手爪部分的動力裝置也是由電動機進行提供的。在結(jié)構(gòu)上，電動 機的動力要傳遞到手爪軸上，則是通過鍵連接來傳遞動力。而手爪軸與手爪之間的固定 方式為螺釘固定，這樣一來當電動機運轉(zhuǎn)的時候，就會帶動手爪軸進行轉(zhuǎn)動，手抓軸轉(zhuǎn) 動就會帶動手爪結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，動力的傳動依次遞進

12、到手爪為止。由于如果手爪軸和手爪 結(jié)構(gòu)只是單一的純機械連接的話可能會造成手爪結(jié)構(gòu)在運轉(zhuǎn)的時候阻力較大的情況發(fā) 生。所以，針對這個問題，我們在手爪結(jié)構(gòu)中設(shè)計了軸承來達到運轉(zhuǎn)時候的潤滑作用。 軸 軸承端蓋 圖3T0手爪部分結(jié)構(gòu)示意圖 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4) Tl、T2 蝸桿及渦輪上的公稱轉(zhuǎn)矩; dl、d2 蝸桿及渦輪的分度圓直徑; 3. 4.1圓柱蝸桿傳動的強度校核 1 .蝸桿的受力分析 為了方便計算，將蝸輪蝸桿嚙合過程中摩擦力的影響忽略不計，其他參數(shù)參照以下 公式進行計算： Frl = Fr2 = Ft2

13、tana Fn = cosaH cos y cosan cos y d2 cosaH cos/ 式中: Y——蝸桿分度圓柱導程角，此處/=4° 34, 26” 圖 3-12 (b) 圖 3-12 (a) 圖3.12蝸輪蝸桿傳動受力分析示意圖 di 2.蝸輪齒面接觸疲勞強度校核： (3-5) 查表得知=2. 6o 根據(jù)設(shè)計的要求：Tt=8X104N - mm, T2=5X 104N ? mm,滑動速度0. 3m/s。蝸輪材料 選灰鑄鋼 HT200,則Zf = 188.0, [aH] = }S2MPa o K二KAKBKv。取 KA= 1,

14、 KP=1, Kv=1. 1。 則K=1X1X1. 1=1. lo將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-5得: ，Llx5xl()4 V 10? x 2.6 xl 88MPa < [aH ] = 182MPa 綜上所述，蝸輪符合齒面接觸疲勞強度的要求。 3.蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核 KF[2 y y y y — 2KT? y y yy ~b^ Fa2 Sa2 5 * 7 "一 么勺舊 E S〃2 e b (3-7) (3-7) (3-8) 6AMPa<4QMPa (3-9) 式中: 蝸輪輪齒弧長，其中。為蝸輪齒寬角； B一法向模數(shù)，%"cosy ; 齒根應(yīng)力校

15、正系數(shù); 彎曲疲勞強度的重合度系數(shù)，取y =0. 667； %一螺旋角影響系數(shù)’一洽 將以上參數(shù)代入式（3-6）得 djd^cosg 式中: 蝸輪齒形系數(shù)，可由表查得YFa2 = 2.48 (yF =40MPa; y 4°36l26n Yn =1 = 1 = 0.902 p 120° 120° 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3-7)中得： 強度和齒根彎曲疲勞強度校核以外還要進行蝸桿的剛度校核。計算過程中，為了方便計 算，將蝸桿的螺旋部分忽略不計，當做圓柱形的軸段來計算，計算公式如下所示： (3-10) 式中: 匕——這個字母在這個計算公式中代表的意義是：蝸桿所受的圓周力由

16、公式（3-2） 己經(jīng)推出； Frl——這個字母在這個計算公式中代表的意義是：蝸桿所受的徑向力由公式（3-3） 已經(jīng)推出； E——這個字母在這個計算公式中代表的意義是：蝸桿材料的彈性模量； I ——這個字母在這個計算公式中代表的意義是：蝸桿危險截面的慣性矩， 1 4 I = h ，其中df]為蝸桿齒根圓直徑； 64 L——這個字母在這個計算公式中代表的意義是：蝸桿兩端支承間的跨距， L=166mni； [y]——這個字母在這個計算公式中代表的意義是：許用最大撓度, 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（3-8）得: (2x8x104)2 | (2x5X 1()4 tan20。)2 1

17、60^ m c in5 "50-2.4）4 48 x 2 x 10、x —— - 64 所以通過校核該蝸桿符合剛度的要求。 (7 btyKi: (4-1) 50 160 x166 4. 2小臂處齒輪的校核 我們此處說的齒輪就是指前面所確定的齒輪校核。在前面的設(shè)計過程中，我們已 經(jīng)對這個齒輪進行了一個參數(shù)確定m=3, Z=20. 齒輪彎曲強度校核（直齒輪） /wti = 0.0062 V[y] = 0.02mm 式中: —圓周力：Fj = -j- d 一計算載荷 —節(jié)圓直徑：4 =皂京，其中m〃為齒輪的法向模數(shù); cos 0 斜齒輪螺旋角;

18、Kg 一應(yīng)力集中系數(shù)，查表，取火“二1.50； b —齒面寬； t —法向齒距 :t — 7un〃 ； y 一齒形系數(shù)，可按當量齒數(shù)z〃=Y一在齒形系數(shù)圖4.1中查得; " cos3P K8 一重合度影響系數(shù)，查表，取：K廣2.0。 圖3-13齒形系數(shù)圖 將上述有關(guān)參數(shù)據(jù)代入公式（4-1）,整理得到 (4-2) 2T&os&o “ 7uzmn3yKcK￡ 齒輪校核——主動齒輪: 已知：7^ =35.02xl03N>mm；月= 0°； Ka = 1.5 ； = 3mm ； Kc = 7.0； = -0.016 : 摘 要 由于椰子的摘取工藝過于復雜，

19、椰子的采摘在一定程度上也對其銷量產(chǎn)生負面影 響，針對此問題，所以本次畢業(yè)設(shè)計主要是通過機械臂與機械手的方式完成椰子采摘機 的設(shè)計，減少椰子采摘過程中的勞動力損耗。在整篇設(shè)計中，首先對椰子采摘機械手這 個概念進行了敘述，確定了組成此椰子采摘機械手的自由度數(shù)為5個；其次是對整個椰 子自動采摘機的整體結(jié)構(gòu)進行大致設(shè)計，接著是機械手、底座等部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計一一完 成屬于此機械手的各個自由度的介紹，各動力元器件的選型與計算。在上述幾項設(shè)計完 成了之后，再運用大學四年專業(yè)課上老師教授的機械類知識對這些結(jié)構(gòu)進行驗證與校核 的計算，最后再使用CAD軟件對整個椰子采摘機進行整機、局部、零件等的圖紙繪

20、制處 理，通過這一連串的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及參數(shù)計算過程，達到課題設(shè)計的最終目的。 關(guān)鍵詞：機械手；步進電機；CAD；自由度 K￡ = 2.0； z〃=^^ = y_ = 20,查齒形系數(shù)圖3-13得：y二0.125,把以上數(shù)據(jù)代 cos (3 cos~ 0° 入(4-2)式，得: 2Tcos/3oa 2x35.02xl03xcos0°xl.5 … = —= =35.4 lA/Pa 7iz,m 3yK 3.14x 20x33 x0.125x2x7 實際的齒輪彎曲強度大小為300Mpa,所以此齒輪校核合格。 3. 5本章小結(jié) 在本章中，我們重點對這個椰子采摘機械手的結(jié)構(gòu)

21、進行了一個設(shè)計。在設(shè)計的過程 中重點介紹了各個自由度是如何才能達到要求的。以及這個機械手在空間結(jié)構(gòu)上是如何 能進行運轉(zhuǎn)的。這些設(shè)計的完成標志著此椰子采摘機械手的結(jié)構(gòu)上的完結(jié)。但是光有機 構(gòu)的設(shè)計還是不夠，在最后一些小章節(jié)我們又對一些關(guān)鍵部件如：蝸輪蝸桿、齒輪進行 了一個強度校核。這些校核的目的是為了從側(cè)面反映出設(shè)計的合理性。 4底座設(shè)計與選型 4.1引言 本章主要對安置椰子采摘機械手的底盤小車進行設(shè)計，但由于底部小車不是整個采 摘機械的主體部分，所以在此只進行簡要敘述。 4. 2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 4. 2. 1采摘工作運動環(huán)境 本次設(shè)計的椰子采摘機主要會投放導種植椰子樹的果園

22、之中，眾所周知，果園的種 植地路面非平坦的水泥或者柏油馬路，因此小車的運動環(huán)境也非平路，主要包括濕滑的 泥濘路面、坑洼路段、斜度較小的上坡及下坡路段。 4. 2. 2行走J !帶設(shè)計 由小車的運行環(huán)境可知，在椰子采摘工作中小車的車輪設(shè)計不能是如普通推車那樣 同一水平面的4個輪子來解決，它不僅僅是能運動就行，還要應(yīng)對果園中可能出現(xiàn)的各 種路面情況，因此，在本次設(shè)計中，將椰子自動采摘機的運動裝置設(shè)計為履帶。具體設(shè) 計形狀簡圖如下如所示: 圖4-1履帶結(jié)構(gòu)示意簡圖 履帶節(jié)距及履帶板寬度計算： 暫定整個采摘機械手的質(zhì)量為50Kg,椰子筐裝滿椰子的總質(zhì)量30Kg,則

23、履帶上方 所承受的總質(zhì)量為80Kg,由此可計算獲得以下參數(shù)計算： 履帶節(jié)距，o=(15?17.5)M = (15?17.5)V§5a(44.85?52.325)mm； W0=50mni 履帶板寬度b： Z? = (0.9 ?1.1)x209 乂拓=(0.9 ?1.1)x209 乂婉 O (810.7 ?990.87)mm;取人= 900mm 本次設(shè)計中，設(shè)定纏繞在驅(qū)動輪上的履帶板數(shù)Z，為12,則驅(qū)動輪的齒數(shù)Z 為：Z = 2Z=24 驅(qū)動輪節(jié)圓直徑：Dk=— =一 ?193.2mm ./18U、 , zloUx sin( ) sin( ) Z， 12 履帶軌距 B： B

24、 = (3.5 ?4.5)8 = (3.5 ?4.5)x900 = 3150 ?4050;取B = 3500mm 總結(jié)：綜上所述履帶的節(jié)圓直徑為193. 2mm,履帶節(jié)距50mm,履帶板寬度900mm, 履帶軌距為3500mm,由于工作路面主要為泥濘路面，因此履帶材料選擇橡膠履帶。基于 以上參數(shù)，參考鉆機底盤，選用七輪短支腿履帶行走平臺。 4. 2.3支撐座設(shè)計 要使整個椰子采摘機械能夠移動，同時也保證手爪的高度能足夠夠到椰子樹頂端， 必須要設(shè)計一個能將機械手與運動車輪相連接的機構(gòu)，因此，在設(shè)計中，增加了機械手 與車輪相連接的支撐座。除此之外，采摘下的椰子需要運送到倉庫，而這個搬

25、運工作不 解決就必須增加人力搬運。為了減少搬運椰子的人工消耗，在整個機械中增加一處能安 置采摘下的椰子的地方，使椰子采摘與椰子搬運同時進行。我們將這個椰子安放地選擇 在支撐座上，支撐座安裝機械手的同時，在另一側(cè)設(shè)置一個椰子筐，以便采摘成功的椰 子不至于無處安放，也減少搬運的勞動力。最后，由于要考慮到椰子樹的高度以及底盤 的牢固程度，因此，在加高的同時增加固定條來保證整體穩(wěn)定。具體支撐座設(shè)計圖如下: 椰子框 S G 仞 圖4-3支撐座設(shè)計圖 4. 3本章小結(jié) 在本章節(jié)中，主要對椰子采摘機的底盤及車輪進行了簡要敘述，通過這些整體上的 完善，來達成椰子采摘機在果園的工作環(huán)

26、境要求，確保在椰子采摘過程中整個機械的正 常運動以及采摘工作的安全進行。 5總結(jié) 本次設(shè)計的裝置是椰子采摘機械手，它的主要功能有以下幾個方面：1：能夠?qū)δ繕? 椰子有一個準確的位置定位；2:能夠?qū)⒈蛔ト〉囊訙蚀_的放置到我們指定的管筐中 去。這兩個功能的完成主要的條件就是借助于機械手的多自由度，同時也借助于機械手 的定位精度。 本次主要研究工作可以歸納為以下幾個方面： 1:椰子采摘機械手的工作原理 當我們需要進行椰子的采摘時，首先將機械手裝置通過下面的小車推到指定的椰子 采摘地點。然后，通過開啟各個機械手的電機使機械手能順利進行運轉(zhuǎn)，當機械手的爪 部運轉(zhuǎn)到椰子跟前時，通過自

27、身的定位性能進行一個定位。手部的手爪進行抓取，然后 將采摘下的椰子通過一系列運轉(zhuǎn)放到指定的蘿筐中去。 2:在結(jié)構(gòu)上，此機械手是5個自由度組成的。底部有一個小車進行移動，小車上有 專門放置椰子的框子，設(shè)置小車的目的是可以將機械手推到指定的采摘區(qū)域，減少人工 搬運工作。5個自由度在組成上是一個滑動關(guān)節(jié)加上4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 3:本次設(shè)計主要對機械手的蝸輪蝸桿還有小臂軸進行了設(shè)計和校核。因為對于一個 機械手來說各部件的強度和剛度校核成功與否直接關(guān)系到設(shè)計的合格性以及操作的合 理性。 致謝 轉(zhuǎn)眼間大學四年已經(jīng)快要結(jié)束，畢業(yè)設(shè)計也臨近尾聲，在這個過程中，有過后悔， 也有過慶幸。后悔在大一

28、至大三過程中沒有認真聽好每一堂課，導致畢業(yè)設(shè)計過程中四 處磕絆；慶幸碰到了一個負責任的導師，在別的同學抱怨導師不管他們時，我的導師定 期催促一次進度，有問題時也會耐心解答。 當導師布置課題時，得知我的課題是椰子自動采摘機，第一反應(yīng)是應(yīng)該不難吧，就 摘椰子的。但真正開始做了才發(fā)現(xiàn)我根本無從下手，一次次搜索網(wǎng)絡(luò)圖片，一次次查詢 相似設(shè)計文檔，最終才開始了畢設(shè)的第一步。在設(shè)計過程中，也會遇到很多困難，經(jīng)過 自己的努力，不斷查詢各種資料，也經(jīng)過老師的解答，最終完成了本次畢業(yè)設(shè)計。 最后，也通過本次畢業(yè)設(shè)計，向所有教導過我的老師們說一聲謝謝！感謝你們的教 導，讓我從一個只知語數(shù)外物化生的

29、高中生，蛻變到能獨立完成一份設(shè)計的畢業(yè)生，在 今后的人生旅途中，或許再無相遇的機會，但你們授予我的知識將終生受用。同時，也 感謝在大學四年所有接觸過的同學，感謝你們四年來的陪伴，期間或有爭執(zhí)，但終究和 諧相處過完這最美好的四年。愿大家前程似錦，歸來仁是少年。 參考文獻 [1] 付永領(lǐng)，張桂英，李軍.一種簡化的機械手運動學分析方法及其仿真研究[J].《機床與液壓》， 2004, (11)： 70-76. [2] 周斌，王效岳，張忠奎，顏世周.基于UG和ADAMS的機械手三維實體仿真[J].機械工程與 自動化，2011, 3(166)： 29-31. [3] 臧慶凱.六自由度機械

30、手運動學與運動規(guī)劃研究[D].廣西：廣西工學院，2012. [4] 蔣新松.未來機械手技術(shù)發(fā)展方向的探討[刀.機械手，1996, 18(5)： 286-287. [5] 李澤胤.淺析工業(yè)機械手[J].科學技術(shù)，2013, (3)： 88-90. [6] 郝立偉.在工業(yè)生產(chǎn)中關(guān)于氣動機械手的設(shè)計[J].民營科技，2013, (8)： 34. [7] 劉宏偉.基于ADAMS的五自由度機械手運動學仿真[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008, 6(21)： 42-44. [8] 廖紅玲.多自由度機械手在裝配生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新應(yīng)用，2013, (20)： 59-60. [9] 水

31、果采摘裝置的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，張莎馮聰利趙培陜西能源職業(yè)技術(shù)學院機電與信息工程學 院.2019 [10] WANG Xuan-yin, DING Yuan-Ming. Method for Work space Calculation of 6RSerial Manipulator Based on Surface Enveloping and Overlaying[J] . Washingtonian University and Ringer-Verb Berlin Heidelberg, 2010, 15 (5): 556-562. [11] 陳佩云，金茂菁.我國工業(yè)機械手發(fā)展現(xiàn)

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33、. 2018. 12. Abstract Because the picking process of pineapple is too complex, the picking of pineapple has a negative impact on its sales to a certain extent. In view of this problem, this graduation project is mainly to complete the design of pineapple picking manipulator to reduce the labor l

34、oss in the process of pineapple picking. In the whole design, firstly, the concept of pineapple picking manipulator is described, and the degree of freedom of the pineapple picking manipulator is determined to be 5. Secondly, the overall structure of the whole pineapple picking machine is roughly

35、 designed, followed by the structural design of the manipulator, the base and other parts - the introduction of each degree of freedom belonging to the manipulator and the power elements are completed. Selection and calculation of components. After these designs have been completed, these struct

36、ures are verified and checked by using the mechanical knowledge taught by the teachers in the four-year professional course. Finally, the whole pineapple harvester is drawn and processed by CAD software. Through this series of structural design and parameter calculation process, the ultimate goa

37、l of the project design is achieved. Keywords: Manipulator;Stepper Motor;CAD;Degree of Freedom 1緒論 5 1.1課題研究目的及意義 5 1.1.1課題研究目的 5 1. 1.2課題研究意義 5 1.2機械手國內(nèi)發(fā)展形勢 5 1.3工業(yè)機械手應(yīng)用于椰子采摘 5 1. 4本章4、侖吉 6 2總體方案的確定 7 2. 1引言 7 2. 1. 1椰子采摘機械手工作環(huán)境 7 2. 1. 2原始參數(shù)確定 7 2.2椰子采摘機械手的總體構(gòu)成 7 2. 2. 1機械手的本體組成 7

38、2.3本章小結(jié) 8 3椰子采摘機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3. 1引言 9 3. 2椰子采摘機械手總體外形設(shè)計 9 3. 3椰子采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3. 3.2腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3. 3.3大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3. 3.4連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 3. 3. 5伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 3. 3.6手爪處結(jié)構(gòu)的設(shè)計 14 3.4關(guān)鍵零件強度校核 15 3.4. 1圓柱蝸桿傳動的強度校核 16 3.4. 2小臂處齒輪的校核 18 3. 5本章小結(jié) 20 4底座設(shè)計與選型 21 4. 1引言 21 4.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 4. 2. 1采摘工作運動環(huán)境 21 4. 2

39、.2行走履帶設(shè)計 21 4. 2. 3支撐座設(shè)計 22 4. 3本章小結(jié) 22 5總結(jié) 24 致謝 25 參考文獻 26 1緒論 1.1課題研究目的及意義 1.1.1課題研究目的 隨著水果市場的日益壯大，針對市場上現(xiàn)在的椰子采摘效率低下，人工采摘及搬運 成本高，自動化程度較低的實際情況考慮出發(fā)，利用大學所學的知識以及導師的相關(guān)幫 助設(shè)計出一種操作簡便，制造成本合理，能大規(guī)模投入到椰子采摘工作中去的采摘機械 手。 1. 1. 2課題研究意義 本課題主要希望能通過對椰子采摘機械手的設(shè)計，來提升水果采摘的自動化程度， 給廣大果農(nóng)帶來便利。與此同時也通過本次課題的研究來完

40、善自己對機械手的認知、提 升自己綜合運用知識以及處理問題的能力。 1.2機械手國內(nèi)發(fā)展形勢 機械手起步最早的是采摘機械手。縱觀09年的三大采摘展，最初的機械手并不是用 在農(nóng)業(yè)方面上，而是用在戰(zhàn)爭行業(yè)上的。中國的最早的機械手模型可以追索到唐朝時期, 那是的軍隊雙方交戰(zhàn)采用的用來投石的機器就是現(xiàn)在的機械手的最初模型。但是由于當 初科技沒那么發(fā)達，所以其動力裝置不是現(xiàn)在的這樣使用電機驅(qū)動，而是利用人工操作 將繩索的勢能轉(zhuǎn)化成被投石的機械能，達到進攻敵軍的目的。機械手在我們國家被大量 發(fā)展還是通過改革開放，改革開放后，伴隨著國家一系列重點的事項開啟，工業(yè)水平得 到質(zhì)的飛躍，機械手也開

41、啟屬于它的快速的發(fā)展道路。如上海目前已經(jīng)開始將機械手邁 入到醫(yī)學行業(yè)的使用中去。 1. 3工業(yè)機械手應(yīng)用于椰子采摘 在椰子采摘過程中，人工采摘費時費力，若要減少采摘成本及采摘工作時長，必然 要推翻這樣的采摘模式。而自動化采摘較為熟知的兩種，一為水稻收割機式的水平切割, 這種采摘方式速度快但準確度低；二為機械手采摘，這種采摘方式采摘過程的定位精確 度高，但結(jié)構(gòu)復雜。綜合椰子的生長環(huán)境及椰子樹的外形結(jié)構(gòu)等全方位因素考慮，由于 椰子種植地地面凹凸不平，以及椰子樹高低不等，所以類似于水稻收割機式的水平采摘方式必然不可取，這樣的采摘方式會有各種限制，例如：較高的椰子采摘下后相連的枝 干

42、較長，還要后期處理增加勞動力，較低的椰子采摘過程中可能出現(xiàn)椰子被切碎或者干 脆沒有被切割到。因此，選用第二種方案一一機械手采摘。椰子采摘機械手主要由工業(yè) 機械臂演化而來，機械臂在工業(yè)生產(chǎn)中起到了至關(guān)重要的作用，例如：在特殊環(huán)境中操 作、高精密度或者高強度作業(yè)等，完成人力無法達到或者很難達到的工作目標。而在椰 子采摘中，工作條件遠以及工作環(huán)境沒有工業(yè)生產(chǎn)來的復雜，采摘工作在普通環(huán)境下進 行，椰子個體質(zhì)量不大，都在l-3Kg,因此，在本次設(shè)計中，機械手的設(shè)計不需要采用 特殊材料，只需要根據(jù)椰子的個體大小及質(zhì)量，椰子樹的外形結(jié)構(gòu)等來設(shè)計椰子采摘機 械手的結(jié)構(gòu)。當然，所有的設(shè)計必須滿足強

43、度校核以及剛度校核，以保證椰子采摘過程 的安全進行。 1. 4本章小結(jié) 在本章中，重點介紹了機械手的國內(nèi)外發(fā)展形勢以及國內(nèi)外發(fā)展的差異，最后也說 明了本次設(shè)計的靈感來源一一工業(yè)機械臂，以及選用機械手采摘的原因。 2總體方案的確定 2.1引言 在開始此機械手的設(shè)計之前。我們需要明確的一個點就是此機械手需要做的具體工 步是什么？為了方便我們的研究。本次將此椰子采摘機械手定位于將lm左右高度的椰 子所在起點位置A點，通過各關(guān)節(jié)自由度的運轉(zhuǎn)放置到B點的過程。 2. 1. 1椰子采摘機械手工作環(huán)境 本次的椰子采摘機械手主要投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水果采摘中，定位為普通果園的椰子 采摘過程

44、，同時需要考慮到，機械手所能達到的抓取的精度必須要符合設(shè)計要求。 2.1. 2原始參數(shù)確定 本課題的主要研究內(nèi)容設(shè)計一個可以用來在常見的環(huán)境中能完成采摘椰子任務(wù)的 機械手裝置。通過對被采摘對象一一單個椰子的具體情況了解，我們擬定本次的機械手 的相關(guān)參數(shù)為以下幾個方面：1：采摘機械手總高度不超過1.5m； 2：機械手自由度定為: 5個；3：各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速＜5rpmo所設(shè)計的椰子采摘機械手必須滿足以上三個參數(shù)，以保證 椰子采摘機械手在工作過程中能正常運行。 2. 2椰子采摘機械手的總體構(gòu)成 2. 2.1機械手的本體組成 本次設(shè)計的椰子采摘機械手由底座、腰部、大臂、連桿機構(gòu)、小臂、手腕

45、和手爪等 多個部分組成，形成一個五自由度采摘機械手。 2. 2.2機械手自由度的分配 既然要進行自由度的設(shè)計，那必須要明確自由度的定義：即機構(gòu)可運動的關(guān)節(jié)數(shù) 目。因為對于工業(yè)采摘機械手來說一個可以運動的關(guān)節(jié)就是一個自由度，所以顯而易見, 增加機械手上的自由度數(shù)目，在一定程度上可以增加這個采摘機械手的靈活性和能動 性。但這么說也不是就意味著自由度的數(shù)量也多越好，就比如大家買金銀首飾，純度越 高的同時價格會越貴。機械手的自由度也一樣，數(shù)量的增多有利有弊，自由度多時機械 手運作更靈活，但同時它控制起來也會越困難，再往現(xiàn)實一點說，制造的成本也越高， 這樣就不符合設(shè)計中節(jié)約成本的原則。

46、所以在設(shè)定自由度的數(shù)量時，要跟及實際情況， 符合條件即可，在能達到采摘工作中各項要求的同時，秉持節(jié)約制造成本的原則。 針對上述關(guān)于機械手自由度數(shù)量的利弊分析，最終決定將本椰子采摘機械手的自由 度數(shù)量定義為五個：此5個自由度是由4個旋轉(zhuǎn)副和1個直線副組成，同時，通過電動 機來驅(qū)動每一個關(guān)節(jié)的運轉(zhuǎn)。機械臂各部分結(jié)構(gòu)介紹如下：結(jié)構(gòu)1是底座，可進行360° 轉(zhuǎn)動；結(jié)構(gòu)2是大臂，可進行180°轉(zhuǎn)動；結(jié)構(gòu)3是連桿機構(gòu)，與大臂一樣能進行180° 轉(zhuǎn)動；結(jié)構(gòu)4是齒輪齒條機構(gòu)，能夠上下滑動，上下滑動的距離范圍為0?240mm；機構(gòu) 5為腕部結(jié)構(gòu)。采摘機械手的端部我們就采用手爪的形式來進行當做抓取

47、的形式，本次 設(shè)計的具體形式如下圖2-1所示： 04 圖2-1采摘機械手結(jié)構(gòu)簡圖 2. 3本章小結(jié) 在本章中，主要依據(jù)果園中椰子采摘過程實際工作環(huán)境的限制來完成本次設(shè)計的椰 子采摘機械手的各項技術(shù)參數(shù)的設(shè)計計算，最后對這個采摘機械手的5個自由度的分配 進行一個詳細敘述。下一章主要對此椰子采摘機械手進行一個參數(shù)化設(shè)計及驗證校核。 3椰子采摘機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3. 1引言 本章主要從機械設(shè)計的角度，如設(shè)計、校核、選型等方面來設(shè)計計算機械手的各部 分結(jié)構(gòu)及電機的選型等。但由于機械手的小部件太多，結(jié)構(gòu)復雜，因此在本次設(shè)計中只 對主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算及校核。 3. 2

48、椰子采摘機械手總體外形設(shè)計 在第二章中己經(jīng)確定了此椰子采摘機械手的執(zhí)行機構(gòu)的自由度數(shù)，確定了這個椰子 采摘機械手在正常的工作的情況下可能遇到的工況情況，確定了這個椰子采摘機械手的 自由度是如何進行的一個分配，確定了此椰子機械手的各自由度組成。所以針對這些內(nèi) 容我們設(shè)計出的符合此抓取機械手的原理圖如下圖3-1所示： 圖3-1機械手總體外觀結(jié)構(gòu) 3. 3椰子采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 外觀的設(shè)計對于機械設(shè)計中來說是一個先決條件也是一個重要前提。但是，雖然外 觀設(shè)計能夠滿足需求，實際上細化到每個部件的時候還需要考慮各方面的因素。如：部 件的選型是否合適？部件的加工工藝水平能否達到我們需要的點？以及部件的設(shè)計需 要注意點是什么？這些都是我們需要進一步考慮的內(nèi)容。針對這些，需要對此椰子采摘 機械手進行結(jié)構(gòu)部件細化設(shè)計如下： 3. 3.1底座結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 yq = L53X1E04 "48x0.962 d{d2mcosy 7 50 x 160x 4 c os4°36,26, * 該蝸輪符合齒根彎曲疲勞強度的要求。 4.蝸桿的剛度校核 本設(shè)計中的蝸桿材料為45鋼。為了防止特殊情況下蝸桿受到力的作用后發(fā)生較為 明顯的形變，從而造成應(yīng)力集中，對蝸輪蝸桿的嚙合產(chǎn)生影響，所以除了齒面接觸疲勞