全自動摘果機(jī)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 全自動摘果機(jī)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新 學(xué) 號： 學(xué)生姓名 專業(yè)班級： 學(xué)院 指導(dǎo)教師（簽字） 職 稱 講師 指導(dǎo)教師單位 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 起止日期 年 月 日 至 年 月 日 摘 要 摘果機(jī)技術(shù)毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術(shù)，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，國際上摘果機(jī)市場大概有80億至100億，其中工業(yè)摘果機(jī)占的比重最大。2025年，整個(gè)摘果機(jī)市場將達(dá)到500億，服務(wù)摘果機(jī)從原來的300多萬臺增加到1200多萬臺，特種摘果機(jī)（如：農(nóng)業(yè)摘果機(jī)、排爆摘果機(jī)、醫(yī)療摘果機(jī)等）的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與摘果機(jī)的研制。 本課題來源農(nóng)業(yè)相關(guān)摘果機(jī)——摘果機(jī)。隨著摘果機(jī)技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)外開始探索相關(guān)技及先進(jìn)成果應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其中果實(shí)采摘收割摘果機(jī)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中相對大的比重，相關(guān)摘果機(jī)隨著技術(shù)進(jìn)步及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的成熟會為人們解放勞動力、提高工作效率等方面有不可估量的前景。 本文運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識，設(shè)計(jì)了一款輪式摘果機(jī)，本摘果機(jī)通過輪式底部結(jié)構(gòu)可自由行進(jìn)并用5軸式機(jī)械臂結(jié)構(gòu)可有效采摘果樹上的蘋果。為進(jìn)一步探索蘋果采摘相關(guān)摘果機(jī)的研發(fā)提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及依據(jù)，并對進(jìn)一步論證相關(guān)技術(shù)有了實(shí)驗(yàn)的摘果機(jī)。 關(guān)鍵字：摘果機(jī)、農(nóng)業(yè)，蘋果采摘，輪式摘果機(jī) Abstract Robotics is undoubtedly a strategic high-tech future, full of opportunities and challenges. Currently, the international market, there are about robot 8 to 10 billion, which accounts for the largest proportion of industrial robots. 2025, the entire robot market will reach 50 billion, the service robot from the original more than 300 million units to 12 million units,Special robot (eg: agricultural robots, EOD robots, medical robots, etc.) are increasingly vocal. In addition, Microsoft and other IT companies, Toyota, Mercedes-Benz and other car companies, and even furniture, sanitary ware enterprises have involved in the development of the robot. The sources of agriculture-related topics robot - apple picking robots. With the development of robot technology at home and abroad began to explore the application of relevant technologies and advanced achievements in the field of agriculture, where the fruit harvest picking robot is agriculture relatively large proportion of the relevant robot as technology advances and experience of mature people will liberate labor force improve work efficiency and so have immeasurable prospects. In this paper, the university is knowledge, designed a wheeled robot apple picking, apple picking this wheeled robots can travel freely and bottom structure with a 5-axis robot arm structure can effectively picking apples fruit trees. To further explore the development of apple picking robot provides relevant and in accordance with relevant experience, and further related technology demonstration experiments with robots. Key words: Robot,Agriculture,Apple picking ,Wheeled robot 目 錄 摘要 I Abstract II 1 引言 1 1.1課題的來源與研究的目的和意義 1 1.2摘果機(jī)的用途 2 1.3采摘果機(jī)的特點(diǎn) 2 1.4本課題研究的內(nèi)容 3 1.5 UG設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 4 2 摘果機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 6 2.1摘果機(jī)的總體方案圖 8 2.2摘果機(jī)的工作原理 10 3 摘果機(jī)部分零部件選型及校核 12 2.3.1部分電機(jī)計(jì)算 14 2.3.2聯(lián)軸器的選型 16 2.3.3軸承的選型計(jì)算 18 4 摘果機(jī)的三維建模 19 4.1總體結(jié)構(gòu)三維建模 20 4.2底部輪式車三維建模 20 4.3電動氣缸的三維建模 21 結(jié)論 22 致謝 23 參考文獻(xiàn) 24 1引言 1.1課題的來源與研究的目的和意義 摘果機(jī)與智能裝備產(chǎn)業(yè)是高度集成微電子、通信、計(jì)算機(jī)、人工智能、控制和圖像處理等學(xué)科最新科研和產(chǎn)業(yè)成果的前沿高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是擬建的江蘇?。ǔＶ荩┕I(yè)技術(shù)研究院的服務(wù)的產(chǎn)業(yè)核心和研發(fā)的產(chǎn)業(yè)立足點(diǎn)。直接影響生活最優(yōu)化和智能化的摘果機(jī)技術(shù)是摘果機(jī)與智能裝備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)核心，推進(jìn)著未來摘果機(jī)與智能裝備領(lǐng)域的科技創(chuàng)新力和產(chǎn)業(yè)競爭力。 摘果機(jī)技術(shù)是一種是以自動化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為主體、有機(jī)融合各種現(xiàn)代信息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng)用。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，摘果機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)品質(zhì)并成功解放了勞動力資源。作為高技術(shù)領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)之一，摘果機(jī)技術(shù)具有前瞻性、先導(dǎo)性的特點(diǎn)，對學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)升級、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、保障國家安全、引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展有著十分重要的作用。目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升摘果機(jī)技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為摘果機(jī)的應(yīng)用范圍拓寬了道路，已涵蓋國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、老人康復(fù)、教育甚至普通家庭生活，一場新的摘果機(jī)技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機(jī)業(yè)已到來。 摘果機(jī)技術(shù)毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術(shù)，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，國際上摘果機(jī)市場大概有80億至100億，其中工業(yè)摘果機(jī)占的比重最大。2025年，整個(gè)摘果機(jī)市場將達(dá)到500億，服務(wù)摘果機(jī)從原來的300多萬臺增加到1200多萬臺，特種摘果機(jī)（如：排爆摘果機(jī)、醫(yī)療摘果機(jī)等）的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與摘果機(jī)的研制。 美國和日本多年來引領(lǐng)國際摘果機(jī)的發(fā)展方向，代表著國際上摘果機(jī)領(lǐng)域的最高科技水平。目前，日本除了比較關(guān)注特種摘果機(jī)和服務(wù)摘果機(jī)以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術(shù)比較少。而美國在摘果機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)方面，一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有，美國主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用摘果機(jī)，目前世界銷售的9000臺軍用摘果機(jī)之中，有60%來自美國。比如：美國最近研制成功的BigDog軍用摘果機(jī)，能負(fù)重100公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適應(yīng)各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。 在各種摘果機(jī)中，工業(yè)摘果機(jī)應(yīng)用較早，發(fā)展最為成熟。同時(shí)，技術(shù)的不斷進(jìn)步一直在牽引著摘果機(jī)學(xué)科的發(fā)展，使摘果機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)摘果機(jī)擴(kuò)展到特種摘果機(jī)和服務(wù)摘果機(jī)等。摘果機(jī)技術(shù)也正越來越深刻地影響著我們的生活。摘果機(jī)不但將在工廠、實(shí)驗(yàn)室與人一起工作，還將在車站、機(jī)場、碼頭、交通路口為人們指引路徑、回答問題、幫助行人。摘果機(jī)還將步入千家萬戶，為老人端茶送水，護(hù)理傷病人等等。未來摘果機(jī)將會越來越廣泛地進(jìn)入人類社會，人類對摘果機(jī)的依賴會如同現(xiàn)時(shí)對待計(jì)算機(jī)一樣，即使是短時(shí)間的離開都可能會造成很大不便。 摘果機(jī)化是先進(jìn)制造領(lǐng)域的重要標(biāo)志和關(guān)鍵技術(shù)，針對先進(jìn)制造業(yè)生產(chǎn)效率提高的諸多瓶頸問題，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，摘果機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，摘果機(jī)都已逐步取代了人工作業(yè)。目前汽車制造業(yè)是所有行業(yè)中人均擁有摘果機(jī)密度最高的行業(yè)，如2004年德國制造業(yè)中每1萬名工人中擁有摘果機(jī)的數(shù)量為162臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有摘果機(jī)的數(shù)量則為1140臺；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬名工人中擁有輔助操作的摘果機(jī)數(shù)量為123臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中摘果機(jī)的擁有數(shù)量則高達(dá)1600臺。 在國外，應(yīng)用于制造業(yè)的摘果機(jī)取得了較顯著進(jìn)展，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名摘果機(jī)公司。如德國的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預(yù)測，摘果機(jī)產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(UNECE)和國際摘果機(jī)聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計(jì)，2002年至2004年，世界摘果機(jī)市場年增長率平均在10%左右，2005年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的30%，2007年全球摘果機(jī)實(shí)際安裝量達(dá)到650萬臺，摘果機(jī)安裝量比2006年增加3%，達(dá)到了114365臺。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來全球摘果機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，2008年全球摘果機(jī)行業(yè)總銷售量比2006年增長25％。而無論在使用、生產(chǎn)還是出口方面，日本一直是全球領(lǐng)先者，目前日本已經(jīng)有130余家專業(yè)的摘果機(jī)制造商。世界各國主要行業(yè)對摘果機(jī)的需求詳見圖1所示。 （圖1世界各國主要行業(yè)對摘果機(jī)的需求分布） 由于機(jī)械工程的知識總量已擴(kuò)大到遠(yuǎn)非個(gè)人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進(jìn)步，對外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時(shí)配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學(xué)提高。因此自20世紀(jì)中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細(xì)的專業(yè)。綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識，又具有足夠的綜合知識來認(rèn)識、理解其他學(xué)科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。綜合與專業(yè)是多層次的。在機(jī)械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術(shù)中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識中，包括社會科學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 1.2摘果機(jī)的用途 本文所設(shè)計(jì)摘果機(jī)雖然尚無法取代人工作業(yè)，但是對摘果機(jī)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)采摘相關(guān)技術(shù)奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)，并對進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)帶來了可操作的實(shí)驗(yàn)平臺，對累積相關(guān)制作技術(shù)有很好的驗(yàn)證作用。 1.3 摘果機(jī)特點(diǎn) 本文所設(shè)計(jì)摘果機(jī)是一種電機(jī)驅(qū)動輪式5軸摘果機(jī)，整體結(jié)構(gòu)包括兩自由度的移動載體和三自由度帶夾持器的機(jī)械臂。摘果機(jī)主體使用鋁板材料和工程塑料組裝成摘果機(jī)機(jī)體，結(jié)構(gòu)輕巧，方便在車體上增加模塊。 移動底盤： 為了適應(yīng)多變的開放式的蘋果園地面環(huán)境，選用農(nóng)用拖拉機(jī)式移動小車作為移動底盤。上面加裝了主控電路板，采摘輔助裝置，多種傳感器，電源模塊等。 傳動結(jié)構(gòu)： 主要包括機(jī)械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動均采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動源，選用行星齒輪減速器對電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)提高最終的輸出扭矩。直接選用電動推桿作為小臂伸縮的部件，在伸出桿的末端通過螺絲連接相應(yīng)旋轉(zhuǎn)法蘭盤組件與末端執(zhí)行器固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊并采摘。 1.4本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運(yùn)用UG對全自動摘果機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，了解UG的各種功能。 UG公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)。當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套UG三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個(gè)國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，UG被法國達(dá)索（Dassault Systemes）公司收購，作為達(dá)索中端主流市場的主打品牌。UG軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，UG公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得UG每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺CAD系統(tǒng)評比第一名。從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎。其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予UG最佳編輯獎，以表彰UG的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，UG所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 由于UG出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將UG全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的UG以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。UG三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)。UG成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的UG軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過UG的培訓(xùn)課程。 據(jù)世界上著名的人才招聘網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD軟件相比，UG相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這一事實(shí)說明了越來越多的工程師和設(shè)計(jì)者使用UG三維軟件，越來越多的企業(yè)需要UG人才。UG軟件功能強(qiáng)大，易于操作，界面人性化，技術(shù)創(chuàng)新，組件繁多是UG的五大特點(diǎn)。使得UG三維軟件成為目前全球領(lǐng)先的三維CAD解決方案。UG在設(shè)計(jì)時(shí)能夠?yàn)橛脩籼峁┎煌脑O(shè)計(jì)方案，通過方案的篩選，工程師能從中選擇合適的方案，從而在設(shè)計(jì)過程中降低設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，UG是設(shè)計(jì)過程比較簡便又通俗易懂的軟件之一。它不僅提供如此人性化的系統(tǒng)，同時(shí)對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者，乃至整個(gè)機(jī)械行業(yè)提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。UG軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，UG公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得UG每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎，其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予UG最佳編輯獎，以表彰UG的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，UG所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。由于UG出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將UG全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的UG以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，UG三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，UG成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的UG軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過UG的培訓(xùn)課程。 據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與UG相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總和還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用UG，越來越多的企業(yè)雇傭UG人才。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界用戶每年使用UG的時(shí)間已達(dá)5500萬小時(shí)。在美國，包括麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)已經(jīng)把UG列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學(xué)（教育機(jī)構(gòu)）如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)等也在應(yīng)用UG進(jìn)行教學(xué)。UG軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 UG有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得UG 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。UG 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 UG在現(xiàn)今社會階段逐漸廣泛應(yīng)用，并且UG公司對中國市場重點(diǎn)開發(fā)，日后UG應(yīng)用將會更加完善，更加普遍。通過前文對UG的深入了解后，往后會對UG進(jìn)行個(gè)別應(yīng)用的分析，如建模，裝配，工程圖，力學(xué)分析等。 UG軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 UG有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得UG 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。UG 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 2 摘果機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 2.1 摘果機(jī)的總體方案圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求及自己確定的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。 圖1 其中設(shè)備總體分10部分，1部分為控制部分、2傳感器組件、3行走小車組件、4摘果機(jī)腰部組件、5大臂輔助組件、6大臂組件、7小臂之電動伸縮組件、8小臂組件、9旋轉(zhuǎn)法蘭組件、10末端執(zhí)行器。各部分由電機(jī)驅(qū)動并通過通過齒輪、軸、電動缸等進(jìn)行有效鏈接配合產(chǎn)生作用。其中控制部分中含有蓄電池和集中控制線路由通過傳感器接受信息并處理運(yùn)動、工作、執(zhí)行命令相關(guān)動態(tài)信息及時(shí)指揮摘果機(jī)采摘蘋果。 2.2 摘果機(jī)的工作原理 為了達(dá)到摘果機(jī)采摘蘋果的目的，個(gè)人制作了兩種方案并比較。 1.方案1方案簡圖： 動力源： 摘果機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的作用是為摘果機(jī)提供動力并且控制其按照運(yùn)動控制器的指令到達(dá)預(yù)定位置。因?yàn)榻涣魉欧妱訖C(jī)具有無電刷和換向器 、慣量小、適應(yīng)于高速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn),所以,摘果機(jī)的 4個(gè)關(guān)節(jié)均采用交流伺服電動機(jī)作為驅(qū)動源。綜合考慮使用性能和經(jīng)濟(jì)性, 選用日本安川公司 ∑-Ⅱ系列交流伺服系統(tǒng)。 傳動方式的選擇： 摘果機(jī)關(guān)節(jié)需要的是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的動力,而交流伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出的是高轉(zhuǎn)速 、低轉(zhuǎn)矩的動力。因此, 摘果機(jī)的腰關(guān)節(jié)、小臂和腕部均采用交流伺服電動機(jī)串接諧波減速器結(jié)合齒輪機(jī)構(gòu)的傳動方式。 為了增加傳動穩(wěn)定性，和控制靈活度，固增加連桿機(jī)構(gòu)，輔助程序控制。連桿機(jī)構(gòu)也是配以伺服電機(jī)進(jìn)行控制。 末端執(zhí)行器： 接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由直線步進(jìn)電動機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、機(jī)架、滑塊和導(dǎo)桿構(gòu)成。 夾持機(jī)構(gòu) 直線步進(jìn)電動機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、滑塊和機(jī)架 旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu) 由安裝于腕部的減速步進(jìn)電動機(jī)、連接件Ⅰ和連接件Ⅱ構(gòu)成。減速步進(jìn)電動機(jī)機(jī)體通過連接件Ⅰ與機(jī)架Ⅱ固聯(lián)，減速步進(jìn)電動機(jī)輸出軸通過連接件Ⅱ與機(jī)架Ⅰ固聯(lián)，減速步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動連接件Ⅱ相對連接件Ⅰ轉(zhuǎn)動。減速步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)角度通過設(shè)定脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)，電動機(jī)的最大扭矩可達(dá)6N?m。 2.方案2方案簡圖： 傳統(tǒng)摘果機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 整體結(jié)構(gòu)包括兩自由度的移動載體和三自由度帶夾持器的機(jī)械臂。摘果機(jī)主體使用網(wǎng)孔鋁板材料和工程塑料組裝成摘果機(jī)機(jī)體，結(jié)構(gòu)輕巧，方便在車體上增加模塊。 移動底盤： 為了適應(yīng)多變的開放式的蘋果園地面環(huán)境，選用履帶式移動小車作為移動底盤。上面加裝了主控電路板，采摘輔助裝置，多種傳感器，電源模塊等。 傳動結(jié)構(gòu)： 主要包括機(jī)械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動均采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動源，選用行星齒輪減速器對電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)提高最終的輸出扭矩。直接選用電動推桿作為小臂伸縮的部件，在伸出桿的末端通過螺絲連接相應(yīng)法蘭盤與末端執(zhí)行器固連。 末端執(zhí)行器： 末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊，再利用剪刀將果柄剪斷，這種方法需要精確的檢測果柄的位置，之后通過精確調(diào)整末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，其系統(tǒng)的控制難度稍難。 其主要通過動力源，切割機(jī)構(gòu)，接近機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)，傳感控制系統(tǒng)組成。 接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì): 由電動機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、機(jī)架、滑塊和導(dǎo)桿構(gòu)成。 夾持機(jī)構(gòu)： 電動機(jī)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、滑塊和機(jī)架 切割機(jī)構(gòu)： 由刀架和雙面刀片組成。 3.方案比較： 上述兩種方案中，方案1采用了傳統(tǒng)的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，為底盤-支持機(jī)構(gòu)-腰關(guān)節(jié)-肩關(guān)節(jié)-肘關(guān)節(jié)-末端執(zhí)行器的傳動方案。相比較來講，方案2采用的是底盤-支持機(jī)構(gòu)-大臂-小臂-末端執(zhí)行器的方式，而通過連桿輔助大臂的方式，使其控制能力更靈活。方案1的傳動過程比較復(fù)雜，包括了3個(gè)階段，而且穩(wěn)定性不如方案2，同時(shí)對于3個(gè)傳動關(guān)節(jié)的程序控制也要求更高。而方案2采用的是連桿輔助，只有2個(gè)傳動關(guān)節(jié)，大臂和小臂，對控制系統(tǒng)要求更低，同時(shí)，在連桿的輔助下，其穩(wěn)定性更強(qiáng)，控制能力也更高。 另外1點(diǎn)不同在于末端執(zhí)行器的采摘方式不同，方案1采用的是旋轉(zhuǎn)采摘法，通過機(jī)構(gòu)系統(tǒng)夾持果實(shí)，再通過旋轉(zhuǎn)的方式使果實(shí)與果柄分離，從而完成果實(shí)采摘。而方案2首先通過夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊，之后利用切割機(jī)構(gòu)，通過刀片對果柄進(jìn)行切割，使果實(shí)與果柄分離，從而完成果實(shí)采摘。2種方案都需要對果實(shí)的具體位置進(jìn)行精確判斷，但是方案1不需要對果柄的位置進(jìn)行仔細(xì)判斷，而方案2需要，從這點(diǎn)上來講，方案2對傳感系統(tǒng)的要求更高。但是方案1通過旋轉(zhuǎn)采摘容易造成果實(shí)損傷，而方案2通過切割機(jī)構(gòu)可以保證果實(shí)本身的完整性，從這點(diǎn)上來講，方案2更優(yōu)。同時(shí)旋轉(zhuǎn)采摘的成功率明顯沒有切割采摘的高，因?yàn)槊總€(gè)果實(shí)的連接程度不同，這樣導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)次數(shù)和強(qiáng)度如果固定在一個(gè)范圍內(nèi)不能保證果實(shí)采摘成功率。因此綜上考慮，選擇方案2比較好。所選定方案2工作原理 方案2主要包括機(jī)械手腰部，大臂，小臂部分。其轉(zhuǎn)動均采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動源，選用行星齒輪減速器對電機(jī)進(jìn)行減速，同時(shí)提高最終的輸出扭矩。直接選用電動推桿作為小臂伸縮的部件，在伸出桿的末端通過螺絲連接相應(yīng)旋轉(zhuǎn)法蘭盤組件與末端執(zhí)行器固連。末端執(zhí)行器初步選定使用夾持機(jī)構(gòu)將果實(shí)夾緊并采摘。 2.3 拋磨機(jī)主要零部件選型及強(qiáng)度校核計(jì)算 2.3.1大臂，小臂及連桿伺服電機(jī)設(shè)計(jì) 首先，摘果機(jī)共有5個(gè)自由度：腰部升降，腰部轉(zhuǎn)動，大臂俯仰，小臂擺動，小臂伸縮等五個(gè)自由度，是一種五自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型摘果機(jī)，自由度配置為P-RRR-P。 機(jī)械手尺寸大致規(guī)格如下： 1.）題設(shè)中給出，蘋果的重量為1KG，工作最高高度為3m(即b為3m)，工作半徑為1.5m 從圖中可以初步定義，小車高度，腰部，大臂，小臂，伸縮行程，末端執(zhí)行器的長度依次為d1，L2,L3,L4,d5和Lm,具體實(shí)際情況和摘果機(jī)學(xué)原理可知： 根據(jù)仿生學(xué)原理，大臂長度應(yīng)等于小臂加上末端執(zhí)行器長度0.3，因此： L3=L4+Lm=L4+0.3m 由于結(jié)構(gòu)限制，小臂伸縮的行程應(yīng)小于或等于小臂長度的一半,再加上伸縮其他結(jié)構(gòu)長度： d5=1/2*L4=0.45m 由于摘果機(jī)具體參數(shù)需要通過Matlab仿真，這里初步算出： d1=0.68m L3=0.62m L2=1.2m l4=0.9 d5=0.45 2.）而蘋果的重量為1kg 。末端執(zhí)行器及旋轉(zhuǎn)法蘭組件重量為4kg。 其中減速機(jī)減速比k為100、電機(jī)轉(zhuǎn)速n為100 ，則根據(jù)扭矩與功率公式： 小臂的最大轉(zhuǎn)矩為： T=（0.9+0.45）*9.8*5=66.15 Nm 由此帶入可得P=0.4KW電機(jī)，安全系數(shù)選S=2 *S=0.4kw 根據(jù)國標(biāo)，安全系數(shù)選2 ，可選用1臺3000轉(zhuǎn)0.4KW司服電機(jī)，減速比100的減速機(jī)。 蘋果、末端執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)法蘭組件小臂重量為10kg。 大臂的最大轉(zhuǎn)矩為： T=（0.9+0.45+1.2）*9.8*10=249.9 Nm 由此帶入可得P=0.4KW電機(jī)，安全系數(shù)選S=2 *S=0.8kw 根據(jù)國標(biāo)，安全系數(shù)選2 ，可選用1臺3000轉(zhuǎn)伺服1KW,MSMJ-10-2電機(jī)，減速比100的減速機(jī)。 2.3.2驅(qū)動輪電機(jī)設(shè)計(jì) 驅(qū)動電機(jī)的功率由摘果機(jī)質(zhì)量M 、運(yùn)行速度V 、驅(qū)動輪直徑來確定[27]。計(jì)算和分析摘果機(jī)受力情況時(shí)，假設(shè)摘果機(jī)在平地上直線加速行駛，不考慮摘果機(jī)在行駛過程中的產(chǎn)生空氣阻力。 采用分離法建立驅(qū)動輪的受力模型如圖 2.3。其中， 1 M 為作用于驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩，P 1為驅(qū)動輪上的載荷， G 1為驅(qū)動輪的重力，N 1 為地面對驅(qū)動輪的法向反作用力，F(xiàn)1 為地面對驅(qū)動輪的切向反作用力， f1 為驅(qū)動軸對驅(qū)動輪的阻力。假設(shè)在加速過程中，輪子作瞬時(shí)純滾動。 可以得出驅(qū)動輪的力的平衡方程為： 實(shí)際驅(qū)動力要克服三種部分阻力，即由驅(qū)動軸傳來的阻力、驅(qū)動輪本身的滾動阻力和驅(qū)動輪本身的加速阻力。而后者而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力組成。 從動輪受力模型如圖 2.4。其中，P 2為從動輪上的載荷，G 2為從動輪的重力，N2為地面對從動輪的法向反作用力，F(xiàn) 2為地面對從動輪的切向反作用力，f2從動輪的推力?？梢缘贸鰪膭虞喌牧Φ钠胶夥匠虨椋? 可以得出車體的力的平衡方程為： 由以上的式2.2、2.4 和2.5 三個(gè)方程，聯(lián)立锝： 由此可知，摘果機(jī)的驅(qū)動力用來克服車輪的滾動阻力、摘果機(jī)平移質(zhì)量的加速阻力和車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的 加速阻力。因此驅(qū)動力必須大于滾動阻力才能加速行駛，若驅(qū)動力小于滾動阻力摘果機(jī)則無法啟動，所以有 上式中、N1，N2是地面作用在輪子上的法向作用力，M1由輪子、車體的質(zhì)量決定，根據(jù)此關(guān)系式可以確定電機(jī)锝輸出轉(zhuǎn)矩。 由此確定電機(jī)的功率,其中，K 為安全系數(shù)。 取小車車體60Kg，驅(qū)動輪直徑為280mm，預(yù)計(jì)行走速度為1m/s，安全系數(shù)K為2，則可選擇電機(jī)的功率約為 橫向軌道驅(qū)動電機(jī)所帶動重量為 G總==588N 輪子需要克服摩擦力為 =11.76N 其中T=1.7 移動速度約為1m/s，兩驅(qū)動輪的直徑為280mm，則后輪的轉(zhuǎn)速為： 計(jì)算得 68r/min ，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為3000rpm，因此傳動比約為45，因此選擇型號為26/1S 45：1 的減速箱. *S=40w 根據(jù)實(shí)際需求和結(jié)構(gòu)要求，選擇Faulhaber 電機(jī)產(chǎn)品中的2657系列直流電機(jī)，所選電機(jī)型號為2657W024CR+IE2-512。該電機(jī)參數(shù)如表2.1 所示， 表 2.1 電機(jī)參數(shù)表 型號 2657W024CR 額定電壓 24 V 輸出轉(zhuǎn)矩 3.5 Nm 輸出轉(zhuǎn)速 6400 rpm 空載電流 0.058 A 轉(zhuǎn)速常數(shù) 286 rpm/V 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 34.8 mNm/A 2.3.3 軸承選型 軸承的選擇并不是只考慮軸徑一個(gè)因素，還要考慮到軸承的性能，一般要考慮到其壽命、可靠度（指該軸承達(dá)到或超過規(guī)定壽命的概率）、靜載荷、動載荷、額定壽命、基本額定壽命、基本額定載荷等等很多因素。最主要的是允許空間、載荷的大小和方向、軸承工作轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)精度、軸承的剛性（一般磙子軸承的剛性大于球軸承）、軸向游動、安裝和拆卸。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)的軸上徑向載荷大，軸向載荷小，而且存在軸或殼體變形大以及安裝對中性差的問題，所以選用調(diào)心滾子軸承，因?yàn)檎{(diào)心磙子軸承主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受少量的雙軸向載荷，而圓錐磙子軸承有打的錐角可承受大的徑、軸向聯(lián)合載荷。所以選用（雙列向心）圓錐磙子軸承，有雙內(nèi)圈，并是可分離的軸承，根據(jù)d=32mm,由參考資料2P7－356 表7－2－78 帶緊定套的調(diào)心滾子軸承（GB/T288-1994），選用22218CK/W33+H318軸承，其基本額定載荷為=240KN,=322KN, 根據(jù)軸承選用配套的軸承座，參考資料2P7-43表7-2-105 適用圓錐孔的異徑孔滾動軸承座(GB/T7813-1998) SNK型軸承座，可選用SNK316型的軸承。 3 摘果機(jī)三維建模 3.1總體的三維建模 3.2 底部輪式車的三維建模 3.3 電動缸的三維建模 結(jié)論 在最近一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是全自動摘果機(jī)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可做得好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致謝 至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來對我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時(shí)，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個(gè)愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，查找了各類的全自動摘果機(jī)的設(shè)計(jì)資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因?yàn)槲易约阂呀?jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。 參考文獻(xiàn) [1]金清肅，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（第一版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.10 [2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版)[M].北京：高等教育出版社，2006.5 [3]吳宗澤，機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.10 [4]吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(第三版).北京:高等教育出版社,2006.5 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