裝箱機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
裝箱機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,裝箱,機械,系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計
裝箱機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
蘋果裝箱機設(shè)計
摘要
本課題主要是要研制一套蘋果自動裝箱機，它能夠減輕工人的勞動量，代替人工裝箱工作。本裝箱機主要有兩個自動度，一個是上下升降，另一個是旋轉(zhuǎn)。當輸送帶上的蘋果到達了指定區(qū)域，機械手通過氣缸帶動，抓取蘋果，然后旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，最后通過螺母帶動旋轉(zhuǎn)臂再絲杠上做升降運動，將蘋果放入箱子中，
通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機械原理、機械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。
關(guān)鍵詞：蘋果，裝箱機，滾珠絲杠，氣缸
I
Abstract
Apple packing machine design
This topic is mainly to develop a set of apple automatic packing machine, it can reduce the labor of workers, instead of manual packing work. This packing machine mainly has two degrees of automaticity, one is up and down, the other is rotation. When the apples on the conveyor belt reach the designated area, the manipulator is driven by the cylinder to grab the apples, and then the rotary arm is rotated. Finally, the rotary arm is driven by the nut to do lifting movement on the screw, and the apples are put into the box.
Through this design, I have consolidated the professional knowledge I learned in university, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, theory of tolerance and interchangeability, mechanical drawing, etc. I have mastered the design method of common mechanical products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance for my future work and life..
Key words: Apple, packing machine, ball screw, cylinder
II
目錄
目錄
第1章 緒論
1.1 課題研究背景與意義
蘋果在運輸過程中容易磕碰、擠壓等導(dǎo)致破損后腐爛，因此蘋果必須裝箱運輸，我國蘋果產(chǎn)量巨大，每年到豐收季節(jié)均會有大量蘋果等待裝箱，如果均靠人力會耗費大量人力及時間，不僅容易使工人作業(yè)疲勞而且容易錯過最佳上市時間，因此希望設(shè)計出蘋果裝箱機械手，實現(xiàn)蘋果自動裝箱。
1.2 國內(nèi)外裝箱機的研究進展
人們的消費習(xí)慣和消費質(zhì)量的變化和提高，必將促進食品和裝箱機械向多品種，多功能，高水平的方向發(fā)展，特別是我國已經(jīng)加入WTO，裝箱機械市場要面向全球，國外裝箱機械的先進技術(shù)和裝備不斷涌入我國市場，這也使我們必須采取應(yīng)對措施，不斷提高我國裝箱機械水平，努力滿足國內(nèi)外市場需要。一是實現(xiàn)食品裝箱的單機機械化，在1945年以前，食品的裝箱大多是采用單機完成的；二是實現(xiàn)裝箱機械的初步自動化，在50年代，裝箱機采用了電氣開關(guān)和光電管；三是實現(xiàn)裝箱自動流水線生產(chǎn)。在60年代，裝箱機上廣泛應(yīng)用新型電子元件組成的控制系統(tǒng)、新型機械、及電氣和液壓氣動等新技術(shù)；四是在裝箱機上采用電子計算機控制，70年代由于采用計算機對包整機械進行控制，提高了單機和自動線的自動化水平；五是向無人化的方向發(fā)展，80年代后，裝箱機的裝箱產(chǎn)品多樣化，不僅外觀好看，而且經(jīng)濟實用。
我國的裝箱機械與國外的技術(shù)差距主要表現(xiàn)在機械的穩(wěn)定性和可靠性上
（a）機電一體化技術(shù)，提高裝箱機械自動化程度及運行可靠性和穩(wěn)定性。
（b）激光應(yīng)用技術(shù)，將微機控制、檢測、調(diào)整、顯示等項技術(shù)應(yīng)用于裝箱機械，提高裝箱機械運行的可靠性和智能化程度。
（c）熱管技術(shù)，提高裝箱機械封口的質(zhì)量、可靠性及對材料的適應(yīng)性，節(jié)約能源。
高精度定量軟包機實現(xiàn)的是對一些無粘性液體的裝箱，本機采用的材料是復(fù)合材料，裝箱材料是以玻璃紙等為基紙引為商標，并涂上高壓聚乙烯制成，噴涂要均勻，復(fù)卷后外圓平整，不允許有高低不平或兩邊松緊不一的現(xiàn)象。高精度定量軟包機由于功能較少應(yīng)用范圍小所以生產(chǎn)率較高、成本低，對于裝箱行業(yè)的中小企業(yè)來說是不錯的選擇。本次設(shè)計的主要對象是裝箱機的整體部分，介紹了裝箱機的橫封機構(gòu)、縱封機構(gòu)和供料機構(gòu)，并簡單的介紹了他的電氣部分。其機械部分主要有 橫封器、縱封器、剪切機構(gòu)和可調(diào)量杯機構(gòu)，電氣部分主要有光電開關(guān)、凸輪接近開關(guān)控制機構(gòu)和減速電機。用于鮮奶、果汁、醬油、醋等液體材料的裝箱，適用于批量小，品種變化多的中小型企業(yè)。
國外已經(jīng)引用先進裝箱機械技術(shù)，從“使用型”轉(zhuǎn)為“消化型”。對促進食品裝箱機械的發(fā)展起到了積極的作用。實踐證明，把先進裝箱機械技術(shù)引進并為食品生產(chǎn)所用，是一條較快建立食品裝箱機械技術(shù)體系，加速裝箱機械領(lǐng)域發(fā)展有效的途徑。
國外先進的裝箱機設(shè)計過程包括：市場調(diào)研、用戶需求分析、裝箱機功能的確定、可行性論證、制定設(shè)計方案、用戶效益分析、方案的可行性論證、原理圖設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計、樣機制作(虛擬制造)、技術(shù)驗證和施工圖修改、制定售后服務(wù)預(yù)案及遠程診斷方案、改進設(shè)計、系列化設(shè)計等。
市場調(diào)研是一切裝箱機設(shè)計的基礎(chǔ)工作。沒有市場調(diào)研，我們所做的所有設(shè)計工作都可能等于零。市場調(diào)研，可以根據(jù)政策導(dǎo)向、行業(yè)供求信息、專家分析、行業(yè)展會、技術(shù)交流會等線索，找到用戶的需求信息，并加以整理分析后，確定裝箱機應(yīng)該完成的功能。在原理方案設(shè)計過程中，首先要充分了解相關(guān)的信息產(chǎn)品、電子產(chǎn)品的功能，了解氣動元件的性能，并用以簡化機械傳動系統(tǒng)，還可采用多電機拖動來縮短機械傳動鏈。另外裝箱機械系列化、模塊化的行業(yè)標準，也到了該制定的時候，裝箱機械已成為我國十大機械行業(yè)之一，而系列化、模塊化的行業(yè) 標準的制定必將促進我國裝箱機械行業(yè)跨上新的臺階。隨著虛擬概念的提出，電子技術(shù)、計算機輔助設(shè)計(CAD)、三維圖形設(shè)計(3D)和計算機仿真設(shè)計的同步發(fā)展，在設(shè)計中采用一種新技術(shù)——虛擬設(shè)計、虛擬制造，即將各種機器元素數(shù)據(jù)庫存人計算機，把圖紙數(shù)字化后輸入計算機，計算機即可自動成為三維模型 。再把實際生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)和指標輸進去，把各種可能發(fā)生的故障輸進去，計算機三維模型即可仿照真實工作情況進行操作，演示出能達到 的生產(chǎn)能力，廢品數(shù)量、生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的匹配情況、生產(chǎn)瓶頸等，并可根據(jù)客戶的意見修改模型，快速運作，直到客戶和設(shè)計者滿意為止 。
現(xiàn)代裝箱機設(shè)計應(yīng)該滿足“綠色設(shè)計”，即人性化設(shè)計的要求。它是面向質(zhì)量設(shè)計、裝配設(shè)計、制造設(shè)計、維修設(shè)計、可靠性設(shè)計的 綜合設(shè)計。我國人口眾多，人均消費水平比發(fā)達國家低，而且城鄉(xiāng)差異較大，裝箱機械的設(shè)計應(yīng)以價廉物美為主，不能盲目追求高精尖。 要考慮到可靠性、安全性、環(huán)保性、低噪音等各方面的因素。充分體現(xiàn)原理優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造優(yōu)化、造型優(yōu)化。標準工作是一項耗時耗力的工作，但卻是行業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)性工作，行業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)、規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量、有序競爭、市場質(zhì)量監(jiān)督，都有賴于標準的科學(xué)、務(wù)實、先進。
裝箱機械零部件生產(chǎn)專業(yè)化。國際裝箱界十分重視提高裝箱機械加工和整個裝箱系統(tǒng)的通用能力，所以裝箱機械零部件生產(chǎn)專業(yè)化是發(fā)展的必然趨勢，很多零部件不再由裝箱機械廠生產(chǎn)，而是由一些通用的標準件廠生產(chǎn)，某些特殊的零部件由高度專業(yè)化的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)。這是因為裝箱機械很多控制部件或結(jié)構(gòu)部件與通用設(shè)備相同，可以借用。我國目前裝箱行業(yè)“小而全”、“大而全”的格局應(yīng)盡快調(diào)整。
1.3 改進思路
裝箱機械設(shè)計方法的改進思路：首先在設(shè)計理念上借鑒先進國家的經(jīng)驗，以用戶的需求為設(shè)計的目標，并結(jié)合柔性設(shè)計、模塊化設(shè)計的理念，一機多用，或更換少量的零、部件就可以完成不同的功能，或滿足不同的產(chǎn)品需求。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及市場競爭的加劇，客戶的需求也越來越高。這種需求體現(xiàn)在以下幾個方面：一是提高生產(chǎn)效率，以滿足交貨期 和降低生產(chǎn)成本的需要，對一些產(chǎn)品，還要求裝箱機械和生產(chǎn)機械相銜接；二是為適應(yīng)產(chǎn)品更新變化的需要，裝箱機械要具有高的柔性和 靈活性；三是當設(shè)備出現(xiàn)故障時，要求能進行遠程診斷服務(wù)；四是利于環(huán)境保護，噪聲、粉塵和廢棄物少；五是設(shè)備購置投資盡可能少， 價格要盡可能低。所以，一定要在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，充分了解、認真分析用戶的需求，確定裝箱機應(yīng)該完成的功能和各項技術(shù)指標，制定初步的原理設(shè)計方案。
本次設(shè)計的總體設(shè)計，全面考慮整個裝箱機系統(tǒng)的布局、運動協(xié)調(diào)性、造型設(shè)計、人-機環(huán)境以及裝箱運輸?shù)?。模塊化設(shè)計是一種先進的設(shè)計方法，它的核心思想是將系統(tǒng)根據(jù)功能分為若干模塊，將裝箱機中同一功能的單元設(shè)計成具有不同性能、可以互換的模塊，通過模塊的不同組合，使裝箱機多功能化、系列化。采用這種方法的優(yōu)點是：
(a)使裝箱機更新?lián)Q代速度加快。因為新機型的替代，往往是局部改進。將先進技術(shù)引進相應(yīng)的模塊，比較容易實現(xiàn)局部改進；
(b)縮短設(shè)計周期。當用戶提出要求后，只需更換模塊，或設(shè)計制造部分模塊，即可得到新的機型，滿足用戶需求；
(c)降低成本，便于維修；
(d)性能穩(wěn)定可靠。
因為模塊設(shè)計時，對裝箱機的功能劃分和模塊設(shè)計，進行了精心的研究，保證了模塊的性能，如：凸輪機構(gòu)、伺服機構(gòu)、檢測系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計量機構(gòu)、下料機構(gòu)等。對于必不可少的機械傳動系統(tǒng)，應(yīng)盡量利用現(xiàn)代化設(shè)計手段，在對產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新構(gòu)思、系統(tǒng)建模、動力分析、動態(tài)優(yōu)化，從而得到最佳設(shè)計方案。技術(shù)設(shè)計是將原理設(shè)計結(jié)構(gòu)化，確定零部件的數(shù)量、形狀、尺寸、材料等，對主要部件中關(guān)鍵零件進行動力計算、功率計算、強度計算、剛度計算。
畢業(yè)設(shè)計是工科大學(xué)畢業(yè)生面臨畢業(yè)時，一次綜合的全面的設(shè)計能力的訓(xùn)練。目前在于培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用機械設(shè)計和相關(guān)的課程的理論知識能力，加強和擴展有關(guān)機械設(shè)計方面的知識。
第2章 機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
2.1 機械總體方案
根據(jù)以上工作要求，綜合考慮機械手的功能實現(xiàn)和通用性，確定采用兩自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。整體方案初步確定自動裝箱機械手通過方形底座固定，接著利用齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動機械手做90°的回轉(zhuǎn)運動。機械手臂由一個關(guān)節(jié)相連，通過兩個單獨的步進電機帶動手臂上下移動及回轉(zhuǎn)。手臂末端連接著機械手，通過這個機械手的動作，將蘋果利用氣缸抓在機械手上，然后將其移動到輸送帶上，如此往復(fù)的循環(huán)。
2.2 機械手的構(gòu)成
機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1所示。
圖2-1 機械手的構(gòu)成
2.2.1 執(zhí)行機構(gòu)
（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；傳力機構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
（2）腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的機械手沒有腕部自由度。
（3）臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。
直角坐標占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。
2.2.2 驅(qū)動機構(gòu)
有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。
2.2.3 控制系統(tǒng)
有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特征。
2.3 升降機構(gòu)方案
2.3.1 方案確定
升降機構(gòu)通常有采用液壓缸的液壓式、采用氣缸的氣動式，也有采用絲杠/螺紋傳動的機械式。但是通常液壓式、和氣動式需要比較龐大的液壓/氣動系統(tǒng)來提供動力源，并且液壓式對工作環(huán)境污染較嚴重，而氣動式則沖擊較大，均不適合用于本次擺蘋果機的臂部升降機構(gòu)。
因此本次采用絲杠/螺紋傳動的機械式降機構(gòu)，為了提高工作效率本次采用滾珠絲杠副作為升降機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖示：
圖2-3升降機構(gòu)方案
2.3.2 結(jié)構(gòu)說明
2.3.3 功能實現(xiàn)
2.4 擺動機構(gòu)方案
擺動機構(gòu)，通?？梢酝ㄟ^齒輪傳動、四桿機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)）等實現(xiàn)，但是為了保證擺動機構(gòu)的穩(wěn)定性以及減小機構(gòu)尺寸確保機構(gòu)的緊湊性，本次采用齒輪傳動，結(jié)構(gòu)如下圖示：
第三章 部分零部件的計算與校核
3.1 升降機構(gòu)的設(shè)計
3.1.1 電動機的選擇
步進電動機又稱為脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運行特性好。
擺蘋果機臂部升降機構(gòu)要求電動機電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進電動機為反應(yīng)式步進電動機，具備以上的所有條件，我們選用了型號90BF004的反應(yīng)式步進電動機作為主運動的動力源，該機功率為0.42KW。選用時主要有以下幾個步驟：
3.1.2 步根據(jù)脈沖當量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號
(1)步距角
初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角,由于
綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。
(2)距頻特性
步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：
Mmq=
步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算：
式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為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軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。
而且初選電機型號時應(yīng)滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：
MkqMmq=λMjmax
計算Mkq的各項力矩如下：
①加速力矩
②空載摩擦力矩
③附加摩擦力矩
3.1.3 啟動矩頻特性校核
步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，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)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。
步進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。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。
3.2 滾珠絲桿副的選型與校核定
滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計中滾珠絲桿被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動中的滾珠絲桿加于設(shè)計和校核。其步驟如下：
首先對于一些參數(shù)說明如下：
軸向變載荷，其中i表示第i個工作載荷，i=1、2、3…n ；
第i個載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個載荷對應(yīng)的工作時間 (h) ;
絲桿副最大移動速度(mm/min);
絲桿預(yù)期壽命。
3.2.1 型號選擇
（1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式；
（2）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù)
①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5；
②計算當量轉(zhuǎn)速
③計算當量載荷
④初步確定導(dǎo)程
取4mm
⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速
⑥計算絲桿所需的額定載荷
（3）選擇絲桿型號
根據(jù)初定的和計算的，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。
3.2.2 校核計算
（1）臨界轉(zhuǎn)速校核
校核合格。
（2）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。
（3）滾珠絲桿的預(yù)緊
預(yù)緊力一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即：
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
第四章 三維模型的建立與裝配
近年來，隨著信息化的高速發(fā)展，很多三維建模軟件在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，這些三維建模軟件主要有：SolidWorks、pro/E、CATIA、UG等，這些軟件都有其獨特的特點。pro/E是全國高效普遍學(xué)習(xí)使用的三維建模軟件，?Pro/ENGINEER系統(tǒng)用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程人員的設(shè)計思想與習(xí)慣。參數(shù)化設(shè)計是?Pro/ENGINEER?系統(tǒng)最重要的特點。所謂參數(shù)化設(shè)計是指零件和裝配件的物理形狀由特征屬性值（主要尺寸）來驅(qū)動，用戶可以隨時修改特征尺寸和其他屬性。
4.1 零件模型的建立
裝箱機械是個相對復(fù)雜的機械系統(tǒng)，機械系統(tǒng)的零件數(shù)量較大，有些零件是根據(jù)設(shè)計要求自行設(shè)計，有些零件使用國家標準零件。下面將分別說明這兩類零件的三維建模過程。零件建模運用了拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等方式。
4.1.1 零件的建模
1. 底座模型的建立
1) 設(shè)置工作目錄 工作目錄是Solidworks默認文件保存的路徑，在建立模型前設(shè)置工作目錄，就能使得模型文件默認保存在指定目錄中。創(chuàng)建文件夾命名為模型。
2) 新建文件，命名為“底座”，用拉伸命令，草繪底座輪廓，創(chuàng)建輪胎實體。見圖4-1
3) 在底座上面創(chuàng)建軸承座，單擊草繪，草繪軸承座草圖。運用拉伸命令，設(shè)置拉伸高度為25。
4) 在軸承座上鉆4個M5×12的螺紋孔，采用圓周陣列的方式。
5) 在底座上打10個M8的螺紋孔，全部打通，完成模型建立見圖4-2.
圖4-1底座草繪
圖4-2 底座模型
2. 滾筒模型的建立
兩個滾筒模型直接使用旋轉(zhuǎn)凸體命令創(chuàng)建。其模型如圖4-3所示。
圖4-3 滾筒
3. 支架的建模
支架是電機與一對齒輪副的安裝載體，其設(shè)計尺寸根據(jù)兩者確定，根據(jù)設(shè)計的支架高度要求，其草圖如圖4-4所示、模型見圖4-5所示。
圖4-4 支架草圖
圖4-5 支架模型
4. 支架支撐模型建立
支架支撐是本機器重設(shè)計最復(fù)雜的一部分，支架支撐一端通過螺釘與絲杠上的螺母連接，中間部分裝有滑塊，另一部分通過軸連接齒輪和旋轉(zhuǎn)臂，零件模型如圖4-7所示。
圖4-7 基座模型圖
4.1.2 標準件的建模
裝箱機械的標準件有：軸承和連接緊固件，具體為深溝球軸承和螺栓螺母及螺釘。在solidworks中的標準庫里，包含有這兩類標準件。solidworks里的參數(shù)化建模的特點方便我們找到合適的標準件。標準庫里包含齒輪，改變齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)、壓力角和齒寬，就能得到符合設(shè)計要求的齒輪。
1. 軸承的調(diào)用
soldworks中的軸承標準庫根據(jù)國家標準號分類，根據(jù)不同軸承的國家標準編號，找到目標軸承,保存。軸承模型如圖4-10所示。
深溝球軸承 推力球軸承
圖4-10 軸承模型
2. 連接緊固件的調(diào)用
連接緊固件主要是螺栓螺母和螺釘，主要起了定位和固定的作用，在solidworks的連接緊固件標準庫中收納了幾乎所有標準螺栓螺母和螺釘，根據(jù)國標號和尺寸，尋找目標模型，其過程如圖4-11所示。選取模型如圖4-12所示。
打開設(shè)計庫
選取目標模型
圖4-11 選取過程
螺栓 螺釘
圖4-12 緊固件模型
3. 齒輪的調(diào)用修改
solidworks中的齒輪都是參數(shù)化模型，只要改變模型參數(shù)再生新的模型就可以得到目標齒輪模型。其模型如圖4-13所示。
圖4-13 齒輪模型
4.2 零件的裝配
完成零件的設(shè)計后，按照設(shè)計要求的約束關(guān)系或者連接方式將零件裝配在一起才能形成一個完整的產(chǎn)品或是機械裝置。solidworks提供的組件模塊就是用于裝配零件的。在solidworks系統(tǒng)中，模型裝配的過程就是按照一定的約束條件或連接方式，將各零件組裝成一個完整的整體并能滿足設(shè)計功能的過程。
4.2.1主軸裝配過程
由于整個機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)比較大，裝配的思路是將零件裝配成小組件，小組件再裝配成大組件，以此完成整個機械的組裝模型?，F(xiàn)實組裝過程也是如此。首先將電機與電機架用螺栓固定再支架最上面，然后通過聯(lián)軸器將電機軸與滾珠絲杠副連接起來，再將滑軌固定在支架上，最后依次連接支撐，軸承。就完成了行走機構(gòu)組件的安裝。如圖4-14所示。
圖4-14組裝過程
4.2.2 大齒輪與軸的裝配過程
大齒輪首先與軸配合好，然后通過彈性擋圈固定在旋轉(zhuǎn)臂上面。
如圖4-15所示。
圖4-15 裝配過程
4.2.3 整體裝配
上面已經(jīng)將所有小組件都組裝起來了，下面就要根據(jù)整體的約束關(guān)系和位置關(guān)系將裝箱機械完整組裝起來，結(jié)構(gòu)如圖4-16所示。
圖4-18 裝箱機械模型
第五章 旋轉(zhuǎn)臂有限元分析
有限元法是一種高效能、常用的計算方法。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以其廣泛應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中。有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。
有限元法的基本思路是將一個連續(xù)求解區(qū)域分割成有限個不重疊且按一定方式相互連接在一起的子域（單元），利用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全解域上待求的未知場函數(shù)。
這次分析，使用Solidworks Simulation分析，Solidworks Simulation是SolidWorks是達索系統(tǒng)（Dassault Systemes ）下的子公司開發(fā)出來的有限元分析模塊。
旋轉(zhuǎn)臂一段固定在軸上，由齒輪傳動帶動軸回轉(zhuǎn)，然后帶動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，故旋轉(zhuǎn)臂靠齒輪一端承受扭矩，靠近吸盤端吸取蘋果時收到蘋果的下拉力。所以主要對旋轉(zhuǎn)臂進行靜力分析，用來對其進行強度校核。
5.1 旋轉(zhuǎn)臂的靜力分析
靜力分析是計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)承受隨時間不變的載荷的情況。在Solidworks Simulation中，靜力分析的基本步驟：
1.模型處理
在分析之前，我們需要對模型進行相應(yīng)的簡化與處理，以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改包括特征消隱、理想化或清除等方法。利用這些處理可簡化網(wǎng)格，保證網(wǎng)格順利劃分。
2.新建算例
要生成算例，請右鍵單擊Simulation AnalysisManager樹中的頂部圖標，然后單擊“算例”。按照名稱、網(wǎng)格類型、分析類型和屬性定義算例。
3.添加材料屬性
在右擊Simulation AnalysisManager樹中“實體”/“殼體”中定義材料，打開對話框，可從SolidWorks、Simulation材料庫中選取，用戶還可自定義。
4.定義約束和載荷
用戶可通過“載荷與約束”添加所需的載荷與約束形式，Simulation提供了豐富的載荷與約束形式。
?5.網(wǎng)格劃分
用戶根據(jù)需要選擇合適網(wǎng)格大小與精度，進行網(wǎng)格劃分。
?6.求解
7.后處理
運行完成后，“結(jié)果“文件夾將出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移圖解，用戶還可根據(jù)需要添加其他圖解，如安全系數(shù)圖解等。
具體過程如下：
首先對模型進行處理，處理完的模型見圖5-1
圖5-1 模型
模型處理完畢之后，打開solidworks simulation插件，插件加載完畢之后，依次點擊simulation按鈕，再點擊算例顧問中的“新算例” ，“靜應(yīng)力分析”。進入到靜應(yīng)力分析界面。見圖 5-2
圖5-2 靜應(yīng)力分析界面
選擇旋轉(zhuǎn)臂零件，右鍵選擇“應(yīng)用/編輯材料”，然后選擇“合金鋼ss”，點擊“應(yīng)用”，“關(guān)閉”。見圖5-3所示。
圖5-3 材料選擇界面
點擊“夾具”，“固定幾何體”，選擇兩個圓柱面。見圖5-4
圖 5-4夾具選擇界面
點擊“外部載荷”，右鍵“扭矩”，力矩面選擇兩個圓柱面，方向任選一個面，力矩值為6.57Nmm。
然后再一次點擊“外部載荷”，右鍵“力”，力另一端的選擇螺紋孔內(nèi)，點擊“選定的方向”，然后點擊一條豎直邊作為參考方向。力的值設(shè)為20N。見圖5-5
圖5-5 載荷添加界面
點擊“網(wǎng)格”，右鍵生成“網(wǎng)格”，點擊“網(wǎng)格參數(shù)”，設(shè)置成2mm的網(wǎng)格。
最后直接點擊“運行此算例”。結(jié)果如圖5-6.
圖5-6 應(yīng)力圖
應(yīng)力最大位置在軸孔附近，見圖5-7
圖5-7 應(yīng)力最大位置
最大應(yīng)力值為1.236×107N/m2，小于材料的屈服力，故強度滿足。
位移圖見圖5-8，應(yīng)變圖見圖5-9。
圖5-8 位移圖
圖5-9 應(yīng)變圖
位移最大位置在螺紋孔附近，最大值為0.1333mm，最大應(yīng)變發(fā)生在軸孔附近，最大值為4.742×10-5
第六章 工程經(jīng)濟分析
工程經(jīng)濟分析是指對各種技術(shù)方案的經(jīng)濟效益進行計算、分析和評價，使得應(yīng)用于工程的技術(shù)能夠有效地為建設(shè)服務(wù)。其意義在于提高社會資源利用效率、降低項目投資風(fēng)險等。
裝箱機械研究歷程已經(jīng)快半個世紀了，研究的成果也很多，但是仍然無法在市場上推廣，雖然有些國家已經(jīng)在使用裝箱機械進行作業(yè)，但目前很多比較完善的裝箱機器人只能在實驗室完成其研究工作，原因就是裝箱機器人涉及多方面的領(lǐng)域，設(shè)計制造成本過高，裝箱的效果不盡人意，裝箱的效率更是不容樂觀，同時，裝箱具有季節(jié)性，往往一種裝箱機器人智能裝箱一類水果，裝箱機器人的利用效果不好，應(yīng)用裝箱機械進行裝箱的經(jīng)濟效益無法與人工的抗衡。
裝箱機械的在裝箱過程中對果實損傷比較大，間接地減少了果農(nóng)的經(jīng)濟收益，同時，裝箱機械系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其工作效率較低，無法與人工相比。
隨著技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的提升，可以極大地提高其機械性能，使得裝箱機械系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，成本降低，使用率提高，果農(nóng)的經(jīng)濟收益將加倍增長。這樣裝箱機械的社會效益也將提高，更重要的是將解放一大批勞動力，間接提高社會資源的利用率，所以說，裝箱機械具有巨大的市場前景。
總結(jié)
兩個多月的畢業(yè)設(shè)計在忙碌中就快要結(jié)束了,在這兩個多月的時間里,在畢業(yè)設(shè)計之余還要兼顧找工作,因此,在這段時間里我覺得生活非常的充實.不但在畢業(yè)設(shè)計中鞏固了以前的知識,而且在人生上學(xué)到在校園學(xué)不到的社會交際.
在接到畢業(yè)設(shè)計課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設(shè)計都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設(shè)計就不同了，它是一個綜合設(shè)計，很多資料，數(shù)據(jù)都需要自己通過各種途徑搜集得到。因此經(jīng)常跑圖書館。但是找遍整個圖書館都找不到。然而我的設(shè)計是根據(jù)這本書上所講的設(shè)計方法來做的，找不到絕對是一個沉重的打擊。幸好，在指導(dǎo)老師的指引和幫助下在機械系資料室找到了。在以后的設(shè)計中，《機械零件設(shè)計手冊》起到了很大的作用，是我畢業(yè)設(shè)計能順利按時完成的法寶。
接下來的工作根以前課程設(shè)計都差不多了，寫說明書，繪圖。但是最后就多了一步以前課程設(shè)計從未出現(xiàn)過的，就是實體繪制。只是學(xué)過去時CAD，因此有點害怕實體繪制。但是路還是要繼續(xù)走下去的，不能因為畏懼就停下來的，更何況這是我畢業(yè)設(shè)計的最后一關(guān)呢。因此面對這道難關(guān)，我決定勇敢地面對。于是去圖書館借來了許多CAD的書來看，從書店買來例題分析的書來研究。在繪制過程中遇到了不少的問題，但在自己探索，同學(xué)的幫助，老師的指引下，我的實體還是趕上了。當時我真的很高興，按時完成自然值得高興，但我覺得更自豪的是通過自學(xué)，我學(xué)會了許多以前在學(xué)習(xí)中學(xué)不到的東西，那只有通過自學(xué)才會領(lǐng)悟得到的。畢竟就快離開校園，走向社會了，在將來的人生上，學(xué)習(xí)是陪伴我們終生的，正所謂“活到老，學(xué)到老”，在人生上很多知識都是自學(xué)而獲得的。
在這里我要向在畢業(yè)設(shè)計中幫助過我的老師、同學(xué)、家人致謝，因為他們在整個設(shè)計中給予了我很多幫助和動力。特別是我的指導(dǎo)老師，他不惜勞苦，因此設(shè)計過程中很多問題都能及時得到解決。
總的來講，整個畢業(yè)設(shè)計給我留下深刻的印象，不僅僅是由于設(shè)計時間長，更多的是在畢業(yè)設(shè)計中我嘗到了辛、酸、苦、甜，它會是人生上留下不可抹殺的一頁。
參考文獻
［1］. 張盛, 李艷聰, 鄭爽爽. 淺析果蔬裝箱機械人研究現(xiàn)狀[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2015, 30: 48.
［2］吳宗澤. 機械設(shè)計手冊實用手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998:25-60.
［3］徐麗明. 生物生產(chǎn)系統(tǒng)機器人[M]. 1版. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2009: 83-130
［4］成大先.常用工程材料［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:1-200.
［5］濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2001:260-280.
［6］廖念釗.互換性與技術(shù)測量［M］.北京:中國計量出版社，2000:26-45.
［7］龔桂義.課程設(shè)計圖冊［M］.北京:高等教育出版社，2003:8-20.
［8］高鍵.機械優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)［D］.上海:科學(xué)出版社，1998:15-26.
［9］周開勤. 機械零件手冊［M］.北京:高等教育出版社,2000:69-96.
［10］黃浩乾. 裝箱機械手的設(shè)計及其控制研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010：4-5
［11］龔皈義.機械課程設(shè)計指導(dǎo)書［M］.北京:高等教育出版社，1990:2-25.
［12］趙圣祥，張元瑩.畫法幾何及機械制圖［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996:300.
［13］Gotou K, Fujiura T,Nishiura Y, et al. 3-D vision system of Tomato production robot[J]. Proceeding of the 2003 lEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2003): 1210-1215.
[14] Gotou K, Fujiura T,Nishiura Y, et al. 3-D vision system of Tomato production robot[J]. Proceeding of the 2003 lEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2003): 1210-1215.
致謝
通過本次畢業(yè)設(shè)計，使我們掌握了機器設(shè)計的一般步驟，也是我們第一次較全面的設(shè)計能力訓(xùn)練，在本次設(shè)計過程中，培養(yǎng)了我們理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練了綜合運用機械設(shè)計方面的知識，達到了了解和掌握自動機械的設(shè)計過程和方法。
本次設(shè)計的主要目的和主導(dǎo)思想是對高精度定量機的整體進行設(shè)計和改進，在設(shè)計中我們主要采用了齒輪的傳動，進一步加深了對機械設(shè)計的實踐能力，也對在大學(xué)四年里學(xué)到的其他相關(guān)課程進行了全面的復(fù)習(xí)和運用。尤其在綜合分析和解決問題，獨立工作能力方面得到了很大的鍛煉。鍛煉了我們的查閱資料的能力，培養(yǎng)了我們的協(xié)同工作的能力，但也暴露了我們的不足，比如：基礎(chǔ)不牢靠，缺乏經(jīng)濟觀念等。
由于時間的關(guān)系和能力的限制，在設(shè)計中難免存在錯誤和不足，懇請老師的批評和指正。在本次的設(shè)計中，得到了老師的大力幫助和指導(dǎo)讓我受益匪淺。使我得以順利的完成設(shè)計，再次表示衷心的感謝！
附錄A 外文翻譯原文
Non-destructive assessment of mango firmness and ripeness using a robotic gripper
ABSTRACT
The objective of the study was to evaluate the use of a robot gripper in the assessment of mango (cv. “Osteen”) firmness as well as to establish relationships between the non-destructive robot gripper measurements withembedded accelerometers in the fingers and the ripeness of mango fruit. Intact mango fruit was handled and manipulated by the robot gripper and the major physicochemical properties related with their ripening index were analysed.Partial least square regression models (PLS) were developed to explain these properties according to the variables extracted from the accelerometer signals.Correlation coefficients of 0.925, 0.892, 0.893 and 0.937 were obtained for the prediction of firmness, total soluble solids, flesh luminosity and the ripening index, respectively. This research showed that it is possible to assess mango firmness and ripeness during handling with a robot gripper.
Keywords: robot gripper, non-destructive, firmness, ripening index, mango
1. INTRODUCTION
Mango (Mangifera indica L.) is a tropical fruit with high added-value and among the most widely cultivated and consumed fruit in tropical regions. It is the fifth fruit in global consumption and third among tropical fruits, immediately behind banana and pineapple. It has been cultivated in India for more than 4000 years,but the increasing demand has stimulated production of mango and nowadays is being grown in more than 80 countries. The major producers of mango in terms of volume are India, China and Thailand (FAOSTAT, 2014). In Spain,cultivation of mango is centered in two regions, Andalucía and the Islas Canarias. Due to its good climatic adaptation, the absence of pests and the increment in inside market, Málaga region (Andalucía) has shown a significant increase during last years. Therefore, all future predictions point to an increase in the expansion of the mango market, thus extending their growing areas,productions and markets.Mangoes are climacteric fruits, and their ripening process takes place rapidly during post-harvest time after being picked. During the ripening process, several physiological and biochemical pathways are activated simultaneously bringing changes in the fruit (Bouzayen et al., 2010), which are initiated by autocatalytic production of ethylene and increase in respiration. The changes observed
generally include textural softening (Yashoda et al., 2007; Jha et al., 2010),changes in colour due to the disappearance of chlorophyll and appearance of other pigments as carotenoids (Gouado et al., 2007; Zaharah et al., 2012;Rungpichayapichet et al., 2015), loss of organics acids, increase of soluble solid content, decrease of tritatable acidity and in general changes in taste, aroma and flavour (Singh et al., 2013). Accurate determination of fruit ripening stage is important to determine the packing procedure in the postharvest handling (Hahn, 2004) and to provide a consistent supply of good quality fruit (Saranwong et al., 2004). The measurement of total soluble solids, starch content, acidity, or firmness, are used as maturity index, but not always these parameters are correlated with optimal fruit quality. Among these parameters,firmness has been considered a reliable indicator of mango maturity at harvest and ripeness stages during commercial mango handling, as well as an important tool for growers, importers, retailers and consumers (Padda et al.,2011). Firmness can be measured manually by a trained person with a hand held penetrometer but this technique shows many disadvantages in terms of poor repeatability, subjectivity and is limited at certain stages of maturity(Peacock et al., 1986). The use of automated penetrometers is another alternative to measure the firmness of mango fruit but shows the disadvantage that is a destructive method which can be applied only to one sample of a fruit batch. The development of a reliable non-destructive method to assess the mango ripeness at the packing site is critical to the success of the mango industry.
Mango fruit primary packaging operations are usually done by hand. Human
manipulation is able of handling mangoes with care at high speed and, at the same time, sorting the mangoes by certain quality attributes. This manual operation could spread foodborne diseases and operators can suffer musculoskeletal disorders for repetitive movements. In the automation of primary packaging lines in food industry, robotics has clear opportunities(Wilson, 2010). To achieve the objective, robot grippers need to improve their ability for handling irregular and sensitive products like mango fruit, and incorporate tactile sensing. Different solutions regarding the development of robot grippers for handling fruits and vegetables have been proposed by Blanes et al., 2011. In this study, gripper finger should be adapted to the product for achieving an adequate manipulation by means of the actuation on the gripper mechanisms (Meijneke et al., 2011). Some developments related to the use of this technology can be found in industrial applications (Lacquey,www.lacquey.nl). Jamming grippers have a tremendous potential in robotics(Jaeger et al., 2014). By using the jamming of granular material it is possible to adapt product shapes and, at the same time, manipulate irregular products(Brown et al., 2010). Despite of the developments made in the tactile sensors for robotic applications, the entry in the industrial automation is extremely lowe specially due to the lack of reliable and simple solutions (Girao et al., 2013).
Some developments can be found for vegetable grading using tac
收藏