椰子采摘機(jī)的設(shè)計(jì)

《椰子采摘機(jī)的設(shè)計(jì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《椰子采摘機(jī)的設(shè)計(jì)（29頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、椰子采摘機(jī)的設(shè)計(jì) 海南大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目： 椰了采摘機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué) 號： 20150581310095 姓 名： 李浩文 年 級： 2015級 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 系 另U ： 機(jī)械系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 朱冬云 完成日期：2015年5月10日 對于本次要設(shè)計(jì)的椰子采摘機(jī)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(jī)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(jī)械手的第一個自由度，同時也是我們這個機(jī)械手的載體 組成。因?yàn)閷τ谝粋€機(jī)械手來說，其所有的重量

2、以及運(yùn)轉(zhuǎn)的部件都是以此當(dāng)做基礎(chǔ)的。 所以這樣的要求對底座就需要具有強(qiáng)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。考慮到這點(diǎn)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?yàn)槠渚哂腥缦绿匦裕? 1：作為機(jī)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(fù)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(jī)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(jìn)行連接的。當(dāng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)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(jī)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(jì)有卡簧，其目的 是對渦輪進(jìn)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(dá)到360度，此處選擇的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，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(jī)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(jì) 在本小節(jié)中需要完成的設(shè)計(jì)就是構(gòu)成此機(jī)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(jī)構(gòu)。作為一個連接體，由 于要跟底座主軸進(jìn)行一個連接，所以在結(jié)構(gòu)上將其設(shè)計(jì)成圓柱形狀，連接的方式采用螺 釘螺母進(jìn)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(jì)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(jī)。為了 能讓大臂進(jìn)行一個運(yùn)轉(zhuǎn)，電動機(jī)需要一個載體和大臂進(jìn)行連接，這個載體選定為大臂軸 來進(jìn)行連接。動力上的傳輸原理如下：電動機(jī)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(jìn)行固定的，這樣就能將電動機(jī)的動力傳遞給大臂。針對這些，設(shè) 計(jì)出如下示意圖： 圖3-4腰部結(jié)構(gòu)示意圖 完成了機(jī)械手的底座和腰部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之后，下面需要設(shè)計(jì)的一個機(jī)構(gòu)就是剛才上 面提到的和腰部機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接的大臂機(jī)構(gòu)。大臂機(jī)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(jìn)行連接，這是周向定位，而 對于軸向定位就采用鍵進(jìn)行連接。同理對于與上面的凸臺機(jī)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(jì)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(yùn)動性質(zhì)及底座蝸輪蝸桿的電機(jī)選型，本次大臂中電機(jī)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(jī)選擇符合設(shè)計(jì)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(jì)如圖3-5所示： 圖3-5機(jī)械手大臂結(jié)構(gòu)示意圖 3. 3.4連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 底座與腰部體的連接組成其第一個自由度，大臂機(jī)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(jì)成連桿結(jié)構(gòu)。由于大臂機(jī)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(jìn)行相同的連接，所以我們將此連桿拆分成三個進(jìn)行 說明：電動機(jī)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(jī)構(gòu)。根據(jù)以上思

8、路設(shè)計(jì)的連桿具體示意圖參見下圖3-6所示。根據(jù)上述幾點(diǎn)設(shè)計(jì)思路，對整個連桿機(jī)構(gòu) 有了初步的設(shè)計(jì)方案，具體的參數(shù)計(jì)算如下： 初步選擇此處電機(jī)型號為Y132S1-2 =5.5KW n=2900r/min 〃 = 0.98,計(jì) 算得其轉(zhuǎn)矩為： 5 5x0 98 T4 = 9550 x-———=17.7N ? m < 80N 符合要求 2900 電機(jī)的選型完成后，開始設(shè)計(jì)大連桿的各項(xiàng)參數(shù)要求，從長度設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中己經(jīng)提到過了。根據(jù)以上設(shè)計(jì)條件，作出如 下結(jié)構(gòu)示意圖： 圖3-7連桿機(jī)構(gòu)連接設(shè)計(jì) 3. 3.5伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)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(jī)。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(jī)進(jìn)行提供動力，其 具體的形式選用齒輪齒條進(jìn)行伸縮，結(jié)構(gòu)如下圖所示： 其中，齒輪的各項(xiàng)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(jì) 通過查閱相關(guān)的資料可以得知對于一個機(jī)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(jī)械手在作用上是用來進(jìn)行椰子的采摘的，那么，本次設(shè)計(jì) 的機(jī)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(jì)圖 從

11、上面這個圖上面，可以清楚的看出，本次設(shè)計(jì)的椰子采摘機(jī)械手的手爪部分是由 4個類似手指的關(guān)節(jié)件組成。當(dāng)控制系統(tǒng)下命令對椰子進(jìn)行采摘時，機(jī)械手的其他相關(guān) 結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)械手的手爪來說，在結(jié)構(gòu)上需要考慮其是如何進(jìn)行固定的。參考下圖3-10可 以看出，這個機(jī)械手的手爪部分的動力裝置也是由電動機(jī)進(jìn)行提供的。在結(jié)構(gòu)上，電動 機(jī)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(dāng)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，就會帶動手爪軸進(jìn)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(jìn)

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(jī)械連接的話可能會造成手爪結(jié)構(gòu)在運(yùn)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(jì)了軸承來達(dá)到運(yùn)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(qiáng)度校核 1 .蝸桿的受力分析 為了方便計(jì)算，將蝸輪蝸桿嚙合過程中摩擦力的影響忽略不計(jì)，其他參數(shù)參照以下 公式進(jìn)行計(jì)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(dǎo)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(qiáng)度校核： (3-5) 查表得知=2. 6o 根據(jù)設(shè)計(jì)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(qiáng)度的要求。 3.蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核以外還要進(jìn)行蝸桿的剛度校核。計(jì)算過程中，為了方便計(jì) 算，將蝸桿的螺旋部分忽略不計(jì)，當(dāng)做圓柱形的軸段來計(jì)算，計(jì)算公式如下所示： (3-10) 式中: 匕——這個字母在這個計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算公式中代表的意義是：蝸桿危險(xiǎn)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(jì)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(jì)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(jì)過程中，我們已 經(jīng)對這個齒輪進(jìn)行了一個參數(shù)確定m=3, Z=20. 齒輪彎曲強(qiáng)度校核（直齒輪） /wti = 0.0062 V[y] = 0.02mm 式中: —圓周力：Fj = -j- d 一計(jì)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(dāng)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，?。篕廣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(fù)雜，

19、椰子的采摘在一定程度上也對其銷量產(chǎn)生負(fù)面影 響，針對此問題，所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是通過機(jī)械臂與機(jī)械手的方式完成椰子采摘機(jī) 的設(shè)計(jì)，減少椰子采摘過程中的勞動力損耗。在整篇設(shè)計(jì)中，首先對椰子采摘機(jī)械手這 個概念進(jìn)行了敘述，確定了組成此椰子采摘機(jī)械手的自由度數(shù)為5個；其次是對整個椰 子自動采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大致設(shè)計(jì)，接著是機(jī)械手、底座等部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一一完 成屬于此機(jī)械手的各個自由度的介紹，各動力元器件的選型與計(jì)算。在上述幾項(xiàng)設(shè)計(jì)完 成了之后，再運(yùn)用大學(xué)四年專業(yè)課上老師教授的機(jī)械類知識對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證與校核 的計(jì)算，最后再使用CAD軟件對整個椰子采摘機(jī)進(jìn)行整機(jī)、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(jì)以及參數(shù)計(jì)算過程，達(dá)到課題設(shè)計(jì)的最終目的。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；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(shí)際的齒輪彎曲強(qiáng)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(diǎn)對這個椰子采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

21、進(jìn)行了一個設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程 中重點(diǎn)介紹了各個自由度是如何才能達(dá)到要求的。以及這個機(jī)械手在空間結(jié)構(gòu)上是如何 能進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。這些設(shè)計(jì)的完成標(biāo)志著此椰子采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)上的完結(jié)。但是光有機(jī) 構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jìn)行 了一個強(qiáng)度校核。這些校核的目的是為了從側(cè)面反映出設(shè)計(jì)的合理性。 4底座設(shè)計(jì)與選型 4.1引言 本章主要對安置椰子采摘機(jī)械手的底盤小車進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于底部小車不是整個采 摘機(jī)械的主體部分，所以在此只進(jìn)行簡要敘述。 4. 2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4. 2. 1采摘工作運(yùn)動環(huán)境 本次設(shè)計(jì)的椰子采摘機(jī)主要會投放導(dǎo)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(yùn)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(jì) 由小車的運(yùn)行環(huán)境可知，在椰子采摘工作中小車的車輪設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)中，將椰子自動采摘機(jī)的運(yùn)動裝置設(shè)計(jì)為履帶。具體設(shè) 計(jì)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(jì)算： 暫定整個采摘機(jī)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(jì)算獲得以下參數(shù)計(jì)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(jì)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(jī)底盤，選用七輪短支腿履帶行走平臺。 4. 2.3支撐座設(shè)計(jì) 要使整個椰子采摘機(jī)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(jì)一個能將機(jī)械手與運(yùn)動車輪相連接的機(jī)構(gòu)，因此，在設(shè)計(jì)中，增加了機(jī)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(yùn)送到倉庫，而這個搬

25、運(yùn)工作不 解決就必須增加人力搬運(yùn)。為了減少搬運(yùn)椰子的人工消耗，在整個機(jī)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(yùn)同時進(jìn)行。我們將這個椰子安放地選擇 在支撐座上，支撐座安裝機(jī)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(yùn)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(jì)圖如下: 椰子框 S G 仞 圖4-3支撐座設(shè)計(jì)圖 4. 3本章小結(jié) 在本章節(jié)中，主要對椰子采摘機(jī)的底盤及車輪進(jìn)行了簡要敘述，通過這些整體上的 完善，來達(dá)成椰子采摘機(jī)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(jī)械的正 常運(yùn)動以及采摘工作的安全進(jìn)行。 5總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的裝置是椰子采摘機(jī)械手，它的主要功能有以下幾個方面：1：能夠?qū)δ繕?biāo) 椰子有一個準(zhǔn)確的位置定位；2:能夠?qū)⒈蛔ト〉囊訙?zhǔn)確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(jī)械手的多自由度，同時也借助于機(jī)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(jī)械手的工作原理 當(dāng)我們需要進(jìn)行椰子的采摘時，首先將機(jī)械手裝置通過下面的小車推到指定的椰子 采摘地點(diǎn)。然后，通過開啟各個機(jī)械手的電機(jī)使機(jī)械手能順利進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)械手的爪 部運(yùn)轉(zhuǎn)到椰子跟前時，通過自

27、身的定位性能進(jìn)行一個定位。手部的手爪進(jìn)行抓取，然后 將采摘下的椰子通過一系列運(yùn)轉(zhuǎn)放到指定的蘿筐中去。 2:在結(jié)構(gòu)上，此機(jī)械手是5個自由度組成的。底部有一個小車進(jìn)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(jī)械手推到指定的采摘區(qū)域，減少人工 搬運(yùn)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(jì)主要對機(jī)械手的蝸輪蝸桿還有小臂軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核。因?yàn)閷τ谝粋€ 機(jī)械手來說各部件的強(qiáng)度和剛度校核成功與否直接關(guān)系到設(shè)計(jì)的合格性以及操作的合 理性。 致謝 轉(zhuǎn)眼間大學(xué)四年已經(jīng)快要結(jié)束，畢業(yè)設(shè)計(jì)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(rèn)真聽好每一堂課，導(dǎo)致畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中四 處磕絆；慶幸碰到了一個負(fù)責(zé)任的導(dǎo)師，在別的同學(xué)抱怨導(dǎo)師不管他們時，我的導(dǎo)師定 期催促一次進(jìn)度，有問題時也會耐心解答。 當(dāng)導(dǎo)師布置課題時，得知我的課題是椰子自動采摘機(jī)，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(jì)文檔，最終才開始了畢設(shè)的第一步。在設(shè)計(jì)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(jì)。 最后，也通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，向所有教導(dǎo)過我的老師們說一聲謝謝！感謝你們的教 導(dǎo)，讓我從一個只知語數(shù)外物化生的

29、高中生，蛻變到能獨(dú)立完成一份設(shè)計(jì)的畢業(yè)生，在 今后的人生旅途中，或許再無相遇的機(jī)會，但你們授予我的知識將終生受用。同時，也 感謝在大學(xué)四年所有接觸過的同學(xué)，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(xiàn) [1] 付永領(lǐng)，張桂英，李軍.一種簡化的機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析方法及其仿真研究[J].《機(jī)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(jī)械手三維實(shí)體仿真[J].機(jī)械工程與 自動化，2011, 3(166)： 29-31. [3] 臧慶凱.六自由度機(jī)械

30、手運(yùn)動學(xué)與運(yùn)動規(guī)劃研究[D].廣西：廣西工學(xué)院，2012. [4] 蔣新松.未來機(jī)械手技術(shù)發(fā)展方向的探討[刀.機(jī)械手，1996, 18(5)： 286-287. [5] 李澤胤.淺析工業(yè)機(jī)械手[J].科學(xué)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(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].民營科技，2013, (8)： 34. [7] 劉宏偉.基于ADAMS的五自由度機(jī)械手運(yùn)動學(xué)仿真[J].機(jī)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(jī)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(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué) 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(jī)械手發(fā)展現(xiàn)

32、狀[J].機(jī)械手技術(shù)與應(yīng)用，2001, (1)： 2-5. [12] 汪曾祥，魏先英，劉祥至.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2002, 3-8. [13] 李仁.電器控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001, 4-12. [14] 劉松國.六自由度串聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2009. [15] 周斌，王效岳，張忠奎，顏世周.基于UG和ADAMS的機(jī)械手三維實(shí)體仿真[J].機(jī)械工程 與自動化，2011, 3(166)： 29-31.. [16] 丁彩紅，張中，賴勇.主從機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)與優(yōu)化.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 1001-3997

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(jī)械手國內(nèi)發(fā)展形勢 5 1.3工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手的總體構(gòu)成 7 2. 2. 1機(jī)械手的本體組成 7

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

39、.2行走履帶設(shè)計(jì) 21 4. 2. 3支撐座設(shè)計(jì) 22 4. 3本章小結(jié) 22 5總結(jié) 24 致謝 25 參考文獻(xiàn) 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(yùn) 成本高，自動化程度較低的實(shí)際情況考慮出發(fā)，利用大學(xué)所學(xué)的知識以及導(dǎo)師的相關(guān)幫 助設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)械手的設(shè)計(jì)，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(jī)械手的認(rèn)知、提 升自己綜合運(yùn)用知識以及處理問題的能力。 1.2機(jī)械手國內(nèi)發(fā)展形勢 機(jī)械手起步最早的是采摘機(jī)械手?？v觀09年的三大采摘展，最初的機(jī)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(jī)械手模型可以追索到唐朝時期, 那是的軍隊(duì)雙方交戰(zhàn)采用的用來投石的機(jī)器就是現(xiàn)在的機(jī)械手的最初模型。但是由于當(dāng) 初科技沒那么發(fā)達(dá)，所以其動力裝置不是現(xiàn)在的這樣使用電機(jī)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(jī)械能，達(dá)到進(jìn)攻敵軍的目的。機(jī)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(diǎn)的事項(xiàng)開啟，工業(yè)水平得 到質(zhì)的飛躍，機(jī)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(jī)械手邁 入到醫(yī)學(xué)行業(yè)的使用中去。 1. 3工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用于椰子采摘 在椰子采摘過程中，人工采摘費(fèi)時費(fèi)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(jī)式的水平切割, 這種采摘方式速度快但準(zhǔn)確度低；二為機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)械手采摘。椰子采摘機(jī)械手主要由工業(yè) 機(jī)械臂演化而來，機(jī)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(qiáng)度作業(yè)等，完成人力無法達(dá)到或者很難達(dá)到的工作目標(biāo)。而在椰 子采摘中，工作條件遠(yuǎn)以及工作環(huán)境沒有工業(yè)生產(chǎn)來的復(fù)雜，采摘工作在普通環(huán)境下進(jìn) 行，椰子個體質(zhì)量不大，都在l-3Kg,因此，在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的設(shè)計(jì)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(jì)椰子采摘機(jī) 械手的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，所有的設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)

43、度校核以及剛度校核，以保證椰子采摘過程 的安全進(jìn)行。 1. 4本章小結(jié) 在本章中，重點(diǎn)介紹了機(jī)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(jì)的靈感來源一一工業(yè)機(jī)械臂，以及選用機(jī)械手采摘的原因。 2總體方案的確定 2.1引言 在開始此機(jī)械手的設(shè)計(jì)之前。我們需要明確的一個點(diǎn)就是此機(jī)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(jī)械手定位于將lm左右高度的椰 子所在起點(diǎn)位置A點(diǎn)，通過各關(guān)節(jié)自由度的運(yùn)轉(zhuǎn)放置到B點(diǎn)的過程。 2. 1. 1椰子采摘機(jī)械手工作環(huán)境 本次的椰子采摘機(jī)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(jī)械手所能達(dá)到的抓取的精度必須要符合設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(jī)械手 的相關(guān)參數(shù)為以下幾個方面：1：采摘機(jī)械手總高度不超過1.5m； 2：機(jī)械手自由度定為: 5個；3：各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速＜5rpmo所設(shè)計(jì)的椰子采摘機(jī)械手必須滿足以上三個參數(shù)，以保證 椰子采摘機(jī)械手在工作過程中能正常運(yùn)行。 2. 2椰子采摘機(jī)械手的總體構(gòu)成 2. 2.1機(jī)械手的本體組成 本次設(shè)計(jì)的椰子采摘機(jī)械手由底座、腰部、大臂、連桿機(jī)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(jī)械手。 2. 2.2機(jī)械手自由度的分配 既然要進(jìn)行自由度的設(shè)計(jì)，那必須要明確自由度的定義：即機(jī)構(gòu)可運(yùn)動的關(guān)節(jié)數(shù) 目。因?yàn)閷τ诠I(yè)采摘機(jī)械手來說一個可以運(yùn)動的關(guān)節(jié)就是一個自由度，所以顯而易見, 增加機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械 手運(yùn)作更靈活，但同時它控制起來也會越困難，再往現(xiàn)實(shí)一點(diǎn)說，制造的成本也越高， 這樣就不符合設(shè)計(jì)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(shí)際情況， 符合條件即可，在能達(dá)到采摘工作中各項(xiàng)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(jī)械手自由度數(shù)量的利弊分析，最終決定將本椰子采摘機(jī)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(jī)來驅(qū)動每一個關(guān)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械臂各部分結(jié)構(gòu)介紹如下：結(jié)構(gòu)1是底座，可進(jìn)行360° 轉(zhuǎn)動；結(jié)構(gòu)2是大臂，可進(jìn)行180°轉(zhuǎn)動；結(jié)構(gòu)3是連桿機(jī)構(gòu)，與大臂一樣能進(jìn)行180° 轉(zhuǎn)動；結(jié)構(gòu)4是齒輪齒條機(jī)構(gòu)，能夠上下滑動，上下滑動的距離范圍為0?240mm；機(jī)構(gòu) 5為腕部結(jié)構(gòu)。采摘機(jī)械手的端部我們就采用手爪的形式來進(jìn)行當(dāng)做抓取

47、的形式，本次 設(shè)計(jì)的具體形式如下圖2-1所示： 04 圖2-1采摘機(jī)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(shí)際工作環(huán)境的限制來完成本次設(shè)計(jì)的椰 子采摘機(jī)械手的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，最后對這個采摘機(jī)械手的5個自由度的分配 進(jìn)行一個詳細(xì)敘述。下一章主要對此椰子采摘機(jī)械手進(jìn)行一個參數(shù)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證校核。 3椰子采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3. 1引言 本章主要從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度，如設(shè)計(jì)、校核、選型等方面來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手的各部 分結(jié)構(gòu)及電機(jī)的選型等。但由于機(jī)械手的小部件太多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在本次設(shè)計(jì)中只 對主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及校核。 3. 2

48、椰子采摘機(jī)械手總體外形設(shè)計(jì) 在第二章中己經(jīng)確定了此椰子采摘機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，確定了這個椰子 采摘機(jī)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(jī)械手的 自由度是如何進(jìn)行的一個分配，確定了此椰子機(jī)械手的各自由度組成。所以針對這些內(nèi) 容我們設(shè)計(jì)出的符合此抓取機(jī)械手的原理圖如下圖3-1所示： 圖3-1機(jī)械手總體外觀結(jié)構(gòu) 3. 3椰子采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 外觀的設(shè)計(jì)對于機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)能夠滿足需求，實(shí)際上細(xì)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(dá)到我們需要的點(diǎn)？以及部件的設(shè)計(jì)需 要注意點(diǎn)是什么？這些都是我們需要進(jìn)一步考慮的內(nèi)容。針對這些，需要對此椰子采摘 機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件細(xì)化設(shè)計(jì)如下： 3. 3.1底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(qiáng)度的要求。 4.蝸桿的剛度校核 本設(shè)計(jì)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