椰子采摘机的设计-机械设计制造及其自动化

毕业论文（设计）题目：椰子采摘机的设计摘要曲于椰子的摘取工艺过于复杂，椰子的釆摘在一定程度上也对其销量产生负面影响，针对此问题，所以本次毕业设计主要是通过机械臂与机械手的方式完成椰子采摘机的设计，减少椰子釆摘过程中的劳动力损耗。在整篇设计中，首先对椰子采摘机械手这个概念进行了叙述，确定了组成此椰子采摘机械手的自山度数为5个；其次是对整个椰子自动采摘机的整体结构进行大致设计，接着是机械手、底座等部分的结构设讣一一完成属于此机械手的各个自山度的介绍，各动力元器件的选型与计算。在上述儿项设计完成了之后，再运用大学四年专业课上老师教授的机械类知识对这些结构进行验证与校核的计•算，最后再使用CAD软件对整个椰子采摘机进行整机、局部、零件等的图纸绘制处理，通过这一连串的结构设计以及参数计算过程，达到课题设计的最终□的。关键词：机械手；步进电机；CAD；自由度AbstractBecausethepickingprocessofpineappleistoocomplex,thepickingofpineapplehasanegativeimpactonitssalestoacertainextent.Inviewofthisproblem,thisgraduationprojectismainlytocompletethedesignofpineapplepickingmanipulatortoreducethelaborlossintheprocessofpineapplepicking・Inthewholedesign,firstly,theconceptofpineapplepickingmanipulatorisdescribed,andthedegreeoffreedomofthepineapplepickingmanipulatorisdeterminedtobe5.Secondly,theoverallstructureofthewholepineapplepickingmachineisroughlydesigned,followedbythestructuraldesignofthemanipulator,thebaseandotherparts-theintroductionofeachdegreeoffreedombelongingtothemanipulatorandthepowerelementsarecompleted・Selectionandcalculationofcomponents・Afterthesedesignshavebeencompleted,thesestructuresareverifiedandcheckedbyusingthemechanicalknowledgetaughtbytheteachersinthefour-yearprofessionalcourse.Finally,thewholepineappleharvesterisdrawnandprocessedbyCADsoftware・Throughthisseriesofstructuraldesignandparametercalculationprocess,theultimategoaloftheprojectdesignisachieved.Keywords:Manipulator;StepperMotor;CAD;DegreeofFreedom#图3-9手爪设计图从上面这个图上面，可以清楚的看出，本次设计的椰子釆摘机械手的手爪部分是由4个类似手指的关节件组成。当控制系统下命令对椰子进行采摘时，机械手的其他相关结构进行一个自由度的空间位移变换。最后，手爪的松紧决定了椰子的抓取和放松。对于这个机械手的手爪来说，在结构上需要考虑其是如何进行固定的。参考下图3-10可以看出，这个机械手的手爪部分的动力装置也是山电动机进行提供的。在结构上，电动机的动力要传递到手爪轴上，则是通过键连接来传递动力。而手爪轴与手爪之间的固定方式为螺钉固定，这样一来当电动机运转的时候，就会带动手爪轴进行转动，手抓轴转动就会带动手爪结构的转动，动力的传动依次递进到手爪为止。由于如果手爪轴和手爪结构只是单一的纯机械连接的话可能会造成手爪结构在运转的时候阻力较大的悄况发生。所以，针对这个问题，我们在手爪结构中设计了轴承来达到运转时候的润滑作用。电机手JK轴承轴紬重端盖图3-10手爪部分结构示意图3.4关键零件强度校核

3.4.1圆柱蜗杆传动的强度校核1•蜗杆的受力分析为了方便汁算，将蜗轮蜗杆啮合过程中摩擦力的影响忽略不计，其他参数参照以下公式进行计算：Frl=Fr2=F山macosancos/cosancos/d2cosancos/(3-1)(3-2)(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)Tl、T2——蜗杆及涡轮上的公称转矩；dl、d2——蜗杆及涡轮的分度圆直径；图3・12(a) 图图3・12(a) 图3・12(b)图3・12蜗轮蜗杆传动受力分析示意图(3-5)蜗轮齿面接触疲劳强度校核：(3-5)M[b〃]查表得乙二2.6。

根据设计的要求：T产8X104N・mnbT:=5X104N•mm,滑动速度0・3m/s。蜗轮材料选灰铸钢HT200,则Zw=188.0,[tr„]=132MPaaK二KAKHKv。取KA=1,KP=bKv二1・1。则K=1X1X1.1=1.Io将相关数据代入式3-5得:(3-7)b〃= X2.6X188MFa<1^1=182MPa(3-7)综上所述，蜗轮符合齿面接触疲劳强度的要求。蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核"刖亠丫心誥存Y"刖亠丫心誥存Y加(3-7)式中:厶一一蜗轮轮齿弧长，其中&为蜗轮齿宽角;—法向模数，mzncosy;齿根应力校正系数;Y£——弯曲疲劳强度的重合度系数，取电二0.667；「―螺旋角影响系数，沪-胡将以上参数代入式（3-6）得(3-8)H邑禺必S[6・](3-8)cljd2nicosg式中:Y畑一一蜗轮齿形系数，可山表查得Y,a2=2.48y4°36,26M

乙=]_亠=]_ =0.902120°°120°120°将相关数据代入式（3-7）中得：磴产2沪亦册黑才2畑。.962"杯心。呗(3-9)该蜗轮符合齿根弯曲疲劳强度的要求。4•蜗杆的刚度校核本设计中的蜗杆材料为45钢。为了防止特殊悄况下蜗杆受到力的作用后发生较为明显的形变，从而造成应力集中，对蜗轮蜗杆的啮合产生影响，所以除了齿面接触疲劳

强度和齿根弯曲疲劳强度校核以外还要进行蜗杆的刚度校核。计算过程中，为了方便讣算，将蜗杆的螺旋部分忽略不计，当做圆柱形的轴段来计算，计算公式如下所示：48EI^<[y](3-10)48EI^<[y](3-10)式中:Ffl——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：蜗杆所受的圆周力由公式（3-2）已经推出;Frl——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：蜗杆所受的径向力山公式（3-3）已经推出；E——这个字母在这个计•算公式中代表的意义是：蜗杆材料的弹性模量；I——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：蜗杆危险截面的惯性矩,匸仏，其中£为蜗杆齿根圆直径；64L——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：蜗杆两端支承间的跨距,L二166mm；［刃一一这个字母在这个讣算公式中代表的意义是：许用最大挠度,将相关数据代入公式（3-8）得:(2x8x10")2 (2x5xl0han20o)2(2x8x10")2 (2x5xl0han20o)2x166'〃〃〃=0.0062<[y]=0.02/wz?50160y=所以通过校核该蜗杆符合刚度的要求。3.4.2小臂处齿轮的校核我们此处说的齿轮就是指前面所确定的齿轮校核。在前面的设计过程中，我们已经对这个齿轮进行了一个参数确定呼3,Z二20.齿轮弯曲强度校核（直齿轮）(4-1)式中:片—圆周力：F严匹;dtk—计算载荷d—节圆直径：d=上竺，其中叫为齿轮的法向模数；COS00—斜齿轮螺旋角；Ka—应力集中系数，查表，取K"二1.50；b—齿面宽；t—法向齿距：t=mnn；y—齿形系数,可按当量齿数=——在齿形系数图4.1中查得;COS，PK£—重合度影响系数，查表，取：K广2.0。将上述有关参数据代入公式（4-1）,整理得到“玉瞥 （4一2）7izni-yKeK£齿轮校核一一主动齿轮：已知:Tg=35.02x10sN•nun；0=0°；Ka=1.5：mn=3mm；K（=7.0:xz=-0.016；K£=2.0；z“=——=20,查齿形系数图3-13得：y二0.125,把以上数据代COSPCQS0c入(4~2)式，得：□\cospo© 2x35.02xl03xcos0°xl.5兀电〃叮yK(K£3.14x20x3-x0.125x2x7实际的齿轮弯曲强度大小为300Mpa,所以此齿轮校核合格。3.5本章小结在本章中，我们重点对这个椰子釆摘机械手的结构进行了一个设计。在设计的过程中重点介绍了各个自由度是如何才能达到要求的。以及这个机械手在空间结构上是如何能进行运转的。这些设计的完成标志着此椰子采摘机械手的结构上的完结。但是光有机构的设汁还是不够，在最后一些小章节我们乂对一些关键部件如：蜗轮蜗杆、齿轮进行了一个强度校核。这些校核的目的是为了从侧面反映出设计的合理性。4底座设计与选型4.1引言本章主要对安置椰子采摘机械手的底盘小车进行设汁，但山于底部小车不是整个采摘机械的主体部分，所以在此只进行简要叙述。2整体结构设计2.1釆摘工作运动环境本次设计的椰子采摘机主要会投放导种植椰子树的果园之中，众所周知，果园的种植地路面非平坦的水泥或者柏油马路，因此小车的运动环境也非平路，主要包括湿滑的泥泞路面、坑洼路段、斜度较小的上坡及下坡路段。4.2.2行走履带设计山小车的运行环境可知，在椰子采摘工作中小车的车轮设计不能是如普通推车那样同一水平面的4个轮子来解决，它不仅仅是能运动就行，还要应对果园中可能出现的各种路面悄况，因此，在本次设计中，将椰子自动釆摘机的运动装置设计为履带。具体设计形状简图如下如所示：图4-1履带结构示意简图履带节距及履带板宽度计算：暂定整个采摘机械手的质量为50Kg,椰子筐装满椰子的总质量30Kg,则履带上方所承受的总质量为80Kg,山此可计算获得以下参数计算：履带节距心：『。=(15〜17.5)纭=(15〜17.5)顷“44.85〜52.325)〃"”；©(/o=5Omm履带板宽度b：b=(0.9~1.1)x209x齿=(0.9~1.1)x209xV§0a(810.7~990.87”沏;取“=900inn本次设计中，设定缠绕在驱动轮上的履带板数Z，为12,则驱动轮的齿数Z

为为:Z=2Z=24驱动轮节圆直径：Dk=心193.2/7////驱动轮节圆直径：Dk=心193.2/7////・J*。、・J*。、

sin( )sm( )Z 12履带轨距B：3=（3・5〜4・5）〃=（3・5〜4.5）x900=3150〜4050;取3=3500〃皿总结：综上所述履带的节圆直径为193.2mm,履带节距50mm,履带板宽度900mm,履带轨距为3500mm,ill于工作路面主要为泥泞路面，因此履带材料选择橡胶履带。基于以上参数，参考钻机底盘，选用七轮短支腿履带行走平台。4.2.3支撑座设计要使整个椰子采摘机械能够移动，同时也保证手爪的高度能足够够到椰子树顶端，必须要设计•一个能将机械手与运动车轮相连接的机构，因此，在设计中，增加了机械手与车轮相连接的支撑座。除此之外，采摘下的椰子需要运送到仓库，而这个搬运工作不解决就必须增加人力搬运。为了减少搬运椰子的人工消耗，在整个机械中增加一处能安置采摘下的椰子的地方，使椰子采摘与椰子搬运同时进行。我们将这个椰子安放地选择在支撑座上，支撑座安装机械手的同时，在另一侧设置一个椰子筐，以便采摘成功的椰子不至于无处安放，也减少搬运的劳动力。最后，由于要考虑到椰子树的高度以及底盘的牢固程度，因此，在加高的同时增加固定条来保证整体稳定。具体支撑座设计图如下:3本章小结在本章节中，主要对椰子采摘机的底盘及车轮进行了简要叙述，通过这些整体上的完善，来达成椰子釆摘机在果园的工作环境要求，确保在椰子采摘过程中整个机械的正常运动以及釆摘工作的安全进行。5总结本次设计的装置是椰子采摘机械手，它的主要功能有以下儿个方面：1：能够对U标椰子有一个准确的位置定位；2:能够将被抓取的椰子准确的放置到我们指定的勢筐中去。这两个功能的完成主要的条件就是借助于机械手的多自山度，同时也借助于机械手的定位精度。本次主要研究工作可以归纳为以下儿个方面：1：椰子采摘机械手的工作原理当我们需要进行椰子的采摘时，首先将机械手装置通过下面的小车推到指定的椰子采摘地点。然后，通过开启各个机械手的电机使机械手能顺利进行运转，当机械手的爪部运转到椰子跟前时，通过自身的定位性能进行一个定位。手部的手爪进行抓取，然后将釆摘下的椰子通过一系列运转放到指定的勢筐中去。2:在结构上，此机械手是5个自由度组成的。底部有一个小车进行移动，小车上有专门放置椰子的框子，设置小车的LI的是可以将机械手推到指定的采摘区域，减少人工搬运工作。5个自由度在组成上是一个滑动关节加上4个转动关节。3:本次设汁主要对机械手的蜗轮蜗杆还有小臂轴进行了设汁和校核。因为对于一个机械手来说各部件的强度和刚度校核成功与否直接关系到设汁的合格性以及操作的合理性。致谢转眼间大学四年已经快要结束，毕业设计也临近尾声，在这个过程中，有过后悔，也有过庆幸。后悔在大一至大三过程中没有认真听好每一堂课，导致毕业设计过程中四处磕绊；庆幸碰到了一个负责任的导师，在别的同学抱怨导师不管他们时，我的导师定期催促一次进度，有问题时也会耐心解答。当导师布置课题时，得知我的课题是椰子自动采摘机，笫一反应是应该不难吧，就摘椰子的。但真正开始做了才发现我根本无从下手，一次次搜索网络图片，一次次查询相似设计文档，最终才开始了毕设的第一步。在设计过程中，也会遇到很多困难，经过自己的努力，不断查询各种资料，也经过老师的解答，最终完成了本次毕业设计。最后，也通过本次毕业设计，向所有教导过我的老师们说一声谢谢！感谢你们的教导，让我从一个只知语数外物化生的高中生，蜕变到能独立完成一份设计的毕业生，在今后的人生旅途中，或许再无相遇的机会，但你们授予我的知识将终生受用。同时，也感谢在大学四年所有接触过的同学，感谢你们四年来的陪伴，期间或有争执，但终究和谐相处过完这最美好的四年。愿大家前程似锦，归来仁是少年。参考文献付永领，张桂英，李军.一种简化的机械手运动学分析方法及苴仿真研究[J].《机床与液压》，2004,(11)：70-76.周斌，王效岳，张忠奎，颜世周.基于UG和ADAMS的机械手三维实体仿真[J].机械工程与自动化，2011,3(166)：29-31.臧庆凯.六自由度机械手运动学与运动规划研究[D].广西：广西工学院，2012.蒋新松.未来机械手技术发展方向的探讨[J].机械手,1996,18(5)：286-287.