油茶果采摘机采摘机械臂的机构设计及运动仿真.pdf

西北林学院学报2012，27(2)：266268JournalofNorthwestForestryUniversitydoi：103969jissn1001746120120254油茶果采摘机采摘机械臂的机构设计及运动仿真高自成，李立君，刘银辉(中南林业科技大学机电工程学院，湖南长沙410004)摘要：油茶是我国重要的林业经济植物，是我国食用油的重要来源之一，随着品种的优化和种植的规范化，油茶果机械化采摘成为必然，研制油茶果采摘机成为林业机械的一个新领域。在实地考察研究油茶果植物特性和采摘方式的基础上，设计了油茶果采摘机采摘臂的机构，并应用三维软件proe，针对采摘臂的液压驱动方式，对采摘臂进行了运动仿真。关键词：油茶果；采摘机；采摘臂；机构设计；仿真中图分类号：$794408文献标志码：A文章编号：10017461(2012)02026603TheMechanismDesignandMovementSimulationfortheMechanicalArmoftheOilteaCamelliaFruitPickingMachineGAOZicheng，LILi-jun，LIUYin-hui(CollegeofMechanicalandEngineering，CenteralSouthUniversityofForestryScienceandTechnology，Changsha，Hunan410004，China)Abstract：CamelliaoleifeFa(oiltea)isanimportanteconomicplantandanimportantsourceofedibleoilininChinaWiththevarietyoptimizationandstandardizationofcultivation，mechanizationofharvestingoilteafruitwillbecomeinevitableThedevelopmentofsuitablemachineforpickingfruitsbecomesanewareaofforestrymachineryInthispaper，anorganofthepickingarmforthefruitpickingmachineweredesigned，basedonthestudyofplantcharacteristicsandthewayofpickingThemotivesimulationwasmadebythethreedimensionalsoftwareproeaccordingtothewaytodrivethearmbyhydraulicsKeywords：Camelliaoleiferamachineforpickingfruits；pickingarm；thedesignofanorganmotive；siml211ation油茶是我国重要的林业经济作物，是我国食用油的重要来源之一，根据国家林业局的统计报告，我国现有油茶种植面积67970万hm2，年产茶油总量约277万t，茶油占我国食用油总消费量的123。随着经济的发展，油茶品种的优化和植株的矮化，目前在全国多个地区大面积推广油茶优良品种的种植，特别是在南方(如湖南)缓坡丘陵地带，种植的方式也日益规范化，同时随着农村劳动力成本的增加，采摘油茶果的成本大幅提高，农民迫切需要实现油茶果采摘的机械化，油茶果采摘机的研制就是适应了这种需求。收稿日期：20J1一03一08修回El期：2011-0522基金项目：国家林业公益性行业科研专项(20110400707)。作者简介：高自成，男，博士，研究方向：材业机械化工程。油茶果采摘机采摘臂的机构设计11油茶果采摘机采摘臂的设计要求111油茶林地油茶树的种植情况对采摘臂的设计要求通过对湖南浏阳市鸭头村国家油茶优良品种示范基地的调研，了解到平地上油茶树植株的行距在4m左右，株距为35m左右，缓坡地油茶树的种植呈阶梯形，阶梯宽度在5m左右，每一级阶梯上油茶树的间距在4m左右，缓坡地面坡度低于30。，710a生长期油茶树的高度34m之间，树冠直径在3m，根据上述油茶林的物理特征，油茶果采摘机采用履带式越障底盘】3(图1)，其尺寸(mm)万方数据第2期高自成等：油茶果采摘机采摘机械臂的机构设计及运动仿真267为l8001i00700，底盘相对较小，这样保证了油茶果采摘机在油茶林内有很好的通过性。油茶果采摘臂是油茶果采摘机的工作机构，安装在底盘上结合油茶果树冠形状和种植特点，要求采摘臂有比较大的活动空间，在采摘油茶果时能方便的接近油茶树，把油茶果采摘下来，而当采摘机在穿越油茶林或者在不工作时要求采摘臂占用的空间小，以保证采摘机在油茶林地的通过性。图1采摘机底盘Fig1Pluckingmachinechassis112油茶果采摘方式对采摘臂的结构要求油茶树相对于其他干果类植物的最大特点是花果同期，同时油茶果主要分布在树冠表层，而在表层深度超过200mm以内的区域油茶果分布很少，油茶果呈球状或椭球状，优良品种油茶果的最大直径一般小于50mm，最小直径在25mm，普通品种油茶果的平均直径在1520mm之间，如果采用单个摘取的方式进行机械化采摘必然效率低下，通过对油茶采摘方法的研究，在大量试验的基础上找到油茶果的合理采摘方法，按照这种采摘方法，要求在采摘油茶果的过程中，采摘臂必须能够保证采摘头有一个正确的姿态，由于采摘臂是安装在采摘机的底盘上面，也就是要求采摘头相对于采摘机底盘有一个稳定的姿态。此外，采摘机在采摘油茶果的过程中采摘头还要能适应油茶树和油茶果分布情况进行运动要求采摘臂要能绕一个固定轴线回转。12油茶果采摘臂的设计综合上面的分析与研究，在采摘臂的设计过程中采用了串联式机械臂的形式。这样采摘臂有较大的工作空间口“，在采摘时可以将采摘头送到油茶表面油茶果的位置，在采摘机通过油茶林或不工作时可以折叠到最小的尺寸置于采摘机底盘空间以内，既不影响采摘机在油茶林的通过性，又能使采摘机外形相对小巧。结合在采摘过程必须保持采摘头处于一种相对稳定的姿态所以采摘臂采用平行四边形机构双级串联式的机械结构。同时由于采摘机是在自然环境下进行工作采摘头和采摘臂的驱动机构采用电动或者纯机械传动都会显得比较困难，考虑到底盘的动力情况采摘臂在运动过程中采用液压系统进行驱动，最后采摘臂采用了液压驱动的平行四边形串联的机械臂形式o“，该机构能围绕一回转轴进行回转，保证采摘过程中能根据油茶果的分布和树冠形状进行采摘，整个采摘臂由串联在一起的2个平行四边形机构和回转立柱所组成，设计出的采摘臂机构简图(图2)5”。结合采摘机底盘的结构尺寸和果树的测量参数，各部分的主要结构尺寸是：立柱安装离地高度400mm，立柱上端铰链中心离地高度为1600mm，立柱回转范围为240。，考虑到操作员的视野和工作方便性，采摘工作区为前方左侧60。至右侧90。共150。范围，当不采摘时-立柱回转，将采摘臂置于采摘机中后部。主采摘臂两端铰链中心距为1150mm，主臂转角在铅直面内转角范围为90。，最大仰角80。，最大俯角10。，副臂两端铰链中心距为1100mm，主、副臂最大夹角165。，最小夹角75。，这样采摘臂最大采摘高度为3500mm，考虑到果园丘陵地貌特征，采摘臂最小采摘高度为底盘平面以400mm。圈2采摘臂机构筒图Fig2Structuralsketchofthepluckingarm为了使采摘机结构紧凑、功能完善对采摘下来的油茶果要求能够收集在一起，通过对可采用的各种收集方式进行比较分析，并在试验测试的基础上，决定将采摘下来的油茶果采用负压吸附的原理进行收集，因此采摘臂采用空心管道的结构，将吸料管安装在采摘臂管道内，采摘臂的三维结构如图3所示“。2采摘臂的机构运动仿真借助于三维软件proe，建立油茶果采摘臂的三维模型8。”1(图3)。在完成采摘臂的三维建模以后，进行采摘臂的运动仿真首先检查三维模型的装万方数据268西北林学院学报27卷配误差，然后设置伺服驱动采摘臂运动的伺服电动机，设置伺服电动机时，根据采摘采用液压驱动的行驶，伺服电动机设置在主臂驱动液压缸、副臂驱动液压缸和立柱回转轴上，主臂驱动液压缸、副臂驱动液压缸设置为液压缸的移动，立柱伺服电动机设置为转动，由于运动具有往复性，一共设置6个伺服电动机【8。91(图4)。采摘臂三维结构图nsHH1BIOmtlf1圈4设量伺服电动机Fig4Settingtherlotortodrivemainafm在完成采摘臂伺服电动机的设置以后，运行仿真，然后对仿真过程进行回放”3(图5)。图5仿I过程回放Fig5Playbackofthesimulationprocess在完成仿真以后，可以对采摘臂及采摘头上多个点进行轨迹分析，在采摘头上取一点进行运动轨迹进行测量，画出相应的运动曲线(图6)o1。通过对仿真结果进行对比分析，仿真反映了采摘头随采摘臂的运动工程及其工作范围，验证了设计的一致性。图6采搐臂末端的运动轨迹Fig6Movementtrackoftheendofthepluckingaim3结论通过对油茶基地的实地考察，结合对油茶果采摘方法的研究，设计了油茶果采摘机采摘臂，并运用三维软件，对采摘臂的运动过程进行了运动仿真分析，仿真验证了采摘臂的运动过程和工作范围，达到了产品设计和虚拟设计的一致性。参考文献：1沈嵘枫，刘晋秸，陈瑞履带式采伐机履带通过性J西北林学院学报200924(5)：157-lfi0SHENRF，L1UJH，CHENRTrafficabilityoftheeaterpillarhaIvesterJJournalofNothwestForestUniversity200924(5)1157160(inChinese)2刘风臣刘黎明蚝赞峰等平行四边形机构在后道包装机械中的应用J包装与食品机械20lo，28(3)：5l543成大先机械设计手册M7thed北京：化学工业出版社20024王广收，赵玉莨，孙向阳机械手多体动力学仿真与分拆J重型机械2010(1)：43465樊东海黄和祥新型生姜去皮机的设计J机械工程师2007(3)：110一1116李克天，陈新吴小洪等粘片机斜面四连杆焊头运动机构设计J机械科学与技术，2005(5)：57057i7田丽敏，郭维斌全折叠臂小型高空作业车的调平机构刀工程机械2003(2)：20228高秀华，李炎亮，邓洪超，等机械三维动态设计仿真技术一ProEngineer和ProMECHANIEA应用M北京：化学工业出版社，2003：39崔凤奎ProEngineer机械设计M北京：机械工业出版牡，2004：110和青芳徐征PRoENGINEERWildfire产品设计与机构动力学分析M北京：机械工业出版杜2004：1万方数据油茶果采摘机采摘机械臂的机构设计及运动仿真作者：高自成，李立君，刘银辉，GAOZi-cheng，LILi-jun，LIUYin-hui作者单位：中南林业科技大学机电工程学院,湖南长沙,410004刊名：西北林学院学报英文刊名：JournalofNorthwestForestryUniversity年，卷(期)：2012,27(2)本文读者也读过(6条)1.王燕.杨庆华.鲍官军.荀一.张立彬.WangYan.YangQinghua.BaoGuanjun.XunYi.ZhangLibin关节型果蔬采摘机械臂优化设计与试验期刊论文-农业机械学报2011,42(7)2.李昕.李立君.高自成.LIXin.LILi-jun.GAOZi-cheng基于核聚类的近邻人工免疫网络算法研究期刊论文-计算机应用研究2012,29(7)3.王斌锐.方水光.金英连.WangBinrui.FangShuiguang.JinYinglian综合关节和杆件柔性的机械臂刚柔耦合建模与仿真期刊论文-农业机械学报2012,43(2)4.高自成.李立君.刘浩.GAOZi-cheng.LILi-jun.LIHao油茶果采摘机物料收集装置的选型研究与设计期刊论