苹果采摘机械手设计【三维SW建模】【含7张CAD图纸+PDF图】
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毕业论文苹果采摘机械手系部名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 沈 阳 工 学 院二一九年六月The Graduation Design Apple picking manipulatorCandidate： Specialty： Class： Supervisor： Shenyang institute of technology2019-06沈阳工学院毕业设计(论文)摘 要 随着人力劳动成本的增加及农业自动化程度的提高，在未来的水果采摘作业中将更多的用自动化生产设备代替人力劳动。本设计旨在开发一种苹果采摘的辅助机械手。该机械手为手持式长杆结构，前端伺服电机通过行星减速器，带动曲柄摇杆机构往复运动，实现剪刀的张开与闭合，配合手柄所连接的连杆机构将剪刀像果柄处移动，进而剪断果柄，最终苹果果实落入收纳机构，一并实现对苹果的采摘和收纳。采用电机作为驱动力，通过曲柄摇杆机构实现剪刀的开合，并且顺利剪断果柄，将位于高出树枝上的果子剪下来，下方配用柔性收纳装置将果子暂时收纳到袋子中，收集满后放入箱内。采摘机械手的设计解决了人工攀爬高危树枝采摘水果的问题。采摘更安全，携带更方便。效率可达人工采摘的3-5倍。它大大提高了采摘效率，节省了劳动力，大大降低了收获成本，为果农创造了更大的收入。此外，该机械手还可用于多种水果的采收，在低成本、高利用率的前提下，为我国果林的发展做出了巨大贡献。 关键词：机械手；采摘；伺服电机；行星减速器；曲柄摇杆I沈阳工学院毕业设计(论文)ABSTRACTWith the increase of labor cost and the improvement of agricultural automation, more automatic production equipment will be used to replace human labor in fruit picking operation in the future. The purpose of this design is to develop an assistant manipulator for Apple picking. The manipulator is a hand-held long rod structure. The front-end servo motor drives the reciprocating movement of crank-rocker mechanism through planetary reducer to realize the opening and closing of scissors. The scissors move like the fruit handle with the connecting rod mechanism connected by the handle, and then cut the fruit handle. Finally, the apple fruit falls into the receiving mechanism, and the apple picking and accepting are realized. Using motor as driving force, the scissors can be opened and closed by crank and rocker mechanism, and the fruit handle can be cut off smoothly. The fruit located on the branch above can be cut off. The fruit can be temporarily stored in the bag with a flexible receiving device below, and then put into the box when it is full.The design of picking manipulator solves the problem of artificially climbing high-risk branches to pick fruit. Picking is safer and easier to carry. The efficiency can reach 3-5 times of manual picking. It greatly improves the efficiency of harvesting, saves labor, greatly reduces the cost of harvesting, and creates greater income for fruit farmers. In addition, the manipulator can also be used for harvesting a variety of fruits, and has made great contributions to the development of fruit forests in China on the premise of low cost and high utilization rate.Key words: Manipulator；Pick；servo motor；Planetary reducer；Crank rocker目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论51.1 引言51.2 课题研究的目的及意义51.3 国内外研究现状及发展趋势61.3.1国外发展概况61.3.2国内发展概况.81.3.3果园采摘机械的发展趋势.101.4 本文研究的目标、研究内容和研究方法111.4.1研究目标研究内容和研究方法11第2章 总体方案设计132.1采摘机械手臂的分类132.1.1机械式采摘132.1.2 机器人采摘132.2机械手臂机构的确定132.3组成与工作原理142.4剪切方案的选择142.5总体控.制方案设计15第3章 剪切机构设计163.1电动机及减速器选择163. 1. 1 果实采摘过程受力分析163. 1. 2 采摘结果分析173.2电机选型计算203.2.1最大剪切力 P max203.3电动机功率的选择203.4偏心曲柄滑块机构的计算213.4.1 x 和最小传动角 min213.5行星减速器的设计计算233.5.1 分析要求233.5.2 系统组成框图233.5.3传动方案的分析与拟定23结 论27参考文献28致 谢2928沈阳工学院毕业设计(论文)第1章 绪 论1.1 引言在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最好是费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳动约占整个种植过程的50%70%。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的存储、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。随着机械技术的高速发展，农林产品在采摘中越来越多的采用了自动化采摘机械来取代人的重复性劳动。水果自动采摘设备是近年来逐步发展出来的一种新型采摘装置。苹果采摘一直是一个制约其发展的难题，在农业飞速发展的今天，大面积种植苹果，随之而来的是苹果的采摘问题，在较高的果树上结出的果实因无法摘到，造成苹果的摔落，因此这些苹果无法上市销售，无法实现经济价值，为解决高空采摘的困难，需要专用的苹果采摘机械手来解决此问题。1.2 课题研究的目的及意义随着农业生产的规模化多样化与精准化，机器人技术已在育苗、扦插、移苗、组织培养、嫁接、农产品收获等方面得到应用，促使农业生产过程逐步趋于自动化和智能化。农业机器人的应用可以提高劳动生产效率和生产质量，改善劳动条件，解决劳动力不足的问题。果实采摘是农业生产过程的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。例如，荷兰的黄瓜人工收获的费用占整个温室黄瓜生产费用的50%。使用采摘机械不仅可以提高采摘效率，而且降低损伤率，节约了人工成本，避免了高空采摘的危险，提高了果农的经济效益，因此提高采摘作业机械化程度有重要意义。故设计此苹果采摘机械手，解决苹果采摘过程中遇到的问题1.3 国内外研究现状及发展趋势1.3.1国外发展概况随.着新.农.业生.产模.式和.新.技术的.发展与.应用，农业机.器.人逐步.迈向农.业生产.主力军的行.列。采摘.机器人.作为.农业.机器.人的重.要类型，具有.很大的.发展.潜力。当.前，国.外农业机.器人发展.迅速，国内.同类产品迅速跟进，现已取得阶段性成果。美国.是最.早进.行采.摘.机器.人研.究的国.家。196.8年，美.国学.者Schertz.和Bro.wn首.次提出应用.机器人进行.果蔬采.摘的思想.，1983年，.第一台.采摘机.器人.在美国.诞生，此后的.30多年里，美.国、英国、法.国、荷.兰、比.利时、以.色列、日.本、韩.国等国.家相.继展开了.各种采摘.机器.人的研究.和开发，涉.及到的.研究.对象.主要.有苹.果、柑.橘、.草莓、葡萄、西.瓜、黄.瓜、番茄.、樱桃.番茄、茄.子、甘.蓝、生.菜、莴.苣、蘑.菇等。葡萄采摘机器人在美.国，佛.罗里达大学进.行了橙子采.摘机器.人的研.究。甜橙.采摘机.器人.最新.的设.计提议.是采用两.个相对.独立，有.不同功能.特点.同时又能.相互.配合无间.的机.器人，第.一个机.器人负.责寻找.和发现各.个甜.橙的.位置，并.计算.最有.效率.的采.摘路.径，将.信息和.数据.传至第二.个机器.人，第二.个机器人.负责在不.损坏.甜橙树.的情.况下得.到果实。甜橙采摘机器人Energid公司.获得美.国农业部.的资助正.在开发一种.收获柑. .橘的.机器人。该公.司所.开发的机.器人具有.机器视.觉和操.作的.能力，适用.于收.获柑.桔、苹.果等。该.公司的.方案.结合了机.器人.的智.能和.批量收.获.的经.济性，使.用一.种低成.本的.机制，通过.视觉传.感器.和高.速的.计算机.进行信.息处.理和控.制。水.果摘.取的.末端执.行器为一.次性.使用，可.快速.更换，维.修费.用低.廉。该.系统可以.远程控.制，系统.的设计.目标是.每秒钟摘.取32.个水果.，持续.摘取1.6次，留.在树上的.水果将.少于4.。该水.果采摘.系统有.多个网格.盘，每个.网格.盘有.16.个气.动驱.动采摘.装置，通.过许多.相机.的.视觉.反馈，引.导采摘.装置.末端.执行器.剪断.水果.的茎。日本.在采.摘机.器人.的研.究方.面进.展很.快。如由.日本.久保.田试.验开.发的柑.橘采摘.机器.人。因.为柑橘.树很大.，该机.器人在.移动.台车上.安装.了可升.降悬.臂，在.悬臂.前端.的基.座平台.上安装.机械.臂。机械.臂为三.自由度.垂直多关.节型，小臂.和大臂.等长，末端执.行器像.直动关.节一样.沿直线.运动。采用.这样的.机构，机械.臂不会像.一般极坐.标型关.节一样伸.向背后，从而.避免了.与背后.的果树.发生干.扰。工.作时频.闪光.源发.光，末端执行器内部的摄像机开始采集图像，检测果实，然后机械臂靠近果实，用吸盘吸.引目.标果.实，将.目标.果实.吸入.梳状.罩，使其.和其.他果.实分.开，由.理发.推子形.状的切.刀将果.梗切.断。日.本冈.山大.学研.制了高架.栽培草.莓采.摘机器.人。采.用三.自由.度直. .角坐.标型.机械.臂作.业，也.有两.种末.端执.行器：旋.转式.末端执.行器.为了补.偿视.觉传.感器.的位.置误.差，采.用了.送风.机吸.引的.方法.收获，可.收.获不.同大小.的果实.。为判.断果. .实是.否被.吸引.进来.，采.用了.三组.光电.阻断.器，通.过吸.盘旋.转，将果.梗送.到切.刀的.位置.切断。收下.的果.实在.送风.机引.力作用.下通.过管.道，落.入果.盘。试.验结.果表.明，该.机器.人采.摘一.个果.实，作.为目.标的.果实.能够.全部.采摘，但.是采.摘时.连同.未成.熟果.实一.起一次.收获.多个.果实.的情.况有.50%。后.又经.试验，钩.式末.端执.行器.在机.构上.方安.装了.钩子.，可.以把.目标.果实拉.住继.而进.行采.摘，.所以将.邻近.果实一.起收下.来的.情况.基本.没有。.苹果采摘.机器人1.3.2国内发.展概况.我国.20.世纪7.0年.代开.始研.究果.园.采摘.机械.，先.后研.制出.与手.扶拖.拉机.配.套的.机械.振动.式山.楂采.摘机.械，气.囊式.采果.器和.手持.电动.采果.器。后两.者实.际上.还是人.工作.业用的.辅助.机械.，虽.然在.保护.果实不.受损.伤方.面做.得较.好，但其.效率太.低，8.0年.代后.才开.始研.究和.制造.切割.型采摘.器。果.园.采.摘.野葱，人.工使.用剪.刀采.摘，发展.到使.用.机.械装.置采.摘，例.如一.种人.工财.政才.知采.摘器.，夹口.上方.有切.刀，下方.有夹.钳，可以.将.国屏.先前.住.后.剪.断。电机.式采.摘器，利.用果.柄引.导突.片，将果.柄引.向.切刀，在.用微型.电机.带动.的切.刀作.往复.运动，把.国柄.切断.，还.有一.种振.摇式.采摘.器用拨.叉深.入果枝.用电.机摆.动拨.叉儿，振.落果实.。此后.有了.更多的.辅助.工具，如.液压.剪枝.升降.平台.，用来.提高.工作.位置。利.于采.摘作.业。我.国还.曾经.研制.出吹.气式.采摘.机，由.于其.风机功.率要.求大.，气.流易.损伤.果枝.果实，.虽然.分选.效果较.好，但.采摘.效果.不佳，很.快就.被市.场淘.汰。.90.年代.开始，市.场因.素带.动了.果树种.植的.热潮，众.多中.小种.植户.的需.求带.动了.简易.采摘.器的.市场.。其.后，气动.剪枝.机、.辅助升.降平.台等.机具.相继.进.入了.市场。.19.92.年浙.江金.华农.机研.究所.研究.了有.拖拉.机操.作的.用于.采摘水.果的.升降.机，上升.高度.可达.7m.。2.007年.新疆.机械研.究所.研制了我.国第.一台.多功.能果.园作业.机，.即L.G-.1型.多功能果园.作业.机。.这是.一种.及采.摘、修.剪、喷药.、运输.、动.力发.电等.功能的.自走.式作.业机.，其.工作原.理是.汽油发.动机将.一部分动.力分.配到.主机的.变速.箱，由.变速.箱驱.动两.条橡.胶履.带行.走，.另一.部分.动力带.动双.杠风.冷式.空压.机，为.气动.剪枝机.和升.降机.提供动.力。.采用橡.胶履.带行.走部.件.是针.对果.园土.壤松.软和.比较潮.湿的.环境.。空.压机.连接到.升降.平台.提升高度1.5.m。.该作.业机.的研制.成功.标志.着我.国果.园单.一的采.摘机.械进.入到.了多.功能作.业机.械时.代。我.国南.方果.园大.部分.处于.丘陵.地带.，受.限于.地形.，.合适的.采.摘机.械很.少，.机械.化作.业基.本上.处于空.白，.而且存.在费.工以.及作.业危.险性.方面的.问题。我.国台.湾省.为了.在坡.地果.园上.实施机.械化.省工.经营.，改.良了.适合.坡地.作业.特性.的农.机具.，研.制成.功了v一.种自.走式.牵引振.动采.果机.。该机.以坡.地搬.运车.为主.体，.在振动.机的.下方装.一个.可做.360.旋转的旋.转盘.，采.果时.转动圆.盘，使.牵引.推杆.对准.采收树.枝，.牵引.推杆上.装有自.动调.整.推杆角.度四.连杆.，可.以使.推杆.处在最.有效.的作.业角.度，当.拉紧套住.树干.与推.杆头.间的.绳索.时，果.实受.拉力.即可.掉落。.我.国自.行研.制了.苹果采.摘机.器人.，该.机器.人主要.由两.部分.组.成：.两自.由.度.的移.动载.体和.五自.由度.的机.械手.。移.动载体.为履.带式平.台，.加装.了主.控PC.机、.电源.箱、采.摘辅.助装.置、多.种传.感器；.五自.由度.机械手.由各.自.的关节驱动装.置.进行.驱动。此开链连.杆式关.节型.机器人，机.械手固.定在履.带式行.走机.构上，.采摘.机器.人机.械臂.为P.RR.RP结.构，.作业.时直.接与.果实.相接触.的末端.操作器固.定于.机械.臂上.。机.械臂.第一个.自由度为.升降自.由度.，中.间三.个自.由度.为旋.转自.由度.，第.五个.自由度为.棱柱关.节。.由.于苹.果采.摘机.器人.工作于.非结.构性.、未.知和.不确定的.环境中.，其作.业对.象也.是随.机分.布的.，所.以加.装了.不同种.类的.传感.器以.适应.复杂的.环境.。采.用的.传感.器分.为视觉.传感.器、.位置传感器和.避障.传感.器三.类。.其中.视觉传感.器采.用Eyeinhand安装方式，.完成.机器.人或.末端操.作器.与作.业对.象之.间相.对距离.，工作.对象.的品.质、.形状及.尺寸.等任.务。.位置.传感器包.括安.装在.腰部、.大臂.、小.臂旋.转关.节处.和直.动关节.首尾.两端.的8个.霍尔.传感器.，以.用来控制.旋转关节的旋.转角.度和直.动关.节的.直行.进程.，另.外还.包括.末端执.行器.上的.2个.切刀.限位开关和.用于提.供所.采摘苹.果相.对于.末.端夹持.机构.位置.信息的.两组.红外光.电对.管。避.障传感.器包.括安.装在.小臂.上、.左、右.三个.方向.上的.五组.微动.开关.和末.端执.行器.前端.的力.敏电.阻，以求采.摘机.器人.在工.作过.程中.能够.有效躲.避障.碍物.。1.3.3果.园采.摘机.械的.发展.趋势.提.高资.源利用.率和农.业生.产率.、降低.劳动强度，.提高经济.效益是.现代.农业的.趋势。.由于技.术和.成本的原.因,在.今后较.长时.间内.机器人采.摘无.法投.入实.际应.用, .在这.种情.况下.,机.械式.采摘将.占据主.流, .其发.展具.有以.下几.个特.点。1.多.功能.化即该.机械.不仅具.有采.摘果.实的.功能还.淋具其.他作业.能,如中.耕、施.肌、剪枝植保等,多.功能.作业机.械.能实.现一.机多.用减.少贴.机投.人同.时又.方便.使用.2. .采摘.与山.地果.园运.输结.合起.来。南方. .丘陵山.地果.园坡陡.,上.山的.肥料、.农药.和下.山的果.品等.全靠人.力运.输,劳.动强度.大, .效率.低, .成本.高。.有些山.地虽.能开.辟机.动车.道, .成本.高, .浪费.士地.并易.造成.水土.流.失。.因此.研究.省.力、低.成本.的山.地运.输机.械成.为当.做。. . 3. .操.作简.便、.可靠性高机器.的操.作者.是农.民, .并不.具备.系统.的机.电外.认这.吸块.设计合.理可.带, .使用.法.简单, .维修维.护方.便4.通用.性好在各.种不同的条件下，.如不.同地形.、不.同的.作业地.表、不.同的作.业对.象、不.同的水.果品种.等情形.下，要使.该机.械适.用于.大部分.甚至绝.大部分情.形。5. 自动. .化和.智能化随.着现.代科.学技.术的.进步.和广.泛应.用，新.技术必.将进.入到.农业.机械领.域；机.械化.、自.动化、智.能化.水平将.进一步提.高。.如日.本研.制的.自走.式采.摘车.，在.20以.上的陡.坡地.使用电.视摄.像机和.无线.电遥控.组合控制方.式，.实现无.人驾.驶操.作。在机器.人采摘.研究.方面.，未来.的采.摘机.器人.将朝.着以.下几.个方.向发.展：.6.高.精度.的视觉.系统和.图像处理技.术如使.用视.觉传.感器配合测距仪来精确定位，使用模.糊神.经网.络对.图像进行.智能化.处理。7.研发.有多.指及冗.余自.由度的.机械手.爪多.指及.冗余自.由度.的机.械手.爪，.有柔.性和灵.巧性.的特点.。机.械手爪.要针.对作.业目标.的物.理、生.物特.性设计.，保证.采摘时.的生.产质量.。采.用合.适的.轨迹.规划.，使.得行走.和采摘.时能.够绕.过障.碍物.而不.发生碰.撞。.使用神.经网.络系.统，.机器人就.能通.过前.次轨.迹而.自我.学习，.下次.自动采.用最.近似.的轨.迹运.动。.8.利.用率高可以根.据采摘.不同对.象来更.换末.端执.行器.进行采.摘作业.，这样.大大提高.机器人的利.用率.。9.低成本.的机器.人便于推.广普.及，果农买.得起.，也用.得起。1.4 本文.研究的目.标、研.究内.容和研.究方.法1.4.1研究.目.标像采.摘机械.这. .样的机.械手.的基.本要. .求是快.速、.准.确.地拾取. .和放. .置.物.体.，并. .携.带. .它. .们. .。这.就. .需要.高.精. . . .度、.快速. . . .响应、.一.定的.承载.能.力、足.够.的. .工作空间、.灵. .活.的自.由. .度以.及在.任.何.位.置. .的自.动定.位。.设. .计和启.动.机.械手.的原.则.是充.分. .分. .析工. .作对.象和.环.境.，确.定.工. .作的.结构.形.状和.材. .料特.性.、定. .位精.度.要.求.、抓.取和.搬运过. .程中.的.应.力.特. .性、.尺. .寸和.质. .量参.数，以.进.一步. .确. .定所.需.的条.件.。为机. .械手的.结构. .和操.作控.制.，尽.可.能.选择定.型.机. .的标.准. .部件，.简化.设计.和. .制. .造过.程，.并兼.顾.通. .用性.和质.量.。专.用.性. .强，.可. .实. .现灵.活.的运.动和.伸缩.。1.4.2研.究内容.和研究方法所. .述的.苹果.采摘手.臂包. .括伸.缩杆.件，.角度调.整把手.，剪切.动力.机构电机.以及剪断.机构.剪刀。.苹果采.摘手.臂通.过大.臂内管.与大.臂外.管的.伸缩.配合.，实.现了.可调.节功能，.既能.采摘高.处的.苹果.也能.采摘相.对较.矮地.方的.苹果臂.。在.调整大.臂杆.件长.短的.同时调整.小臂的.尺寸.，以.确保四.杆机.构正.常运.动。.在进.行采.摘作.业时，.需要.人工对.准苹.果，将.剪刀.调整到苹.果上.方，.然后通.过观.察苹.果果.柄的.位置，.随时调.整把.手的.角度，以.确保.不伤.果，.而且剪.断果柄.。角.度调.整完.毕之.后随.后按.动电.机开.关，.电机转.动后.，通.过行.星齿.轮减.速器.将速度.降至.整个切.断并.回到原.位的.时间.为0.5秒钟，.电机.触电开.关每.启动.一次.，剪刀.完成.一次.剪切.运动。.苹果采.摘机.械手.臂结.构.简. .单，.成. .本低，效. .率高.，安.全.可靠.。相.对于机.械化程.度较高.的采摘.机械来讲.，不.伤果，运.动灵活.，安全.可靠，实.用方.便。对.于解.决现.在阶段.的采摘.问题有.较大帮.助。根据.已. .有的.一些设.计.方案，.进.行.了优.化设计.。通. .过受. .力分.析，.设. .计了.苹果采摘.机械手臂.。首.先，.对连.杆机.构、电机.减.速器.的选. .型计.算.、部.分.重要部. .件的.验.算、动力.剪切系.统的.设.计进.行了.总.体. .方. .案. .设.计。第2章 总体方案设计本次.所设.计.的.苹果.采摘机械手.是.一种通用的水果.采摘机.械.手，适用.于批.量或中、小.批量.采摘，可改.变剪刀的.角度及杆件的长.度。适.用于.环境.恶.劣、.v劳动.强.度.高、采摘危险性.较高.的场.合。2.1采摘机械手臂的分类2.1.1机械式采摘果园机.械式采摘主.要有振摇式、撞.击时和切割.式三种类.型。振.摇式.是利用.外力.使.树体.或树枝发生. .振动或振摇，使果实.产生加.速度，在连.接最弱处与果枝.分离.而掉落.。撞.击式是撞.击部.件直.接冲撞果枝.或敲打牵.引果.枝的.棚架振.落果.实。切.割式.是将树.枝或果柄切断.使果实与果.树分离的.方式，又.分为机械.切割.式和.动.力切.割式。2.1.2 机器人采摘目前国.外对采摘机.械的研究是以.采摘机器.人为主。.70年代.末，随.着计算机和.自动控制.技术的迅.速发展，美国.首先开.始研究.各种农.业机.器人。自.1983年.第一.台采.摘机.器人.在美.国诞.生以来，历.经了.20多.年.的研.究.和试验.，以.日本.为.代表的.发.达国.家.，包.括.美国.法国.、荷.兰、.英.国、西.班牙等国.相继试验.成功.了多.种采.摘机.器人，如.苹果、柑.橘、番茄、西.瓜和葡.萄等果实.采摘.的具有.人工.智能的.机.器人。2.2机械手臂机构的确定根据以上.谈到.的手臂.分类.，考.虑到.机械手.臂的.实用性，.最终确.定为.采用机.械式.采摘方式.中所.提到的.切割式.方式进.行机.械手.臂的.设计，此.方式采.用柔.性收.纳袋，采摘.不伤.果，直.接剪.断果.柄，不.破坏果.树，携带.方便，操作.简单，省时.省力，确保.了果.农的.人身安.全，.降低.了果.农的.劳动强度。.2.3组成与工作原理本机械采摘手臂可以将剪刀.切换.角度9.0度。它有大臂、大臂内管、小臂、小臂内管、把手、支架、电机、减速器、剪刀.等部分组成。如图2-1所.示。1.大臂内管2.大臂外管3.小臂内管4.小臂外管5.手柄6.电机座7.料带支架 13.收纳袋 15.直流电机 18.剪刀 19.行星减速器装载的最.大的果实的.尺寸.为：半径小于100mm，最.大能.承受. .的重. .量是10kg。其工作过.程为：人.工将.杆件移.动到果实上方，调整把手剪.刀角.度，启.动电机.按钮，剪断果柄，果实落入收.纳袋中，取.回果实。2.4剪切方案.的选择杠杠机构、液压和气压的缺.点：.杠.杆机.构的.优点：1. .结构简.单；.2. .反应迅速.；3. .力臂较.短；4. 体积小，质量轻；杠杆机构的缺点：1.杆件磨损，寿命短；液压传动的优点：1. 在同等体.积下，.液压.装置.能.产. .生出.更大.的动.力；2. . 容.易做到.对速.度的.无极.调.节，.而且调速.范围.大；3. 运动.均.匀.平.稳，换向冲.击小.；4. 自.润滑，使用.寿命.长；液. .压传.动的缺.点：1. 对温.度比.较.敏感；2. 能量.需. .两次转.换，传. .动效.率.偏低.；3. 由于.传动.介质的.可.压缩.性和泄.露等.因素的.影响，.不能.严格保.证定.比传动.；4. .元件制.造精度.高，系.统工.作过.程中.发生故.障.不.易诊断。.气压传动.的.优点：.1. .介.质.是空气，成.本低；2. 工.作介质.粘.度.很小，.所以流.动阻.力.很小，压力.损.失小，便于集. .中供.气和远.距离输.送，.便于. .使用；3. 工作.环.境适.应性.好，.能够在.恶.劣环境.中作.业；.4. . 不.易发.生. .过热.现.象气压.传. .动的缺点：1. 工作压.力低.，适. .用于. .小功.率场.合，.在. .相同的.输出. .力的.情况下，.气压传.动.装置比液.压传.动装.置.尺寸大.；.2. . 空.可.压缩性. .大，.速度稳.定.性.差.；3. 噪.声.大；4. 介. .质本.身.没有润. .滑性.；.5. 信.号.要产.生.较. .大的.失. .真和.延. .滞。综. .合比.较之后，.选择简单.的杠杆.机构。2.5总体控.制方.案设计直流电机通过单片机的程序设置，将转速调.整为.行星减.速器减.速范.围之内.，使得.每次的.触点开.关按.下之后，剪.刀完成.一次.剪切. .果柄的.操作，整个.过程.控制.在半.秒钟.左右。.沈阳工学院毕业设计(论文)第3章 剪切机.构设计3.1电动.机及减速.器选择3. 1. 1 果实采摘.过程受.力分析图3-1整个.采摘过程.可分为. 3 个阶.段 ：首.先是.抓手.持过.程 ，随着手.指的合.拢压力.逐渐增.大 。 达.到预设.压力.后 ，进.入第 2 .阶段即果.柄折.断过.程 ，此.时由于.果柄先处.于松弛.阶段然后.逐渐受拉.力作用 ，.因此压.力在预.设压力.附近先波.动后.增大 ，这与.简化几何.模型中果.柄的运.动过.程一致 .。果柄.分离瞬间.果蒂达到.了所能.承受的.最大剪.切力果.柄与果.实分离. ，进.入后接.收过程. ，.即第 .3 阶.段 。.很明.显，曲线.的变.化过.程与.实际.理论相.符 。 果.柄在分.离瞬.间 .，曲线.出现明.显波.动 ，据.此选择.适当电机 ，判断.果柄.与果.实分.离 ，实.现合.理化.控制 。表 3.1 统.计分析.了果实.样本采摘.过程.的受力. 。峰.值压.力和.预设压.力通.过压力.传感器.标定公.式求.取 。表.中压力.差即为.分离果柄.过程中对.果实.产生.的附.加压.力 ，对应.图 3.-1 中.果柄折.断瞬间.压力变化. ，.其最大值.为 3. 7 N，最小值.为 0. 7 .N，平均值.为1. . 9 N。压力.大小不同.可能与.果实成.熟度.有关.，果实.在成.熟期果.蒂离层.易被折.断，.相对应.压力小。.基础研究.中采用.曲率半径 .52 mm.、表面.积80.0 m.m的.弧形压头.进行了.果实损伤.阈值.力研究. ，发.现压力.小于 1.5 N 时.果实未出.现损伤. ，对应.压强为 .18. .8 kPa。 由.于压.力传感器有效.面积为. 50.7 mm2（直径. 13. mm）.，可求.得设定压.力 2. 7 .N 对应.压强 5. 4 kP.a，采摘中.果实最大受.力为.6. .4 N 对.应压强 1.2. 5 kPa，均.小于.果实损伤阈.值压强.18. 8. kPa.。 因.此 ， 保.证了果实.的采摘.要求 .，而且果.实样本.带回实验.室直到.可食也.未出现.腐坏 。果柄.受力分析表3.13. 1. 2 采摘结果分析末端执.行器.利用此毗.邻间隙.成功实.现了毗邻. 果 .实 的. 分 离.，毗 .邻 果. 实. 分 .离 成. 功. 率 1.00% 。果蒂.部分可明.显看到.构成果.柄离层.的维管.束组织. ，其.组织如前.所述呈束.状分布在.果柄周.围 。带.果柄的可.能原因.是果实.存在差异. ，部.分果实.未成熟. ，对.于未成.熟果实.果柄分离.所需分离.力较大. 。加之.果柄长度. 、果实大小.不同 ，.可能导致.末端执.行器旋.转分离.果柄时.与果实.惯性轴的.夹角.不同 ，若末.端执行.器抓持.果实后与.果实惯性.轴夹角.较大时 ，作.用过程.中果柄.离层处受.拉力作.用而非.剪切力. ，增.大果柄.分离.力 。剪断效果图3-2剪刀结构.参数1 、刀片.行程H它决定了.该剪切机所.能剪切钢.坯的最大高度。 H=.H 1 +j+q+sH 1 =钢坯.厚 h + (5075)mmj压板低于上刀的距离， j=550mmq下刀.低于.辊道的.距离， .q=5.20.mms上下.刀刃.的重.合量， s=5.25mm2、刀片.尺寸2、刀.片长 由被.剪果.柄的.最大直.径 确.定；l =. (3.4)bmax 小型剪l =(22.5)bmax 大、.中型. . . .剪l =bmax + (.100300) 树枝剪3、刀片断面高 h 与.宽 .b.h =()hb=h/(2.53)h果柄.直径3.1 剪切.过程分析实际剪切.过程由两个.阶段.组成：刀片压入.阶段与果.柄滑.移.阶段。刀.片压.入后， 上下刀受剪.切力 P与侧向力. T，在.剪. .切.力 P 形成.的.力.偶.Pa.作.用下，果.柄.沿顺.时.针. .方.向旋转 角，由力.的平.衡：a=x=0.5z/tg ，c=h/cos - 0.5z Pa=Tc当压入到.一定.深度 z 时，P 力.增大同时.果柄实际.的剪.切断面.变小，当实际.断面上的剪.应力达.到剪切.变形抗.力时， 轧件产生.滑移， 直.至剪断。 假.定刀片与.果.柄接触.面上压力.均布且相.等，设果.柄宽.为 b,则有：pxb=T0.25zbT=P0.5zx=Ptg由.以上.关系消去. P、a、c 可以得.出压.入深度 z 与.转角 之间的.关系：z/h=2tgsin 2tg 2可知，压入.深度 z 越大，则.转角 .越大，而.由.上式，T=.Ptg 知，.侧.向力 T也越大。在剪.切机上，为减.少侧向.力的值，一 般均安.装有压板将.果柄.压在.下刃.台上以.减小 .角。在无.压板情.况下， =1020度，T=(0.180.35)P在有.压板情.况下， =510度， T=(0.10.18)P有压板.后，剪切机.的 角.减小，侧向.力减小，既.提高.了剪.切.质量，又.减少.了磨损。这时.压板.力为 Q：Q=(0.040.05)Pmax由上面的假设可得出压入.阶段的.剪切力：P=pbx=pb0.5z/tg ，p平均压力被剪果柄断.面的剪.切变.形阻力。 由.上述.公式可.以看出， 在.压入阶段，剪切力 P 随压.入深度 z 增加而.增加；在滑移.阶段， P 随 z .而减少。P=pbx=.pb.0.5z/tg ，p平均压力由上.式可得出P=pb0.5zh-=z/hP=pbh0.5在滑移.阶段，剪切力.为：P=sb(hcosb-z)被.剪金属断面.的剪.切变形.阻力。 由上.述公式.可以看出.， 在.压入阶段，剪切力 P 随压入.深度 z 增加.而增加；在滑.移阶段， P 随 z 而减少。剪切过.程中的.轧件的变.形与剪.切力.之间的关.系可以用下.图表示。图3-2在相对压.入.深度 =0 时，果柄.被剪.断。 0为.果柄剪断.时的.相对压.入深度，它.与被剪.果柄.的性质.有关，果柄.韧性.越好则.其值.越大。3.2电机选型计算3.2.1最大剪切力 P max可按以下公式计算：Pmax=.KmaxFmax K 为考虑.刀片.磨钝、 刀片.间隙增大而.使剪切力增.大的.系数。 根据.不同的剪刀.的剪.切能力， K=1.1-1.3。对于所.剪材料无.单位剪切阻力.的实.验数据.时， 可用.以下.公式计.算最.大剪切.力： Pmax=0.6KtFmax 式中 t为所.对应温.度下的.抗拉.强度.极限。3.3电动机功率的选择不带.飞轮的剪.切机.预选.电动.机时，可.按静.力矩的大.小直.接选.取：Mer=Mermaxki带飞轮.的剪切.机预选电.动机.可按前面求.出的.静负.荷图求.出其.平均值：M=MiTjT预选电动.机的.额.定力矩：M er =(1.151.3)M m=0.5N图3-3 电机及其减速装置综上计.算，选.择TTMOTOR N20减速.电机。3.4偏心曲柄滑块机构的计算3.4.1 x 和最小传动角 min 1最.小传动角 min的计算 曲柄滑.块机.构如图 1 .所示，图.中 AB为曲柄，长度为 a，BC为连.杆，长度为 b，偏心距为 e。.愈大.，对机.构传.动愈.有利，它是机构.传动.性能.的重要.指.标之 一，工.程.上常以 值.来衡.量机构.的传.力性能。图3-4当主动件.为曲.柄时，随着.其位.置不同， 值.亦不同，最.小传动角 min 出现在曲.柄与滑.块导路.垂直.的.位置，其.值为：公式min=cos-1(a+eb)计算极.位.夹角：=180K-1K+1根据已.知条件，作.出图. 2，曲柄支.点在圆.周上，它.的位置决定.传力.性能， 现设. AC 1=x，x 作为.设计变.量，一旦.确.定了 A.点的.位置， a、.b 和 e也.就确定。下 .面找.出 a、b 和 e 与设计.变量 x .之间.的关系。图3-5在AC 1C 2 中H=b-a+b+a2-2b-a（b+a）cos因为 b-a=x所以 H=X+X+2a2-2X（X+2a）cos （1）a=xcos-1+H-Xsin2 （2）又因为Hsin=a+bsin(AC1C2)=x+2aex所以e=sin（x2+2a2）/H （3）将 b=a+s 代入（1）min=cos-1（e+ax+a） （4）将式（ 2）、（3）代入式（ 4），min仅为 x 的.函数，则可.求得 min 的.值。 二、设计最优传.力性能.的曲柄滑.块机.构 设计变.量 x 的.取值.范围。 寻.优区.间起点在 C 1处： x min=0 寻优.区间终.点在. M点：Xmax=Htg在 x 的取值.范围内根据式.（ 2）、 （3）和（4.）可求.得 x 一一对应的 min值。 利用一维寻.优最优化技.术黄金分割法，来求 min取极大值时的 x 值。. 将min最大时.的 x 值代入（ 2）、（3）求.出 a、e，由 b=x+a求出 b 值。本设.计H=50mm，行程.速比.系数 K=1.5。选择.传力性.能最优.的曲.柄滑.块机构。 x 的取值.范围为 068.819mm，x=19.104mm时，min的最.大值为 27.458。 曲.柄 a=22.537mm 连杆 b=41.641mm 偏心距 e=14.4133.5行星减速器的设计计算3.5.1 分析要求根据电.机需求，所.设计的.行星减.速器最.终输.出扭矩.为3.12N.m。3.5.2 系统组成框图图3-6 所设计的系统组成框图3.5.3传动方案的分析与拟定1）对传动方.案的要求合理的传.动方案，首先应满.足工作机.的功能要求，.还要.满足工.作可靠、传动精.度高、体.积小、结.构简单、尺.寸紧凑、重.量轻、成.本低、工.艺性好、使.用.和维.护方便等要求。2）拟定.传动方.案任何一个方案，要满足上.述所有要求.是十分困难的，.要统筹兼顾，.满足最主要.的和最基.本的要求。例.如图2-2所示为作.者拟定的.传动方案，适于.在恶劣环境.下长期连续.工作。电机.通.过联轴.器与2K-H型.行星齿轮减速.器输入轴.相连，传递扭矩.和转.速。行星齿轮.减速器采用3个.行星轮模.式。内齿.圈固定，行星.架与输.出轴相.连，输出转.速和扭矩。a太阳轮 b.内齿轮 c.行星轮 H.行星架 1.输入轴 2.输出轴图3-7所设计的行星齿轮.减速器.运动简图3.）行星齿.轮传动的受.力分析在行.星齿.轮传动.中由于.其行星.轮的数目.通常大于1，即wn1，且均.匀对称.地分布.于中.心轮之间；所以在2.HK型.行星传.动中，各基.本构.件（中心轮a、b和转臂H）对传动主轴上的轴承.所作用.的总径.向力等.于零。因.此，为了.简便.起见，本设.计在行星.齿轮传动的受.力分析.图中均.未绘出.各构件.的径向力.Fr，.且用一.条垂直.线表示.一个构.件，同时.用符.号F.代表切向.力Fr。为了.分析各构.件所受.力的.切向力F.，提.出如下.三点：.1. .在转矩.的作用.下，行星齿.轮传动中.各构件均.处于平衡.状态，因.此，构件间.的作用力应.等于反作.用力。2. .如果在某一.构件上作用有.三个平行力.，则中间.的力与两边.的力的方向应.相反。3.为了.求得构件.上两个.平行力的比值.，则应研究它们对第三个力的作.用点的.力矩。在2H.K型行星.齿轮传动中，.其受力.分析图是由.运动的输.入件开始，然后.依次确定.各构件上.所受的作.用力和转矩.。对于.直齿圆柱.齿轮的啮合.齿轮副只需.绘出切.向力F，如图13所示。由于在.输入.件中心.轮a上受.有wn个行星轮g.同时施.加的作.用力gaF.和输入转矩.AT的作用。当行星.轮数目wn.=2时，各个.行星轮上.的载荷.均匀，（或采用载.荷分配不均匀系数pk进行补偿）。在此首先确.定输入件中.心轮a.在每一.套中（即在.每个功率分流上）所承受.的输入.转矩为T=9549370/7750=4.46N*m可得aT=1T*wn=3.12N*m式中Ta中心轮所传递的转矩，N*m；P1输入件所传递的名义功率，kw；（a）传动简图 (b)构件的受力分析图3-8传动简图按照上述提示进行受力分析计算，则可得行星轮g作用于中心轮a的切向力为Fga=200T1da=200Tanwda=2004.4832=22.8N而行星轮g上所受.的三个切向力为中心轮a作用与行星轮g的切向力为内齿轮作用于行星轮g的切向力为转臂H作用于行星.轮g的切向力为转臂H上所的作用力为FgH=-2FgH=-400Tanwda=-54N转臂H上所的力矩.为TH=n.wFgHrx=-4004.483257=-0.982Nm在内齿轮b上所受的切向力为Fgb=-Fbg=200Tanwda=28N在内齿轮b上所受的.力矩为Tb=nwFgbdb/200=28196/200=2.744Nm式中ad中心轮a的节圆.直径，bd内齿轮b的节圆直径，xr转臂H的回转半径，根据文献资料，式（637）得-TaTH=1iaHb=11+P转臂H的转矩为.TH=-Ta*1+P=-0.982Nm仿上-TbTH=1iaHb=11-iabH=P1+P内齿轮b所传递的转矩，Tb=-P1+P*TH=2.744Nm沈阳工学院毕业设计(论文)结 论采摘机械手的设计.采用曲柄滑块系统和直流电机与齿轮减速器技术 ，既.发.挥了机械传动的快速、成本低.廉的优.势，又达.到了控制方便，安全可.靠的目的，解.决了恶劣环境中采摘苹果的实.际问题，降.低了操作人.员的劳.动强度 ，很大程.度上提.高了生.产效率。毕.业设计是培养学.生综合运用知识、发现、分析、解.决实际问题、培养.实践
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