手持式花椒采摘机设计【含CAD图纸+PDF图】
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分类号 编号烟台大学文经学院毕 业 设 计手持式花椒采摘机设计Design of machinery to pick Chinese prickly ash in hand申请学位： 工学学士 系 别： 机电工程系 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 文机1601-1 姓 名： 李爽 学 号： 201604501153 指导老师： 申刚（副教授） 2020年5月30日烟台大学文经学院手持式花椒采摘机设计姓名：李爽 导师：申刚 2020年5月30日烟台大学文经学院烟台大学文经学院毕业设计任务书系（部）：机电工程系姓名李爽学号201604501153毕业届别2020专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目手持式花椒采摘机指导教师申刚学历研究生职称副教授所学专业导弹地面设备1、具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等)：主要内容：1、主要技术指标:总重量2kg之内，连续工作时间12h；2、结合任务要求确定动力元件，并进行内部结构设计，3.要求有装配图和主要零件的零件图纸;4.最后进行答辩。2、主要参考资料理论力学哈尔滨工业大学第八版、机械制造工艺基础第二版周世权、机械设计第一版许立忠、机械原理第二版安子军等。3、进度安排1、完成开题报告;2、掌握结构特点，工作过程中的性以及常用的设计原则和方法。完成论文书写，准备答辩。指导教师（签字）： 2020年 1月 10日系（部）意见： 同意 系主任（签字）： 2020年 1 月 11 日备注：摘 要 手持式花椒采摘机是帮助农民完成高效率的采集花椒和保护农民安全的机械。它可以解决由人工采摘带来的高劳动成本，花椒收获效率低的问题。该设备采用摆动摇杆机构带动刀具完成剪切动作，具有收集装置和机器伸缩杆装置，实现了对剪切枝干，花椒的收集和装备的伸长与缩短功能。足够应对各种工作环境，方便农民采摘不同高度，朝着不同方向生长的的花椒。其次，手持式花椒采摘机属于小型机械，具有操作简便，机构紧凑经济性好。能够带入各种复杂的地理环境中，适用于不同品种的花椒采摘。关键词 手持式；花椒采摘机；Abstract：Machinery to pick Chinese prickly ash in hand is a machine that help farmers to improve work efficiency and protect farmers safety.It can solve the problems of high labor cost and low harvest efficiency caused by manual picking.First,Considering the actual working environment and job demand of farmers, a hand held Chinese prickly ash picking machine was designed here.This equipment uses the oscillating guide-bar mechanism to drive the cutting tool to complete the shearing work, and has the collection device and the device of the telescopic rod, which is extremely convenient to operate and has a compact mechanism with good economy.Sufficient to cope with a variety of working environments, it is convenient for farmers to pick peppercorns of different heights and growing in different directions.Secondly, Machinery to pick Chinese prickly ash in hand is a small machine with simple operation and good economy. Can be brought into a variety of complex geographical environment, suitable for different varieties of Chinese prickly ash picking .Key words：Portable;Chinese prickly ash picking machine;目 录第一章 绪论11.1. 课题背景及意义11.2. 课题的主要工作1第二章 手持式花椒采摘机总体方案22.1. 课题的主要工作22.2. 工作需求及结构参数22.3. 手持式花椒采摘机总体方案22.4. 设备的主要装置及工作原理32.5. 设计的主要内容3第三章 剪切机构的原理及设计53.1. 剪切结构原理53.2. 剪切机构的刀具设计53.3. 刀具间隙补偿机构的设计5第四章 动力传输机构的原理及设计64.1. 摆动导杆机构的基本要求64.2. 动力传输机构原理64.3. 极位夹角的的取值范围64.4. 各杆长度的确定原则8第五章 伸缩结构装置的原理及设计105.1. 伸缩结构的基本要求105.2. 伸缩机构的原理10第六章 设计收集装置12第七章 螺纹及螺母计算和校核137.1. 螺母的参数的计算137.2. 螺纹牙强度的计算137.3. 螺母强度的计算14第八章 标准零件的选择158.1. 机器整体的材料选择158.2. 电动机的选择15结论17参考文献18致谢192烟台大学文经学院毕业设计第1章 绪论1.1. 课题背景及意义在花椒收获的季节的用双手进行采摘花椒仍是我国采摘花椒的主要方式。这种方式非常耗费人力和时间，但是如今的社会已经不同往日，伴随着社会科学技术的进步，机器取代劳动力已经是时代的潮流，花椒果实的人工采摘过程是农民用手指甲对花椒穗处进行剪切，长时间的采摘极易在手指甲处产生疼痛，并且花椒树的树枝和树身生长有浓密的尖刺，农民在采摘过程中还要保证果实的完整性，影响了采摘的速度，这极大的提高了采摘的难度，使农民无法快速完成采摘的动作，导致工作效率极低。虽然农民用双手采摘在一定程度上提高了对花椒树枝叶的保护，并它们提高了采摘果实的质量。如果面临大规模的采摘花椒时，单单仅靠人工徒手采摘可能无法满足要求实际的需求。目前我国所拥有的大型的采摘机器的购买要花费大量的财力，由于花椒生长的地形复杂大型机器无法使用，故没有在全国普及开来，仅仅能专门的地形中使用。为了解决我国缺少轻便，转移方便的设备，因此特别设计手持式花椒采摘机解决上述的问题。手持式花椒采摘机的设计主要解决了由于花椒树枝存在密集的尖刺和小果实长而造成的采摘困难既不损害叶子，芽或枝条，又要及时对果实收集的问题。为了以花椒为主要农作物的农民，提供了方便的机器，促进椒农的经济增长，1.2. 课题的主要工作本该设计完成了对机器核心传动机构的设计，采用最优的尺寸设计方案，完善了对采摘花椒产品无污染的设计，使符合国家的食品卫生标准。具有优异的耐磨性和超长的机器寿命。手持式花椒采摘机使用过程方便、尺寸小巧，实现了根据现场的实际需要进行调整，轻松的对各种位置花椒进行采摘并可以进入各种复杂的环境的设计。第2章 手持式花椒采摘机总体方案2.1. 课题的主要工作手持式花椒采摘机设计的主要工作如下：（1） 手持式花椒采摘机整体尺寸不应该太大，机器的材质要轻盈：（2）手持式花椒采摘机需要有适当大小的动力驱动和工作部位(刀具)的剪切力；（3）手持式花椒采摘机刀具的摆动应该有一定的角度；（4）手持式花椒采摘机结构设计过程中应当考虑适应恶劣环境与操作简单的要求。（5）手持式剪切花椒应当具有一定的位置精度；2.2. 工作需求及结构参数下面本文对手持式花椒采摘机由基本工作条件产生的基本设计参数如下：（1）手持式花椒采摘机用两个刀片交错啮合实现对果实的采摘；（2）剪切粗细即刀口的张口为1-5毫米，剪切的速度为/次。由上述实际工作条件决定的设计要求，本文对手持式花椒采摘机进行了总体的设计。2.3. 手持式花椒采摘机总体方案本文以花椒采摘机的传动原理和刀具的设计主要的研究对象，并分析目前已有的花椒采摘机与本人大学期间的知识的学习实现了对手持式花椒采摘机的设计。具体内容如下:手持式花椒采摘机的总体方案如下。其中包括：剪切机构、动力传递机构（摆动导杆机构）、花椒收集装置和伸缩杆加长装置。设备的核心通过剪切机构对花椒穗进行剪切，且不能对树干造成过大伤害。比如：不过分损伤枝叶、不伤花椒芽、农民操作要简单、设备要轻便小巧。还要并且对已经采摘下来的花椒进行收集。总体的设计如图2-1。图2-1机器总体方案1- 上刀片；2-固定下刀片；3-导杆；4-转盘；5-伸长机构旋转轴；6-伸长臂；7-手柄；8-剪切机构固定支架；9-直流电动机；10-电源；2.4. 设备的主要装置及工作原理花椒采摘器工作原理是动力源9-直流电动机，带动4-转盘与3-导杆形成移动副绕着固定端做来回摆动，同时3-导杆的左端连接着1-上刀片。上刀片与2-固定下刀片左右错动对花椒果实采摘处进行剪切。此时刀具错动产生的剪切力将花椒与树枝分离。花椒因为重力而掉落，最后落在花椒采摘器上的花椒倒入收集装置；从而完成一个花椒收获。收集装置需要提前固定在花椒树干下方。在其后部有5、6、7形成旋转伸缩机构，目的是实现对不同高度和不同方位花椒的采摘，实际操作过程：农民工人操作时，首先按照工作需求用机器长短进行调整。然后只需启动开关后通过手持机器瞄准果实需要剪切的部位做进给运动，即可完成采摘工作。掉落的果实通过收集装置对果实进行收集。完成整个采集过程。2.5. 设计的主要内容接下来对动力、机构原理、刀具设计、伸缩装置、收集装置详细说明。第二章:通过查阅相关资料和所学知识积累，了解了目前花椒采摘机中采摘机构与收集系统的相关方法和方向。第三章第四章第五章第六章：查阅机械原理的书籍，设计花椒采摘机结构及工作原理。对机器的主要机构进行设计和对机构进行校核。为了加长农民有效的的工作半径而对伸长机构进行的设计和校核。第七章：对比一般螺母螺纹的校核步骤进行计算。第八章：查询书籍完成对材料与电机的选择。第3章 剪切机构的原理及设计3.1. 剪切结构原理剪切结构的原理:通过上刀片与固定下刀片相互错动产生的剪切力对花椒枝干进行剪切。如图3-1。图3-剪切机构示意图3.2. 剪切机构的刀具设计剪切机构的刀具由固定下刀片和上刀片组成，下刀片是一个固定在固定支架上，切割上锯是一个摆动刀具。通过两个刀具的相互错动达到切割的作用。刀具的尺寸与形状由实际的工作要求有关：一般花椒树枝的直径在1-5之间，为了保证可以将花椒的树枝完全放入刀口中，所以将刀齿间的距离定为为5左右，刀具切割部位的长度定为20，宽度定为20。3.3. 刀具间隙补偿机构的设计两个刀具之间相互错动摩擦是不可避免的，如果刀具之间的间隙很小，剧烈的摩擦将会加速刀头磨损，还会在采摘过程中产生热量，降低刀具的塑性，影响机器的寿命。间隙过大时会影响剪切，造成无法剪断的现象，影响效率。所以需要补偿它们之间的间隙。刀具间隙补偿机构的原理是通过螺纹可以使用螺栓与螺母通过旋紧的方式，完成对刀具的压紧，实现对间隙进行补偿。第4章 动力传输机构的原理及设计4.1. 摆动导杆机构的基本要求在进行摆动导杆机构设计时，我们不仅仅要保证从动件（刀具）能够满足实际的采摘功能工作的需要，还要保证摆动导杆机构要有良好的工作稳定性和良好的工作效率。因此，本节核心讨论有关摆动导杆机构结构的尺寸选取的最优化，选用最为合理尺寸进一步提高机械效率而设计的基本参数的理论依据。4.2. 动力传输机构原理本整个手持式花椒采摘机的设计中最为核心的工作就是将如何把直流电动机的连续转动转化为机构的连续移动或摆动问题。经过机械原理课本知识的查询与市面上流通的商品的研究，最终确定了采用摆动导杆机构。此机构具有优良的特殊性质。机构传动就越有保障。传动角始终为90度，机器的工作性能良好。如图4-1图4-1 摆动摇杆机构原理图对摆动导杆机构的运动参数的选择，对于能否发挥机构的特点，提高机构的工作效率，对设备的设计极其重要。4.3. 极位夹角的的取值范围下面介绍了急回特性行程比系数对摆动导杆机构效率的影响。以此来选取最佳的机构尺寸。图4-2为机构的简化原理图图4-2 摆动导杆机构原理图设、分别表示AD、AC、摆杆CB的长度。B长度为刀头摆动的距离,A为电机的输出端，AC机构的曲柄完成定轴转动，CDC为极位夹角。在运行电动机后，直流电机曲带动AC做主动件世家驱动力给滑块C,使滑块在导杆中不断的移动,带动导杆绕着定点D不断摆动，导杆BC另一端B处安装刀头，刀头做往复运动,于固定的下刀齿滑动完成剪切的工作，要求摆杆速度稳定，选用合适的机构尺寸将能够充分利用机构自带的急回特性,大大的提高工作效率。根据定义,急回特性的行程速比系数的公式为 （4-1）其中为极位置夹角，K为急回特性的行程速比系数公式为； （4-2）式中-极位置夹角，l为杆长。由式(4-1)、式(4-2)可知，式子中K值越大，机构的急回特性越明显。并且极位夹角K值在K值随的增大而增大,随减小而减小。他们的关系近似成正比的关系,说明AC的越长，急回运动特性越突出，即工作的效率也就相应的提高了。它们之间的关系如图4-3所示。图4-3曲柄长度与形成比系数关系经过推导公式，滑块在左右晃动时的速度不均匀系数公式为 （4-3）其中为极位夹角因此，根据式(4-3)可以得到速度不均匀系数与极位夹角的关系,如图4-4所示。图4-4极为夹角与运动不均匀系数的关系所以最佳的极位夹角试取在这里，由于摆动范围不太大，所以取4.4. 各杆长度的确定原则根据机构的曲柄存在的条件及满足摆动导杆机构的杆长条件,需要满足即形成摇杆机构条件。且.),但是一般用公式:( (4-4)比较合理。根据前述=30，由直角三角形可以算出ED与DB的距离。如图4-5图4-5杆件构成的直角三角形，由上式可得,成正比关系。为了保护人的手与花椒树枝之间保持一定的距离暂定CA=130.同理可求出曲柄AC的长度第5章 伸缩结构装置的原理及设计5.1. 伸缩结构的基本要求（1）功能要求伸缩臂的操作方式要简单，能够保证一定的的位置精度。（2）使用寿命的要求产品的寿命是指由于正常的磨损（例如摩擦和磨损）而导致连续工作时间降低了产品性能（在允许的范围内）并且不需要大修。因为很难将每个组件设计成具有相同的寿命，因此对于比较容易磨损的部件的设计应该便于制造和易于更换。 （3）经济性要求要求主要有两点：工艺过程的经济性，实际工作的经济性。设计要尽量减小制造精度和安装精度还有尺寸精度，使经济性上升。下面是由实际工作确定的伸缩臂的基本参数：（1）整体长度变化范围为：20-100mm；（2）完成整个长度变化的时间为：5-10S；（3）位置精度：要有保证保证位置精度的机构，且产生的位置误差要不大于3mm；5.2. 伸缩机构的原理伸缩机构的方案是采用导轨的设计方法，将手柄插入到伸缩杆中，通过螺母螺栓进行位置固定。有需要时可以拔出来。实现机构的伸缩。设计伸缩机构的目的是为了解决受树的高度的限制和花椒果实生长方向朝向四面八方的限制，工人够不到果实无法按完成采摘这一情况而设计。具体装置如图5-1图5-1伸缩杆机构简图图中1为旋转支架 2为伸缩杆 3为手柄在工作时农民工人只需要松开螺母，抽动手柄拉伸到满意位置，旋紧螺母即可。下图是伸缩机构的极限位置状态，如图5-2图5-2机构处于最长与最短位置图将手柄的长度定为120 宽度为140，每隔20打一个孔。第6章 设计收集装置花椒采摘下来颗粒较小，掉落在地上将很难全部回收，根据花椒树枝干，设计网状兜，将收集网包围在花椒树枝下，剪落得花椒将落入网内，通过收集器收集。如图6-1图6-1收集装置第7章 螺纹及螺母计算和校核7.1. 螺母的参数的计算首先下文对与螺母外径为： （7-1）已知，所以，取螺母凸缘外径D4为 （7-2）将D带入（7-2），所以，取mm，所以为7.2. 螺纹牙强度的计算选取螺母的材料为青铜。强度的校核是对比较脆弱的零件进行计算，其中螺母的材料较差，故对螺纹牙强度的校核。式中-梯形螺纹的螺纹牙根部宽度式中-为青铜螺母的许用切应力对于螺母的剪切强度可以按下式确定： （7-3）由于机器受力不大，定，内螺纹大径D=24.5mm，将上式代入得：，故设计合理。7.3. 螺母强度的计算对于使用青铜作螺母材料，一般取，取式中-许用拉伸应力首先我们要对螺母外径进行校核和强度的计算 （7-4）利用上式已知的条件进行计算其中取比较合理。下面将对材料的许用挤压应力进行计算根据手册 （7-5）式中为-螺母凸缘与底座接触表面的挤压强度把F=1000,D=62,D条件代入，得所以满足条件。第8章 标准零件的选择8.1. 机器整体的材料选择对于机器外壳来说，考虑手持式机器的要求要保证重量轻盈，这样农民工人劳动强度会大大降低，采故用pvc高分子材料制作外表面，具有良好的塑性。刀刀头部位采用不锈钢304制作，原因是有较强的抗氧化能力。采摘后在果实之上不会残留刀具废屑对人体产生伤害，并且承载能力强，可以抵抗较大的载荷。有一定的刚度, 摆动导杆采用45#钢，由于转动受到较大的扭力。伸缩机构同外壳一样采用pvc高分子材料，来降低劳动强度。收集装置材料的选择需要具有经济性安全性，所以采用可使用级别尼伦材质作为收集装置。8.2. 电动机的选择手持式花椒采摘机的动力原件选择为直流电电机带动机构，实际需求：负载相对稳定、连续转动不改变方向，野外工作，粉尘多有多种枝叶等杂物，另外摆动导杆的转速度不能太高，两刀具交错速度太快，会使花椒果实剪切部位不能送到道口，出现剪不断的现象。另外快速摩擦产生的热量使得刀锯变为红热状态，塑性降低，如果更进一步刀具受热量增高会发生退火，使刀具失去其锋利的特性，使工作过程变难，工作效率变低。在这里电动机选用。作为动力源，为了确保能使机构的功率和速度，以保证顺利完成花椒的剪切。 通过计算传动比还有功率，来实现直流电机的选取。由课本和查阅相关电动机的选择，大致选取参数如表8-1。表8-1 脱壳辊相关参数项目代号参数值摆动导杆直径dk60mm摆动导杆转速nk3000r/min刀锯最大间隙lj10mm N=75W式中G-花椒采摘机的采摘能力，。W-将花椒采摘下所用能量，其值与刀片往复次数有关，并且d与w成反比，当，取。-传动效率，选定表7-2 主电机参数型号额定功率/kW转速/( r/min)电流/ A效率/ %功率因数cos7750.075300012840.73最大转矩额定转矩堵转转矩额定转矩堵转电流额定电流转子转动量GD2/ Nm2重量/kg2.02.06.00.753118所以根据，通过课本查询，最终选用775，如图8-1 图8-1 直流电机结论这一学期的毕业设计马上就要结束了，这次的设计不仅让我对原先已经学习的只是进行了很好的复习，还学到了许多新的知识。通过查阅书籍等相关资料，使我对手持式花椒采摘机的设计有了更多的了解。在本次设计中主要是对传动机构进行的设计，顺利完成了手持式花椒采摘机采摘工作的设计，实现了对果实的采摘和花椒果实的收集还具有重量轻、操作方便等优势。同时也对机构的主要零件做了绘制，使论文的表达的更加清晰。同样它也有着一些不可避免地不足之处，比如伸长机构显得太过笨重，由于技术不足，收集装置也不是太过于智能。虽然就目前而言还存在着一些缺陷，但是我相信在我们不断地努力下，以后的设计将会变得更加完善。 参考文献1 刘鸿文.材料力学I，第五版M. 北京：高等教育出版社，2011.1: 112-1172大连理工大学工程图学教研室.机械制图，第六版M. 北京：高等教育出版社，2006.2: 21-233邹慧君主编机械原理课程设计手册高等教育出版社19984 陈秀宁，施高义.机械设计课程设计M. 杭州：浙江大学出版社，2012.7: 27-295 孔凌嘉.简明.机械设计手册M. 北京：北京理工大学出版社，2008.2: 66-696 机械设计手册委员会.机械设计手册单行本（连接与紧固）M. 北京：机械工业出版社，2007.3: 28-357安子军.机械原理.第二版M 国防工业出版社致谢本次毕业设计过成中遇到了不少的困难和挑战，感谢申刚老师的细心的教导，申老师在我做毕业设计的过程中，善于启发和诱导。经常性的提出精彩设计方案，并且吕老师耐心地回答我的各种问题，教导我如何让完成毕业设计。感谢老师，感谢老师对我毕业设计的细心指导。对于此次毕业设计过程中存在的问题的解答，也学到了新的知识和方法，感谢老师的指导和付出让我顺利完成毕业设计。在这次毕业设计中我不仅巩固了以前学过的知识，又学到了一些新的知识。大大的提高了实践动手能力。让我对于所学知识的理解更加透彻和深刻并能够加以运用。毕业设计的完成也就意味着大学四年的生活即将结束，新的未来也即将开启最后再次感谢老师对我的帮助，也非常感谢那些帮助我的同学，才使我在圆满顺利的完成本次的毕业设计。 21烟台大学文经学院毕业设计评审表（指导教师用）题 目手持式花椒采摘机学生姓名李爽学号201604501153专业机械设计制造及其自动化指导教师姓 名申刚职称副教授所学专业导弹地面设备是否同意参加答辩：同意答辩得分83评语：本文选题符合机械类毕业设计的要求。针对设计任务，该生文献查阅量较大，分析论证充分，设计图纸规范，设计过程完整，设计结果合理可行，具有较好
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