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装箱机械系统的结构设计,装箱,机械,系统,结构设计
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装箱机械系统的结构设计苹果装箱机设计摘要本课题主要是要研制一套苹果自动装箱机，它能够减轻工人的劳动量，代替人工装箱工作。本装箱机主要有两个自动度，一个是上下升降，另一个是旋转。当输送带上的苹果到达了指定区域，机械手通过气缸带动，抓取苹果，然后旋转臂旋转，最后通过螺母带动旋转臂再丝杠上做升降运动，将苹果放入箱子中， 通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：苹果，装箱机，滚珠丝杠，气缸 IAbstractApple packing machine designThis topic is mainly to develop a set of apple automatic packing machine, it can reduce the labor of workers, instead of manual packing work. This packing machine mainly has two degrees of automaticity, one is up and down, the other is rotation. When the apples on the conveyor belt reach the designated area, the manipulator is driven by the cylinder to grab the apples, and then the rotary arm is rotated. Finally, the rotary arm is driven by the nut to do lifting movement on the screw, and the apples are put into the box.Through this design, I have consolidated the professional knowledge I learned in university, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, theory of tolerance and interchangeability, mechanical drawing, etc. I have mastered the design method of common mechanical products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance for my future work and life.Key words: Apple, packing machine, ball screw, cylinderII目录目录第1章 绪论1.1 课题研究背景与意义苹果在运输过程中容易磕碰、挤压等导致破损后腐烂，因此苹果必须装箱运输，我国苹果产量巨大，每年到丰收季节均会有大量苹果等待装箱，如果均靠人力会耗费大量人力及时间，不仅容易使工人作业疲劳而且容易错过最佳上市时间，因此希望设计出苹果装箱机械手，实现苹果自动装箱。1.2 国内外装箱机的研究进展人们的消费习惯和消费质量的变化和提高，必将促进食品和装箱机械向多品种，多功能，高水平的方向发展，特别是我国已经加入WTO，装箱机械市场要面向全球，国外装箱机械的先进技术和装备不断涌入我国市场，这也使我们必须采取应对措施，不断提高我国装箱机械水平，努力满足国内外市场需要。一是实现食品装箱的单机机械化，在1945年以前，食品的装箱大多是采用单机完成的；二是实现装箱机械的初步自动化，在50年代，装箱机采用了电气开关和光电管；三是实现装箱自动流水线生产。在60年代，装箱机上广泛应用新型电子元件组成的控制系统、新型机械、及电气和液压气动等新技术；四是在装箱机上采用电子计算机控制，70年代由于采用计算机对包整机械进行控制，提高了单机和自动线的自动化水平；五是向无人化的方向发展，80年代后，装箱机的装箱产品多样化，不仅外观好看，而且经济实用。我国的装箱机械与国外的技术差距主要表现在机械的稳定性和可靠性上（a）机电一体化技术，提高装箱机械自动化程度及运行可靠性和稳定性。（b）激光应用技术，将微机控制、检测、调整、显示等项技术应用于装箱机械，提高装箱机械运行的可靠性和智能化程度。（c）热管技术，提高装箱机械封口的质量、可靠性及对材料的适应性，节约能源。高精度定量软包机实现的是对一些无粘性液体的装箱，本机采用的材料是复合材料，装箱材料是以玻璃纸等为基纸引为商标，并涂上高压聚乙烯制成，喷涂要均匀，复卷后外圆平整，不允许有高低不平或两边松紧不一的现象。高精度定量软包机由于功能较少应用范围小所以生产率较高、成本低，对于装箱行业的中小企业来说是不错的选择。本次设计的主要对象是装箱机的整体部分，介绍了装箱机的横封机构、纵封机构和供料机构，并简单的介绍了他的电气部分。其机械部分主要有 横封器、纵封器、剪切机构和可调量杯机构，电气部分主要有光电开关、凸轮接近开关控制机构和减速电机。用于鲜奶、果汁、酱油、醋等液体材料的装箱，适用于批量小，品种变化多的中小型企业。国外已经引用先进装箱机械技术，从“使用型”转为“消化型”。对促进食品装箱机械的发展起到了积极的作用。实践证明，把先进装箱机械技术引进并为食品生产所用，是一条较快建立食品装箱机械技术体系，加速装箱机械领域发展有效的途径。国外先进的装箱机设计过程包括：市场调研、用户需求分析、装箱机功能的确定、可行性论证、制定设计方案、用户效益分析、方案的可行性论证、原理图设计、结构设计、施工图设计、样机制作(虚拟制造)、技术验证和施工图修改、制定售后服务预案及远程诊断方案、改进设计、系列化设计等。 市场调研是一切装箱机设计的基础工作。没有市场调研，我们所做的所有设计工作都可能等于零。市场调研，可以根据政策导向、行业供求信息、专家分析、行业展会、技术交流会等线索，找到用户的需求信息，并加以整理分析后，确定装箱机应该完成的功能。在原理方案设计过程中，首先要充分了解相关的信息产品、电子产品的功能，了解气动元件的性能，并用以简化机械传动系统，还可采用多电机拖动来缩短机械传动链。另外装箱机械系列化、模块化的行业标准，也到了该制定的时候，装箱机械已成为我国十大机械行业之一，而系列化、模块化的行业 标准的制定必将促进我国装箱机械行业跨上新的台阶。随着虚拟概念的提出，电子技术、计算机辅助设计(CAD)、三维图形设计(3D)和计算机仿真设计的同步发展，在设计中采用一种新技术虚拟设计、虚拟制造，即将各种机器元素数据库存人计算机，把图纸数字化后输入计算机，计算机即可自动成为三维模型 。再把实际生产时的数据和指标输进去，把各种可能发生的故障输进去，计算机三维模型即可仿照真实工作情况进行操作，演示出能达到 的生产能力，废品数量、生产线各环节的匹配情况、生产瓶颈等，并可根据客户的意见修改模型，快速运作，直到客户和设计者满意为止 。 现代装箱机设计应该满足“绿色设计”，即人性化设计的要求。它是面向质量设计、装配设计、制造设计、维修设计、可靠性设计的 综合设计。我国人口众多，人均消费水平比发达国家低，而且城乡差异较大，装箱机械的设计应以价廉物美为主，不能盲目追求高精尖。 要考虑到可靠性、安全性、环保性、低噪音等各方面的因素。充分体现原理优化、结构优化、制造优化、造型优化。标准工作是一项耗时耗力的工作，但却是行业健康发展的基础性工作，行业新产品的开发、规范产品质量、有序竞争、市场质量监督，都有赖于标准的科学、务实、先进。装箱机械零部件生产专业化。国际装箱界十分重视提高装箱机械加工和整个装箱系统的通用能力，所以装箱机械零部件生产专业化是发展的必然趋势，很多零部件不再由装箱机械厂生产，而是由一些通用的标准件厂生产，某些特殊的零部件由高度专业化的生产厂家生产。这是因为装箱机械很多控制部件或结构部件与通用设备相同，可以借用。我国目前装箱行业“小而全”、“大而全”的格局应尽快调整。1.3 改进思路装箱机械设计方法的改进思路：首先在设计理念上借鉴先进国家的经验，以用户的需求为设计的目标，并结合柔性设计、模块化设计的理念，一机多用，或更换少量的零、部件就可以完成不同的功能，或满足不同的产品需求。随着科学技术的发展及市场竞争的加剧，客户的需求也越来越高。这种需求体现在以下几个方面：一是提高生产效率，以满足交货期 和降低生产成本的需要，对一些产品，还要求装箱机械和生产机械相衔接；二是为适应产品更新变化的需要，装箱机械要具有高的柔性和 灵活性；三是当设备出现故障时，要求能进行远程诊断服务；四是利于环境保护，噪声、粉尘和废弃物少；五是设备购置投资尽可能少， 价格要尽可能低。所以，一定要在市场调研的基础上，充分了解、认真分析用户的需求，确定装箱机应该完成的功能和各项技术指标，制定初步的原理设计方案。本次设计的总体设计，全面考虑整个装箱机系统的布局、运动协调性、造型设计、人-机环境以及装箱运输等。模块化设计是一种先进的设计方法，它的核心思想是将系统根据功能分为若干模块，将装箱机中同一功能的单元设计成具有不同性能、可以互换的模块，通过模块的不同组合，使装箱机多功能化、系列化。采用这种方法的优点是：(a)使装箱机更新换代速度加快。因为新机型的替代，往往是局部改进。将先进技术引进相应的模块，比较容易实现局部改进；(b)缩短设计周期。当用户提出要求后，只需更换模块，或设计制造部分模块，即可得到新的机型，满足用户需求；(c)降低成本，便于维修；(d)性能稳定可靠。因为模块设计时，对装箱机的功能划分和模块设计，进行了精心的研究，保证了模块的性能，如：凸轮机构、伺服机构、检测系统、传动系统、控制系统、计量机构、下料机构等。对于必不可少的机械传动系统，应尽量利用现代化设计手段，在对产品功能分析的基础上，通过创新构思、系统建模、动力分析、动态优化，从而得到最佳设计方案。技术设计是将原理设计结构化，确定零部件的数量、形状、尺寸、材料等，对主要部件中关键零件进行动力计算、功率计算、强度计算、刚度计算。毕业设计是工科大学毕业生面临毕业时，一次综合的全面的设计能力的训练。目前在于培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用机械设计和相关的课程的理论知识能力，加强和扩展有关机械设计方面的知识。第2章 机械结构方案设计2.1 机械总体方案根据以上工作要求，综合考虑机械手的功能实现和通用性，确定采用两自由度关节型结构。整体方案初步确定自动装箱机械手通过方形底座固定，接着利用齿轮的旋转带动机械手做90的回转运动。机械手臂由一个关节相连，通过两个单独的步进电机带动手臂上下移动及回转。手臂末端连接着机械手，通过这个机械手的动作，将苹果利用气缸抓在机械手上，然后将其移动到输送带上，如此往复的循环。2.2 机械手的构成机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，各部关系如图2.1所示。图2-1 机械手的构成 2.2.1 执行机构（1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型(为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一个小距离的横移。也有的机械手没有腕部自由度。（3）臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬到预定的位置。手臂有三个自由度，可采用直角坐标（前后、上下、左右都是直线）,圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式。直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，其优点是结构简单、刚度高，在自由度较少时使用。圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构复杂，所以也不常用。 2.2.2 驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。2.2.3 控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特征。2.3 升降机构方案 2.3.1 方案确定升降机构通常有采用液压缸的液压式、采用气缸的气动式，也有采用丝杠/螺纹传动的机械式。但是通常液压式、和气动式需要比较庞大的液压/气动系统来提供动力源，并且液压式对工作环境污染较严重，而气动式则冲击较大，均不适合用于本次摆苹果机的臂部升降机构。因此本次采用丝杠/螺纹传动的机械式降机构，为了提高工作效率本次采用滚珠丝杠副作为升降机构，其结构如下图示：图2-3升降机构方案 2.3.2 结构说明2.3.3 功能实现2.4 摆动机构方案摆动机构，通常可以通过齿轮传动、四杆机构（曲柄摇杆机构）等实现，但是为了保证摆动机构的稳定性以及减小机构尺寸确保机构的紧凑性，本次采用齿轮传动，结构如下图示：第三章 部分零部件的计算与校核3.1 升降机构的设计 3.1.1 电动机的选择步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。摆苹果机臂部升降机构要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号90BF004的反应式步进电动机作为主运动的动力源，该机功率为0.42KW。选用时主要有以下几个步骤： 3.1.2 步根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(1)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角,由于综合考虑，我初选了，可满足以上公式。(2)距频特性步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是：Mmq=步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：MkqMmq=Mjmax计算Mkq的各项力矩如下：加速力矩空载摩擦力矩附加摩擦力矩3.1.3 启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.2 滚珠丝杆副的选型与校核定滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中滚珠丝杆被三次选用，故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下： 首先对于一些参数说明如下： 轴向变载荷，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、3n ；第i个载荷对应的转速(r/min);第i个载荷对应的工作时间 (h) ;丝杆副最大移动速度(mm/min);丝杆预期寿命。3.2.1 型号选择（1）根据使用和结构要求 选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（2）计算滚珠丝杆副的主要参数 根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0系数=1.5； 计算当量转速 计算当量载荷 初步确定导程 取4mm计算丝杆预期工作转速计算丝杆所需的额定载荷（3）选择丝杆型号根据初定的和计算的，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杆。所选丝杆型号为CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。3.2.2 校核计算（1）临界转速校核校核合格。（2）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。（3）滚珠丝杆的预紧预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：其相应的预紧转矩第四章 三维模型的建立与装配近年来，随着信息化的高速发展，很多三维建模软件在国内应用广泛，这些三维建模软件主要有：SolidWorks、pro/E、CATIA、UG等，这些软件都有其独特的特点。pro/E是全国高效普遍学习使用的三维建模软件，Pro/ENGINEER系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。参数化设计是Pro/ENGINEER系统最重要的特点。所谓参数化设计是指零件和装配件的物理形状由特征属性值（主要尺寸）来驱动，用户可以随时修改特征尺寸和其他属性。4.1 零件模型的建立装箱机械是个相对复杂的机械系统，机械系统的零件数量较大，有些零件是根据设计要求自行设计，有些零件使用国家标准零件。下面将分别说明这两类零件的三维建模过程。零件建模运用了拉伸、旋转、扫描等方式。 4.1.1 零件的建模1. 底座模型的建立1) 设置工作目录 工作目录是Solidworks默认文件保存的路径，在建立模型前设置工作目录，就能使得模型文件默认保存在指定目录中。创建文件夹命名为模型。2) 新建文件，命名为“底座”，用拉伸命令，草绘底座轮廓，创建轮胎实体。见图4-13) 在底座上面创建轴承座，单击草绘，草绘轴承座草图。运用拉伸命令，设置拉伸高度为25。4) 在轴承座上钻4个M512的螺纹孔，采用圆周阵列的方式。5) 在底座上打10个M8的螺纹孔，全部打通，完成模型建立见图4-2.图4-1底座草绘 图4-2 底座模型2. 滚筒模型的建立两个滚筒模型直接使用旋转凸体命令创建。其模型如图4-3所示。图4-3 滚筒3. 支架的建模支架是电机与一对齿轮副的安装载体，其设计尺寸根据两者确定，根据设计的支架高度要求，其草图如图4-4所示、模型见图4-5所示。图4-4 支架草图 图4-5 支架模型4. 支架支撑模型建立支架支撑是本机器重设计最复杂的一部分，支架支撑一端通过螺钉与丝杠上的螺母连接，中间部分装有滑块，另一部分通过轴连接齿轮和旋转臂，零件模型如图4-7所示。 图4-7 基座模型图4.1.2 标准件的建模装箱机械的标准件有：轴承和连接紧固件，具体为深沟球轴承和螺栓螺母及螺钉。在solidworks中的标准库里，包含有这两类标准件。solidworks里的参数化建模的特点方便我们找到合适的标准件。标准库里包含齿轮，改变齿轮的模数、齿数、变位系数、压力角和齿宽，就能得到符合设计要求的齿轮。1. 轴承的调用soldworks中的轴承标准库根据国家标准号分类，根据不同轴承的国家标准编号，找到目标轴承,保存。轴承模型如图4-10所示。 深沟球轴承 推力球轴承图4-10 轴承模型2. 连接紧固件的调用连接紧固件主要是螺栓螺母和螺钉，主要起了定位和固定的作用，在solidworks的连接紧固件标准库中收纳了几乎所有标准螺栓螺母和螺钉，根据国标号和尺寸，寻找目标模型，其过程如图4-11所示。选取模型如图4-12所示。打开设计库 选取目标模型 图4-11 选取过程 螺栓 螺钉图4-12 紧固件模型3. 齿轮的调用修改solidworks中的齿轮都是参数化模型，只要改变模型参数再生新的模型就可以得到目标齿轮模型。其模型如图4-13所示。图4-13 齿轮模型4.2 零件的装配完成零件的设计后，按照设计要求的约束关系或者连接方式将零件装配在一起才能形成一个完整的产品或是机械装置。solidworks提供的组件模块就是用于装配零件的。在solidworks系统中，模型装配的过程就是按照一定的约束条件或连接方式，将各零件组装成一个完整的整体并能满足设计功能的过程。 4.2.1主轴装配过程由于整个机械结构系统比较大，装配的思路是将零件装配成小组件，小组件再装配成大组件，以此完成整个机械的组装模型。现实组装过程也是如此。首先将电机与电机架用螺栓固定再支架最上面，然后通过联轴器将电机轴与滚珠丝杠副连接起来，再将滑轨固定在支架上，最后依次连接支撑，轴承。就完成了行走机构组件的安装。如图4-14所示。图4-14组装过程4.2.2 大齿轮与轴的装配过程 大齿轮首先与轴配合好，然后通过弹性挡圈固定在旋转臂上面。如图4-15所示。图4-15 装配过程 4.2.3 整体装配上面已经将所有小组件都组装起来了，下面就要根据整体的约束关系和位置关系将装箱机械完整组装起来，结构如图4-16所示。图4-18 装箱机械模型第五章 旋转臂有限元分析 有限元法是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以其广泛应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。有限元法的基本思路是将一个连续求解区域分割成有限个不重叠且按一定方式相互连接在一起的子域（单元），利用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示全解域上待求的未知场函数。这次分析，使用Solidworks Simulation分析，Solidworks Simulation是SolidWorks是达索系统（Dassault Systemes ）下的子公司开发出来的有限元分析模块。旋转臂一段固定在轴上，由齿轮传动带动轴回转，然后带动旋转臂旋转，故旋转臂靠齿轮一端承受扭矩，靠近吸盘端吸取苹果时收到苹果的下拉力。所以主要对旋转臂进行静力分析，用来对其进行强度校核。5.1 旋转臂的静力分析 静力分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构承受随时间不变的载荷的情况。在Solidworks Simulation中，静力分析的基本步骤：1.模型处理在分析之前，我们需要对模型进行相应的简化与处理，以满足网格划分的要求。这种修改包括特征消隐、理想化或清除等方法。利用这些处理可简化网格，保证网格顺利划分。2.新建算例要生成算例，请右键单击Simulation AnalysisManager树中的顶部图标，然后单击“算例”。按照名称、网格类型、分析类型和属性定义算例。3.添加材料属性在右击Simulation AnalysisManager树中“实体”/“壳体”中定义材料，打开对话框，可从SolidWorks、Simulation材料库中选取，用户还可自定义。4.定义约束和载荷用户可通过“载荷与约束”添加所需的载荷与约束形式，Simulation提供了丰富的载荷与约束形式。5.网格划分用户根据需要选择合适网格大小与精度，进行网格划分。6.求解7.后处理运行完成后，“结果“文件夹将出现应力、应变、位移图解，用户还可根据需要添加其他图解，如安全系数图解等。具体过程如下：首先对模型进行处理，处理完的模型见图5-1图5-1 模型 模型处理完毕之后，打开solidworks simulation插件，插件加载完毕之后，依次点击simulation按钮，再点击算例顾问中的“新算例” ，“静应力分析”。进入到静应力分析界面。见图 5-2图5-2 静应力分析界面选择旋转臂零件，右键选择“应用/编辑材料”，然后选择“合金钢ss”，点击“应用”，“关闭”。见图5-3所示。图5-3 材料选择界面 点击“夹具”，“固定几何体”，选择两个圆柱面。见图5-4图 5-4夹具选择界面点击“外部载荷”，右键“扭矩”，力矩面选择两个圆柱面，方向任选一个面，力矩值为6.57Nmm。然后再一次点击“外部载荷”，右键“力”，力另一端的选择螺纹孔内，点击“选定的方向”，然后点击一条竖直边作为参考方向。力的值设为20N。见图5-5 图5-5 载荷添加界面点击“网格”，右键生成“网格”，点击“网格参数”，设置成2mm的网格。最后直接点击“运行此算例”。结果如图5-6.图5-6 应力图 应力最大位置在轴孔附近，见图5-7图5-7 应力最大位置 最大应力值为1.236107N/m2，小于材料的屈服力，故强度满足。位移图见图5-8，应变图见图5-9。图5-8 位移图 图5-9 应变图位移最大位置在螺纹孔附近，最大值为0.1333mm，最大应变发生在轴孔附近，最大值为4.74210-5第六章 工程经济分析工程经济分析是指对各种技术方案的经济效益进行计算、分析和评价，使得应用于工程的技术能够有效地为建设服务。其意义在于提高社会资源利用效率、降低项目投资风险等。装箱机械研究历程已经快半个世纪了，研究的成果也很多，但是仍然无法在市场上推广，虽然有些国家已经在使用装箱机械进行作业，但目前很多比较完善的装箱机器人只能在实验室完成其研究工作，原因就是装箱机器人涉及多方面的领域，设计制造成本过高，装箱的效果不尽人意，装箱的效率更是不容乐观，同时，装箱具有季节性，往往一种装箱机器人智能装箱一类水果，装箱机器人的利用效果不好，应用装箱机械进行装箱的经济效益无法与人工的抗衡。装箱机械的在装箱过程中对果实损伤比较大，间接地减少了果农的经济收益，同时，装箱机械系统稳定性较差，导致其工作效率较低，无法与人工相比。随着技术的发展和制造工艺的提升，可以极大地提高其机械性能，使得装箱机械系统稳定性提高，成本降低，使用率提高，果农的经济收益将加倍增长。这样装箱机械的社会效益也将提高，更重要的是将解放一大批劳动力，间接提高社会资源的利用率，所以说，装箱机械具有巨大的市场前景。总结两个多月的毕业设计在忙碌中就快要结束了,在这两个多月的时间里,在毕业设计之余还要兼顾找工作,因此,在这段时间里我觉得生活非常的充实.不但在毕业设计中巩固了以前的知识,而且在人生上学到在校园学不到的社会交际.在接到毕业设计课题后首先要做的就是搜集各方面的资料，以前的课程设计都是老师给出的，不用自己去烦恼。但是毕业设计就不同了，它是一个综合设计，很多资料，数据都需要自己通过各种途径搜集得到。因此经常跑图书馆。但是找遍整个图书馆都找不到。然而我的设计是根据这本书上所讲的设计方法来做的，找不到绝对是一个沉重的打击。幸好，在指导老师的指引和帮助下在机械系资料室找到了。在以后的设计中，机械零件设计手册起到了很大的作用，是我毕业设计能顺利按时完成的法宝。 接下来的工作根以前课程设计都差不多了，写说明书，绘图。但是最后就多了一步以前课程设计从未出现过的，就是实体绘制。只是学过去时CAD，因此有点害怕实体绘制。但是路还是要继续走下去的，不能因为畏惧就停下来的，更何况这是我毕业设计的最后一关呢。因此面对这道难关，我决定勇敢地面对。于是去图书馆借来了许多CAD的书来看，从书店买来例题分析的书来研究。在绘制过程中遇到了不少的问题，但在自己探索，同学的帮助，老师的指引下，我的实体还是赶上了。当时我真的很高兴，按时完成自然值得高兴，但我觉得更自豪的是通过自学，我学会了许多以前在学习中学不到的东西，那只有通过自学才会领悟得到的。毕竟就快离开校园，走向社会了，在将来的人生上，学习是陪伴我们终生的，正所谓“活到老，学到老”，在人生上很多知识都是自学而获得的。在这里我要向在毕业设计中帮助过我的老师、同学、家人致谢，因为他们在整个设计中给予了我很多帮助和动力。特别是我的指导老师，他不惜劳苦，因此设计过程中很多问题都能及时得到解决。 总的来讲，整个毕业设计给我留下深刻的印象，不仅仅是由于设计时间长，更多的是在毕业设计中我尝到了辛、酸、苦、甜，它会是人生上留下不可抹杀的一页。参考文献1. 张盛, 李艳聪, 郑爽爽. 浅析果蔬装箱机械人研究现状J. 科技创新与应用, 2015, 30: 48.2吴宗泽. 机械设计手册实用手册M.北京:化学工业出版社，1998:25-60.3徐丽明. 生物生产系统机器人M. 1版. 北京: 中国农业大学出版社, 2009: 83-1304成大先.常用工程材料M. 北京:化学工业出版社，2004:1-200.5濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社，2001:260-280.6廖念钊.互换性与技术测量M.北京:中国计量出版社，2000:26-45.7龚桂义.课程设计图册M.北京:高等教育出版社，2003:8-20.8高键.机械优化设计基础D.上海:科学出版社，1998:15-26.9周开勤. 机械零件手册M.北京:高等教育出版社,2000:69-96.10黄浩乾. 装箱机械手的设计及其控制研究D. 南京: 南京农业大学, 2010：4-511龚皈义.机械课程设计指导书M.北京:高等教育出版社，1990:2-25.12赵圣祥，张元莹.画法几何及机械制图M.北京:机械工业出版社，1996:300.13Gotou K, Fujiura T,Nishiura Y, et al. 3-D vision system of Tomato production robotJ. Proceeding of the 2003 lEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2003): 1210-1215. 14 Gotou K, Fujiura T,Nishiura Y, et al. 3-D vision system of Tomato production robotJ. Proceeding of the 2003 lEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2003): 1210-1215.致谢通过本次毕业设计，使我们掌握了机器设计的一般步骤，也是我们第一次较全面的设计能力训练，在本次设计过程中，培养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用机械设计方面的知识，达到了了解和掌握自动机械的设计过程和方法。本次设计的主要目的和主导思想是对高精度定量机的整体进行设计和改进，在设计中我们主要采用了齿轮的传动，进一步加深了对机械设计的实践能力，也对在大学四年里学到的其他相关课程进行了全面的复习和运用。尤其在综合分析和解决问题，独立工作能力方面得到了很大的锻炼。锻炼了我们的查阅资料的能力，培养了我们的协同工作的能力，但也暴露了我们的不足，比如：基础不牢靠，缺乏经济观念等。由于时间的关系和能力的限制，在设计中难免存在错误和不足，恳请老师的批评和指正。在本次的设计中，得到了老师的大力帮助和指导让我受益匪浅。使我得以顺利的完成设计，再次表示衷心的感谢！附录A 外文翻译原文Non-destructive assessment of mango firmness and ripeness using a robotic gripperABSTRACTThe objective of the study was to evaluate the use of a robot gripper in the assessment of mango (cv. “Osteen”) firmness as well as to establish relationships between the non-destructive robot gripper measurements withembedded accelerometers in the fingers and the ripeness of mango fruit. Intact mango fruit was handled and manipulated by the robot gripper and the major physicochemical properties related with their ripening index were analysed.Partial least square regression models (PLS) were developed to explain these properties according to the variables extracted from the accelerometer signals.Correlation coefficients of 0.925, 0.892, 0.893 and 0.937 were obtained for the prediction of firmness, total soluble solids, flesh luminosity and the ripening index, respectively. This research showed that it is possible to assess mango firmness and ripeness during handling with a robot gripper.Keywords: robot gripper, non-destructive, firmness, ripening index, mango1. INTRODUCTIONMango (Mangifera indica L.) is a tropical fruit with high added-value and among the most widely cultivated and consumed fruit in tropical regions. It is the fifth fruit in global consumption and third among tropical fruits, immediately behind banana and pineapple. It has been cultivated in India for more than 4000 years,but the increasing demand has stimulated production of mango and nowadays is being grown in more than 80 countries. The major producers of mango in terms of volume are India, China and Thailand (FAOSTAT, 2014). In Spain,cultivation of mango is centered in two regions, Andaluca and the Islas Canarias. Due to its good climatic adaptation, the absence of pests and the increment in inside market, Mlaga region (Andaluca) has shown a significant increase during last years. Therefore, all future predictions point to an increase in the expansion of the mango market, thus extending their growing areas,productions and markets.Mangoes are climacteric fruits, and their ripening process takes place rapidly during post-harvest time after being picked. During the ripening process, several physiological and biochemical pathways are activated simultaneously bringing changes in the fruit (Bouzayen et al., 2010), which are initiated by autocatalytic production of ethylene and increase in respiration. The changes observedgenerally include textural softening (Yashoda et al., 2007; Jha et al., 2010),changes in colour due to the disappearance of chlorophyll and appearance of other pigments as carotenoids (Gouado et al., 2007; Zaharah et al., 2012;Rungpichayapichet et al., 2015), loss of organics acids, increase of soluble solid content, decrease of tritatable acidity and in general changes in taste, aroma and flavour (Singh et al., 2013). Accurate determination of fruit ripening stage is important to determine the packing procedure in the postharvest handling (Hahn, 2004) and to provide a consistent supply of good quality fruit (Saranwong et al., 2004). The measurement of total soluble solids, starch content, acidity, or firmness, are used as maturity index, but not always these parameters are correlated with optimal fruit quality. Among these parameters,firmness has been considered a reliable indicator of mango maturity at harvest and ripeness stages during commercial mango handling, as well as an important tool for growers, importers, retailers and consumers (Padda et al.,2011). Firmness can be measured manually by a trained person with a hand held penetrometer but this technique shows many disadvantages in terms of poor repeatability, subjectivity and is limited at certain stages of maturity(Peacock et al., 1986). The use of automated penetrometers is another alternative to measure the firmness of mango fruit but shows the disadvantage that is a destructive method which can be applied only to one sample of a fruit batch. The development of a reliable non-destructive method to assess the mango ripeness at the packing site is critical to the success of the mango industry.Mango fruit primary packaging operations are usually done by hand. Humanmanipulation is able of handling mangoes with care at high speed and, at the same time, sorting the mangoes by certain quality attributes. This manual operation could spread foodborne diseases and operators can suffer musculoskeletal disorders for repetitive movements. In the automation of primary packaging lines in food industry, robotics has clear opportunities(Wilson, 2010). To achieve the objective, robot grippers need to improve their ability for handling irregular and sensitive products like mango fruit, and incorporate tactile sensing. Different solutions regarding the development of robot grippers for handling fruits and vegetables have been proposed by Blanes et al., 2011. In this study, gripper finger should be adapted to the product for achieving an adequate manipulation by means of the actuation on the gripper mechanisms (Meijneke et al., 2011). Some developments related to the use of this technology can be found in industrial applications (Lacquey,www.lacquey.nl). Jamming grippers have a tremendous potential in robotics(Jaeger et al., 2014). By using the jamming of granular material it is possible to adapt product shapes and, at the same time, manipulate irregular products(Brown et al., 2010). Despite of the developments made in the tactile sensors for robotic applications, the entry in the industrial automation is extremely lowe specially due to the lack of reliable and simple solutions (Girao et al., 2013).Some developments can be found for vegetable grading using tactile sensing in robot grippers. Naghdy and Esmaili, 1996 use the measurement of the current of the gripper actuator. Bandyopadhyaya et al., 2014 employ piezoresistive force sensors, and Blanes et al., 2015 use accelerometers attached to the gripper fingers.The aim of this paper is to evaluate the use of a robot gripper in the assessment of firmness of mango fruit, cv. “Osteen” and to establish relationships between the non-destructive robot gripper measurements with embedded accelerometers in the fingers and the ripening index of mango fruit.2. MATERIALS AND METHODS2.1. Experimental procedureA batch of 350 Mangoes (Mangifera indica L., cv Osteen) manually harvested in Malaga (Spain) were selected showing uniform size and color and free of external blemishes or infections.All mangoes were washed with a soap solution prepared with two drops ofdishwasher with water and dried with disposable paper to completely remove water from the surface. Mangoes were individually numbered and randomly divided into 7 sets of fifty mangoes (A, B, C, D, E, F and G). All sets were stored during one day in a cold chamber (11.9 0.4 C and 84.3 1.7% RH) until gripper tests started. Thus, fruits of set A were analysed one day after reception and the remaining groups were placed in the storage chamber at 18.0 2.1 C and 67.6 3.3% RH. Every 2 days, the next set was removed from the storage chamber and fruits were analysed. From each set, all the mangoes were handled by the robotic gripper. Twenty fruits were used to evaluate the mechanical properties, the internal composition (brix, pH and titratable acidity) and the flesh colour, and the other thirty fruits were used to evaluate the damage caused by the robotic gripper. These fruits were maintained in the storage chamber during two weeks after handling in order to detect fruit bruises.2.2. Robotic gripperBased on the experiences and results of previous tests (Blanes et al., 2014), a specific robot gripper was designed and manufactured for handling and the assessment of mangoes (figure 1). The gripper has parallel action and is actuated by one pneumatic cylinder. It has three fingers (A, B and C) and one suction cup located between the fingers B and C. To ensure the manipulation of mango fruits without damaging, the fingers of the robotic gripper adapt to the irregular shapes of the mangoes. The adaptability of the fingers B and C was achieved by means of their three free rotations while the adaptability of finger A is based on the use of jamming transition of its internal granular fluid. The pad of finger A is a latex membrane filled with sesame seeds. This pad is soft whenits internal pressure is atmospheric or slightly positive because the sesame seeds are loose and the friction forces between them are low. On the other hand, the pad is hard when its internal pressure is negative and the sesame seeds are in contact and for hence there are friction forces between them.Every finger has at its rear side an analog accelerometer ADXL278 connected to a data acquisition USB NI-6210 device. The gripper is attached to an ABB IRB 340 FlexPicker robot. The gripper open-close operation is controlled by an electro-valve, the suction cup by a vacuum generator electrically piloted and the state soft or hard of the pad of finger A with another vacuum generator electrically piloted with blow action function. A robot program controls the gripper movements and all its devices for the good performance of the gripper.2.3. Physicochemical analysisIn order to assess the firmness and ripeness of mango fruits, mechanicalproperties, internal composition, and flesh color of mangoes were analyzed. All of these analyses were performed immediately after robotic gripper measurements. A total of 140 samples were evaluated (20 fruits per set).The mechanical properties were analyzed through a puncture test by using a universal test machine (TextureAnalyser-XT2, Stable MicroSystems (SMS)Haslemere, England). The test was performed with a punch of 6mm diameter (P/15ANAMEsignature) to a relative deformation of 30%, at a speed of 1 mm/s by triplicate. Sample dimensions were measured with calipers before the analysis and force-true stress data were estimated from the force-distance data (Dobraszczyk & Vincent, 1999). The fracture strength (F), the deformation in the fracture point (DF), and the slope of the linear range until the fracture point, were characterized for the samples.The internal composition was analyzed through the total soluble solids (TSS), pH and the titratable acidity (TA) of the samples. TSS content was determined by refractometry (Brix) with a digital refractometer (set RFM330+, VWR International Eurolab S.L Barcelona, Spain) at 20C and with a sensitivity of 0.1 Brix. The analysis of TA were performed with an automatic titrator (CRISON, pH-burette 24, Barcelona, Spain) with 0.5N NaOH until a pH of 8.1 (UNE34211:1981) using 15g of crushed mango and diluting it in 60 mL of distilled water.2.4. Robot operationPreviously to the physicochemical analysis, mangoes were placed manually over a cradle where the gripper picks them up. Robot moves down till locate the gripper center tool in the mango position. During 0.03 seconds the finger A pad is blown to ensure a soft behaviour before the mangoes are grasped. Then the gripper starts to close their fingers. The pad of the finger A is soft and can adapt to the mango shape during the first contact between the mango and the pad.During this first contact the fingers B and C rotate till find the parallel orientation to the shape of the mango and for hence their accelerometers are then oriented perpendicular to the mango surface. After a stabilization period of time, a negative pressure changes the pad state from soft to hard and the vacuum of the suction cup starts. The hard state was used during robot displacements and clashes for sensing the mangoes. Robot moves up the gripper and mango fruit and starts a cycle loop of five quick opening and closing clashes while the mango was maintained attached to B and C fingers due to the action of the suction cup. During the first clash the pad changed again from soft to hard, soft when was open and hard after the closing action when the pad was in contact with the mango fruit. If mangoes were grasped from the cradle the fingers adapt its orientations and shapes while mangoes keep its contact against the cradle. When the gripper is in the up position and mango is not in contact with the cradle some relative motion between mango and fingers B and C can occur.This process ensures that finger surfaces were hard and parallel to the surface of the mango. During this cycle loop deceleration signals are collected and recorded in a computer.2.5. Robotic gripper damageA total of 210 samples (7 sets, from A to G, of 30 mangoes fruits) wereanalysed in order to evaluate the possible damages onto the mango caused by the robotic gripper during handling. The samples were visually evaluated every day during the two weeks storage period using a lighter magnifying glass. After two week storage period, the inner part of each fruit was also evaluated.附录B 外文翻译译文用机器人手爪非破坏性检测芒果的硬度和成熟度摘要这项研究的目的是评估使用的机器人夹持器在评估芒果（品种。“丁”）的硬度以及建立无损检测机器人夹持器测量与嵌入式加速度计在手指和芒果成熟度之间的关系。机器人夹持器在处理和操纵完整的芒果的同时也对芒果的主要理化性质和成熟度指标进行了分析。部分最小二乘回归模型（偏最小二乘回归模型）来解释这些属性，根据从加速度信号中提取的变量，开发的偏最小二乘回归模型（偏最小二乘）可以解释这些属性。硬度、可溶性固形物、果肉亮度和成熟指数相关系数的预测值分别为0.925、0.937、0.893、0.892。研究表明，它可以实现机器人手爪在处理芒果的同时检测其硬度和成熟度。关键词：机器人夹持器，无损，硬度，成熟指数，芒果1。简介 芒果（Mangifera indica L.）是具有高附加值一种热带水果，广泛种植在热带地区。它是全球消费排名第五的水果和排名第三的热带水果，紧随其后的是香蕉和菠萝。它在印度已经种植了超过4000年，但需求量的增长已经刺激了芒果的生产，如今，有80多个国家正在发展芒果产业。在销量上芒果的主要生产国是印度、中国和泰国（FAOSTAT，2014）。在西班牙，芒果种植集中在两个地区：安达卢西亚和加那利群岛。由于其良好的气候适应性，没有虫害和内部市场的增量，马拉加地区在过去的几年中，种植面积出现了明显的增加。因此，未来所有的预测点增加在扩大的芒果市场，从而增加他们的种植区，产品和市场。芒果是跃变型果实，它们的成熟过程在装箱后的时间内迅速发生。在成熟过程中，几种生理生化通路被激活，同时带来了水果的变化（bouzayen et al.，2010），这是由乙烯和增加呼吸催化生产启动。观察到的变化一般包括质地软化 (Yashoda et al., 2007; Jha et al., 2010),颜色的变化原因是叶绿素的消失和其他色素的消比如类胡萝卜素 (Gouado et al., 2007; Zah
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