【《某水果采收机的结构设计》7000字（论文）】

某水果采收机的结构设计1引言 41.1研究目的及意义 41.2国内外果蔬采摘研究现状 42蓝莓采收装置方案设计 72.1蓝莓的生长特性 72.2水果采收方法 82.3蓝莓采收装置类型选择 82.3总体结构方案 103蓝莓采收装置结构设计 153.1大臂电机功率计算 153.2大臂电机减速机的选择计算 163.3轴的设计 163.4轴承的选择与计算 195蓝莓收获机运动学仿真 215.1蓝莓收获机运动学仿真 215.2仿真结果分析 21总结 24参考文献 251引言1.1研究目的及意义随着科学技术和经济的快速发展，已经工业革命的相机展开，农村青壮年劳动力为了赚钱，相继进入工厂去打工，造成农业产品缺少劳动力进行收割生产。水果作为农业产品重要组成的一部分，水果作为季节性水果，需要做到及时采摘，及时销售，并且在采摘过程中需要保证水果表面没有损坏！采摘过程产生的成本主要有人工成本、运输成本等，而采摘成本占据所有水果生产成本的一半以上。我国水果采摘过程主要由人工完成，人工采摘效率低，并且会在采摘过程损坏果实表面。因此，研发水果自动采摘机势在必行，从而解放劳动力，并提高采摘效率、减少果实在采摘过程中的损坏。蓝莓作为日常生活常见水果之一，由于其采摘过程中容易损坏，并且种植条件相对苛刻，因此完成了蓝莓销售价格相对较高。截止目前为止，我国蓝莓采摘主要以人工采摘为主，而人工采摘效率低，果实容易损坏，但是人工采摘能根据果实程度进行对果实分类处理。综上所述，研制蓝莓采摘机器人可以降低蓝莓生成成本，增大蓝莓生产效率。1.2国内外果蔬采摘研究现状虽然水果蔬菜机械化的采摘技术发展已经有多年的历史,但是人类历史上的最早的收割方式主要是气动振摇式和机械振摇式来将果实拧断获取果实,这种方式有很大的确定：果实易损、效率低下。随着种植技术的栽培值改变,人们借助梯子等工具辅助进行采摘水果作业,但其依旧需要占用大量的劳动力来获取果实。由此看来,应用型机器机构急需进行快速发展。(1)国外研究现状①苹果采摘机1969年，Schertz等人首次将工业机器人结构用于水果采摘过程。之后，Sistler等人在对机器人用于机械采摘过程进行分析，得出最初的机器人果实采摘主要还是机器与人人力相结合，从而实现果实的采摘。美国、德国、日本等国家相继对蔬菜和水果的采收进行相应的采摘机研究。图1.1苹果采摘机器②葡萄采摘机如图1.2所示的葡萄采摘机，是由日本冈山大学研发并进行生产制造，如图所示的葡萄采摘机能够在葡萄地上进行匀速的运动并采摘葡萄，该葡萄采摘机末端执行器具有5个自由度，能做轻松的采摘不同位置的葡萄，更换不同的末端执行器能够实现不同的功能。图1.2葡萄采摘机(2)国内研究现状我国机械制造业起步较晚，从而造成我国的农业采摘机技术稍微落后。我国最早出现的农业摘菜机器在1990年。自此之后，我国的研究生和各大高校以及相关企业都投入大量的经费进行农业采摘机的研究。如图1.3所示，室友陈怀民教授设计的采摘机结构简图，其主要由控制系统、行走系统、执行机构、传输机构等组成，该水果采摘机末端执行器自由度也有5个，工作高度在3-5米。采摘速度是人工采摘速度的20倍左右。图1.4林木球果采摘机器人原理图2蓝莓采收装置方案设计2.1蓝莓的生长特性蓝莓是一种常见的水果，研制蓝莓采摘机前应该先了解蓝莓的生长习惯，与蓝莓生长环境。才能根据实际情况研制出相应的蓝莓采摘机。蓝莓生长实景图荣誉2.1所示。图2.1蓝莓果园实景本章节以安徽省怀宁县黄墩镇种植园为研究对象，通过对安徽省怀宁县黄墩镇种植园进行实地勘察，可得得出蓝莓果树相关的尺寸，为蓝莓采摘机器人的设计打下基础。蓝莓果树具体尺寸如表2-1所示。表2-1蓝莓果树具体尺寸项目强度基径/cm树冠高/cm底枝高/cm冠基径/m分枝数不同修建轻度修剪中度修剪重度修剪13.2414.2214.12251.6212.3141.673.41101.7111.21.411.662.111-168-116-8不同树龄4年10年15年8.1313.2219.47301.1211.1191.379.291.782.116-107-127-10不同树形开心形纺锤形分层形14.2914.2213.22145.33208.45221.98108.8101.288.11.411.921.816-811-157-10调研的种植园地面较为平整，其中地上盖有塑料膜，这种措施可保证蓝莓的水分和温度在根部能够保持，与此同时通过塑料膜的反射光可以覆盖蓝莓的阴面部分。2.2水果采收方法水果蔬菜成熟后得采收方法主要有人工采摘和机械采摘两大类；(1)人工采摘水果蔬菜，主要方式有徒手采摘和手持剪刀采摘等两种采摘方式。手工采摘得水果蔬菜表皮完好不容易损坏，而且机械设备采摘果树容易破坏果蔬，并且机械采摘是不能区分果蔬的成熟程度，人工采摘可以区分果实得程度，能做到分期采收。但是人工采收成本高、采收效率低。(2)机械采收果蔬的产品具有采收效率快、节约人工成本。机械采收果蔬一般主要运用于果实成熟后，用于剥落果梗与果树之间得果实。一般使用刀片或者强压强或者机械振动等方式使果实脱落，果实落下后经传动带运输至果实收集装置。2.3蓝莓采收装置类型选择蓝莓采收装置应该具有以下特点：1)本文设计的蓝莓采摘机机械臂是主要采用工业常用的关节型机械臂，传统的工业机械臂由大臂、小臂、驱动电机等部分组成。2)在蓝莓采摘机的小臂设计中，增加一个收缩关节可以增加末端执行器的工作空间。综上所示，本文设计的蓝莓采摘机的机构简图如图2.2所示。图2.2蓝莓采摘机械臂机构2.3总体结构方案蓝莓种植园是一个开放式的果园，如果下雨的话会造成地面湿滑如果使用传统的轮胎行走方案可能会造成打滑或者沦陷等地方，因此本文采用履带式行走机构能够克服各种不同的地形。具体的蓝莓采摘机结构简图如图2.3所示，其具体的工作流程如下所示，首先由末端执行器对蓝莓果实进行识别，识别后靠近蓝莓并由末端执行器进行切断，蓝莓顺着柔性手机袋进入收集框。1、履带小车；2、收集框；3、柔性带；4、末端执行器；5、收集装置；6、电动推杆；7、小臂电机；8、大臂；9、大臂电机；10、腰部电机；11、腰部；12、升降台；13、电源机动力控制设备；14、地面；图2.3机器主体机构简图(1)升降机构结构方案蓝莓采摘机机械臂不易过长，如果采摘机械臂过长容易造成整体机构中心偏高，在运动和采摘过程中容易造成蓝莓采摘机的侵翻。为了使蓝莓采摘机能够适应不同的采摘高度，在不改变机械臂的整体尺寸的前提下，将采摘机械臂安装在一个升降台上，升降台的升高或降低使蓝莓采摘机能够适应不同的采摘高度。升降机构具体方案如图2.4所示，升降机构主要使用齿轮齿条拟合实现升降。1、液压缸；2、齿条；3、直齿圆柱齿轮；4、上平台；5、连杆折叠机构；6、滑杆；7、齿轮齿条机构；8、齿轮轴9、谐波减速器10、下平台图2.4液压驱动蓝莓采摘升降平台(2)机械臂的结构方案蓝莓采摘机的机械臂与工业机器人采用的机械臂的结构类似，但是整体尺寸应该较小，关节活动范围应该更广。工业使用的机械臂是很成熟的机械产品，其中的关键零部件已经实现标准化。因此，本文借鉴工业机械臂来设计符合蓝莓采摘机器人的机械臂，其具体结构如图2.5所示。1、腰部底座；2、大推力轴承；3、腰部面板；4、腰部减速器；5、大臂关节支架；6、大臂电机；7、大臂减速器；8、大臂空心体；9、大臂走线孔；10、小臂电机；11、小臂减速器；12、小臂关节支架；13、小臂连接坐；14、小臂伸缩关节减速器；15、小臂伸缩关节电机；图2.5机械臂的结构简图本文的蓝莓机械臂下盘底座采用了推力轴承，使其当作在腰部旋转关节的支撑部件，同时较大的轴承支撑直径在一定程度上保证了腰部的旋转平稳性。双支撑架结构被采用到其大臂和小臂的关节处，同时考虑到轴向晃动间隙，本文在一定程度上减少了腰部与大臂的关节，保证大臂转动的精度。大臂构型选择中间镂空型的弯件，同时设计矩形凹槽走线孔，利用该凹槽进行安置电气线路，让机械臂的外观造型，安线更加便捷。同时其伸缩机构与小臂连接。其中连接方式采用丝杠螺母副，其减速器和其驱动电机和与伸缩杆并联，动力传输通过顶端的齿形皮带进行动力传递，使其为伸缩动作过程的执行机构。通过设计，主体关节采用的动力源为交流伺服电机，该种电机通用具备过载能力控制、矩频的特性好、精度高、等等优点，同时结合行星齿轮减速器机构进降速。(3)末端执行器结构方案整体机构设计的巧妙性，最终由其末端执行器的工作性能来体现整体设计的巧妙性。同时它也是果蔬采摘机器机构的最主要的部分之一，将此安装在伸缩节的末端，在种植园进行采摘作业时，机械臂先让末端执行器先靠近移动到果实对应的易采摘点，再通过软件控制器末端执行器，联合完成蓝莓采摘作业的任务。国内外主流采摘有多种，但是主流方式为两种，第一种采用吸附式吸盘，通过空气差将果实吸住，然后再将果柄用类剪刀式剪断，但是该种方法必须保证检测出果柄的具体确切位置，同时利用软件进行控制，密切调整好其末端执行器的连贯动作，上述分析可知，该过程需要进行复杂的动作算法和编程控制，一定程度上是增加了其制造和开发的难度。第二种是采用腕关节的在2个互相垂直的方向的转动，从而模拟人类手臂的掰断果柄树枝的动作来完成采摘工作，但是其对象还需要求其果枝与果实容易区分，具有一定数量的分离，一定程度上还是限制了采摘对象的通用性。通过观察蓝莓的外形特征，一定程度上进行实用化的要求，本文设计出了一种球体果实的采摘末端执行器，其结构如图2.6所示。该果实的采摘末端执行器包含传感控制系统、切割装置、气动系统和夹持机构4大部分。直流电机；2、微型蜗轮蜗杆减速器；3、钢丝绕盘；4、钢丝；5、微型双作用气缸；6、手指支架；7、活塞缸；8、导杆；9、销轴；10、23、滚轮组；11、视觉传感器；12、切割转盘；13、转盘轴；14、刀架；15、压力传感器；16、海绵材料；17、橡胶材料；18、光电开关；19、双面刀片；20、21、左右手指；22、触觉传感器；24、限位开关；25、手指转轴；图2.6末端执行器机构简图同时其中导杆的末端设计有小孔，左右的手指末尾具有与销轴宽度相同的滑槽，安装过程中，销轴会接连穿插小孔和滑槽，这样一来使其导杆能够进行直线的伸缩运动，最后利用销轴来驱动左右的手指绕转轴从而进行摆动。此结构能够转化活塞杆的直线为两个手指的左右摆动，从而进一步完成两个手指的抓取和放松蓝莓的连续动作。设计过程中，本文的手指内轮廓曲线大致在蓝莓曲面曲率大致吻合，同时在其内表面安装有一层柔性的海绵，同时在海绵的基础上再采用橡胶进一步覆盖，最大程度上确保其在抓取蓝莓的同时误伤果实，再者利用橡胶的大摩擦系数，使其抓取过程更加稳定。3蓝莓采收装置结构设计蓝莓收获机的总体结构如图4.1所示，本文主要对蓝莓采收装置进行结构设计。3.1大臂电机功率计算(1)大臂电机所需拉力的确认大臂电机安装方式如图4.1所示。1、履带小车；2、收集框；3、柔性带；4、末端执行器；5、收集装置；6、电动推杆；7、小臂电机；8、大臂；9、大臂电机；10、腰部电机；11、腰部；12、升降台；13、电源机动力控制设备；14、地面；图4.1机械机构简图已知条件：整机总量1.8kg，输送线的最大拉力为：(4.1)功率(4.2)(2)电动机的功率①传动装置的总效率η由参考文献[1]表1-2查得：滚筒效率=0.96；减速器效率=0.9；滚动轴承效率=0.98；链轮传动效率=0.97；输送链传动效率=0.95；总效率②所需电动机的功率(4.3)(3)选择电动机的型号根据工作条件：为一般工作场合使用，选用常用的三相异步电机。查参考文献[2]表7-2-2选择电动机的型号为Y2-80M-4，额定功率0.55kw，满载转速1450r/min,电动机轴伸直径19mm。3.2大臂电机减速机的选择计算(1)分配传动比(4.4)(2)选择减速机的型号根据工作条件：为一般工作场合使用，选用常用的摆线减速机。选择减速机的型号为RNYM05-1420-AV,EV-B，额定功率0.55kw，减速比为25。小臂电机计算和大臂电机计算一致。3.3轴的设计(1)主传动轴的设计对图2.1中的3-主传动轴进行结构设计①选择材料由于传递中小功率，转速不太高，故选用45优质碳素结构钢，经调质处理，查参考文献[4]表12-1得材料的力学性能数据为：MPaMPaMPa②初步估算轴径由于材料为45钢，查参考文献[3]表19.3-2选取A=115，则得：=25.04㎜(4.5)考虑装齿轮加键需将其轴径增加4%～5%，故取轴的最小直径为30㎜③轴的结构设计如图4.2所示，.图4.2主传动轴④轴上受力分析（如图4.2a所示）链轮上的作用力圆周力：(4.6)径向力：=635.078N(4.7)轴向力：=178.098(4.8)求轴承的支反力水平面上支反力：(4.9)(4.10)垂直面上支反力：(4.11)(4.12)⑤画弯矩图（如图4.2b、c）剖面B处弯矩：水平面上弯矩=233.8N·m(4.13)垂直面上弯矩=72.2N·m合成弯矩=244.694N·m(4.14)剖面C处弯矩：=9.7N·m(4.15)⑥画转矩图（如图4d）98.6N·m(4.16)⑦计算当量弯矩因单向回转，视转矩为脉动循环，，则=0.602剖面B处当量弯矩=251.3N·m(4.17)剖面C处当量弯矩=60.1N·m(4.18)图4.2受力分析⑧判断危险剖面并验算强度剖面B处当量弯矩最大，而其直径与相邻段相差不大，故剖面B为危险剖面=MPa=39.3MPa<59MPa(4.19)剖面C处直径最小，为危险剖面MPa=22.3MPa<MPa(4.20)因此该轴的强度满足要求。3.4轴承的选择与计算(1)主动轴方形带座轴承的选择与寿命计算①轴承的选择主动轴的轴承既受一定径向载荷，同时还承受轴向载荷，选用圆锥滚子轴承，取d=30㎜,由参考文献[3]选用型号为UCFU207，其主要参数有：d=30㎜,D=72㎜,Cr=19.8KN②计算轴承受力求轴承径向载荷根据“轴的设计”中已算出的高速轴1的轴承的支反力，有：=1474.555N(4.21)=3376.293N(4.22)求轴承的轴向载荷轴承内部轴向力Fs,按参考文献[4]表14-13：=1474.555/2×1.6=460.798N(4.23)=3376.293/2×1.6=1055.092N(4.24)轴承的轴向载荷：因轴承Ⅰ被“压紧”，故：=1233.19N(4.25)=1055.092N(4.26)③求轴承的当量动载荷P轴承Ⅰ:=1233.19/1474.555>e=0.37查[4]表14-12，=1.5=1.5×(0.4×1474.555+1.6×1233.19)=3844.389N(4.27)轴承Ⅱ:=1055.095/3376.293=0.313<e=0.37=1.5×3376.293=5064.439N(4.28)因轴承相同，且,故应以作为轴承寿命计算的依据。④求轴承的实际寿命已知滚珠轴承=10/3=79083h(4.29)根据设计条件，使用寿命十年，第年300天，每天8小时，则L=10×300×8=24000h因，故所选轴承合适。(2)从动轴带拨轮座轴承选择与寿命计算①轴承的选择从动轴承也是既受一定径向载荷，同时还承受轴向载荷，选用圆锥滚子轴承，取d=30㎜,由参考文献[3]选用型号为UCK207，其主要参数有：d=30㎜,D=72㎜,Cr=19.8KN②计算轴承的受力从动轴的设计和主动轴相似，故在次不进行计算。4蓝莓收获机运动学仿真4.1蓝莓收获机运动学仿真根据之前对蓝莓采摘机进行结构设计所得的具体尺寸，首先通过UG软件对蓝莓采摘机器人的所有零部件进行三维模型，并进入装配体工作环境进行装配组装，总体装配图效果如图4.1所示。图4.1机械结构NX8.5设计模型进入UG运动仿真界面，设置相应的参数、选择相应的驱动模块，并添加相应的装配约束，之后进行蓝莓采摘机器人运动仿真，观察蓝莓采摘机末端执行器的5个自由度运动情况。4.2仿真结果分析蓝莓采摘机各关节驱动函数设置如表4-1所示。调用函数STEP，同时设定值的位移驱动如表5-1所示:表4-1采摘机构关节驱动关节驱动名称位移驱动函数升降台Motion_1Step(time,0,0,2,400)腰部Motion_2Step(time,0,0,2,15.5d)大臂Motion_3Step(time,2,0,3,48.6d)小臂Motion_4Step(time,2,0,3,-33.4d)伸缩杆Motion_5Step(time,3,0,5,310)建立仿真是，设定5秒的仿真时间，100的仿真步数。如图4.2(a)-(f)所示可观察期仿真运动状态。待仿真完成，生成其运动曲线。(a)机械臂末端位移曲线图(b)机械臂末端点线速度曲线图(c)机械臂末端点线加速度曲线图(d)机械臂末端点角加速度曲线图图4.2机械臂末端位移曲线图总结本文以蓝莓为采摘对象，对蓝莓采摘机机械结构设计和分析。其主要内容可以总结如下：首先，对国内外采摘机机械结构进行具体分析，并对蓝莓种植园实地情况进行详细的考察，根据蓝莓种植园的场地情况，提出适用于蓝莓采摘的蓝莓采摘机；其次，根据蓝莓实际生长情况采用类似于工业机器人的机械臂当作蓝莓采摘机的机械臂，该机械臂的末端执行器具有5个自由度。根据蓝莓的生长土地地形，确定蓝莓采摘机的行走机构使用履带式，并且为了适应不同高度的蓝莓树，将蓝莓采摘机安装在一个可升降平台上，使研发的蓝莓采摘机能够采摘不同高度的蓝莓；然后，对蓝莓采摘机械臂中的大臂电机、小臂电机、轴来进行相应的设计与计算；最后，根据对蓝莓采摘机零部件进行详细的结构设计后所得到的零部件尺寸，通过UG软件对蓝莓采摘机器人进行零部件的三维建模，并在装配模式下进行组装。在进入UG软件的仿真模块，设置相应的驱动函数进行运动仿真，得到各关节的运动曲线。参考文献[1]耿端阳,张铁中,罗辉等我国农业机械发展趋势分析[J].农业机械学,2004.35.[2]孙桓,陈作模，葛文杰主编.《机械原理》.北京：高等教育出版社,2006.5.[3]濮良贵,纪名刚主编.《机械设计》.北京：高等教育出版社，2001.[4]汤修映,张铁中果蔬收获机器人研究综述[J].机器人,2005,27(1):91-95.[5]机械设计手册编委会编著.《机械设计手册》.北京：机械工业出版社，2004.8.[6]蔡自兴编著.《机器人学》.北京：清华大学出版社，2015,01。[7]孙汉卿，吴海波编著.《多关节机器人原理与维修》.北京：国防工业出版社，2012,12.[8]陈飞,蔡健荣.柑橘收获机器人技术研究进展[J].农机化研究，2008，7:232-235.[9]赵金英,基于三维机器视觉的西红柿采摘机器人技术研究[D].北京：中国农业大学，2006.[10]陆怀民,林木球，果采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报，2001，32(6):52-58.[11]马江,六自由度机械臂控制系统与运动学仿真[J].北京工业大学，2009.[12]钱锡康.七自由度机器人机械结构设计[J].北京航空航天大学学报，1998，2(3):354-357.[13]张立彬.农业机器人的主要应用领域和关键技术[J].浙江工业大学学报，2002，30(1):37-41.[14]陆怀民.林木球果采摘机器人[J].林业科学，2003，39(4):67-69.[15]张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策[J].农业工程学报，2004，2(5):38-41.[16]周增产.荷兰黄瓜收获机器人的研究开发[J].农业工程学报，2001，6:77-78.[17]林保龙.基于三维视觉的水果采摘机器人技术研究[D].中国农业大学，2004.[18]邹湘军，邹海鑫等.多果型果蔬采摘机器人的末端执行器及机器人[P].2011-06-15.[19]邹湘军，李静等.采摘机械手虚拟设计与仿真系统的研究[J].系统仿真学报，2010，22(11):2748-2752.[20]王丽丽，郭艳玲等.果蔬采摘机器人研究综述[J].林业机械与木工设备，2009，37(1):10-14.[21]J.Raste