3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真含proe三維及6張CAD圖
3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真含proe三維及6張CAD圖,油茶,采摘,固定,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)學(xué),仿真,proe,三維,cad
設(shè)計(jì)課題任務(wù)書
學(xué)院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 機(jī)械工程
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
課題名稱
3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
內(nèi)
容
及
任
務(wù)
油茶采摘臂可以改變傳統(tǒng)的林果采摘方式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)林果園的現(xiàn)代化管理，實(shí)現(xiàn)高效、安全的林果采摘、運(yùn)送以及果樹維護(hù)作業(yè)。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)：
1． 對(duì)采摘臂進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2． 基于PRO-E對(duì)采摘臂進(jìn)行三維建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。
3． 基于PRO-E對(duì)采摘臂固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模。
4． 依據(jù)采摘臂結(jié)構(gòu)，對(duì)采摘臂主臂進(jìn)行力學(xué)分析。
擬
達(dá)
到
的
要
求
或
技
術(shù)
指
標(biāo)
技術(shù)指標(biāo)：
1. 采摘臂空間活動(dòng)范圍4000mm。
2. 旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)角度范圍:0度—60度。
3. 機(jī)器單次最大作業(yè)時(shí)間不低于2小時(shí)。
4. 主臂與旋轉(zhuǎn)桿夾角活動(dòng)范圍:30度—160度。
5. 液壓油缸全部采用標(biāo)準(zhǔn)件HSG型活塞桿。
6. 機(jī)構(gòu)工作的環(huán)境溫度為-10℃～50℃。
擬達(dá)到的要求：
1）采摘臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)方案可行；
2）設(shè)計(jì)說明書要求書寫工整、層次清楚、文字簡(jiǎn)練、確切、通順、圖文并茂，技術(shù)術(shù)語(yǔ)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
3）設(shè)計(jì)說明書中的參考文獻(xiàn)不少于10篇(本)，且必須有1篇以上的外文學(xué)術(shù)論文,并在文字中引用處應(yīng)加以標(biāo)注；
4）設(shè)計(jì)圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，布局合理，圖面整潔、美觀，圖紙總量不少于兩張0號(hào)圖紙；
5）設(shè)計(jì)計(jì)算與圖紙均為獨(dú)立完成，無(wú)抄襲痕跡。
進(jìn)
度
安
排
起止日期
工作內(nèi)容
收集資料，文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告
畢業(yè)實(shí)習(xí)，總體方案設(shè)計(jì)
采摘臂基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，主臂受力分析，主臂有限元靜力學(xué)分析；
繪制總裝圖、部件圖和零件圖
設(shè)計(jì)修改完善
撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯
主
要
參
考
資
料
[1] 趙汝嘉，嚴(yán)雋琪 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995
[2] 單泉，張銀彩，郭敬芬，等．Pro/Engineer Wildfire 2.0中文版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．
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[5] 徐灝主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，1991
[6] 石光源 周積義 彭福音. 機(jī)械制圖（第三版）[M].高等教育出版社，1990
[7] 廖漢元主編. 機(jī)械原理[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2007
[8] 張文志，韓清凱，等．機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005
系（教研室）
意見
簽名：
年 月 日
學(xué)院（部）主管領(lǐng)導(dǎo)意見
簽名：
年 月 日
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課題題目及來(lái)源：
本課題來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，為3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
我國(guó)一直未能解決油茶果實(shí)采摘臂械化的難題，油茶果采摘臂的研制才剛剛起步，在國(guó)外雖早有油茶果采摘臂械問世，自動(dòng)化程度和工作效率也較高，但其機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和成本門檻是我國(guó)果農(nóng)較難跨越的，可謂舶來(lái)品不符合我國(guó)國(guó)情。
課題研究的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
在國(guó)內(nèi)，油茶果采摘由人工來(lái)完成，采摘效率低、采摘人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對(duì)油茶采摘臂的報(bào)道比較少，最近國(guó)內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅(jiān)果采摘臂，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對(duì)油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用Pro/E軟件對(duì)油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配?；窘鉀Q了采摘?jiǎng)趧?dòng)力大、效率低等問題，具有一定的發(fā)展前景。
油茶采摘機(jī)械臂研究現(xiàn)狀如下：
目前，各種機(jī)械臂的發(fā)展和改進(jìn)在國(guó)內(nèi)外已然成為重中之重，改進(jìn)了一款采摘臂對(duì)生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費(fèi)巨資在美國(guó)引用機(jī)械臂的先進(jìn)知識(shí)，從而研究出了比肩世界水平的機(jī)械臂，在歐洲國(guó)家，也投入了大量的人力物力進(jìn)行機(jī)械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯(cuò)的成績(jī)[4]。
我國(guó)因?yàn)楣I(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對(duì)于歐美國(guó)家比較落后，但在21世紀(jì)，我國(guó)投入了大量的精力在機(jī)械臂方面?，F(xiàn)在機(jī)械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機(jī)械臂的研究發(fā)展的趨勢(shì)有以下三種情況：
（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、一體化發(fā)展。例如機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個(gè)整體，機(jī)械臂在操作過程中與人體手臂更為的接近，操作更為的便利，所能完成的項(xiàng)目也更加復(fù)雜。
（2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來(lái)作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過人工操作來(lái)完成一系列的動(dòng)作。相對(duì)于全智能機(jī)械操作來(lái)說，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問題時(shí)能更及時(shí)停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
（3）全人工操作的機(jī)械手臂的使用更多的是出現(xiàn)在我們的日常生活當(dāng)中，例如自拍桿等。這樣的機(jī)械臂一般沒有驅(qū)動(dòng)裝置，通過一些簡(jiǎn)單的傳動(dòng)裝置，在人工施加驅(qū)動(dòng)力的情況下，完成一些高空或者遠(yuǎn)處的簡(jiǎn)單動(dòng)作。
（4）機(jī)械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進(jìn)行的工作而來(lái)選擇不同的結(jié)構(gòu)來(lái)替代手工操作，從而減少勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)效率，完成手工無(wú)法完成的工作?？偠灾?，機(jī)械臂的發(fā)展會(huì)使人類不斷的進(jìn)步。
課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法：
課題研究的主要內(nèi)容和方法如下：
（1）查閱資料，撰寫開題報(bào)告，掌握機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本步驟；
（2）結(jié)合題目進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，了解現(xiàn)場(chǎng)工程問題，積累相關(guān)資料，做好調(diào)研筆記；
（3）了解油茶采摘機(jī)械臂工作原理與性能及各部件零件的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比較后優(yōu)選；
（4）對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。
本設(shè)計(jì)將采用文獻(xiàn)研究及理論分析研究機(jī)構(gòu)視圖分析兩種方法。
（1）文獻(xiàn)研究：先對(duì)已有的油茶采摘機(jī)械臂相關(guān)的文獻(xiàn)盡性系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和閱讀。歸納整理油茶采摘機(jī)械臂的相關(guān)理論，重點(diǎn)整理其驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理和構(gòu)成，運(yùn)作方式方面的研究。
（2）理論邏輯分析：通過對(duì)油茶采摘機(jī)械臂的詳細(xì)解讀，提出設(shè)計(jì)的不足之處，進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合時(shí)代發(fā)展的新特點(diǎn)，使其更加完善。
研究過程中的主要問題和解決辦法：
主要問題為臂部各臂之間的干涉分析，我們可以通過三維仿真來(lái)模擬從而解決這個(gè)難題。
總體方案：
為了使設(shè)計(jì)更合理，應(yīng)該準(zhǔn)備多方案[5]。采摘臂的運(yùn)行方式主要有下列兩種方式：
方案一：AB桿（主臂1）和BC桿（主臂2）都向上擺動(dòng)，三桿成交叉折疊形式，從而完成采摘任務(wù)，如圖2.1所示。該方案在采摘時(shí)三個(gè)臂都能得到充分的伸展，能其作用的高度高，但主臂受的應(yīng)力比較大，長(zhǎng)時(shí)間使用，可能會(huì)導(dǎo)致主臂由于應(yīng)力過大而變形。
方案二：A′B′（主臂1）桿和B′C′桿（主臂2）向下擺動(dòng)，三桿相互式折疊，如圖2.2所示。該方案在采摘時(shí)的作用高度不高，但主臂上受的液壓缸上的應(yīng)力被兩個(gè)搖桿分擔(dān)，其所受的應(yīng)力比較分散，主臂可以長(zhǎng)時(shí)間工作，而不發(fā)生變形，延長(zhǎng)了主臂的使用壽命。
圖2.1 交叉折疊式 圖2.2同向折疊式
對(duì)以上兩種方案比較，從本次設(shè)計(jì)是針對(duì)于三米的高油茶樹，臂部負(fù)載較小，但要求靈活、安裝運(yùn)輸便捷，而方案二需采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，戶外作業(yè)是需要單獨(dú)攜帶液壓站，且折疊后占用空間較大，不方便安裝與攜帶，所以這次設(shè)計(jì)選擇方案一，交叉折疊式的采摘臂就可以完成采摘任務(wù)。如圖2.4所示。
課題研究所需的參考文獻(xiàn)：
[1] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5);38.
[2] 孫建設(shè).我國(guó)油茶栽培模式的沿革與思考[J].專家視點(diǎn),2008,2:22-24.
[3] 姜麗萍,陳樹人.果實(shí)采摘臂器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2006,2,32(1):8-10.
[4] 崔玉潔,張祖立,白曉虎.采摘臂器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,(2):4-5. [5] 蔡自興.機(jī)械人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)械人技術(shù),2015，4
[5] 周洪.氣動(dòng)技術(shù)的新發(fā)展.液壓氣動(dòng)與密封,2015，4
[6]黃繼昌,徐巧魚,張海貴等. 實(shí)用機(jī)械機(jī)構(gòu)圖冊(cè)[B] [M]. 人民郵電出版社，2016
[7] Cole Thompson Associates．“Directory of Intelligent Buildings”1999.
指導(dǎo)教師審查意見：
指導(dǎo)教師簽字：
20 年 月 日
指導(dǎo)委員會(huì)意見審核意見：
組長(zhǎng)簽字：
20 年 月 日
文獻(xiàn)綜述
摘 要
在國(guó)內(nèi)，油茶果采摘由人工來(lái)完成，采摘效率低、采摘人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對(duì)油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用Pro/E軟件對(duì)油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配?；窘鉀Q了采摘?jiǎng)趧?dòng)力大、效率低等問題，具有一定的發(fā)展前景。
關(guān)鍵字：油茶；采摘臂；手臂；仿真分析
1 前 言
在生產(chǎn)過程中，我們通常會(huì)使用電力或者其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備來(lái)替代傳統(tǒng)的手工操作勞動(dòng)，這樣的生產(chǎn)措施或手段即機(jī)械化生產(chǎn)[2]。而在20世紀(jì)80年代，就有科技是第一生產(chǎn)力的口號(hào)出現(xiàn)，各行各業(yè)也都紛紛以機(jī)械化代替人工生產(chǎn)，這種模式不僅效率高，而且完成了突破手工制造的界限，大大減少了勞動(dòng)力，提高了人類幸福感，為人類進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)如今，各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用了機(jī)械化，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面都已經(jīng)普及，所以機(jī)械化已經(jīng)成為了各行各業(yè)的趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)方面的機(jī)械化已經(jīng)輻射到農(nóng)業(yè)，各種農(nóng)田自動(dòng)化也相繼出現(xiàn)，如果還是依靠傳統(tǒng)的手工已經(jīng)滿足不了人們的需求，所以農(nóng)、林業(yè)機(jī)械化已經(jīng)成為了我國(guó)發(fā)展必須要走的道路。
油茶是一種健康、優(yōu)質(zhì)的茶科，可以作為食用油[3]。在國(guó)家的政策支持下，我國(guó)的油茶樹種植面積不斷擴(kuò)大，高油茶樹已經(jīng)成為了許多地方的經(jīng)濟(jì)作物，而在種植高油茶樹的環(huán)節(jié)里面，人工采摘是最耗時(shí)，而且具有一定危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)。所以，在全球的機(jī)械化潮流下，而機(jī)械化采摘是不可阻擋的，本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)于3米高油茶樹采摘臂的設(shè)計(jì)。
2 研究背景
我國(guó)是一個(gè)油茶種植大國(guó)，全國(guó)14個(gè)油茶主產(chǎn)省區(qū)現(xiàn)有2.6億畝宜林地（江西、湖南兩省分布最多），其中相當(dāng)一部分適宜種植油茶。目前油茶果實(shí)采摘方式主要為手工作業(yè)，由于油茶樹形或地形原因，果農(nóng)不得不爬上樹上或用鉤子輔助采收，效率較低且勞神費(fèi)時(shí)，同時(shí)還存在安全隱患。
在龐大而迫切的需求量面前，我國(guó)一直未能解決油茶果實(shí)采摘臂械化的難題，油茶果采摘臂的研制才剛剛起步，在國(guó)外雖早有油茶果采摘臂械問世，自動(dòng)化程度和工作效率也較高，但其機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和成本門檻是我國(guó)果農(nóng)較難跨越的，可謂舶來(lái)品不符合我國(guó)國(guó)情。
在國(guó)內(nèi)，油茶果采摘由人工來(lái)完成，采摘效率低、采摘人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對(duì)油茶采摘臂的報(bào)道比較少，最近國(guó)內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅(jiān)果采摘臂，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對(duì)油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用Pro/E軟件對(duì)油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配。基本解決了采摘?jiǎng)趧?dòng)力大、效率低等問題，具有一定的發(fā)展前景。
3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
機(jī)械臂首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械臂。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械臂。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械臂就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械臂。
1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械臂。該機(jī)械臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械臂出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械臂，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械臂，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械臂，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械臂后大力從事機(jī)械臂的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械臂，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
目前，工業(yè)機(jī)械臂大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械臂正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械臂具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械臂則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
一般概況國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械臂絕大部分為專用機(jī)械臂，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機(jī)械臂也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點(diǎn)位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺(tái)在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。
目前，各種機(jī)械臂的發(fā)展和改進(jìn)在國(guó)內(nèi)外已然成為重中之重，改進(jìn)了一款采摘臂對(duì)生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費(fèi)巨資在美國(guó)引用機(jī)械臂的先進(jìn)知識(shí)，從而研究出了比肩世界水平的機(jī)械臂，在歐洲國(guó)家，也投入了大量的人力物力進(jìn)行機(jī)械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯(cuò)的成績(jī)[4]。
我國(guó)因?yàn)楣I(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對(duì)于歐美國(guó)家比較落后，但在21世紀(jì)，我國(guó)投入了大量的精力在機(jī)械臂方面?，F(xiàn)在機(jī)械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機(jī)械臂的研究發(fā)展的趨勢(shì)有以下三種情況：
（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、一體化發(fā)展。例如機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個(gè)整體，機(jī)械臂在操作過程中與人體手臂更為的接近，操作更為的便利，所能完成的項(xiàng)目也更加復(fù)雜。
（2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來(lái)作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過人工操作來(lái)完成一系列的動(dòng)作。相對(duì)于全智能機(jī)械操作來(lái)說，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問題時(shí)能更及時(shí)停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
（3）全人工操作的機(jī)械臂臂的使用更多的是出現(xiàn)在我們的日常生活當(dāng)中，例如自拍桿等。這樣的機(jī)械臂一般沒有驅(qū)動(dòng)裝置，通過一些簡(jiǎn)單的傳動(dòng)裝置，在人工施加驅(qū)動(dòng)力的情況下，完成一些高空或者遠(yuǎn)處的簡(jiǎn)單動(dòng)作。
（4）機(jī)械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進(jìn)行的工作而來(lái)選擇不同的結(jié)構(gòu)來(lái)替代手工操作，從而減少勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)效率，完成手工無(wú)法完成的工作?？偠灾?，機(jī)械臂的發(fā)展會(huì)使人類不斷的進(jìn)步。
4 總結(jié)
油茶采摘臂是一種極具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動(dòng)機(jī)器人，本論文對(duì)具有移動(dòng)功能的采摘臂進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對(duì)其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和論證，本論文完成的主要工作如下：
本次設(shè)計(jì)利用對(duì)采摘臂運(yùn)動(dòng)過程的研究，設(shè)計(jì)了采摘臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運(yùn)動(dòng)仿真，以下是所做的事情：
（1）查閱資料，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)高油茶樹的種植和茶油在公眾所受歡迎程度，明確了本次課題的重要性。分析和了解機(jī)械臂在其他領(lǐng)域的發(fā)展，證實(shí)了采摘臂在高油茶樹采摘領(lǐng)域的可行性，更加了解了這次課題。
（2）自己通過分析，構(gòu)建出了采摘臂的基本結(jié)構(gòu)。合理確定了采摘臂的尺寸后，用CAD軟件繪畫出了采摘臂的二維模型圖，并設(shè)計(jì)出了各個(gè)零件。接下來(lái)我在Pro/E軟件上面建立了采摘臂的三維模型圖，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和尺寸干涉實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了零件尺寸，提高了機(jī)構(gòu)的可行性。
（3）在做完二維模型和三維模型建立后，我對(duì)采摘臂在受應(yīng)力最大時(shí)進(jìn)行了力學(xué)分析，更加確定了機(jī)構(gòu)的安全。
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3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 班 級(jí) 指導(dǎo)教師,課題簡(jiǎn)介,課題背景及意義,在國(guó)內(nèi)，油茶果采摘由人工來(lái)完成，采摘效率低、采摘人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對(duì)油茶采摘臂的報(bào)道比較少，最近國(guó)內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅(jiān)果采摘臂，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。設(shè)計(jì)一油茶采摘臂可解決采摘?jiǎng)趧?dòng)力大、效率低等問題，具有一定的發(fā)展前景。,研究思路,本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對(duì)油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，利用Pro/E軟件對(duì)油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配及仿真分析，對(duì)關(guān)鍵零件主臂進(jìn)行有限元校核。,課題方案,方案及原理,1.采摘臂方案 從本次設(shè)計(jì)是針對(duì)于三米的高油茶樹，臂部負(fù)載較小，但要求靈活、安裝運(yùn)輸便捷，因此采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交叉折疊式結(jié)構(gòu)。 2.固定座方案 固定座采用法蘭盤與貨車連接即可，但是為了確保采摘臂能采摘道路兩旁的油茶，需要采摘臂可以繞固定座回轉(zhuǎn)，故需在底座內(nèi)設(shè)置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。,,圖2 固定裝置結(jié)構(gòu)圖,圖1 交叉折疊式采摘臂,課題主要內(nèi)容,本次課題主要內(nèi)如如下：,課題內(nèi)容,第1章 緒論 1.1研究背景及意義 1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)要求 2.2整體性能參數(shù)選擇 2.3方案選定 第3章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇 3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 3.2臂部設(shè)計(jì) 3.2.4有限元分析 3.3底座的設(shè)計(jì) 第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述 4.2三維設(shè)計(jì) 4.3仿真分析,二維裝配圖,課題成果,三維設(shè)計(jì)及仿真,課題成果,有限元分析,課題成果,應(yīng)力云圖如下：,應(yīng)變?cè)茍D如下：,收獲與心得,1、通過本次設(shè)計(jì)，得到了結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、性能優(yōu)良的油茶采摘臂，并且形成了一套通用的設(shè)計(jì)流程及方法；通過這次理論知識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力； 2、提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識(shí)水平； 3、通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升； 4、順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我很大的信心，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，會(huì)更好的鞭策我前行。,畢業(yè)設(shè)計(jì)收獲,摘 要
目前在我們的國(guó)家，這個(gè)油茶果主要是人們用手來(lái)采摘，這樣子有許多不好的地方，比如，我們要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間才能采摘到極少的油茶果，而且這樣子采摘會(huì)非常的累人、比較臟。我們的這個(gè)研究的目的是搞出來(lái)非常實(shí)用的用來(lái)采摘這個(gè)油茶果的采摘臂，為此我們專門去了解這個(gè)油茶果產(chǎn)地的工作環(huán)境以及采摘的一些特點(diǎn)，然后我們就需要進(jìn)行三個(gè)坐標(biāo)的設(shè)計(jì)以及裝配工作，這部分的工作是在Pro/E上面完成的。解決了很多諸如工作累、采摘慢等問題，將來(lái)會(huì)受人們的歡迎。
本文首先，通過功能和設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，確立了油茶采摘臂總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對(duì)本采摘臂臂部結(jié)構(gòu)部分、底座部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵零件主臂進(jìn)行有限元校核，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中采用Pro/E軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)；然后，進(jìn)行仿真分析，確保油茶采摘臂結(jié)構(gòu)最優(yōu)，效率最高，性能最優(yōu)；最后，采用AtuoCAD軟件繪制了采摘臂的裝配圖及主要零件圖。
通過本次設(shè)計(jì)，對(duì)大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)在理論結(jié)合實(shí)際的鍛煉下加深了知識(shí)的理解，對(duì)今后的工作必定帶來(lái)很大幫助。
關(guān)鍵詞：油茶；采摘臂；底座；主臂；有限元
Abstract
At present, in our country, this oil-tea fruit is mainly picked by hand. There are many disadvantages in this way. For example, it takes us a long time to pick very few oil-tea fruits, and it will be very tiring and dirty. The purpose of our research is to develop a very practical harvesting arm for this oil-tea fruit. For this reason, we specially understand the working environment and some characteristics of this oil-tea fruit producing area. Then we need to design and assemble three coordinates. This part of the work is done on Pro/E. Many problems, such as tired work and slow picking, have been solved and will be welcomed in the future.
Firstly, through the analysis of function and design task, this paper establishes the overall structure scheme of the picking arm of Camellia oleifera. Secondly, the arm structure and the base of the picking arm are designed in detail, and the main arm of the key part is checked by finite element method. During the whole design process, Pro/E software is used for three-dimensional design. Secondly, simulation analysis is carried out to ensure that the structure of the picking arm of Camellia oleifera oleifera is the best. Finally, the assembly drawings and main parts drawings of the picking arm are drawn by using Atuo CAD software.
Through this design, we can deepen the understanding of knowledge under the practice of combining theory with practice, which will certainly bring great help to the future work.
Key words: Camellia oleifera; picking arm; base; main arm; finite element method
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1設(shè)計(jì)要求 3
2.2整體性能參數(shù)選擇 3
2.3方案選定 4
2.3.1臂節(jié)數(shù)的選擇 4
2.3.2采摘臂運(yùn)行方式的選擇 4
2.3.3驅(qū)動(dòng)方案的選擇 5
2.3.4固定機(jī)構(gòu)方案的選擇 5
第3章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇 7
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 7
3.1.1參數(shù)計(jì)算 7
3.1.2電機(jī)型號(hào)的選擇 9
3.2臂部設(shè)計(jì) 10
3.2.1主臂1的靜力學(xué)分析 10
3.2.2主臂2的靜力學(xué)分析 12
3.2.3尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.2.4有限元分析 14
3.3底座的設(shè)計(jì) 20
第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 20
4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述 20
4.2三維設(shè)計(jì) 22
4.2.1底座 22
4.2.2回轉(zhuǎn)臂 22
4.2.3主臂1、2 23
4.2.4副臂 23
4.2.5三維裝配 23
4.3仿真分析 24
4.3.1 Pro/E仿真介紹 24
4.3.2仿真 25
總 結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
32
第1章 緒論
1.1研究背景及意義
我們的國(guó)家種植了非常多的油茶樹，整個(gè)國(guó)家一共有2.6億畝比較合適的林地，分布在14個(gè)省區(qū)，其中在江西和湖南的是最多的，這些林地里面有相當(dāng)一部分比例是可以種植油茶的。到現(xiàn)在這個(gè)階段，人們主要還是用手去采摘這個(gè)農(nóng)作物，因?yàn)榈匦魏筒铇湫螤畹脑?，工作人員必須要爬到樹上面去采摘或者用特制的鉤子協(xié)助，花費(fèi)很多的時(shí)間卻收不到多少東西，而且因?yàn)橐罉?，?huì)很危險(xiǎn)。
面對(duì)巨大而緊迫的需求，我國(guó)一直未能解決油茶采果臂的問題。油茶采果臂的研制剛剛起步。雖然油茶采果機(jī)械在國(guó)外起步較早，自動(dòng)化程度高，效率高，但其組織的復(fù)雜性和成本門檻對(duì)我國(guó)果農(nóng)來(lái)說是難以跨越的。這樣說，外國(guó)的產(chǎn)品在我們國(guó)家不好用。
我國(guó)油茶果實(shí)人工采摘，采摘效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作環(huán)境差。目前，關(guān)于油茶采臂的報(bào)道較少。近年來(lái)，我國(guó)也有摘果臂的專利，如摘果臂。這些專利可以讓我們的工作人員工作的更加輕松、舒適，不用再臟累差了，雖然有這種效用，但是由于它們的結(jié)構(gòu)組織大都很簡(jiǎn)單，解決的只是表面的一些問題，而沒有深入的解決。我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)裝置，是深入的了解過存在的一些問題的，并且用了Pro/E進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真?；究梢宰尮ぷ魅藛T輕松、舒適、安全的工作了，在未來(lái)會(huì)特別受歡迎。
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀
目前，各種機(jī)械臂的發(fā)展和改進(jìn)在國(guó)內(nèi)外已然成為重中之重，改進(jìn)了一款采摘臂對(duì)生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費(fèi)巨資在美國(guó)引用機(jī)械臂的先進(jìn)知識(shí)，從而研究出了比肩世界水平的機(jī)械臂，在歐洲國(guó)家，也投入了大量的人力物力進(jìn)行機(jī)械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯(cuò)的成績(jī)[4]。
我國(guó)因?yàn)楣I(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對(duì)于歐美國(guó)家比較落后，但在21世紀(jì)，我國(guó)投入了大量的精力在機(jī)械臂方面?，F(xiàn)在機(jī)械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機(jī)械臂的研究發(fā)展的趨勢(shì)有以下三種情況：
（1）機(jī)械組織正朝著模塊化、集成化方向發(fā)展。例如機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個(gè)整體，機(jī)械臂在操作過程中與人體手臂更為的接近，操作更為的便利，所能完成的項(xiàng)目也更加復(fù)雜。
（2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來(lái)作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過人工操作來(lái)完成一系列的動(dòng)作。相對(duì)于全智能機(jī)械操作來(lái)說，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問題時(shí)能更及時(shí)停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
（3）全人工操作的機(jī)械手臂的使用更多的是出現(xiàn)在我們的日常生活當(dāng)中，例如自拍桿等。這樣的機(jī)械臂一般沒有驅(qū)動(dòng)裝置，通過一些簡(jiǎn)單的傳動(dòng)裝置，在人工施加驅(qū)動(dòng)力的情況下，完成一些高空或者遠(yuǎn)處的簡(jiǎn)單動(dòng)作。
（4）機(jī)械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進(jìn)行的工作而來(lái)選擇不同的結(jié)構(gòu)來(lái)替代手工操作，從而減少勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)效率，完成手工無(wú)法完成的工作?？偠灾?，機(jī)械臂的發(fā)展會(huì)使人類不斷的進(jìn)步。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
本課題對(duì)3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，主要技術(shù)指標(biāo)包括：
（1）采摘臂構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高度范圍為3m；
（2）機(jī)構(gòu)要求效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)速度快；
（3）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力負(fù)載分析，確保滿足使用要求。
2.2整體性能參數(shù)選擇
本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)于3米高的油茶樹進(jìn)行采摘，因?yàn)橛筒铇浞N植的普遍，其油茶樹的規(guī)模也越來(lái)越嚴(yán)謹(jǐn)，每棵樹之間的距離也是固定的，根據(jù)湖南省瀏陽(yáng)市十萬(wàn)畝油茶基地的了解，每行之間都會(huì)有一到兩條寬至3.5米的道路，每列之間都有4米多的道路可供車輛行駛，油茶樹的高度都不會(huì)超過3.5米。根據(jù)實(shí)際情況，為方便采摘臂的工作，符合實(shí)際的工作條件制定了采摘臂的實(shí)際數(shù)據(jù)如表2.1所示。
表2.1采摘臂參數(shù)
采摘臂性能
參 數(shù)
采摘臂空間活動(dòng)范圍
4000mm
主臂與旋轉(zhuǎn)桿活動(dòng)角度范圍
30°—160°
機(jī)器單次最大作業(yè)時(shí)間
≥ 2h
主臂與旋轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)角度
60°
主臂與副臂活動(dòng)角度范圍
120°—180°
機(jī)構(gòu)工作的環(huán)境溫度
-10℃～50℃
主臂1的長(zhǎng)度
1660mm
主臂2的長(zhǎng)度
1710mm
副臂的長(zhǎng)度
1120mm
旋轉(zhuǎn)桿的長(zhǎng)度
1117mm
X方向的最長(zhǎng)度
3460mm
Y方向的高度
主臂達(dá)到的最高度
4810mm
副臂達(dá)到的最高度
4810mm
主副臂搖桿的長(zhǎng)度
280mm
本次設(shè)計(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)的高度要求不是很高，所受的應(yīng)力不大，所以每個(gè)臂上面的電機(jī)缸只需要一個(gè)，可以減少研究經(jīng)費(fèi)和提高生產(chǎn)效率。
2.3方案選定
2.3.1臂節(jié)數(shù)的選擇
一般設(shè)計(jì)的采摘臂只有兩節(jié)臂，但對(duì)于高油茶樹的枝葉密集，兩節(jié)臂不能靈活的采摘果實(shí)，并且由于樹枝繁多，采摘臂在采摘過程中容易被樹枝干擾，為了使采摘更加靈活、便捷和提高工作效率，這次設(shè)計(jì)采用兩個(gè)主臂和一個(gè)副臂結(jié)構(gòu)的三節(jié)臂的采摘臂。
2.3.2采摘臂運(yùn)行方式的選擇
為了使設(shè)計(jì)更合理，應(yīng)該準(zhǔn)備多方案[5]。采摘臂的運(yùn)行方式主要有下列兩種方式：
方案一：AB桿（主臂1）和BC桿（主臂2）都向上擺動(dòng)，三桿成交叉折疊形式，從而完成采摘任務(wù)，如圖2.1所示。該方案在采摘時(shí)三個(gè)臂都能得到充分的伸展，能其作用的高度高，但主臂受的應(yīng)力比較大，長(zhǎng)時(shí)間使用，可能會(huì)導(dǎo)致主臂由于應(yīng)力過大而變形。
方案二：A′B′（主臂1）桿和B′C′桿（主臂2）向下擺動(dòng)，三桿相互式折疊，如圖2.2所示。該方案在采摘時(shí)的作用高度不高，但主臂上受的電機(jī)上的應(yīng)力是單向的，其所受的應(yīng)力比較分散，主臂可以長(zhǎng)時(shí)間工作，而不發(fā)生變形，延長(zhǎng)了主臂的使用壽命。
圖2.1 交叉折疊式 圖2.2同向折疊式
對(duì)以上兩種方案比較，從本次設(shè)計(jì)是針對(duì)于三米的高油茶樹，臂部負(fù)載較小，但要求靈活、安裝運(yùn)輸便捷，而方案二需采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，戶外作業(yè)是需要單獨(dú)攜帶液壓站，且折疊后占用空間較大，不方便安裝與攜帶，所以這次設(shè)計(jì)選擇方案一，交叉折疊式的采摘臂就可以完成采摘任務(wù)。如圖2.4所示。
2.3.3驅(qū)動(dòng)方案的選擇
目前，這類機(jī)械手的主要驅(qū)動(dòng)源有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。
（1） 氣動(dòng)壓是一種壓縮空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，通常用空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力源。氣動(dòng)傳動(dòng)有很多優(yōu)點(diǎn)，如過載安全，比較簡(jiǎn)單，幾乎不會(huì)污染環(huán)境，花錢少，能夠變速，也有缺點(diǎn)，就是在大的設(shè)備上工作不是很穩(wěn)定，定位會(huì)有些誤差。
(2) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它具有固有的效率高、響應(yīng)速度快、速度簡(jiǎn)單的特點(diǎn)?？稍诖蠓秶鷥?nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。適應(yīng)性比較強(qiáng)，能夠在許多種環(huán)境下工作。它能吸收沖擊力，實(shí)現(xiàn)更頻繁、穩(wěn)定的換相，但對(duì)漏油、污染、成本高。定位精度比氣動(dòng)低、電機(jī)高。流體溫度和粘度的變化影響傳動(dòng)性能。
(3) 電驅(qū)動(dòng)方式有很多種，有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式。伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)特性比較好，運(yùn)行精度比較高，速度可以非常大，也可以非常小，非常穩(wěn)定，非?？煽?，控制方面也比較容易。
所以，我們這次選步進(jìn)電機(jī)。
2.3.4固定機(jī)構(gòu)方案的選擇
該油茶采摘臂通常固定在貨車車廂或車架上，隨貨車在油茶林中進(jìn)行采摘，固定座采用法蘭盤與貨車連接即可，但是為了確保采摘臂能采摘道路兩旁的油茶，需要采摘臂可以繞固定座回轉(zhuǎn)，故需在底座內(nèi)設(shè)置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此選定固定機(jī)構(gòu)方案如下圖2.3所示。
圖2.3 固定裝置結(jié)構(gòu)圖
綜上所示，本次油茶采摘臂及其固定裝置采用如下圖2.4所示結(jié)構(gòu)：
圖2.4 油茶采摘臂及其固定裝置總體結(jié)構(gòu)圖
第3章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1.1參數(shù)計(jì)算
機(jī)械臂有四個(gè)電機(jī)，即臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)、大小臂關(guān)節(jié)電機(jī)和手持旋轉(zhuǎn)電機(jī)。這里以臂式旋轉(zhuǎn)電機(jī)為例進(jìn)行選型計(jì)算，其他電機(jī)的選型是相似的。
常用的步進(jìn)電機(jī)有無(wú)功步進(jìn)電機(jī)（VR）和永磁步進(jìn)電機(jī)（PM）。永磁步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩小，體積小，步進(jìn)角一般為7.50或150。無(wú)功步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動(dòng)。無(wú)功步進(jìn)電機(jī)由軟磁性材料制成，用于轉(zhuǎn)子磁尋線。定子具有多相勵(lì)磁繞組，其轉(zhuǎn)矩是由磁導(dǎo)率的變化產(chǎn)生的。
綜合考慮技術(shù)難度、精度、資金等因素，結(jié)合改造后機(jī)床負(fù)荷小、自動(dòng)控制設(shè)備經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單、負(fù)荷變化小等特點(diǎn)，采用無(wú)功步進(jìn)電機(jī)作為砂輪座磨削進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)源。
(1)旋轉(zhuǎn)力的計(jì)算
當(dāng)旋臂機(jī)械手抱持工件時(shí)，顯然承受一定的旋臂力矩。文獻(xiàn)1中旋轉(zhuǎn)力的計(jì)算公式如下:
一
由文獻(xiàn)1查得：
取，則 (N)
，則 (N)
(2)步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電機(jī)的總位移嚴(yán)格等于輸入指令脈沖的個(gè)數(shù)，或其平均速度與輸入指令脈沖的頻率嚴(yán)格成正比，從而實(shí)現(xiàn)精確定位、準(zhǔn)確位移。同時(shí)，在工作頻段內(nèi)，可以穩(wěn)定地從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)有下列工作特點(diǎn)：
①變扭矩驅(qū)動(dòng)，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，有適量的阻尼。
②只要步進(jìn)電機(jī)本身避開低頻振蕩區(qū)，就可以獲得平穩(wěn)的低速進(jìn)給
③改變指令脈沖頻率可使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而改變進(jìn)給速度，并可節(jié)省部分機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。
④進(jìn)給速度從每秒幾個(gè)脈沖到幾千個(gè)脈沖變化很大。它不僅可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)調(diào)整時(shí)的快速運(yùn)動(dòng)，而且可以保證從粗加工到精加工的要求。
⑤快速響應(yīng)非常強(qiáng)，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)立即旋轉(zhuǎn)或停止。
⑥當(dāng)不接通電源時(shí)，沒有定位力矩，轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，每一步都有振蕩和過沖。
(3)脈沖當(dāng)量和步距角
小脈沖等效可以提高加工精度，但會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化。自動(dòng)控制機(jī)床一般加工精度，脈沖等效可選為0.01mm／step，初步確定步距角=0.75／step。
(4)步進(jìn)電機(jī)軸起動(dòng)力矩的計(jì)算
計(jì)算起動(dòng)力矩的公式見文9:
式中：
一
—，= =1989.9(N)
一，==795.9(N)
—=0.01
G—
—=0.85
則
(5)搞清楚步進(jìn)電機(jī)最大的靜的轉(zhuǎn)矩和最大工作頻率
為滿足最小步距要求，電機(jī)選用三相六拍工作方式，由文獻(xiàn)9查得：
=0．866 (3—6)
則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
=180／0.866=207.8(Ncm)
最高工作頻率為：
3.1.2電機(jī)型號(hào)的選擇
（1）SL系列伺服電機(jī)
·m
速r/min
W
間常數(shù)m·s
mm
總長(zhǎng)
機(jī)殼外徑
軸徑
圖3.1 36SL5E2伺服電動(dòng)機(jī) 圖3.2 90SL55伺服電動(dòng)機(jī)
交流伺服電機(jī)的機(jī)械特性是非線性的。無(wú)需電刷和換向器，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，無(wú)無(wú)線電干擾等優(yōu)點(diǎn)。
SL系列交流伺服電機(jī)由籠型轉(zhuǎn)子和無(wú)凸極定子組成。定子槽內(nèi)嵌有兩相繞組，一相為勵(lì)磁繞組，一相為控制繞組?？刂评@組分為兩半，分別引出四根導(dǎo)線，可串接或并聯(lián)，適用于兩種電壓。
（2）70BF1-3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
數(shù)據(jù)
型號(hào)
相數(shù)
步距
（o）
電壓
V
靜態(tài)
電流
A
μN(yùn)·m
μN(yùn)·m
步/s
步/s
外形尺寸 mm
總長(zhǎng)
機(jī)殼外徑
軸徑
70BF1-3
3
---
---
BF系列步進(jìn)電機(jī)為無(wú)功步進(jìn)電機(jī)，是將脈沖指令轉(zhuǎn)換為角位移或轉(zhuǎn)速的控制電機(jī)，其角位移與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，通過改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。具有定位精度高、同步運(yùn)行好、速度范圍寬、起動(dòng)、換向、制動(dòng)快等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)元件。
圖3.3 70BF1-3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
選擇110BF003步進(jìn)電機(jī)作為參考表。其參數(shù)為:步進(jìn)角，工作時(shí)選擇三相六拍，最大靜旋轉(zhuǎn)距離為800N。cm，最大空載起動(dòng)頻率1500步/秒，工作頻率7000步/秒，相數(shù)3，電壓80V，相電流6A，沒問題。
3.2臂部設(shè)計(jì)
3.2.1主臂1的靜力學(xué)分析
在做受力分析前，設(shè)：旋轉(zhuǎn)臂與主臂1間夾角為α；主臂1與主臂2間夾角為β；主臂2與副臂間的夾角為γ；主臂1的重力為G0=460 N；主臂2的重力為G1=480 N；副臂與采摘頭的重力為G2=560 N。然后做出受力分析圖，如圖3.4。
圖3.4主臂1受力分析圖
1.求出F1
其中O點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)臂的支撐點(diǎn)，所以LAO=810mm；θ為F與與AO之間的夾角。
對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行受力分析得：
（3.1）
根據(jù)斜三角形邊角關(guān)系得：
（3.2）
把已知的參數(shù)數(shù)值和公式3.2代入公式3.1中可求出F1得大小。
2.求F1x；F1y；FAx；FAy
如圖3.5上所示 ，將A點(diǎn)受的力和F1受力分解。
則根據(jù)圖可得：
F1x=F1cosθ；F1y=F1sinθ。 （3.3）
由受力平衡可知：
FAx+F1x=0； （3.4）
FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5）
聯(lián)合公式3.3、3.4、3.5得出F1x、F1y、FAx、FAy。
為了求出最大受力情況，我們可以取運(yùn)動(dòng)到最大范圍時(shí)的取值，則α=1600；β=1600；γ=1800上面我們已經(jīng)得出采摘臂1的長(zhǎng)度為1660 mm，采摘臂2的長(zhǎng)度為1710 mm；副臂長(zhǎng)度為1120 mm。則可以求出：
F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。
3.2.2主臂2的靜力學(xué)分析
圖3.6主臂2受力分析圖
1、求F2
根據(jù)斜三角形邊角關(guān)系得：
（3.6）
對(duì)B點(diǎn)有：
（3.7）
聯(lián)合公式3.6和3.7可以求出F2=1562.7 N。
2、求F2x；F2y；FBx；FBy
如圖3.6上所示 ，將b點(diǎn)受的力和F2受力分解。由圖可知：
（3.8）
由受力平衡可知：
（3.9）
（3.10）
聯(lián)合公式3.8、3.9、3.10得出：
=781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。
3.分析主臂1受力情況時(shí)，主臂1還受到另外的兩個(gè)來(lái)自上下電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩提供的力、，如圖3.8所示。
圖3.8主臂1力F3F4分析圖
由圖可以得出：
；。 （3.11）
；。 （3.12）
取d=900、e=1000分析圖中角度關(guān)系可以得出：
b=α-d、c=β-e。 （3.13）
此時(shí)，我們并不知道、的大小，需要進(jìn)一步分析才可以得出。
因?yàn)橹鞅?受力平衡，所以我們對(duì)主臂1上面的力全部正交分解，如圖
所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。
(3.14)
（3.15）
通過公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15可得出：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。
3.2.3尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)荷載分析，大小臂的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：
3.2.4有限元分析
本次設(shè)計(jì)的主臂有限元分析針對(duì)承載靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用CATIA有限元模塊，分析過程主要為：建立幾何零件—建立網(wǎng)格—添加材料屬性—設(shè)定邊界條件/施加力---計(jì)算---結(jié)果查看，詳細(xì)過程如下：
（1）打開B_2.CATPart.文件
（2）添加材料屬性
點(diǎn)擊選擇對(duì)應(yīng)材料，并根據(jù)實(shí)際設(shè)置材料參數(shù)。
（3）進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析模塊
開始---分析與模擬---Generative Structural Analysis
（4）網(wǎng)格劃分
進(jìn)入靜力學(xué)有限元分析模塊厚實(shí)體零件會(huì)自動(dòng)生成網(wǎng)格，但為確保分析精確性，對(duì)自動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，參數(shù)如下：
（5）添加約束
1）創(chuàng)建面固定約束
點(diǎn)擊
2）選擇圖示面約束
3）點(diǎn)擊ok，完成約束建立
（6）創(chuàng)建分布力
1）點(diǎn)擊，并輸入力X方向，-500N
2）選擇圖示面加載
3）點(diǎn)擊確認(rèn)
（7）計(jì)算
1）點(diǎn)擊計(jì)算
2）點(diǎn)擊確定開始計(jì)算，如下計(jì)算進(jìn)行中：
3）計(jì)算完成后點(diǎn)擊yes
（8）結(jié)果查看（后處理）
1）查看應(yīng)力云圖，應(yīng)力分布如下圖：
結(jié)論：從有限元結(jié)果可以看出，本主臂1在最大負(fù)載情況下局部最大應(yīng)力為35.9MPa，而我們選擇的材料屈服強(qiáng)度為250MPa，抗拉強(qiáng)度為340MPa，因此滿足強(qiáng)度要求。
2）應(yīng)變?cè)茍D，應(yīng)變分布如下圖：
結(jié)論：從有限元結(jié)果可以看出，本主臂1在最大負(fù)載情況下局部最大應(yīng)變?yōu)?.07mm，而我們選擇的材料延伸率為23%，因此3.07mm的變形不會(huì)造成零件失效，故滿足強(qiáng)度要求。
3.3底座的設(shè)計(jì)
采摘臂的底座分為傳動(dòng)裝置、固定裝置，底座的傳動(dòng)裝置是用來(lái)控制旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置選用的標(biāo)準(zhǔn)件伺服電機(jī)。
固定裝置是用來(lái)固定旋轉(zhuǎn)臂以及傳動(dòng)裝置，即旋轉(zhuǎn)臂的支座，固定裝置即底座，如圖3-10所示。
圖3-10 底座
第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真
4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述
Pro/Engineer是一個(gè)來(lái)自PTC的CAD/CAM/CAE集成3D軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化而聞名。它是最早使用參數(shù)化技術(shù)的用戶，在三維建模軟件領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。Pro/Engineer作為機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)行業(yè)都認(rèn)可推廣它。它是CAD/CAM/CAE的主流軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
Pro/Engineer和WildFire它們是PTC用的正規(guī)的名字，但是我們國(guó)內(nèi)并不完全這樣稱呼，我們一般稱ProE、Pro/E、rags等，如ProE、Pro/E、rags、WildFire等。它們都引用了Pro/Engineer software、proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\ creo2.0等等。
Pro/E是第一個(gè)提出這樣的概念，也就是參數(shù)化設(shè)計(jì)，只需要一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)就可以解決相關(guān)的特征問題，它本身就是被模塊化處理了，我們?cè)谟盟臅r(shí)候可以根據(jù)自己的習(xí)慣、要求來(lái)進(jìn)行調(diào)整，沒有必要將所有的功能都安裝?；谔卣鞯腜ro/E方法集成了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的全過程，實(shí)現(xiàn)了并行工程設(shè)計(jì)。它不僅可以在工作站上使用，還可以在單臺(tái)機(jī)器上使用。Pro/E它是模塊化的，功能比較多，能夠畫圖、設(shè)計(jì)、裝配等。
（1）參數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化的概念就是將一個(gè)整體的機(jī)構(gòu)分成好幾個(gè)小的機(jī)構(gòu)，然后這些小的機(jī)構(gòu)的一些特征被一些參考數(shù)值限制。但是在part模塊下隱藏實(shí)體特性是不可能的。
（2）基于特征建模
Pro/E是一個(gè)基于特征的實(shí)體建模系統(tǒng)。工程師使用基于特征的功能和智能特征來(lái)生成模型，例如空腔、殼、香檳和圓角。您可以自由繪制草圖并輕松更改模型。這一特性使工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)上具有前所未有的簡(jiǎn)單性和靈活性。
（3）單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)）
Pro/Engineer它只有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，不想其他的有多個(gè)庫(kù)的CAD/CAM系統(tǒng)。單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，項(xiàng)目中的所有信息都是從該數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的，因此每個(gè)用戶都在開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品模型，不管他在哪個(gè)部門。也可以說，設(shè)計(jì)中的一些變化與設(shè)計(jì)前后的環(huán)節(jié)息息相關(guān)。例如，當(dāng)工程細(xì)節(jié)更改時(shí)，數(shù)控刀具路徑會(huì)自動(dòng)更新。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)的獨(dú)特結(jié)合使產(chǎn)品設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體。這是一個(gè)好的點(diǎn)，其讓我們的設(shè)計(jì)更加有質(zhì)量、且方便，比較容易受大家的歡迎，也不需要花太多的錢夠買。
Pro/Engineer是一個(gè)軟件包，而不是一個(gè)模塊，它是系統(tǒng)的基本組成部分，包括參數(shù)函數(shù)定義、實(shí)體零件和裝配建模、三維著色、Soli等功能。Pro/Engineer可以理解為一個(gè)龐大的功能集合，我們的這個(gè)模型是用很多特殊功能設(shè)計(jì)的，包括：肌肉（肋骨）、槽（槽）、倒棱（倒角）和泵殼（殼），采用這種方法建立的形式，對(duì)于工程師來(lái)說更自然、更直觀，而不用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的參數(shù)比函數(shù)是以符號(hào)方式分配車身尺寸。與其他系統(tǒng)不同的是，這些系統(tǒng)直接為主體指定一些固定值，因此工程師可以任意建立主體大小和功能之間的關(guān)系。如果任何參數(shù)發(fā)生變化，其他相關(guān)特性將自動(dòng)修正。此功能使修改更容易，并將設(shè)計(jì)優(yōu)化到完美。圖形不僅可以顯示在屏幕上，還可以顯示在繪圖儀或支持PostScript格式的彩色打印機(jī)上。Pro/Engineer畫好的三維或者二維模型可以在其他的一些應(yīng)用軟件上打開，比如有限元，這是一種信息、數(shù)據(jù)的交換，我們還可以加載Pro/Engineer的其他模塊也可以自己使用C語(yǔ)言編程，這樣配合起來(lái)，軟件就更加強(qiáng)大。它在沒有任何附加模塊的情況下面，具有大部分設(shè)計(jì)能力、裝配能力（運(yùn)動(dòng)分析、人機(jī)工程分析）和工程繪圖能力（不包括ANSI、ISO、DIN和JIS標(biāo)準(zhǔn)），并支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繪圖儀（HP、HPGL）、黑白和彩色打印機(jī)輸出。二維和三維圖形。Pro/Engineer功能如下：
（1）像凸臺(tái)、倒角等的特征的驅(qū)動(dòng)（如：凸臺(tái)、槽、倒角、空腔、殼等）；
（2）參數(shù)化；
（3）我們的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是零件的特征值、參考數(shù)值還有邊界的條件；
（4）支持大型復(fù)雜部件的設(shè)計(jì)（常規(guī)部件陣列、交替陣列、各種部件的Pro/Program可用于程序設(shè)計(jì)方法等）。
（5）與所有應(yīng)用程序完全相關(guān)(任何位置的更改都會(huì)導(dǎo)致與之關(guān)聯(lián)的每個(gè)位置的更改)。還有一些模塊用來(lái)使Pro/ENGINEER的功能更完善。
4.2三維設(shè)計(jì)
4.2.1底座
利用旋轉(zhuǎn)、拉伸-切剪、打孔等命令創(chuàng)建底座如下圖示：
圖4-1底座
4.2.2回轉(zhuǎn)臂
利用旋轉(zhuǎn)、拉伸、打孔等命令創(chuàng)建回轉(zhuǎn)臂如下圖示：
圖4-2回轉(zhuǎn)臂
4.2.3主臂1、2
利用旋轉(zhuǎn)、拉伸、打孔等命令創(chuàng)建主臂1、2如下圖示：
圖4-3主臂1、2
4.2.4副臂
利用旋轉(zhuǎn)、拉伸、打孔等命令創(chuàng)建副臂如下圖示：
圖4-4 副臂
4.2.5三維裝配
（1）打開底座零件
（2）我們要把電機(jī)裝在底座下面的口洞里面，首先要將其與主軸一齊，配合方式要求無(wú)間隙，接著孔與軸也要一齊
（3）裝電機(jī)和底座的螺釘
（4）三維裝配
重復(fù)上述過程裝配完軸承、回轉(zhuǎn)臂、主臂、副臂等零件后得到最終的三維裝配，如下圖示：
圖4-5 油茶采摘臂裝配
4.3仿真分析
4.3.1 Pro/E仿真介紹
以前的設(shè)計(jì)和制造是先想出一個(gè)概念、然后想好設(shè)計(jì)過程，接著就是開始設(shè)計(jì)了，那么我們?cè)O(shè)計(jì)的滿不滿足要求呢？所以要進(jìn)行試驗(yàn)，這些試驗(yàn)中有的是具有破壞性的，當(dāng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷時(shí)，應(yīng)重新修改設(shè)計(jì)，并對(duì)原型進(jìn)行再驗(yàn)證。我們要設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、再設(shè)計(jì)、在試驗(yàn)，這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程，相當(dāng)?shù)膹?fù)雜且要花費(fèi)大量的時(shí)間，如果是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)器組織，我們還是用以前的那種設(shè)計(jì)方法，不知道要浪費(fèi)多少時(shí)間與精力，這樣大大的增多了產(chǎn)品的花費(fèi)，不利于在市場(chǎng)下存活、競(jìng)爭(zhēng)。
在如今這個(gè)時(shí)代，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)非常非常的先進(jìn)了，并且還在不斷的進(jìn)步，Pro/E為我們提供了用仿真解決產(chǎn)品性能測(cè)試的方案與方法，我們只需要在我們的電腦上面建立完整的產(chǎn)品的模型，然后根據(jù)其使用過程中可能遇到的情況進(jìn)行參數(shù)化、條件約束等仿真手段，這樣就可以模擬出產(chǎn)品使用中的大體情況，提高了我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能，并且降低成本、節(jié)約時(shí)間。
運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是一項(xiàng)非常先進(jìn)的技術(shù)，它幾乎可以分析產(chǎn)品的所有性能及相關(guān)問題，我們這些設(shè)計(jì)人員將產(chǎn)品的幾何參數(shù)等約束參數(shù)導(dǎo)入我們要分析的產(chǎn)品模型中去，這樣就可以形成一個(gè)虛擬的一個(gè)系統(tǒng)，開始進(jìn)行仿真，再根據(jù)仿真出的結(jié)果，進(jìn)行改進(jìn)、不斷的進(jìn)行改進(jìn)，直到達(dá)到最優(yōu)的情況，這樣就可以進(jìn)行生產(chǎn)了。這樣做省時(shí)間、省精力，降低花銷，只需要一臺(tái)電腦就可以設(shè)計(jì)出合格的產(chǎn)品，提升了產(chǎn)品再市場(chǎng)上面的存活率與競(jìng)爭(zhēng)力。
運(yùn)動(dòng)仿真優(yōu)點(diǎn)：
在沒有機(jī)械的運(yùn)動(dòng)仿真之前，人們常常只能用設(shè)計(jì)出來(lái)的實(shí)體來(lái)檢測(cè)機(jī)構(gòu)是否能運(yùn)行，有沒有尺寸干涉等之類的問題[10]。這不僅浪費(fèi)了大量的人力、財(cái)力、物力，還降低了產(chǎn)品研發(fā)的效率。而運(yùn)動(dòng)仿真可以解決這樣的問題，在設(shè)計(jì)好產(chǎn)品后，人們可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品來(lái)建立出三維模型，通過施加電機(jī)來(lái)模擬出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，觀察其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的問題，這樣可以不斷的修改尺寸來(lái)更好的解決尺寸干涉方面的問題。
4.3.2仿真
對(duì)于采摘臂的三維模型建立是為了后面進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)仿真打好基礎(chǔ)，所以建立模型時(shí)，應(yīng)該注意適當(dāng)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，但簡(jiǎn)化的過程也應(yīng)該注意兩個(gè)問題，一時(shí)簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)也能和原結(jié)構(gòu)一樣反映出原結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；二是簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)便于以后的力學(xué)分析。
利用Pro/ENGINEER構(gòu)建出主臂、副臂、旋轉(zhuǎn)臂等零件后，再在Pro/ENGINEER的組裝模式下依次對(duì)零件進(jìn)行組裝，組裝出采摘臂的三維模型。注意在組裝過程中，要使用銷連接的來(lái)組裝。
（1）典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真詳細(xì)過程
本次運(yùn)動(dòng)仿真以運(yùn)動(dòng)過程較復(fù)雜的手抓為例進(jìn)行說明：
(a)打開裝配圖，點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”命令
圖4-6點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”
(b)建立伺服電動(dòng)
圖4-7建立電動(dòng)機(jī)
(c)點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)分析”，彈出界面
圖4-8機(jī)構(gòu)分析
(d)點(diǎn)擊運(yùn)行
（2）仿真動(dòng)畫獲取
(a)點(diǎn)擊“回放”-右鍵選擇“播放”
圖4-9啟動(dòng)動(dòng)畫
(b)點(diǎn)擊 “動(dòng)畫”中“捕獲”命令
圖4-10動(dòng)畫
(c)設(shè)置“捕獲”命令參數(shù)
設(shè)置“捕獲”中動(dòng)畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定”等待計(jì)算機(jī)運(yùn)行捕獲即可得到仿真動(dòng)畫。
圖4-11捕獲
（2）總體運(yùn)動(dòng)仿真
設(shè)置好各個(gè)伺服電機(jī)后，點(diǎn)擊新建一個(gè)分析，并在其命令框內(nèi)電機(jī)分析按鈕，機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)設(shè)置的時(shí)間與模的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，如果要調(diào)整運(yùn)動(dòng)仿真的運(yùn)動(dòng)，可以更改其時(shí)間與模的參數(shù)。旋轉(zhuǎn)臂隨著時(shí)間在轉(zhuǎn)動(dòng)，而主臂和副臂隨著時(shí)間上下擺動(dòng)。
總成運(yùn)動(dòng)仿真過程與手抓部分類似，仿真參數(shù)設(shè)置完成后效果如下圖，隨后運(yùn)行仿真并“捕獲”仿真動(dòng)畫即可。
圖4-12 仿真參數(shù)
總 結(jié)
油茶采摘臂是一種極具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動(dòng)機(jī)器人，本論文對(duì)具有移動(dòng)功能的采摘臂進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對(duì)其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和論證，本論文完成的主要工作如下：
本次設(shè)計(jì)利用對(duì)采摘臂運(yùn)動(dòng)過程的研究，設(shè)計(jì)了采摘臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運(yùn)動(dòng)仿真，以下是所做的事情：
（1）查閱資料，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)高油茶樹的種植和茶油在公眾所受歡迎程度，明確了本次課題的重要性。分析和了解機(jī)械臂在其他領(lǐng)域的發(fā)展，證實(shí)了采摘臂在高油茶樹采摘領(lǐng)域的可行性，更加了解了這次課題。
（2）通過自我分析，構(gòu)建采摘臂的基本組織。合理確定了采摘臂的尺寸后，用CAD軟件繪畫出了采摘臂的二維模型圖，并設(shè)計(jì)出了各個(gè)零件。接下來(lái)我在Pro/E軟件上面建立了采摘臂的三維模型圖，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和尺寸干涉實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了零件尺寸，提高了機(jī)構(gòu)的可行性。
（3）在做完二維模型和三維模型建立后，我對(duì)采摘臂在受應(yīng)力最大時(shí)進(jìn)行了力學(xué)分析，更加確定了機(jī)構(gòu)的安全。
設(shè)計(jì)中，我對(duì)油茶采摘臂的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，針對(duì)油茶采摘臂中采用的電動(dòng)機(jī)等也進(jìn)行了必要的闡析。
對(duì)于本文研究的油茶采摘臂，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，在總體設(shè)計(jì)中，由于能力和精力有限，研究?jī)?nèi)容還是很初步的，由于本人水平和能力有限，文中難免存在有疏漏和不妥之處，敬請(qǐng)老師給予批評(píng)和指正。
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致 謝
大學(xué)生活即將結(jié)束，在這短短的四年里，讓我結(jié)識(shí)了許許多多熱心的朋友、工作嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)相幫的教師。畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)，在此向所有給予我此次畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠(chéng)摯的感謝。
首先，向本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示最誠(chéng)摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時(shí)間對(duì)我們進(jìn)行指導(dǎo)，時(shí)刻關(guān)心我們的進(jìn)展?fàn)顩r，督促我們抓緊學(xué)習(xí)。老師給予的幫助貫穿于設(shè)計(jì)的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會(huì)書本中的知識(shí)，更學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計(jì)重點(diǎn)，如何合理安排時(shí)間和論文的編寫，同時(shí)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，她和我們?cè)谝黄鸸餐鉀Q了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題。
其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠(chéng)摯的謝意，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，他們也給我很多幫助和無(wú)私的關(guān)懷，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個(gè)完整的論文。
另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W(xué)表示感謝。
總之，本次的設(shè)計(jì)是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計(jì)的幾個(gè)月里，我們合作的非常愉快，教會(huì)了我許多道理，是我人生的一筆財(cái)富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！
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