西紅柿采摘機(jī)器人設(shè)計【含CAD圖紙、SW三維模型】

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In design when choice drive has made the detailed quite finaldetermination to several drive types for the motor-driven; In the armpartially uses the bone posture design， reduced the arm weight;Simplified the joint design， reduced the manipulator center ofgravity. This topic fundamental research and the actual parameterorganic synthesis， the findings also may apply to other fruitspicking. Has carried on the detailed computation analysis to thetransmission system. Keywords: Picking robot Mechanical arm Transmission Foundation Electromagnetic brake 目錄 第一章 緒論 1 1.1 研究目的與意義 1 1.2 相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.2.3 具有代表性的研究成果 2 1.3 研究的主要內(nèi)容 4 第二章 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計 5 2.1 工作空間分析 5 2.2 初估額定速度 5 2.3 選擇驅(qū)動方式 6 2.3.1 各種驅(qū)動方式比較 6 2.3.2 驅(qū)動方式的選用原則 7 2.3.3 確定驅(qū)動方式 7 第三章 設(shè)計方案 8 3.1 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu) 8 3.2 傳動機(jī)構(gòu) 8 3.2.1 手臂的傳動方案 8 3.2.2 機(jī)座的傳動方案 9 第四章 機(jī)構(gòu)綜合 11 4.1 機(jī)構(gòu)型綜合 11 4.2 機(jī)構(gòu)選型原則 11 4.3 自由度選擇 11 4.4 手臂的結(jié)構(gòu)型式 11 4.5 機(jī)械手臂選型 12 第五章 機(jī)構(gòu)設(shè)計 13 5.1 確定參數(shù) 13 5.2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 14 5.2.1.基座傳動機(jī)構(gòu) 14 5.2.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 15 5.2.3支柱與大臂間傳動機(jī)構(gòu) 16 5.2.4大臂與小臂之間的傳動機(jī)構(gòu) 18 5.3 軸的設(shè)計計算 18 5.3.1軸徑的計算 18 5.3.2 軸上零件周向固定方法的選擇 19 5.4 軸的校核 20 5.5 定位機(jī)構(gòu)選擇 23 5.6 聯(lián)軸器的選擇 24 第六章 結(jié)構(gòu)分析 26 6.1小臂結(jié)構(gòu)分析 26 6.2大臂罩結(jié)構(gòu)分析 26 6.3 內(nèi)立柱結(jié)構(gòu)分析 27 6.4基座總體結(jié)構(gòu)分析 27 第七章 結(jié)論 29 致謝 30 參考文獻(xiàn) 31 - II - 第一章 緒論 1.1 研究目的與意義 現(xiàn)如今，機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和模擬電子技術(shù)的飛速發(fā)展，諸多領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用來智能機(jī)器人 [1]。在對象復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，必然會產(chǎn)生一些新的概念或理論，如農(nóng)業(yè)機(jī)械化中的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，其巨大的發(fā)展?jié)摿蜕鐣б媸怪絹碓奖恢匾暋? 在經(jīng)濟(jì)總量快速上升得今天，制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)之一就是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的水平。在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展到今天這種程度，農(nóng)業(yè)增長率的動力來源有%45為農(nóng)業(yè)科技水平，土質(zhì)，勞動人員對其的影響是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能及的。十六大精神報告指出未來階段的發(fā)展目標(biāo)，在5-9年的不懈奮斗中，在農(nóng)業(yè)方面的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化率超過55％，把農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化率提升到了60％，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中科技已經(jīng)成為了主要動力。但由于我國機(jī)械化水平不高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中只占到了百分之17，而機(jī)械化在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)被基本實現(xiàn)。要推廣和發(fā)展農(nóng)業(yè)科技相關(guān)成果，提升技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的占有比，農(nóng)業(yè)增長方式發(fā)生全面性變革，在與具有世界先進(jìn)水平機(jī)械化水平的國家的差距越來越小，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化步伐被極大的加快。 農(nóng)業(yè)發(fā)展的最后結(jié)果一定是精細(xì)農(nóng)業(yè)，，資源利用率最大化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更大程度利用農(nóng)業(yè)機(jī)器人[2]，勞動人員付出的辛苦被大大降低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值極大提升。與農(nóng)業(yè)技術(shù)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)極大的發(fā)展，如果我們抓住時機(jī)，迎頭趕上農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流。 我國是一個發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)問題最終是制約社會發(fā)展的根本原因。據(jù)統(tǒng)計，在西紅柿采摘方面，采用機(jī)械化采收方式比人工采收有諸多優(yōu)點，具。表1.1 為兩者在成本，采摘速度，浪費等方面的對比表。 表1.1 西紅柿機(jī)械化采收與人工采收對比 對比項目 西紅柿機(jī)械化采收 西紅柿人工采收 采收費用 √ 采收速度 √ 采收損失 √ 原料均衡 √ 減少病害 － － 產(chǎn)品競爭力 √ 注：√：優(yōu)異 －：差別很小 機(jī)械化和人工方式在采摘西紅柿方面的優(yōu)缺點對比在表中清晰可見，只要設(shè)計方式合理得當(dāng)，機(jī)械化是值得被推廣的。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 表1.2世界農(nóng)產(chǎn)品收獲機(jī)器人發(fā)展情況 商業(yè)化階段 樣機(jī)階段 研究階段 日本 ——— 橄欖、蘋果、杏、 櫻桃、黃瓜 橄欖、蘋果、杏、 西瓜、草莓 意大利 芒果、哈密瓜 豆角、茄子 西瓜、蘑菇 法國 葡萄、橄欖、蘋果、甜橙 —— —— 加拿大 —— 蘑菇 定期收獲水果的攀爬機(jī) 器人 美國 橄欖菜、橘子 —— —— 在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究中，法國人在水果采摘機(jī)器人的研究方面走出了第一步。 在收割機(jī)器人的研究方面荷蘭人走在前面，在其他農(nóng)產(chǎn)品的研究方面確不足。 日本是世界采摘機(jī)器人的領(lǐng)軍，已開發(fā)草莓，西瓜，句子，豆角等蔬菜收獲機(jī)器人。 在美國 歐洲和以色列的研究和應(yīng)用也有報道。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ，在科技興國的今天，許多國家級項目被立項，863計劃中共有500多項有關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過許多人不懈的努力，許多科技園區(qū)和產(chǎn)業(yè)中心被建成。在我國農(nóng)業(yè)大學(xué)開展的自動化嫁接技術(shù)研究，使我國走出了在嫁接技術(shù)發(fā)展的第一步[4]。 1.2.3 具有代表性的研究成果 在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人領(lǐng)域，具有代表性的研究成果有： 人機(jī)合作的概念被用以來，西班牙自動化研究所開發(fā)了一種名叫Agribot的采摘機(jī)器人，如圖1.1所示。圖1.2表示了自主型智能采摘櫻桃西紅柿機(jī)器人的原理圖。 圖1.1 人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人 圖1.2 櫻桃西紅柿采摘機(jī)器人的原理圖 美國加利福尼亞西紅柿機(jī)械公司推出了兩臺智能化番茄采摘機(jī)器人，如圖1.3 所示。圖1.4 所示為現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的黃瓜采摘機(jī)器人。還有很多機(jī)器人被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，另外還有葡萄采摘機(jī)器人、智能蘋果采摘機(jī)器人、、哈密瓜和黃瓜收獲等的機(jī)器人。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，可以幫助我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計上少走彎路，盡快設(shè)計符合所需目標(biāo)的產(chǎn)品 圖1.3 1t/1min的西紅柿采摘機(jī) 圖1.4 黃瓜采摘機(jī)器人 1.3 研究的主要內(nèi)容 西紅柿采摘機(jī)器人的采摘系統(tǒng)主要由機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、行走系統(tǒng)、視覺傳感器以及計算機(jī)處理控制系統(tǒng)構(gòu)成。本課題主要研究采摘機(jī)器人的手臂與基座及傳動機(jī)構(gòu)。具體的可以分述如下： l 設(shè)計機(jī)器人的基本參數(shù)：為了便于設(shè)計，首先根據(jù)一些相關(guān)理論及應(yīng)用目標(biāo)，包括：工作機(jī)制、額定功率、工作方向、額定速度、驅(qū)動模式等； l 機(jī)器人的機(jī)構(gòu)綜合：根據(jù)植物生長的條件，對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及其尺寸設(shè)計，滿足采摘等條件； l 手臂與機(jī)座的設(shè)計研究：通過綜合測試得到其性能，并研究其參數(shù)，分析其性能 第二章 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計 2.1 工作空間分析 如圖2.1所示，手臂觸及范圍涉及兩個視圖。畫出工作空間俯視圖與工作空間正視圖。圖示西紅柿采摘機(jī)械手是未經(jīng)過型綜合的機(jī)器人，作為機(jī)器人設(shè)計過程中一個很重要的方面，型綜合將在第4章中進(jìn)行詳細(xì)的分析[5]。 俯視圖 正視圖 圖2.1 西紅柿采摘機(jī)械手工作空間與工作環(huán)境的幾何關(guān)系 2.2 初估額定速度 確定各參數(shù)如下： l 10s作為一個機(jī)器周期。 整個流程為：預(yù)測番茄成熟度，采摘空間范圍[6]。在權(quán)衡便利性與經(jīng)濟(jì)型之后;在溫室范圍內(nèi)機(jī)器人可以自由行走； l 機(jī)械手臂的移動速度約0.8m/s； l 在農(nóng)產(chǎn)品的采摘過程中機(jī)械手臂向前推進(jìn)約0.33m； l 用于收集西紅柿的容器應(yīng)放在移動平臺上以及機(jī)器人臂上以便于放置水果； l 能夠在各種不利的條件下進(jìn)行采摘，如空氣含水比重大，當(dāng)關(guān)照條件發(fā)生變化時，室內(nèi)溫度保持變化;為保證水果的質(zhì)量必須限制采摘速度及加速度。 2.3 選擇驅(qū)動方式 2.3.1 各種驅(qū)動方式比較 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動 輸出功率 很大， 壓力范圍為50 ～140N/cm 大，壓力范圍為48 ～60 N/cm，最大可達(dá)100N/cm 較大 控制性 能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn) 化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。 功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié) 構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD 電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于1000kPa(10 個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 環(huán)保 液壓系統(tǒng)易漏油，有污染 排氣時有噪聲 無 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 表2.3 機(jī)器人三種基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點 目前，液壓，氣動和電動機(jī)作為機(jī)器人的動力來源,其性能特點的比較列于表2.3中。 2.3.2 驅(qū)動方式的選用原則 手臂驅(qū)動系統(tǒng)的選擇要求有很多，其中最基本的性能要求為，完成既定的控制目標(biāo)按照我們預(yù)先定義的控制方式，正常工作電壓，工作環(huán)境，合理成本.保證可行性和可靠性 的前提下，對機(jī)器人驅(qū)動方式做出最佳的選擇。 2.3.3 確定驅(qū)動方式 決定采用如下驅(qū)動方案： 1.由于手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積小，相對于每個關(guān)節(jié)的運動位置精度不高。 因此，選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 2.因為每個關(guān)節(jié)都有其扭矩，從腕部到腰部逐漸變大，所以較大的動力必須被提供到相應(yīng)關(guān)節(jié)。 因此，選擇直流伺服電機(jī)選擇 3.另外機(jī)械臂是開鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)，工件的重力和機(jī)械臂總是作用在關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)運動停止后需要停止切斷電源 。 西紅柿收獲機(jī)械手的采購成本并不應(yīng)太高，其工作原理并不復(fù)雜，精度要求不高。因此，在對機(jī)器人相關(guān)機(jī)械部件的設(shè)計和制造中，我們一般選擇6級精度 第三章 設(shè)計方案 3.1 機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu) 圖3.1為機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)簡圖。 圖3.1機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)簡圖 3.2 傳動機(jī)構(gòu) 3.2.1 手臂的傳動方案 西紅柿采摘機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的運動，都是由上一關(guān)節(jié)的運動來決定的。因此，西紅柿采摘機(jī)械手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較一般的機(jī)械手簡單一些。圖3.2為西紅柿采摘機(jī)械手的手臂關(guān)節(jié)θ的傳動原理示意圖，采用一級圓錐齒輪傳動；圖3.3為西紅柿采摘機(jī)械手的手臂關(guān)節(jié)θ的傳動原理示意圖，由于承載的轉(zhuǎn)矩較大，采用兩級齒輪傳動。圖3.4是為了減輕機(jī)械臂重量而設(shè)計的內(nèi)部骨架。這種設(shè)計同時也降低了安裝難度，降低了成本。 圖3.2 關(guān)節(jié)θ的傳動原理 圖3.3 關(guān)節(jié)θ的傳動原理 圖3.4 手臂內(nèi)部的骨架 3.2.2 機(jī)座的傳動方案 圖3.5.a 所示的是采用交叉滾子軸承支承結(jié)構(gòu)。西紅柿采摘機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的運動，都是由上一關(guān)節(jié)的運動來決定的。在大多數(shù)機(jī)器人腰座選擇的支架元件時，這種軸承首選。 如果普通軸承作為支撐[8]，腰座支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)的結(jié)構(gòu)圖3.5.b。 制造簡單，成本低，安裝調(diào)整方便，但腰部軸向尺寸過大的缺陷非常突出。圖中電動機(jī)6 經(jīng)減速器7、主動小齒輪8、中間齒輪9 和大齒輪10 驅(qū)動腰關(guān)節(jié)軸5，與手臂一起旋轉(zhuǎn)。 因為西紅柿收獲機(jī)械手高度要求不是很高。 因此，配套結(jié)構(gòu)很好選擇的。 由齒輪驅(qū)動，帶動西紅柿收獲機(jī)械手的腰部支撐結(jié)構(gòu)被旋轉(zhuǎn)。 臂螺栓固定在旋轉(zhuǎn)座的頂部。 轉(zhuǎn)腰腰座通過推力軸承固定在腰部，在旋轉(zhuǎn)腰座上安裝有深溝球軸承的下端，承載了翻轉(zhuǎn)力矩臂。 最后將固定座放入腰座，法蘭和底座。 a) b) 圖3.5 用于支撐的兩種設(shè)計方案 第四章 機(jī)構(gòu)綜合 綜合機(jī)構(gòu)合成和尺寸合成是機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的非常重要的部件。不同的機(jī)械手的大小和種類決定了機(jī)械手臂的性能，方位和空間，以及機(jī)械手機(jī)構(gòu)的尾部執(zhí)行器是在諸多智能研究領(lǐng)域中非常重要的研究方向。 4.1 機(jī)構(gòu)型綜合 西紅柿采摘機(jī)的機(jī)械臂綜合是確定機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)參數(shù)之前，根據(jù)操作要求確定機(jī)器人手臂的自由度，組成，關(guān)節(jié)數(shù)量和結(jié)構(gòu)。 4.2 機(jī)構(gòu)選型原則 歸納西紅柿采摘機(jī)械臂的選型原則為: (1) 盡可能接近人類的思維操作方式； (2) 具有最優(yōu)的工作空間； (3)具有較好的避障能力。 4.3 自由度選擇 理論上，要想達(dá)到三維立體坐標(biāo)中的任何位置需要6個自由度機(jī)器人，但是由于存在一些特殊的點相對應(yīng)的一些關(guān)節(jié)運動，會使機(jī)械臂自由度退化，喪失一個或幾個自由度[10]。另外一些特殊的姿態(tài)會被應(yīng)用于采摘系統(tǒng)中，如增加便利性和避開障礙物，超過6個冗余操縱器被用于采摘中。 4.4 手臂的結(jié)構(gòu)型式 圖4.1 圓柱坐標(biāo)型 圖4.2 極坐標(biāo)型 圖4.3 直角坐標(biāo)型 圖4.4 多關(guān)節(jié)型 4.5 機(jī)械手臂選型 鑒于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性以及西紅柿采摘作業(yè)的特點，轉(zhuǎn)腰腰座通過推力軸承固定在腰部，在旋轉(zhuǎn)腰座上安裝有深溝球軸承的下端，承載了翻轉(zhuǎn)力矩臂。 最后將固定座放入腰座，法蘭和底座。結(jié)合以下幾種機(jī)械臂的分析，選取西紅柿采摘機(jī)械臂為類型4，即7DOF 冗余度機(jī)械臂，手臂具有5個自由度[11]。 類型1 類型2 類型3 類型4 第五章 機(jī)構(gòu)設(shè)計 5.1 確定參數(shù) 引用資料里關(guān)于西紅柿采摘機(jī)器人已優(yōu)化好的運動參數(shù)其具體參數(shù)如下： 確定l= 0。初步確定l=65mm，110°≤θ≤ 110°， -π≤θ≤π。車高初定為450mm，壟的高度取為 300mm，西紅柿果實分布與機(jī)械臂位置、小車、西紅柿、壟尺寸如圖5.1所示，選取l與θ分別為：l= 400mm ， -5π/6≤θ≤5π/ 6。 注：（1）西紅柿（2）壟（3）機(jī)械臂移動小車（4）機(jī)械臂 圖5.1 機(jī)器人機(jī)械臂尺寸與西紅柿之間的位置關(guān)系 確定桿件3、4、5長度之和應(yīng)滿足： l+l+l≤1000mm， 取θ= 0，θ= -120°。 綜合以上分析結(jié)果[12]，確定西紅柿采摘機(jī)械臂機(jī)構(gòu)參數(shù)如下： d= 300mm，d=200mm，l= 0，l= 400 mm，l= 200 mm，l= 300mm ， l=250mm ， l=65mm -5π/6≤θ≤5π/6， -45°≤θ≤95 °， -120°≤θ≤ 0°， -110°≤θ≤110°。 5.2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 齒輪傳動，電機(jī)驅(qū)動在本課題中采用。 所以設(shè)計是確定可變齒數(shù)m Z和Z的齒輪限制。齒輪傳動比作為在傳動過程中重要的性能參數(shù)。它可以是小樹，但齒輪的可變齒數(shù)必須是整數(shù)，因此此階段中肯定存在誤差。驅(qū)動比由系統(tǒng)本身所需的距離，速度和電機(jī)選擇來確定.Z值和Z值在齒數(shù)上必須是整數(shù)，而且還應(yīng)滿足底切的工藝要求，即 17-z0，17- z0 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理模數(shù)后，降低了其工藝要求。 5.2.1.基座傳動機(jī)構(gòu) 根據(jù)傳動求查機(jī)械手冊選電動機(jī)45SY54直流伺服電機(jī)[13]，確定傳動比為6：1 按接觸強(qiáng)度確定中心距 小輪轉(zhuǎn)距T1=4.283N.m=4283N.mm =2.495mm 計算中心距a: a≥ =99.294mm 取中心距 a=100mm。在本次設(shè)計中所用齒輪均為硬齒面即HB>350。 估算模數(shù) m=(0.016~0.0315)a=(0.016~0.0315)×100=1.6~3.15 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2 小齒輪齒數(shù) =14.286 齒輪分度圓直徑: 齒輪齒頂圓直徑： 齒輪基圓直徑： 5.2.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)傳動要求確定升降機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)為螺紋絲杠傳動。但在實際設(shè)計中，齒輪孔或軸的尺寸可以作為約束，所以設(shè)計是確定可變齒輪模數(shù)和齒數(shù)m Z和Z的齒輪限制。估算升降機(jī)構(gòu)的負(fù)載為F=mg=20×9.8N=198N。絲的行進(jìn)里程程s為0到99之間的任一數(shù)據(jù)，根據(jù)采摘整體性能分析盛江行程為為0~2s。因此上升速度約為=0.1m/s。所以可得傳動功率約為P=Fv=19.6W查表22-3-11選用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)55SZ01型直流伺服電機(jī)。 絲杠參數(shù) 外螺紋中徑 0.8 F:軸向載荷（N） P螺紋副許用壓強(qiáng)（N/mm） 算出應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的公稱直徑d及其螺距P，值可根據(jù)螺母的形式選定：整體式取1.2~2.5，部分式螺母取2.5~3.5。在本機(jī)構(gòu)中取=1.5。因此可算出3.733mm取=30mm 旋合圈數(shù) n= ，取n=12， 螺母高度 H=1.5×30=45mm 取H=60mm， 確定螺距P=5mm，基本牙型高H=0.5P=2.5mm。 校核工作壓強(qiáng)： =0.069安全。 齒輪傳動參數(shù)，確定傳動比為為3：1，齒輪為漸開線齒輪查機(jī)械手冊確定齒頂高系數(shù)=1，齒形角=20。 計算齒輪中心距： a2.32 =38.772mm 取a=40mm 估算模數(shù) m=(0.016~0.0315)a=(0.016~0.0315)×40=0.64~1.26 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=1。 因此小齒輪大齒輪齒數(shù)分別為： =20 ，=60。 齒輪分度圓直徑: 齒輪齒頂圓直徑： 齒輪基圓直徑： 5.2.3支柱與大臂間傳動機(jī)構(gòu) 根據(jù)優(yōu)化出來的函數(shù)可知，此處轉(zhuǎn)動角度范圍為-45°≤θ≤95 °。轉(zhuǎn)速約為12.5r/min，根據(jù)負(fù)載確定轉(zhuǎn)距約為T=21.244N.m，根據(jù)轉(zhuǎn)距查表確定電機(jī)型號為154SN01-CJ，其轉(zhuǎn)速為130r/min，根據(jù)轉(zhuǎn)速確定傳動比為10：1，錐齒輪傳動比為5：1，圓柱齒輪傳動比為2：1。 減速器參數(shù)： 圓柱齒輪的中心距: a2.32 =33.795mm 取a=35mm 估算模數(shù): m=(0.016~0.0315)a=(0.016~0.0315)×35=0.56~1.102 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=1， 因此小齒輪大齒輪齒數(shù)分別為： =23.333，=46.667。 取 =24 ，=48 齒輪分度圓直徑: mm mm 齒輪齒頂圓直徑： 齒輪基圓直徑： mm 錐齒輪部分 齒輪傳動比5：1，選用直齒錐齒輪則=1，=0.2，=20°，取=60° 由公式 與 可得小齒輪最小齒數(shù)=16.22， 大齒輪節(jié)錐角，取=17，則=51。根據(jù)機(jī)構(gòu)要求查表[14]確定m=1.5 分度圓直徑 =1.5×17=25.5mm， =1.5×85=127.5mm。 5.2.4大臂與小臂之間的傳動機(jī)構(gòu) 角度轉(zhuǎn)動范圍為-120°≤θ≤0°。轉(zhuǎn)速約為30r/min，此處轉(zhuǎn)距約為T=3.185N.m，根據(jù)上述條件確定電機(jī)型號為45SY53，其轉(zhuǎn)速為90r/min，則傳動比為3：1。 選用直齒錐齒輪則=1，=0.2，=20°，取=60° 由公式 與 可得小齒輪最小齒數(shù)=16.22， 大齒輪節(jié)錐角，取=17，則=51。根據(jù)機(jī)構(gòu)要求查表確定m=1.5 分度圓直徑 =1.5×17=25.5mm， =1.5×51=76.5mm。 5.3 軸的設(shè)計計算 由于影響軸的結(jié)構(gòu)因素很多，且結(jié)構(gòu)形式又要隨具體情況不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。在小齒輪軸的設(shè)計中。因此，從結(jié)構(gòu)的觀點來看，齒輪可以分為齒輪（帶孔或帶軸的孔或齒）的齒輪。但在實際設(shè)計中，齒輪孔或軸的尺寸可以作為約束，所以設(shè)計是確定可變齒輪模數(shù)和齒數(shù)m Z和Z的齒輪限制。齒輪傳動比是重要的性能參數(shù)。設(shè)計時，必須針對不同情況進(jìn)行具體分析[15]。但是，不論何種具體條件，軸在結(jié)構(gòu)上都應(yīng)滿足： l 軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置； l 軸上零件應(yīng)便于拆裝和調(diào)整； l 軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。 5.3.1軸徑的計算 按軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計算軸徑的公式 軸的類型 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算 按扭轉(zhuǎn)剛度計算 實心軸 空心軸 說明 d-軸端直徑mm T-軸所傳遞的扭距N.m T= P-軸所傳遞的功率W n-軸的工作轉(zhuǎn)速r/min -許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，N/mm按表6-1-3選取 -許用扭轉(zhuǎn)角，（）/m，按表6-1-4選取 A- 系數(shù)，按表6-1-3選取 B- 系數(shù)，按表6-1-4選取 -空心軸的內(nèi)徑d與外徑d之比 = 注：當(dāng)截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見表6-1-6 計算基座傳動軸的直徑： 19.236mm， 取整數(shù)d=20mm 升降傳動機(jī)構(gòu)軸的直徑： 9.383mm， 取整數(shù)d=10mm 支柱與大臂傳動軸的直徑： 15.331mm， 取整數(shù)d=16mm 大臂與小臂傳動軸的直徑： 8.144mm， 取整數(shù)d=10mm。 5.3.2 軸上零件周向固定方法的選擇 軸上零件周向固定的目的是為了傳遞轉(zhuǎn)矩及防止零件與軸產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。在設(shè)計中，常采用鍵和過盈配合等方法來進(jìn)行軸向固定。 （1）鍵的選擇要求 在選擇固定軸的關(guān)鍵部位時，在不同場合應(yīng)考慮不同的鍵。 平鍵式連接，轉(zhuǎn)速高，精度更高，沖擊載荷快，變化不大; 楔形在圓周方向鍵固定，扭矩同時，也承受軸向力的方向，但中性差; 在花鍵功能的圓周方向固定，具有較高的承載能力。 良好的中立和導(dǎo)向，但成本高。 （2）過盈配合的選用 該方法的工作原理是使用孔尺寸公差（孔靜）小于軸的尺寸和公差（軸直徑）之間的摩擦力之間的傳遞扭矩產(chǎn)生的組件壓力，由壓力產(chǎn)生。 該方法結(jié)構(gòu)簡單，軸小，中性，負(fù)載大，抗沖擊性能好。干擾的大小應(yīng)該是扭矩大小。這里，還要考慮加工面的質(zhì)量，表面精度高，粗糙度值較低。對于這些中性高要求的高振動和沖擊載荷在一周內(nèi)固定，可以考慮充分發(fā)揮兩者結(jié)合關(guān)鍵優(yōu)點的聯(lián)系和適應(yīng)性，本周應(yīng)牢固固定。 5.4 軸的校核 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖（圖5.1）。在確定軸承的支撐點時，應(yīng)從手冊中查取軸承的受力位置點。在選擇制動的過程中，最重要的因素是扭矩，扭矩，功率，如果一定數(shù)量的摩擦扭矩離合器的大小和有效對應(yīng)的半徑。事實上，速度，溫度，摩擦磨損，污染會影響工作扭矩。 對于61804型深溝球軸承，可以取其中心點。因此作為簡支梁的軸的支撐跨距為L1+L2=56.5mm＋51.5mm＝108mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出彎距圖和扭矩圖。 軸承反力計算 支柱與基座之間傳遞的力為： 則兩軸承的支反力為： 圖5.1 軸的載荷分析圖 制矩 由于軸承只承受徑向力，所以只有水平面上有彎距。 水平面彎距圖（圖5.1） 截面b： 垂直面彎距圖 垂直面不受力，故垂直面彎距為0。 制扭矩 由力矩電機(jī)所傳遞的最大扭矩可知 又根據(jù)，查手冊得和，故， 其中為考慮彎曲應(yīng)力與扭剪應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的應(yīng)力修正系數(shù)。由于軸的彎曲應(yīng)力幾乎是對稱循環(huán)變化的，而軸的扭剪應(yīng)力則不然，故引入系數(shù)；由于此轉(zhuǎn)矩是脈動變化的，以滿足不同工況下載荷的需求，故取，和分別為對稱循環(huán)變應(yīng)力和脈動循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，單位為。 制量矩 對于截面b： 對于截面a和I、II： 分算截面a和b的直 兩截面雖有鍵槽的削弱，但結(jié)構(gòu)所確定的直徑分別達(dá)到10mm和20mm。所以，強(qiáng)度足夠。 絲杠強(qiáng)度校核 截面上的彎矩為： 查表得抗截面系數(shù) 許用切應(yīng)力 絲杠的最大工作應(yīng)力： 故安全。 圖5.2 絲杠所受剪力彎矩圖 圖中所示最大剪切力為196N，最大彎矩為9.8N.m 5.5 定位機(jī)構(gòu)選擇 制動器的選擇應(yīng)該根據(jù)使用要求與工作條件確定[16]，選擇時一般應(yīng)考慮以下幾點： 合理的制動轉(zhuǎn)矩考慮安裝現(xiàn)場空間大小，當(dāng)安裝地點有足夠的空間，你可以用外鎖剎車，空間有限的地方，你可以使用內(nèi)蹄式，帶式。 本機(jī)構(gòu)選用的是電機(jī)驅(qū)動，本身的空間影響。因此，我們選擇電磁制動器。它很小，能夠連接、切斷、移位、扭轉(zhuǎn)，高頻率操作，移動定位等具體方法： 在選擇制動的過程中，最重要的因素是扭矩，扭矩，功率，如果一定數(shù)量的摩擦扭矩離合器的大小和有效[ 17 ]對應(yīng)的半徑。事實上，速度，溫度，摩擦磨損，污染會影響工作扭矩。 在設(shè)計過程中，計算扭矩是工作載荷的慣性和運動載荷的慣性之和，用T表示計算扭矩，可用下式求出: 式中　 Wr—旋轉(zhuǎn)組件的重量kg K—旋轉(zhuǎn)組件的回轉(zhuǎn)半徑m N—回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)　rpm S—工作安全系數(shù) W—直線運動組件的重量kg V —線性速度 R—變旋轉(zhuǎn)運動為直線運動皮帶輪的半徑m g —9.8m/s t —機(jī)器啟動所需時間s t—電磁離合器吸合時間s 在實際工作中，很多設(shè)備的精確載荷難以計算，一般是根據(jù)輸入動力確定所需扭矩。 T= 式中　P —輸入功率 S —工作安全系數(shù) N —回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)　rpm 從上式中看出，對扭矩影響最大的是安裝離合器軸的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)。所以，在一定動力下，較高的速度對應(yīng)低的扭矩。因此，在設(shè)計中盡可能將離合器裝在傳動鏈中轉(zhuǎn)速高的位置，這通常要求制動器和電機(jī)同軸。在本設(shè)計中兩個制動器都是與電機(jī)同軸的。 制動器的損壞往往是因不正確使用和保養(yǎng)造成的。大多是變速箱中油不清潔，含有導(dǎo)電介質(zhì)——如碎屑。由于電磁吸力把變速箱中所有導(dǎo)電顆粒吸入到制動器摩擦片中，這些硬質(zhì)點不能使摩擦片緊密結(jié)合，且劃傷其表面，而使摩擦片損壞。 為此，裝配后要仔細(xì)清洗機(jī)件，試用8h后，再次更換干凈潤滑油。由于在本系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)頻繁因此應(yīng)每月更換一次潤滑油。 5.6 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是機(jī)械傳動中常用的不見。他主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運動與轉(zhuǎn)距；有時也可用作安全裝置。 絕大多數(shù)聯(lián)軸器均已標(biāo)準(zhǔn)化或規(guī)格化（見機(jī)械手冊）。一般機(jī)械設(shè)計者的任務(wù)是選用，而不是設(shè)計。下面介紹選用聯(lián)軸器的基本步驟。 （1） 選擇聯(lián)軸器的類型 根據(jù)傳動負(fù)載的大小，軸速度，連接精度等部件，參考各種聯(lián)軸器的特點，選擇合適的聯(lián)軸器類型，具體選擇時我們可以考慮以下幾點：所需傳遞的轉(zhuǎn)距大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的要求。 1） 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力的大小。 2） 兩軸相對位移的大小和方向。 3） 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。 4） 聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。 （2） 計算聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)距 由于機(jī)器啟動時的動載荷和運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)距作為計算轉(zhuǎn)距。計算轉(zhuǎn)距按下式計算： 式中T為公稱轉(zhuǎn)距，單位為N.m，K為工作情況系數(shù)，起值可查相關(guān)表查得。 （3） 確定聯(lián)軸器的型號 根據(jù)計算轉(zhuǎn)距及所選的聯(lián)軸器的類型，按照 的條件由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器型號。上式中的為該型號聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)距。 （4） 校核最大轉(zhuǎn)速 被聯(lián)結(jié)軸的轉(zhuǎn)速n不應(yīng)超過所選聯(lián)軸器允許的最高轉(zhuǎn)速 （5） 協(xié)調(diào)軸孔直徑 （6） 在大多數(shù)情況下，適用于每種類型的每一種聯(lián)軸器的直徑都有一圍。 軸的直徑最大或最小，一系列合適的尺寸或直徑，以及兩軸接直徑應(yīng)在此范圍內(nèi)。 一般來說，兩軸直徑。 軸端的形狀可以不同，例如驅(qū)動軸端圓柱體的軸線，從動軸的錐形端。規(guī)定部件相應(yīng)的安裝精度。 根絕所選聯(lián)軸器允許軸的相對位移偏差，規(guī)定部件相應(yīng)的安裝精度。通常標(biāo)準(zhǔn)中只給出單項位移偏差的允許值。如果有多項位移偏差村，則必須根據(jù)聯(lián)軸器的尺寸大小計算出相互影響的關(guān)系，以此作為規(guī)定部件安裝精度的依據(jù)。 （7） 進(jìn)行必要的校核 如有必要，應(yīng)對聯(lián)軸器的主要傳動零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。使用有非金屬彈性元件的聯(lián)軸器時還應(yīng)注意聯(lián)軸器所在部位的工作溫度不要超過該彈性元件材料允許的最高溫度。 根據(jù)聯(lián)軸器的選擇原理，剛性聯(lián)軸器聯(lián)軸器選型設(shè)計，聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，徑向尺寸小，非常適合機(jī)器人節(jié)省空間。 本實用新型用于低速，輕負(fù)載，反向和反向頻繁，需要兩個中間，平滑，無沖擊負(fù)載，在系統(tǒng)中，由于工作要求，正反轉(zhuǎn)動頻繁，而且考慮到成本等綜合因素我們選用套筒聯(lián)軸器。 第六章 結(jié)構(gòu)分析 6.1小臂結(jié)構(gòu)分析 圖6.1 小臂骨架 1.末端執(zhí)行器連接位置 2.電機(jī)安裝位置 3.大臂與小臂連接關(guān)節(jié) 圖6.1所示為小臂的骨架結(jié)構(gòu)。鋁合金材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，重量大大降低，機(jī)械臂更靈活，快速到達(dá)指定位置。該方法結(jié)構(gòu)簡單，軸小，中性，負(fù)載大，抗沖擊性能好。干擾的大小應(yīng)該是扭矩大小。這里，還要考慮加工面的質(zhì)量，表面精度高，粗糙度值較低。在1端安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端，拱線結(jié)構(gòu)及其空間可以更好的使用[18]，電機(jī)（2）不占用空間，3與臂接頭占據(jù)空間。 而孔可以使大臂和小臂更緊湊。 6.2大臂罩結(jié)構(gòu)分析 圖6.2大臂罩 如圖6.2所示為大臂外罩。鋁合金被作為首選材質(zhì)，三角形結(jié)構(gòu)有利于提升穩(wěn)定性，手臂能夠承受的里被擴(kuò)大，手臂能夠到達(dá)更遠(yuǎn)的位置。 6.3 內(nèi)立柱結(jié)構(gòu)分析 圖6.3基座內(nèi)力柱示意圖 如圖6.3所示，柱體內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，能夠作為驅(qū)動大臂和小臂的動力軸，在軸的頂端鉆一個放置落幕的孔，向力被作用于軸，柱內(nèi)力在粗糙下，精細(xì)結(jié)構(gòu)更適合于力。 柱底部的軸承力也應(yīng)承受軸向力。 6.4基座總體結(jié)構(gòu)分析 圖6.4 基座及升降機(jī)構(gòu)圖 1. 二級變速齒輪結(jié)構(gòu) 2.電磁制動器 3.大臂關(guān)節(jié)罩 4.升降結(jié)構(gòu) 5.軸承 6.防塵罩 7.電機(jī)外殼 如圖6.4所示，1是一個或兩個齒輪結(jié)構(gòu)，允許手臂旋轉(zhuǎn)，而速度改變，大臂可以以相對適當(dāng)?shù)乃俣冗\行！ 2用于電磁制動，可使機(jī)械臂停止運轉(zhuǎn)，電機(jī)臂位于所需位置，但不僅尺寸小，關(guān)節(jié)空間小，緩沖，切斷功能。3，用于臂關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)當(dāng)圓形設(shè)計使手臂更方便時，同時在軌道槽中，振動臂大大減小，從而提高機(jī)器的精度，大大提高了揀選速度。機(jī)制4，是提升機(jī)構(gòu)，提升機(jī)構(gòu)，使機(jī)器采摘西紅柿長，位置相對較高，并且還拿起更長的時間，更多的蔬菜，如黃瓜是5深溝球軸承，這是主軸向力，徑向力相對較小，所以選擇深溝球軸承機(jī)構(gòu)6是防塵罩，機(jī)構(gòu)防止7向下托盤中的過程中上升，從而影響機(jī)器的運行。 7在此設(shè)計中延長，可以減少長時間機(jī)械臂螺旋提升機(jī)構(gòu)的應(yīng)力，并可減少慣性矩，電機(jī)安裝空間更大，對電機(jī)冷卻有很大的幫助。 第七章 結(jié)論 本文主要得到以下研究結(jié)論： (1)確定手臂機(jī)器人初步設(shè)計方案，完成其相關(guān)參數(shù)配置和圖紙繪制 (2)在原有機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上加上了升降機(jī)構(gòu)，使采摘空間更加廣闊，采摘類型增加，定位系統(tǒng)的運用使機(jī)械手臂能更加精確的到達(dá)指定位置。 (3)內(nèi)骨架式設(shè)計應(yīng)用在采摘機(jī)器人手臂中，機(jī)身構(gòu)成材料的重量被大大減低。重心被提高了不少，其靈敏性也達(dá)到了要求。 (4)驅(qū)動方式采用采用電機(jī)驅(qū)動，齒輪傳動，如果使轉(zhuǎn)動和升降速度加快，使控制更加簡單。 (5)基座的精簡結(jié)構(gòu)不僅可以達(dá)到機(jī)器運轉(zhuǎn)要求，同時還減輕了重量，使電機(jī)的負(fù)載見效，節(jié)省了材料，大大降低了成本。 (6)用CAD2004完成了裝備圖，使設(shè)計更加直觀。 致??謝 歷經(jīng)了，終于完成了畢業(yè)設(shè)計所要求的全部工作，回首向來蕭瑟路，也無風(fēng)雨也無晴。 ? 首先，我要感謝我的知道教師，他是一個特別認(rèn)真負(fù)責(zé)的人，不僅對我的要求很嚴(yán)格，而且對待學(xué)習(xí)和工作上也非常盡職盡責(zé)。在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，他對我進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)。而且，在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的過程中對我進(jìn)行了悉心的教導(dǎo)。在此，我向老師們表示衷心感謝。 ? 同時，我要感謝東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，我在機(jī)械工程學(xué)院度過了三年，在這短暫的三年的學(xué)習(xí)時光里，我們院很多的老師和同學(xué)給予了我很多幫助，這讓我受益匪淺，他們對我的影響很大，正式因為有了這么多的人和事，我的大學(xué)時光才這么的絢爛多彩。 ? 最后，對于我在文章中所引用到的文章的作者，在這里，我想你們表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1] 佟玲，鄭育紅.21世紀(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的趨勢一農(nóng)業(yè)機(jī)器人[J]1.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，1996.5:12-14. 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