蘋果采摘機(jī)設(shè)計(jì)-輪式小車式采摘機(jī)械手
蘋果采摘機(jī)設(shè)計(jì)-輪式小車式采摘機(jī)械手,蘋果,采摘,設(shè)計(jì),輪式,小車,機(jī)械手
屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
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蘋果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)
機(jī)械電氣化工程學(xué)院制
前 言
蘋果原產(chǎn)歐洲中部、東南部，中亞西亞以及中國(guó)新疆。蘋果（Apple），是常見(jiàn)的水果之一。蘋果樹(shù)屬于薔薇科，落葉喬木，葉橢圓形，有鋸齒。其果實(shí)球形，味甜，口感爽脆，且富含豐富的營(yíng)養(yǎng)，是世界四大水果之冠。蘋果通常為紅色，不過(guò)也有黃色和綠色。蘋果是一種低熱量食物，每100克只產(chǎn)生60千卡熱量。蘋果中營(yíng)養(yǎng)成份可溶性大，易被人體吸收，故有“活水”之稱，其有利于溶解硫元素，使皮膚潤(rùn)滑柔嫩。
中國(guó)是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界總量的40%以上，在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。蘋果消費(fèi)市場(chǎng)主要為鮮果和加工制品,鮮食的比例高達(dá)90%,加工制品僅占10%左右。為保證蘋果的品質(zhì),適時(shí)采摘是我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的重中之重。采摘工作量繁重與勞動(dòng)力的缺乏使得適時(shí)采摘變得越來(lái)越困難。
采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高，果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn) 鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。故此保證果實(shí)適時(shí)采收、降低收獲作業(yè)費(fèi)用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑。采摘作業(yè)非常復(fù)雜，目前，國(guó)內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工 進(jìn)行，其費(fèi)用約占成本的50%-70%，并且時(shí)間較為集中。采摘機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)器的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時(shí)采收，因而具有很大發(fā)展?jié)摿Α?
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械 ； 機(jī)械手 ； 輸送機(jī)構(gòu) ； 蘋果 ； 農(nóng)業(yè)機(jī)械
目 錄
1引言 - 1 -
1.1題來(lái)源及研究的目的和意義 - 1 -
1.2本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 - 1 -
1.3本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路 - 3 -
1.4完成本課題需要的工作條件及解決的辦法 - 4 -
1.5 方案及進(jìn)度計(jì)劃 - 4 -
2.機(jī)械的總體設(shè)計(jì) - 4 -
2.1蘋果采摘機(jī)工作流程 - 5 -
2.2機(jī)械手臂設(shè)計(jì) - 7 -
3.蘋果采摘機(jī)械動(dòng)力控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 11 -
3.1輸送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式 - 11 -
3.2V帶傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 - 11 -
3.3V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)步驟和傳動(dòng)參數(shù)選擇 - 11 -
3.4齒輪箱齒輪結(jié)構(gòu) - 12 -
4. 蘋果采摘機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的選擇 - 16 -
4.1行走機(jī)構(gòu) - 16 -
5.蘋果采摘機(jī)輸送裝置的選擇 - 17 -
5.1帶式輸送機(jī) - 17 -
5.2 裝筐輸送機(jī)構(gòu) - 17 -
6.部位仿真模擬分析 - 18 -
總 結(jié) - 21 -
致 謝 - 22 -
參考文獻(xiàn) - 23 -
大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
1引言
1.1題來(lái)源及研究的目的和意義
隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，果園業(yè)也得到了很大的發(fā)展。由于果園占地面積相對(duì)狹小，而且果樹(shù)之間的間距很小，果樹(shù)生長(zhǎng)性狀復(fù)雜，這就給對(duì)果園的果類采摘等帶來(lái)了巨大的麻煩。為了節(jié)約人們的體力勞動(dòng)，設(shè)計(jì)一種蘋果等果類采摘機(jī)械裝置是非常必要的，專門應(yīng)用于果類采摘。可爬坡、越埂、階梯性強(qiáng)。廣泛適用于平原、山區(qū)、丘陵、溫室等區(qū)域種植的果樹(shù)果類采摘收獲。
1.1.2研究的意義
我國(guó)是世界第一大蘋果果消費(fèi)國(guó)，也是世界第一大蘋果生產(chǎn)國(guó)。蘋果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機(jī)械的市場(chǎng)需求。采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的33%～50%，目前我國(guó)的蘋果果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。蘋果采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷，如果人手不夠不能及時(shí)采摘還會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。使用采摘機(jī)械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高蘋果采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要的意義[1]。
蘋果采摘機(jī)械在果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的地區(qū)應(yīng)用更能突顯其顯著特點(diǎn)。用機(jī)械代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成蘋果采摘作業(yè)，既能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高功效，還可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又能搶農(nóng)時(shí)，減少損失，為果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境，促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[2]。
1. 2本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1國(guó)外果園采摘機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
上世紀(jì)40年代以英、美、法為首的西方國(guó)家率先開(kāi)始蘋果等水果的機(jī)械化采摘研究，已經(jīng)針對(duì)釀造等特殊用途的蘋果實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘。然而，人們期待的仿生學(xué)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行當(dāng)中，當(dāng)下人工智能技術(shù)尚不能使機(jī)器人像真實(shí)人一樣完成采摘工作。目前國(guó)外對(duì)采摘機(jī)械的研究是以采摘機(jī)器人為主。
國(guó)外蘋果采摘機(jī)械采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式三種類型。其中，振搖式是利用外力使樹(shù)體或樹(shù)枝發(fā)生振搖或振動(dòng)，使蘋果果實(shí)產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋果果實(shí)。切割式是將樹(shù)枝或果柄切斷使果實(shí)與果樹(shù)分離的方式，又分為機(jī)械切割式和動(dòng)力切割式。
國(guó)外對(duì)果園采摘機(jī)械的研究始于上世紀(jì)40年代初，以美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)為首的西方國(guó)家較早開(kāi)展此方面的研究。于40年代中期開(kāi)始，美國(guó)開(kāi)始研究振搖式采摘機(jī)械，用來(lái)采摘胡桃、蘋果和杏等水果，到50年代中期，利用振搖果樹(shù)方式收獲水果的采摘機(jī)械在歐美國(guó)家得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)的振搖采摘機(jī)。60年代，振搖采摘機(jī)械的結(jié)構(gòu)由單一的定沖程推搖機(jī)發(fā)展到慣性式振搖機(jī)、氣力振搖機(jī)、使用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橡膠棒沖撞果枝振落果實(shí)的撞擊式機(jī)械等多種類型的果園采摘機(jī)械。當(dāng)時(shí)的機(jī)械采摘工作效率普遍較低，采摘的損傷率還較高，也不適用于采收易損傷、完好率要求較高的鮮食用和貯藏的蘋果[3]。60年代中期，美國(guó)研究出液壓升降平臺(tái)車，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。
自60年代后期，歐美一些國(guó)家將水果采摘機(jī)械與果樹(shù)的培育和修剪結(jié)合起來(lái)研究，例如修整樹(shù)形使之適合機(jī)械化作業(yè)。直至70年代出現(xiàn)了各種動(dòng)力切割式采摘機(jī)械，例如油鋸、氣動(dòng)剪。 日本的果園種植地形與我國(guó)南方地形極為相似，許多在平地上使用的果園機(jī)械在丘陵地形上并不適用，故此在20世紀(jì)90年代初，日本開(kāi)始研究陡坡地果園的機(jī)械化。其中四國(guó)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)研究開(kāi)發(fā)的采用樞軸式擺動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)作為行走部分的自走式采摘車，配備使用電視攝像機(jī)和無(wú)線電控制組合。該采摘車的輪距寬，重心低，故爬坡能力強(qiáng)；采用就地車輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，故回轉(zhuǎn)能力好；采用樞軸懸掛機(jī)構(gòu)，因而使機(jī)體擺動(dòng)小、行走穩(wěn)定，適合在坡度15°～30°的地區(qū)使用。
關(guān)于機(jī)器人采摘的研究始于70年代末期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，美國(guó)首先開(kāi)始研究各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人。自1983年第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來(lái)，歷經(jīng)20多年的研究和試驗(yàn)，日本、美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、西班牙等發(fā)達(dá)國(guó)家，相繼試驗(yàn)成功了多種采摘機(jī)器人，如蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果實(shí)采摘的具有人工智能的機(jī)器人。 采摘機(jī)器人主要由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)和行走裝置等四大系統(tǒng)組成。在80年代中期日本京都大學(xué)研制了五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手，但這種機(jī)械手的工作空間并沒(méi)有包含所有果實(shí)的位置，而且機(jī)械手末端執(zhí)行器的可操作度也比較低。與此同時(shí)韓國(guó)研制的蘋果采摘機(jī)器人使用極坐標(biāo)機(jī)械手，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可左右移動(dòng)，絲桿關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng)，從而工作空間可達(dá)3m。日本崗山大學(xué)在20世紀(jì)90年代，設(shè)計(jì)出番茄采摘機(jī)器人具有7個(gè)自由度的能夠設(shè)定采摘姿態(tài)的機(jī)械手。
1.2.2我國(guó)蘋果采摘機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
目前，我國(guó)在人工智能機(jī)器人采摘研究領(lǐng)域仍處于起步階段。
中國(guó)是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界總量的40%以上，在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。中國(guó)蘋果有黃土高原、渤海灣、黃河故道和西南冷涼高地四大產(chǎn)區(qū)，根據(jù)氣候和生態(tài)適宜標(biāo)準(zhǔn)，西北黃土高原產(chǎn)區(qū)和渤海灣產(chǎn)區(qū)是中國(guó)最適蘋果發(fā)展產(chǎn)區(qū)，兩個(gè)區(qū)域蘋果栽培面積分別占全國(guó)的44%和34%，產(chǎn)量分別占全國(guó)的49%和31% ，出口量占全國(guó)的90%以上。黃河故道產(chǎn)區(qū)屬于蘋果生產(chǎn)的次適宜區(qū)，西南冷涼高地蘋果生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差，無(wú)法滿足蘋果生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)區(qū)域的要求。
我國(guó)大部分蘋果果園生產(chǎn)規(guī)模小，種植模式多樣，栽培和管理比較分散，果園的規(guī)?；鸵?guī)范化程度偏低。目前，我國(guó)果園機(jī)械化基礎(chǔ)差，新疆優(yōu)勢(shì)林果產(chǎn)區(qū)雖然已逐步形成規(guī)?；a(chǎn)，但規(guī)范化管理不足，農(nóng)藝未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，果園機(jī)械化水平仍然很低，果園機(jī)械無(wú)論從數(shù)量上還是品種、質(zhì)量上都難以滿足林果產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的需要，在一些果園專有機(jī)械上仍處于空白。
自20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始研究果園采摘機(jī)械[4]，先后開(kāi)發(fā)了與手扶拖拉機(jī)配套的機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動(dòng)采果器。后兩者實(shí)際上還是人工作業(yè)用的輔助機(jī)械，雖然在保護(hù)果實(shí)不受損傷方面做得較好，但是其效率還是太低。80年代后，開(kāi)始研究和制造切割型采摘器，果園采摘也從人工使用剪刀采摘發(fā)展到使用機(jī)械裝置采摘。電機(jī)式采摘器利用果柄引導(dǎo)突片將果柄引向切刀，再用微型電機(jī)帶動(dòng)的切刀作往復(fù)運(yùn)動(dòng)把果柄切斷。此外，一種振搖式采摘器，用撥叉伸入果枝用電機(jī)擺動(dòng)撥叉而振落果實(shí)[5]。切割式采摘的優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)省力，對(duì)果實(shí)的損傷也小。此后有了更多的輔助工具如液壓剪枝升降平臺(tái)，可用來(lái)提升工人工作位置，利于采摘作業(yè)。
盡管如此，國(guó)內(nèi)蘋果采摘機(jī)械基本處于空白，蘋果不同于山楂、核桃、棗等，蘋果果皮易在采摘過(guò)程中受到損傷，損傷容易造成蘋果氧化變質(zhì)品質(zhì)下降，降低經(jīng)濟(jì)效益。
1.3本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路
1.3.1 研究的主要問(wèn)題：
本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)空間中蘋果的定位，采摘方式的可行性設(shè)計(jì)，設(shè)備各個(gè)部位的動(dòng)力控制與傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定性考察，本設(shè)計(jì)主要致力蘋果采摘，以及初步清理，裝筐，運(yùn)出果園等收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)的果園蘋果收獲基本以人工采摘為主（特殊用途的果類除外），耗時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)成本高。蘋果從采摘到運(yùn)輸過(guò)程周期較長(zhǎng)，不容易保障果品質(zhì)量。常見(jiàn)的采摘機(jī)械的采摘原理：果園的機(jī)械式采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式三種類型。振搖式是利用外力使樹(shù)體或樹(shù)枝發(fā)生振動(dòng)或振搖，使果實(shí)產(chǎn)生加速度，在連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接沖撞果枝或敲打牽引果枝的棚架振落果實(shí)。切割式是將樹(shù)枝或果柄切斷使果實(shí)與果樹(shù)分離的方式，又分為機(jī)械切割式和動(dòng)力切割式。然而這些采摘方式很難控制收獲蘋果果實(shí)的損傷率，影響蘋果的品質(zhì)，不利于果園經(jīng)濟(jì)效益的提升。
1.3.2 解決思路：
（1）用大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配及其，保證機(jī)器在工作的時(shí)間不會(huì)因?yàn)槌d而熄火。
（2）設(shè)計(jì)機(jī)械手臂，編寫機(jī)械手臂工作程序，實(shí)現(xiàn)柔性抓取，摘果。
（3）采用物理方式與計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，構(gòu)建空間坐標(biāo)系，配合視覺(jué)捕捉設(shè)備，機(jī)械手臂，進(jìn)行枝頭蘋果定位以及采摘。
（4）添加視覺(jué)捕捉輔助系統(tǒng)，輔助操作員操作機(jī)械手臂。
（5）設(shè)計(jì)蘋果輸送，初步清洗裝置，將采摘的蘋果進(jìn)行運(yùn)輸、清理、裝箱。
（6）設(shè)計(jì)多自由度承載自走車體，搭載全部采摘設(shè)備、操作人員、駕駛?cè)藛T，蘋果、果箱等。
（7）仿真模擬以確保證機(jī)器的安全性能。
1.3.3具體方案：
（1）本次設(shè)計(jì)把視覺(jué)捕捉系統(tǒng)、智能機(jī)器人、蘋果輸送淸選裝置、多自由度式承載裝置相結(jié)合，本設(shè)計(jì)的研究對(duì)果園的管理非常重要[6]。
（2）該設(shè)計(jì)的成型產(chǎn)品是機(jī)械手臂、蘋果輸送清洗裝置、行走裝置與升降裝置均通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)力源提供動(dòng)力，以確保機(jī)器工作穩(wěn)定。
（3）產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)蘋果采摘、輸送、清洗，工作臺(tái)升降由操作員獨(dú)立進(jìn)行。
（4）前后的工作裝置都可以卸載，當(dāng)需要什么樣的工作時(shí)進(jìn)行安裝即可。
（5）本設(shè)計(jì)致力于采摘機(jī)的機(jī)械部分的選型與設(shè)計(jì)。
1.4完成本課題需要的工作條件及解決的辦法
（1）查閱有關(guān)資料選擇相關(guān)參數(shù)及材料,設(shè)計(jì)機(jī)械手臂、行走裝置、輸送清洗裝置、行走裝置等的形狀。
（2）實(shí)地參觀果園，果園機(jī)械，觀看國(guó)外現(xiàn)代化管理的果園采收視頻，搜集整理有用信息。
（3）設(shè)計(jì)完各零部件后，進(jìn)行裝配組合，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性。
（4）運(yùn)用Solidworks軟件，繪制三維零件圖和裝配圖。
（5）運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
1.5 方案及進(jìn)度計(jì)劃
1.5.1 工作方案：
(1) 設(shè)計(jì)并繪制蘋果采摘機(jī)總體機(jī)架。
(2) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇方案及大小設(shè)計(jì)。
(3) 蘋果采摘機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)。
(4) 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型。
(5) 繪制所有零部件并查閱相關(guān)說(shuō)明，各零部件尺寸要嚙合達(dá)到合適效果。
(6) 分模塊完成各個(gè)工作部分的裝配模型。
(7) 組裝裝配圖并生成三維立體總裝模型，觀察效果并加以改進(jìn)。
1.5.2進(jìn)度計(jì)劃：
第 一 周：查找相關(guān)資料、熟悉課題內(nèi)容。
第 二 周：撰寫開(kāi)題報(bào)告，并制定總體方案。
第三周至十周：設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)試驗(yàn)裝置的三維實(shí)體模型圖，生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。
第 十一 周：對(duì)蘋果采摘機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第 十二 周：撰寫畢業(yè)論文，修改圖紙中存在的問(wèn)題。
第十三周：編寫答辯提綱，準(zhǔn)備答辯。
第十四周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯
2.機(jī)械的總體設(shè)計(jì)
作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究課題，考慮到個(gè)人搜集、整理信息的局限，本設(shè)計(jì)致力形成完整的設(shè)計(jì)理念，不確保每個(gè)工作部分在任何工作環(huán)境下均可長(zhǎng)時(shí)間、全負(fù)荷工作。
本設(shè)計(jì)致力于，蘋果采摘機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型，完整的采摘機(jī)器包括機(jī)械部分和控制部分，設(shè)計(jì)過(guò)程難點(diǎn)是空間點(diǎn)的定位，與捕捉點(diǎn)的路徑控制與模擬，機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇，造型設(shè)計(jì)等。本設(shè)計(jì)的動(dòng)力主要源于一臺(tái)功率足夠大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，保障蘋果輸送、機(jī)車移動(dòng)，通過(guò)皮帶傳送和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸。蘋果通過(guò)機(jī)械手抓取實(shí)現(xiàn)采摘過(guò)程，通關(guān)過(guò)輸送裝置實(shí)現(xiàn)輕柔裝筐等工作[8]。
1、 后橋 2、機(jī)車機(jī)架 3、換向小帶輪 4、蘋果倒流盤 5、機(jī)械滑臺(tái) 6、機(jī)械手 7、大帶輪8、裝筐輸送機(jī)構(gòu)9、機(jī)械手II 10、大直齒錐齒輪 11、小直齒錐齒輪 12、齒輪箱 13、換向大帶輪 14、調(diào)節(jié)臂15、縱向輸送機(jī)構(gòu) 16、柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 17、轉(zhuǎn)向液壓缸 18、制動(dòng)液壓缸 19、前輪 20、萬(wàn)向聯(lián)軸器傳動(dòng)軸
圖2-1 總統(tǒng)裝配圖
圖2-2蘋果采摘機(jī)械總體SW裝配圖
2.1蘋果采摘機(jī)工作流程
機(jī)械手接受控制中心信號(hào)，機(jī)械手在擬定路徑上移動(dòng)，抓取目標(biāo)蘋果，手臂收縮將抓取果實(shí)放置在導(dǎo)流盤內(nèi)，蘋果經(jīng)過(guò)導(dǎo)流盤以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)入輸送裝置，經(jīng)提升到達(dá)裝筐輸送機(jī)構(gòu)，裝筐輸送機(jī)構(gòu)相對(duì)于輸送裝置反向轉(zhuǎn)動(dòng)，承接板承接蘋果使其落于毛刷上再進(jìn)入果筐，實(shí)現(xiàn)輕柔裝筐，保障蘋果損傷較小[9]。
2.2采摘機(jī)械采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)
蘋果采摘機(jī)械手是整個(gè)機(jī)械部分的核心部件，難點(diǎn)在于機(jī)械手造型設(shè)計(jì)，以及機(jī)械手抓取方式、移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)。
2.2.1機(jī)械手手指指型設(shè)計(jì)
圖2-3 機(jī)械手SW示意圖
1、3號(hào)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸 2、手指座盤 3、手指座 4、手指2-3
5、2號(hào)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸 6、手指2-1 7、手指3-2 8、手指1
9、 手指1-2 10、1號(hào)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸 11、手指2 12、手指3
13、拉桿
圖2-4 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
此處機(jī)械手手指選型，利用仿生學(xué)原理，以及連桿機(jī)構(gòu)，模擬人手抓取動(dòng)作，手指內(nèi)測(cè)均貼有力學(xué)傳感器應(yīng)變片，向計(jì)算機(jī)控制中心實(shí)時(shí)反饋接觸果實(shí)部位受力變化，方便計(jì)算機(jī)運(yùn)算，判斷并控制機(jī)械手舒張量[10]。
圖2-3 機(jī)械手抓取效果
根據(jù)來(lái)自百度百科的數(shù)據(jù)，蘋果直徑一般在60—85mm，因此，機(jī)械手的抓取最大直徑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不小于100mm,以確?？梢宰ト〗^大多數(shù)成熟蘋果果實(shí)。
2.2機(jī)械手臂設(shè)計(jì)
圖2-4 機(jī)械手-滑臺(tái)
機(jī)械手臂設(shè)計(jì)，仿生學(xué)難度較大，故而舍棄，那么為了能夠?qū)崿F(xiàn)平移以及上下、左右等空間運(yùn)動(dòng)，在我現(xiàn)在
圖2-4 機(jī)械手臂圖例
的知識(shí)層次水平上，考慮使用機(jī)械滑臺(tái)，以機(jī)車前進(jìn)方向?yàn)檎较颍瑢?shí)現(xiàn)手臂上下、左右，配合機(jī)車前進(jìn)或者后退，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)合成與分解原理（理論力學(xué)）實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在有限三維空間的運(yùn)動(dòng)。
2.2.1采摘機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳輸設(shè)計(jì)
采摘機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳輸主要依靠異步步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，絲桿滑臺(tái)由一臺(tái)小功率直線步進(jìn)電機(jī)，兩臺(tái)較大功率步進(jìn)電機(jī)控制，機(jī)械手抓取與舒張由一臺(tái)絲桿直線步進(jìn)電機(jī)通過(guò)牽動(dòng)絲桿套沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手指握緊與舒張。
2.2.2電機(jī)的選擇計(jì)算
2.2.2.1滑臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)電機(jī)的選擇
圖2-5機(jī)械手動(dòng)力結(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖
預(yù)設(shè)負(fù)載重量，螺桿螺距，螺桿直徑，螺桿質(zhì)量，
摩擦系數(shù)，機(jī)械效率，負(fù)載移動(dòng)速度，加速減速時(shí)間，截止時(shí)間
（1）計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量
重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
總負(fù)載慣量
（2）計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速
電機(jī)所需轉(zhuǎn)速
（3） 計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩
克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩
重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩
加速所需總轉(zhuǎn)矩
（4）計(jì)算瞬時(shí)最大扭矩
加速扭矩
勻速扭矩
實(shí)效扭矩
（5）選擇伺服電機(jī)
伺服電機(jī)額定扭矩且
伺服電機(jī)最大扭矩
最后查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)選定
2.2.2.2機(jī)械手左右移動(dòng)伺服電機(jī)的選擇
預(yù)設(shè)負(fù)載重量，螺桿螺距，螺桿直徑，螺桿質(zhì)量，
摩擦系數(shù)，機(jī)械效率，負(fù)載移動(dòng)速度，加速減速時(shí)間，截止時(shí)間
（1）計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量
重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
總負(fù)載慣量
（2）計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速
電機(jī)所需轉(zhuǎn)速
（4） 計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩
克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩
重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩
加速所需總轉(zhuǎn)矩
（4）計(jì)算瞬時(shí)最大扭矩
加速扭矩
勻速扭矩
實(shí)效扭矩
（5）選擇伺服電機(jī)
伺服電機(jī)額定扭矩且
伺服電機(jī)最大扭矩
最后查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)選定
2. 2.3蘋果采摘機(jī)械定位裝置的設(shè)計(jì)
蘋果定位裝置設(shè)計(jì)主要結(jié)合角度傳感器，視頻攝像頭，物理伸縮桿，計(jì)算機(jī)運(yùn)算模擬控制，最終實(shí)現(xiàn)三維空間坐標(biāo)系的建立，運(yùn)用伽利略坐標(biāo)變換等知識(shí)原理，尋找機(jī)械手臂抓取果實(shí)的最優(yōu)路徑。伽利略變換（Galileo transformation）是牛頓力學(xué)中所使用的兩個(gè)相對(duì)做等速直線運(yùn)動(dòng)的參考系中的時(shí)空變換，屬于一種被動(dòng)態(tài)變換。伽利略變換中，直觀上明顯成立的公式在物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)瓦解，這是相對(duì)論性效應(yīng)造成的。伽利略變換建基于人們加減物體速度的直覺(jué)，變換的核心是假設(shè)時(shí)間、空間是絕對(duì)的、彼此獨(dú)立的，其中時(shí)間均勻流逝，空間均勻分布且各向同性。
3 .蘋果采摘機(jī)械動(dòng)力控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1輸送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式
蘋果采摘機(jī)械輸送機(jī)構(gòu)、裝筐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)的動(dòng)力均由一臺(tái)三缸的臥式柴油機(jī)提供，通過(guò)帶輪與皮帶傳動(dòng)實(shí)
現(xiàn)輸送帶是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖3-1 皮帶傳動(dòng)
3.2 V帶傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
根據(jù)帶傳動(dòng)的工作情況分析可知，V帶傳動(dòng)的主要失效形式是：
⑴ V帶疲憊斷裂：帶的任一橫截面上的應(yīng)力將隨著帶的運(yùn)轉(zhuǎn)而循環(huán)變化。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)，即運(yùn)行一定時(shí)間后，V帶在局部出現(xiàn)疲憊裂紋脫層，隨之出現(xiàn)疏松狀態(tài)甚至斷裂，從而發(fā)生疲憊損壞，喪失傳動(dòng)能力。
⑵ 打滑：當(dāng)工作外載荷超過(guò)V帶傳動(dòng)的最大有效拉力時(shí)，帶與小帶輪沿整個(gè)工作面出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致傳動(dòng)打滑失效。
因此，在不打滑條件下，保證帶具有一定的疲憊強(qiáng)度和壽命是V帶傳動(dòng)工作能力的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。單根V帶既不打滑，又保證一定疲憊壽命時(shí)所能傳遞的額定功率P為
其中，為根據(jù)疲勞壽命決定的帶的許用拉應(yīng)力。
3.3 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)步驟和傳動(dòng)參數(shù)選擇
V帶有普通V帶、窄V帶、寬V帶、大楔角V帶等多種類型，其中普通V帶應(yīng)用最廣，窄V帶的使用也日見(jiàn)廣泛。普通V帶由頂膠、抗拉體（承載層）、底膠和包布組成,抗拉體由簾布或線繩組成，是承受負(fù)載拉力的主體。其上下的頂膠和底膠分別承受彎曲時(shí)的拉伸和壓縮變形。線繩結(jié)構(gòu)普通V帶具有柔韌性好的特點(diǎn)，適用于帶輪直徑較小，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合。窄V帶采用合成纖維繩或鋼絲繩作承載層，與普通V帶相比，當(dāng)高度相同時(shí)，其寬度比普通V帶小約30%。窄V帶傳遞功率的能力比普通V帶大，答應(yīng)速度和撓曲次數(shù)高，傳動(dòng)中心距小。適用于大功率且結(jié)構(gòu)要求緊湊的傳動(dòng)。
當(dāng)多個(gè)執(zhí)行件之間需獲得固定運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)，通常是用一個(gè)原動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以往往需要在兩者之間加入通過(guò)一定的方式組合而成的并能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、力(或力矩)的傳遞和變換的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)原動(dòng)機(jī)的輸出與執(zhí)行件在運(yùn)動(dòng)、力和力矩方面得到合理的匹配。
帶的型號(hào)可根據(jù)計(jì)算功率Pc小帶輪轉(zhuǎn)速n1選?。?
-工作情況系數(shù)（使用系數(shù)） P=名義傳動(dòng)功率（KW）
表3-1 皮帶KA 選擇參考表
農(nóng)用低速柴油機(jī)轉(zhuǎn)速約300r/min,輸出扭矩約146牛/米，功率月43KW,估算，選取
所以，
3.4齒輪箱齒輪結(jié)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)減速以及傳動(dòng)變向的原理是，齒輪箱，錐齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)換。
圖3-2 齒輪箱
圖3-3直齒圓錐齒輪嚙合示意圖
3.4.1齒廓曲面的形成
直齒錐齒輪齒廓曲面的形成與圓柱齒輪類似。如下圖所示，發(fā)生平面 1 與基錐 2 相切并作純滾動(dòng)， 該平面上過(guò)錐頂點(diǎn) O 的任一直線 OK 的軌跡即為漸開(kāi)錐面。漸開(kāi)錐面與以 O 為球心，以錐長(zhǎng) R 為半徑的球面的交線 AK 為球面漸開(kāi)線，它應(yīng)是錐齒輪的大端齒廓曲線。但球面無(wú)法展開(kāi)成平面， 這就給錐齒輪的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)很多困難。為此產(chǎn)生一種代替球面漸開(kāi)線的近似方法。
圖3-4
圖3-5
3.4.2錐齒輪大端背錐、當(dāng)量齒輪及當(dāng)量齒數(shù)
如圖3-5，為一錐齒輪的軸向半剖面，其中 DOAA 為分度錐的軸剖面，錐長(zhǎng) OA 稱錐距，用 R表示；以錐頂O為圓心，以R為半徑的圓應(yīng)為球面的投影。若以球面漸開(kāi)線作錐齒輪的齒廓，則圓bAc為輪齒球面大端與軸剖面的交線，該球面齒形是不能展開(kāi)成平面的。為此，再過(guò) A 作 O1A ⊥OA，交齒輪的軸線于點(diǎn)O1。設(shè)想以O(shè)O1為軸線，以 O1A 為母線作圓錐面 O1AA，該圓錐稱 為錐齒輪的大端背錐。顯然，該背錐與球面切于錐齒輪大端的分度圓。由于大端背錐母線 1A 與 錐齒輪的分度錐母線相互垂直，將球面齒形的圓弧bAc投影到背錐上得到線段bAc，圓弧bAc與線段bAc非常接近，且錐距R與錐齒輪大端模數(shù) m 之比值愈大（一般 R/m>30），兩者就更接近。這說(shuō)明：可用大端背錐上的齒形近似地作為錐齒輪的大端齒形。由于背錐可展開(kāi)成平面并得到一扇形齒輪，扇形齒輪的模數(shù) m、壓力角 a 和齒高系數(shù) ha*等參數(shù)分別與錐齒輪大端參數(shù)相同。再將扇形齒輪補(bǔ)足成完整的直齒圓柱齒輪，這個(gè)虛擬的圓柱齒輪稱為該錐齒輪的大端當(dāng)量齒 輪。這樣就可用大端當(dāng)量齒輪的齒形近似地作為錐齒輪的大端齒形，即錐齒輪大端輪齒尺寸（ha、hf等）等于當(dāng)量齒輪的輪齒尺寸。
3.2.2.1基本參數(shù)
表3-2 錐齒輪參數(shù)表
錐齒輪模數(shù)
...
1
1.125
1.25
1.375
1.5
1.75
2
2.25
2.75
3.25
3.5
3.75
4
4.5
5
5.5
6
6.5
8
由于直齒錐齒輪大端的尺寸大，測(cè)量方便。因此，規(guī)定錐齒輪的參數(shù)和幾何尺寸均以大端為準(zhǔn)。 大端的模數(shù) m 的值為標(biāo)準(zhǔn)值，按下表選取。在 GB12369-90 中規(guī)定了大端的壓力角 a=20。，齒 頂高系數(shù) ha*=1，頂隙系數(shù) c*=0.2。 3.2.2.2當(dāng)量齒數(shù)
當(dāng)量齒輪的齒數(shù) 稱為錐齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。與錐齒輪的齒數(shù) z 的關(guān)系可由上圖求出，由圖可 得當(dāng)量齒輪的分度圓半徑 。
有
所以
式中：d 為錐齒輪的分度錐角。 一般不是整數(shù)
直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的幾何關(guān)系, 如圖3-3 、、和、、分別為小齒輪和大齒輪的大端分度圓直徑、平均直徑、分度圓錐角；R為錐距;b為齒寬。小端、大端分度圓直徑;
齒數(shù)比
錐距R
齒寬系數(shù)常用 通常取
平均直徑
3.2.2.3直齒圓錐齒輪的受力分析
錐齒輪輪齒剛度大端較大,小端小,故沿齒寬的載荷分布不均勻,若忽視摩擦力和載荷集中的影響,假設(shè)法向力Fn集中作用在齒寬節(jié)線中點(diǎn)處,該集中力凡可分解為圓周力Ft徑向力Fr、軸向力Fa三個(gè)正交的分力為直齒圓錐齒輪輪齒的受力情況。
各力的大小計(jì)算如下
式中:T1-小錐齒輪轉(zhuǎn)矩(N·m);
Dm1-小錐齒輪齒寬中點(diǎn)分圓直徑(mm)
1-小錐齒輪分錐角;
各力方向的判斷:主動(dòng)輪圓周力方向與輪的回轉(zhuǎn)方向相反,從動(dòng)輪圓周力方向與輪的回轉(zhuǎn)方向相同;徑向力分別指向各輪輪心;軸向力分別指向各輪大端。
3.2.2.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
機(jī)器傳動(dòng)部分選用一對(duì)傳動(dòng)比為λ = 0.8的漸開(kāi)線直齒圓錐齒輪，基本參數(shù)如下： Z1 = 70；Z2 = 28，m=3.75
由于是農(nóng)機(jī)齒輪，取精度為 10。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：
使用系數(shù)
動(dòng)載系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)
齒形系數(shù)
（小齒輪）
應(yīng)力校正系數(shù)
（大輪）
齒輪材料選用 HT350 硬度為 197~269HBS 查得𝜎𝐵 = 350𝑀𝑃𝑎 對(duì)于開(kāi)式齒輪，按彎曲強(qiáng)度進(jìn)行初步計(jì)算：
亦有
經(jīng)過(guò)計(jì)算 齒輪選擇在安全使用范圍內(nèi)
4. 蘋果采摘機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的選擇
圖4-1 行走機(jī)構(gòu)
4.1行走機(jī)構(gòu)
主要考慮能夠?qū)崟r(shí)控制機(jī)車前進(jìn)或者后退以及運(yùn)動(dòng)速度，因此采用電控液壓系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控，處理遠(yuǎn)端傳感器反饋的數(shù)據(jù)信號(hào)，及時(shí)判斷，發(fā)送動(dòng)作指令，通過(guò)前輪液壓操作舵、液壓調(diào)速裝置，控制轉(zhuǎn)向以及機(jī)車移動(dòng)速度。前輪有球面電動(dòng)液壓操舵和3-缸950厘米3柴油機(jī),保證足夠的最低燃油消耗緩慢的速度慢0到0.5公里/小時(shí),快從0.3到4[11][12] 。
圖5-1縱向輸送帶
5.蘋果采摘機(jī)械輸送裝置的選擇
5.1帶式輸送機(jī)
帶式輸送機(jī)的傾角一般小于18°，本設(shè)計(jì)縱向輸送帶，不需要很大的提升角，提升工作強(qiáng)度不大，故而設(shè)定輸送帶傾角為10o ，輸送帶長(zhǎng)1.5米，寬0.6米，前端與導(dǎo)流盤吻接。
圖5-1向輸送帶工程圖
5.2 裝筐輸送機(jī)構(gòu)
裝筐輸送機(jī)構(gòu)與縱向輸送帶轉(zhuǎn)向相反，實(shí)現(xiàn)蘋果自動(dòng)均勻裝筐，毛刷設(shè)計(jì)引導(dǎo)蘋果輕柔裝筐，減少裝筐損傷[13]。
6.部位仿真模擬分析
- 23 -
總 結(jié)
在老師的指導(dǎo)下，以及各位老師和同學(xué)的支持和幫助下，我在現(xiàn)有的知識(shí)水平層次完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)“蘋果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)”。本設(shè)計(jì)致力于蘋果采摘及機(jī)械結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)，運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，采用運(yùn)動(dòng)合成原理，簡(jiǎn)化機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，降低機(jī)械手臂設(shè)計(jì)技術(shù)難度，方便設(shè)計(jì)采摘機(jī)的控制程序。本設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，基本滿足蘋果的采摘，初步清理，輸送，裝筐，運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳝h(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蘋果果實(shí)較低損傷收獲，利于提高果園產(chǎn)品品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)由于采用新的設(shè)計(jì)思路，必然存在很多不足之處，仍需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
致 謝
時(shí)光荏苒，四年的大學(xué)生活接近尾聲，作為農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，畢業(yè)設(shè)計(jì)可以檢驗(yàn)大學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的成果，在老師的指導(dǎo)下，以及各位老師和同學(xué)的支持和幫助下，我在現(xiàn)有的知識(shí)水平層次完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)“蘋果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)”。
導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)、熱忱鼓勵(lì)不僅使我樹(shù)立了深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處事的道理。還有，導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，平易近人的人格魅力將使我終生受益。
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