3米高油茶樹采摘臂及固定機構(gòu)設(shè)計與運動學(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構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)仿真含proe三維及6張CAD圖,油茶,采摘,固定,機構(gòu),設(shè)計,運動學(xué),仿真,proe,三維,cad
設(shè)計課題任務(wù)書
學(xué)院（部）： 機械工程學(xué)院 專業(yè)： 機械工程
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構(gòu)設(shè)計與運動學(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，實現(xiàn)經(jīng)濟林果園的現(xiàn)代化管理，實現(xiàn)高效、安全的林果采摘、運送以及果樹維護作業(yè)。
本畢業(yè)設(shè)計課題的設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)：
1． 對采摘臂進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2． 基于PRO-E對采摘臂進行三維建模與運動學(xué)仿真分析。
3． 基于PRO-E對采摘臂固定機構(gòu)進行三維建模。
4． 依據(jù)采摘臂結(jié)構(gòu)，對采摘臂主臂進行力學(xué)分析。
擬
達
到
的
要
求
或
技
術(shù)
指
標(biāo)
技術(shù)指標(biāo)：
1. 采摘臂空間活動范圍4000mm。
2. 旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)角度范圍:0度—60度。
3. 機器單次最大作業(yè)時間不低于2小時。
4. 主臂與旋轉(zhuǎn)桿夾角活動范圍:30度—160度。
5. 液壓油缸全部采用標(biāo)準(zhǔn)件HSG型活塞桿。
6. 機構(gòu)工作的環(huán)境溫度為-10℃～50℃。
擬達到的要求：
1）采摘臂結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，設(shè)計方案可行；
2）設(shè)計說明書要求書寫工整、層次清楚、文字簡練、確切、通順、圖文并茂，技術(shù)術(shù)語符合國家標(biāo)準(zhǔn)；
3）設(shè)計說明書中的參考文獻不少于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)計圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)，布局合理，圖面整潔、美觀，圖紙總量不少于兩張0號圖紙；
5）設(shè)計計算與圖紙均為獨立完成，無抄襲痕跡。
進
度
安
排
起止日期
工作內(nèi)容
收集資料，文獻綜述、開題報告
畢業(yè)實習(xí)，總體方案設(shè)計
采摘臂基本結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動學(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)計修改完善
撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯
主
要
參
考
資
料
[1] 趙汝嘉，嚴(yán)雋琪 計算機輔助工藝設(shè)計[M]北京:機械工業(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)實例教程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．
[3] 葛正浩，楊芙蓮．PRO/E機構(gòu)設(shè)計與運動仿真實例教程．化學(xué)工業(yè)出版社．2007
[4] 劉國慶,楊慶東·ANSYS工程應(yīng)用教程·中國鐵道出版社, 2003
[5] 徐灝主編. 機械設(shè)計手冊[M]. 機械工業(yè)出版社，1991
[6] 石光源 周積義 彭福音. 機械制圖（第三版）[M].高等教育出版社，1990
[7] 廖漢元主編. 機械原理[M]. 機械工業(yè)出版社，2007
[8] 張文志，韓清凱，等．機械結(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
- 2 -
課題題目及來源：
本課題來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際應(yīng)用，為3米高油茶樹采摘臂及固定機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)仿真。
我國一直未能解決油茶果實采摘臂械化的難題，油茶果采摘臂的研制才剛剛起步，在國外雖早有油茶果采摘臂械問世，自動化程度和工作效率也較高，但其機構(gòu)的復(fù)雜性和成本門檻是我國果農(nóng)較難跨越的，可謂舶來品不符合我國國情。
課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
在國內(nèi)，油茶果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工作環(huán)境差。目前對油茶采摘臂的報道比較少，最近國內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅果采摘臂，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡單，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)計出實用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進行深入分析，利用Pro/E軟件對油茶果采摘臂進行三維設(shè)計和虛擬裝配?；窘鉀Q了采摘勞動力大、效率低等問題，具有一定的發(fā)展前景。
油茶采摘機械臂研究現(xiàn)狀如下：
目前，各種機械臂的發(fā)展和改進在國內(nèi)外已然成為重中之重，改進了一款采摘臂對生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費巨資在美國引用機械臂的先進知識，從而研究出了比肩世界水平的機械臂，在歐洲國家，也投入了大量的人力物力進行機械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯的成績[4]。
我國因為工業(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對于歐美國家比較落后，但在21世紀(jì)，我國投入了大量的精力在機械臂方面?，F(xiàn)在機械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機械臂的研究發(fā)展的趨勢有以下三種情況：
（1）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、一體化發(fā)展。例如機械臂的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個整體，機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，所能完成的項目也更加復(fù)雜。
（2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過人工操作來完成一系列的動作。相對于全智能機械操作來說，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問題時能更及時停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
（3）全人工操作的機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。這樣的機械臂一般沒有驅(qū)動裝置，通過一些簡單的傳動裝置，在人工施加驅(qū)動力的情況下，完成一些高空或者遠處的簡單動作。
（4）機械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進行的工作而來選擇不同的結(jié)構(gòu)來替代手工操作，從而減少勞動力，提高勞動效率，完成手工無法完成的工作?？偠灾?，機械臂的發(fā)展會使人類不斷的進步。
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，撰寫開題報告，掌握機械產(chǎn)品設(shè)計的基本步驟；
（2）結(jié)合題目進行市場調(diào)研，了解現(xiàn)場工程問題，積累相關(guān)資料，做好調(diào)研筆記；
（3）了解油茶采摘機械臂工作原理與性能及各部件零件的設(shè)計方法，進行設(shè)計方案比較后優(yōu)選；
（4）對各機構(gòu)進行設(shè)計與校核。
本設(shè)計將采用文獻研究及理論分析研究機構(gòu)視圖分析兩種方法。
（1）文獻研究：先對已有的油茶采摘機械臂相關(guān)的文獻盡性系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和閱讀。歸納整理油茶采摘機械臂的相關(guān)理論，重點整理其驅(qū)動及傳動機構(gòu)的工作原理和構(gòu)成，運作方式方面的研究。
（2）理論邏輯分析：通過對油茶采摘機械臂的詳細解讀，提出設(shè)計的不足之處，進行改進，結(jié)合時代發(fā)展的新特點，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模擬從而解決這個難題。
總體方案：
為了使設(shè)計更合理，應(yīng)該準(zhǔn)備多方案[5]。采摘臂的運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，三桿成交叉折疊形式，從而完成采摘任務(wù)，如圖2.1所示。該方案在采摘時三個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，長時間使用，可能會導(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，三桿相互式折疊，如圖2.2所示。該方案在采摘時的作用高度不高，但主臂上受的液壓缸上的應(yīng)力被兩個搖桿分擔(dān)，其所受的應(yīng)力比較分散，主臂可以長時間工作，而不發(fā)生變形，延長了主臂的使用壽命。
圖2.1 交叉折疊式 圖2.2同向折疊式
對以上兩種方案比較，從本次設(shè)計是針對于三米的高油茶樹，臂部負載較小，但要求靈活、安裝運輸便捷，而方案二需采用液壓缸驅(qū)動，戶外作業(yè)是需要單獨攜帶液壓站，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：
[1] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(5);38.
[2] 孫建設(shè).我國油茶栽培模式的沿革與思考[J].專家視點,2008,2:22-24.
[3] 姜麗萍,陳樹人.果實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展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究,2007,(2):4-5. [5] 蔡自興.機械人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機械人技術(shù),2015，4
[5] 周洪.氣動技術(shù)的新發(fā)展.液壓氣動與密封,2015，4
[6]黃繼昌,徐巧魚,張海貴等. 實用機械機構(gòu)圖冊[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)委員會意見審核意見：
組長簽字：
20 年 月 日
文獻綜述
摘 要
在國內(nèi)，油茶果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工作環(huán)境差。本研究以設(shè)計出實用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進行深入分析，利用Pro/E軟件對油茶果采摘臂進行三維設(shè)計和虛擬裝配。基本解決了采摘勞動力大、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，我們通常會使用電力或者其他動力驅(qū)動機械設(shè)備來替代傳統(tǒng)的手工操作勞動，這樣的生產(chǎn)措施或手段即機械化生產(chǎn)[2]。而在20世紀(jì)80年代，就有科技是第一生產(chǎn)力的口號出現(xiàn)，各行各業(yè)也都紛紛以機械化代替人工生產(chǎn)，這種模式不僅效率高，而且完成了突破手工制造的界限，大大減少了勞動力，提高了人類幸福感，為人類進步做出了不可磨滅的貢獻。現(xiàn)如今，各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用了機械化，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面都已經(jīng)普及，所以機械化已經(jīng)成為了各行各業(yè)的趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，工業(yè)方面的機械化已經(jīng)輻射到農(nóng)業(yè)，各種農(nóng)田自動化也相繼出現(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)機械化已經(jīng)成為了我國發(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]。在國家的政策支持下，我國的油茶樹種植面積不斷擴大，高油茶樹已經(jīng)成為了許多地方的經(jīng)濟作物，而在種植高油茶樹的環(huán)節(jié)里面，人工采摘是最耗時，而且具有一定危險的環(huán)節(jié)。所以，在全球的機械化潮流下，而機械化采摘是不可阻擋的，本次設(shè)計就是針對于3米高油茶樹采摘臂的設(shè)計。
2 研究背景
我國是一個油茶種植大國，全國14個油茶主產(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，效率較低且勞神費時，同時還存在安全隱患。
在龐大而迫切的需求量面前，我國一直未能解決油茶果實采摘臂械化的難題，油茶果采摘臂的研制才剛剛起步，在國外雖早有油茶果采摘臂械問世，自動化程度和工作效率也較高，但其機構(gòu)的復(fù)雜性和成本門檻是我國果農(nóng)較難跨越的，可謂舶來品不符合我國國情。
在國內(nèi)，油茶果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工作環(huán)境差。目前對油茶采摘臂的報道比較少，最近國內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅果采摘臂，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡單，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)計出實用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進行深入分析，利用Pro/E軟件對油茶果采摘臂進行三維設(shè)計和虛擬裝配?；窘鉀Q了采摘勞動力大、效率低等問題，具有一定的發(fā)展前景。
3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
機械臂首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械臂。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械臂。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械臂就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機械臂。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械臂。該機械臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械臂出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械臂發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國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)機械臂，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械臂，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械臂，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械臂發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械臂后大力從事機械臂的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械臂，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。
目前，工業(yè)機械臂大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械臂正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(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，是機械臂具有感覺機能。第三代機械臂則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(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)。
一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應(yīng)用的機械臂絕大部分為專用機械臂，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機械臂也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。
目前，各種機械臂的發(fā)展和改進在國內(nèi)外已然成為重中之重，改進了一款采摘臂對生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費巨資在美國引用機械臂的先進知識，從而研究出了比肩世界水平的機械臂，在歐洲國家，也投入了大量的人力物力進行機械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯的成績[4]。
我國因為工業(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對于歐美國家比較落后，但在21世紀(jì)，我國投入了大量的精力在機械臂方面?，F(xiàn)在機械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機械臂的研究發(fā)展的趨勢有以下三種情況：
（1）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、一體化發(fā)展。例如機械臂的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個整體，機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，所能完成的項目也更加復(fù)雜。
（2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過人工操作來完成一系列的動作。相對于全智能機械操作來說，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問題時能更及時停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
（3）全人工操作的機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。這樣的機械臂一般沒有驅(qū)動裝置，通過一些簡單的傳動裝置，在人工施加驅(qū)動力的情況下，完成一些高空或者遠處的簡單動作。
（4）機械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進行的工作而來選擇不同的結(jié)構(gòu)來替代手工操作，從而減少勞動力，提高勞動效率，完成手工無法完成的工作?？偠灾瑱C械臂的發(fā)展會使人類不斷的進步。
4 總結(jié)
油茶采摘臂是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動機器人，本論文對具有移動功能的采摘臂進行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細的設(shè)計和論證，本論文完成的主要工作如下：
本次設(shè)計利用對采摘臂運動過程的研究，設(shè)計了采摘臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運動仿真，以下是所做的事情：
（1）查閱資料，了解當(dāng)前國內(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。分析和了解機械臂在其他領(lǐng)域的發(fā)展，證實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)計出了各個零件。接下來我在Pro/E軟件上面建立了采摘臂的三維模型圖，并進行了運動仿真和尺寸干涉實驗，進一步優(yōu)化了零件尺寸，提高了機構(gòu)的可行性。
（3）在做完二維模型和三維模型建立后，我對采摘臂在受應(yīng)力最大時進行了力學(xué)分析，更加確定了機構(gòu)的安全。
參考文獻
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[2] 成大先. 機械設(shè)計圖冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002
[3] 羅洪量. 機械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]（第二版）. 高等教育出版社，1986
[4] JJ.杰克（美）. 機械與機構(gòu)的設(shè)計原理[M]（第一版）. 機械工業(yè)出版社，1985
[5] 王玉新. 機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)[M]（第一版）. 天津大學(xué)出版社， 1996
[6] 張建民. 工業(yè)機器人[B][M]. 北京理工大學(xué)出版社，1992
[7] 天津大學(xué)《工業(yè)機械臂設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組. 工業(yè)機械臂設(shè)計基礎(chǔ)[B] [M]. 天津科學(xué)技術(shù)出版社，1981
[8] 金茂菁. 我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001， 01（4）
[9] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(5);38.
[10] 孫建設(shè).我國油茶栽培模式的沿革與思考[J].專家視點,2008,2:22-24.
[11] 姜麗萍,陳樹人.果實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.
[12] 崔玉潔,張祖立,白曉虎.采摘臂器人的研究進展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究,2007,(2):4-5.
3米高油茶樹采摘臂及固定機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)仿真,學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 班 級 指導(dǎo)教師,課題簡介,課題背景及意義,在國內(nèi)，油茶果采摘由人工來完成，采摘效率低、采摘人員勞動強度大、工作環(huán)境差。目前對油茶采摘臂的報道比較少，最近國內(nèi)也有一些采摘臂具的專利，如堅果采摘臂，這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動強度，改變采摘人員的工作環(huán)境；但大多結(jié)構(gòu)簡單，所以未從根本上解決采摘難度，效率低等問題。設(shè)計一油茶采摘臂可解決采摘勞動力大、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)計出實用化的油茶果采摘臂為目標(biāo)，通過對油茶果采摘的工作環(huán)境和特性進行深入分析，利用Pro/E軟件對油茶果采摘臂進行三維設(shè)計和虛擬裝配及仿真分析，對關(guān)鍵零件主臂進行有限元校核。,課題方案,方案及原理,1.采摘臂方案 從本次設(shè)計是針對于三米的高油茶樹，臂部負載較小，但要求靈活、安裝運輸便捷，因此采用電機驅(qū)動，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國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 第2章 總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計要求 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)計與選擇 3.1電動機的選擇 3.2臂部設(shè)計 3.2.4有限元分析 3.3底座的設(shè)計 第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計及運動仿真 4.1 Pro/E三維設(shè)計軟件概述 4.2三維設(shè)計 4.3仿真分析,二維裝配圖,課題成果,三維設(shè)計及仿真,課題成果,有限元分析,課題成果,應(yīng)力云圖如下：,應(yīng)變云圖如下：,收獲與心得,1、通過本次設(shè)計，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)計流程及方法；通過這次理論知識和實際設(shè)計的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力； 2、提高了我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平； 3、通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，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)計給了我很大的信心，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，會更好的鞭策我前行。,畢業(yè)設(shè)計收獲,摘 要
目前在我們的國家，這個油茶果主要是人們用手來采摘，這樣子有許多不好的地方，比如，我們要花費很長的時間才能采摘到極少的油茶果，而且這樣子采摘會非常的累人、比較臟。我們的這個研究的目的是搞出來非常實用的用來采摘這個油茶果的采摘臂，為此我們專門去了解這個油茶果產(chǎn)地的工作環(huán)境以及采摘的一些特點，然后我們就需要進行三個坐標(biāo)的設(shè)計以及裝配工作，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，將來會受人們的歡迎。
本文首先，通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了油茶采摘臂總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對本采摘臂臂部結(jié)構(gòu)部分、底座部分進行了詳細設(shè)計，并對關(guān)鍵零件主臂進行有限元校核，整個設(shè)計過程中采用Pro/E軟件進行三維設(shè)計；然后，進行仿真分析，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，對大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識在理論結(jié)合實際的鍛煉下加深了知識的理解，對今后的工作必定帶來很大幫助。
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國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1
第2章 總體方案設(shè)計 3
2.1設(shè)計要求 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采摘臂運行方式的選擇 4
2.3.3驅(qū)動方案的選擇 5
2.3.4固定機構(gòu)方案的選擇 5
第3章 零部件的設(shè)計與選擇 7
3.1電動機的選擇 7
3.1.1參數(shù)計算 7
3.1.2電機型號的選擇 9
3.2臂部設(shè)計 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 14
3.2.4有限元分析 14
3.3底座的設(shè)計 20
第4章 基于Pro/E的三維設(shè)計及運動仿真 20
4.1 Pro/E三維設(shè)計軟件概述 20
4.2三維設(shè)計 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 30
致 謝 31
32
第1章 緒論
1.1研究背景及意義
我們的國家種植了非常多的油茶樹，整個國家一共有2.6億畝比較合適的林地，分布在14個省區(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)在這個階段，人們主要還是用手去采摘這個農(nóng)作物，因為地形和茶樹形狀的原因，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，花費很多的時間卻收不到多少東西，而且因為要爬樹，會很危險。
面對巨大而緊迫的需求，我國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。雖然油茶采果機械在國外起步較早，自動化程度高，效率高，但其組織的復(fù)雜性和成本門檻對我國果農(nóng)來說是難以跨越的。這樣說，外國的產(chǎn)品在我們國家不好用。
我國油茶果實人工采摘，采摘效率低，勞動強度高，工作環(huán)境差。目前，關(guān)于油茶采臂的報道較少。近年來，我國也有摘果臂的專利，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)組織大都很簡單，解決的只是表面的一些問題，而沒有深入的解決。我們設(shè)計的這個裝置，是深入的了解過存在的一些問題的，并且用了Pro/E進行了設(shè)計與仿真。基本可以讓工作人員輕松、舒適、安全的工作了，在未來會特別受歡迎。
1.2國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀
目前，各種機械臂的發(fā)展和改進在國內(nèi)外已然成為重中之重，改進了一款采摘臂對生產(chǎn)效率的提升具有重大的幫助。早在日本，就曾花費巨資在美國引用機械臂的先進知識，從而研究出了比肩世界水平的機械臂，在歐洲國家，也投入了大量的人力物力進行機械臂的研究和發(fā)展，也取得了不錯的成績[4]。
我國因為工業(yè)起步較晚，技術(shù)水平相對于歐美國家比較落后，但在21世紀(jì)，我國投入了大量的精力在機械臂方面?，F(xiàn)在機械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機械臂的研究發(fā)展的趨勢有以下三種情況：
（1）機械組織正朝著模塊化、集成化方向發(fā)展。例如機械臂的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)，甚至于一些高科技的感應(yīng)結(jié)構(gòu)都形成一個整體，機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，所能完成的項目也更加復(fù)雜。
（2）半智能結(jié)構(gòu)即由人來作為其感應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過人工操作來完成一系列的動作。相對于全智能機械操作來說，更加適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境，以及在出現(xiàn)問題時能更及時停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
（3）全人工操作的機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。這樣的機械臂一般沒有驅(qū)動裝置，通過一些簡單的傳動裝置，在人工施加驅(qū)動力的情況下，完成一些高空或者遠處的簡單動作。
（4）機械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進行的工作而來選擇不同的結(jié)構(gòu)來替代手工操作，從而減少勞動力，提高勞動效率，完成手工無法完成的工作。總而言之，機械臂的發(fā)展會使人類不斷的進步。
第2章 總體方案設(shè)計
2.1設(shè)計要求
本課題對3米高油茶樹采摘臂及固定機構(gòu)進行設(shè)計并進行運動學(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）機構(gòu)要求效率高，運轉(zhuǎn)速度快；
（3）對結(jié)構(gòu)進行靜力負載分析，確保滿足使用要求。
2.2整體性能參數(shù)選擇
本次設(shè)計主要針對于3米高的油茶樹進行采摘，因為油茶樹種植的普遍，其油茶樹的規(guī)模也越來越嚴(yán)謹，每棵樹之間的距離也是固定的，根據(jù)湖南省瀏陽市十萬畝油茶基地的了解，每行之間都會有一到兩條寬至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超過3.5米。根據(jù)實際情況，為方便采摘臂的工作，符合實際的工作條件制定了采摘臂的實際數(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)
采摘臂空間活動范圍
4000mm
主臂與旋轉(zhuǎn)桿活動角度范圍
30°—160°
機器單次最大作業(yè)時間
≥ 2h
主臂與旋轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)角度
60°
主臂與副臂活動角度范圍
120°—180°
機構(gòu)工作的環(huán)境溫度
-10℃～50℃
主臂1的長度
1660mm
主臂2的長度
1710mm
副臂的長度
1120mm
旋轉(zhuǎn)桿的長度
1117mm
X方向的最長度
3460mm
Y方向的高度
主臂達到的最高度
4810mm
副臂達到的最高度
4810mm
主副臂搖桿的長度
280mm
本次設(shè)計的運轉(zhuǎn)的高度要求不是很高，所受的應(yīng)力不大，所以每個臂上面的電機缸只需要一個，可以減少研究經(jīng)費和提高生產(chǎn)效率。
2.3方案選定
2.3.1臂節(jié)數(shù)的選擇
一般設(shè)計的采摘臂只有兩節(jié)臂，但對于高油茶樹的枝葉密集，兩節(jié)臂不能靈活的采摘果實，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)計采用兩個主臂和一個副臂結(jié)構(gòu)的三節(jié)臂的采摘臂。
2.3.2采摘臂運行方式的選擇
為了使設(shè)計更合理，應(yīng)該準(zhǔn)備多方案[5]。采摘臂的運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，三桿成交叉折疊形式，從而完成采摘任務(wù)，如圖2.1所示。該方案在采摘時三個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，長時間使用，可能會導(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，三桿相互式折疊，如圖2.2所示。該方案在采摘時的作用高度不高，但主臂上受的電機上的應(yīng)力是單向的，其所受的應(yīng)力比較分散，主臂可以長時間工作，而不發(fā)生變形，延長了主臂的使用壽命。
圖2.1 交叉折疊式 圖2.2同向折疊式
對以上兩種方案比較，從本次設(shè)計是針對于三米的高油茶樹，臂部負載較小，但要求靈活、安裝運輸便捷，而方案二需采用液壓缸驅(qū)動，戶外作業(yè)是需要單獨攜帶液壓站，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)動方案的選擇
目前，這類機械手的主要驅(qū)動源有氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和液壓驅(qū)動。
（1） 氣動壓是一種壓縮空氣驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的運動，通常用空氣壓縮機作為動力源。氣動傳動有很多優(yōu)點，如過載安全，比較簡單，幾乎不會污染環(huán)境，花錢少，能夠變速，也有缺點，就是在大的設(shè)備上工作不是很穩(wěn)定，定位會有些誤差。
(2) 液壓驅(qū)動系統(tǒng)，它具有固有的效率高、響應(yīng)速度快、速度簡單的特點?？稍诖蠓秶鷥?nèi)無級調(diào)速。適應(yīng)性比較強，能夠在許多種環(huán)境下工作。它能吸收沖擊力，實現(xiàn)更頻繁、穩(wěn)定的換相，但對漏油、污染、成本高。定位精度比氣動低、電機高。流體溫度和粘度的變化影響傳動性能。
(3) 電驅(qū)動方式有很多種，有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機、力矩電機等驅(qū)動方式。伺服電機動態(tài)特性比較好，運行精度比較高，速度可以非常大，也可以非常小，非常穩(wěn)定，非常可靠，控制方面也比較容易。
所以，我們這次選步進電機。
2.3.4固定機構(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)機構(gòu)，因此選定固定機構(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)計與選擇
3.1電動機的選擇
3.1.1參數(shù)計算
機械臂有四個電機，即臂旋轉(zhuǎn)電機、大小臂關(guān)節(jié)電機和手持旋轉(zhuǎn)電機。這里以臂式旋轉(zhuǎn)電機為例進行選型計算，其他電機的選型是相似的。
常用的步進電機有無功步進電機（VR）和永磁步進電機（PM）。永磁步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩小，體積小，步進角一般為7.50或150。無功步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動。無功步進電機由軟磁性材料制成，用于轉(zhuǎn)子磁尋線。定子具有多相勵磁繞組，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)合改造后機床負荷小、自動控制設(shè)備經(jīng)濟簡單、負荷變化小等特點，采用無功步進電機作為砂輪座磨削進給的驅(qū)動源。
(1)旋轉(zhuǎn)力的計算
當(dāng)旋臂機械手抱持工件時，顯然承受一定的旋臂力矩。文獻1中旋轉(zhuǎn)力的計算公式如下:
一
由文獻1查得：
取，則 (N)
，則 (N)
(2)步進電機的選用
步進電機的總位移嚴(yán)格等于輸入指令脈沖的個數(shù)，或其平均速度與輸入指令脈沖的頻率嚴(yán)格成正比，從而實現(xiàn)精確定位、準(zhǔn)確位移。同時，在工作頻段內(nèi)，可以穩(wěn)定地從一種運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種運動狀態(tài)。步進電機有下列工作特點：
①變扭矩驅(qū)動，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉(zhuǎn)動，有適量的阻尼。
②只要步進電機本身避開低頻振蕩區(qū)，就可以獲得平穩(wěn)的低速進給
③改變指令脈沖頻率可使步進電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而改變進給速度，并可節(jié)省部分機械變速機構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長。
④進給速度從每秒幾個脈沖到幾千個脈沖變化很大。它不僅可以實現(xiàn)進給系統(tǒng)調(diào)整時的快速運動，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，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進電機就會立即旋轉(zhuǎn)或停止。
⑥當(dāng)不接通電源時，沒有定位力矩，轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動，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，但會使系統(tǒng)復(fù)雜化。自動控制機床一般加工精度，脈沖等效可選為0.01mm／step，初步確定步距角=0.75／step。
(4)步進電機軸起動力矩的計算
計算起動力矩的公式見文9:
式中：
一
—，= =1989.9(N)
一，==795.9(N)
—=0.01
G—
—=0.85
則
(5)搞清楚步進電機最大的靜的轉(zhuǎn)矩和最大工作頻率
為滿足最小步距要求，電機選用三相六拍工作方式，由文獻9查得：
=0．866 (3—6)
則步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：
=180／0.866=207.8(Ncm)
最高工作頻率為：
3.1.2電機型號的選擇
（1）SL系列伺服電機
·m
速r/min
W
間常數(shù)m·s
mm
總長
機殼外徑
軸徑
圖3.1 36SL5E2伺服電動機 圖3.2 90SL55伺服電動機
交流伺服電機的機械特性是非線性的。無需電刷和換向器，所以結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，無無線電干擾等優(yōu)點。
SL系列交流伺服電機由籠型轉(zhuǎn)子和無凸極定子組成。定子槽內(nèi)嵌有兩相繞組，一相為勵磁繞組，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步進電動機
數(shù)據(jù)
型號
相數(shù)
步距
（o）
電壓
V
靜態(tài)
電流
A
μN·m
μN·m
步/s
步/s
外形尺寸 mm
總長
機殼外徑
軸徑
70BF1-3
3
---
---
BF系列步進電機為無功步進電機，是將脈沖指令轉(zhuǎn)換為角位移或轉(zhuǎn)速的控制電機，其角位移與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，通過改變脈沖頻率實現(xiàn)調(diào)速。具有定位精度高、同步運行好、速度范圍寬、起動、換向、制動快等特點。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)動元件。
圖3.3 70BF1-3步進電動機
選擇110BF003步進電機作為參考表。其參數(shù)為:步進角，工作時選擇三相六拍，最大靜旋轉(zhuǎn)距離為800N。cm，最大空載起動頻率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
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點為旋轉(zhuǎn)臂的支撐點，所以LAO=810mm；θ為F與與AO之間的夾角。
對A點進行受力分析得：
（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，我們可以取運動到最大范圍時的取值，則α=1600；β=1600；γ=1800上面我們已經(jīng)得出采摘臂1的長度為1660 mm，采摘臂2的長度為1710 mm；副臂長度為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B點有：
（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，主臂1還受到另外的兩個來自上下電機的旋轉(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，我們并不知道、的大小，需要進一步分析才可以得出。
因為主臂1受力平衡，所以我們對主臂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
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)計的主臂有限元分析針對承載靜強度進行分析，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---計算---結(jié)果查看，詳細過程如下：
（1）打開B_2.CATPart.文件
（2）添加材料屬性
點擊選擇對應(yīng)材料，并根據(jù)實際設(shè)置材料參數(shù)。
（3）進入結(jié)構(gòu)分析模塊
開始---分析與模擬---Generative Structural Analysis
（4）網(wǎng)格劃分
進入靜力學(xué)有限元分析模塊厚實體零件會自動生成網(wǎng)格，但為確保分析精確性，對自動網(wǎng)格參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置，參數(shù)如下：
（5）添加約束
1）創(chuàng)建面固定約束
點擊
2）選擇圖示面約束
3）點擊ok，完成約束建立
（6）創(chuàng)建分布力
1）點擊，并輸入力X方向，-500N
2）選擇圖示面加載
3）點擊確認
（7）計算
1）點擊計算
2）點擊確定開始計算，如下計算進行中：
3）計算完成后點擊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度為250MPa，抗拉強度為340MPa，因此滿足強度要求。
2）應(yīng)變云圖，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的變形不會造成零件失效，故滿足強度要求。
3.3底座的設(shè)計
采摘臂的底座分為傳動裝置、固定裝置，底座的傳動裝置是用來控制旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動，本設(shè)計傳動裝置選用的標(biāo)準(zhǔn)件伺服電機。
固定裝置是用來固定旋轉(zhuǎn)臂以及傳動裝置，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)計及運動仿真
4.1 Pro/E三維設(shè)計軟件概述
Pro/Engineer是一個來自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作為機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，整個行業(yè)都認可推廣它。它是CAD/CAM/CAE的主流軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域。
Pro/Engineer和WildFire它們是PTC用的正規(guī)的名字，但是我們國內(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是第一個提出這樣的概念，也就是參數(shù)化設(shè)計，只需要一個數(shù)據(jù)庫就可以解決相關(guān)的特征問題，它本身就是被模塊化處理了，我們在用它的時候可以根據(jù)自己的習(xí)慣、要求來進行調(diào)整，沒有必要將所有的功能都安裝。基于特征的Pro/E方法集成了從設(shè)計到生產(chǎn)的全過程，實現(xiàn)了并行工程設(shè)計。它不僅可以在工作站上使用，還可以在單臺機器上使用。Pro/E它是模塊化的，功能比較多，能夠畫圖、設(shè)計、裝配等。
（1）參數(shù)化設(shè)計
參數(shù)化的概念就是將一個整體的機構(gòu)分成好幾個小的機構(gòu)，然后這些小的機構(gòu)的一些特征被一些參考數(shù)值限制。但是在part模塊下隱藏實體特性是不可能的。
（2）基于特征建模
Pro/E是一個基于特征的實體建模系統(tǒng)。工程師使用基于特征的功能和智能特征來生成模型，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)計人員在設(shè)計上具有前所未有的簡單性和靈活性。
（3）單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）
Pro/Engineer它只有一個數(shù)據(jù)庫，不想其他的有多個庫的CAD/CAM系統(tǒng)。單個數(shù)據(jù)庫是一個數(shù)據(jù)庫，項目中的所有信息都是從該數(shù)據(jù)庫中獲得的，因此每個用戶都在開發(fā)一個產(chǎn)品模型，不管他在哪個部門。也可以說，設(shè)計中的一些變化與設(shè)計前后的環(huán)節(jié)息息相關(guān)。例如，當(dāng)工程細節(jié)更改時，數(shù)控刀具路徑會自動更新。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計的獨特結(jié)合使產(chǎn)品設(shè)計成為一個整體。這是一個好的點，其讓我們的設(shè)計更加有質(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是一個軟件包，而不是一個模塊，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可以理解為一個龐大的功能集合，我們的這個模型是用很多特殊功能設(shè)計的，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，對于工程師來說更自然、更直觀，而不用復(fù)雜的幾何設(shè)計。該系統(tǒng)的參數(shù)比函數(shù)是以符號方式分配車身尺寸。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)特性將自動修正。此功能使修改更容易，并將設(shè)計優(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語言編程，這樣配合起來，軟件就更加強大。它在沒有任何附加模塊的情況下面，具有大部分設(shè)計能力、裝配能力（運動分析、人機工程分析）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）、黑白和彩色打印機輸出。二維和三維圖形。Pro/Engineer功能如下：
（1）像凸臺、倒角等的特征的驅(qū)動（如：凸臺、槽、倒角、空腔、殼等）；
（2）參數(shù)化；
（3）我們的設(shè)計的基礎(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（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導(dǎo)致與之關(guān)聯(lián)的每個位置的更改)。還有一些模塊用來使Pro/ENGINEER的功能更完善。
4.2三維設(shè)計
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，配合方式要求無間隙，接著孔與軸也要一齊
（3）裝電機和底座的螺釘
（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)計和制造是先想出一個概念、然后想好設(shè)計過程，接著就是開始設(shè)計了，那么我們設(shè)計的滿不滿足要求呢？所以要進行試驗，這些試驗中有的是具有破壞性的，當(dāng)試驗發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷時，應(yīng)重新修改設(shè)計，并對原型進行再驗證。我們要設(shè)計、試驗、再設(shè)計、在試驗，這是一個循環(huán)往復(fù)的過程，相當(dāng)?shù)膹?fù)雜且要花費大量的時間，如果是一個非常復(fù)雜的機器組織，我們還是用以前的那種設(shè)計方法，不知道要浪費多少時間與精力，這樣大大的增多了產(chǎn)品的花費，不利于在市場下存活、競爭。
在如今這個時代，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)非常非常的先進了，并且還在不斷的進步，Pro/E為我們提供了用仿真解決產(chǎn)品性能測試的方案與方法，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，提高了我們設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量、性能，并且降低成本、節(jié)約時間。
運動仿真技術(shù)是一項非常先進的技術(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虛擬的一個系統(tǒng)，開始進行仿真，再根據(jù)仿真出的結(jié)果，進行改進、不斷的進行改進，直到達到最優(yōu)的情況，這樣就可以進行生產(chǎn)了。這樣做省時間、省精力，降低花銷，只需要一臺電腦就可以設(shè)計出合格的產(chǎn)品，提升了產(chǎn)品再市場上面的存活率與競爭力。
運動仿真優(yōu)點：
在沒有機械的運動仿真之前，人們常常只能用設(shè)計出來的實體來檢測機構(gòu)是否能運行，有沒有尺寸干涉等之類的問題[10]。這不僅浪費了大量的人力、財力、物力，還降低了產(chǎn)品研發(fā)的效率。而運動仿真可以解決這樣的問題，在設(shè)計好產(chǎn)品后，人們可以根據(jù)所設(shè)計的產(chǎn)品來建立出三維模型，通過施加電機來模擬出機構(gòu)的運動，觀察其機構(gòu)運動來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程中的問題，這樣可以不斷的修改尺寸來更好的解決尺寸干涉方面的問題。
4.3.2仿真
對于采摘臂的三維模型建立是為了后面進行的運動仿真打好基礎(chǔ)，所以建立模型時，應(yīng)該注意適當(dāng)對原結(jié)構(gòu)進行簡化處理，但簡化的過程也應(yīng)該注意兩個問題，一時簡化后的結(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零件進行組裝，組裝出采摘臂的三維模型。注意在組裝過程中，要使用銷連接的來組裝。
（1）典型機構(gòu)運動仿真詳細過程
本次運動仿真以運動過程較復(fù)雜的手抓為例進行說明：
(a)打開裝配圖，點擊“機構(gòu)”命令
圖4-6點擊“機構(gòu)”
(b)建立伺服電動
圖4-7建立電動機
(c)點擊“機構(gòu)分析”，彈出界面
圖4-8機構(gòu)分析
(d)點擊運行
（2）仿真動畫獲取
(a)點擊“回放”-右鍵選擇“播放”
圖4-9啟動動畫
(b)點擊 “動畫”中“捕獲”命令
圖4-10動畫
(c)設(shè)置“捕獲”命令參數(shù)
設(shè)置“捕獲”中動畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點擊“確定”等待計算機運行捕獲即可得到仿真動畫。
圖4-11捕獲
（2）總體運動仿真
設(shè)置好各個伺服電機后，點擊新建一個分析，并在其命令框內(nèi)電機分析按鈕，機構(gòu)會根據(jù)設(shè)置的時間與模的參數(shù)進行運動仿真，如果要調(diào)整運動仿真的運動，可以更改其時間與模的參數(shù)。旋轉(zhuǎn)臂隨著時間在轉(zhuǎn)動，而主臂和副臂隨著時間上下擺動。
總成運動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，隨后運行仿真并“捕獲”仿真動畫即可。
圖4-12 仿真參數(shù)
總 結(jié)
油茶采摘臂是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動機器人，本論文對具有移動功能的采摘臂進行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分、手臂部分、手抓部分進行了詳細的設(shè)計和論證，本論文完成的主要工作如下：
本次設(shè)計利用對采摘臂運動過程的研究，設(shè)計了采摘臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運動仿真，以下是所做的事情：
（1）查閱資料，了解當(dāng)前國內(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。分析和了解機械臂在其他領(lǐng)域的發(fā)展，證實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)計出了各個零件。接下來我在Pro/E軟件上面建立了采摘臂的三維模型圖，并進行了運動仿真和尺寸干涉實驗，進一步優(yōu)化了零件尺寸，提高了機構(gòu)的可行性。
（3）在做完二維模型和三維模型建立后，我對采摘臂在受應(yīng)力最大時進行了力學(xué)分析，更加確定了機構(gòu)的安全。
設(shè)計中，我對油茶采摘臂的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進行了比較詳細的分析，針對油茶采摘臂中采用的電動機等也進行了必要的闡析。
對于本文研究的油茶采摘臂，是一個復(fù)雜的機器人系統(tǒng)，在總體設(shè)計中，由于能力和精力有限，研究內(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，敬請老師給予批評和指正。
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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)識了許許多多熱心的朋友、工作嚴(yán)謹教學(xué)相幫的教師。畢業(yè)設(shè)計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)計指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠摯的感謝。
首先，向本設(shè)計的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進行指導(dǎo)，時刻關(guān)心我們的進展?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)計的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會書本中的知識，更學(xué)會了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設(shè)計過程中，她和我們在一起共同解決了設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。
其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠摯的謝意，在整個設(shè)計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關(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)計是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計的幾個月里，我們合作的非常愉快，教會了我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！
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