手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手的設計含開題及9張CAD圖,手持,伸縮,電動,蘋果,采摘,機械手,設計,開題,CAD 摘 要 目前我國蘋果的采摘作業(yè)大都為人工采摘，為加快采摘效率需要增加勞動力，但我們需要研發(fā)水果采摘機械來提高工作效率解決勞動人口日益減少的問題。 本文以蘋果為研究對象，設計了手持式伸縮桿電動蘋果采摘機械手，其主要由采摘器及伸縮桿構成。 本文首先，對蘋果采摘機械手現(xiàn)狀及結構原理進行調研；接著，結合對蘋果園及果樹的實際情況和搜集的數(shù)據(jù)，設計出了結構方案，即：能夠電動伸縮的自動調節(jié)伸縮桿長度及集拉抓與剪切為一體的采摘器；然后，對各主要機構及其零件進行設計與選擇；最后，采用AutoCAD繪制了其裝配圖及主要零部件圖。 關鍵詞：蘋果；手持式；末端執(zhí)行器；伸縮桿 I 河北科技學院學士學位論文 ABSTRACT At present, most of the apple picking operations in China are manual picking. To speed up the picking efficiency, we need to increase labor, but we need to develop fruit picking machinery to improve work efficiency to solve the problem of the declining labor force.This paper takes apple as the research object and designs a handheld telescopic pole electric apple picking manipulator, which is mainly composed of a picker and a telescopic rod.This article firstly investigates the current status and structural principles of the apple picking manipulator; then, combined with the actual situation of the apple orchard and fruit trees and the collected data, a structural scheme is designed, namely: the length of the telescopic rod and the tension can be adjusted automatically Picker with grabbing and shearing as a whole; then, design and select the main mechanism and its parts; finally, using AutoCAD to draw its assembly drawing and main parts drawing. Keywords: Apple; Handheld; End Effector; Telescopic Rod  目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 2 1.1 課題背景及意義 2 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.3 采摘機器人存在的問題 4 第2章 蘋果采摘機械手總體方案設計 6 2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析 6 2.2末端執(zhí)行器的選擇 6 2.3 驅動方式的選擇 8 2.4 采摘機械手機械臂的選擇 9 第3章 采摘器的設計 10 3.1采摘電機的選擇 10 3.1.1電機類型的選擇 10 3.1.2電機型號選擇 10 3.2絲桿螺母副的選型與校核 12 3.2.1型號選擇 12 3.2.2校核計算 13 3.3軸承的選擇與校核 15 3.3.1軸承選擇 15 3.3.2軸承校核 15 第4章 伸縮桿設計 17 4.1 伸縮桿結構設計 17 4.2伸縮桿設計計算及校核 17 4.3伸縮驅動機構設計 19 總 結 20 參考文獻 21 致 謝 22 第1章 緒論 1.1 課題背景及意義 我國的蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界的50%以上，而且蘋果是我國的四大水果之一。果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機械市場的需求。在整個生產(chǎn)中，由采摘果實所耗費的勞動力占據(jù)整個生產(chǎn)過程的50％～70％㈣。采摘作業(yè)季節(jié)性相對強，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實損傷。同時，采摘不及時將會導致經(jīng)濟上的損失。農業(yè)勞動力向其他行業(yè)轉移，人員缺乏，隨著老齡化的增長，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農的經(jīng)濟效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。 現(xiàn)階段農村的土地政策不斷改變使得果農的生產(chǎn)成本不斷增加，減少了果農的收入。而且隨著社會的發(fā)展越來越多的年輕人向城市發(fā)展和生活。我們國家的人口正在步入老齡化，使的農業(yè)勞動力出現(xiàn)了短缺的問題。 綜上所述，勞動力減少和生產(chǎn)效率低是我們現(xiàn)階段必須要解決的問題。只有加快蘋果采摘機械手的設計和改進才能夠逐步解決現(xiàn)階段的問題，而且隨著我國種植業(yè)技術的加快發(fā)展，加大了對采摘機械的研究力度。采用機械采摘不僅加快了采摘的速度，也能夠及時采摘降低了果實的損傷率，同時也能減少人力，降低生產(chǎn)成本，提高果農的收益。因此提高蘋果采摘的機械化水平具有很大的意義。 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 在國外農業(yè)采摘機械手的研究最早是在20世紀60年代開始的，其中美國是最早進行研究水果采摘機械手的，也是美國學者Schertz和Brown在1968年首次提出把機械手應用于果蔬采摘。最早研究出的機械只是半自動化的，研究出的采摘方式大致分為振搖式、撞擊式和切割式三種類型，其中，振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振搖或振動，使蘋果果實產(chǎn)生加速度，在梗連結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。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實與果樹分離的方式，切割式又分為機械切割式和動力切割式。而且這三種采摘方式都存在著容易損傷果實、效率低和采摘到不成熟果實的缺點，存在著很大的局限性。此后隨著技術的發(fā)展，人們才開始借助梯子、升降平臺等工具協(xié)助果蔬的采摘，但是仍然存在著勞動密集型的特點。 采摘機械的發(fā)展進程離不開計算機的幫助，隨著計算機的發(fā)展，計算機的圖像處理技術和工業(yè)機器人技術及人工智能控制等技術的發(fā)展日益趨于成熟。美國、法國、英國、日本、荷蘭、意大利、西班牙等國家在采摘機械方面做了大量的研究工作，并進行了許多實驗，相繼研制出了許多采摘機械。但是用機械采摘果蔬會受到環(huán)境的影響，在市場仍沒有商品化的采摘機械。 美國是全球上最早研究出的，美國是在1983年成功研究出的第一臺西紅柿采摘機械手的；在1987年研究出了柑橘采摘機械手。此后法國、英國、韓國、日本等國家陸陸續(xù)續(xù)研發(fā)出了許多果蔬采摘機械手各式各樣，比如韓國在1998年研究出了利用傳感器識別成熟蘋果并進行采摘的蘋果采摘機械手。日本研究出里可以采摘西紅柿、草莓、黃瓜等果蔬的一系列果蔬采摘機械手。 其中日本對西紅柿采摘機械人的研究是比較早的，日本是于1993年研究出的西紅柿采摘機器人的主要組成部分是由機械手、末端執(zhí)行器、傳感器、移動機構等組成。其末端執(zhí)行器由兩個平行板手指和吸引器組成，兩個手指板內側均附有一個10mm的橡膠襯墊，以防止果實的損傷。由真空泵提供吸引器的引力，并安裝一個觸覺傳感器，在吸引器吸附水果時，傳感器被打開。其末端裝有兩個限位開關，探測停止位置。當吸引器把番茄果實吸住后，用手指板固定，利用采摘機器人末端執(zhí)行器的腕關節(jié)把果實從果柄連接處擰下。用該末端執(zhí)行件進行番茄采摘試驗，成功率達到85%，該機型主要存在的問題是成熟番茄的位置如果是處于葉莖相對茂密的地方，末端執(zhí)行器則無法避開葉莖障礙物完成采摘。由上述介紹，我們了解到研究出的采摘機器人存在著較大的問題。 對于西班牙的柑橘采摘機器人，西班牙科研人員發(fā)明的柑橘采摘機器人主體是裝在拖拉機上的，是由機械手、和計算機，光學視覺系統(tǒng)三大部分組成的，可以通過識別柑橘的直徑大小、顏色、來判斷其是否成熟來決定是否可以采摘。機器人的采摘速度是非?？斓?，大約一分鐘就能夠采摘60個，如果是人工采摘同樣的時間內只能夠采摘8個左右。而且柑橘采摘機器人還可以通過視頻器，對采摘下來的柑橘按要求進行分類。 1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 國內水果采摘機械手的研究與國外相比起步是比較晚的，我們國家是從20世紀70年代開始研究的，由國內的大學和研究所帶頭進行采摘機器人和智能農業(yè)機械的研究。我們最早研究出了機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動式采果器，而且后兩種為輔助人工采摘機械，采摘效率還是太低后進行改進。在80年代我們研究出了切割型采摘器，90年代由于種植果樹的熱潮出現(xiàn)了氣動剪枝機和升降平臺等機械。在近30年來我們國家的研究有了很大的進步，在農業(yè)采摘方面有著大量的研究和研究成果。 其中在草莓采摘方面，在農業(yè)大學張鐵中教授帶領下對采摘草莓機械方面做了大量的研究，。其中研發(fā)出的“采摘童1號”草莓采摘機器人最為突出，該機器人占地面積小，動作靈活，還能夠通過其雙目機器視覺系統(tǒng)采集圖像信息自行搜索草莓，并進行識別采摘，其采摘機械手能夠準確無誤的夾持，剪切草莓果柄，并進行收集，大大降低了勞動成本，提高了工作效率。 蘋果采摘領域方面，在以江南大學中李想等人研究下設計出了一種實用型欠驅動蘋果采摘機器人三指末端執(zhí)行器，并運用Unigraphics NX進行了機構設計和三維模型的創(chuàng)建。而且這種新型欠驅動末端執(zhí)行器大大的提高了機構的靈活性和適用性，對不同尺寸的果實都具有一定的抓取適用性；西北農林科技大學的宋懷波、張陽等人研發(fā)的偏心切割式蘋果采摘裝置主要是由：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道三部分組成。偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉實現(xiàn)果柄的切割：其伸縮桿可進行拆卸來實現(xiàn)不同高度蘋果的采摘：緩沖裝置采用內置布條構成緩沖通道，降低速度防止蘋果損傷。該裝置通過實現(xiàn)測得其成功率為92.00%，其受損率為4.70%，提高了采摘效率。 在番茄采摘方面，河南職業(yè)技術學院在以紹堃等人的研究下，為能夠在溫室大棚內采摘設計出了一種基于五自由度機械臂的番茄智能采摘機器人。其主要由定位導航系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)和五自由度機械臂等組成，可通過雙目視覺系統(tǒng)判斷番茄的大小和顏色判斷是否成熟，而且五自由度的機械臂精度是很高的，也進行了試驗其在9個不同的高度方位上最大偏差為6.71mm，而且它的采摘效率為94.82%，每采摘一顆大約耗時9.94s，成功率高采摘效率高。 1.3 采摘機器人存在的問題 我們通過對比國外的采摘機械可以看出： （1）國外發(fā)達國家對農業(yè)方面的采摘機械研究時間早于我們。 （2）國外的研究范圍廣，對于我們所知的果蔬采摘方面都進行了大量的研究。 （3）國外對采摘機械的投資較多而且他們都有政府和著名企業(yè)的支持，研究技術比我們更加的先進。 綜上所述，國外的采摘機械更加可靠，采摘效率更高，精度更加準確。雖然我們國家對采摘機械研究較晚，但是我們近些年來進行了大量的研究同時也取得了大量的研究成果。 采摘機械手實際生產(chǎn)中需要考慮的問題為： （1）避免在采摘蘋果時造成的損傷，降低損傷率。 在我們用機械進行采摘時我們要盡量避免對蘋果的損傷，保證蘋果的質量，如果蘋果有所損傷的話蘋果會逐漸腐爛，造成不可挽回的損失，降低經(jīng)濟效益。我們只要選擇合適的末端執(zhí)行器和緩沖收集裝置就會降低損失率。雖然在實際操作中或多或少會對果實造成損失。 （2）怎樣降低采摘蘋果的時間，提高采摘效率。 我們設計蘋果采摘機械手時最重要的一個目的就是在最短的時間內將蘋果采摘完，提高工作效率，將低勞動強度，保證蘋果的新鮮。然而至今為止研究出的采摘機械采摘速度并沒有人工采摘的速度快，提高蘋果采摘機械手的采摘效率是最重要的問題之一。 （3）降低蘋果采摘機械手的操作難度和制作成本。 蘋果是我們國家的主要是水果之一，具有季節(jié)性成熟后需要在一定的時間內采摘下來，時間是比較短的，而且使用的人大多是農民，操作越簡單工人采摘的速度就越快。我們在設計時既要保證質量也要延長使用壽命，只有這樣才算成功設計出了蘋果采摘機械手。 第2章 蘋果采摘機械總體方案手機構設計 2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析 蘋果的大小，分布和果樹的高度等生物學特征是我們設計采摘機械手的數(shù)據(jù)支持，決定著如何設計采摘機械手的機構和采摘方式。 我們國家種植蘋果的地域主要分為三個地域為：渤海地區(qū)，中部地區(qū)，西北地區(qū)。在有種植蘋果的大多是零星分布我們將對這三個地區(qū)進行分析和數(shù)據(jù)收集。 通過調研得到如下蘋果生物學特征及參數(shù)： 由于不同地區(qū)的環(huán)境都有著差以，所以我們將以河北省省內的蘋果種植園為研究對象，進行數(shù)據(jù)采集，蘋果園內標準種植應為樹行距為2-3×4-5此為科學種植，實際中果園中種植間距大約為3m左右，行距大約為3.5m。蘋果樹樹高最高在3m，樹枝據(jù)地面最低為0.8米，蘋果樹冠幅在2.0到2.5m范圍內。由于我們蘋果種植種類較多但是眾多種類中屬紅富士品種種植面積最廣，也最受歡迎。本文將以紅富士蘋果為例進行數(shù)據(jù)分析如表格1紅富士數(shù)據(jù)表。 表格 2-1紅富士蘋果數(shù)據(jù)表 指標 最小值 平均值 最大值 蘋果直徑/mm 55 80 120 蘋果重量/g 75 140 290 果梗直徑/mm 1.3 2.5 5.1 2.2末端執(zhí)行器的選擇 末端執(zhí)行器是蘋果采摘機械手采摘裝置的主要執(zhí)行部件，與蘋果進行直接接觸，其末端執(zhí)行器設計的好壞關系到采摘效果和采摘效率，設計一個好的采摘器可以大大降低生產(chǎn)成本，提高工作效率。對采摘末端執(zhí)行器結合實際功能要求有： （1）盡量減少對采摘對象的損傷，要求采摘器的采摘頭足夠柔軟。 （2）采摘速度盡可能快，提高工作效率。 （3）有較好的適應性。 （4）采摘機械手結構緊湊，減輕重量。 目前我們所之的水果采摘方式分為兩種第一種是通過拽拉，扭拉外力直接采摘需要采摘器對水果有較大的加持力，容易對果實造成損傷。另一種是通過剪切的方式進行采摘最為簡單的是用剪刀剪切果梗采摘同時也有其他方式。雖然結構復雜但較為安全。 現(xiàn)有的蘋果采摘機械手末端執(zhí)行器主要分為三種： （1）抓拉式采摘器 目前市場上售賣的末端采摘器大部分為兩指或三指的機械鉗爪式。其結構簡單，是模擬人手進行設計的，結構簡單，操作方便。但是它是通過拽拉的方式采摘的，直接與蘋果接觸，容易損傷蘋果。 （2）吸附式末端采摘器 吸附式末端采摘器用于一定形狀，表皮光滑，較為堅硬的水果，如梨，蘋果，橙子等水果。吸附式可根據(jù)工作原理將其分為磁力吸附和真空吸附兩種。采摘水果我們采用真空式吸附，工作原理是將與接觸物之間的空氣抽空進行吸附，其需要配備真空形成裝置，裝置沉重不便攜帶，且成本較高不適合普通人群使用。 （3）剪切式末端采摘器 最簡單的剪切采摘器主要有夾持裝置和剪切裝置組成。夾持裝置完成蘋果的采和收兩過程，剪切裝置完成蘋果的剪切即摘這一環(huán)節(jié)。定位要求較高，采摘效率較低，不適合采摘。 采摘方式比較表 類型 優(yōu)點 缺點 抓拉式 結構簡單、操作方便、效率高 對枝條和花蕾傷害稍大 吸附式 定位要求低、動作靈敏 需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價較高。 剪切式 結構簡單，操作方便，對果實和枝條的傷害較小 定位要求高，效率較低，不方便收集。 通過上述對比，本次設計的為手持式采摘機械手，因此吸附式不適合。而抓拉式、剪切式各有優(yōu)缺點，為了設計出合適的末端執(zhí)行器，本次采用抓拉式與剪切式組合的形式，即：如下圖2-1所示，采用半球形采摘爪，采摘爪前端設置剪切刀刃，且刀刃尺寸范圍較寬，。工作時，采摘爪握住蘋果時，刀刃夾緊蘋果柄剪斷。這種結構，既可以避免抓拉式末端執(zhí)行器對枝條和花蕾的傷害，也可以降低剪切式末端執(zhí)行器定位要求高，效率較低的缺點。 圖2-1 末端執(zhí)行器結構方案簡圖 2.3 驅動方式的選擇 目前采摘機械手的驅動源主要是采用氣壓驅動、電驅動、液壓驅動這三種[10]。 （1）氣動壓力是一個壓縮空氣驅動系統(tǒng)來驅動致動器的運動，空氣壓縮機通常被用作動力源。氣動驅動器過載安全，結構簡單，污染少，成本低，通過調節(jié)空氣流量，可以實現(xiàn)無級變速，但大尺寸設備的運行速度不穩(wěn)定，定位精度不高。 （2）液壓驅動系統(tǒng)來驅動流體壓力致動器的輸出力來驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應速度快，速度很簡單，可以在很寬的范圍內無級調速，便于適應不同的工作要求，順利實現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。 （3）電動驅動模式包括步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機和步進電機和力矩電機等驅動器類型。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蜷_環(huán)控制元件的線性位移，具有控制簡單，響應速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機轉子慣量，良好的動態(tài)特性，機器人由一個伺服電機驅動系統(tǒng)的構成與運行精度高，調速范圍廣，速度快，運行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點。 我們通過分析比較可知，液壓驅動成本高驅動速度緩慢，氣壓驅動工作范圍小噪音大。這兩種驅動方式不適合采用。電機驅動工作時間長操作靈活，反應迅速。制作成本低很適合采用所以我們將采用電機作為采摘機械手的動力來源。 2.4 采摘機械手機械臂的選擇 連接末端執(zhí)行器的機械臂我們將采用伸縮桿，進行伸縮式機械臂的蘋果采摘機械手設計，可調節(jié)伸縮桿采摘不同高度的蘋果，閑置時可將機械臂縮短至最短，節(jié)約空間。伸縮桿由兩節(jié)短桿組成，桿與桿之間由箍環(huán)連接。 第3章 采摘器的設計 3.1采摘電機的選擇 3.1.1電機類型的選擇 選擇電機主要是利用電機工作時產(chǎn)生的力和力矩，直接驅動負載或者通過減速機構間接地去驅動負載。使用電機作為動力來源，提高了工作效率，同時這也是目前最為普遍的方式。電機主要分為步進電機和伺服電機，二者的區(qū)別如下，表格3-1. 表 2-1電機對比表 步進電機 伺服電機 力矩范圍 中小力矩（20Nm以下） 大中小力矩 速度范圍 低（轉速在2000轉以下，） 高轉速（轉速可達5000轉）直流伺服電機可達1-2萬轉 矩頻特性 高速運轉時，力矩下降快。 力矩特性好。 過載特性 過載工作時失步 可3-10倍負載工作 反應速度 一般 快 準確度 較低 高 工作溫度 運行溫度高 運行溫度一般 維修性 基本不需維修 較好 價格 低 高 由以上分析比較伺服電機比步進電機體積小，重量輕，結構簡單，力矩大，反應速度快，精準度高，噪音小，壽命長，應用廣泛所以我們將采用伺服電機。 3.1.2電機型號選擇 而BF系列伺服電動機為反應式伺服電動機，具備以上的所有條件，我們選用了型號我們選用了型號GA12-N10電壓范圍為8-12V的絲杠電機。的反應伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為20W。 的反應伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為20W。選用時主要有以下幾個步驟： （1）根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 (a)步距角 初選電機型號，并從手冊中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。 (b)距頻特性 步進電機最大靜轉矩Mjmax是指電機的定位轉矩。步進電機的名義啟動轉矩Mmq與最大靜轉矩Mjmax的關系是： Mmq= 伺服電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機型號時應滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即： MkqMmq=λMjmax 計算Mkq的各項力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 （2）啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。 前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。 突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。 3.2絲桿螺母副的選型與校核 普通絲杠已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結構，再根據(jù)載荷、轉速等條件選定合適的尺寸型號并向有關廠家訂購。普通絲杠設計和校核，其步驟如下： 首先對于一些參數(shù)說明如下： 軸向變載荷，其中i表示第i個工作載荷，i=1、2、3…n ； 第i個載荷對應的轉速(r/min); 第i個載荷對應的工作時間 (h) ; 絲桿副最大移動速度(mm/min); 絲桿預期壽命。 3.2.1型號選擇 （a）根據(jù)使用和結構要求 選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預緊方式； （b）計算普通絲杠副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； ②計算當量轉速 ③計算當量載荷 ④初步確定導程 ，取4mm ⑤計算絲桿預期工作轉速 ⑥計算絲桿所需的額定載荷 （c）選擇絲桿型號 根據(jù)初定的和計算的，選取導程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查普通絲杠型號表知，本次選定的普通絲杠螺母副型號為：GD801-1 由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導程 3.2.2校核計算 （a）臨界轉速校核 校核合格。 （b）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。 （c）普通絲桿的預緊 預緊力一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即： 其相應的預緊轉矩 （d）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 ① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。 臨街轉速按下式計算： 式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 ③ 此外普通絲杠副還受值的限制，通常要求 3.3軸承的選擇與校核 3.3.1軸承選擇 因為軸承受一定的軸向力的作用，所以選用角接觸軸承。 軸左側：從《機械設計課程設計》中表15-3中查得軸承的型號為：6000。外形尺寸為：d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。 3.3.2軸承校核 1）按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預期壽命取為：L'h＝29200h 由上面的計算結果有軸承受的徑向力為Fr1=340.43N， 軸向力為Fa1=159.90N， 基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。 2）徑向當量動載荷 動載荷為，查得，則有 ，滿足要求。 第4章 伸縮桿設計 4.1 伸縮桿結構設計 在設計采摘機械手時我們必須以搜集到的蘋果樹及其果實特征作為尺寸設計的依據(jù)。由第2章數(shù)據(jù)可知，采摘機械手水平工作區(qū)間在0-2.5m，垂直工作區(qū)間在0.8-3m，蘋果樹冠幅在2.0到2.5m范圍，果樹高度大約在3m。 伸縮桿由內管和外管，螺母套筒，絲杠，聯(lián)軸器，限位卡套等主要零件組成。其工作原理是通過間接裝置將電機的回轉運動轉化為直線運動，利用電機的正反轉和絲杠，螺母完成伸縮。圖2為管內部分元件。 圖4-1伸縮缸結構簡圖 4.2伸縮桿設計計算及校核 從收集的數(shù)據(jù)可知，蘋果樹最高基本在3m左右，伸縮桿總長至少為2.5m，我們對伸縮桿進行設計： 設L1為內管長度，L2位外管長度，L3為外管與內管之間預留的承接部分，防止內管斷裂或損傷，L4為內管與末端采摘器連接部分，L5為伸縮桿全部伸出時長度。 根據(jù)果農手持桿狀物體和采摘特點，我們選用外徑為30mm的空心管其厚度為2mm作為外管,內管完全在外管內，內管的外徑為28mm，其厚度同為2mm. 伸縮桿在采摘蘋果時會受力的影響，由力學原則可知桿件會發(fā)生彎曲變形，由《材料力學》中壓桿的定義，可將伸縮桿比作為一端自由另一端固定的壓桿。利用歐拉公式對伸縮桿進行穩(wěn)定性校核。由上文可知，伸縮桿材料為304不銹鋼，其不銹鋼主要性能為：彈性模量為：E=197Gpa，比例極限為σp=275MPa,由表可知。 表格4-1不銹鋼參數(shù)表 鋼號 鋼板標準 使用狀態(tài) 厚度 /mm 下列溫度下的許用應力/MPa ≤20 100 150 200 250 300 350 400 425 450 475 500 高合金板 oCr13Al GB 4237 退火 2-15 118 105 101 100 99 97 95 90 87 - - - oCr13Al GB 4237 退火 2-60 137 126 123 120 119 117 112 109 105 100 89 72 oCr18Ni 9 GB 4237 調質 2-60 137 137 130 122 114 111 107 137 137 137 137 137 137 114 103 96 90 85 82 79 78 76 75 74 oCr18Ni 10T GB 4237 調質，穩(wěn)定化 2-60 137 137 117 130 112 114 111 108 106 105 104 102 137 114 103 96 90 85 82 80 79 78 77 76 其許用安全應力是137MPa，結合上表及伸縮桿可承受的最大壓力，即為Fmax=15N,l=2500mm,直徑d=45mm,規(guī)定安全因數(shù)nst=6-10. 由《材料力學》第九章公式（9-6），求出 λ1=л√E/σp=π√197×109275×106=71.64 伸縮桿可假設為一端固定一端移動的壓桿，由《材料力學》可知μ=2，知伸縮桿橫截面為圓環(huán)， i=√IA=d4 求得它的柔度為： λ=μli=2(2500×10-3m)(31×10-3m)×14=645.16 因為λ1≤λ，該伸縮桿可用歐拉公式計算臨界壓力， 得 σcr=Fcr/A=π2EI/A(μl)2 所以， Fcr=σcr×A=π2EA/（μli）2 伸縮桿的工作安全系數(shù)為 n=FcrFmax=13.462≥nst 滿足穩(wěn)定性要求。 4.3伸縮驅動機構設計 伸縮桿驅動機構包括伸縮電機、伸縮絲杠螺母副、軸承，選型計算過程與上一章相同，本節(jié)不一一復述，僅展示選型結果。 （1）伸縮伺服電機 同樣我們選用了型號GA12-N20電壓范圍為8-12V的絲杠電機。的反應伺服電動機作為主運動的動力源，該機功率為30W。 （2）伸縮絲杠螺母 結合實際我們將采用M8*1.25*1200型號的絲杠。且有3.1節(jié)可知伸縮桿采用鋁合金制作。 （3）根據(jù)實際采用深溝球軸承，信型號為6000。 總 結 這次的畢業(yè)設計，是對我大學4年所學的知識進行一次系統(tǒng)的應用和鞏固，對課本知識的重新梳理和完善，將4年所學知識整合起來，融匯貫通，以達到經(jīng)過四年的量的積累后通過畢業(yè)設計得到質的提升的目的。這次的畢業(yè)設計，是我大學里最具挑戰(zhàn)性的項目，完成這次畢業(yè)設計，能使我的綜合能力有很大的提升，使我以后的工作提供一個可靠的經(jīng)驗和基礎。 順利如期的完成本此畢業(yè)設計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關注新科技新設備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進知識，更好的為祖國的四化服務。 參考文獻 [1] 成大先. 機械設計手冊（第5版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008. 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[16]ZHAO Liang，MA Xiaoli，YAN Zhiyong.WANG Zhe.NEW Type Mechanical Hand Picking High Branch Fruits[J].Light Industry Machinery,2013,4:15-17,21. 致 謝 在本文即將結束之際，請允許我對在這四年的大學生活學習中給予我支持和鼓勵的各位老師和同學致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導老師，感謝他在我的研究和學習過程中給予我的指導和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴謹?shù)闹螌W風范和對學術問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設計提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設計。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個先進的學習、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學考試的各個課程。 最后，請讓我將這篇學士學位論文獻給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個對社會有用的人，他們的關懷、支持和鼓勵是我所有信念的力量源泉。 28