机械臂设计毕设计说明书.docx
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机械臂设计毕设计说明书
1绪论
1.1前言
新中国成立以来，我们国家林业建设取得了巨大成就。
尤其在是改革开放之后，党中央，国务院高度重视林业工作，采取了一系列政策和措施，有效地促进了林业的发展。
全社会办林业，全民义务植树运动深入发展，全民搞绿化的局面正在形成。
近年来，实施天然林保护工程，退更换林，荒漠化治理和其他重点项目进展顺利，部分地区的生态条件得到改进。
森林，湿地和野生动物资源保护得到加强。
我国目前的生态状况整体恶化的趋势，还没有得到根本的扭转，土地沙化，湿地，生物多样性的破坏仍然呈加剧趋势。
滥伐森林，乱过度占用林地，过度狩猎野生动物，无序开采，滥挖野生植物和其他现象屡禁不止，森林火灾和病虫害对林业仍然是非常严重的威胁。
林业经营和管理体制不适应形势发展的需要。
林业产业规模小、科技含量低、结构不合理、木材供需矛盾突出，林业职工和森林地区的人民的收入增长比较缓慢。
总体上，我国森林资源不足，森林生态系统的整体功能仍然非常脆弱。
所以现在林业要面临比以往的任何时候都要更重的改革和发展的任务。
在加快推进社会主义现代化全面建设小康社会的过程中，必须把林业建设放在更加突出的位置，我们必须高度重视并加强林业方面的工作，促使我国林业能有一个比较大的发展。
在西部的发展中，我们要给予林业以基础地位；在可持续发展战略的实施过程中，我们需要给林业以重要地位；在林业生态建设中，我们要给予林业以领先地位。
1.2课题的来源与背景
第七次全国森林资源清查结果表明，截至2008年，全国森林面积为19545.22万公顷，森林覆盖率20.36%，活立木蓄积量149.13亿立方米，森林蓄积量137.21亿立方米，人工林保存面积6168.84万公顷，人工林蓄积量19.61亿立方米，种植面积居世界第一。
在第六次和第七次清查间隔的五年时间内，人工林面积快速增长，人工林面积净增843.11万公顷，人工林蓄积净增4.47亿立方米，幼林地面积1046.18万公顷，森林蓄积量大大增加，森林采伐逐步向人工林转移，林木蓄积年净生长量5.72亿立方米，年采伐消耗量3.79亿立方米，森林蓄积增长继续超过消耗，长消盈余进一步扩大，天然林采伐量减少，人工林采伐量增加，人工林采伐量占森林采伐量39.44%，提高12.27个百分点，现有人工林是一种速生丰产林的发展。
近年来，速丰林建设充分依靠政府推动、市场导向、利益的驱动和企业带动等运作机制，大力推进速丰林基地建设。
进入成熟林（采伐年龄段）面积成倍增长，依靠传统的人工抚育和采伐技术已经不能满足现代林业生产的需要。
但是传统营林生产使用的轻型油锯、割灌机、手提式挖坑机、剪草机等便携式林业机械，不仅效率低，而且均由操作者直接手持或背负进行作业，操作者除了完成控制、操作等任务外，还必须承受在作业过程中机器产生的振动和噪声，导致操作者的身体功能一定程度上受到功能性障碍或不同程度的损伤。
因此，对我国现有的大型商业人工林的抚育、采伐、造材等作业机械化、高效化以成为一个核心焦点，
未来的林业生产要由劳动力集约型向技术集约型转变，以增加单位劳动生产效率，增加林区人民的收入，这也是三农问题解决的一个方面。
此外，人工林的抚育是季节性的，应急性的，要在最好的季节完成除草、修剪、细化和紧急控制害虫及运输，必须通过机械化作业来提高作业效率，对于大中径材的整枝抚育作业和抚育间伐材的搬运，只靠人工的话是没有办法做到高质、高效地完成有关作业的，需要用机械化装备来达到安全高效地作业。
国家中长期科学和技术发展规划纲要和林业科学技术十一五发展规划也分别将开发现代农业（包括林业）装备技术列为我国近期林业科技重点发展目标之一。
1.3研究的目的和意义
林业装备技术水平的高低，是衡量现代林业和林业产业发展水平的重要标志，只有现代化的机械操作，才能真正解放劳动生产力，降低劳动强度，降低生产成本，提高经济效益，。
近年来由于林区的劳动成本的上升，对传统劳动密集型为主的林业生产造成很大的冲击，迫切需要开发新技术、新工艺、新装备，提高自主创新能力，提高机械化和智能化的林业装备水平，改善操作环境，以高效低耗林业生产系列装备来改变传统人力为主的落后生产模式。
目前国内现有的采育作业装备的运行现状均存在功能单一的缺点，这样在采育作业过程中，林业工人就要使用多种机械设备，降低了作业效率，多种机械设备的频繁使用不同程度的造成森林生态损伤和破坏，在此基础上，提供一种可以集中完成多种林地作业的多功能林地作业机械，使林业工人进行安全、高效的工作，并减少对林木和林地的生态破坏是未来林业机械应用发展的主要趋势。
1.4林业集材机的概述
林区的木材收集运输车，该车被广泛使用在欧洲和美国等发达国家，由于操作简单、灵活，作业效率高，在发达国家被广泛使用。
机械臂控制系统安装在前驾驶室内，工人不需要下车，转身即可操作。
在寒冷，潮湿多余的地区适用性更强。
也可安装在机械臂立臂上方，视野开阔，适合使用在南部的热带地区。
机械臂的液压抓头可以360旋转，第三节臂可伸缩，抓取木材极为方便。
依托拖拉机后传动轴作为动力输出，驱动液压泵，作为液压动力来源。
通用性强。
使用成本低廉。
还可以配备柴油动力站。
为了适应林区运输要求，该车应用了专用山地轮胎，轮胎较宽，不易下陷，承载能力大，防滑性能好，经久耐用。
装备有效地解决了林区采伐时木材装卸与运输的安全性和人工装卸效率低的问题。
集材机的整体轮廓图如图1-1所示。
图11集材机
1.5国内外研究现状及发展趋势
1.5.1国内发展动态及研究现状
我国大型林业设备的发展一直处于落后状态，大部分的技术和产品都停留在二十世纪七八十年代的水平，如目前仍在生产和使用的哈尔滨拖拉机厂的J50、J80等型号集材机均是上世纪五十年代的产品。
大多数林区使用的仅仅是在原有汽车、工程机械及拖拉机上加装液压抓具、铰盘机等林业作业装置改装的林业机械。
上个世纪我国进口过国外联合采育机，并在南部地区进行生产实验，并组织科研单位进行了技术探索，但在不同条件的影响下，许多研究都没有进一步的细化。
近年来，随着机械制造技术的快速发展，相关领域的汽车技术、液压技术、自动化控制技术等的飞速发展，特别是人工林的大面积的增加，原有的以人工作业为主的作业模式，效率己经很难满足林业产业发展的市场需求。
虽然国内己经有一部分企业开始开发新的专用多功能林业装备，比如江苏常林股份有限公司研发和批量生产的ZL3OM系列轮式原木装载机，在北部和南部的林区都有投入大量的使用，另外有一些企业也已经在尝试引进和仿制国外的现代化林业装备。
然而，由于受到各方面的影响，当前国内正在开发和生产的林业装备仍然有工作效率低，功能单一的缺点，不能满足日益增长的人工林采育作业的效率要求。
1.5.2国外发展动态及研究现状
世界各主要林业国家的森林采运机械化是在二十世纪五十年代末期前后开始实现。
主要是在生产工序上把手工作业用机械代替，可是大量繁重的手工劳动依然存在。
美国、瑞典、芬兰、加拿大和苏联等国自二十世纪六十年代开始，在继续改进传统单工序机械作业的同时，加强了伐区联合作业机的研究工作，并取得了很大的进步，高新技术、智能技术得到更广泛的应用。
1．现代化的试验设备和训练手段
原来新产品开发过程比较缓慢，如集材机样机必须进行2000一8000h野外现场试验来评估结构件的可靠度。
此外，获取数据、处理数据、发现问题、解决问题的过程是一个昂贵和费时的过程，需要几个月甚至一年时间。
Timberjack公司推出的野外试验数据获取装置，所有设备可以装在一个手提箱内，携带方便，现场安装时间不超过三十分钟。
整个装置可以放置在机器上，这样就省去了远距离测量系统，操作起来非常方便。
该装置由50Mat公司的试验控制软件（TCS）控制，可以运行在一台笔记本电脑上，能自动完成数据采集、处理、分析、提示等功能，操作很简单。
整个装置坚固、可靠，可在恶劣的工作条件下正常操作。
2．林业机械操作系统实现自动化，智能化
原Timberjack公司在127OB型伐区联合机和121OB型原木自装集运机上就装备TMC整机程控系统，降低了工人的劳动程度。
系统自动控制柴油机、起重臂和液压传动系统，以及所有有关功能，可确保平稳而无级地传递动力，准确控制和监控整机运行。
3．节能与环保
世界性能源危机使节能作为一个产业发展的主题。
林业集材机是一种大功率设备，其能源效率直接影响设备使用的可靠性和经济性。
为了提高产品的能源效率，满足日益严苛的环保要求，国外的林业集材机均采用各种节能控制系统，取得了很好的节能效果。
节能技术的应用，可以减少液压系统的功率损耗，提高发动机的功率利用率，更好地匹配动力系统与负载所需功率，降低发动机和液压元件的工作强度，提高了联合机的生产效率和使用的可靠性，同时可以减少排放量，降低燃料消耗，减小工作时的振动和噪声的影响，也改善了操纵者的工作环境。
Ponsse公司OPtiConirolTM控制系统结合了现代化柴油机的可靠性、节能、环保的技术。
该控制系统每时每刻监控设备的功能，调节发动机功率与当前负载相匹配，减少功率损耗，节省燃料，提高发动机寿命，降低运行成本。
4．人机工程学研究取得实效
自二十世纪九十年代以来，发达国家很重视研究人机工程学，加拿大林业工程研究所研究之后，提出了关于伐区作业的机械的人机功效学特性的6项评价指标，包括操作方便性、上下车方便性、操作人员视野、乘坐舒适性、机器噪声和机器维修方便性。
各大公司在二十世纪九十年代生产的林业机械，均对人机工效学特性的改进给予极大的关注。
原Timberjack对600系列换代产品850型和950型伐木归堆机，均在驾驶室上作了显著的改进：
增加尺寸，前面采用巨大的曲面玻璃，并配备了一个特殊的后视镜，视野大大改善；改用符合人机工效学的手柄，司机座椅可全方位调整，脚踏板的角度也可调整；安装立体声音响和双向通话装置；采暖、空调和通风设备也得到了提高，在密封的驾驶室内安装有空气过滤防尘装置，并设有排气装置；驾驶室内的噪声降到小于77dB（A）；驾驶室有橡胶的振动隔离装置，可消减振动。
此外，为了保证驾驶人员的安全，驾驶室还普遍装有倾翻保护装置。
1.6论文主要研究内容
本论文意在设计在林区作业时用于集运木材的集材机的液压驱动式机械臂，要求其易于控制、结构灵活、定位准确。
论文研究涉及机械设计、机械原理、三维实体建模、有限元分析、计算机辅助设计等方面的相关内容。
机械臂的机械部分是整个系统执行机构。
机构形式好坏，直接影响整个系统。
主要研究以下几个方面：
1．查阅资料，并进行收集和整理，调研机械臂结构。
2．在机构设计时选用合理的运动副形式并合理配置，选择运动的最佳传递路线和驱动速比。
3．据设计要求和工作需要，要求机械臂应能达到工作范围内的各个位置。
4．在确定机械臂自由度的同时要兼顾机构的灵活性、可操纵性、控制性和机构的复杂程度。
设计方案确定后，经过理论计算后再利用SolidWorks软件进行机构造型设计并进行装配；在此基础上，通过进行应力分析发现问题，改进和完善设计。
2机械臂设计理论
2.1机械臂的组成及分类
2.1.1机械臂的组成
机械臂主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
各系统相互之间的关系如下图方框所示：
图22机械臂的组成框图
1．执行机构
包括主臂、负臂、伸缩臂、液压缸以及液压抓具。
2．驱动系统
驱动执行机构运动的传动装置就是机械臂的驱动系统。
常用的有气压传动、液压传动、机械传动以及电力传动等四种基本形式。
3．控制系统
主要有射流控制和电气控制两种，一般常见的为电气控制。
控制系统是机械臂的重要组成部分。
在某种意义上说，控制系统起着与人脑相似的作用。
机械臂的运动以及相关部件的协调动作都是通过控制系统来实现的。
4．位置检测装置
位置检测装置的作用是对机械臂执行机构的运动位置进行检测，并随时随地将执行机构的实际运动位置反馈给控制系统，从而使执行机构以一定的精度到达指定位置。
2.1.2机械臂的分类
1．按控制方式分
（1）连续轨迹控制
它的运动轨迹是任意的空间连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个的移动过程都是在控制之中，能够做到平稳而准确的运动，使用范围较为广泛，但是电气控制系统相对比较复杂。
（2）点位控制
它的运动轨迹为空间点到点的移动，只能对运动过程中几个点的位置控制，不能控制其运动轨迹。
目前多数机械臂属于点位控制。
2．按驱动方式分
可以分为：
气压传动机械臂、液压传动机械臂、电力传动机械臂、机械传动机械臂。
2.2机械臂的自由度及坐标形式
2.2.1机械臂的自由度
自由度是机械臂设计的主要参数，每一个构件相对固定坐标系所具有的独立运动叫做自由度。
每一个构件相对固定坐标系最多有六个自由度，即绕X、Y、Z轴三个方向的三个独立的回转运动和沿X、Y、Z三个方向的三个独立的往复移动。
两个构件（即运动件）组成相对运动的联接叫做运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件。
林木集材机的机械臂是一个典型的多连杆机构，它可以分为多个4连杆机构，而整个机械臂在一定工况下可看作是一个连杆机构，它具有3个自由度。
自由度数多少是衡量机械臂技术水平的指标之一。
自由度的数目越多，可完成的动作就可以更复杂，但相应的带来的问题是技术上的困难，机械结构和制系统的复杂，机械臂本身的尺寸和重量的增加，也就使得研发成本变高，维修难度增大；相反，自由度的数目少，通用性就差，但是技术上容易实现，机械结构相应简单，使用维修方便。
因此，应根据生产工艺要求来确定自由度的数目，而不能盲目的增加不必要的自由度。
2.2.2机械臂的坐标形式
运动系由三个回转运动组成，即大臂的仰俯、小臂仰俯和大臂的回转，这种坐标形式的机械臂称为关节式机械臂。
特点是：
工作范围大，动作灵活，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它机械臂不可比拟的优点。
机械臂传动系统简介
本文采用液压驱动的工作臂，机械臂采用液压驱动有如下特点：
1．反应比较灵敏，传动相对平稳，传动滞后现象小。
2．可以得到较大的输出力或力矩。
一般要得到20～70kg/cm2的油液压力是比较方便的。
3．定位精度可以达到很高。
现在一般的液压机械臂在低于400mm/s的速度且抓取重量比较轻的时候，采用一定的缓冲措施和定位方式，可以达到±1～±0.02mm的定位精度。
如果采用电液伺服控制系统，不仅有较高的定位精度，而且可以任意定位，适用于高速、重载的通用机械臂。
4．比较容易控制输出力和运动速度。
输出力和运动速度在一定的油缸结构尺寸下，主要由油液的压力和流量决定，通过调节相应的压力和流量控制阀，可方便地控制输出功率。
就国内而言，液压传动机械臂占机械臂总数的52%以上。
根据国内外资料，液压工作臂有三种基本型式：
铰接式，只有主臂和副臂；伸缩式，只有主臂和伸缩臂；混合式，既有主臂、副臂，还有伸缩臂。
通过对比分析，根据设计要求和采伐工艺要求，本文决定采用混合式。
这种型式兼顾前两种型式的优点，动作灵活，工作范围广，采伐自装自卸性能好。
3集材机机械臂的总体设计
3.1机械臂的设计参数
参考CranabFC106型的集材机的各项技术参数，设计机械臂。
主要的技术参数如表3-1所示。
表31集材机机械臂系统的主要参数
名称参数单位
外展6700mm
主臂3100mm
副臂2200mm
臂延伸臂1400mm
回转角度3600
回转力矩28.7KN·m
工作压力23.5MPa
液压油流速120—200l/min
3.2机械臂的结构形式
机械臂的结构形式基本都采用箱型结构，从垂直于机械臂长度方向的截面来看，大致有如下几种，查阅相关的资料，认为下图3-1（a）的截面形式较好，整个机械臂应力流畅，无明显力流阻滞和应力集中，而且重量较轻。
（a）（b）（c）（d）
图31臂架的截面结构形式
3.3机械臂典型部件特点
1．臂架
臂架可以简化成一个细长的悬臂梁。
它要求臂架强度大、刚性好、重量轻。
因此，臂架的结构一般设计成四块钢板焊接而成的箱型梁，材料选用16Mn钢。
其参数如表3-2所示。
表3216Mn材料参数
材料弹性模量/MPa泊松比密度/kg/m3屈服极限/MPa
16Mn2.1
0.307.85
355
为充分利用高强度钢的力学性能，借助现代化的有限元分析计算，按梁上各处应力趋于一致的原则，忽略焊接的残余应力，将梁设计成渐变梁。
2．连杆
连杆一般为直杆或者弓形的二力杆，也有三角结构的连杆即角杆。
3．油缸
各节臂之间用液压缸支撑，油缸为臂架的升降、伸缩提供动力，它由压力油推动活塞前后运动，从而驱动臂架运动。
缸体的进油口应设有液压锁，以防止液压软管破裂时发生臂架坠落事故。
3.4机械臂的工作范围
集材机要在一定的空间范围内进行木材的采集作业，如图3-2所示。
图32机械臂工作范围示意图
作业范围由高度H、水平工作半径R及工作深度D等参数确定。
工作高度H是指各级臂全部垂直于地面时，从地面至臂端的液压抓具的距离。
水平工作半径R是指当各级臂全部水平放置时，从旋转基座的回转中心至臂端的液压抓具的距离。
工作深度D是指机械臂在水平位置以下工作时，地面至臂端的液压抓具的距离。
H、R、D等参数均与臂架长度有关。
臂架长度是指各级臂在同一轴线上时，臂架与旋转基座铰接中心至臂端液压抓具中心的距离。
4集材机工作装置的受力分析
4.1集材机机械臂的工况分析
工作装置由旋转基座、主臂、副臂、伸缩臂以及连杆机构和各种工作液压缸组成。
对这些结构件的分析计算，首先应确定各结构件的不利工况，即在这种工况下对某一结构件可能出现最大的应力，以这种工况作为设计该结构件的依据。
比较各个工况后，当各级臂处于水平状态，并且伸缩臂伸出时的工况是机械臂受力最不利的情况。
4.2集材机机械臂的受力分析
当各级臂全部处于水平外伸状态时，由于各个油缸支撑着各级机械臂，可以把机械臂看做一个变截面的悬臂梁，这时其所受的载荷如图4-1所示。
图41臂架受力示意图
4.2.1空载时各级臂架所受的弯矩
=
（4-1）
=
（4-2）
=
（4-3）式中：
Mi—各级机械臂左端点弯矩值；
G1，G2，G3—各级机械臂的自重，为简单计，以集中载荷看待；
G4—机械臂末端连接的液压抓具自重；
L1，L2，L3—各级机械臂的长度尺寸。
其中，G1=10124.9N，G2=7484.04N，G3=1760.59N，G4=2500N
L1=3100mm，L2=2200mm，L3=1400mm
4.2.2抓举活立木时各级臂架所受弯矩
=
（4-4）
=
（4-5）
=
（4-6）
式中：
Mi—各级机械臂左端点弯矩值；
G1，G2，G3—各级机械臂的自重，为简单计，以集中载荷看待；
G4—机械臂末端连接的液压抓具和活立木的重量（活立木重15000N）；
L1，L2，L3—各级机械臂的长度尺寸。
其中，G1=10124.9N，G2=7484.04N，G3=1760.59N，G4=17500N
L1=3100mm，L2=2200mm，L3=1400mm
4.3机械臂连接处的受力分析
4.3.1主臂铰接处分析
已知：
G1，G2，G3，G4为各级臂架的自重以及液压抓具的自重；L1，L2，L3为各级臂架的长度尺寸。
对主臂末端点A点求矩：
（4-7）
得
由垂直方向力平衡：
（4-8）
由臂架的几何关系有，臂架水平时，旋转基座液压缸与主臂架夹角约为750。
故有：
，
（4-9）得
，
A点的轴向力
4.3.2副臂铰接处分析
对副臂末端点B点求矩：
（4-10）
得
由垂直方向力平衡：
（4-11）
由臂架的几何关系有，副臂水平时，连杆二与臂架夹角为300，连杆一与油缸二夹角为450。
故有：
，
（4-12）得
，
B点的轴向力
5基于SolidWorks集材机机械臂的造型
5.1参数化设计与SolidWorks软件
5.1.1参数化设计
参数化设计的主要特点是实体模型代替传统的线性模型的使用，实体模型具有真实的，直观的及与实际产品接近的特点，同时实体模型也有体积、质量、质心等物理特性，因此可以方便的进行分析和制造等后续处理。
参数化设计的另一个主要特征是尺寸驱动，所谓尺寸驱动就是以模型尺寸来决定模型形状，由一组具有一定相互关联的尺寸来定义一个模型。
设计者修改尺寸参数后，经过再生处理即可获得新模型的形状。
生产中工程人员对结构形状比较定型的产品系列化、标准化就是典型的参数化设计思想应用。
参数化设计的建模过程采用的方法是特征造型建模。
基于建模对象的结构、形状以及装配关系进行合理的抽象，获得不同类型的特征。
例如实体特征、基准特征、曲面特征等等。
一个模型可以看作是一个在一定程度上多个不同种类的特征的组合。
特征建模只需要在绘制出平面草图后通过拉伸、旋转、放样、扫描等方法就可以创建出多种基础特征，然后再在基础特征之上添加诸如圆孔、倒角等特征，使整个设计过程简洁、直观。
5.1.2SolidWorks软件介绍
世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统就是SolidWorks软件，SolidWorks软件现在是全球装机量最大、最好用的软件。
因为它使用了先进的parasolid内核、WindowsOLE技术、直观式的设计技术以及良好的与第三方软件的集成技术。
有关资料表明，现在全球发放的SolidWorks软件使用许可大约是28万，涉及到机车、离散制造、国防、电子通讯、交通、机械、模具、日用品、娱乐工业、食品、医疗器械、消费品、航空航天等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。
在强大的设计功能和易学易用的操作协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
由于SolidWorks软件的易学易用、功能强大及技术创新这三大特点，使得SolidWorks成为主流的、领先的三维CAD设计软件。
其能够提供很多种设计方案，以便减少设计过程中的错误以及提高产品的质量。
SolidWorks不仅功能强大，而且对于最初的设计者来说，比较容易上手且操作起来简单方便。
对于用惯了微软的Windows系统的用户而言，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。
SolidWorks的拖拽功能可以让设计者花费较少的时间就能完成大型设计的装配。
SolidWorks具有同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，可以方便地用它管理CAD文件。
本文采用三维机械设计软件为SolidWorks2012版本。
5.2集材机机械臂零部件造型
集材机机械臂主要由以下零部件组成：
旋转基座、旋转支杆、主臂液压油缸、主臂、连杆、副臂液压油缸、副臂、伸缩臂等。
由于三维特征造型能够全面、准确的反映零件的真实属性，因此应用SolidWorks软件分别建立机械臂各零件的三维实体模型，下面以旋转基座为例，介绍其实体建模的主要过程，其它零部件的建模过程不再赘述。
5.2.1旋转基座的造型
图51旋转基座
从图5-1中可以看到旋转基座为一个圆形凸台拉伸体，主要造型
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