机械毕业设计论文全自动摘果机的设计与创新说明书+cad+solidworks管理资料.docx
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机械毕业设计论文全自动摘果机的设计与创新说明书+cad+solidworks管理资料
毕业设计（论文）
题目全自动摘果机的设计与创新
学号：
学生姓名
专业班级：
学院
指导教师（签字）职称讲师
指导教师单位设计地点
起止日期年月日至年月日
摘要
摘果机技术毫无疑问是未来的战略性高技术，充满机遇和挑战。
目前，国际上摘果机市场大概有80亿至100亿，其中工业摘果机占的比重最大。
2025年，整个摘果机市场将达到500亿，服务摘果机从原来的300多万台增加到1200多万台，特种摘果机（如：
农业摘果机、排爆摘果机、医疗摘果机等）的呼声也越来越高。
另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与摘果机的研制。
本课题来源农业相关摘果机——摘果机。
随着摘果机技术的发展国内外开始探索相关技及先进成果应用在农业领域，其中果实采摘收割摘果机是农业领域中相对大的比重，相关摘果机随着技术进步及相关经验的成熟会为人们解放劳动力、提高工作效率等方面有不可估量的前景。
本文运用大学所学知识，设计了一款轮式摘果机，本摘果机通过轮式底部结构可自由行进并用5轴式机械臂结构可有效采摘果树上的苹果。
为进一步探索苹果采摘相关摘果机的研发提供了相关经验及依据，并对进一步论证相关技术有了实验的摘果机。
关键字：
摘果机、农业，苹果采摘，轮式摘果机
Abstract
Roboticsisundoubtedlyastrategichigh-techfuture,fullofopportunitiesandchallenges.Currently,theinternationalmarket,thereareaboutrobot8to10billion,whichaccountsforthelargestproportionofindustrialrobots.2025,theentirerobotmarketwillreach50billion,theservicerobotfromtheoriginalmorethan300millionunitsto12millionunits,Specialrobot（eg:
agriculturalrobots,EODrobots,medicalrobots,etc.）areincreasinglyvocal.Inaddition,MicrosoftandotherITcompanies,Toyota,Mercedes-Benzandothercarcompanies,andevenfurniture,sanitarywareenterpriseshaveinvolvedinthedevelopmentoftherobot.
Thesourcesofagriculture-relatedtopicsrobot-applepickingrobots.Withthedevelopmentofrobottechnologyathomeandabroadbegantoexploretheapplicationofrelevanttechnologiesandadvancedachievementsinthefieldofagriculture,wherethefruitharvestpickingrobotisagriculturerelativelylargeproportionoftherelevantrobotastechnologyadvancesandexperienceofmaturepeoplewillliberatelaborforceimproveworkefficiencyandsohaveimmeasurableprospects.
Inthispaper,theuniversityisknowledge,designedawheeledrobotapplepicking,applepickingthiswheeledrobotscantravelfreelyandbottomstructurewitha5-axisrobotarmstructurecaneffectivelypickingapplesfruittrees.Tofurtherexplorethedevelopmentofapplepickingrobotprovidesrelevantandinaccordancewithrelevantexperience,andfurtherrelatedtechnologydemonstrationexperimentswithrobots.
Keywords:
Robot,Agriculture,Applepicking,Wheeledrobot
全套设计，请加12401814
摘要I
AbstractII
1引言1
1
2
2
3
UG设计基础4
2摘果机的创新设计6
8
10
3摘果机部分零部件选型及校核12
14
16
18
4摘果机的三维建模19
20
20
21
结论22
致谢23
参考文献24
1引言
摘果机与智能装备产业是高度集成微电子、通信、计算机、人工智能、控制和图像处理等学科最新科研和产业成果的前沿高新技术产业，是拟建的江苏省（常州）工业技术研究院的服务的产业核心和研发的产业立足点。
直接影响生活最优化和智能化的摘果机技术是摘果机与智能装备产业的技术核心，推进着未来摘果机与智能装备领域的科技创新力和产业竞争力。
摘果机技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。
经过半个多世纪的发展，摘果机技术在工业生产领域得到了广泛的应用，极大地提升了生产品质并成功解放了劳动力资源。
作为高技术领域中重要的前沿技术之一，摘果机技术具有前瞻性、先导性的特点，对学术研究、产业升级、培养创新意识、保障国家安全、引领未来经济社会的发展有着十分重要的作用。
目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升摘果机技术的学术研究提供了必要的支持，为摘果机的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的摘果机技术研究高潮和发展契机业已到来。
摘果机技术毫无疑问是未来的战略性高技术，充满机遇和挑战。
目前，国际上摘果机市场大概有80亿至100亿，其中工业摘果机占的比重最大。
2025年，整个摘果机市场将达到500亿，服务摘果机从原来的300多万台增加到1200多万台，特种摘果机（如：
排爆摘果机、医疗摘果机等）的呼声也越来越高。
另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与摘果机的研制。
美国和日本多年来引领国际摘果机的发展方向，代表着国际上摘果机领域的最高科技水平。
目前，日本除了比较关注特种摘果机和服务摘果机以外，还注重中间件的研制。
然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。
而美国在摘果机领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。
再有，美国主要做高附加值的产业，比如军用摘果机，目前世界销售的9000台军用摘果机之中，有60%来自美国。
比如：
美国最近研制成功的Big Dog军用摘果机，能负重100公斤，行进速度跟人相当，每小时达到五公里，还能适应各种地形，即使是在侧面受到冲击时也能保持很好的系统稳定性。
在各种摘果机中，工业摘果机应用较早，发展最为成熟。
同时，技术的不断进步一直在牵引着摘果机学科的发展，使摘果机的应用领域从工业摘果机扩展到特种摘果机和服务摘果机等。
摘果机技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。
摘果机不但将在工厂、实验室与人一起工作，还将在车站、机场、码头、交通路口为人们指引路径、回答问题、帮助行人。
摘果机还将步入千家万户，为老人端茶送水，护理伤病人等等。
未来摘果机将会越来越广泛地进入人类社会，人类对摘果机的依赖会如同现时对待计算机一样，即使是短时间的离开都可能会造成很大不便。
摘果机化是先进制造领域的重要标志和关键技术，针对先进制造业生产效率提高的诸多瓶颈问题，尤其是在汽车产业中，摘果机得到了广泛的应用。
如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，摘果机都已逐步取代了人工作业。
目前汽车制造业是所有行业中人均拥有摘果机密度最高的行业，如2004年德国制造业中每1万名工人中拥有摘果机的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有摘果机的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有辅助操作的摘果机数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中摘果机的拥有数量则高达1600台。
在国外，应用于制造业的摘果机取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名摘果机公司。
如德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。
据专家预测，摘果机产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。
据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际摘果机联合会（IFR）的统计，2002年至2004年，世界摘果机市场年增长率平均在10%左右，2005年达到创纪录的30%，2007年全球摘果机实际安装量达到650万台，摘果机安装量比2006年增加3%，达到了114365台。
据统计，近年来全球摘果机行业发展迅速，2008年全球摘果机行业总销售量比2006年增长25％。
而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有130余家专业的摘果机制造商。
世界各国主要行业对摘果机的需求详见图1所示。
（图1 世界各国主要行业对摘果机的需求分布）
由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。
但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。
封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。
因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。
人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。
综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。
不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。
综合与专业是多层次的。
在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。
在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。
本文所设计摘果机虽然尚无法取代人工作业，但是对摘果机应用到农业采摘相关技术奠定了实践基础，并对进一步实验带来了可操作的实验平台，对累积相关制作技术有很好的验证作用。
摘果机特点
本文所设计摘果机是一种电机驱动轮式5轴摘果机，整体结构包括两自由度的移动载体和三自由度带夹持器的机械臂。
摘果机主体使用铝板材料和工程塑料组装成摘果机机体，结构轻巧，方便在车体上增加模块。
移动底盘：
为了适应多变的开放式的苹果园地面环境，选用农用拖拉机式移动小车作为移动底盘。
上面加装了主控电路板，采摘辅助装置，多种传感器，电源模块等。
传动结构：
主要包括机械手腰部，大臂，小臂部分。
其转动均采用交流伺服电机作为驱动源，选用行星齿轮减速器对电机进行减速，同时提高最终的输出扭矩。
直接选用电动推杆作为小臂伸缩的部件，在伸出杆的末端通过螺丝连接相应旋转法兰盘组件与末端执行器固连。
末端执行器初步选定使用夹持机构将果实夹紧并采摘。
本论文主要研究运用UG对全自动摘果机进行设计。
在设计过程中，了解UG的各种功能。
UG公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内。
当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。
从1995年推出第一套UG三维机械设计软件至今已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。
1997年，UG被法国达索（DassaultSystemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。
UG软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。
由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，UG公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得UG每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名。
从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖。
其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予UG最佳编辑奖，以表彰UG的创新、活力和简明。
至此，UG所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
由于UG出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。
终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将UG全资并购。
公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。
并购后的UG以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。
UG三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术。
UG成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的UG软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过UG的培训课程。
据世界上著名的人才招聘网站检索，与其它3DCAD软件相比，UG相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这一事实说明了越来越多的工程师和设计者使用UG三维软件，越来越多的企业需要UG人才。
UG软件功能强大，易于操作，界面人性化，技术创新，组件繁多是UG的五大特点。
使得UG三维软件成为目前全球领先的三维CAD解决方案。
UG在设计时能够为用户提供不同的设计方案，通过方案的筛选，工程师能从中选择合适的方案，从而在设计过程中降低设计的错误以及提高产品质量。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，UG是设计过程比较简便又通俗易懂的软件之一。
它不仅提供如此人性化的系统，同时对每个工程师和设计者，乃至整个机械行业提供了良好的发展基础。
UG软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，UG公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得UG每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予UG最佳编辑奖，以表彰UG的创新、活力和简明。
至此，UG所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
由于UG出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。
终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将UG全资并购。
公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。
并购后的UG以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，UG三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，UG成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的UG软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过UG的培训课程。
据世界上著名的人才网站检索，与其它3DCAD系统相比，与UG相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用UG，越来越多的企业雇佣UG人才。
据统计，全世界用户每年使用UG的时间已达5500万小时。
在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把UG列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、浙江工业大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用UG进行教学。
UG软件功能强大，组件繁多。
UG有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得UG成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
UG能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
UG不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
UG在现今社会阶段逐渐广泛应用，并且UG公司对中国市场重点开发，日后UG应用将会更加完善，更加普遍。
通过前文对UG的深入了解后，往后会对UG进行个别应用的分析，如建模，装配，工程图，力学分析等。
UG软件功能强大，组件繁多。
UG有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得UG成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
UG能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
UG不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
2摘果机的创新设计
摘果机的总体方案图
根据设计要求及自己确定的总体结构简图如图1。
图1
其中设备总体分10部分，1部分为控制部分、2传感器组件、3行走小车组件、4摘果机腰部组件、5大臂辅助组件、6大臂组件、7小臂之电动伸缩组件、8小臂组件、9旋转法兰组件、10末端执行器。
各部分由电机驱动并通过通过齿轮、轴、电动缸等进行有效链接配合产生作用。
其中控制部分中含有蓄电池和集中控制线路由通过传感器接受信息并处理运动、工作、执行命令相关动态信息及时指挥摘果机采摘苹果。
摘果机的工作原理
为了达到摘果机采摘苹果的目的，个人制作了两种方案并比较。
：
动力源：
摘果机伺服驱动系统的作用是为摘果机提供动力并且控制其按照运动控制器的指令到达预定位置。
因为交流伺服电动机具有无电刷和换向器、惯量小、适应于高速大转矩的优点,所以,摘果机的4个关节均采用交流伺服电动机作为驱动源。
综合考虑使用性能和经济性,选用日本安川公司∑-Ⅱ系列交流伺服系统。
传动方式的选择：
摘果机关节需要的是低转速、大转矩的动力,而交流伺服电动机驱动系统输出的是高转速、低转矩的动力。
因此,摘果机的腰关节、小臂和腕部均采用交流伺服电动机串接谐波减速器结合齿轮机构的传动方式。
为了增加传动稳定性，和控制灵活度，固增加连杆机构，辅助程序控制。
连杆机构也是配以伺服电机进行控制。
末端执行器：
接近机构设计
由直线步进电动机的丝杠螺母结构、机架、滑块和导杆构成。
夹持机构
直线步进电动机的丝杠螺母结构、滑块和机架
旋转采摘机构
由安装于腕部的减速步进电动机、连接件Ⅰ和连接件Ⅱ构成。
减速步进电动机机体通过连接件Ⅰ与机架Ⅱ固联，减速步进电动机输出轴通过连接件Ⅱ与机架Ⅰ固联，减速步进电动机旋转带动连接件Ⅱ相对连接件Ⅰ转动。
减速步进电动机旋转角度通过设定脉冲数实现，电动机的最大扭矩可达6N•m。
：
传统摘果机结构简图
整体结构包括两自由度的移动载体和三自由度带夹持器的机械臂。
摘果机主体使用网孔铝板材料和工程塑料组装成摘果机机体，结构轻巧，方便在车体上增加模块。
移动底盘：
为了适应多变的开放式的苹果园地面环境，选用履带式移动小车作为移动底盘。
上面加装了主控电路板，采摘辅助装置，多种传感器，电源模块等。
传动结构：
主要包括机械手腰部，大臂，小臂部分。
其转动均采用交流伺服电机作为驱动源，选用行星齿轮减速器对电机进行减速，同时提高最终的输出扭矩。
直接选用电动推杆作为小臂伸缩的部件，在伸出杆的末端通过螺丝连接相应法兰盘与末端执行器固连。
末端执行器：
末端执行器初步选定使用夹持机构将果实夹紧，再利用剪刀将果柄剪断，这种方法需要精确的检测果柄的位置，之后通过精确调整末端执行器的位置和姿态，其系统的控制难度稍难。
其主要通过动力源，切割机构，接近机构，夹持机构，传感控制系统组成。
接近机构设计:
由电动机的丝杠螺母结构、机架、滑块和导杆构成。
夹持机构：
电动机的丝杠螺母结构、滑块和机架
切割机构：
由刀架和双面刀片组成。
：
上述两种方案中，方案1采用了传统的机械手臂结构，为底盘-支持机构-腰关节-肩关节-肘关节-末端执行器的传动方案。
相比较来讲，方案2采用的是底盘-支持机构-大臂-小臂-末端执行器的方式，而通过连杆辅助大臂的方式，使其控制能力更灵活。
方案1的传动过程比较复杂，包括了3个阶段，而且稳定性不如方案2，同时对于3个传动关节的程序控制也要求更高。
而方案2采用的是连杆辅助，只有2个传动关节，大臂和小臂，对控制系统要求更低，同时，在连杆的辅助下，其稳定性更强，控制能力也更高。
另外1点不同在于末端执行器的采摘方式不同，方案1采用的是旋转采摘法，通过机构系统夹持果实，再通过旋转的方式使果实与果柄分离，从而完成果实采摘。
而方案2首先通过夹持机构将果实夹紧，之后利用切割机构，通过刀片对果柄进行切割，使果实与果柄分离，从而完成果实采摘。
2种方案都需要对果实的具体位置进行精确判断，但是方案1不需要对果柄的位置进行仔细判断，而方案2需要，从这点上来讲，方案2对传感系统的要求更高。
但是方案1通过旋转采摘容易造成果实损伤，而方案2通过切割机构可以保证果实本身的完整性，从这点上来讲，方案2更优。
同时旋转采摘的成功率明显没有切割采摘的高，因为每个果实的连接程度不同，这样导致了旋转次数和强度如果固定在一个范围内不能保证果实采摘成功率。
因此综上考虑，选择方案2比较好。
所选定方案2工作原理
方案2主要包括机械手腰部，大臂，小臂部分。
其转动均采用交流伺服电机作为驱动源，选用行星齿轮减速器对电机进行减速，同时提高最终的输出扭矩。
直接选用电动推杆作为小臂伸缩的部件，在伸出杆的末端通过螺丝连接相应旋转法兰盘组件与末端执行器固连。
末端执行器初步选定使用夹持机构将果实夹紧并采摘。
抛磨机主要零部件选型及强度校核计算
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