椰子采摘机的设计机械设计制造及其自动化.docx
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椰子采摘机的设计机械设计制造及其自动化
毕业论文（设计）
题目：
椰子采摘机的设计
摘要
曲于椰子的摘取工艺过于复杂，椰子的釆摘在一定程度上也对其销量产生负面影响，针对此问题，所以本次毕业设计主要是通过机械臂与机械手的方式完成椰子采摘机的设计，减少椰子釆摘过程中的劳动力损耗。
在整篇设计中，首先对椰子采摘机械手这个概念进行了叙述，确定了组成此椰子采摘机械手的自山度数为5个；其次是对整个椰子自动采摘机的整体结构进行大致设计，接着是机械手、底座等部分的结构设讣一一完成属于此机械手的各个自山度的介绍，各动力元器件的选型与计算。
在上述儿项设计完成了之后，再运用大学四年专业课上老师教授的机械类知识对这些结构进行验证与校核的计•算，最后再使用CAD软件对整个椰子采摘机进行整机、局部、零件等的图纸绘制处理，通过这一连串的结构设计以及参数计算过程，达到课题设计的最终□的。
关键词：
机械手；步进电机；CAD；自由度
Abstract
Becausethepickingprocessofpineappleistoocomplex,thepickingofpineapplehasanegativeimpactonitssalestoacertainextent.Inviewofthisproblem,thisgraduationprojectismainlytocompletethedesignofpineapplepickingmanipulatortoreducethelaborlossintheprocessofpineapplepicking・Inthewholedesign,firstly,theconceptofpineapplepickingmanipulatorisdescribed,andthedegreeoffreedomofthepineapplepickingmanipulatorisdeterminedtobe5.Secondly,theoverallstructureofthewholepineapplepickingmachineisroughlydesigned,followedbythestructuraldesignofthemanipulator,thebaseandotherparts-theintroductionofeachdegreeoffreedombelongingtothemanipulatorandthepowerelementsarecompleted・Selectionandcalculationofcomponents・Afterthesedesignshavebeencompleted,thesestructuresareverifiedandcheckedbyusingthemechanicalknowledgetaughtbytheteachersinthefour-yearprofessionalcourse.Finally,thewholepineappleharvesterisdrawnandprocessedbyCADsoftware・Throughthisseriesofstructuraldesignandparametercalculationprocess,theultimategoaloftheprojectdesignisachieved.
Keywords:
Manipulator;StepperMotor;CAD;DegreeofFreedom
1绪论4
1.1课题研究目的及意义4
1.1.1课题研究目的4
1.1.2课题研究意义4
1.2机械手国内发展形势4
1.3工业机械手应用于椰子釆摘4
1.4本章小结5
2总体方案的确定6
2.1引言6
2.1.1椰子采摘机械手工作环境6
2.1.2原始参数确定6
2.2椰子釆摘机械手的总体构成6
2.2.1机械手的本体组成6
2.3本章小结7
3椰子采摘机械手的结构设计8
3.1引言8
3.2椰子采摘机械手总体外形设计8
3.3椰子釆摘机械手结构设计8
3.3.2腰部结构设计10
3.3.3大臂结构设计10
3.3.4连杆结构设计11
3.3.5伸缩结构设计13
3.3.6手爪处结构的设计13
3.4关键零件强度校核14
3.4.1圆柱蜗杆传动的强度校核15
3.4.2小臂处齿轮的校核17
3.5本章小结19
4底座设计与选型20
4.1引言20
4.2整体结构设计20
4.2.1采摘工作运动环境20
4.2.2行走履带设计20
4.2.3支撑座设计21
4.3本章小结21
5总结23
致谢24
参考文献25
1绪论
1.1课题研究目的及意义
1.1.1课题研究目的
随着水果市场的日益壮大，针对市场上现在的椰子釆摘效率低下，人工采摘及搬运成本高，自动化程度较低的实际情况考虑出发，利用大学所学的知识以及导师的相关帮助设计出一种操作简便，制造成本合理，能大规模投入到椰子采摘工作中去的采摘机械手。
1.1.2课题研究意义
本课题主要希望能通过对椰子采摘机械手的设计，来提升水果采摘的自动化程度，给广大果农带来便利。
与此同时也通过本次课题的研究来完善自己对机械手的认知、提升自己综合运用知识以及处理问题的能力。
1.2机械手国内发展形势
机械手起步最早的是采摘机械手。
纵观09年的三大采摘展，最初的机械手并不是用在农业方面上，而是用在战争行业上的。
中国的最早的机械手模型可以追索到唐朝时期,那是的军队双方交战采用的用来投石的机器就是现在的机械手的最初模型。
但是山于肖初科技没那么发达，所以其动力装置不是现在的这样使用电机驱动，而是利用人丄操作将绳索的势能转化成被投石的机械能，达到进攻敌军的U的。
机械手在我们国家被大量发展还是通过改革开放，改革开放后，伴随着国家一系列重点的事项开启，工业水平得到质的飞跃，机械手也开启属于它的快速的发展道路。
如上海口询已经开始将机械手迈入到医学行业的使用中去。
1.3工业机械手应用于椰子采摘
在椰子采摘过程中，人工采摘费时费力，若要减少采摘成本及采摘工作时长，必然要推翻这样的釆摘模式。
而自动化采摘较为熟知的两和一为水稻收割机式的水平切割,这种采摘方式速度快但准确度低；二为机械手采摘，这种采摘方式采摘过程的定位精确度高，但结构复朵。
综合椰子的生长环境及椰子树的外形结构等全方位因素考虑，由于椰子种植地地面凹凸不平，以及椰子树高低不等，所以类似于水稻收割机式的水平采摘方式必然不可取，这样的釆摘方式会有各种限制，例如：
较高的椰子釆摘下后相连的枝干较长，还要后期处理增加劳动力，较低的椰子采摘过程中可能出现椰子被切碎或者干脆没有被切割到。
因此，选用笫二种方案一一机械手采摘。
椰子采摘机械手主要由工业机械臂演化而来，机械臂在工业生产中起到了至关重要的作用，例如：
在特殊环境中操作、高精密度或者高强度作业等，完成人力无法达到或者很难达到的工作LI标。
而在椰子采摘中，工作条件远以及工作环境没有工业生产来的复杂，采摘工作在普通环境下进行，椰子个体质量不大，都在l-3Kg,因此，在本次设计中，机械手的设计不需要采用特殊材料，只需要根据椰子的个体大小及质量，椰子树的外形结构等来设讣椰子采摘机械手的结构。
当然，所有的设计必须满足强度校核以及刚度校核，以保证椰子釆摘过程的安全进行。
1.4本章小结
在本章中，重点介绍了机械手的国内外发展形势以及国内外发展的差异，最后也说明了本次设计的灵感来源一一工业机械臂，以及选用机械手采摘的原因。
2总体方案的确定
2.1引言
在开始此机械手的设计之前。
我们需要明确的一个点就是此机械手需要做的具体工步是什么？
为了方便我们的研究。
本次将此椰子采摘机械手定位于将lm左右高度的椰子所在起点位置A点，通过各关节自山度的运转放置到B点的过程。
2.1.1椰子釆摘机械手工作环境
本次的椰子采摘机械手主要投入到农业生产的水果采摘中，定位为普通果园的椰子采摘过程，同时需要考虑到，机械手所能达到的抓取的精度必须要符合设汁要求。
2.1.2原始参数确定
本课题的主要研究内容设讣一个可以用来在常见的环境中能完成釆摘椰子任务的机械手装置。
通过对被采摘对象一一单个椰子的具体情况了解，我们拟定本次的机械手的相关参数为以下儿个方面：
1：
采摘机械手总高度不超过1.5m；2：
机械手自由度定为:
5个；3：
各关节转速＜5rpma所设计的椰子采摘机械手必须满足以上三个参数，以保证椰子采摘机械手在工作过程中能正常运行。
2.2椰子釆摘机械手的总体构成
2.2.1机械手的本体组成
本次设计的椰子采摘机械手山底座、腰部、大臂、连杆机构、小臂、手腕和手爪等多个部分组成，形成一个五自由度采摘机械手。
2.2.2机械手自由度的分配
既然要进行自山度的设计，那必须要明确自由度的定义：
即机构可运动的关节数U。
因为对于工业釆摘机械手来说一个可以运动的关节就是一个自山度，所以显而易见,增加机械手上的自山度数U,在一定程度上可以增加这个釆摘机械手的灵活性和能动性。
但这么说也不是就意味着自山度的数量也多越好，就比如大家买金银首饰，纯度越高的同时价格会越贵。
机械手的自由度也一样，数量的增多有利有弊，自由度多时机械手运作更灵活，但同时它控制起来也会越困难，再往现实一点说，制造的成本也越高，这样就不符合设计中节约成本的原则。
所以在设定自山度的数量时，要跟及实际惜况，符合条件即可，在能达到采摘工作中各项要求的同时，秉持节约制造成本的原则。
针对上述关于机械手自山度数量的利弊分析，最终决定将本椰子采摘机械手的自山度数量定义为五个：
此5个自山度是山4个旋转副和1个直线副组成，同时，通过电动机来驱动每一个关节的运转。
机械臂各部分结构介绍如下：
结构1是底座，可进行360°转动；结构2是大臂，可进行180。
转动；结构3是连杆机构，与大臂一样能进行180。
转动；结构4是齿轮齿条机构，能够上下滑动，上下滑动的距离范用为0〜240mm：
机构5为腕部结构。
釆摘机械手的端部我们就采用手爪的形式来进行当做抓取的形式，本次设计的具体形式如下图2-1所示：
图2-1采摘机械手结构简图
2.3本章小结
在本章中，主要依据果园中椰子采摘过程实际工作环境的限制来完成本次设讣的椰子采摘机械手的各项技术参数的设汁计算，最后对这个采摘机械手的5个自山度的分配进行一个详细叙述。
下一章主要对此椰子采摘机械手进行一个参数化设汁及验证校核。
3椰子釆摘机械手的结构设计
3.1引言
本章主要从机械设汁的角度，如设讣、校核、选型等方面来设ilil•算机械手的各部分结构及电机的选型等。
但山于机械手的小部件太多，结构复杂，因此在本次设计中只对主要结构进行设汁计算及校核。
3.2椰子采摘机械手总体外形设计
在第二章中已经确定了此椰子采摘机械手的执行机构的自由度数，确定了这个椰子采摘机械手在正常的工作的悄况下可能遇到的工况1W况，确定了这个椰子采摘机械手的自由度是如何进行的一个分配，确定了此椰子机械手的各自山度组成。
所以针对这些内容我们设计•出的符合此抓取机械手的原理图如下图3-1所示：
3.3椰子采摘机械手结构设计
外观的设计对于机械设计中来说是一个先决条件也是一个重要前提。
但是，虽然外观设计•能够满足需求，实际上细化到每个部件的时候还需要考虑各方面的因素。
如：
部件的选型是否合适？
部件的加工工艺水平能否达到我们需要的点？
以及部件的设汁需要注意点是什么？
这些都是我们需要进一步考虑的内容。
针对这些，需要对此椰子采摘机械手进行结构部件细化设汁如下：
3.3.1底座结构设计
对于本次要设汁的椰子采摘机械手来说，前面对他的组成自山度以及结构有了一个整体的规划。
那么在本小章节我们要先对组成这个机械手的第一个自山度也就是底座的组成。
地做结构使我们这个机械手的第一个自山度，同时也是我们这个机械手的载体组成。
因为对于一个机械手来说，其所有的重量以及运转的部件都是以此当做基础的。
所以这样的要求对底座就需要具有强度和足够的刚度支撑。
在前面的原理图中，我们已经确定了此第一个自由度具有360°的回转能力。
考虑到这点我们将第一个自由度定为蜗轮蜗杆结构。
之所以选择涡轮蜗杆结构是因为其具有如下特性：
1：
作为机械手的底座结构不应该具有急回特性，而蜗轮蜗杆就不具有急回特性；
2：
蜗轮蜗杆具有转矩大、承受负载高的特性；
3：
输出转矩稳定，不会出现大幅度衰减的问题；
4：
蜗轮蜗杆制造难度低，制造成本合理；
针对以上，底座结构选用的就是蜗轮蜗杆机构。
从下图3-2我们可以看出，在结构上涡轮是通过键与涡轮轴进行连接的。
当电机进行运转时，蜗杆将动力传递给涡轮，涡轮在通过键将动力传递给涡轮轴。
这样电机的动力就能就能转化为涡轮轴的动能。
而涡轮轴的的旋转也就是我们底座可以旋转的自由度组成。
涡轮的下方设计有卡簧，其口的是对涡轮进行一个支撑。
依据椰子采摘要求，初步设定如下参数：
底座总高：
237mm,动力源为涡轮蜗杆，旋转范围达到360度，此处选择的电机为步进电机，其功率为7.3KW,联轴器的效率为0.9.故输出功率：
Pg=Pyx0.9=7.5x0.9=6.75KW
额定功率为7.5KW,查表得电机型号：
Y132M2-6,n二800r/min。
所以其转矩为:
p75
「=95环普=9550x—=S0.5N.”此处取7；=SON•“
底座结构图如下:
电机
图3-2底座内部结构示总图
3.3.2腰部结构设计
在本小节中需要完成的设汁就是构成此机械手的中间转接体的腰部结构。
对于腰部结构在空间组成上，其定义就是为了转接底座主轴与大臂等机构。
作为一个连接体，山于要跟底座主轴进行一个连接，所以在结构上将其设计成圆柱形状，连接的方式采用螺钉螺母进行连接，即底座主轴的动力是通过螺钉传递给腰部结构的。
其次，既然腰部结构还要跟大臂等结构连接，那么我们在设计上考虑的是将其腰部结构的侧面也开儿个螺纹孔，其目的一方面是为了连接大臂结构，另一方面是为了连接大臂结构的电机。
为了能让大臂进行一个运转，电动机需要一个载体和大臂进行连接，这个载体选定为大臂轴来进行连接。
动力上的传输原理如下：
电动机将动力通过键传递给大臂轴，大臂轴乂是和大臂通过连接螺钉进行固定的，这样就能将电动机的动力传递给大臂。
针对这些，设计出如下示意图：
图3-4腰部结构示意图
3.3.3大臂结构设计
完成了机械手的底座和腰部结构的设计之后，下面需要设讣的一个机构就是刚才上面提到的和腰部机构进行连接的大臂机构。
大臂机构从结构上来说应该是简单的，而且其连接形式也比较明确，就是下面连接腰部结构、上面连接凸台结构。
因此对于这个大臂结构来说我们需要考虑的内容就是如何完成这两个位置处的定位问题。
对于与腰部结构的定位，前面已经确定了，就是通过连接螺钉与大臂轴进行连接，这是周向定位，而对于轴向定位就采用键进行连接。
同理对于与上面的凸台机构连接也是一样的道理。
我们也是考虑了两个方向上的定位，轴向和周向。
设计的大臂的结构形式如下图3-5所示。
依据大臂在工作中的运动性质及底座蜗轮蜗杆的电机选型，本次大臂中电机型号选用：
Y132S-4作=5.5KW；n=1440r/min；〃=0.9,故其转矩：
T.=9550x=32.8N•in<80N•m
1440
大臂处的电机选择符合设计要求。
大臂的长度最大值为：
1000-237二763mm,取563mm。
大臂结构设计如图3-5所示：
图3-5机械手大臂结构示意图
3.3.4连杆结构设计
底座与腰部体的连接组成其第一个自山度，大臂机构组成其第二个自山度，而笫三个自由度我们将其设计•成连杆结构。
由于大臂机构的长度已定，而为了连接的方便连杆结构也要与大臂的端部连接件凸台进行相同的连接，所以我们将此连杆拆分成三个进行说明：
电动机带动驱动连杆1,通过中间连杆2将动力传递给连杆3,而连杆3也就是执行连杆，会将连杆2所传递过来的动力传递给与大臂相连的凸台机构。
根据以上思路
设讣的连杆具体示意图参见下图3-6所示。
根据上述儿点设讣思路，对整个连杆机构有了初步的设计方案，具体的参数计算如下：
初步选择此处电机型号为Y132S1-2&垃=5.5KWn=2900r/min77=0.98,it
算得其转矩为：
T4=9550x"x（）・"=17.77V•m2900
电机的选型完成后，开始设计大连杆的各项参数要求，从长度设计开始，大连杆的长度应满足以下要求：
LK763mm,L2<763mm,Ll+L2>565mm,L3的长度选择无具体数据要求，只需满足大臂与连杆连接的配合要求即可。
取L1二290mm,L2二315mm。
为了满足其刚度和硬度要求L1的厚度取13mm,L2的厚度取20mm。
四杆机构的结构示意图如下图3-6和3-7所示：
图3-6连杆机构设计
这三个连杆的连接也是通过两个方向上的定位。
一是轴向定位，一是周向定位。
具体的定位方式在前面的大臂机构设计•中已经提到过了。
根据以上设计•条件，作出如下结构示意图：
图3-7连杆机构连接设计
3.3.5伸缩结构设计
第4个自山度即小臂部分，在结构上，我们想将其设计成可以伸缩的状态。
那么，对于这样的状态常常使用的动力驱动形式有三种。
气压、液压和电机。
对于气压和液压来说，其密封性一直悬而未决，所以本次这个小臂结构依然采用电机进行提供动力，其具体的形式选用齿轮齿条进行伸缩，结构如下图所示：
其中，齿轮的各项参数：
m二3,齿数Z二20。
此处的齿条长度取227mm。
3.3.6手爪处结构的设计
通过查阅相关的资料可以得知对于一个机械手来说，其执行部分的爪部结构常常有三种形式的存在：
一种是类似于人手形状的抓取型的，另一种则是夹持型的，最后一种则是吸附型的。
既然我们的机械手在作用上是用来进行椰子的采摘的，那么，本次设计的机械手的手爪部分就采用类似手爪形状的形式。
具体的形状如下图3-9所示：
图3-9手爪设计图
从上面这个图上面，可以清楚的看出，本次设计的椰子釆摘机械手的手爪部分是由4个类似手指的关节件组成。
当控制系统下命令对椰子进行采摘时，机械手的其他相关结构进行一个自由度的空间位移变换。
最后，手爪的松紧决定了椰子的抓取和放松。
对于这个机械手的手爪来说，在结构上需要考虑其是如何进行固定的。
参考下图3-10可以看出，这个机械手的手爪部分的动力装置也是山电动机进行提供的。
在结构上，电动机的动力要传递到手爪轴上，则是通过键连接来传递动力。
而手爪轴与手爪之间的固定方式为螺钉固定，这样一来当电动机运转的时候，就会带动手爪轴进行转动，手抓轴转动就会带动手爪结构的转动，动力的传动依次递进到手爪为止。
由于如果手爪轴和手爪结构只是单一的纯机械连接的话可能会造成手爪结构在运转的时候阻力较大的悄况发生。
所以，针对这个问题，我们在手爪结构中设计了轴承来达到运转时候的润滑作用。
电机
手JK
轴承
轴
紬重端盖
图3-10手爪部分结构示意图
3.4关键零件强度校核
3.4.1圆柱蜗杆传动的强度校核
1•蜗杆的受力分析
为了方便汁算，将蜗轮蜗杆啮合过程中摩擦力的影响忽略不计，其他参数参照以下
公式进行计算：
Frl=Fr2=F山ma
cosancos/cosancos/d2cosancos/
（3-1）
（3-2）
（3-3）
（3-4）
式中：
Tl、T2——蜗杆及涡轮上的公称转矩；
dl、d2——蜗杆及涡轮的分度圆直径；
图3・12（a）图3・12（b）
图3・12蜗轮蜗杆传动受力分析示意图
/——蜗杆分度圆柱导程角，此处/=4°34’26”
2.蜗轮齿面接触疲劳强度校核：
M[b〃]
查表得乙二2.6。
根据设计的要求：
T产8X104N・mnbT:
=5X104N•mm,滑动速度0・3m/s。
蜗轮材料选灰铸钢HT200,则Zw=188.0,[tr„]=132MPaaK二KAKHKv。
取KA=1,KP=bKv二1・1。
则K=1X1X1.1=1.Io将相关数据代入式3-5得:
（3-7）
b〃=X2.6X188MFa<1^1=182MPa
综上所述，蜗轮符合齿面接触疲劳强度的要求。
3.
蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核
式中:
厶一一蜗轮轮齿弧长，其中&为蜗轮齿宽角;
—法向模数，mzncosy;
齿根应力校正系数;
Y£——弯曲疲劳强度的重合度系数，取电二0.667；
「―螺旋角影响系数，沪-胡
将以上参数代入式（3-6）得
（3-8）
H邑禺必S[6・]
cljd2nicosg
式中:
Y畑一一蜗轮齿形系数，可山表查得Y,a2=2.48
y4°36,26M
乙=]_亠=]_=0.902
120°
°120°
将相关数据代入式（3-7）中得：
磴产2沪亦册黑才2畑。
.962"杯心。
呗
（3-9）
该蜗轮符合齿根弯曲疲劳强度的要求。
4•蜗杆的刚度校核
本设计中的蜗杆材料为45钢。
为了防止特殊悄况下蜗杆受到力的作用后发生较为明显的形变，从而造成应力集中，对蜗轮蜗杆的啮合产生影响，所以除了齿面接触疲劳
强度和齿根弯曲疲劳强度校核以外还要进行蜗杆的刚度校核。
计算过程中，为了方便讣
算，将蜗杆的螺旋部分忽略不计，当做圆柱形的轴段来计算，计算公式如下所示：
48EI
式中:
Ffl——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：
蜗杆所受的圆周力由公式（3-2）
已经推出;
Frl——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：
蜗杆所受的径向力山公式（3-3）
已经推出；
E——这个字母在这个计•算公式中代表的意义是：
蜗杆材料的弹性模量；
I——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：
蜗杆危险截面的惯性矩,匸仏，其中£为蜗杆齿根圆直径；
64
L——这个字母在这个计算公式中代表的意义是：
蜗杆两端支承间的跨距,
L二166mm；
［刃一一这个字母在这个讣算公式中代表的意义是：
许用最大挠度,
将相关数据代入公式（3-8）得:
3.4.2小臂处齿轮的校核
我们此处说的齿轮就是指前面所确定的齿轮校核。
在前面的设计过程中，我们已经对这个齿轮进行了一个参数确定呼3,Z二20.
齿轮弯曲强度校核（直齿轮）
（4-1）
式中:
片—圆周力：
F严匹;
d
tk—计算载荷
d—节圆直径：
d=上竺，其中叫为齿轮的法向模数；
COS0
0—斜齿轮螺旋角；
Ka—应力集中系数，查表，取K"二1.50；
b—齿面宽；
t—法向齿距：
t=mnn；
y—齿形系数,可按当量齿数=——在齿形系数图4.1中查得;COS，P
K£—重合度影响系数，查表
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