3米高油茶樹采摘臂及固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真含proe三維及6張CAD圖,油茶,采摘,固定,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)學(xué),仿真,proe,三維,cad
文獻(xiàn)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(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。本研究以設(shè)計(jì)出實(shí)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(jìn)行深入分析,利用Pro/E軟件對油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配?;窘鉀Q了采摘?jiǎng)趧?dòng)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(huì)使用電力或者其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備來替代傳統(tǒng)的手工操作勞動(dòng),這樣的生產(chǎn)措施或手段即機(jī)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(jī)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(dòng)力,提高了人類幸福感,為人類進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)?,F(xiàn)如今,各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用了機(jī)械化,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面都已經(jīng)普及,所以機(jī)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(jìn)步,工業(yè)方面的機(jī)械化已經(jīng)輻射到農(nóng)業(yè),各種農(nóng)田自動(dòng)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(jī)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(kuò)大,高油茶樹已經(jīng)成為了許多地方的經(jīng)濟(jì)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(shí),而且具有一定危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)。所以,在全球的機(jī)械化潮流下,而機(jī)械化采摘是不可阻擋的,本次設(shè)計(jì)就是針對于3米高油茶樹采摘臂的設(shè)計(jì)。
2 研究背景
我國是一個(gè)油茶種植大國,全國14個(gè)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(shí)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(fèi)時(shí),同時(shí)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(shí)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(dòng)化程度和工作效率也較高,但其機(jī)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(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。目前對油茶采摘臂的報(bào)道比較少,最近國內(nèi)也有一些采摘臂具的專利,如堅(jiān)果采摘臂,這些專利能在一定程度上減輕采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(jì)出實(shí)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(jìn)行深入分析,利用Pro/E軟件對油茶果采摘臂進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配?;窘鉀Q了采摘?jiǎng)趧?dòng)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(jī)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(jī)械臂。它的結(jié)構(gòu)是:機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂,頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)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(jī)械臂。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)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(dòng);控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械臂就是在這個(gè)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(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械臂。
1962年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械臂。該機(jī)械臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械臂出現(xiàn)在六十年代初,但都是國外工業(yè)機(jī)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(jī)械臂,裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械臂,主要用于起重運(yùn)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(diǎn)焊機(jī)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(jī)械臂發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械臂后大力從事機(jī)械臂的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械臂,至1977年底,其中一半是國產(chǎn),一半是進(jìn)口。
目前,工業(yè)機(jī)械臂大部分還屬于第一代,主要依靠工人進(jìn)行控制;改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械臂正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)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(jī)械臂具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械臂則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)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(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械臂絕大部分為專用機(jī)械臂,附屬于某一設(shè)備,其工作程序是固定的。通用機(jī)械臂也有發(fā)展,目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點(diǎn)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(jī)械臂的發(fā)展和改進(jìn)在國內(nèi)外已然成為重中之重,改進(jìn)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(fèi)巨資在美國引用機(jī)械臂的先進(jìn)知識,從而研究出了比肩世界水平的機(jī)械臂,在歐洲國家,也投入了大量的人力物力進(jìn)行機(jī)械臂的研究和發(fā)展,也取得了不錯(cuò)的成績[4]。
我國因?yàn)楣I(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(jī)械臂方面?,F(xiàn)在機(jī)械臂已經(jīng)普及到了工業(yè)。
機(jī)械臂的研究發(fā)展的趨勢有以下三種情況:
(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、一體化發(fā)展。例如機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)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(gè)整體,機(jī)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(xiàng)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(dòng)作。相對于全智能機(jī)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(shí)能更及時(shí)停止以免造成更嚴(yán)重的損失。
(3)全人工操作的機(jī)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(jī)械臂一般沒有驅(qū)動(dòng)裝置,通過一些簡單的傳動(dòng)裝置,在人工施加驅(qū)動(dòng)力的情況下,完成一些高空或者遠(yuǎn)處的簡單動(dòng)作。
(4)機(jī)械臂的應(yīng)用主要依據(jù)所需要進(jìn)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(dòng)力,提高勞動(dòng)效率,完成手工無法完成的工作。總而言之,機(jī)械臂的發(fā)展會(huì)使人類不斷的進(jìn)步。
4 總結(jié)
油茶采摘臂是一種極具研究價(jià)值和應(yīng)用前景的農(nóng)用地面移動(dòng)機(jī)器人,本論文對具有移動(dòng)功能的采摘臂進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和論證,本論文完成的主要工作如下:
本次設(shè)計(jì)利用對采摘臂運(yùn)動(dòng)過程的研究,設(shè)計(jì)了采摘臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂在其他領(lǐng)域的發(fā)展,證實(shí)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(jì)出了各個(gè)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(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和尺寸干涉實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步優(yōu)化了零件尺寸,提高了機(jī)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(shí)進(jìn)行了力學(xué)分析,更加確定了機(jī)構(gòu)的安全。
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