油茶振動采收機舉升部件的虛擬樣機設(shè)計【折疊臂式舉升機構(gòu)液壓驅(qū)動】
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油茶振動采收機舉升部件的虛擬樣機設(shè)計
學 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，長沙 410128）
摘 要：本畢業(yè)設(shè)計主要是設(shè)計油茶振動采收機的舉升部件，該部件采用了折疊臂式舉升機構(gòu)，利用液壓驅(qū)動，并用Solidworks建立了三維實體模型，同時進行了靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查，繪制了若干零件圖和總裝圖。
關(guān)鍵詞：油茶；振動采收；舉升部件；虛擬樣機；Solidworks
The Virtual Prototype Design of Camellia Oleifera Vibration Harvesting Lifting Mechanism
Student: He Xiaocong
Tutor:Yang Wenmin
(College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)
Abstract: This design is mainly design the lifting parts of the vibration havesting machine , this part adopts the folding arm type lifting mechanism , using hydraulic pressure drive and Solidworks software to entity 3D model . At the same time ,it has carred on the static and dynamic interference check , made a number of detail drawing and assembly drawing .
Key words: Camellia oleifera ; Vibration Harvesting ; Lifting Mechanism ; Virtual Prototype ; Solidworks
1 前言
1.1 研究背景
油茶樹是木本油料樹，我國目前共有油茶林資源大約5500萬畝，主要分布在淮河、長江以南630多個縣、市區(qū)，全國油茶籽產(chǎn)量有一定規(guī)模的省區(qū)達14個，其中產(chǎn)量在3000t以上的有12個[1]。產(chǎn)量在萬噸以上的省區(qū)有8個，產(chǎn)量在10萬噸以上的省區(qū)有3個，而湖南省無論從油茶種植總面積、良種林面積、油茶籽產(chǎn)量、茶油產(chǎn)量都位居全國之首,如圖1所示。
圖1 國內(nèi)油茶產(chǎn)出量及種植面積情況
Fig 1 Camellia output and planting area in domestic
油茶具有可觀的經(jīng)濟效益。目前市場上的毛茶油每千克售價達50元，且供不應(yīng)求，而經(jīng)過精煉出來的茶油每千克不低于300元。其中湖南企業(yè)金浩茶油王品牌茶油每千克高達390元。茶油是植物油中的上品，全身都是寶，具有極高的營養(yǎng)價值和保健作用，適合現(xiàn)代人追求健康生活的要求。聯(lián)合國糧農(nóng)組織已將茶油定為重點推廣的健康型高級食用植物油，且發(fā)達國家食用植物油基本上已實現(xiàn)木本化，人均每年可達到20千克，而我國目前僅為每人每年0.1千克，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆?007年我國進口油脂油料1509萬噸，國產(chǎn)只有1035萬噸，僅占46%,其中進口橄欖油4500噸，花費高達2000多萬美元，對國際油料市場的依賴性很強。另外，油茶樹屬常綠闊葉樹，適應(yīng)性強，能抵御各種自然災(zāi)害，不與糧棉爭地，且綠化荒山，保持水土，涵養(yǎng)水源，不僅有較強的抗二氧化碳和氯等有害氣體的功能，還是很好的防火樹種，能顯著改善農(nóng)村生態(tài)面貌和人居環(huán)境，實現(xiàn)人與自然的和諧相處[2]。
2009年1月11日，由湖南省林業(yè)科學院主持，瀏陽市林業(yè)局等多個單位共同完成的“油茶雄性不育雜交新品種選育及高效栽培技術(shù)與示范”科研成果獲得了2009年度國家科學技術(shù)進步二等獎。該成果在油茶雜交育種理論和應(yīng)用技術(shù)等方面有重大創(chuàng)新，是油茶科研領(lǐng)域的一個重要里程碑。目前，通過雜交育種方式選育出的首批10個高產(chǎn)優(yōu)良雜交組合，每公頃平均年產(chǎn)油量達450.76?660.65千克，在湖南及我國油茶適宜產(chǎn)區(qū)推廣應(yīng)用并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益。由于高產(chǎn)優(yōu)良油茶樹的推廣，油茶種植面積不斷擴大，釆摘效率低下問題顯得越來越突出，目前我國的油茶果采摘工作基本上都是人工采摘，其作業(yè)環(huán)境差，勞動強度大、費時費力和生產(chǎn)成本高，都嚴重制約著油茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[3]。油茶果的采摘難以實現(xiàn)機械化的原因一方面是油茶屬于灌木類樹木，樹枝較為茂密且韌性強，造成采摘工作難以進行；加上油茶果采摘時正是油茶初花期，采摘時容易損傷花殖，影響來年油茶樹結(jié)果，另一方面油茶果適應(yīng)采摘周期短（一般自由七天左右），在人工采摘效率十分低下的情況下，是很容易錯過最佳采摘時期，一錯過采摘時間，油茶果爆裂導(dǎo)致油茶籽掉落地面，這將影響油茶的產(chǎn)量?？焖侔l(fā)展的油茶業(yè)需要采摘作業(yè)機械化以實現(xiàn)規(guī)模化經(jīng)營和管理從油茶業(yè)的長遠發(fā)展來看，采摘作業(yè)機械化將是未來科技發(fā)展必然的趨勢，這也符合我國經(jīng)濟從勞動密集型向技術(shù)密集型的轉(zhuǎn)變[4]。
1.2 國內(nèi)外果蔬收獲機械研究現(xiàn)狀
機械化收獲作業(yè)的研究始于20世紀60年代的美國，采用的收獲方式主要是機械振搖式和氣動振搖式，其缺點是容易對果實損壞、效率不高和容易采摘還未成熟的果實等缺點。從20世紀80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，以日本為代表的發(fā)達國家，包括美國、法國、英國、西班牙等國家，在收獲采摘機的技術(shù)研究上做了大量的研究工作，試驗成功了多種收獲采摘機器，如西紅柿采摘機、葡萄采摘機、黃瓜采摘機、西瓜收獲機器和蘑菇采摘機等[5]。
1.2.1 國外收獲機械的研究現(xiàn)狀及趨勢
美國學者Schertz和Brown于1968年率先提出采用機械化技術(shù)收獲果實。隨著第一臺西紅柿采摘機在美國的問世，日本和歐美等國家對收獲機器的研究有接近30年的歷史，近十年的發(fā)展速度尤為驚人。
美國作為世界上的科技大國，其收獲機器的技術(shù)發(fā)展速度最快。美國具有成熟的行走式收獲機器理論技術(shù)，這些要歸功于自身發(fā)達的科學技術(shù)、廣闊的領(lǐng)土、較高的機械化程度。2004年，世界農(nóng)業(yè)博覽會在美國加利福利亞開幕，該次展覽會上美國加利福利亞西紅柿機械公司展出了兩臺全自動西紅柿采摘機。它首先利用采摘機的執(zhí)行部件將西紅柿連枝帶葉割倒運輸?shù)椒诌x倉，由于倉內(nèi)具有能識別紅色的光譜分選設(shè)備，這樣就可以把紅色的西紅柿挑選出來，然后將其通過輸送帶傳送到隨行卡車的貨艙內(nèi)，而未成熟的西紅柿連同枝葉一道被粉碎，噴撒在農(nóng)田里作為肥料。在西紅柿種植單位面積產(chǎn)量有保證的前提下，展出的這臺長12.5m、寬4.3m的西紅柿采摘機的效率為每分鐘可高達一噸多西紅柿，每小時可收獲70多噸西紅柿[6]。
日本的采摘機技術(shù)發(fā)展最成熟，最大的原因在于自身的自然資源決定的。眾所周知，日本的土地資源貧乏、勞動力不足、人口密度大、多山地，因此要大力發(fā)展溫室作業(yè)。但是溫室內(nèi)的溫度高、濕度大、不舍和長時間工作，因此日本必須選擇機械化和自動化相集合的發(fā)展方向來彌補自身的短板。經(jīng)過多年的發(fā)展，在施肥機器人、育苗機器人、西紅柿采摘機器人、葡萄采摘機器人、黃瓜采摘機器人等理論研究與應(yīng)用上都代表著世界的頂尖水平。日本Kondo-N等人研制的黃瓜采摘機器人采用六自由度的機械手，這種機械手可以在傾斜棚支架下工作。首先黃瓜的栽培方式須為機械化設(shè)計而設(shè)計。要求黃瓜果實在傾斜棚的下側(cè)，這樣就便于黃瓜與葉的分離，為以后的檢測與采摘更加容易。黃瓜的識別是根據(jù)黃瓜的反射特性，在攝像機前加上慮波片，末端執(zhí)行器上有果梗探測器、切割器和機械手指。采摘時，調(diào)整機械手的位置，讓其抓住黃瓜，由果梗探測器尋找到果梗，然后切割器切斷果梗，機械手回收至輸送帶上，完成一次采摘工作[7]。
此外Kondo-N等人還研究開發(fā)出草莓采摘機器，針對草莓的不同栽培模式(傳統(tǒng)模式和高架方式）研制出了相對應(yīng)的采摘機器。該機器有5個自由度采摘機械手，釆摘執(zhí)行機構(gòu)采用真空系統(tǒng)螺旋加速切割器。收獲時，先確定作業(yè)目標的空間位置，接著采摘機械手移動到合適的采摘位置，同時末端執(zhí)行器向預(yù)定位置移動直到把草莓完全吸入；然后檢測到草莓位置，當草莓位于合適的位置時，腕關(guān)節(jié)移動，果梗便達到指定預(yù)期位置，接著由螺旋加速切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成草莓的采摘工作。1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG)研制出來一種黃瓜收獲機器。該研究在荷蘭2公頃的溫室里進行，黃瓜按照標準的園藝技術(shù)種植并把它培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長。該機器采用紅外視覺系統(tǒng)分辨黃瓜果實，并探測其位置。采摘時，末端機械手只收獲已成熟黃瓜，對未成熟的黃瓜不構(gòu)成損壞。機械手安裝在行走車架上，行走車為機械手的操作進行初步定位。機械手共有7個自由度，采用三菱（Mitsubishi) RY-E26自由度機械手，另外在底座還專門增加了一個線性滑動自由度。黃瓜收獲后自走運輸車完成輸送，運輸車上有可以移動的集裝箱，其中每個集裝箱可以運輸300根黃瓜。整個系統(tǒng)在溫室工作，試驗結(jié)果為工作速度10s/根，實驗室中收獲效果良好，但由于制造成本高、適應(yīng)程度較低等制約，還不能滿足市場化的要求。
1.2.2 國內(nèi)收獲機械的研究現(xiàn)狀及趨勢
國內(nèi)的林果采摘機技術(shù)的研究相對于發(fā)達國家起步較晚，主要以高枝剪等手工采摘工具為主，費時費力效率低。近年來有一些采摘的機器，如伸縮桿式林果采摘器、指型水果采摘器、簧壓式摘取機構(gòu)。這些機器因為沒有突破效率低下的問題，未能得到市場的認可。根據(jù)袖茶林地土壤作業(yè)特點和行株距可選用中小型的機械進入林地，履帶式的車載后懸掛式是比較常見的傳統(tǒng)設(shè)備，不少院校和研究所都以此為基礎(chǔ)，進行采摘機械手的相關(guān)研究，其中以東北林業(yè)大學的陸懷民教授研制出來的林木球果采摘機器人起步較早，主要是以5個自由度的機械手的執(zhí)行機構(gòu)，行走機構(gòu)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。采摘時，機械手停在距采摘對象3—5m處，單片機控制系統(tǒng)根據(jù)實際情況控制機械手，同時大、小臂柔性地升起達到預(yù)期的高度，機械手張開并適時擺動，對準采摘對象大小臂同時動作,使釆摘手順著樹枝生長方向趨近1.5—2m，然后采摘手的梳齒夾攏果枝,大小臂驅(qū)動釆摘手按上次抬升的路徑向后返回,梳下枝上的球果，這樣完成采摘作業(yè)。這種采摘機械的效率是500kg/d,大概是人工采摘效率的30—50倍。對樹枝和果實破壞較小，采凈率相對高的采摘特點。東北林大大膽的嘗試了林果采摘，對國內(nèi)的林果采摘技術(shù)發(fā)展做出了貢獻。但由于采摘效率低，操作復(fù)雜不適合推廣，設(shè)備價格昂貴，沒有實現(xiàn)市場化上海交通大學曹其新教授等人研究開發(fā)的草莓采摘樣機作業(yè)時可根據(jù)采摘對象的標準樣本，改變或調(diào)整樣機采摘草莓的種類，并可一機多用，即便是沒有經(jīng)過專業(yè)培訓的操作人員，也能很容易地掌握其操作方法。
我國林業(yè)采摘機器人的應(yīng)用和推廣有待于引起更大的重視和投入更高的研發(fā)資金，昂貴的采摘機價格對林業(yè)機械的發(fā)展有巨大的局限性。雖然我國多年內(nèi)一直加重在林業(yè)機械上的研發(fā)投資，但相對于發(fā)達國家比重較低。其次采摘機器人涉及的學科較多，工作環(huán)境是非結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)，許多不確定因素給采摘機器的研究帶來了很大的困難。采摘機器人在一定程度上代替人類的工作，但其使用還遠遠沒達到普及的程度[8]，原因在于其中存在兩個關(guān)鍵問題：
1)采摘機智能化程度不高，還不能滿足現(xiàn)代果實采摘的要求。林果采摘的特點是需要采摘機具有相當高的智能和柔性生產(chǎn)的能力及適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，一方面采摘機的自由度越多，運動約靈活，但對其的控制卻增加了難度；
2)使用效率和采摘效率問題，采摘機的工作季節(jié)性強，導(dǎo)致了使用效率低；經(jīng)過對油茶果的實地考察，林果采摘效率低下一個很大的原因在于采摘位置的準確定位問題沒有得到實際解決，油茶果在釆摘時，采摘機很難具有較好的自動識別能力?，F(xiàn)實的采摘環(huán)境下，通常采用的是人機協(xié)作的采摘方式，即由人工選取果實和判斷果實的部位，機器手負責采摘。采摘機器的利用率問題一直困擾著研發(fā)人員，目前研制出來的果實采摘機只能采摘一種果實，如何解決這一問題，可通過對于形狀相似的果實，考慮改變采摘手的末端執(zhí)行器的張開程度來達到目的；而對于形狀不同的果實，可通過更換機器手的末端執(zhí)行器達到采摘目的。這樣采摘機器的利用率將會得到大大的提高。針對我國油茶林立地環(huán)境、采摘作業(yè)條件等特征，提高林業(yè)采摘機主要技術(shù)參數(shù)，研發(fā)制造出油茶果采摘機，提高我國林業(yè)生產(chǎn)水平，加快實現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化進程，其發(fā)展應(yīng)用潛力非常巨大。
1.3 研究意義
隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，誕生于上世紀60年代的美國機器人技術(shù)越來越被世界各國重視，已經(jīng)在國民生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但在林業(yè)領(lǐng)域，由于其經(jīng)濟和技術(shù)上的特殊性，實用化程度較低。國際上一些發(fā)達國家，特別是日本和一些歐美國家，上世紀八十年代就已經(jīng)開始研究，取得了一些成果，開始進入應(yīng)用研究階段。當前我國在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，要達到世界先進水平，必須加大人力和財力的投入。農(nóng)林業(yè)機械化生產(chǎn)比單純的勞動力手工生產(chǎn)有許多優(yōu)點：
1)解決農(nóng)村勞動力不足的問題我國農(nóng)村面臨人口老年化問題，而且隨著農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、多樣化、精確化要求越來越高，勞動力的不足問題將越來越明顯。油茶的采摘作業(yè)屬于勞動密集型工作，再加上時令要求，勞動力問題將很難解決。油茶果采摘機正是在這種情況下應(yīng)運而生。
2)改善人工作業(yè)環(huán)境收獲作業(yè)一般都在戶外進行，自然環(huán)境比較惡劣，人工采摘費時、費力，油茶果采摘機的運用將大大改善人工采摘的工作環(huán)境。
3)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)費用農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)率很低，約為非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的25%，主要是因為勞動力費用消耗大，占用了生產(chǎn)費用的50%左右。因此，傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟效果低，引進油茶果采摘機來提高生產(chǎn)率，具有非常大的意義。
4)降低勞動強度農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，勞動強度大，采摘機在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中的作用在于完成以機械形式難以解決而且勞動集約化程度高的作業(yè)。從經(jīng)濟性方面分析，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是費力最大、耗時最多的一個環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，約占整個生產(chǎn)量的50%—70%。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，要求做到適時釆摘，同時，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品后續(xù)的存儲和加工，從而最終影響市場價格和果農(nóng)的利益。如何以低成本獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品是果蔬生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必須要重視和考慮的問題。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動化程度仍很低，目前國內(nèi)果蔬類采摘工作基本上人工作業(yè)，隨著人口老年化的加劇和農(nóng)村勞動力的減少，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)成本也會相應(yīng)提高，這樣就會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力，因此發(fā)展機械化收獲技術(shù)，降低人工勞動強度和生產(chǎn)費用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，保證林果的適時采收，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖覈鼐o張的情況下，發(fā)展茶油作為食用油是必要和可行的，而且油茶還是一種抗污染能力極強的樹種。目前我國的油茶面積大約為4500畝，年產(chǎn)茶油25萬噸，年產(chǎn)值可達到120億，近年來各地地方政府的大力支持發(fā)展種植油茶業(yè)，根據(jù)《全國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2008-2020 )》，到2020年我國的油茶業(yè)能突破9300畝，也就是說，油茶產(chǎn)量增加到10倍以上，產(chǎn)值相應(yīng)的也要增加到10倍以上，從而使得油茶的產(chǎn)量占到食用油產(chǎn)量的15%。隨著設(shè)施農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和作業(yè)機械化的要求，研究開發(fā)林果收獲機械，實現(xiàn)機械化、自動化收獲是現(xiàn)代林業(yè)工程的重要課題。目前，國內(nèi)的油茶收獲設(shè)備處于研究階段，課題組研制的油茶果采摘機采摘效率是人工的十幾倍。采摘臂和采摘頭是油茶果采摘機的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其工作性能對采摘機的收獲效率和收獲速度具有重要的影響，對執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作空間進行分析研究并開展優(yōu)化具有重要的意義。
1.4 本文主要研究內(nèi)容
本文主要介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)外油茶果機械采摘的研究狀況和虛擬樣機技術(shù)，通過分析幾種舉升部件的優(yōu)缺點，并結(jié)合油茶果采摘的工作環(huán)境和特性要求，從而研究設(shè)計出一款合適的油茶振動采收機舉升部件的虛擬樣機，并對其主要部件進行了詳細設(shè)計; 同時利用Solidworks軟件對各零部件進行了三維實體建模和整機虛擬裝配，并對機構(gòu)進行了靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查[21][23]。
2 油茶振動采收機舉升部件的總體方案設(shè)計
2.1 油茶樹栽培方式和油茶果生物特性
油茶果油茶果樹生物特性、栽培方式和種植環(huán)境等因素是采收機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)和前提,決定著采摘機的結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)方式。生物特性指標包括株高、樹冠面積、徑粗等。通過對油茶果樹的株高、果實的生長位置、果實特點等特性與行距、株距等栽培方式數(shù)據(jù)分析油茶果實生長范圍與收獲作業(yè)特點,作為采摘機設(shè)計時的依據(jù)[9]。
據(jù)權(quán)威調(diào)查油茶林種植密度根據(jù)地塊、坡度、光強度和管理水平確定。土層深厚、肥沃的平地,株行距3mx3m,栽植1110株/hm;坡腳和緩坡地株行距3mx2.5m,栽植1335株/ hm。經(jīng)過改良后的成熟油茶樹一般高為2-3m,冠幅直徑一般為1.5-3m。油茶樹為常綠小喬木，樹高一般在2-3m，主樹干直徑可達20-80cm,樹枝較為茂密，樹冠直徑為4m左右，樹齡一般在200年。一棵油茶樹枝可結(jié)5-10個果實，如圖2.1所示，單個成熟果實的直徑在30-50mm之間，重量一般為50克。
2.2 油茶振動采收機舉升部件的總體方案設(shè)計原則
2.2.1 最優(yōu)的工作空間
采收機的工作空間是其末端執(zhí)行器采摘頭上某一參考點所能達到的所有點的集合，是衡量采收機工作能力的一個重要指標。釆摘臂的主臂和副臂越長,工作空間就越大,采摘范圍相對來說就越廣,通用性也就越好,而且還可以減少行走機構(gòu)的移動頻率,進而提高采收機效率。但是,這跟機械設(shè)計原則簡單緊湊相違背。最優(yōu)的設(shè)計是在工作空間滿足采收機作業(yè)的情況下,采摘臂長度盡量小[10]。常用體積指標v對采收機工作空間進行評價,即:
（1）
（1）式中,V為工作空間的體積;L為各采摘臂長度之和。
為了使采收機的作業(yè)目標在預(yù)期的工作空間內(nèi),不僅需要考慮體積指標,而且還要考慮工作空間的形狀。因此,應(yīng)根據(jù)油茶果的實際分布情況和釆摘作業(yè)的需要,對采摘臂的運動學進行分析,選擇合適的采摘臂構(gòu)型、自由度數(shù)和各臂長度[11]。
2.2.2 合理的結(jié)構(gòu)
設(shè)計油茶果采收機時,不僅要考慮其機構(gòu)形式和參數(shù),而且還要求設(shè)計出合理的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu),如釆摘臂的形狀、粗細,驅(qū)動機構(gòu),驅(qū)動系統(tǒng)等。若采摘臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,可能會出機構(gòu)運動不正常、零件安裝不合理、驅(qū)動精度低、噪音、震動等明顯現(xiàn)象，甚至采摘臂無法啟動。且在滿足使用要求的前提下,應(yīng)減低控制的復(fù)雜性,盡量采用較為簡單的機械結(jié)構(gòu)[12]。
2.2.3 良好的可操作性
采摘機執(zhí)行機構(gòu)進行作業(yè)時,評價好的標準是看采摘臂末端采摘頭是否可以進行空間任一位置姿態(tài)移動。為衡量該能力,Yoshikawa于1983年提出了可操作度的概念,從運動學角度對執(zhí)行機構(gòu)靈活性和可操作性進行評價。用雅克比矩陣表示的可操作性公式為:
（2）
（2）式中, ω執(zhí)行機構(gòu)的可操作度; θ為采摘臂的關(guān)節(jié)變量;J(θ)采摘臂的雅克比矩陣。
ω值越大的位置,執(zhí)行機構(gòu)的靈活性越強。當ω=0時,采摘臂處于奇異點,釆摘臂將失去一個或多個操作自由度,采摘機作業(yè)困難。所以,采摘機執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計時應(yīng)考慮使作業(yè)對象處在可操作度大的范圍內(nèi)來增加靈活性,避開奇異點,提高采摘效率[13][25]。
2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理
這涉及到運動副形式的合理選擇和配置,驅(qū)動的最佳傳遞方式和路線,轉(zhuǎn)動裝置的最佳配比和空間配合等。若機構(gòu)設(shè)計不合理,可能會出現(xiàn)臂機構(gòu)運動干涉,導(dǎo)致機器不能正常運動等問題。
2.2.5 盡量采用少的自由度
自由度越多,靈活性越好,機器就具有越好的操作度。但同時會增加機器的復(fù)雜化,控制困難等問題，因此,在滿足機器正常工作的情況下,自由度盡量少。
綜上可知,釆收機舉升部件的設(shè)計根據(jù)具體作業(yè)要求,分解采摘作業(yè)動作,將舉升部件分成采摘臂和采摘頭兩部分,參照有關(guān)工業(yè)設(shè)備設(shè)計中的關(guān)節(jié)配置方式,設(shè)計出具有最優(yōu)工作空間、避障能力和可操作度的關(guān)節(jié)類型和配置[14]。
2.3 油茶振動采收機舉升部件的總體結(jié)構(gòu)
2.3.1 舉升機構(gòu)
舉升機構(gòu)有多種分類方式。按臂架的形狀分類，有直臂式和曲臂式兩種基本型式；按工作臂的型式分類，有四種基本型式，分別為：垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。根據(jù)高空作業(yè)車，一般設(shè)有變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、平衡機構(gòu)和行走機構(gòu)。依靠變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)載人工作斗在水平和垂直方向的移動；依靠平衡機構(gòu)實現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機構(gòu)實現(xiàn)工作場所的轉(zhuǎn)移[15]。
垂直升降式高空作業(yè)車的升降機構(gòu)有剪叉式和套筒式兩種，其中剪叉式應(yīng)用較為廣泛。剪叉式升降機構(gòu)由多組鉸接成剪形的交叉連桿框架組成。剪叉式升降機構(gòu)在連桿框架間裝有液壓缸，通過液壓缸的伸縮來改變連桿交叉的角度，從而達到改變升降高度的目的。該型式的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、負載能力強，適合較低高度的作業(yè)，但其升降機構(gòu)只能做垂直運動，這導(dǎo)致其作業(yè)范圍狹小，所以它的使用場合較少[16]。
伸縮臂式高空作業(yè)車的升降機構(gòu)由多節(jié)套疊、可伸縮的箱形臂組成。當行駛時，作業(yè)臂收縮套疊；當工作時，各節(jié)臂采用或獨立、或順序、或同步的方式伸縮，以此改變臂架的伸出長度來滿足不同的作業(yè)需求。該型式的主要特點是操作簡單、動作平穩(wěn)，同時可以獲得較大的作業(yè)高度與作業(yè)幅度，因此應(yīng)用非常廣泛。
折疊臂式高空作業(yè)車的升降機構(gòu)是由多節(jié)箱形臂鉸接而成的。折疊臂式通常采用 2～3 節(jié)折疊臂，各節(jié)臂的折疊和展開運動由各節(jié)臂的液壓缸完成。該型式的主要特點是適合較低高度的作業(yè)，升降機構(gòu)靈活多樣、適應(yīng)性好、越障能力較強，因此它的應(yīng)用也比較廣泛[17][22]。
將折疊臂和伸縮臂結(jié)合在一起組成的臂架型式被稱為混合臂式，這種臂架型式融合了兩種基本型式臂架的優(yōu)點，不僅作業(yè)高度和作業(yè)幅度較大，越障能力也較強，但它的結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜。
根據(jù)以上的對比分析，油茶振動采收機舉升部件的總體結(jié)構(gòu)采用折疊臂式舉升機構(gòu)。這種機構(gòu)在液壓缸的驅(qū)動下可以自由升降，且所占空間小，避障能力較好，其主要部件包括轉(zhuǎn)臺，上臂，下臂，機械手爪，液壓伸縮缸等。
根據(jù)任務(wù)要求最大作業(yè)舉升高度為2.5m，根據(jù)油茶樹株距可知最大作業(yè)半徑大概為2.12m，上臂擬定最大仰角為60度，下臂擬定最大仰角為45度，機械手爪及連接部分大概為1m長，不妨設(shè)上臂長為L2，下臂長為L1，上下臂鉸接點之間的距離為0.25m。根據(jù)圖3上下臂示意圖有：
圖2 上下臂示意圖
Fig2 The schematic diagram of upper and lower arm
（3）
（4）
將數(shù)據(jù)代入（3）、（4）式中求得L2≈1805.97mm，L1≈970.01mm,所以可取L2為1820mm，L1為1000mm。
2.3.2 轉(zhuǎn)臺
轉(zhuǎn)臺屬于油茶振動采收機執(zhí)行機構(gòu)的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，能夠擴大幅度作業(yè)范圍。其上端
鉸接下臂，通過變幅油缸支撐下臂舉升。由左右支撐板、變幅油缸座、底板、以及其它一些加強板焊接構(gòu)成。轉(zhuǎn)臺模型如圖3所示。
2.3.3 下臂
下臂也叫做大臂，它起到支撐上臂的作用，它由左右槽鋼、兩端的組合板、伸縮油缸支座、變幅油缸支座組成。其中大臂各板件是焊接而成，各軸套也是焊接在相應(yīng)的銷軸孔內(nèi)。下臂模型如圖4所示。
圖3 轉(zhuǎn)臺
Fig 3 Assembly of turntable
2.3.4 上臂
上臂的作用就是下端鉸接下臂，上端鉸接液壓伸縮缸，是由上臂油缸及調(diào)平油缸支座、以及相應(yīng)的加強板焊接而成。調(diào)平油缸上端鉸接在上臂的油缸支座上，下端與鉸接于振動液壓伸縮缸上的緊固架鉸接在一起，通過拉動該緊固架保證振動液壓伸縮缸始終處于水平位置。上臂模型如圖5所示。
圖4 下臂
Fig 4 Assembly of lower boom
圖5 上 臂
Fig 5 Assembly of higher boom
2.3.5 機械手爪
機械手爪的主要作用是抓住油茶樹。其主要由機械手爪，加強焊接件組成，其上連接有液壓伸縮缸，連接架等。機械手爪模型如圖6所示。
圖6 機械手爪
Fig6 Assembly of manipulator claw
3 液壓系統(tǒng)設(shè)計
3.1 舉升部件的示意結(jié)構(gòu)
折疊臂式舉升機構(gòu)的工作原理簡述如下：油茶振動采收機開至工作地點，根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整好距離，回轉(zhuǎn)車廂工作臺至需要位置，然后利用上、下臂油缸的動作配合是機械手爪達到需要的工作高度和角度，再利用液壓驅(qū)動機械手爪做來回反復(fù)運動，以實現(xiàn)油茶振動采收。工作結(jié)束后，通過液壓控制是舉升機構(gòu)恢復(fù)原來狀態(tài)[18][24]。
舉升機構(gòu)由轉(zhuǎn)臺，臂架及液壓伸縮缸三個基本部分組成。它的工作方式是:
1、油茶振動采收機停好后，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺使舉升機構(gòu)達到合適位置；
2、通過各伸縮液壓缸的協(xié)調(diào)運動,使連接在4號液壓伸縮缸上的機械手爪處于合適高度及角度；
通過以上各種動作的組合,協(xié)調(diào)完成機械手爪的空間定位。
3.2 液壓系統(tǒng)的要求
總體要求各種獨立及協(xié)調(diào)動作必須收放平穩(wěn)、無抖動、晃動現(xiàn)象；在作業(yè)過程中不得有回縮現(xiàn)象,在收回狀態(tài)時不得由于自重而下落。上、下臂工作時,應(yīng)保證起升、下降作業(yè)時動作平穩(wěn)、準確、無爬行、振顫、沖擊及不出現(xiàn)驅(qū)動功率異常增大等現(xiàn)象；工作平臺在額定載荷下工作時,應(yīng)能在任意位置可靠制動[26]。
3.2.1 上臂油缸動作回路
運動方向由手動換向閥A來控制,缸桿4可快速伸出,縮回時為避免由于自重而快速下落,在油路上串聯(lián)節(jié)流閥3調(diào)節(jié)速度,同時串聯(lián)液控順序閥4,以保證在任意位置停止時,油缸不會因為自重而下落。
液壓油缸2的最大伸縮量可根據(jù)圖9求得：
圖7 上臂運動簡圖
Fig7 The upper arm motion diagram
根據(jù)以上幾何關(guān)系可求得：
3.2.2 下臂油缸動作回路
運動方向由手動換向閥B來控制,缸桿5可快速伸出,但油缸落臂時, 由于載荷的重力作用, 會產(chǎn)生重力超速現(xiàn)象因此, 考慮在油缸的無桿腔側(cè)裝設(shè)平衡閥5, 以保證油缸在載荷作用下平穩(wěn)收縮。對本畢業(yè)設(shè)計的折疊臂式油茶振動采收機, 下臂油缸升起到一定角度時油缸受拉,落臂時油缸受壓, 故在液壓回路中裝設(shè)兩塊平衡閥5,同時還在油路中串聯(lián)節(jié)流閥以調(diào)節(jié)下降速度。
液壓油缸9的最大伸縮量可根據(jù)圖10求得：
圖8 下臂運動簡圖
Fig8 The lower arm motion diagram
根據(jù)以上幾何關(guān)系可得：
3.2.3 機械手爪油缸及調(diào)平油缸動作回路
機械手爪的運動由手動換向閥C來控制，缸桿2可快進快退，當機械手爪抓緊后或者調(diào)平油缸調(diào)平后，無論外載荷怎么變化始終需要保持這個位置不變，因此在回路中裝上雙向液壓鎖2以保證動作順利實現(xiàn)。
調(diào)平油缸的運動由手動換向閥D來控制，缸桿1可快進快退，當調(diào)平油缸調(diào)整好后，無論外載荷怎么變化始終需要保持這個位置不變，因此在回路中裝上雙向液壓鎖1來保證動作順利進行。
3.2.4 實現(xiàn)振動油缸動作回路
運動方向由電磁換向閥E控制，該控制閥必須反應(yīng)靈敏，動作迅速，能夠在極短時間內(nèi)切換油缸進油油路以實現(xiàn)缸桿3來回反復(fù)運動，最終達到振動的效果。
4 舉升部件的靜力學分析計算
4.1 上臂的靜力學分析計算
根據(jù)實際情況，不妨假設(shè)上臂在1點受鉛垂外力F，上臂單位長度上的重力為q，支點2在X方向受力為F2x，在Y方向受力為F2y，鉸接點3在X方向受力為F3x，在Y方向受力為F3y，上臂液壓缸軸心線與上臂之間任意時刻的夾角為θ，與水平線夾角為β，上臂總長為L13,1點和2點之間的距離為L12,2點和3點之間的距離為L23。
通過分析可知，當θ處于最小時，即上臂剛開始運動時，液壓缸所受壓力最大，此時上臂與水平面的夾角很小，不妨視為0，從而建立上臂受力簡圖[19]，如圖9所示。
圖9 上臂受力簡圖
Fig 9 The force diagram of higher boom
根據(jù)受力簡圖可得：
（5）
（6）
（7）
（8）
由以上(5)、(6)、(7)、(8)式計算可得油缸軸向壓力F2，鉸接點3在X方向分力F3x和在Y方向分力F3y如下：
（9）
（10）
（11）
（12）
當上臂上升到最大高度時，即β=60°時，根據(jù)圖9由幾何關(guān)系知θ≈5°，通過查找資料知合金鋼的密度為ρ=7700kg/m3,已知L13=1.81m,L12=1.31m,L23=0.5m,上臂的截面積S1=0.006m2，所以q=ρsg=462N/m,將這些數(shù)據(jù)代入上式可得：F2x=F3x≈-2571.24N,F2y≈-224.95N,F3y≈-1811.17N,F2≈2581.06N。負號表示該力的方向與圖示方向相反。
F2y
圖10 下臂受力簡圖
Fig 10 The force diagram of lower boom
4.2 下臂的靜力學分析計算
不妨設(shè)下臂單位長度上的重力為q，鉸接點4在X方向受力為F4x，在Y方向受力為F4y，支點5受到合力為F5，支點6受到X方向分力為F2x，在Y方向分力為F2y，鉸接點7在X方向分力為F3x，在Y方向分力為F3y，下臂液壓缸軸心線與下臂的水平任意夾角α，與水平線夾角為γ，下臂長為L47，鉸接點4到支點5之間的距離為L45，支點5到鉸接點7之間的距離為L57，支點5到支點6之間的距離為L56。
通過分析建立下臂受力簡圖如圖13所示。
根據(jù)受力簡圖可得：
（13）
（14）
（15）
（16）
不妨設(shè)
（17）
（18）
由以上（11）、（12）、（13）、（14）、（15）、（16）式計算可得：
（19）
（20）
（21）
（22）
當下臂上升到最大高度時，即γ=45°時，根據(jù)圖10由幾何關(guān)系知α≈25°，已知合金鋼的密度為ρ=7700kg/m3,L47=1m,L45=0.27m,L56=0.53m,L57=0.73m,下臂的截面積S2=0.0064m2,所以q=ρsg=492.8N/m,將這些數(shù)據(jù)代入以上公式得：T≈-11162.12N，Q=2079.02N，F(xiàn)4x=F5x≈7577.29N,F5y≈20818.43N,F4y≈-18739.41N,F5≈22154.51N。負號表示該力與圖示方向相反。
根據(jù)以上計算可以選出液壓油缸8和9（參照圖2）的型號：
表1 液壓油缸參數(shù)表
Chart1 Table parameters of hydraulic cylinder
液壓油缸序號
缸徑/mm
最大行程/mm
推力/N
拉力/N
活塞桿直徑/mm
速度比
8
40
320
20100
12250
25
1.7
9
50
400
31420
18550
32
1.7
4.3 舉升部件自由度的計算
由圖3.1可知舉升部件中有3個活動構(gòu)件n，3個轉(zhuǎn)動副PL，沒有高副PH，因此根據(jù)以下公式可得舉升部件的自由度F[20]。
F=3n-2PL-PH
=3×3-2×3-0
=3 (個)
即舉升部件的自由度為3，等于舉升部件的機構(gòu)數(shù)，所以舉升部件有固定的運動規(guī)律。
4.4 上下臂的靜力學仿真
3
2
1
圖11 上臂的靜力學仿真
Fig11 The statics of the simulation to upper arm
上臂的載荷約束為：1孔X、Y、Z方向位移自由度全約束，1孔、2孔的X、Z旋轉(zhuǎn)自由度被約束，只留Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，3孔Z方向加載載荷為-649.5N，X方向加載載荷為-375N，X方向加載加速度為-5N/Kg，Z方向加載加速度為-8.66N/Kg。
仿真后如圖14所示，得出上臂所受最大應(yīng)力為1.93e7Pa，最大位移為3.916e-4m，最大主應(yīng)變?yōu)?.795e-5。
下逼的載荷約束為：4孔、5孔的X、Y、Z方向位移自由度全約束，X、Z的旋轉(zhuǎn)自由度全約束，只留Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，3孔Z方向加載載荷為1677.6N，Y方向加載載荷為-1995.6N，4孔Y方向加載載荷為3130.29N，Z方向加載載荷為-524.91N，Y方向加速度為-7.072N/Kg，Z方向加速度為-7.072N/Kg。
7
6
仿真后如圖15所示，得出下臂所受最大應(yīng)力為2.741e7Pa，最大位移為2.053e-4m，最大主應(yīng)變?yōu)?.392e-4。
4
5
圖12 下臂的靜力學仿真
Fig12 The statics of the simulation to lower arm
5 結(jié)論
油茶是我國的主要木本油料樹種，油茶果提取的茶油色清味香，被譽為“東方橄欖油”。隨著我國油茶樹種植面積的不斷擴大及油茶產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，這就需要大量的人力物力，然而人工作業(yè)效率低下，加上油茶主要種植在地形復(fù)雜的林區(qū)，所以人工采摘作業(yè)效率極其低下，這嚴重制約著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此研發(fā)自動化機械設(shè)備代替人工采摘作業(yè)未來科技發(fā)展的必然趨勢。本文根據(jù)油茶的生長環(huán)境，形貌特征以及諸多調(diào)查結(jié)果，對比和分析了目前幾種舉升機構(gòu)的優(yōu)缺點，主要有垂直升降式，伸縮缸式，折疊臂式，混合式四種舉升機構(gòu)。本設(shè)計采用了折疊臂式舉升部件，利用液壓驅(qū)動，同時設(shè)計了液壓系統(tǒng)圖，其主要優(yōu)點有所占空間小，避障能力強，操作靈活等，并利用Solidworks軟件建立了三維實體模型，進行了靜力學計算，并繪制相關(guān)零件圖和總裝圖，同時進行了靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查。
5.1 本文主要工作成果
1）通過查閱國內(nèi)外各種相關(guān)文獻，介紹了我國油茶種植業(yè)及油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時介紹了各種采摘機特別是油茶振動采摘機的特點。
2）結(jié)合油茶樹的生長環(huán)境及油茶果的采摘要求等確定了油茶振動采收機的舉升部件結(jié)構(gòu)，并建立了三維實體模型。
5.2 論文的不足與研究展望
1）本文僅設(shè)計了油茶振動采收機舉升部件的結(jié)構(gòu)，在機械連接與工藝性方面考慮還有疏忽，所以后續(xù)工作可多從這方面開展。
2）本文缺少機械動力學分析及液壓原件的受力分析，所以還需進一步研究改進。
3）本文缺少對舉升部件進行仿真設(shè)計計算以及振動影響分析，這些方面也需要進一步研究改進。
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師楊文敏教授的殷切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下順利完成的。從論文的選題、資料的閱讀和查找、理論研究，到最后論文的撰寫、定稿，都得到了楊文敏教授細心的指點和幫助。在學習期間，楊文敏教授嚴格勤勉的工作作風以及樂觀熱情的生活態(tài)度給我留下了非常深刻的印象，使我獲益良多。值此論文完成之際，謹向?qū)熤乱哉\摯的感謝以及深深的敬意! 同時，也向這三年來傳授我知識的老師們和陪伴我學習和生活的兄弟姐妹們表示真摯的感謝!
感謝各位老師和同學們在學習過程中給予我許多的鼓勵和幫助?；叵胝麄€論文的寫作過程，雖有不易，卻是我這三年來學習的總結(jié)，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會了學習的辛苦以及通過辛苦努力換來甘甜后的喜悅，因此倍感珍惜！
最后，感謝支持和關(guān)愛我的父母、家人及朋友，他們是我勇往直前的堅強后盾，給我關(guān)心和鼓勵；他們是我不斷拚搏的精神支柱，給我勇氣和信心。在我最困難的時候，他們默默支持我，竭盡全力地幫助我，在此向他們表示我最真誠的感謝！
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