手持式伸縮桿電動(dòng)蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)含開題及9張CAD圖,手持,伸縮,電動(dòng),蘋果,采摘,機(jī)械手,設(shè)計(jì),開題,CAD 摘 要 目前我國(guó)蘋果的采摘作業(yè)大都為人工采摘，為加快采摘效率需要增加勞動(dòng)力，但我們需要研發(fā)水果采摘機(jī)械來提高工作效率解決勞動(dòng)人口日益減少的問題。 本文以蘋果為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了手持式伸縮桿電動(dòng)蘋果采摘機(jī)械手，其主要由采摘器及伸縮桿構(gòu)成。 本文首先，對(duì)蘋果采摘機(jī)械手現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行調(diào)研；接著，結(jié)合對(duì)蘋果園及果樹的實(shí)際情況和搜集的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)方案，即：能夠電動(dòng)伸縮的自動(dòng)調(diào)節(jié)伸縮桿長(zhǎng)度及集拉抓與剪切為一體的采摘器；然后，對(duì)各主要機(jī)構(gòu)及其零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇；最后，采用AutoCAD繪制了其裝配圖及主要零部件圖。 關(guān)鍵詞：蘋果；手持式；末端執(zhí)行器；伸縮桿 I 河北科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 ABSTRACT At present, most of the apple picking operations in China are manual picking. To speed up the picking efficiency, we need to increase labor, but we need to develop fruit picking machinery to improve work efficiency to solve the problem of the declining labor force.This paper takes apple as the research object and designs a handheld telescopic pole electric apple picking manipulator, which is mainly composed of a picker and a telescopic rod.This article firstly investigates the current status and structural principles of the apple picking manipulator; then, combined with the actual situation of the apple orchard and fruit trees and the collected data, a structural scheme is designed, namely: the length of the telescopic rod and the tension can be adjusted automatically Picker with grabbing and shearing as a whole; then, design and select the main mechanism and its parts; finally, using AutoCAD to draw its assembly drawing and main parts drawing. Keywords: Apple; Handheld; End Effector; Telescopic Rod  目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 2 1.1 課題背景及意義 2 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.3 采摘機(jī)器人存在的問題 4 第2章 蘋果采摘機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 6 2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析 6 2.2末端執(zhí)行器的選擇 6 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 8 2.4 采摘機(jī)械手機(jī)械臂的選擇 9 第3章 采摘器的設(shè)計(jì) 10 3.1采摘電機(jī)的選擇 10 3.1.1電機(jī)類型的選擇 10 3.1.2電機(jī)型號(hào)選擇 10 3.2絲桿螺母副的選型與校核 12 3.2.1型號(hào)選擇 12 3.2.2校核計(jì)算 13 3.3軸承的選擇與校核 15 3.3.1軸承選擇 15 3.3.2軸承校核 15 第4章 伸縮桿設(shè)計(jì) 17 4.1 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 4.2伸縮桿設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 17 4.3伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 總 結(jié) 20 參考文獻(xiàn) 21 致 謝 22 第1章 緒論 1.1 課題背景及意義 我國(guó)的蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界的50%以上，而且蘋果是我國(guó)的四大水果之一。果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機(jī)械市場(chǎng)的需求。在整個(gè)生產(chǎn)中，由采摘果實(shí)所耗費(fèi)的勞動(dòng)力占據(jù)整個(gè)生產(chǎn)過程的50％～70％㈣。采摘作業(yè)季節(jié)性相對(duì)強(qiáng)，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅僅易造成果實(shí)損傷。同時(shí)，采摘不及時(shí)將會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人員缺乏，隨著老齡化的增長(zhǎng)，生產(chǎn)成本不斷提高，降低了人們的種植積極性，果園種植業(yè)的發(fā)展受到了制約。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，開展采摘器械的研究有重要的意義。 現(xiàn)階段農(nóng)村的土地政策不斷改變使得果農(nóng)的生產(chǎn)成本不斷增加，減少了果農(nóng)的收入。而且隨著社會(huì)的發(fā)展越來越多的年輕人向城市發(fā)展和生活。我們國(guó)家的人口正在步入老齡化，使的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力出現(xiàn)了短缺的問題。 綜上所述，勞動(dòng)力減少和生產(chǎn)效率低是我們現(xiàn)階段必須要解決的問題。只有加快蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)和改進(jìn)才能夠逐步解決現(xiàn)階段的問題，而且隨著我國(guó)種植業(yè)技術(shù)的加快發(fā)展，加大了對(duì)采摘機(jī)械的研究力度。采用機(jī)械采摘不僅加快了采摘的速度，也能夠及時(shí)采摘降低了果實(shí)的損傷率，同時(shí)也能減少人力，降低生產(chǎn)成本，提高果農(nóng)的收益。因此提高蘋果采摘的機(jī)械化水平具有很大的意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 在國(guó)外農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械手的研究最早是在20世紀(jì)60年代開始的，其中美國(guó)是最早進(jìn)行研究水果采摘機(jī)械手的，也是美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown在1968年首次提出把機(jī)械手應(yīng)用于果蔬采摘。最早研究出的機(jī)械只是半自動(dòng)化的，研究出的采摘方式大致分為振搖式、撞擊式和切割式三種類型，其中，振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振搖或振動(dòng)，使蘋果果實(shí)產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋果果實(shí)。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實(shí)與果樹分離的方式，切割式又分為機(jī)械切割式和動(dòng)力切割式。而且這三種采摘方式都存在著容易損傷果實(shí)、效率低和采摘到不成熟果實(shí)的缺點(diǎn)，存在著很大的局限性。此后隨著技術(shù)的發(fā)展，人們才開始借助梯子、升降平臺(tái)等工具協(xié)助果蔬的采摘，但是仍然存在著勞動(dòng)密集型的特點(diǎn)。 采摘機(jī)械的發(fā)展進(jìn)程離不開計(jì)算機(jī)的幫助，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的圖像處理技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展日益趨于成熟。美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、荷蘭、意大利、西班牙等國(guó)家在采摘機(jī)械方面做了大量的研究工作，并進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，相繼研制出了許多采摘機(jī)械。但是用機(jī)械采摘果蔬會(huì)受到環(huán)境的影響，在市場(chǎng)仍沒有商品化的采摘機(jī)械。 美國(guó)是全球上最早研究出的，美國(guó)是在1983年成功研究出的第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)械手的；在1987年研究出了柑橘采摘機(jī)械手。此后法國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家陸陸續(xù)續(xù)研發(fā)出了許多果蔬采摘機(jī)械手各式各樣，比如韓國(guó)在1998年研究出了利用傳感器識(shí)別成熟蘋果并進(jìn)行采摘的蘋果采摘機(jī)械手。日本研究出里可以采摘西紅柿、草莓、黃瓜等果蔬的一系列果蔬采摘機(jī)械手。 其中日本對(duì)西紅柿采摘機(jī)械人的研究是比較早的，日本是于1993年研究出的西紅柿采摘機(jī)器人的主要組成部分是由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、傳感器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。其末端執(zhí)行器由兩個(gè)平行板手指和吸引器組成，兩個(gè)手指板內(nèi)側(cè)均附有一個(gè)10mm的橡膠襯墊，以防止果實(shí)的損傷。由真空泵提供吸引器的引力，并安裝一個(gè)觸覺傳感器，在吸引器吸附水果時(shí)，傳感器被打開。其末端裝有兩個(gè)限位開關(guān)，探測(cè)停止位置。當(dāng)吸引器把番茄果實(shí)吸住后，用手指板固定，利用采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的腕關(guān)節(jié)把果實(shí)從果柄連接處擰下。用該末端執(zhí)行件進(jìn)行番茄采摘試驗(yàn)，成功率達(dá)到85%，該機(jī)型主要存在的問題是成熟番茄的位置如果是處于葉莖相對(duì)茂密的地方，末端執(zhí)行器則無法避開葉莖障礙物完成采摘。由上述介紹，我們了解到研究出的采摘機(jī)器人存在著較大的問題。 對(duì)于西班牙的柑橘采摘機(jī)器人，西班牙科研人員發(fā)明的柑橘采摘機(jī)器人主體是裝在拖拉機(jī)上的，是由機(jī)械手、和計(jì)算機(jī)，光學(xué)視覺系統(tǒng)三大部分組成的，可以通過識(shí)別柑橘的直徑大小、顏色、來判斷其是否成熟來決定是否可以采摘。機(jī)器人的采摘速度是非?？斓?，大約一分鐘就能夠采摘60個(gè)，如果是人工采摘同樣的時(shí)間內(nèi)只能夠采摘8個(gè)左右。而且柑橘采摘機(jī)器人還可以通過視頻器，對(duì)采摘下來的柑橘按要求進(jìn)行分類。 1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)水果采摘機(jī)械手的研究與國(guó)外相比起步是比較晚的，我們國(guó)家是從20世紀(jì)70年代開始研究的，由國(guó)內(nèi)的大學(xué)和研究所帶頭進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究。我們最早研究出了機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動(dòng)式采果器，而且后兩種為輔助人工采摘機(jī)械，采摘效率還是太低后進(jìn)行改進(jìn)。在80年代我們研究出了切割型采摘器，90年代由于種植果樹的熱潮出現(xiàn)了氣動(dòng)剪枝機(jī)和升降平臺(tái)等機(jī)械。在近30年來我們國(guó)家的研究有了很大的進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)采摘方面有著大量的研究和研究成果。 其中在草莓采摘方面，在農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授帶領(lǐng)下對(duì)采摘草莓機(jī)械方面做了大量的研究，。其中研發(fā)出的“采摘童1號(hào)”草莓采摘機(jī)器人最為突出，該機(jī)器人占地面積小，動(dòng)作靈活，還能夠通過其雙目機(jī)器視覺系統(tǒng)采集圖像信息自行搜索草莓，并進(jìn)行識(shí)別采摘，其采摘機(jī)械手能夠準(zhǔn)確無誤的夾持，剪切草莓果柄，并進(jìn)行收集，大大降低了勞動(dòng)成本，提高了工作效率。 蘋果采摘領(lǐng)域方面，在以江南大學(xué)中李想等人研究下設(shè)計(jì)出了一種實(shí)用型欠驅(qū)動(dòng)蘋果采摘機(jī)器人三指末端執(zhí)行器，并運(yùn)用Unigraphics NX進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型的創(chuàng)建。而且這種新型欠驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器大大的提高了機(jī)構(gòu)的靈活性和適用性，對(duì)不同尺寸的果實(shí)都具有一定的抓取適用性；西北農(nóng)林科技大學(xué)的宋懷波、張陽等人研發(fā)的偏心切割式蘋果采摘裝置主要是由：偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道三部分組成。偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄的切割：其伸縮桿可進(jìn)行拆卸來實(shí)現(xiàn)不同高度蘋果的采摘：緩沖裝置采用內(nèi)置布條構(gòu)成緩沖通道，降低速度防止蘋果損傷。該裝置通過實(shí)現(xiàn)測(cè)得其成功率為92.00%，其受損率為4.70%，提高了采摘效率。 在番茄采摘方面，河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院在以紹堃等人的研究下，為能夠在溫室大棚內(nèi)采摘設(shè)計(jì)出了一種基于五自由度機(jī)械臂的番茄智能采摘機(jī)器人。其主要由定位導(dǎo)航系統(tǒng)，雙目視覺系統(tǒng)和五自由度機(jī)械臂等組成，可通過雙目視覺系統(tǒng)判斷番茄的大小和顏色判斷是否成熟，而且五自由度的機(jī)械臂精度是很高的，也進(jìn)行了試驗(yàn)其在9個(gè)不同的高度方位上最大偏差為6.71mm，而且它的采摘效率為94.82%，每采摘一顆大約耗時(shí)9.94s，成功率高采摘效率高。 1.3 采摘機(jī)器人存在的問題 我們通過對(duì)比國(guó)外的采摘機(jī)械可以看出： （1）國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)方面的采摘機(jī)械研究時(shí)間早于我們。 （2）國(guó)外的研究范圍廣，對(duì)于我們所知的果蔬采摘方面都進(jìn)行了大量的研究。 （3）國(guó)外對(duì)采摘機(jī)械的投資較多而且他們都有政府和著名企業(yè)的支持，研究技術(shù)比我們更加的先進(jìn)。 綜上所述，國(guó)外的采摘機(jī)械更加可靠，采摘效率更高，精度更加準(zhǔn)確。雖然我們國(guó)家對(duì)采摘機(jī)械研究較晚，但是我們近些年來進(jìn)行了大量的研究同時(shí)也取得了大量的研究成果。 采摘機(jī)械手實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮的問題為： （1）避免在采摘蘋果時(shí)造成的損傷，降低損傷率。 在我們用機(jī)械進(jìn)行采摘時(shí)我們要盡量避免對(duì)蘋果的損傷，保證蘋果的質(zhì)量，如果蘋果有所損傷的話蘋果會(huì)逐漸腐爛，造成不可挽回的損失，降低經(jīng)濟(jì)效益。我們只要選擇合適的末端執(zhí)行器和緩沖收集裝置就會(huì)降低損失率。雖然在實(shí)際操作中或多或少會(huì)對(duì)果實(shí)造成損失。 （2）怎樣降低采摘蘋果的時(shí)間，提高采摘效率。 我們?cè)O(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)械手時(shí)最重要的一個(gè)目的就是在最短的時(shí)間內(nèi)將蘋果采摘完，提高工作效率，將低勞動(dòng)強(qiáng)度，保證蘋果的新鮮。然而至今為止研究出的采摘機(jī)械采摘速度并沒有人工采摘的速度快，提高蘋果采摘機(jī)械手的采摘效率是最重要的問題之一。 （3）降低蘋果采摘機(jī)械手的操作難度和制作成本。 蘋果是我們國(guó)家的主要是水果之一，具有季節(jié)性成熟后需要在一定的時(shí)間內(nèi)采摘下來，時(shí)間是比較短的，而且使用的人大多是農(nóng)民，操作越簡(jiǎn)單工人采摘的速度就越快。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)既要保證質(zhì)量也要延長(zhǎng)使用壽命，只有這樣才算成功設(shè)計(jì)出了蘋果采摘機(jī)械手。 第2章 蘋果采摘機(jī)械總體方案手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 蘋果的數(shù)據(jù)分析 蘋果的大小，分布和果樹的高度等生物學(xué)特征是我們?cè)O(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的數(shù)據(jù)支持，決定著如何設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)和采摘方式。 我們國(guó)家種植蘋果的地域主要分為三個(gè)地域?yàn)椋翰澈５貐^(qū)，中部地區(qū)，西北地區(qū)。在有種植蘋果的大多是零星分布我們將對(duì)這三個(gè)地區(qū)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)收集。 通過調(diào)研得到如下蘋果生物學(xué)特征及參數(shù)： 由于不同地區(qū)的環(huán)境都有著差以，所以我們將以河北省省內(nèi)的蘋果種植園為研究對(duì)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，蘋果園內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)種植應(yīng)為樹行距為2-3×4-5此為科學(xué)種植，實(shí)際中果園中種植間距大約為3m左右，行距大約為3.5m。蘋果樹樹高最高在3m，樹枝據(jù)地面最低為0.8米，蘋果樹冠幅在2.0到2.5m范圍內(nèi)。由于我們蘋果種植種類較多但是眾多種類中屬紅富士品種種植面積最廣，也最受歡迎。本文將以紅富士蘋果為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如表格1紅富士數(shù)據(jù)表。 表格 2-1紅富士蘋果數(shù)據(jù)表 指標(biāo) 最小值 平均值 最大值 蘋果直徑/mm 55 80 120 蘋果重量/g 75 140 290 果梗直徑/mm 1.3 2.5 5.1 2.2末端執(zhí)行器的選擇 末端執(zhí)行器是蘋果采摘機(jī)械手采摘裝置的主要執(zhí)行部件，與蘋果進(jìn)行直接接觸，其末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到采摘效果和采摘效率，設(shè)計(jì)一個(gè)好的采摘器可以大大降低生產(chǎn)成本，提高工作效率。對(duì)采摘末端執(zhí)行器結(jié)合實(shí)際功能要求有： （1）盡量減少對(duì)采摘對(duì)象的損傷，要求采摘器的采摘頭足夠柔軟。 （2）采摘速度盡可能快，提高工作效率。 （3）有較好的適應(yīng)性。 （4）采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊，減輕重量。 目前我們所之的水果采摘方式分為兩種第一種是通過拽拉，扭拉外力直接采摘需要采摘器對(duì)水果有較大的加持力，容易對(duì)果實(shí)造成損傷。另一種是通過剪切的方式進(jìn)行采摘最為簡(jiǎn)單的是用剪刀剪切果梗采摘同時(shí)也有其他方式。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜但較為安全。 現(xiàn)有的蘋果采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器主要分為三種： （1）抓拉式采摘器 目前市場(chǎng)上售賣的末端采摘器大部分為兩指或三指的機(jī)械鉗爪式。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是模擬人手進(jìn)行設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。但是它是通過拽拉的方式采摘的，直接與蘋果接觸，容易損傷蘋果。 （2）吸附式末端采摘器 吸附式末端采摘器用于一定形狀，表皮光滑，較為堅(jiān)硬的水果，如梨，蘋果，橙子等水果。吸附式可根據(jù)工作原理將其分為磁力吸附和真空吸附兩種。采摘水果我們采用真空式吸附，工作原理是將與接觸物之間的空氣抽空進(jìn)行吸附，其需要配備真空形成裝置，裝置沉重不便攜帶，且成本較高不適合普通人群使用。 （3）剪切式末端采摘器 最簡(jiǎn)單的剪切采摘器主要有夾持裝置和剪切裝置組成。夾持裝置完成蘋果的采和收兩過程，剪切裝置完成蘋果的剪切即摘這一環(huán)節(jié)。定位要求較高，采摘效率較低，不適合采摘。 采摘方式比較表 類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 抓拉式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、效率高 對(duì)枝條和花蕾傷害稍大 吸附式 定位要求低、動(dòng)作靈敏 需要配備真空形成裝置，笨重不方便攜帶，造價(jià)較高。 剪切式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)果實(shí)和枝條的傷害較小 定位要求高，效率較低，不方便收集。 通過上述對(duì)比，本次設(shè)計(jì)的為手持式采摘機(jī)械手，因此吸附式不適合。而抓拉式、剪切式各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了設(shè)計(jì)出合適的末端執(zhí)行器，本次采用抓拉式與剪切式組合的形式，即：如下圖2-1所示，采用半球形采摘爪，采摘爪前端設(shè)置剪切刀刃，且刀刃尺寸范圍較寬，。工作時(shí)，采摘爪握住蘋果時(shí)，刀刃夾緊蘋果柄剪斷。這種結(jié)構(gòu)，既可以避免抓拉式末端執(zhí)行器對(duì)枝條和花蕾的傷害，也可以降低剪切式末端執(zhí)行器定位要求高，效率較低的缺點(diǎn)。 圖2-1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 目前采摘機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)源主要是采用氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)這三種[10]。 （1）氣動(dòng)壓力是一個(gè)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，空氣壓縮機(jī)通常被用作動(dòng)力源。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器過載安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，污染少，成本低，通過調(diào)節(jié)空氣流量，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，但大尺寸設(shè)備的運(yùn)行速度不穩(wěn)定，定位精度不高。 （2）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)流體壓力致動(dòng)器的輸出力來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，固有的高效率，響應(yīng)速度快，速度很簡(jiǎn)單，可以在很寬的范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速，便于適應(yīng)不同的工作要求，順利實(shí)現(xiàn)傳輸，可以吸收沖擊力可以實(shí)現(xiàn)更加頻繁和換向平穩(wěn)，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空氣，但比電機(jī)低，流體溫度和粘度變化影響傳輸性能。 （3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式包括步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和力矩電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器類型。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蜷_環(huán)控制元件的線性位移，具有控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠，無累積誤差等。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，良好的動(dòng)態(tài)特性，機(jī)器人由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行精度高，調(diào)速范圍廣，速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，易于控制等特點(diǎn)。 我們通過分析比較可知，液壓驅(qū)動(dòng)成本高驅(qū)動(dòng)速度緩慢，氣壓驅(qū)動(dòng)工作范圍小噪音大。這兩種驅(qū)動(dòng)方式不適合采用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作時(shí)間長(zhǎng)操作靈活，反應(yīng)迅速。制作成本低很適合采用所以我們將采用電機(jī)作為采摘機(jī)械手的動(dòng)力來源。 2.4 采摘機(jī)械手機(jī)械臂的選擇 連接末端執(zhí)行器的機(jī)械臂我們將采用伸縮桿，進(jìn)行伸縮式機(jī)械臂的蘋果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)伸縮桿采摘不同高度的蘋果，閑置時(shí)可將機(jī)械臂縮短至最短，節(jié)約空間。伸縮桿由兩節(jié)短桿組成，桿與桿之間由箍環(huán)連接。 第3章 采摘器的設(shè)計(jì) 3.1采摘電機(jī)的選擇 3.1.1電機(jī)類型的選擇 選擇電機(jī)主要是利用電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的力和力矩，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載或者通過減速機(jī)構(gòu)間接地去驅(qū)動(dòng)負(fù)載。使用電機(jī)作為動(dòng)力來源，提高了工作效率，同時(shí)這也是目前最為普遍的方式。電機(jī)主要分為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，二者的區(qū)別如下，表格3-1. 表 2-1電機(jī)對(duì)比表 步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī) 力矩范圍 中小力矩（20Nm以下） 大中小力矩 速度范圍 低（轉(zhuǎn)速在2000轉(zhuǎn)以下，） 高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速可達(dá)5000轉(zhuǎn)）直流伺服電機(jī)可達(dá)1-2萬轉(zhuǎn) 矩頻特性 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，力矩下降快。 力矩特性好。 過載特性 過載工作時(shí)失步 可3-10倍負(fù)載工作 反應(yīng)速度 一般 快 準(zhǔn)確度 較低 高 工作溫度 運(yùn)行溫度高 運(yùn)行溫度一般 維修性 基本不需維修 較好 價(jià)格 低 高 由以上分析比較伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，力矩大，反應(yīng)速度快，精準(zhǔn)度高，噪音小，壽命長(zhǎng)，應(yīng)用廣泛所以我們將采用伺服電機(jī)。 3.1.2電機(jī)型號(hào)選擇 而BF系列伺服電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號(hào)我們選用了型號(hào)GA12-N10電壓范圍為8-12V的絲杠電機(jī)。的反應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，該機(jī)功率為20W。 的反應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，該機(jī)功率為20W。選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟： （1）根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào) (a)步距角 初選電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。 (b)距頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是： Mmq= 伺服電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算： 式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即： MkqMmq=λMjmax 計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 （2）啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。 前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。 突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。 3.2絲桿螺母副的選型與校核 普通絲杠已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠家訂購(gòu)。普通絲杠設(shè)計(jì)和校核，其步驟如下： 首先對(duì)于一些參數(shù)說明如下： 軸向變載荷，其中i表示第i個(gè)工作載荷，i=1、2、3…n ； 第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min); 第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間 (h) ; 絲桿副最大移動(dòng)速度(mm/min); 絲桿預(yù)期壽命。 3.2.1型號(hào)選擇 （a）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求 選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式； （b）計(jì)算普通絲杠副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5； ②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 ③計(jì)算當(dāng)量載荷 ④初步確定導(dǎo)程 ，取4mm ⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 ⑥計(jì)算絲桿所需的額定載荷 （c）選擇絲桿型號(hào) 根據(jù)初定的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。查普通絲杠型號(hào)表知，本次選定的普通絲杠螺母副型號(hào)為：GD801-1 由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導(dǎo)程 3.2.2校核計(jì)算 （a）臨界轉(zhuǎn)速校核 校核合格。 （b）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。 （c）普通絲桿的預(yù)緊 預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動(dòng)載荷的十分之一。即： 其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 （d）穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 ① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。 臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 ③ 此外普通絲杠副還受值的限制，通常要求 3.3軸承的選擇與校核 3.3.1軸承選擇 因?yàn)檩S承受一定的軸向力的作用，所以選用角接觸軸承。 軸左側(cè)：從《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》中表15-3中查得軸承的型號(hào)為：6000。外形尺寸為：d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。 3.3.2軸承校核 1）按承載較大的滾動(dòng)軸承選擇其型號(hào)，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預(yù)期壽命取為：L'h＝29200h 由上面的計(jì)算結(jié)果有軸承受的徑向力為Fr1=340.43N， 軸向力為Fa1=159.90N， 基本額定靜載荷為C0r=63.8KN。 2）徑向當(dāng)量動(dòng)載荷 動(dòng)載荷為，查得，則有 ，滿足要求。 第4章 伸縮桿設(shè)計(jì) 4.1 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手時(shí)我們必須以搜集到的蘋果樹及其果實(shí)特征作為尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)。由第2章數(shù)據(jù)可知，采摘機(jī)械手水平工作區(qū)間在0-2.5m，垂直工作區(qū)間在0.8-3m，蘋果樹冠幅在2.0到2.5m范圍，果樹高度大約在3m。 伸縮桿由內(nèi)管和外管，螺母套筒，絲杠，聯(lián)軸器，限位卡套等主要零件組成。其工作原理是通過間接裝置將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和絲杠，螺母完成伸縮。圖2為管內(nèi)部分元件。 圖4-1伸縮缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 4.2伸縮桿設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 從收集的數(shù)據(jù)可知，蘋果樹最高基本在3m左右，伸縮桿總長(zhǎng)至少為2.5m，我們對(duì)伸縮桿進(jìn)行設(shè)計(jì)： 設(shè)L1為內(nèi)管長(zhǎng)度，L2位外管長(zhǎng)度，L3為外管與內(nèi)管之間預(yù)留的承接部分，防止內(nèi)管斷裂或損傷，L4為內(nèi)管與末端采摘器連接部分，L5為伸縮桿全部伸出時(shí)長(zhǎng)度。 根據(jù)果農(nóng)手持桿狀物體和采摘特點(diǎn)，我們選用外徑為30mm的空心管其厚度為2mm作為外管,內(nèi)管完全在外管內(nèi)，內(nèi)管的外徑為28mm，其厚度同為2mm. 伸縮桿在采摘蘋果時(shí)會(huì)受力的影響，由力學(xué)原則可知桿件會(huì)發(fā)生彎曲變形，由《材料力學(xué)》中壓桿的定義，可將伸縮桿比作為一端自由另一端固定的壓桿。利用歐拉公式對(duì)伸縮桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核。由上文可知，伸縮桿材料為304不銹鋼，其不銹鋼主要性能為：彈性模量為：E=197Gpa，比例極限為σp=275MPa,由表可知。 表格4-1不銹鋼參數(shù)表 鋼號(hào) 鋼板標(biāo)準(zhǔn) 使用狀態(tài) 厚度 /mm 下列溫度下的許用應(yīng)力/MPa ≤20 100 150 200 250 300 350 400 425 450 475 500 高合金板 oCr13Al GB 4237 退火 2-15 118 105 101 100 99 97 95 90 87 - - - oCr13Al GB 4237 退火 2-60 137 126 123 120 119 117 112 109 105 100 89 72 oCr18Ni 9 GB 4237 調(diào)質(zhì) 2-60 137 137 130 122 114 111 107 137 137 137 137 137 137 114 103 96 90 85 82 79 78 76 75 74 oCr18Ni 10T GB 4237 調(diào)質(zhì)，穩(wěn)定化 2-60 137 137 117 130 112 114 111 108 106 105 104 102 137 114 103 96 90 85 82 80 79 78 77 76 其許用安全應(yīng)力是137MPa，結(jié)合上表及伸縮桿可承受的最大壓力，即為Fmax=15N,l=2500mm,直徑d=45mm,規(guī)定安全因數(shù)nst=6-10. 由《材料力學(xué)》第九章公式（9-6），求出 λ1=л√E/σp=π√197×109275×106=71.64 伸縮桿可假設(shè)為一端固定一端移動(dòng)的壓桿，由《材料力學(xué)》可知μ=2，知伸縮桿橫截面為圓環(huán)， i=√IA=d4 求得它的柔度為： λ=μli=2(2500×10-3m)(31×10-3m)×14=645.16 因?yàn)棣?≤λ，該伸縮桿可用歐拉公式計(jì)算臨界壓力， 得 σcr=Fcr/A=π2EI/A(μl)2 所以， Fcr=σcr×A=π2EA/（μli）2 伸縮桿的工作安全系數(shù)為 n=FcrFmax=13.462≥nst 滿足穩(wěn)定性要求。 4.3伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 伸縮桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伸縮電機(jī)、伸縮絲杠螺母副、軸承，選型計(jì)算過程與上一章相同，本節(jié)不一一復(fù)述，僅展示選型結(jié)果。 （1）伸縮伺服電機(jī) 同樣我們選用了型號(hào)GA12-N20電壓范圍為8-12V的絲杠電機(jī)。的反應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，該機(jī)功率為30W。 （2）伸縮絲杠螺母 結(jié)合實(shí)際我們將采用M8*1.25*1200型號(hào)的絲杠。且有3.1節(jié)可知伸縮桿采用鋁合金制作。 （3）根據(jù)實(shí)際采用深溝球軸承，信型號(hào)為6000。 總 結(jié) 這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)我大學(xué)4年所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行一次系統(tǒng)的應(yīng)用和鞏固，對(duì)課本知識(shí)的重新梳理和完善，將4年所學(xué)知識(shí)整合起來，融匯貫通，以達(dá)到經(jīng)過四年的量的積累后通過畢業(yè)設(shè)計(jì)得到質(zhì)的提升的目的。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是我大學(xué)里最具挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，能使我的綜合能力有很大的提升，使我以后的工作提供一個(gè)可靠的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。 順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識(shí)的同時(shí)也對(duì)本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會(huì)給我打擊只會(huì)更好的鞭策我前行，今后我更會(huì)關(guān)注新科技新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭(zhēng)取盡快的掌握這些先進(jìn)知識(shí)，更好的為祖國(guó)的四化服務(wù)。 參考文獻(xiàn) [1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. 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