目錄1緒論1前言1課題的來源與背景1研究的目的和意義2林業(yè)集材機的概述3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展趨勢3國內(nèi)開展動態(tài)及研究現(xiàn)狀3國外開展動態(tài)及研究現(xiàn)狀4論文主要研究內(nèi)容52機械臂設(shè)計理論7機械臂的組成及分類7機械臂的組成7機械臂的分類7機械臂的自由度及坐標(biāo)形式8機械臂的自由度8機械臂的坐標(biāo)形式83集材機機械臂的總體設(shè)計10機械臂的設(shè)計參數(shù)10機械臂的結(jié)構(gòu)形式10機械臂典型部件特點10機械臂的工作范圍114集材機工作裝置的受力分析13集材機機械臂的工況分析13集材機機械臂的受力分析13空載時各級臂架所受的彎矩13抓舉活立木時各級臂架所受彎矩14機械臂連接處的受力分析15主臂鉸接處分析15副臂鉸接處分析155基于SolidWorks集材機機械臂的造型17參數(shù)化設(shè)計與SolidWorks軟件17參數(shù)化設(shè)計175.1.2SolidWorks軟件介紹17集材機機械臂零部件造型18旋轉(zhuǎn)基座的造型18其它零部件的造型215.3集材機機械臂的虛擬裝配226集材機機械臂的有限元分析24SolidWorks有限元分析模塊及理論根底24有限元法理論根底246.1.2SolidWorks的Simulation模塊24機械臂零部件的有限元分析25有限元分析過程25主臂的有限元分析結(jié)果26副臂的有限元分析結(jié)果28主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化29副臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化31結(jié)論34致謝35參考文獻36緒論前言新中國成立以來，我們國家林業(yè)建設(shè)取得了巨大成就。尤其在是改革開放之后，黨中央，國務(wù)院高度重視林業(yè)工作，采取了一系列政策和措施，有效地促進了林業(yè)的開展。全社會辦林業(yè)，全民義務(wù)植樹運動深入開展，全民搞綠化的局面正在形成。近年來，實施天然林保護工程，退更換林，荒漠化治理和其他重點工程進展順利，局部地區(qū)的生態(tài)條件得到改良。森林，濕地和野生動物資源保護得到加強。我國目前的生態(tài)狀況整體惡化的趨勢，還沒有得到根本的扭轉(zhuǎn)，土地沙化，濕地，生物多樣性的破壞仍然呈加劇趨勢。濫伐森林，亂過度占用林地，過度狩獵野生動物，無序開采，濫挖野生植物和其他現(xiàn)象屢禁不止，森林火災(zāi)和病蟲害對林業(yè)仍然是非常嚴(yán)重的威脅。林業(yè)經(jīng)營和管理體制不適應(yīng)形勢開展的需要。林業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、科技含量低、結(jié)構(gòu)不合理、木材供需矛盾突出，林業(yè)職工和森林地區(qū)的人民的收入增長比較緩慢?？傮w上，我國森林資源缺乏，森林生態(tài)系統(tǒng)的整體功能仍然非常脆弱。所以現(xiàn)在林業(yè)要面臨比以往的任何時候都要更重的改革和開展的任務(wù)。在加快推進社會主義現(xiàn)代化全面建設(shè)小康社會的過程中，必須把林業(yè)建設(shè)放在更加突出的位置，我們必須高度重視并加強林業(yè)方面的工作，促使我國林業(yè)能有一個比較大的開展。在西部的開展中，我們要給予林業(yè)以根底地位；在可持續(xù)開展戰(zhàn)略的實施過程中，我們需要給林業(yè)以重要地位；在林業(yè)生態(tài)建設(shè)中，我們要給予林業(yè)以領(lǐng)先地位。課題的來源與背景第七次全國森林資源清查結(jié)果說明，截至2008年，全國森林面積為19545.22萬公頃，森林覆蓋率20.36%，活立木蓄積量149.13億立方米，森林蓄積量137.21億立方米，人工林保存面積6168.84萬公頃，人工林蓄積量19.61億立方米，種植面積居世界第一。在第六次和第七次清查間隔的五年時間內(nèi)，人工林面積快速增長，人工林面積凈增843.11萬公頃，人工林蓄積凈增4.47億立方米，幼林地面積1046.18萬公頃，森林蓄積量大大增加，森林采伐逐步向人工林轉(zhuǎn)移，林木蓄積年凈生長量5.72億立方米，年采伐消耗量3.79億立方米，森林蓄積增長繼續(xù)超過消耗，長消盈余進一步擴大，天然林采伐量減少，人工林采伐量增加，人工林采伐量占森林采伐量39.44%，提高12.27個百分點，現(xiàn)有人工林是一種速生豐產(chǎn)林的開展。近年來，速豐林建設(shè)充分依靠政府推動、市場導(dǎo)向、利益的驅(qū)動和企業(yè)帶動等運作機制，大力推進速豐林基地建設(shè)。進入成熟林(采伐年齡段)面積成倍增長，依靠傳統(tǒng)的人工撫育和采伐技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)的需要。但是傳統(tǒng)營林生產(chǎn)使用的輕型油鋸、割灌機、手提式挖坑機、剪草機等便攜式林業(yè)機械，不僅效率低，而且均由操作者直接手持或背負進行作業(yè)，操作者除了完成控制、操作等任務(wù)外，還必須承受在作業(yè)過程中機器產(chǎn)生的振動和噪聲，導(dǎo)致操作者的身體功能一定程度上受到功能性障礙或不同程度的損傷。因此，對我國現(xiàn)有的大型商業(yè)人工林的撫育、采伐、造材等作業(yè)機械化、高效化以成為一個核心焦點，未來的林業(yè)生產(chǎn)要由勞動力集約型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變，以增加單位勞動生產(chǎn)效率，增加林區(qū)人民的收入，這也是三農(nóng)問題解決的一個方面。此外，人工林的撫育是季節(jié)性的，應(yīng)急性的，要在最好的季節(jié)完成除草、修剪、細化和緊急控制害蟲及運輸，必須通過機械化作業(yè)來提高作業(yè)效率，對于大中徑材的整枝撫育作業(yè)和撫育間伐材的搬運，只靠人工的話是沒有方法做到高質(zhì)、高效地完成有關(guān)作業(yè)的，需要用機械化裝備來到達平安高效地作業(yè)。國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要和林業(yè)科學(xué)技術(shù)十一五開展規(guī)劃也分別將開發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(包括林業(yè))裝備技術(shù)列為我國近期林業(yè)科技重點開展目標(biāo)之一。研究的目的和意義林業(yè)裝備技術(shù)水平的上下，是衡量現(xiàn)代林業(yè)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)開展水平的重要標(biāo)志，只有現(xiàn)代化的機械操作，才能真正解放勞動生產(chǎn)力，降低勞動強度，降低生產(chǎn)本錢，提高經(jīng)濟效益，。近年來由于林區(qū)的勞動本錢的上升，對傳統(tǒng)勞動密集型為主的林業(yè)生產(chǎn)造成很大的沖擊，迫切需要開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新裝備，提高自主創(chuàng)新能力，提高機械化和智能化的林業(yè)裝備水平，改善操作環(huán)境，以高效低耗林業(yè)生產(chǎn)系列裝備來改變傳統(tǒng)人力為主的落后生產(chǎn)模式。目前國內(nèi)現(xiàn)有的采育作業(yè)裝備的運行現(xiàn)狀均存在功能單一的缺點，這樣在采育作業(yè)過程中，林業(yè)工人就要使用多種機械設(shè)備，降低了作業(yè)效率，多種機械設(shè)備的頻繁使用不同程度的造成森林生態(tài)損傷和破壞，在此根底上，提供一種可以集中完成多種林地作業(yè)的多功能林地作業(yè)機械，使林業(yè)工人進行平安、高效的工作，并減少對林木和林地的生態(tài)破壞是未來林業(yè)機械應(yīng)用開展的主要趨勢。林業(yè)集材機的概述林區(qū)的木材收集運輸車，該車被廣泛使用在歐洲和美國等興旺國家，由于操作簡單、靈活，作業(yè)效率高，在興旺國家被廣泛使用。機械臂控制系統(tǒng)安裝在前駕駛室內(nèi)，工人不需要下車，轉(zhuǎn)身即可操作。在寒冷，潮濕多余的地區(qū)適用性更強。也可安裝在機械臂立臂上方，視野開闊，適合使用在南部的熱帶地區(qū)。機械臂的液壓抓頭可以360旋轉(zhuǎn)，第三節(jié)臂可伸縮，抓取木材極為方便。依托拖拉機后傳動軸作為動力輸出，驅(qū)動液壓泵，作為液壓動力來源。通用性強。使用本錢低廉。還可以配備柴油動力站。為了適應(yīng)林區(qū)運輸要求，該車應(yīng)用了專用山地輪胎，輪胎較寬，不易下陷，承載能力大，防滑性能好，經(jīng)久耐用。裝備有效地解決了林區(qū)采伐時木材裝卸與運輸?shù)钠桨残院腿斯ぱb卸效率低的問題。集材機的整體輪廓圖如圖1-1所示。圖STYLEREF1\s1SEQ圖\*ARABIC\s11集材機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展趨勢國內(nèi)開展動態(tài)及研究現(xiàn)狀我國大型林業(yè)設(shè)備的開展一直處于落后狀態(tài)，大局部的技術(shù)和產(chǎn)品都停留在二十世紀(jì)七八十年代的水平，如目前仍在生產(chǎn)和使用的哈爾濱拖拉機廠的J50、J80等型號集材機均是上世紀(jì)五十年代的產(chǎn)品。大多數(shù)林區(qū)使用的僅僅是在原有汽車、工程機械及拖拉機上加裝液壓抓具、鉸盤機等林業(yè)作業(yè)裝置改裝的林業(yè)機械。上個世紀(jì)我國進口過國外聯(lián)合采育機，并在南部地區(qū)進行生產(chǎn)實驗，并組織科研單位進行了技術(shù)探索，但在不同條件的影響下，許多研究都沒有進一步的細化。近年來，隨著機械制造技術(shù)的快速開展，相關(guān)領(lǐng)域的汽車技術(shù)、液壓技術(shù)、自動化控制技術(shù)等的飛速開展，特別是人工林的大面積的增加，原有的以人工作業(yè)為主的作業(yè)模式，效率己經(jīng)很難滿足林業(yè)產(chǎn)業(yè)開展的市場需求。雖然國內(nèi)己經(jīng)有一局部企業(yè)開始開發(fā)新的專用多功能林業(yè)裝備，比方江蘇常林股份研發(fā)和批量生產(chǎn)的ZL3OM系列輪式原木裝載機，在北部和南部的林區(qū)都有投入大量的使用，另外有一些企業(yè)也已經(jīng)在嘗試引進和仿制國外的現(xiàn)代化林業(yè)裝備。然而，由于受到各方面的影響，當(dāng)前國內(nèi)正在開發(fā)和生產(chǎn)的林業(yè)裝備仍然有工作效率低，功能單一的缺點，不能滿足日益增長的人工林采育作業(yè)的效率要求。國外開展動態(tài)及研究現(xiàn)狀世界各主要林業(yè)國家的森林采運機械化是在二十世紀(jì)五十年代末期前后開始實現(xiàn)。主要是在生產(chǎn)工序上把手工作業(yè)用機械代替，可是大量繁重的手工勞動依然存在。美國、瑞典、芬蘭、加拿大和蘇聯(lián)等國自二十世紀(jì)六十年代開始，在繼續(xù)改良傳統(tǒng)單工序機械作業(yè)的同時，加強了伐區(qū)聯(lián)合作業(yè)機的研究工作，并取得了很大的進步，高新技術(shù)、智能技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。1．現(xiàn)代化的試驗設(shè)備和訓(xùn)練手段原來新產(chǎn)品開發(fā)過程比較緩慢，如集材機樣機必須進行2000一8000h野外現(xiàn)場試驗來評估結(jié)構(gòu)件的可靠度。此外，獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程是一個昂貴和費時的過程，需要幾個月甚至一年時間。Timberjack公司推出的野外試驗數(shù)據(jù)獲取裝置，所有設(shè)備可以裝在一個手提箱內(nèi)，攜帶方便，現(xiàn)場安裝時間不超過三十分鐘。整個裝置可以放置在機器上，這樣就省去了遠距離測量系統(tǒng)，操作起來非常方便。該裝置由50Mat公司的試驗控制軟件(TCS)控制，可以運行在一臺筆記本電腦上，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、分析、提示等功能，操作很簡單。整個裝置鞏固、可靠，可在惡劣的工作條件下正常操作。2．林業(yè)機械操作系統(tǒng)實現(xiàn)自動化，智能化原Timberjack公司在127OB型伐區(qū)聯(lián)合機和121OB型原木自裝集運機上就裝備TMC整機程控系統(tǒng)，降低了工人的勞動程度。系統(tǒng)自動控制柴油機、起重臂和液壓傳動系統(tǒng)，以及所有有關(guān)功能，可確保平穩(wěn)而無級地傳遞動力，準(zhǔn)確控制和監(jiān)控整機運行。3．節(jié)能與環(huán)保世界性能源危機使節(jié)能作為一個產(chǎn)業(yè)開展的主題。林業(yè)集材機是一種大功率設(shè)備，其能源效率直接影響設(shè)備使用的可靠性和經(jīng)濟性。為了提高產(chǎn)品的能源效率，滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求，國外的林業(yè)集材機均采用各種節(jié)能控制系統(tǒng)，取得了很好的節(jié)能效果。節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，可以減少液壓系統(tǒng)的功率損耗，提高發(fā)動機的功率利用率，更好地匹配動力系統(tǒng)與負載所需功率，降低發(fā)動機和液壓元件的工作強度，提高了聯(lián)合機的生產(chǎn)效率和使用的可靠性，同時可以減少排放量，降低燃料消耗，減小工作時的振動和噪聲的影響，也改善了操縱者的工作環(huán)境。Ponsse公司OPtiConirolTM控制系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代化柴油機的可靠性、節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)。該控制系統(tǒng)每時每刻監(jiān)控設(shè)備的功能，調(diào)節(jié)發(fā)動機功率與當(dāng)前負載相匹配，減少功率損耗，節(jié)省燃料，提高發(fā)動機壽命，降低運行本錢。4．人機工程學(xué)研究取得實效自二十世紀(jì)九十年代以來，興旺國家很重視研究人機工程學(xué)，加拿大林業(yè)工程研究所研究之后，提出了關(guān)于伐區(qū)作業(yè)的機械的人機成效學(xué)特性的6項評價指標(biāo)，包括操作方便性、上下車方便性、操作人員視野、乘坐舒適性、機器噪聲和機器維修方便性。各大公司在二十世紀(jì)九十年代生產(chǎn)的林業(yè)機械，均對人機工效學(xué)特性的改良給予極大的關(guān)注。原Timberjack對600系列換代產(chǎn)品850型和950型伐木歸堆機，均在駕駛室上作了顯著的改良：增加尺寸，前面采用巨大的曲面玻璃，并配備了一個特殊的后視鏡，視野大大改善；改用符合人機工效學(xué)的手柄，司機座椅可全方位調(diào)整，腳踏板的角度也可調(diào)整；安裝立體聲音響和雙向通話裝置；采暖、空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備也得到了提高，在密封的駕駛室內(nèi)安裝有空氣過濾防塵裝置，并設(shè)有排氣裝置；駕駛室內(nèi)的噪聲降到小于77dB(A)；駕駛室有橡膠的振動隔離裝置，可消減振動。此外，為了保證駕駛?cè)藛T的平安，駕駛室還普遍裝有傾翻保護裝置。論文主要研究內(nèi)容本論文意在設(shè)計在林區(qū)作業(yè)時用于集運木材的集材機的液壓驅(qū)動式機械臂，要求其易于控制、結(jié)構(gòu)靈活、定位準(zhǔn)確。論文研究涉及機械設(shè)計、機械原理、三維實體建模、有限元分析、計算機輔助設(shè)計等方面的相關(guān)內(nèi)容。機械臂的機械局部是整個系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)。機構(gòu)形式好壞，直接影響整個系統(tǒng)。主要研究以下幾個方面：1．查閱資料，并進行收集和整理，調(diào)研機械臂結(jié)構(gòu)。2．在機構(gòu)設(shè)計時選用合理的運動副形式并合理配置，選擇運動的最正確傳遞路線和驅(qū)動速比。3．據(jù)設(shè)計要求和工作需要，要求機械臂應(yīng)能到達工作范圍內(nèi)的各個位置。4．在確定機械臂自由度的同時要兼顧機構(gòu)的靈活性、可操縱性、控制性和機構(gòu)的復(fù)雜程度。設(shè)計方案確定后，經(jīng)過理論計算后再利用SolidWorks軟件進行機構(gòu)造型設(shè)計并進行裝配；在此根底上，通過進行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)問題，改良和完善設(shè)計。機械臂設(shè)計理論機械臂的組成及分類機械臂的組成機械臂主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如下列圖方框所示：驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)原木位置檢測裝置控制系統(tǒng)圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12機械臂的組成框圖1．執(zhí)行機構(gòu)包括主臂、負臂、伸縮臂、液壓缸以及液壓抓具。2．驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置就是機械臂的驅(qū)動系統(tǒng)。常用的有氣壓傳動、液壓傳動、機械傳動以及電力傳動等四種根本形式。3．控制系統(tǒng)主要有射流控制和電氣控制兩種，一般常見的為電氣控制?？刂葡到y(tǒng)是機械臂的重要組成局部。在某種意義上說，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用。機械臂的運動以及相關(guān)部件的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。4．位置檢測裝置位置檢測裝置的作用是對機械臂執(zhí)行機構(gòu)的運動位置進行檢測，并隨時隨地將執(zhí)行機構(gòu)的實際運動位置反響給控制系統(tǒng)，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度到達指定位置。機械臂的分類1．按控制方式分〔1〕連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡是任意的空間連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個的移動過程都是在控制之中，能夠做到平穩(wěn)而準(zhǔn)確的運動，使用范圍較為廣泛，但是電氣控制系統(tǒng)相比照較復(fù)雜?！?〕點位控制它的運動軌跡為空間點到點的移動，只能對運動過程中幾個點的位置控制，不能控制其運動軌跡。目前多數(shù)機械臂屬于點位控制。2．按驅(qū)動方式分可以分為：氣壓傳動機械臂、液壓傳動機械臂、電力傳動機械臂、機械傳動機械臂。機械臂的自由度及坐標(biāo)形式機械臂的自由度自由度是機械臂設(shè)計的主要參數(shù)，每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動叫做自由度。每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系最多有六個自由度，即繞X、Y、Z軸三個方向的三個獨立的回轉(zhuǎn)運動和沿X、Y、Z三個方向的三個獨立的往復(fù)移動。兩個構(gòu)件〔即運動件〕組成相對運動的聯(lián)接叫做運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條件。林木集材機的機械臂是一個典型的多連桿機構(gòu)，它可以分為多個4連桿機構(gòu)，而整個機械臂在一定工況下可看作是一個連桿機構(gòu)，它具有3個自由度。自由度數(shù)多少是衡量機械臂技術(shù)水平的指標(biāo)之一。自由度的數(shù)目越多，可完成的動作就可以更復(fù)雜，但相應(yīng)的帶來的問題是技術(shù)上的困難，機械結(jié)構(gòu)和制系統(tǒng)的復(fù)雜，機械臂本身的尺寸和重量的增加，也就使得研發(fā)本錢變高，維修難度增大；相反，自由度的數(shù)目少，通用性就差，但是技術(shù)上容易實現(xiàn)，機械結(jié)構(gòu)相應(yīng)簡單，使用維修方便。因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求來確定自由度的數(shù)目，而不能盲目的增加不必要的自由度。機械臂的坐標(biāo)形式運動系由三個回轉(zhuǎn)運動組成，即大臂的仰俯、小臂仰俯和大臂的回轉(zhuǎn)，這種坐標(biāo)形式的機械臂稱為關(guān)節(jié)式機械臂。特點是：工作范圍大，動作靈活，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件，此為其它機械臂不可比較的優(yōu)點。機械臂傳動系統(tǒng)簡介本文采用液壓驅(qū)動的工作臂，機械臂采用液壓驅(qū)動有如下特點：1．反響比較靈敏，傳動相對平穩(wěn)，傳動滯后現(xiàn)象小。2．可以得到較大的輸出力或力矩。一般要得到20～70kg/cm2的油液壓力是比較方便的3．定位精度可以到達很高?，F(xiàn)在一般的液壓機械臂在低于400mm/s的速度且抓取重量比較輕的時候，采用一定的緩沖措施和定位方式，可以到達±1～±的定位精度。如果采用電液伺服控制系統(tǒng)，不僅有較高的定位精度，而且可以任意定位，適用于高速、重載4．比較容易控制輸出力和運動速度。輸出力和運動速度在一定的油缸結(jié)構(gòu)尺寸下，主要由油液的壓力和流量決定，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力和流量控制閥，可方便地控制輸出功率。就國內(nèi)而言，液壓傳動機械臂占機械臂總數(shù)的52%以上。根據(jù)國內(nèi)外資料，液壓工作臂有三種根本型式：鉸接式，只有主臂和副臂；伸縮式，只有主臂和伸縮臂；混合式，既有主臂、副臂，還有伸縮臂。通過比照分析，根據(jù)設(shè)計要求和采伐工藝要求，本文決定采用混合式。這種型式兼顧前兩種型式的優(yōu)點，動作靈活，工作范圍廣，采伐自裝自卸性能好。集材機機械臂的總體設(shè)計機械臂的設(shè)計參數(shù)參考CranabFC106型的集材機的各項技術(shù)參數(shù)，設(shè)計機械臂。主要的技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11集材機機械臂系統(tǒng)的主要參數(shù)名稱參數(shù)單位外展67主臂3100副臂22臂延伸臂14回轉(zhuǎn)角度3600回轉(zhuǎn)力矩KN·m工作壓力23.5MPa液壓油流速120—200l機械臂的結(jié)構(gòu)形式機械臂的結(jié)構(gòu)形式根本都采用箱型結(jié)構(gòu)，從垂直于機械臂長度方向的截面來看，大致有如下幾種，查閱相關(guān)的資料，認(rèn)為下列圖3-1〔a〕的截面形式較好，整個機械臂應(yīng)力流暢，無明顯力流阻滯和應(yīng)力集中，而且重量較輕。(a)(b)(c)(d)圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11臂架的截面結(jié)構(gòu)形式機械臂典型部件特點1．臂架臂架可以簡化成一個細長的懸臂梁。它要求臂架強度大、剛性好、重量輕。因此，臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成四塊鋼板焊接而成的箱型梁，材料選用16Mn鋼。其參數(shù)如表3-2所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s1216Mn材料參數(shù)材料彈性模量/MPa泊松比密度/kg/m3屈服極限/MPa16Mn×1050.30×103為充分利用高強度鋼的力學(xué)性能，借助現(xiàn)代化的有限元分析計算，按梁上各處應(yīng)力趨于一致的原那么，忽略焊接的剩余應(yīng)力，將梁設(shè)計成漸變梁。2．連桿連桿一般為直桿或者弓形的二力桿，也有三角結(jié)構(gòu)的連桿即角桿。3．油缸各節(jié)臂之間用液壓缸支撐，油缸為臂架的升降、伸縮提供動力，它由壓力油推動活塞前后運動，從而驅(qū)動臂架運動。缸體的進油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，以防止液壓軟管破裂時發(fā)生臂架墜落事故。機械臂的工作范圍集材機要在一定的空間范圍內(nèi)進行木材的采集作業(yè)，如圖3-2所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12機械臂工作范圍示意圖作業(yè)范圍由高度H、水平工作半徑R及工作深度D等參數(shù)確定。工作高度H是指各級臂全部垂直于地面時，從地面至臂端的液壓抓具的距離。水平工作半徑R是指當(dāng)各級臂全部水平放置時，從旋轉(zhuǎn)基座的回轉(zhuǎn)中心至臂端的液壓抓具的距離。工作深度D是指機械臂在水平位置以下工作時，地面至臂端的液壓抓具的距離。H、R、D等參數(shù)均與臂架長度有關(guān)。臂架長度是指各級臂在同一軸線上時，臂架與旋轉(zhuǎn)基座鉸接中心至臂端液壓抓具中心的距離。集材機工作裝置的受力分析集材機機械臂的工況分析工作裝置由旋轉(zhuǎn)基座、主臂、副臂、伸縮臂以及連桿機構(gòu)和各種工作液壓缸組成。對這些結(jié)構(gòu)件的分析計算，首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)件的不利工況，即在這種工況下對某一結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)最大的應(yīng)力，以這種工況作為設(shè)計該結(jié)構(gòu)件的依據(jù)。比較各個工況后，當(dāng)各級臂處于水平狀態(tài)，并且伸縮臂伸出時的工況是機械臂受力最不利的情況。集材機機械臂的受力分析當(dāng)各級臂全部處于水平外伸狀態(tài)時，由于各個油缸支撐著各級機械臂，可以把機械臂看做一個變截面的懸臂梁，這時其所受的載荷如圖4-1所示。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11臂架受力示意圖空載時各級臂架所受的彎矩=〔4-1〕=〔4-2〕=〔4-3〕式中：Mi—各級機械臂左端點彎矩值；G1，G2，G3—各級機械臂的自重，為簡單計，以集中載荷看待；G4—機械臂末端連接的液壓抓具自重；L1，L2，L3—各級機械臂的長度尺寸。其中，G1N，G2N，G3N，G4=2500NL1=3100mm，L2=2200mm，抓舉活立木時各級臂架所受彎矩=〔4-4〕=〔4-5〕=〔4-6〕式中：Mi—各級機械臂左端點彎矩值；G1，G2，G3—各級機械臂的自重，為簡單計，以集中載荷看待；G4—機械臂末端連接的液壓抓具和活立木的重量〔活立木重15000N〕；L1，L2，L3—各級機械臂的長度尺寸。其中，G1N，G2N，G3N，G4=17500NL1=3100mm，L2=2200mm，機械臂連接處的受力分析主臂鉸接處分析：G1，G2，G3，G4為各級臂架的自重以及液壓抓具的自重；L1，L2，L3為各級臂架的長度尺寸。對主臂末端點A點求矩：〔4-7〕得由垂直方向力平衡：〔4-8〕由臂架的幾何關(guān)系有，臂架水平時，旋轉(zhuǎn)基座液壓缸與主臂架夾角約為750。故有：，〔4-9〕得，A點的軸向力副臂鉸接處分析對副臂末端點B點求矩：〔4-10〕得由垂直方向力平衡：〔4-11〕由臂架的幾何關(guān)系有，副臂水平時，連桿二與臂架夾角為300，連桿一與油缸二夾角為450。故有：，〔4-12〕得，B點的軸向力基于SolidWorks集材機機械臂的造型參數(shù)化設(shè)計與SolidWorks軟件參數(shù)化設(shè)計參數(shù)化設(shè)計的主要特點是實體模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性模型的使用，實體模型具有真實的，直觀的及與實際產(chǎn)品接近的特點，同時實體模型也有體積、質(zhì)量、質(zhì)心等物理特性，因此可以方便的進行分析和制造等后續(xù)處理。參數(shù)化設(shè)計的另一個主要特征是尺寸驅(qū)動，所謂尺寸驅(qū)動就是以模型尺寸來決定模型形狀，由一組具有一定相互關(guān)聯(lián)的尺寸來定義一個模型。設(shè)計者修改尺寸參數(shù)后，經(jīng)過再生處理即可獲得新模型的形狀。生產(chǎn)中工程人員對結(jié)構(gòu)形狀比較定型的產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化就是典型的參數(shù)化設(shè)計思想應(yīng)用。參數(shù)化設(shè)計的建模過程采用的方法是特征造型建模?；诮ο蟮慕Y(jié)構(gòu)、形狀以及裝配關(guān)系進行合理的抽象，獲得不同類型的特征。例如實體特征、基準(zhǔn)特征、曲面特征等等。一個模型可以看作是一個在一定程度上多個不同種類的特征的組合。特征建模只需要在繪制出平面草圖后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描等方法就可以創(chuàng)立出多種根底特征，然后再在根底特征之上添加諸如圓孔、倒角等特征，使整個設(shè)計過程簡潔、直觀。SolidWorks軟件介紹世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)就是SolidWorks軟件，SolidWorks軟件現(xiàn)在是全球裝機量最大、最好用的軟件。因為它使用了先進的parasolid內(nèi)核、WindowsOLE技術(shù)、直觀式的設(shè)計技術(shù)以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)。有關(guān)資料說明，現(xiàn)在全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可大約是28萬，涉及到機車、離散制造、國防、電子通訊、交通、機械、模具、日用品、娛樂工業(yè)、食品、醫(yī)療器械、消費品、航空航天等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計過程比較簡便而方便的軟件之一。在強大的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作協(xié)同下，使用SolidWorks，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。由于SolidWorks軟件的易學(xué)易用、功能強大及技術(shù)創(chuàng)新這三大特點，使得SolidWorks成為主流的、領(lǐng)先的三維CAD設(shè)計軟件。其能夠提供很多種設(shè)計方案，以便減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量。SolidWorks不僅功能強大，而且對于最初的設(shè)計者來說，比較容易上手且操作起來簡單方便。對于用慣了微軟的Windows系統(tǒng)的用戶而言，根本上就可以用SolidWorks來搞設(shè)計了。SolidWorks的拖拽功能可以讓設(shè)計者花費較少的時間就能完成大型設(shè)計的裝配。SolidWorks具有同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，可以方便地用它管理CAD文件。本文采用三維機械設(shè)計軟件為SolidWorks2012版本。集材機機械臂零部件造型集材機機械臂主要由以下零部件組成：旋轉(zhuǎn)基座、旋轉(zhuǎn)支桿、主臂液壓油缸、主臂、連桿、副臂液壓油缸、副臂、伸縮臂等。由于三維特征造型能夠全面、準(zhǔn)確的反映零件的真實屬性，因此應(yīng)用SolidWorks軟件分別建立機械臂各零件的三維實體模型，下面以旋轉(zhuǎn)基座為例，介紹其實體建模的主要過程，其它零部件的建模過程不再贅述。旋轉(zhuǎn)基座的造型圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s11旋轉(zhuǎn)基座從圖5-1中可以看到旋轉(zhuǎn)基座為一個圓形凸臺拉伸體，主要造型方式為凸臺拉伸和切除拉伸，可以按照以下的順序進行建模。1．首先啟動SolidWorks三維設(shè)計軟件后，新建一個零件文件，首先是繪制零件的草圖，然后拉伸成為零件的基體特征，一般為了繪制對稱零件或者定位的方便，首先繪制出對稱中心線。然后按以下步驟繪圖。〔1〕單擊草圖工具欄上的“草圖繪制”按鈕，然后選擇上視基準(zhǔn)外表翻開一張新的草圖。然后單擊“繪制矩形”按鈕，選擇里面的中心矩形，點擊鼠標(biāo)并拖動，繪制出中心矩形?！?〕單擊草圖繪制工具欄上的“繪制圓角”按鈕，設(shè)定圓角的半徑，繪制草圖的圓角。繪制出拉伸基體的草圖之后，單擊草圖繪制工具欄上的“尺寸標(biāo)注”按鈕，對草圖尺寸進行標(biāo)注，使得草圖完全定義。草圖完全定義之后顯示黑色。2．拉伸基體特征通過拉伸上面步驟所繪制出來的草圖來生成特征的具體操作步驟如下：〔1〕單擊“特征”工具欄上的“拉伸凸臺/基體”命令按鈕，拉伸屬性管理器出現(xiàn)。在方向一的組框中，按以下步驟操作：1〕將終止條件設(shè)定為“給定深度”，將深度設(shè)定為50mm?？梢灾苯虞斎霐?shù)值或者使用方向鍵來改變拉伸深度。2〕單擊確定按鈕，生成拉伸特征，如圖5-2所示。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s12矩形拉伸特征圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s13圓柱拉伸特征〔2〕圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s14切除拉伸特征圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s15圓柱凸臺拉伸特征〔3〕選中上面拉伸特征的外表，然后單擊草圖繪制工具欄上的“草圖繪制”按鈕，這時候在拉伸特征的外表上繪制一張新的草圖，如圖5-4所示。單擊特征工具欄上的“拉伸切除”命令按鈕，切除屬性管理器出現(xiàn)。在方向一組框中，按以下步驟操作：1〕設(shè)置終止條件為“完全貫穿”，單擊確定按鈕，生成拉伸切除特征如圖5-4所示。同樣在另外一個拉伸外表上繪制一張新的草圖，并進行凸臺拉伸，將拉伸深度設(shè)定為260mm，并向內(nèi)拔模6度，單擊確定按鈕，生成新的拉伸特征如圖5-5所示。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s16圓柱拉伸特征圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s17圓柱拉伸特征〔4〕選擇右視基準(zhǔn)面，單擊“草圖繪制”按鈕，繪制草圖，并拉伸基體，設(shè)定拉伸方式為“兩側(cè)對稱”，拉伸距離為395mm。單擊確定按鈕，生成新的拉伸特征，如圖5-6所示。采用同樣的方法，再生成一個新的拉伸特征，如圖5-7所示。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s18圓柱拉伸切除特征〔5〕選中拉伸外表，單擊“草圖繪制”按鈕，在拉伸外表上繪制一張新的草圖，然后單擊“拉伸切除”按鈕，將終止條件設(shè)置為給定深度，設(shè)置深度為10mm。再對其它部位進行“圓角”特征處理，最終生成旋轉(zhuǎn)基座三維模型，如圖5-8所示。其它零部件的造型對于其他零部件的造型，可綜合利用SolidWorks基準(zhǔn)特征和實體特征的構(gòu)建根本方法。首先構(gòu)建基準(zhǔn)特征，包括實體模型的坐標(biāo)系、基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)曲線等；然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等方法構(gòu)建根底特征；最后利用材料的填充、去除等功能對根底特征進行完善，形成構(gòu)造特征，并完成具體的實體特征造型。集材機機械臂主要零部件的實體造型如圖5-9—5-16所示。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s19機械臂主臂圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s110機械臂副臂圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s111機械臂伸縮臂圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s112旋轉(zhuǎn)支桿圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s113連桿一圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s114連桿二圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s115油缸收縮狀態(tài)圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s116油缸伸出狀態(tài)集材機機械臂的虛擬裝配機械臂的虛擬裝配是指根據(jù)各個零部件的相對位置和配合關(guān)系，然后利用SolidWorks三維設(shè)計軟件將各個零部件組裝成一個整體。這種裝配是通過SolidWorks軟件的組件模塊來實現(xiàn)的，通過組件模塊中各種配合方式的相互結(jié)合，在完成虛擬裝配的同時還可進行干預(yù)檢查，來判斷各個零部件之間是否存在空間位置的沖突。翻開SolidWorks軟件，點擊“新建”，然后點擊“裝配體”確定。選擇插入零部件，點擊“瀏覽”，彈出對話框，選擇要裝配的零部件，進行配合處理，組件完畢后得到整個機械臂的裝配圖如下：圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s117機械臂爆炸視圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s118機械臂裝配圖一圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s119機械臂裝配圖二集材機機械臂的有限元分析SolidWorks有限元分析模塊及理論根底有限元法理論根底將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題?，F(xiàn)代工程設(shè)計的模擬方法，通常使用有限元方法在計算機進行仿真模擬，而不是傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試的方法。有限元法的分析指導(dǎo)思想就是化整為零，截彎取直，以簡馭繁，變難為易。SolidWorks的Simulation模塊目前，使用計算機進行應(yīng)力分析的方法有兩種：第一種是利用有限元分析軟件進行專業(yè)的分析，比方分析功能比較強大的Ansys軟件，可以進行全面的受力分析，但用戶要具有豐富的力學(xué)知識背景，還需要很屢次積累經(jīng)驗，因為比較專業(yè)，所以比較難學(xué)；第二種是根據(jù)一些軟件自帶的應(yīng)力分析插件來進行分析，如SolidWorks提供的應(yīng)力分析工具Simulation模塊，利用它可以幫助用戶確定目前的設(shè)計是否滿足工作的現(xiàn)實要求。對于一般的設(shè)計人員，在零件的應(yīng)力情況不太復(fù)雜時，利用Simulation來進行應(yīng)力分析顯得更為簡單實用。本文首先在SolidWorks環(huán)境下完成集材機機械臂的三維實體建模,然后利用與SolidWorks無縫結(jié)合的Simulation有限元分析軟件對機械臂進行分析,其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)分析時不必脫離原三維設(shè)計環(huán)境，防止了模型導(dǎo)入第三方軟件時常見的模型失真導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。SolidWorks的Simulation設(shè)計分析結(jié)果基于線性靜態(tài)分析，當(dāng)載荷作用于物體外表時，物體發(fā)生變形，載荷的作用將傳到整個物體。外部載荷會引起內(nèi)力和反作用力，使得物體進入平衡狀態(tài)。線性分析有兩個假設(shè)：〔1〕靜態(tài)假設(shè)。所有載荷被緩慢且逐漸應(yīng)用，直到它們到達其完全量值。在到達完全量值后，載荷保持不變〔不隨時間變化〕?！?〕線性假設(shè)。載荷和所引起的反響力之間的關(guān)系是線性的。例如，如果將載荷加倍，模型的反響〔位移、應(yīng)變及應(yīng)力〕也將加倍。Simulation模塊的有限元分析過程中主要包含以下三個步驟：1.有限元模型的創(chuàng)立〔1〕翻開幾何模型〔2〕定義材料的屬性〔3〕劃分網(wǎng)格〔節(jié)點或單元〕2．施加載荷并運行求解〔1〕施加載荷及載荷選項、設(shè)定約束條件〔2〕運行求解3．查看結(jié)果生成報告〔1〕查看分析結(jié)果〔2〕檢驗結(jié)果〔分析是否正確〕機械臂零部件的有限元分析有限元分析過程根據(jù)最初選擇的數(shù)據(jù)對機械臂進行詳細校核，可以初步設(shè)計出機械臂的三維模型，然后進行SolidWorks的有限元分析。主要步驟如下：〔1〕先對模型零件的屬性進行設(shè)置，包括材料、載荷的大小以及結(jié)果的單位體系等的設(shè)置?！?〕材料的選擇，從材料庫中的材料中選取。如果材料庫中沒有，可以添加自定義的材料并選取〔3〕約束條件的設(shè)置，選擇面、零件的固定位置，可以選擇一組約束也可以選擇幾組約束?！?〕設(shè)置載荷，指定產(chǎn)生零件應(yīng)力或?qū)е铝慵冃蔚耐獠枯d荷，如力或壓力?！?〕開始進行分析程序，可以設(shè)置零件網(wǎng)格的劃分程度，網(wǎng)格劃分越細，計算結(jié)果也就越精確。也可以根據(jù)計算機推薦的網(wǎng)格進行劃分?！?〕查看并分析結(jié)果，在分析完成后，我們可以得出相應(yīng)的應(yīng)變形狀分布圖、應(yīng)力分布圖和位移分布圖，然后生成分析結(jié)果報告。這樣就可以對已經(jīng)設(shè)計出來的方案進行分析和改良，從而大大簡化了設(shè)計過程中繁雜的計算量，提高了設(shè)計效率。受力分析圖可以顯示出零件的屈服應(yīng)力，并用不同的顏色表示應(yīng)力和變形程度的不同，用藍色表示應(yīng)力和變形程度小的，用紅色表示應(yīng)力和變形程度大的。所以，設(shè)計者很容易找出零件的薄弱環(huán)節(jié)，對自己的設(shè)計進行修改。下面對主臂及副臂總成這兩個受力零件進行有限元分析。主臂的有限元分析結(jié)果機械臂采用16Mn鋼板焊接而成，這里將機械臂所有部件處理成實體，忽略焊接剩余應(yīng)力，依據(jù)機械臂作業(yè)工況的多樣性，分別對主臂和副臂建立有限元模型和應(yīng)力應(yīng)變分析。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s11機械臂主臂優(yōu)化前的三維模型此時主臂的根本特性參數(shù)為：質(zhì)量kg,體積m3，密度7850kg由于主臂是大體積的多面的固體，故采用固體網(wǎng)格對它進行劃分，利用Simulation網(wǎng)格劃分的自適應(yīng)性來修正網(wǎng)格的誤差，防止了繁瑣的有限元計算。表STYLEREF1\s6SEQ表\*ARABIC\s11主臂有限元模型的分網(wǎng)參數(shù)網(wǎng)格信息細節(jié)屬性網(wǎng)格類型實體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器基于曲率的網(wǎng)格雅可比點4點最大單元大小56.2262mm最小單元大小11.2452mm網(wǎng)格品質(zhì)高節(jié)點總數(shù)25645單元總數(shù)12819最大高寬比例81306單元(%)，其高寬比例<3單元(%)，其高寬比例>10最終得到主臂網(wǎng)格化后的有限元模型如圖6-2所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s12主臂有限元模型考慮到主臂一端是連接在旋轉(zhuǎn)基座上的，為保證模型在進行應(yīng)力作用時有足夠的約束保持穩(wěn)定，故將這局部假設(shè)為固定，作參考面約束。另一端是連接在副臂上的，在工作時這一端是受到來自副臂、伸縮臂、集材機液壓抓具和活立木的力矩作用，故在這端沿著主臂基準(zhǔn)面法向施加一個力，力N〔此為參照國產(chǎn)BY型液壓抓具和副臂總成的重量和所得〕，對主臂進行有限元仿真計算，其中，求解器的類型按照SolidWorks的默認(rèn)設(shè)置。仿真后得到的主臂的應(yīng)力分析圖如圖6-3所示，應(yīng)變分析圖如圖6-4所示，位移分析圖如圖6-5所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s13主臂應(yīng)力圖解根據(jù)應(yīng)力結(jié)果圖可以看到，主臂的應(yīng)力值為×103×108×108Pa，可見在這兩段主臂的受力最為明顯。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s14主臂應(yīng)變分析圖解通過應(yīng)變結(jié)果圖結(jié)果可知，應(yīng)變最小為4.193e-009，最大處在主臂與旋轉(zhuǎn)基座連接處，應(yīng)變最大達8.386e-004。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s15主臂位移分析圖解由位移結(jié)果圖可知，在主臂與副臂的連接處位移較為明顯，在1.000e-030～6.609e+000mm之間，相對于主臂的尺寸是非常微小的。副臂的有限元分析結(jié)果機械臂副臂采用與主臂相同的的分析方法，在這里只介紹其分析結(jié)果，其中副臂選用的材料與主臂選用的材料相同。根本參數(shù)為：質(zhì)量，體積m3，密度7850kg/m3，重量9573.61N。副臂總成的應(yīng)力分析結(jié)果圖如圖6-6所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s16副臂總成應(yīng)力分析圖解副臂總成應(yīng)力分析結(jié)果：通過分析圖解可知，證實了在兩級副臂連接處所受應(yīng)力最大的情況，此處的應(yīng)變也是最大的，最大處為0.00118，最小處為1.07e-011。再結(jié)合主臂的分析結(jié)果可以肯定，應(yīng)力與應(yīng)變的作用效果點是相同的，兩者在同一點處反映效果也相同，因此在設(shè)計時采用的措施也相同，彼此之間是相互證明的關(guān)系。主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)以上分析結(jié)果可知，主臂的受力變化主要集中在兩端連接處，特別是主臂與旋轉(zhuǎn)基座的連接處，主臂中間部位變化較小，考慮到這一情況，提出如下優(yōu)化建議：減薄主臂的中間局部，以減輕主臂的重量；加厚主臂的兩端，提高其承載能力。優(yōu)化設(shè)計后的效果如圖6-7所示：圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s17主臂優(yōu)化設(shè)計效果優(yōu)化后主臂的根本特征參數(shù)為：質(zhì)量，體積3。可見，根本參數(shù)都發(fā)生了較明顯的變化，尤其是重量減輕了，體積減少了3。根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計重新進行分析，結(jié)果如圖6-8所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s18優(yōu)化后的主臂有限元模型優(yōu)化后應(yīng)力、應(yīng)變、位移分析結(jié)果分別如圖6-9、6-10、6-11所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s19主臂優(yōu)化后應(yīng)力分析圖解圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s110主臂優(yōu)化后應(yīng)變分析圖解圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s111主臂優(yōu)化后位移分析圖解×103×108Pa，其中主臂與副臂的連接處應(yīng)力較小，主臂與旋轉(zhuǎn)基座接觸處的應(yīng)力較大?？梢妰?yōu)化后，主臂與副臂連接處的應(yīng)力有了明顯的減小，證實了優(yōu)化的合理效果。位移分析效果顯示位移較明顯的主臂與副臂連接處的位移為6.659e+000mm，稍微增大一點，但參照尺寸根本符合實際應(yīng)用要求。。較優(yōu)化前變化明顯。副臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化利用以上分析結(jié)果對副臂采取了如下優(yōu)化措施：〔1〕對副臂后局部根據(jù)應(yīng)力分布和應(yīng)變分布分析結(jié)果進行了結(jié)構(gòu)減薄設(shè)計處理；〔2〕對承載要求高的地方采用加固處理。優(yōu)化設(shè)計后的效果如圖6-12所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s112副臂優(yōu)化設(shè)計效果優(yōu)化后的副臂根本特征參數(shù)為：質(zhì)量，體積3，質(zhì)量減少了，體積減少了3?？梢娫诟咎卣鲄?shù)上優(yōu)化效果比較明顯，起到了減輕質(zhì)量，節(jié)省材料的作用。根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計重新進行分析，結(jié)果如圖6-13所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s113優(yōu)化后的副臂有限元模型優(yōu)化后應(yīng)變、位移、應(yīng)力分析結(jié)果分別如圖6-14、6-15、6-16所示。圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s114副臂優(yōu)化后應(yīng)變分析圖解圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s115副臂優(yōu)化后位移分析圖解圖STYLEREF1\s6SEQ圖\*ARABIC\s116副臂優(yōu)化后應(yīng)力分析圖解根據(jù)分析結(jié)果可以看到，副臂受到的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移較優(yōu)化前都有很好的改善，根本到達了設(shè)計的理論要求。以上分析結(jié)果說明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，機械臂的質(zhì)量、體積都發(fā)生了較明顯的變化，有利于整個裝置功率的合理設(shè)置，節(jié)省材料，提高作業(yè)裝置〔液壓抓具〕的承載力。通過計算機虛擬設(shè)計和對機械臂進行的有限元分析，直觀的驗證了利用公開資料進行虛擬設(shè)計的結(jié)構(gòu)特性和結(jié)果，再現(xiàn)了在虛擬狀態(tài)下機械臂模型受力后的應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布情況。同時結(jié)合實際的作業(yè)要求，對局部設(shè)計進行了優(yōu)化，以提高實際樣機的可生產(chǎn)性。也為進行物理樣機的試制提供試驗依據(jù)，顯著地縮短了研發(fā)周期，降低了設(shè)計與制造的本錢。為今后同類型的林業(yè)機械設(shè)計提供了一種便捷、可靠的設(shè)計方法，對其他相似的工程機械設(shè)計也具有一定的參考意義。結(jié)論本文根據(jù)選定的參數(shù)對集材機機械臂結(jié)構(gòu)方面進行了設(shè)計。本課題對計財經(jīng)濟的應(yīng)用、集材機的研究現(xiàn)狀以及研究意義進行了深入的調(diào)研，對集材機機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計等幾個方面進行了比較全面和系統(tǒng)的分析與設(shè)計。針對集材機機械臂的設(shè)計合理