某蘋果采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15429某蘋果采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程案例 1193651.1采摘機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)布局 1300891.2末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)計(jì)算 2119731.2.1末端執(zhí)行器的對(duì)比分析 2249711.2.2機(jī)械爪的受力分析 4256561.3腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 6102101.4機(jī)械臂設(shè)計(jì) 10255361.5采摘機(jī)械臂動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10采摘機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)布局在設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)械臂時(shí)必須以大多數(shù)蘋果樹生物學(xué)特性和蘋果果實(shí)的規(guī)格作為尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)。參考國內(nèi)外一些相對(duì)比較成功的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品，并且考慮到采摘作業(yè)環(huán)境的特性，本課題的蘋果柔性采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)指標(biāo)為如表3-1所示：表3-1蘋果采摘機(jī)械臂的指標(biāo)設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)械臂的指標(biāo)設(shè)計(jì)機(jī)械臂長度機(jī)械臂重量安裝方式電源工作速度工作能力機(jī)械臂全長約1.4m總重量不超過50kg設(shè)計(jì)了底部安裝板，方便以后在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝220V交流電關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速約為10°-30°/s蘋果重量約為140g，直徑為80mm本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)械臂主要包括以下幾個(gè)部分：機(jī)架部分：機(jī)架部分是機(jī)械臂的手臂部分；通過和機(jī)械臂的腰關(guān)節(jié)共同配合從而將運(yùn)動(dòng)傳遞至末端執(zhí)行器，起到對(duì)機(jī)械手的支撐作用；采摘部分：即末端執(zhí)行器：機(jī)械手的核心部件。末端執(zhí)行器的好壞直接影響了采摘效率。傳動(dòng)部分：小臂齒輪箱：降低電機(jī)轉(zhuǎn)速增加扭矩；腕部錐齒輪，改變傳動(dòng)方向。動(dòng)力部分：小臂電機(jī)：提供動(dòng)力，準(zhǔn)確控制機(jī)械臂動(dòng)作；腕部電機(jī)：提供動(dòng)力，扭斷果梗從而獲得果實(shí)?；糠郑夯遣烧獧C(jī)械臂的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，采摘過程中其他的部件會(huì)將力傳遞給基座?；男D(zhuǎn)，擴(kuò)大了采摘機(jī)械臂末端執(zhí)行器的采摘范圍。末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)計(jì)算末端執(zhí)行器的對(duì)比分析方案一：平行連桿式手爪[11]平行連桿式兩爪的結(jié)構(gòu)式樣圖如圖3-1所示，其原理是通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母實(shí)現(xiàn)螺套的平移運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)中性好，且由于螺紋的自鎖功能，實(shí)現(xiàn)抓取運(yùn)動(dòng)后，樣本不易脫落。圖3-1平行連桿式兩爪方案二：雙齒輪式手爪[12]雙齒輪式兩爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2所示，它的原理是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)四連桿實(shí)現(xiàn)抓取運(yùn)動(dòng)，與平行連桿式兩爪原理類似。此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是連桿的運(yùn)動(dòng)是直接依靠電機(jī)帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)的，相對(duì)平行連桿式兩爪而言，沒有自鎖功能，抓取樣本后容易實(shí)現(xiàn)松動(dòng)，并且對(duì)中性不好。圖3-2雙齒輪式兩爪方案三：齒輪齒條式兩爪齒輪齒條式兩爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示，其原理是電機(jī)帶動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)往復(fù)伸縮，通過齒輪齒條嚙合帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)抓取運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條傳動(dòng)的制造，安裝精度要求較高，若加工精度差，則會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)噪音大，磨損大。且無自鎖功能。圖3-3齒輪齒條式兩爪綜上對(duì)比，柔性采摘機(jī)械臂使用平行連桿式手爪，采用絲杠螺母配合非方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪的張開與夾緊。本課題設(shè)計(jì)的柔性末端執(zhí)行器，其原理是通過采用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)四連桿抓取蘋果。其3D造型如圖3-4所示：654321654321圖3-4末端執(zhí)行器3D模型該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)抓取的原理如下描述：絲杠2通過聯(lián)軸器與電機(jī)1連接。電機(jī)1正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)絲杠2旋轉(zhuǎn)，滑塊5（螺母3固定在滑塊5上）就會(huì)沿著絲杠2軸向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑塊5通過回轉(zhuǎn)副帶動(dòng)中間連桿4使得兩手指6能夠?qū)崿F(xiàn)開閉動(dòng)作即實(shí)現(xiàn)了抓取動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示：564213564213電機(jī)2-絲桿3-螺套4-卡爪連桿5-卡爪轉(zhuǎn)軸6-卡爪圖3-5機(jī)械爪結(jié)構(gòu)圖機(jī)械爪的受力分析在對(duì)電機(jī)和絲杠型號(hào)進(jìn)行選擇之前，需要先對(duì)卡爪進(jìn)行受力分析。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺套向上運(yùn)動(dòng)，所受拉力為F，兩個(gè)卡爪連桿對(duì)卡爪銷軸的反作用力分別為F1，F(xiàn)2，作用力方向位于螺母上卡爪連桿固定點(diǎn)與卡爪固定點(diǎn)的連線上，與卡爪軸連線夾角為α和β，且F1=F2，圖3-6卡爪受力分析圖[13]。由幾何關(guān)系可得： （3-1） （3-2） h= （3-3）其中a對(duì)稱中心和卡爪回轉(zhuǎn)中心之間的距離（mm）α采摘對(duì)象被夾緊時(shí)卡爪回轉(zhuǎn)中心與卡爪連桿螺套固定點(diǎn)連線與兩卡爪軸連線的夾角（°）卡爪夾緊時(shí)所受到的反作用力（N）對(duì)以上公式進(jìn)行分析可知，當(dāng)螺套所受拉力F一定時(shí)，α增大，夾緊力也會(huì)增大，但是如果拉力過大則會(huì)使得螺套的行程加大，進(jìn)而使得螺桿長度和機(jī)械卡爪支架的長度增加，影響末端執(zhí)行器的剛度，增加重量。綜上所述，α介于30°到40°之間比較合適。aa圖3-6卡爪受力分析圖腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算減速電機(jī)帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，通過一對(duì)錐齒輪的嚙合來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3-7所示：圖3-7腕部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直齒錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算主傳動(dòng)用6級(jí)直齒錐齒輪傳動(dòng)。已知：小輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T1=2.94N·m，小輪轉(zhuǎn)速=45r/min，大輪轉(zhuǎn)速=15r/min。兩輪軸線相交成90°。小輪、大輪懸臂支撐。大小輪均采用20Cr滲碳，淬火，齒面硬度58~63HRC。齒面粗糙度==3.2μm。采用100號(hào)中級(jí)壓齒輪潤滑油。齒輪長期工作。直齒錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算過程與結(jié)果如下：初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公式 =（3-4）載荷系數(shù)K=1.5；齒數(shù)比u=i=； （3-5）估算時(shí)的齒輪許用接觸應(yīng)力： （3-6）(式中，實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，估算時(shí)的安全系數(shù))；幾何尺寸 取=20，==3×20=60（3-7）實(shí)際齒數(shù)比為3； 分錐角 （節(jié)錐角） （3-8） （3-9）大端模數(shù)=0.992mm; （3-10）取m=1mm。大端分度圓直徑=m=20mm （3-11） =m=60mm （3-12）外錐距R=/2sin=20/2sin18.43495°=31.624mm（3-13）取齒寬系數(shù)=0.3則齒寬b=R=0.3×31.624=9.4872mm（3-14）取b=9mm。實(shí)際齒寬系數(shù) ===0.2846 （3-15）中點(diǎn)分度圓直徑 =17mm; （3-16） =51mm;（3-17）切向變位系數(shù)=0，=0； 高位變位系數(shù)=0，=0；頂隙 c=m=0.2×1=0.2mm（取齒頂系數(shù)=0.2） （3-18）當(dāng)量齒數(shù) ===21.082 （3-19） ===189.737（3-20）當(dāng)量齒輪分度圓直徑 ==17.92mm （3-21） =9×17.92=161.28mm（3-22）當(dāng)量齒輪頂圓直徑 =+2=17.92+2×1×3=23.92mm （3-23） =+2=161.28+2×1×3=167.28mm； （3-24）當(dāng)量齒輪根圓直徑 =cos=17.92×cos20°=16.839mm（3-25） =cos=161.28×cos20°=151.554mm（3-26）一般條件下，直齒錐齒輪齒根圓角半徑為0.38m（模數(shù)）。齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算公式： （3-27）中點(diǎn)分度圓上的切向力 =342.777N;（3-28）使用系數(shù)=1.25;動(dòng)載系數(shù)由6級(jí)精度和中點(diǎn)節(jié)線速度得 ，取=1; （3-29）齒向載荷分布系數(shù)取=1.1， =1.5×1.1=1.65； （3-20）端面載荷系數(shù) =342.777/9=38.09 （3-21）取=1.2;節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.5中點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ==0.792 （3-22）式中：=2；=2（-1）=2×（1.746-1）=1.492 （3-23）彈性系數(shù)=189.8螺旋角系數(shù)直齒輪，=1錐齒輪系數(shù)=0.8載荷分配系數(shù)=1計(jì)算接觸應(yīng)力×0.792×2.5×189.8×1×0.8）N/mm2=376.175N/mm2（3-24）許用接觸應(yīng)力 （3-25）實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限壽命系數(shù)=1，長期工作，取為無限壽命設(shè)計(jì)潤滑油影響系數(shù)=0.95工作硬化系數(shù)=1尺寸系數(shù)=1最小安全系數(shù)=1.1許用接觸應(yīng)力值N/mm2=1123N/mm2齒面接觸強(qiáng)度校核結(jié)果N/mm2<=1123N/mm2故設(shè)計(jì)合理。機(jī)械臂設(shè)計(jì)采摘機(jī)械臂小臂設(shè)計(jì)機(jī)械手臂為承重件，材料為Q275，由兩個(gè)側(cè)面連接板和三個(gè)中間連接塊組成，中間連接塊的應(yīng)用極大地減輕了機(jī)械臂的重量。單側(cè)機(jī)械臂形狀近似長方體，其尺寸規(guī)格為1000*160*40（長*寬*高，單位：mm）。采摘機(jī)械臂動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）小臂齒輪箱的設(shè)計(jì)[14]：設(shè)定機(jī)械手小臂的擺動(dòng)速度為18°/s，合3r/min，機(jī)械臂小臂和末端執(zhí)行器的總質(zhì)量為20kg，重心距齒輪0.75m，重心處線速度 =WR=18××0.75=0.24m/s （3-26）由相關(guān)力學(xué)知識(shí)知，小臂處于水平位置時(shí)齒輪所受的扭矩最大，所受重力為=mg=20×9.5=196N，由于行星輪減速電機(jī)自帶減速器，選定此齒輪箱的傳動(dòng)比為10。 ===0.052kW （3-27）其中：--電機(jī)功率，單位，KW；--拉力（重力），單位，N；--線速度，單位，m/s；--傳動(dòng)效率系數(shù)。本齒輪箱上的齒輪只受到軸向載荷且受力不大，故選用深溝球軸承，查表得=0.99，=0.98，=0.92 （3-28）由于i=，按展開式布置取 =1.3 （3-29）故=3.6，=2.77。各軸轉(zhuǎn)速：=30r/min，=8.3rmin，=3r/min。各軸功率各軸轉(zhuǎn)矩 （3-30）由軸=17.5N·m=17500N·mm，=188.9，取K=1.1，=0.8 （3-31）取=35mm，齒數(shù)取=20個(gè)，則=20×3.6=72個(gè)；模數(shù) m==1.75mm（3-32）則=35×3.6=126mm 齒寬 b==28mm（3-33）則=35mm，=30mm。經(jīng)驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度，安全。取=55mm。齒數(shù)取=20個(gè)，則=20×2.77=55.4個(gè)，取=56個(gè)模數(shù)m==2.75mm，則=35×3.6=126mm。齒寬b==44mm，則=50mm，=45mm。經(jīng)驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度，安全。小臂電機(jī)選擇由采摘機(jī)械臂的使用要求，機(jī)械臂小臂的擺動(dòng)范圍在-85°85°，機(jī)械臂小臂的最終轉(zhuǎn)速約為12.5r/min，根據(jù)實(shí)際采摘作業(yè)要求，選擇小臂齒輪箱減速器的傳動(dòng)比為9.24。末端執(zhí)行器及機(jī)械手小臂的總質(zhì)量為20kg。由相關(guān)動(dòng)力學(xué)知識(shí)知，當(dāng)小臂和末端執(zhí)行器與水平面的夾角為零時(shí)，小臂電機(jī)所需要的扭矩為最大。小臂電機(jī)計(jì)算公式： T=F×R （3-34）其中：T——扭矩，單位，N·m;F——機(jī)械臂末端執(zhí)行器和機(jī)械手小臂的重力，單位，N；R——重心半徑，單位，m。故負(fù)載扭矩為：T=20×9.8×0.75=147N·m設(shè)直齒輪減速器的傳遞效率為0.7，則此減速器輸入軸的扭矩大小為： （3-35）由上面的公式結(jié)合目前市場(chǎng)減速電機(jī)型號(hào)、能量損失、效率等，最終確定減速電機(jī)為行星減速電機(jī)，品牌為上邁科技，型號(hào)為36-555。表3-2為所選電機(jī)型號(hào)：表3-2所選減速電機(jī)型號(hào)行星減速電機(jī)型號(hào)功率（kW）輸出轉(zhuǎn)速（r/min）輸出扭矩（N·m）減速