藍莓采摘收獲機采收裝置設計與建模仿真研究目錄TOC\o"1-3"\h\u112841引言 2277601.1研究目的及意義 2188511.2國內外果蔬采摘研究現(xiàn)狀 2311452藍莓采收裝置方案設計 5274982.1藍莓生長特性 5180732.2水果采收方法 6168712.3藍莓采收裝置類型選擇 638052.3總體結構方案 8314984藍莓采收裝置結構設計 13200374.1大臂電機功率計算 1367854.2大臂電機減速機的選擇計算 14318664.3軸的設計 14310284.4軸承的選擇與計算 17304695藍莓收獲機運動學仿真 19199145.1藍莓收獲機運動學仿真 1951875.2仿真結果分析 1928208總結 22摘要：我國是藍莓種植大國，藍莓種植面積以及年產量穩(wěn)居世界前列，但由于我國藍莓采摘主要依靠人工，人工采摘費時費力，會造成藍莓采摘不及時的浪費，還會造成對母枝的傷害，嚴重制約了藍莓產業(yè)的發(fā)展。因此，設計出符合我國藍莓采收的機器很有價值。本文介紹了國內外水果的采收機械發(fā)展概況，分析了水果的采收機械研究現(xiàn)狀，在此基礎上，，進行了藍莓采收機的采收裝置設計，完成了采收裝置總體方案和總體結構設計，進行了相關參數(shù)分析與計算，完成了相關圖紙的繪制關鍵詞：藍莓采收裝置；仿真分析；末端執(zhí)行器；1引言1.1研究目的及意義21世紀以來，隨著工業(yè)迅猛的發(fā)展和延伸，全球各地幾乎都面臨各種社會問題，諸如人口老齡化問題，各種農村農業(yè)的勞動力正在不停地向其他行業(yè)和領域進行流轉，因此各種勞動力的成本不僅越來越高同時對工作環(huán)境和內容還有所挑剔和選擇。不僅如此水果蔬菜的采摘工作是其生產銷售中最費力、最耗時的最為耗費人力資源的環(huán)節(jié)，其工作方式又是勞動密集型作業(yè)的一種，更當果蔬收獲季節(jié)時，采摘消耗的資源是整個成本的40%-85%的成本。該市場行業(yè)，必須投入一定的勞動力來確保最終的采摘或收割順利，過程需短暫而有效。在水果蔬菜的收獲的過程中，大量人工在工作作業(yè)必須得彎腰或墊腳或借助梯子等等工具來登高。由此看來水果蔬菜收割工作不但是一種消耗勞動的工作，同時又是一種相對費時的工作。不僅如此在非洲沙漠戈壁等等地域采摘時具有一定危險的從業(yè)。隨著對生產勞動力的不斷解放，人類必須從這項效率低、勞動強度大、危險性高的工作中走出來。由此看來，解放水果蔬菜采摘勞動力，勢在必行。在中國，藍莓種植歷史淵源，是我國11大重要水果培育對象。在世界范圍來看，我國藍莓生產種植在世界擁有舉足輕重的地位。據(jù)不完全的統(tǒng)計，2006年我國藍莓栽培面積201.4萬公頃、產量3301.2萬噸，其中我國的種植面積占世界藍莓栽培面積39.9%。近些來年，我們國家對世界的藍莓產量的貢獻舉足輕重。但現(xiàn)目前為止，藍莓的采摘必須依靠人類勞動來解決。由此看來，研制和開發(fā)出相對應的藍莓采摘機產品不但可以減輕人們的勞動強度，而且可以提高其生產效率，同時在水果蔬菜機械自動化角度發(fā)展具有廣闊的市場應用前景。1.2國內外果蔬采摘研究現(xiàn)狀雖然水果蔬菜機械化的采摘技術發(fā)展已經(jīng)有多年的歷史,但是人類歷史上的最早的收割方式主要是氣動振搖式和機械振搖式來將數(shù)值擰斷來獲取果實,這種方式有很大的確定：果實易損、效率低下。隨著種植技術的栽培改變,人們借助梯子等工具輔助進行采摘水果作業(yè),但其依舊需要占用大量的勞動力來獲取果實。由此看來,應用型機器機構急需進行快速發(fā)展。(1)國外研究現(xiàn)狀①蘋果采摘機1969年,美國科學家Schertz和Brown第一次提出了機器人應用到果蔬采摘領域的想法。1979年,美國科學家Sistler在分析收獲機械自動化的研究中提出，早起的采摘機械還是需要人力的不斷干涉和投入，因此看來，早期模型只能算是半自動化采摘?，F(xiàn)目前為止，世界有美國、英國、西班牙、以色列、日本、荷蘭、法國、意大利等國都相繼對果蔬采摘機進行了研究。其研究對象涉及到主要有甜瓜、蘑菇、甜橙、菊花、橙子、西紅柿、櫻桃、西紅柿、蘆筍、黃瓜、葡萄、草葛等15種。圖1.1蘋果采摘機②番茄采摘機研究較為早的采摘機器人當屬是番茄采摘機，該項目的研究鼻祖的日本近藤直等人開發(fā)研制的采摘番茄機產生了很重要的影響。該機器主體由移動機構、視覺傳感器和機械手組成(圖1.2)。同時這采摘機器機構采用了7各自由度機械手臂。同時配備了視覺傳感器，其采用彩色攝像機作為傳感器，工作過程中依靠攝像機來識別出成熟果子，同時其運用雙目視覺夫人方法，來定位果實，最后采用機械機構的腕關節(jié)將果實的樹枝擰下，來獲得果實。該機械機器人采用4輪機構作為其移動系統(tǒng)，能適應壟間地形，并且能夠獨立自動行走。實驗效果得出，該番茄采摘機器的工作采摘成功率大約在70%，其速度大致為15秒/個。但是其仍然存在許多致命的問題是，在葉莖茂密的處成熟的果實無法被識別出，導致其機械手無法完成采摘。圖1.2番茄采摘機③葡萄采摘機由日本岡山大學開發(fā)研制出了一種葡萄采摘機(圖1.3)，可葡萄架下水平勻速運動，同時采用5自由度的機械手。采摘部分由剪刀和機械手指構成的末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器手指抓住果實，之后通過剪刀剪斷果柄。可以更換不同型號和功能的末端執(zhí)行器，可以是實現(xiàn)剪枝、套袋和噴霧等工作。近年來，全球各地在水果蔬菜領域的采摘機的研究雖有很多實驗成果，但由于價格、市場等因素，研究采摘機的工作處于停滯不前的狀態(tài)。美國、日本等國家進行了許多采摘機的研究，雖然取得不少成果，但是始終未能實現(xiàn)商業(yè)化。圖1.3葡萄采摘機(2)國內研究現(xiàn)狀我國在農業(yè)采摘機方面的研制相對于發(fā)達國家起步比較之后，可追溯到開發(fā)從1990年左右開始。國內許多的科研院校都在進行智能農業(yè)自動化和采摘機的相關開發(fā)研究工作。其中有由我國的西北農林科技大學開發(fā)研制的蘋果采摘機，有南京農業(yè)大學對茄子采摘機器分析了機械臂部分的路徑規(guī)劃和避障，浙江大學對番茄采摘機器的動力學分析，有東北林業(yè)大學的陸懷民開發(fā)的林木球果收獲機器等等。其中，來自東北林業(yè)大學的陸懷民教授開發(fā)了，通過已各種實驗，實地實驗(圖1.4)。由行走機構、單片機控制系統(tǒng)、5自由度機械手和液壓驅動系統(tǒng)組成的機器，工作采摘過程中，機械臂會停在距離樹干的3-5米處，通過控制機械手的馬達來對準目標果樹。之后通過控制機械手高低的單片機控制系統(tǒng)，柔性地升起并且達到一定的高度，末端執(zhí)行器開并擺動，使采摘末端執(zhí)行器沿著樹枝生長方向大約1.4-2米，隨后通過末端執(zhí)行器采摘爪抓緊果枝，并且機械臂帶動采集爪原路返回，梳下樹上的果子，完成采摘工作。該機器效率大約為0.5t/day，大約是熟練工人的29-49倍。同時該采摘機采凈率高，對樹木的破壞很小。圖1.4林木球果采摘機原理圖2藍莓采收裝置方案設計2.1藍莓生長特性藍莓的種植位置、管理方法、栽培方式和生物學特性等等因素是研究開發(fā)藍莓的機械機構的基礎。本章節(jié)將研究藍莓樹的果實外形特點、果實生長過程、樹冠基徑值、樹冠高度等特征，采集各種數(shù)據(jù)諸如：株距、行距栽培方式來綜合研究分析藍莓的收割作業(yè)。圖2.1藍莓果園實景本章節(jié)以安徽省懷寧縣黃墩鎮(zhèn)藍莓種植園為研究對象，實地勘測得知:種植園園的行間距通常比較寬，通常大約為1-3m左右，其中每一行的藍莓樹株距離大約為1-2米(圖2.1)。由于不同樹形、樹齡和剪強度等等冠層特性不同。實驗考察得知，修剪強度可以分為輕度、中度和重度修剪。同時樹的外形通?？梢苑譃槭枭?、分層、開心和紡錘形。這里的樹齡分為4年、10年和15年。其中，表2.1是對種植園區(qū)的總體綜合調研。分析得出，藍莓樹結構的不同其各種特點不同，同時關于機構的數(shù)值也相差非常大。表2.1樹體結構指標項目強度基徑/cm樹冠高/cm底枝高/cm冠基徑/m分枝數(shù)不同修建輕度修剪中度修剪重度修剪13.2414.2214.12251.6212.3141.673.41101.7111.21.411.662.111-168-116-8不同樹齡4年10年15年8.1313.2219.47301.1211.1191.379.2100.188.31.591.782.116-107-127-10不同樹形開心形紡錘形分層形14.2914.2213.22145.33208.45221.98108.8101.288.11.411.921.816-811-157-10調研的種植園地面較為平整，其中地上蓋有塑料膜，這種措施可保證藍莓的水分和溫度在根部能夠保持，與此同時通過塑料膜的反射光可以覆蓋藍莓的陰面部分。2.2水果采收方法水果蔬菜成熟后得采收方法主要有人工采摘和機械采摘兩大類；(1)人工采摘水果蔬菜，主要方式有徒手采摘和手持剪刀采摘等兩種采摘方式。手工采摘得水果蔬菜表皮完好不容易損壞，而且機械設備采摘果樹容易破壞果蔬，并且機械采摘不能區(qū)分果蔬得成熟程度，人工采摘可以區(qū)分果實得成熟程度，能做到分期采收。但是人工采收成本高、采收效率低。(2)機械采收果蔬產品具有采收效率快、節(jié)約人工成本。機械采收果蔬主要運用于果實成熟后，用于剝落果梗與果樹之間得果實。一般使用刀片或者強壓強或者機械振動等方式使果實脫落，果實落下后經(jīng)傳動帶運輸至果實收集裝置。2.3藍莓采收裝置類型選擇藍莓采收裝置應該具有以下特點：1)機械臂主體得選擇以關節(jié)型機械臂型，其主體結構為小臂、大臂、腰部共3大部分。關節(jié)型的優(yōu)點為：占地面積小、工作空間大、動作靈活等等諸多優(yōu)點，非常適合藍莓采摘。2)增加機械手多路徑采摘的功能和增加工作空間，本文在起腰部增加了一個結構為連桿折疊機構的升降結構，不僅在豎直方向上將藍莓采摘機的作業(yè)空間擴大，而且將機器具備高處采摘的能力，取代傳統(tǒng)的梯子或升降臺來采摘藍莓。3)小臂處新增伸縮的關節(jié)，該關節(jié)不但可增大機器臂作業(yè)空間，同時配合末端執(zhí)行，降低機械臂的末端部分碰撞果樹的概論。4)一般而言，通用機械具備3個自由度（3個轉動副），同時觀察藍莓對象的外形特征可知，藍莓外形接近標志球形，對稱軸具有多條一般球體具備3條對稱軸，同時在種植過程中，為了增強藍莓的品質，果樹經(jīng)常修剪，隨之增加了果枝之間的空隙部分，不知不覺地降低機械臂對藍莓采摘的避障精度的高要求。綜合考慮，本文設計的機械無需其腕部的自由度。同時也降低了其制作成本?？傮w分析，該藍莓采摘機器具備小臂伸縮和擺動、腰部升降和轉動、大臂仰俯共5個自由度（串聯(lián)關節(jié)型），配置情況為:P-RRR-P。機構圖2.3所示。圖2.3藍莓采摘機械臂機構2.3總體結構方案在開放式藍莓種植園露天環(huán)境下，種植園地面的摩擦系數(shù)可能因下雨、暴曬等等環(huán)境因素影響，因此履帶式底盤移動系統(tǒng)可以保證機構整體在種植園內移動的平穩(wěn)性。當機器人在種植園內工作時，其移動系統(tǒng)具有自助的導航移動功能，無需人為干涉進行操作。本文的移動履帶采用動力源為柴油發(fā)動機，同時裝備一個小型發(fā)電機，為其機械臂提供電力源以供其采摘工作。同時上端的機械臂的升降機構整體安裝在履帶式底盤上，其中升降機構采用連桿折疊機構。采用交流伺服電機為其執(zhí)行中間環(huán)節(jié)的機械臂的小臂、大臂、腰部等等轉動作為動力源，與此同時依靠行星齒輪減速機構伺服電機進行減速，提高其輸出扭矩。在與末端執(zhí)行器相連的是商業(yè)化的推桿電力驅動式作為代替其小臂的伸縮部件，同時在推桿末尾通過螺栓連接其法蘭盤對接其末端執(zhí)行器。同時本文設計實時果實收集網(wǎng)管裝置，采摘切割后的藍莓直接可掉落接口，同時經(jīng)過其柔性材料減震保持水果的新鮮度(圖3.1)。1、履帶小車；2、收集框；3、柔性帶；4、末端執(zhí)行器；5、收集裝置；6、電動推桿；7、小臂電機；8、大臂；9、大臂電機；10、腰部電機；11、腰部；12、升降臺；13、電源機動力控制設備；14、地面；圖3.1機器主體機構簡圖(1)升降機構結構方案升降平臺為其藍莓采摘機器的臂腰部在豎直方向上的移動可以完全改變其整體在豎直方向的位移。一定程度上，可以增大一部分機械手的作業(yè)空間，同時在采摘高處藍莓的能力也得到了增強，同時最大程度上避免依靠梯子或者升降平臺等等工具的使用。同時在種植園進行采摘工作時要求其工作性能具備良好的穩(wěn)定性與易控性能等等，綜合考慮，本文放棄使用電控式，采用液壓式升降平臺，為其提供充足的壓力和平穩(wěn)性。1、液壓缸；2、齒條；3、直齒圓柱齒輪；4、上平臺；5、連桿折疊機構；6、滑桿；7、齒輪齒條機構；8、齒輪軸9、諧波減速器10、下平臺圖3.2液壓驅動藍莓采摘升降平臺由此，本文設計出一套液壓自鎖藍莓升降平臺機構(圖3.2)。該套機構包含齒條、諧波減速器減速、液壓缸、上平臺、滑桿、直齒圓柱齒輪、連桿折疊機構、蝸輪軸和下平臺組成部分。其中液壓缸固定在下平臺，由于液壓缸的伸縮速率不大。因此，通過液壓缸伸出的齒條和中間齒輪傳遞，完成其傳動的方向在空間中的轉變。同時通過同一根軸，將動力傳遞給兩側的圓柱齒輪，通過與滑動的齒條嚙合組成齒條齒輪的傳動機構，齒條的前部分同時嚙合了滑桿的軸齒輪，同時通過滑桿鉸接與連桿折疊機構，隨后在齒條的帶動下，滑桿由于在下平臺的滑槽約束下進行移動，最后通過滑槽約束移動來實現(xiàn)的升降動作。分析其工作特點:種植園內實際的藍莓采摘工作工作過程中，需要設計一個自鎖保護能力確保上平臺在意外超重的情況下能夠進行保護。假如確實該保護機構，由此上平臺逐漸會失去支撐，輕則會造成機構的損壞，影響機構的壽命，情況嚴重的則會傾覆壓倒周邊工作人員，嚴重情況會傷害人類。因此在設計液壓線路時，需要接入一個溢流閥，側一個單向閥，即使有過載情況發(fā)生時，液壓缸會處于靜止狀態(tài)，保證機構處于不運動的狀態(tài)，所以當卸載了過載后，上部分的平臺可以短時間進行正常運轉。同時，自鎖狀態(tài)還可保證其上部分需要達到一定的工作狀態(tài)，能夠讓其保持一定的高度，進行一段的時間。此時，運用該種機構，可以在通斷PLC電路時，前后切換。保護電路，進行切換保護電能。(2)機械臂結構方案關節(jié)型機械臂是本文藍莓采摘機械臂的集體，在工業(yè)制造方面，該款的機器人運用較為靈活，作業(yè)空間大等等優(yōu)點，諸如：生產流水自動化線大量用關節(jié)型機械臂，工業(yè)焊接機器人。海外多家科技領域的企業(yè)批量生產，其機械臂早已商業(yè)通用化。1、腰部底座；2、大推力軸承；3、腰部面板；4、腰部減速器；5、大臂關節(jié)支架；6、大臂電機；7、大臂減速器；8、大臂空心體；9、大臂走線孔；10、小臂電機；11、小臂減速器；12、小臂關節(jié)支架；13、小臂連接坐；14、小臂伸縮關節(jié)減速器；15、小臂伸縮關節(jié)電機；圖3.4機械臂結構簡圖同時早有將工業(yè)臂運用到農業(yè)果蔬采摘的領域機器中，這種案例也早已在內外出現(xiàn)過，由于其成本高，重量大，尺寸的不符合，導致其影響果蔬采摘機器的商品化腳步，同時工業(yè)機械臂的的大抓持重量和高重復定位精度等等特點在農業(yè)領域無需有如此高的要求。因此，本文相對應的開發(fā)設計出相對符合的機械臂(圖3.3)。本文的藍莓機械臂下盤底座采用了推力軸承，使其當做在腰部旋轉關節(jié)的支撐部件，同時較大的軸承支撐直徑在一定程度上保證了腰部的旋轉平穩(wěn)性。雙支撐架結構被采用到其大臂和小臂的關節(jié)處，同時考慮到軸向晃動間隙，本文在一定程度上減少了腰部與大臂的關節(jié)，保證大臂轉動的精度。大臂構型選擇中間鏤空型彎件，同時設計矩形凹槽走線孔，利用該凹槽進行安置電氣線路，讓機械臂的外觀造型，安線更加便捷。同時其伸縮機構與小臂連接。其中連接方式采用絲杠螺母副，其減速器和其驅動電機和與伸縮桿并聯(lián)，動力傳輸通過頂端的齒形皮帶進行動力傳遞，使其為伸縮動作過程的執(zhí)行機構。通過設計，主體關節(jié)采用的動力源為交流伺服電機，該種電機通用具備過載能力控制、矩頻特性好、精度高、等等優(yōu)點，同時結合行星齒輪減速器機構進降速。(3)末端執(zhí)行器結構方案整體機構設計的巧妙性，最終由其末端執(zhí)行器的工作性能來體現(xiàn)整體設計的巧妙性。同時它也是果蔬采摘機器機構的最主要的部分之一，將此安裝在伸縮節(jié)的末端，在種植園進行采摘作業(yè)時，機械臂先讓末端執(zhí)行器先靠近移動到果實對應的易采摘點，再通過軟件控制器末端執(zhí)行器，聯(lián)合完成藍莓采摘作業(yè)的任務。國內外主流采摘有多種，但是主流方式為兩種，第一種采用吸附式吸盤，通過空氣差將果實吸住，然后再將果柄用類剪刀式剪斷，但是該種方法必須保證檢測出果柄的具體確切位置，同時利用軟件進行控制，密切調整好其末端執(zhí)行器的連貫動作，上述分析可知，該過程需要進行復雜的動作算法和編程控制，一定程度上是增加了其制造和開發(fā)的難度。第二種是采用腕關節(jié)的在2個互相垂直的方向的轉動，從而來模擬人類手臂的掰斷果柄樹枝的動作來完成采摘工作，但是其對象還需要求其果枝與果實容易區(qū)分，具有一定數(shù)量的分離，一定程度上還是限制了采摘對象的通用性。通過觀察藍莓的外形特征，一定程度上進行實用化的要求，本文設計出了一種球體果實的采摘末端執(zhí)行器，其結構如圖3.4所示。該果實的采摘末端執(zhí)行器包含傳感控制系統(tǒng)、切割裝置、氣動系統(tǒng)和夾持機構4大部分。其中，夾持系統(tǒng)是四大組成部分的重要部分之一，所以其設計部分必須考慮其藍莓的特性。本文的夾持部分包含：手指轉軸、右手指、左手指、銷軸、導桿、活塞桿、雙作用微型氣缸、手指支架8大部分組成。其中雙作用微型氣缸可進行伸縮運動，其運動原理為驅動其和螺紋連接的活塞桿導桿進行運動。直流電機；2、微型蝸輪蝸桿減速器；3、鋼絲繞盤；4、鋼絲；5、微型雙作用氣缸；6、手指支架；7、活塞缸；8、導桿；9、銷軸；10、23、滾輪組；11、視覺傳感器；12、切割轉盤；13、轉盤軸；14、刀架；15、壓力傳感器；16、海綿材料；17、橡膠材料；18、光電開關；19、雙面刀片；20、21、左右手指；22、觸覺傳感器；24、限位開關；25、手指轉軸；圖3.4末端執(zhí)行器機構簡圖同時其中導桿的末端設計有小孔，左右的手指末尾具有與銷軸寬度相同的滑槽，安裝過程中，銷軸會接連穿插小孔和滑槽，這樣一來使其導桿能夠進行直線的伸縮運動，最后利用銷軸來驅動左右的手指繞轉軸從而進行擺動。此結構能夠轉化活塞桿的直線為兩個手指的左右擺動，從而進一步完成兩個手指的抓取和放松藍莓的連續(xù)動作。設計過程中，本文的手指內輪廓曲線大致在藍莓曲面曲率大致吻合，同時在其內表面安裝有一層柔性的海綿，同時在海綿的基礎上再采用橡膠進一步覆蓋，最大程度上確保其在抓取藍莓的同時誤傷果實，再者利用橡膠的大摩擦系數(shù)，使其抓取過程更加穩(wěn)定。其中，執(zhí)行切割樹枝動作的切割系統(tǒng)部分設計也是重要組成部分之一。其包含雙面刀片、刀架、切割轉盤、滾輪組1、滾輪組2、鋼絲、鋼絲繞盤、微型蝸輪蝸桿減速機構和12V直流電機等9大小部分組成。同時通過其微型蝸輪蝸桿機構將其12V直流電機進行一定程度的減速，鋼絲纏繞在鋼絲轉盤，接著繞過滾輪組1和滾輪組2，按螺紋軌道在切割轉盤上環(huán)繞，接著刀架和鋼絲固結在一起。其中，末端的刀架和雙面刀片是便攜式可拆卸，即使使用過程損壞，刀片工作可隨時進行，快捷方便。通過12V直流電機的動力，將其轉矩傳遞給刀片，刀片利用其繞手指的周向旋轉，從而順勢將其藍莓柄割斷，完成最后的收割動作。傳感系統(tǒng)是末端執(zhí)行器的眼睛，較為精密的部分。其中傳感系統(tǒng)包含限位開關、觸覺傳感器、微型視覺傳感器、壓力傳感器、光電位置開關等等5部分。其中對射式紅外線光電管是光電位置開關主要部件，將其安放在手指前后，其主要功能作用為收集電平信號，同時將電平信號轉化為數(shù)字信號，數(shù)字信號是控制器提供的主要控制信息，以便其檢測出藍莓的具體位置和氣候的開關的作用。與此同時，其壓力傳感器被安裝在左右手指的內輪廓的中心位置。其主要作用為控制抓取藍莓的力大小。手指支架上安裝有微型視覺傳感器，其主要功能作用是采集傳感器前方的果實分布圖像，以此分析獲取藍莓的具體信息，配合末端執(zhí)行器控制器靠近藍莓來進行抓取動作。手指的外廓安裝有觸覺傳感器安，其主要功能作用是實時分析機器采摘路線，進行實時分析和修改路線，達到避障效果。右手指外廓的底部安裝有一個限位開關，左右手指會各安裝一個，通過限制旋轉角度控制可控制刀片旋轉角，限制其轉動。4藍莓采收裝置結構設計藍莓收獲機結構如圖4.1所示，本文主要對藍莓采收裝置進行結構設計。4.1大臂電機功率計算(1)大臂電機所需拉力的確認大臂電機安裝方式如圖4.1所示。1、履帶小車；2、收集框；3、柔性帶；4、末端執(zhí)行器；5、收集裝置；6、電動推桿；7、小臂電機；8、大臂；9、大臂電機；10、腰部電機；11、腰部；12、升降臺；13、電源機動力控制設備；14、地面；圖4.1機械機構簡圖已知條件：整機總量1.8kg，輸送線的最大拉力為：(4.1)功率(4.2)(2)電動機的功率①傳動裝置的總效率η由參考文獻[1]表1-2查得：滾筒效率=0.96；減速器效率=0.9；滾動軸承效率=0.98；鏈輪傳動效率=0.97；輸送鏈傳動效率=0.95；總效率②所需電動機的功率(4.3)(3)選擇電動機的型號根據(jù)工作條件：為一般工作場合使用，選用常用的三相異步電機。查參考文獻[2]表7-2-2選擇電動機的型號為Y2-80M-4，額定功率0.55kw，滿載轉速1450r/min,電動機軸伸直徑19mm。4.2大臂電機減速機的選擇計算(1)分配傳動比(4.4)(2)選擇減速機的型號根據(jù)工作條件：為一般工作場合使用，選用常用的擺線減速機。選擇減速機的型號為RNYM05-1420-AV,EV-B，額定功率0.55kw，減速比為25。小臂電機計算和大臂電機計算一致。4.3軸的設計(1)主傳動軸的設計對圖2.1中的3-主傳動軸進行結構設計①選擇材料由于傳遞中小功率，轉速不太高，故選用45優(yōu)質碳素結構鋼，經(jīng)調質處理，查參考文獻[4]表12-1得材料的力學性能數(shù)據(jù)為：MPaMPaMPa②初步估算軸徑由于材料為45鋼，查參考文獻[3]表19.3-2選取A=115，則得：=25.04㎜(4.5)考慮裝齒輪加鍵需將其軸徑增加4%～5%，故取軸的最小直徑為30㎜③軸的結構設計如圖4.2所示，.圖4.2主傳動軸④軸上受力分析（如圖4.2a所示）鏈輪上的作用力圓周力：(4.6)徑向力：=635.078(4.7)軸向力：=178.098(4.8)求軸承的支反力水平面上支反力：(4.9)(4.10)垂直面上支反力：(4.11)(4.12)⑤畫彎矩圖（如圖4.2b、c）剖面B處彎矩：水平面上彎矩=233.8N·m(4.13)垂直面上彎矩=72.2N·m合成彎矩=244.694(4.14)剖面C處彎矩：=9.7N·m(4.15)⑥畫轉矩圖（如圖4d）98.6N·m(4.16)⑦計算當量彎矩因單向回轉，視轉矩為脈動循環(huán)，，則=0.602剖面B處當量彎矩=251.3N·m(4.17)剖面C處當量彎矩=60.1N·m(4.18)圖4.2受力分析⑧判斷危險剖面并驗算強度剖面B處當量彎矩最大，而其直徑與相鄰段相差不大，故剖面B為危險剖面=MPa=39.3MPa<59MPa(4.19)剖面C處直徑最小，為危險剖面MPa=22.3MPa<MPa(4.20)所以該軸強度滿足要求。4.4軸承的選擇與計算(1)主動軸方形帶座軸承的選擇與壽命計算①軸承的選擇主動軸的軸承既受一定徑向載荷，同時還承受軸向載荷，選用圓錐滾子軸承，初取d=30㎜,由參考文獻[3]選用型號為UCFU207，其主要參數(shù)有：d=30㎜,D=72㎜,Cr=19.8KN②計算軸承受力求軸承徑向載荷根據(jù)“軸的設計”中已算出的高速軸1的軸承支反力，有：=1474.555N(4.21)=3376.293N(4.22)求軸承的軸向載荷軸承內部軸向力Fs,按參考文獻[4]表14-13：=1474.555/2×1.6=460.798N(4.23)=3376.293/2×1.6=1055.092N(4.24)軸承的軸向載荷：因軸承Ⅰ被“壓緊”，故：=1233.19N(4.25)=1055.092N(4.26)③求軸承的當量動載荷P軸承Ⅰ:=1233.19/1474.555>e=0.37查[4]表14-12，=1.5=1.5×(0.4×1474.555+1.6×1233.19)=3844.389N(4.27)軸承Ⅱ:=1055.095/3376.293=0.313<e=0.37=1.5×3376.293=5064.439N(4.28)因軸承相同，且,故應以作為軸承壽命計算的依據(jù)。④求軸承的實際壽命已知滾珠軸承=10/3=79083h(4.29)根據(jù)設計條件，使用壽命十年，第年300天，每天8小時，則L=10×300×8=24000h因，故所選軸承合適。(2)從動軸帶撥輪座軸承選擇與壽命計算①軸承的選擇從動軸承也是既受一定徑向載荷，同時還承受軸向載荷，選用圓錐滾子軸承，初取d=30㎜,由參考文獻[3]選用型號為UCK207，其主要參數(shù)有：d=30㎜,D=72㎜,Cr=19.8KN②計算軸承的受力從動軸的設計和主動軸相似，故在次不進行計算。5藍莓收獲機運動學仿真5.1藍莓收獲機運動學仿真上述設計開發(fā)研制的采摘機械手各部分具體結構，通過UG8.5進行總體機械的三維建模，同時其尺寸和材料均按上述推算進行設計，同時進行運動學和軌跡進行仿真(圖5.1)。圖5.1機械結構UG8.5設計模型通過UG8.5的高級仿真模塊進行對虛擬的模型構件生成相對應的剛體，在該模塊下進行添加約束，隨后進行運動學的仿真。此時設定履帶底盤作為移動載體，仿真過程中將其與大地鎖?。ㄔO定