毕业设计（论文）便携式样山核桃采摘机的设计

本科毕业设计(论文)题目： 便携式样山核桃采摘机的设计学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 机自0701班 学 号： 学生姓名： 指导老师： 提交日期： 2011年06月12日 浙江工业大学毕业设计（论文）便携式山核桃采摘机的设计学生姓名：林立碧 指导老师：周国斌浙江工业大学机械工程学院摘 要目前国内果蔬采摘作业基本以手工采摘为主，随老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本提高，发展机械化，特别是果蔬采摘机的研究，具有重要意义。本文设计的便携式山核桃采摘机，属于农业机械。山核桃采摘机包括电源、连杆机构、机壳、驱动装置、连接臂、上下拍爪，连杆机构由外管、内管和锁紧装置构成。外管内套接有可在外管内部伸缩的内管，外管右端与内管外壁连接处设有锁紧装置，内管右端与机壳左端固定连接，上拍爪左端与机壳右端上壳体铰接，下拍爪左端与机壳右端下壳体铰接，机壳内设有驱动装置，上下拍爪通过连接臂与驱动装置连接。关键词： 便携式山核桃采摘机 驱动装置 上拍爪 下拍爪 连杆机构 The Design of portable pecan picking machineStudent:Libi Lin Advisor:Dr.Guobin ZhouCollege of EngineeringZhejiang University of TechnologyAbstractAt present, the harvest of fruit and vegetable in China is basically by hand. With the aging, the reducing of agricultural labor force, and the increasing of the cost of agricultural production, the development of mechanization of harvest, especially the research on robots of fruit and vegetable harvest, has a great significance. The portable pecan picking machine designed in this thesis is a kind of agricultural machinery .This machine employs power supplies, linkages, machine shells, driving devises, connecting arms, upper fingers and down fingers. Thereinto, the linkage is made up of an outer pipe, an inner pipe and a lock device. The flexible inner pipe is connected in the inner surface of the outer pipe. Lock device is in the joint of the right end of outer pipe and the outer surface of the inner pipe. The right end of inner pipe is fixedly connected with the left end of the machine shell. The left end of upper finger is articulated with the upper part of the machine shells, while the left end of down finger is articulated with the down part of the machine shells. The machine shell is equipped with a driving devise. The upper finger and down finger are connected by connecting arms.Keyword: portable pecan picking machine;driving devise;upper finger;down finger; linkageiii目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论31.1选题的背景及现状31.1.1山核桃采摘的现状31.1.2便携式山核桃采摘机的使用现状31.2研究的意义3第二章 便携式山核桃采摘机机械系统52.1便携式山核桃采摘机使用的可行性52.2便携式山核桃采摘机的基本工作原理52.3便携式山核桃采摘机的构造5第三章 采摘装置的设计93.1上下拍爪及剪切刀具的材料选择93.2剪切刀片尺寸的确定93.3上下拍爪的力学分析93.3.1上下拍爪剪切刀具之间的工作载荷93.3.2上下拍爪剪切刀具的强度校核103.4上下拍爪的结构设计11第四章 传动系统的设计174.1驱动电机的选择174.1.1电动机型号的选择174.1.2电动机过载保护电路194.2传动轴及齿轮的设计204.2.1传动轴及齿轮的工作情况介绍204.2.2传动轴及齿轮的计算、校核及设计204.2.2.1选择轴的材料及热处理204.2.2.2计算传动装置的总传动比和分配各级传动比204.2.2.3圆柱齿轮的设计计算224.2.2.4 圆锥齿轮的设计计算254.2.2.5 II轴的计算及设计294.2.2.6 I轴的计算及设计334.2.2.7键的校核38第五章 便携式山核桃采摘机的总体重量及校核405.1便携式山核桃采摘机的总体重量405.2便携式山核桃采摘机的总体校核40第六章 便携式山核桃采摘机的装配426.1装配设计特点426.2便携式山核桃采摘机的装配42第七章 总结46参考文献：47致谢48第一章 绪论1.1选题的背景及现状1.1.1山核桃采摘的现状 随着经济的快速发展，人民生活水平的提高，特别是食品方面需求，山核桃有着极其高的营养价值，含有较多的蛋白质及人体营养必需的不饱和脂肪酸，还有多种维生素，有润肠、滋肾、益脑等功效1。山核桃是浙江传统特产，主产于浙、皖交界的天目山区，分布于临安的昌化、于潜、淳安的临岐、唐村、安吉的孝丰，桐庐的分水等地，昌化的山核桃产量居首位。每年白露（9月8日）过后，山核桃主产区临安昌化开始统一采摘。山核桃树通常高5到20米不等，需要农民爬到树上，然后人站在树上用竹竿将枝头的山核桃敲打下来，掉到地上后捡到麻袋中运回。山核桃产业给当地带来巨大经济、社会效益的同时，每年因山核桃采摘事故造成的死伤悲剧却不断在上演。2004年，共有7人在采摘山核桃过程中死亡，108人受伤；到了2006年这一数字上升为16人死亡200多人受伤；而到2009年，开摘仅8天即有9人死亡2。这一组组血淋淋的数据，无时不刻地拷问着当地的山核桃产业。1.1.2便携式山核桃采摘机的使用现状 便携式山核桃采摘机是通过上下拍爪剪切山核桃的枝头将剪断的枝头的山核桃收集在上下拍爪下方的收集网中。首次应用机器人技术进行果蔬收获的是美国学者Schertz和Brown于1968年提出的，但当时开发的收获机器人样机只能算是半自动化的收获机械。随着计算机图像处理技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利、以色列、西班牙等国家在采摘机器人的研究上做了大量研究工作，并且试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人。但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性，目前市场上仍没有商品化的采摘机器人3。从1983年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发已经经历了近20年。日本和欧美等发达国家相继立项研究用于采摘苹果、柑桔、西红柿、茄子、葡萄等水果的智能机器人4，5，6。根据对智能机器人的不同理解，目前采摘机器人的研究朝着人机互助型和自主智能型两种不同的方向发展7。在我国只有赵伟忠、徐建锋曾设计过便携式坚果采摘机8，但是也未应用到实际生活当中，相关资料也很少。1.2研究的意义本课题所研究的是便携式山核桃采摘机，属于一种农用机械，特别是一种适用于采摘高处山核桃的便携式采摘机，属于农用机械的制造领域。一直以来，采摘山核桃都是依靠人工采摘，而采摘不到的山核桃则需要借助长竹竿或长木棍等杆状工具进行拍打，使果实掉落到地上，然后人工拾取果实，这种方法采摘效率低，而且安全隐患多，每年都有操作人员从树上摔下伤人事件，而国外也只有大型的采摘设备，由于设备体积和重量都比较大，移动麻烦，使用起来极为不便，特别不适合我国山区、丘陵地带的使用。而该采摘机有重量轻，体积小，容易移动，寿命长，工作效率高等优点。第二章 便携式山核桃采摘机机械系统2.1便携式山核桃采摘机使用的可行性要实现剪切果实的功能，可以有多种功能原理实现，如吸附式、抓拉式、剪切式等9。而本课题所要设计的便携式山核桃采摘机就是利用剪切式功能原理进行采摘的，主要是由于山核桃果实枝头处比较坚韧，利用吸附式和抓拉式对果树的枝条都具有较大的伤害。但是也由于山核桃树非常高大，并且通常位于险峻的高山上，人工采摘比较危险，每年采摘季节都有不少的死伤事故发生。本课题设计的便携式山核桃采摘机可以不用让采摘人员爬到高处采摘，减少人员伤亡事故。本课题所设计的采摘机的伸高是通过配合使用内外管和锁紧装置来控制高度，而外管与内管的材料都是由较轻盈的塑料做成，不仅坚固而且操作起来比较省力，可以降低采摘人员的劳动难度，提高采摘效率。2.2便携式山核桃采摘机的基本工作原理便携式山核桃采摘机的主要工作部件是电动机驱动带动啮合着的齿轮来带动上下拍爪的剪切工作。工作时，通过内管和外管以及锁紧装置来控制采摘机的伸展的高度，驱动装置包括电机和变速箱，变速箱由箱体、I轴（包含一段齿轮轴）、II轴、小圆锥齿轮、大圆锥齿轮和大圆柱齿轮构成，I轴上中部前后分别设有大圆锥齿轮和一段齿轮轴，且I轴两端分别和箱体前后两侧连接，II轴位于I轴右侧，且II轴后端与箱体后侧连接，II轴前端与大圆柱齿轮连接，大圆柱齿轮和齿轮轴相互啮合，I轴上设有一段偏心轴，电机位于变速箱左侧且其动力输出端上设有小圆锥齿轮，小圆锥齿轮和大圆锥齿轮啮合。电机带动小圆锥齿轮，将动力传到大圆锥齿轮上，实现第一次变速，I轴上的小圆柱齿轮轴把动力传到大圆轮齿轮上，实现第二次变速，在II轴上设一个偏心轴，偏心轴的转动带动长的连接动力臂，连接臂由2根短的连接动力臂和1根长的连接动力臂构成，2根短的连接动力臂分别与上拍爪左端和下拍爪的左端铰接，其另一端都与长的连接动力臂右端铰接，长的连接动力臂左端与II轴上的偏心轴连接。偏心轴的转动带动长短动力臂实现上拍爪和下拍爪交互运动，上下拍爪上设有剪切的刀具，可以实现对山核桃果实枝头的剪切，然后把剪切后的获得的山核桃收集在上下拍爪下的收集网中。2.3便携式山核桃采摘机的构造便携式山核桃采摘机包括电源、连杆机构、机壳、驱动装置、连接臂、上拍爪和下拍爪，连杆机构由外管、内管和锁紧装置构成。外管内套接有可在外管内伸缩的内管，外管右端与内管外壁连接处设有锁紧装置，内管右端与机壳左端固定连接，上拍爪左端与机壳右端上壳体铰接，下拍爪左端与机壳右端下壳体铰接，机壳内设有驱动装置，上拍爪与下拍爪通过连接臂与驱动装置连接，如图2-1到2-9所示。图2-1 总装配三维前视图图2-2 总装配三维前视图图2-3 总装配二维主视图图2-4 总装配二维俯视图图2-5 工作及传动部分装配三维前视图图2-6 工作部分三维下视图图2-7 工作部分三维左视图图2-8 减速箱部分三维前视图图2-9 传动部件三维前视图驱动装置包括电机和变速箱，变速箱由箱体、I轴（包含一段齿轮轴）、II轴（设有偏心轴）、小圆锥齿轮、大圆锥齿轮、大圆柱齿轮构成，齿轮直接用润滑脂润滑，通过在机壳外壳打几个小孔，让空气流动进入减速箱体内，运用流动的空气来实现降温效果。工作部分是由连接臂和上下拍爪构成，其中有多个铰接孔，连接动力臂与上下拍爪是铰接的。内管和电机箱体相连，内管的直径比外管直径小，内管可以在外管内部实现伸缩，通过锁紧装置实现锁紧，其中内外管内均设有导线，把手与外管相连，把手上设有与外界电源相连的导线。 第三章 采摘装置的设计3.1上下拍爪及剪切刀具的材料选择上拍爪和下拍爪材料的选择必须保证耐腐蚀，不生锈，有一定的刚度和强度，同时还要考虑其机械加工性和经济性。为此，在1Crl3 和9Crl8 两种材料中参考表3-1进行选择。表3-1 材料1Crl3 和9Crl8参数表10 材料性能1Cr139Cr18化学成分/%C0.15Cr11.5013.50C0.901.00Cr17.0019.00硬度(HB)159255屈服强度345抗拉强度540加工性能普通材料，稍难切削难以加工的材料用途具有良好的耐蚀性、机械加工性，一般用途 刃具类用不锈切片机械刃具及剪片道具、手术刀片、高耐磨设备零件等 (a)材料中C 的含量越高，其耐腐蚀性越差；(b)在钢中加入Cr 能显著提高钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，并能提高钢的强度和耐磨性，从而能显著提高钢的力学性能和物理、化学性能，因而在各种用途的钢中普遍加入数量不等的Cr11。但由于我国Cr 资源稀少，故应尽量节约使用，少用或不用。根据分析可以看出， 1Crl3 比9Crl8 易加工，C、Cr 的含量低，价位大体相当，所以，本课题的上下拍爪选用1Crl3 作为材料来加工。3.2剪切刀片尺寸的确定出于对一串山核桃果实个数以及果树高度对视野影响的考虑，初步确定刀片的长为210mm，刀刃距离拍爪平面的距离为10mm。3.3上下拍爪的力学分析3.3.1上下拍爪剪切刀具之间的工作载荷 上下拍爪工作时需要克服阻力，为了确保刀具有足够的强度，设计刀具时首先应对刀具载荷进行分析。把上下拍爪之间的剪切运动设想为上拍爪上的刀具与下拍爪上的2个刀具缝平行，因而能进行剪切，在剪切处是山核桃果实枝头的树枝剪切的阻力。枝头剪切阻力的计算 一般山核桃的枝头都很细，不考虑弯矩，所以只考虑剪切力，由于山核桃果实质量较小，不考虑其重力。如图3-1所示枝条图3-1 山核桃枝条剪切力示意图 山核桃果实的枝条属木质材料，取最粗为5mm，偏心轴轴心的平均水平方向的速度设定为0.02 m/s，剪切处的剪切速度大概可取为m/s，刀刃最厚处可取为0.01mm，剪力为 ，果实新生枝头属嫩的木质材料，其切变模量G值大约为1GPa，MPa，剪切力N，所以取N。3.3.2上下拍爪剪切刀具的强度校核上下拍爪处的剪切刀具工作时候需要克服阻力，为了确保其具有足够的强度，设计时对剪切处所承受的载荷进行分析，刀具受到剪切时的载荷作用，容易发生疲劳破坏。刀具的设计是决定便携式山核桃采摘机的寿命长短的因素之一，因此，应按无限寿命设计，即要求各部件在工作载荷作用下具有无限长寿命。金属材料在交变应力强度常用曲线或者疲劳极限来衡量，见图3-2，当时，试件则能经受无限循环而不发生破坏。为此设计时应力水平应该很低，以便有足够的应力储备。疲劳极限与抗拉强度之间的关系为：材料1Cr13的抗拉强度=540Mpa，取其下限MPa。图3-2 图计算上下拍爪剪切刀具的强度一般山核桃的枝条都比较细，可以尽可能的选择最粗的枝条直径为5mm进行计算以确保剪切刀具有足够的强度进行剪切。由上述可知，=20N，切应力MPa查表得材料1Cr13的抗剪强度MPa，所以=1Mpa320Mpa。由于几乎不存在拉应力，所以综上所述，试件能经受无限循环而不发生破坏，因此设计的上下拍爪的剪切刀具满足强度要求。3.4上下拍爪的结构设计根据果实采摘的功能，可以有多种功能原理实现，如吸附式、抓拉式、剪切式。因此可以制定以下三种方案。（1）方案一：通过吸附式实现果实采摘功能，机械手抓取机构主要有架体、真空吸盘和真空发生器组件组成，架体使用刚性连接，其中真空吸盘是果实抓取的重要元器件，吸附机构由4个吸盘组成，呈矩形分布，对果实形成均衡的吸附力(如图3-3)，其中机械手设计大致构型(如图3-4)，机械的结构形式为四个自由度机械手，分别有腕部、大臂、小臂、腰部组成。当吸附抓取机构接近山核桃时，启动真空吸盘功能，可以实现山核桃过时的采摘。图3-3 真空吸附抓取机构示意图图3-4 真空发生器工作原理示意图（2）方案二：通过抓拉式实现果实的采摘功能(如图3-5)，该机械手主要的设计元件是机械手爪的设计，手爪有2个手指，每个手指有2个关节，如图3-5所示。当通过抓拉式采摘山核桃时，在电机的控制下，通过传动机构实现2个手指的联动，可以实现山核桃的采摘功能。图3-5 抓拉式机械臂示意图（3）方案三：通过剪切式实现山核桃果实采摘功能(如图3-6和图3-7)，上下拍爪由2个相对运动的剪切刀片组成。当采摘山核桃时候，通人机互助，将拍爪定位好以后，可以启动电动机，通过传动装置传递动力来带动上下拍爪相对运动，实现对果实枝头的剪切功能，从而实现了山核桃的采摘功能。图3-6 上拍爪示意图图3-7 下拍爪示意图（4）三种方案的比较上述三种方案均可以实现山核桃果实的采摘，但是这仅仅从上下拍爪的实现功能来考虑，选取一个合适的方案还须综合考虑多方面因素，进行可行性分析。方案一采用吸附式功能采摘，有定位要求低，动作灵敏等优点，但是需要配备真空形成装置，成本较高，而且实现起来比较复杂，对果实的枝条的伤害较大。方案二采用抓拉式功能采摘，结构简单，操作方便等优点，但是自由度较高，实现起来比较困难，成本也较高，对果实枝条的伤害极大。方案三采用剪切式功能采摘，具有结构简单，操作方便，对果实枝条伤害极小等优点，且通过人机互助来实现人工定位，成本较低，实现起来也非常方便。综合以上等因素，采取第三种方案最佳。当上拍爪与下拍爪全张开时，此时不处于剪切枝条状态，所需的剪切力最小，切为0N，当上拍爪与下拍爪夹紧剪切枝条时，所需的剪切力最大，为20N。设定此时上拍爪与下拍爪的夹角为，第一动力短臂与第二动力短臂的夹角为，此时所需的动力也最大，如图3-8图3-8 工作部分力学分析简图之前的计算可知道如图3-3可知N，设定上下拍爪的长的臂长为194mm，短的臂长为19.4mm。根据力矩平衡原理可以计算出N，N设定刀具长度为10mm，根据以上的图可以求出与机体相连的两个铰链空的之间距离为mm依次可以求出短的连接臂长为mm。上拍爪的三维结构示意图3-9图3-9 上拍爪示意图下拍爪的三维结构示意图3-10图3-10 下拍爪示意图第四章 传动系统的设计4.1驱动电机的选择驱动电机是便携式山核桃采摘机的工作能量的提供源，也是关键部件之一，其性能直接影响着便携式山核桃采摘机的使用效果。在设计中，电动机的特征为时间短，启动频繁。4.1.1电动机型号的选择目前，电动机的种类繁多，价格、性能差别较大，本着经济、实用的指导思想对电动机类型及型号进行优化选择是十分重要的。驱动电机是便携式山核桃采摘机的工作能量的提供源，也是关键部件之一，其性能直接影响着便携式山核桃采摘机的使用效果。根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求选择电动机的类型。直流电动机可实现快速频繁无极启动、制动和反转；具有过载能力大，能承受频繁的载荷冲击，优良的调速性能，调速平滑、精切、方便和范围广等特点。设计中，便携式山核桃采摘机的电动机的特征为频繁短时间运行、快速启动，无调速要求。依据直流电动机具有的特点和表4-1与表4-2，设计选取电动机的类型为直流电动机。表4-1 电动机类型选择参考表12负载类别选用电机类型恒转矩和通风机负载特性的机械选用机械特性为硬性的电动机较适宜恒功率负载特性的机械选用调励磁的变速直流电机或带有机械变速的交流异步电机无调速要求的机械负载平稳，对启动、制动无特殊要求的长期运行的机械小功率普通笼型电动机大功率采用同步电动机带周期性变动负载的机械（如飞轮）或启动条件沉重大中功率采用绕线型电动机小功率经过载能力启动条件校验通过的采用高转差率电动机某些断续运行机械，采用交流电机在发热、启动、制动特性等方面不能满足要求或技术经济指标过低采用直流电动机表4-2 电动机类型选择参考表12序号负载性质生产机械工作状态选用电动机类型平稳冲击长期短时断续调速飞轮储能异步电动机同步电动机直流电动机笼型绕线型他励串励1234567对于小功率机械，或启动次数较多而电网容量不大易受冲击时，不推荐采用同步电动机。对于大中型机械，当电网容量不大时，不宜选用笼型电动机，而选用绕线型电动机。异步电动机需带调速装置（一般为转子外接电阻方式，还有采用滑差离合器、涡流制动器、串级或变频等方式）。指小功率机械只要求几级速度时，采用多速笼型电动机。需要启动转矩大的机械（如电车、牵引机车等）采用串励直流电动机。根据前面的计算可知，N，即为偏心轴所要提供的拉力，而为了确保山核桃采摘机的工作顺利进行，可以取N，取偏心轴轴心的水平平均速度为m/s。偏心轴偏心距的计算上拍爪与下拍爪短的臂长为mm，不工作时，上下拍爪的长臂保持平行；夹紧时，上拍爪与下拍爪形成的夹角为30，所以拍爪的短臂只转动了，由图可知，其运动行程是如何的，所以长的连接动力臂所运动的路程约为mm，因此偏心轴的偏心距mm，取该处轴直径为10mm，长为8mm。1确定电动机的功率13（1）电动机所需的功率为： kW式中： 为工作装置所需功率，单位为kW；为由电动机至工作装置的传动装置的总效率。 kW式中。N，取m/s，工作装置的效率考虑到偏心轴及其轴承的效率取。代入上式得：kW=9W电动机的输出功率按式计算： kW式中，为电动机轴偏心轴的传动装置总效率。由公式，查表得，取滚动轴承，8级精度圆柱齿轮传动（稀油润滑）效率，8级精度圆锥齿轮传动（稀油润滑）效率，则故 kW=9.66W因载荷平稳，电动机额定功率只需略大于即可，所以选取的直流动机的额定功率为12W，额定电压为12V，转速为r/m。可以在电动机市场上寻找已经有的产品，或者找产商定做。4.1.2电动机过载保护电路电动机运行时，可能会发生由于剪切枝头过于坚韧，使电动机的负载增加，由于电动机本身有一定的过载能力，电动机不会超过允许的温度，这种过载是允许的；但是过载的时间过长，温度升高超过允许的最大量程，将会降低电动机的寿命，严重时会烧毁电动机。为了保证电动机的正常启动和运转，在电动机发生较长时间的过载时能自动切断电路，防止电动机过热烧毁，如图4-1所示，图4-1 过载电路保护示意图4.2传动轴及齿轮的设计4.2.1传动轴及齿轮的工作情况介绍在机械设备中，轴指的是作为传动件支承和旋转中心的转轴，轴的结构尺寸配置、刚度和强度，直接影响着固定传动件的旋转精度、工作性能和使用寿命，是各种传动系统的极重要基础件，轴端合理设计传动设计首要设计的工作。齿轮是传递轴与轴之间动力的重要部件，并且齿轮的传动的效率非常高。本设计中，主要对I轴与II轴以及各个齿轮的计算及校核设计。轴的尺寸及结构形状、支承跨距等与传动件的轴向尺寸，受力大小和方向直接相关。本设计中I轴通过齿轮直接与电动机相连接，II轴位于大圆柱齿轮上，I轴受到2个扭矩作用，II轴受到来自于小圆柱齿轮的扭矩和弯矩作用，偏心轴受到长的连接动力臂的弯矩作用。4.2.2传动轴及齿轮的计算、校核及设计13.144.2.2.1选择轴的材料及热处理由于本设计中传递的功率不是很大，为了减轻便携式山核桃采摘机的重量以及对农业经济成本的考虑，I轴选取40Cr，II轴选取45钢，调制处理即可。4.2.2.2计算传动装置的总传动比和分配各级传动比1传动装置的总传动比 r/min2分配传动装置的各级传动比由式，为使圆锥齿轮的外廓尺寸不致过大，取传动比，所以，则圆柱齿轮传动比，圆锥齿轮的传动比不能过大，否则会影响工作的平稳性，且加工起来难度较大。3计算传动装置的运动和动力参数（1）各轴转速 I轴：r/min II轴： r/min 工作轴： r/min （2）各轴输入功率 I轴：W II轴：W 工作轴：W （3）各轴输入转矩 I轴： II轴： 工作轴： 电动机输出的转矩：将以上算的的运动和动力参数列表4-3如下表4-3 各传动件数据 轴名参数电动机轴I轴II轴工作轴转速1000333.373.573.5功率P(W)9.669.379.049.04转矩0.09230.2681.1751.175传动比34.531效率0.970.96514.2.2.3圆柱齿轮的设计计算1 选材料：查表得，选择小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。2 由于便携式山核桃采摘机的机械工作部分即采摘所需的精度不需要很高，因此选择选小齿轮的齿数，大齿轮齿数，取。3按齿面接触强度设计试选载荷系数K=1.3计算小齿轮传递的转矩 0.268 =268 查表得，选取齿宽系数=1由表得查得材料的弹性影响系数=189.8 MPa查图表得，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=550MPa，齿轮的接触疲劳强度极限=500Mpa由图表查得，取接触疲劳寿命系数=0.90,=0.95。计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1,由公式查得 =MPa =0.95=475 Mpa计算小齿轮分度圆直径，代入中较小值。=2.32mm 计算圆周速度。=m/s计算齿宽b。b=1mm4 计算齿宽与齿高之比。模数 =mm齿高 mm=5 计算载荷系数根据v=0.165 m/s,8级精度，由图表查得动载荷系数K=1直齿轮，K=1由表查得使用系数K=1.50用插值法查得8级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，=1.450。由=5.33，=1.468查图表得K=1.30,故动载荷系数K= KK=1.506按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由公式得 9.465mm7计算模数m。mm8按齿根弯曲强度设计由公式的弯曲强度得设计公式为 确定公式中的各计算数值： 由图表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa,大齿轮的弯曲强度极限=380MPa。由图表查得，取弯曲疲劳寿命系数=0.85, =0.88。计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由公式得：=303.57 MPa =238.86 MPa计算载荷系数K。 K=1查取齿形系数。由表查得 =2.99，=2.57查取应力校正系数。 由表查得 =1.50,=1.60计算大小齿轮的并加以比较。 = =大齿轮的数值大。9设计计算：m mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数0.437，取标准值m=1mm,按接触强度算得的分度圆直径d=11.24 mm，算出小齿轮齿数=大齿轮齿数 ，取=100。 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，做到结构紧凑，避免浪费。10几何尺寸计算计算分度圆直径 mm mm计算中心距 a=mm计算齿轮宽度 b=1mm取=12mm,大齿轮齿顶圆直径mm大齿轮齿根圆直径 mm4.2.2.4 圆锥齿轮的设计计算151 材料选择：小齿轮用40Cr（调质），硬度为260HB, 大齿轮用45号钢(调质),硬度为250HB，二者材料硬度差为10HB。2 选小齿轮的齿数，大齿轮齿数=，取=36。3 齿数比 锥距 4 齿根的弯曲疲劳强度计算 （1）直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度可近似的按平均分度圆处的当量圆柱齿轮进行计算因此 （2） 直齿锥齿轮的载荷系数同样为,其中使用系数=1.50可由表查取，动载系数=1.0可查图表中低一级的精度线及查取，齿间载荷分配系数及可取为1，齿向载荷分布系数可按下式计算，试选载荷系数由设计计算公式 小齿轮转矩：N mm 由表查取材料弹性影响系数MPa 按齿面硬度查表得小齿轮齿面接触疲劳强度极限Mpa， 大齿轮齿面接触疲劳强度极限MPa5由图表查得接触疲劳寿命系数1, 16计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1,由式（10-12）得=MPa =MPa试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的式。 =2.92mm7计算齿宽b =mm 计算齿宽和齿高之比。 模数 mm 齿高 mm 8得弯曲强度设计公式为由图表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa，大齿轮的弯曲强度极限Mpa。由图表查取弯曲疲劳寿命系数，(1) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数为S=1.4，可得 =321.43MpaMPa（2）计算载荷系数按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，查公式得 mm计算模数mm9查取齿形系数由表查得 ，查取应力校正系数由表查得 ，计算大，小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大。 设计计算 =mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数0.58并就近圆整为标准值m=0.5mm,按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数 大齿轮的齿数 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，做到结构紧凑，避免浪费。几何尺寸计算计算分度圆直径 mm mm计算锥距 mm计算齿轮宽度 mm取 mm,mm由于小圆锥齿轮分度圆直径太小而且为了减轻机器整体的质量，因此不采用联轴器，直接采用轴相连。4.2.2.5 II轴的计算及设计 （1）II轴的计算II轴上的功率 W，转速r/min ,转矩N m。轴的简图如图4-2，其中2个轴承安装在I-II和VII-VIII段，大圆柱齿轮安装在II-III段。图4-2 II轴示意图（2）求作用在大圆柱齿轮上的力因为是直齿轮，所以，因此只有圆周力径向力，无轴向力。已知当上下拍爪进行剪切工作时，第一动力臂、II轴轴心、偏心轴轴心都在同一线上，N，偏心距mm，但偏心轴对于II轴无扭矩作用，因此只有一个拉力为N作用在大圆柱齿轮中心位置即II轴心位置。低速级大圆柱直齿轮的分度圆直径为mmNN（3）初步确定轴的最小直径先按公式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表查取120，于是得 mm II轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径 (图4-2)，取mm。（4）轴的结构设计 拟定轴上零件的转配方案，根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1） 由之前可知mm，因此可以取mm 2）初步选择滚动轴承。因轴承只受到径向力作用而无轴向力的作用。故选用深沟球轴承。参考工作要求并根据数据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度的深沟球轴承60000型的618/8型号，其中尺寸为，故，右端深沟球轴承的定位轴肩高度为2.4mm，所以取， 3）取安装齿轮处的轴段II-III的直径为，因为大圆柱齿轮的齿宽=12mm，所以取齿轮的轮毂宽度为12mm，为了使套筒断面可靠的压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，所以取，偏心轴轴长为8mm，直径，齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩的高度，故取，又由于考虑到偏心轴处的直径，则轴环处的直径，轴环的宽度，取。 4）取齿轮距箱体内壁的距离，考虑到箱体的铸造误差，在确定深沟球轴承的位置时候，应距箱体内壁一段距离，已知深沟球轴承宽度，圆柱齿轮的轮毂长为12mm，则 取 至此，已初步确定了轴的各段的直径和长度。（5）轴上零件的周向定位 齿轮与轴的周向定位采用平键连接。按，由表6-1查得平键的截面，键用键槽铣刀加工，长为，同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为。深沟球轴承与轴的定位由过渡配合来保证，此处选轴的直径尺寸公差为n616。（6）确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表可得，曲轴端倒角为，圆角为，（7）求轴上的载荷 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图如图4-3，在确定轴承支点的位置时，从手册中查询a的值，查取a=2mm,因此，作为简支梁的轴的支撑跨距为，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图，从图4-3中可以看出，偏心轴处的截面为危险截面。 可得：因此： FFTT图4-3 扭矩弯矩分析图表4-4 扭矩弯矩数据 载荷 水平面H 垂直面V支反力F 弯矩M 总弯矩 扭矩T（8）按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上上的承受的最大弯矩和扭矩的截面（即为危险截面）的强度。根据式15-5及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 前已选定的材料为45钢，调质处理，由表15-1查得60Mpa。因此，故安全。4.2.2.6 I轴的计算及设计（1）I轴上的功率 ，转速 ,转矩，轴的简图如图4-4所示，直接取小圆柱齿轮改为齿轮轴段，其中2个轴承安装在I-II和VI-VII段，大圆锥齿轮安装在V-VI段，小圆柱齿轮安装在II-III段。图4-4 I轴示意图（2）求作用齿轮上的力圆柱齿轮，圆锥齿轮，因此小圆柱齿轮只有圆周力径向力，无轴向力，圆锥齿轮有圆周力径向力，轴向力，方向如图4-5所示.，所以取（3）初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为45钢，调质处理，查表15-3，取，于是得 I轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径(图4-4)，为了保证山核桃采摘机能顺利进行工作，取。（4）轴的结构设计 拟定轴上零件的转配方案，根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1） 由之前可知， 2）初步选择滚动轴承。因轴承受到径向力和轴向力的作用，又由于所需的轴承内径过小，故选用深沟球轴承，在一定的程度上也能承受轴向力的作用。参考工作要求并根据数据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度的深沟球轴承60000型的618/8型号，其中尺寸为，为了避免圆柱齿轮碰到箱体内壁，故。 3）小圆柱齿轮直接选择传动齿轮轴，取轴段II-III直径 ， ，齿轮轴的右端设有1mm长的间隙，便于加工，取轴段VI-V直径。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩的高度，故取，则轴环处的直径，轴环的宽度，取。 4）设定大圆锥齿轮的轮毂为11mm，取，则 至此，已初步确定了轴的各段的直径和长度。（5）轴上零件的周向定位 齿轮与轴的周向定位采用平键连接。按，由表查得平键的截面，键用键槽铣刀加工，长为，同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为。深沟球轴承与轴的定位由过渡配合来保证，此处选轴的直径尺寸公差为n6。（6）确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表查得，曲轴端倒角为，圆角为，（7）求轴上的载荷 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图如图4-5，在确定轴承支点的位置时，从手册中查询a的值，查取a=2mm,因此，作为简支梁的轴的支撑跨距为，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。，可得：，可得：，,，TT图4-5 扭矩弯矩分析图表4-5 扭矩弯矩数据 载荷 水平面H 垂直面V支反力F 弯矩M 总弯矩 扭矩T（8）按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上上的承受的最大弯矩和扭矩的截面（即为危险截面）的强度。根据式15-5及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 前已选定的材料为45钢，调质处理，由表15-1查得60Mpa。因此，故安全。4.2.2.7键的校核（1）I轴上键的校核锥齿轮与轴的轴向定位采用平键联结。按查表得平键截面，长为8mm，其传递的扭矩为=268，由表查得许用挤压应力，对于与锥齿轮相连的键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。由式（6-1）可得： 所以挤压强度足够。（2）II轴上键的校核 根据，从表中查得键的截面尺寸为，其传递的扭矩为，由表查得许用挤压应力，对于与锥齿轮相连的键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。由式（6-1）可得： 所以挤压强度足够。（3）电动机轴上键的校核锥齿轮与轴的轴向定位采用平键联结。由齿轮的结构可以取该处的轴段直径为。由查表得平键截面，长为6mm，其传递的扭矩为，由表查得许用挤压应力，对于与锥齿轮相连的键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。查公式可得： 所以挤压强度足够。第五章 便携式山核桃采摘机的总体重量及校核5.1便携式山核桃采摘机的总体重量 主要的材料是改性聚丙烯和钢材料，查表格得改性聚丙烯为，钢的密度为，电机的重量为。 改性聚丙烯的体积 + 聚丙烯材料的总重量约为钢的体积钢的总质量约为整体的总质量为而该机器是人机互助型的，但是为了保证产品质量，因此重量应该可以满足，采摘人员可以将机器靠在地面上支撑着来减少采摘时候体力的消耗。5.2便携式山核桃采摘机的总体校核主要的承受压力部分是在采摘工作部分，工作部分的工作总重量约为2.7kg，弯矩，主要是压应力的作用，最脆弱的地方在锁紧装置处。，查得E=3500Mpa 所以求得： 因为改性聚丙烯的极限伸展率为200%700%，属于工程塑料，抗弯曲强度大，而很小，且57mm相对与10m来说是非常小，满足要求。 第六章 便携式山核桃采摘机的装配6.1装配设计特点总体装配是三维实体建模的最后阶段，也是建模过程的关键。用户可以使用配合关系来确定零件的位置方向，可以自上而下设计一个装配体，也可以自下而上的进行设计，或两种方法结合使用。所谓自下而上的设计方法，就是先生成零件并将其插入装配体中，然后根据设计要求配合零件。这是比较传统的方法，因为零件是独立设计的，所以可以让设计者更加专注于单个零件的设计工作，而不用建立控制零件大小和尺寸的参数关系等复杂概念。在本设计中，象上下拍爪、齿轮、轴等是比较重要的零部件，所以我们采用单个零件加以设计。自上而下的设计方法是从装配体开始设计，用户可以使用一个零件的几何体来帮助定义另外一个零件，或生产组装零件后才添加加工特征。可以将草图布局作为设计的开端，定义固定零件的位置，基准面等，然后参考这些定义来设计零件。在本设计中，电机壳，内外管等各零部件之间需要配合，所以采用装配体的环境下设计各零件。在设计过程中，山核桃采摘机的内外管、电机外壳材料选用改性聚丙烯。改性聚丙烯以它独特、优越的耐腐蚀性能，广泛应用于电力、化工、制药、食品等行业的防腐设备制作，随着塑性工业的不断发展，塑料越来越广泛应用于化学工业的防腐设备中。改性聚丙烯作为新型的化学工业防腐材料，该材料无毒，对于制药食品行业尤为适宜，并能满足设备提高耐热性能的要求，深受广大用户信赖。改性聚丙烯的主要性能具有质轻，价廉，机械强度高，耐磨损，耐弯曲疲劳抗老化等特点。所以山核桃采摘机的电机外壳，内外管，把手等选用改性聚丙烯。6.2便携式山核桃采摘机的装配由于采摘机的内外管都较长，因此把最主要的部分显示出来即可，如图6-1到69所示图6-1 总装配三维前视图图6-2 总装配三维前视图图6-3 工作及传动部分装配三维前视图图6-4 工作部分三维下视图图6-5 工作部分三维左视图图6-6 减速箱部分三维前视图图6-7 传动部件三维前视图图6-8 总装配二维主视图图6-9 总装配二维俯视图电源将能源传给电动机，电动机带动紧接其后的减速箱运动，II轴上有一段偏心轴，利用偏心的作用，带动动力臂来带动上下拍爪运动，从而实现剪切运动。因为小圆锥齿轮较小，其所需的轴也相对较小，因此不采用联轴器，可以把电机直接固定在外壳上，实现小圆锥齿轮的定位。第七章 总结 我国是一个农业生产大国，农业对我国的经济的发展有着至关重要的意义。国家也提出过“三农”问题，国家也采取了一定措施实现农业的机械化。 由于我国属于多山区，多丘陵地带的国家，很多大型的农业机械都不能很好的应用到农业生产中去，因此研究设计一些便携的农业机械还是很有必要的。农业机械化不仅有利于提高农民的收入和生活水平，而且可以节省大量的劳动力和时间来从事其他事业。目前国内，采摘机的还处于起步期，很多技术方面还有很大的局限性，不过凭借着科技进步，人才的开发，前景还是一片宽阔的。相信在不远的将来，农业机械化将会得到广泛的应用，我国的农民生活水平也会得到质的提高。山核桃树非常高大，并且通常位于险峻的高山上，人工采摘比较危险，每年采摘季节都有死伤事故发生。本课题拟设计一种便携式山核桃采摘机，在本机器的帮助下，工人不必爬到高处，从而减少工伤事故的发生。国内曾有人设计过山核桃采摘机，但是存在一定的问题，如下：1结构复杂，制作成本高，不容易普遍；2机器噪音大；3，不易于操作，体积较大。本设计的山核桃采摘机具有以下特点：1结构简单，易于加工，维修方便，成本较低；2工作平稳，无噪声；3总体质量较轻，采摘高度可以根据人以及树的高度来简单控制。目前在国内，山核桃采摘机还处于初步发展阶段，该机器由人工控制电源开关以及采摘高度，大大节省了人工劳动力的输出，也杜绝了采摘事故的发生。由于时间及个人能力有限，毕业设计中必定有不少不足之处，本文所做的工作远远不足，有待于今后的进一步深入及完善。论文中存在的纰漏、错误之处，肯定各位老师和专家批评指正。 参考文献：1 中药健康网之山核桃营养价值 2网易新闻中心滚动新闻 山核桃采摘“硬伤”，何时能“痊愈” 3 张洁，李艳文. 果蔬采摘机器人研究现状、问题及对策J. 机械设计，. 2010，27（6）:14 宋健，张铁中，徐丽明，汤修映. 果蔬采摘机器人研究进展与展望 J . 农业机械工程报，2006，37（5）:1595 Shigehiko Hayashi.Katsunhu Canno,Yukitsugu Ishii,etal.Rob