小型可升降苹果采摘机毕业设计

本 科 毕 业 设 计 论 文题 目 小型可升降可移动苹果采摘机 系 别专 业 班 级 学生姓名指导老师 本科毕业设计（论文）任务书 No：J题 目小型果树自动采摘机的设计姓 名1 毕业设计（论文）课题的主要任务： 进入21世纪，陕西省已成为全国苹果产量大省。醴泉、洛川、白水等地的果农们有的每户每年大多需要手工收获5-10万多斤的苹果，摘果时常因上梯或上树而感到非常劳累不便，也有因不慎从树上或梯子上掉下来的情况，采摘劳动强度大，非常辛苦。因此，急需要有一种既能有效采摘又能减轻劳动轻度的小型实用机械，目前市面上尚未见到此种工具。本项目拟研究出可升降的且能自动采摘高空树干苹果的采摘机。利用它可以站在地上准确快捷摘到树上的任何部位的果实，再也不用带着凳子上来下去为摘果而费时费力，既能减轻摘果时的劳动强度提高采摘速度，又可避免摘果站在凳子或果树上的危险性。 2.课题的具体工作内容（原始数据、技术要求、工作要求）：1）了解苹果自动采摘机应用的环境与条件，分析其功能要求；2）查阅相关资料，学习研究设计小型机械的思路和方法；3）设计出总体实现方案并进行充分论证；4）设计出采摘机的总体结构设计图；5）要求以1：1的比例画出切割部分的机械加工图纸；6）采摘重量范围：2两到2斤的都可以，不会碰掉其它果实。3.课题完成后提交的书面材料要求（论文字数，图纸规格、数量，实物样品、外文翻译字数等）：1)撰写出1.5万字以上的论文；2）总体结构设计图一张；3）机械加工图纸（1：1的比例）1张；4）不少于20，000印刷符号的英文翻译 4.主要参考文献：n 1侯书林，朱海主编，机械制造基础北京 中国林业出版社，北京大学出版社 2007n 2郭艳玲，李彦蓉主编，机械制造工艺学北京 北京大学出版社 2008 n 3任金泉主编，机械设计课程设计西安 西安交通大学出版社2006n 4蔡怀崇，闵行主编，材料力学西安 西安交通大学出版社 2004n 5哈尔滨工业大学理论力学教研室编，理论力学I哈尔滨 高等教育出版社 2004n 6沈莲主编，机械工程材料西安 机械工业出版社 2007n 7唐克中，朱同军主编，画法几何及工程制图西安 高等教育出版社 2006n 8任晓莉，史艳莉主编，互换性与测量技术基础西安 西安交通法大学城市学院n 9诸文俊，钟发祥主编，机械原理及机械设计（上册）西安 西安交通大学城市学院n 10 诸文俊，钟发祥主编，机械原理及机械设计（下册）西安 西安交通大学城市学院5课题工作进度计划时间工作内容第1周第2周查阅相关资料，学习设计小型机械的思路和方法第3周第4周反复论证所设计的总体实现方案第5周设计出总体结构设计图第6周第8周画出夹持、切割部分的机械加工图纸第9周第11周上半周画出支撑和升降等部分的机械加工图纸第11周下半周第13周撰写论文，做好总结答辩工作 第14周毕业论答辩指导教师（签名）： 学生（签名）：系审批意见：负责人签字： 年 月 日 摘要摘 要 进入21世纪，陕西省已成为全国苹果产量大省。醴泉、洛川、白水等地的果农们有的每户每年大多需要手工收获5-10万多斤的苹果，目前，对于采摘高枝苹果主要靠人力来采摘，摘果时常因上梯或上树而感到非常劳累不便，也有因不慎从树上或梯子上掉下来的情况，采摘劳动强度大，非常辛苦。因此，急需要有一种既能有效采摘又能减轻劳动轻度的小型实用机械，目前市面上尚未见到此种工具。 苹果采摘机的出现，有望改变传统的劳动方式。小型可升降苹果采摘机具有结构简单，使用方便，经济实用等特点，适用于对高枝苹果的剪切，亦可以控制升降高度，从而有效地进行剪切。本次毕业设计拟研究出可升降的且能自动采摘高空树上苹果的采摘机。利用它可以站在地上准确快捷摘到树上的任何部位的果实，再也不用带着凳子上来下去为摘果而费时费力，既能减轻摘果时的劳动强度提高采摘速度，又可避免摘果站在凳子或果树上的危险性。 苹果采摘机主要由夹持、切割、支撑和升降机构等部分组成。设计结构简单，经济实用。像人的手一样摘果准确灵活，不影响其它临位水果，触部位特软成弧形并且保果不伤果；携带、摘果方便；站在地上能准确摘下树上任何部位的果实；采摘重量范围：2两到2斤的都可以，不会碰掉其它果实。通过完成毕业设计，全面复习，巩固机械设计原理、机械制造工艺学以及相关课程的基本知识，并运用所学知识解决加工中的工艺、材料及性能关系等问题，优化结构。关键字：苹果，可升降，采摘机IABSTRACTABSTRACTEntering the 21st century, has become the countrys Apple production in Shaanxi Province. Liquan, Luo chuan, whitewater and other places, the fruit of some household mostly need to be hand-harvested more than 5.1 million pounds of apples a year, At present, the main rely on manpower to harvest branches for Apple picking, picking the fruit often feel very tired on ladders or trees on inconvenience, accidentally fell out of a tree or on a ladder picking intensive, very hard. Therefore, urgent need to have a valid picking can ease labor slightly small practical machine, currently on the market that have not seen this kind of tool.The emergence of Apple-picking machine, is expected to change the traditional way of working. Small lift Apple-picking machine is simple in structure, easy to use, economical and practical features, applies to the high branches of Apples cut, can also control the height, thus effectively cutting.Apple picking mainly by supporting and clamping, cutting, lifting mechanism components. Design structure is simple, economical and practical. Like a human hand, fruit picking precision and flexibility, without affecting the other fruits, special soft touch parts of the fruit into the arc and does not hurt fruit and fruit, and easy to carry, picking fruit; standing on the ground can accurately take off any parts of the fruit on the trees; pick the weight range: 22 to 2 kg can, wont touch some fruit.Through the final, comprehensive review and consolidation of machinery design and theory, basic knowledge of mechanical manufacturing processes, as well as related courses, and use what they have learned to resolve processing technology, materials and property relations and other issues, optimized structure.KEY WORDS： Apple, lifting, harvesting machines目录目 录 前 言1第1章 小型可升降苹果采摘机的国内外研究分析31.1小型可升降苹果采摘机的研究目的41.2小型可升降苹果采摘机的国内外研究分析研究现状及特点41.2.1小型可升降苹果采摘机的国内外研究现状51.2.2小型可升降苹果采摘机的特点51.3小型可升降苹果采摘机的基本构造51.4 本章小结6第2章 小型可升降苹果采摘机的总体设计82.1 设计思路分析82.2 总体结构分析及设计82.2.1切割机构的设计82.2.2可升降机构的设计92.2.3安全传输机构的设计132.2.4运送行走机构的设计132.4 本章小结15第3章 小型可升降苹果采摘机的切割机构163.1 切割果柄方式的选择163.2 切割机构材料的选择163.3 复位弹簧的设计173.4 切割机构上力的分析论证193.5 本章小结 第4章 小型可升降苹果采摘机可升降机构的设计204.1 可升降机构的方案选型204.2 可升降机构的材料选取204.3 可升降机构的分析及论证254.4 本章小结27第5章 小型可升降苹果采摘机安全传输机构的设计285.1 苹果安全传输的要求285.2 安全传输机构的设计方案285.3 柔性带的优点295.4 本章小结29第6章 小型可升降苹果采摘机运送行走机构的设计306.1 可移动苹果采摘机运送行走机构的一般方案306.2 可移动苹果采摘机运送行走机构的选择30 6.3 本章小结 第7章 结论和展望 7.1结论 7.2展望 致 谢32参考文献34附 录3639小型农用车启动装置的国内外研究分析前言前 言 果树种植业是我国农业中的重要产业之一，近几十年来，我国果树种植业规模和产量都有大规模的增长，其中苹果产量居世界第一位。如果在每年苹果收获季节，由自动化、机械化采摘代替人工劳作，能够大大提高苹果采摘效率，降低劳动强度，提高经济效率。据农业部统计，2008年全国苹果栽培面积和产量为19922万hm2和2 98466万t，占全国水果总面积和总产量的1856和2632，面积和产量均居水果生产的首位。与2007年相比，2008年苹果的面积和产量分别增加304万hm2和19867万t，同比增长了155和713。20lO年中国苹果总需求约3 120万t，2015年苹果总需求达到约3 370万t。但目前苹果收获主要由人工采摘，劳动强度大、消耗时间长，具有一定危险性。随着苹果种植园生产的扩大，规模化、多样化、精确化、时令需求以及农民外出打工增多等因素使劳动力不足的现象越来越明显，人们自然不断地对农业机械提出新的要求，于是果园收获作业机械化、自动化成为广大果农们最为关注的热点问题，采摘机器人便应运而生。一般苹果在采摘收获的基本受力原理主要有拉伸、弯曲、剪切、折断、撞击以及下落冲击等。 研究表明，由于苹果果柄具有韧性大、易剪断、位置高低不定等特点，为保护果树枝干不受较大损坏，且苹果收获时不受或少受撞击损伤，苹果采摘机一般由底座支撑机构、伸缩机构、剪切机构、缓冲机构、装运机构和可移动机构等组成。苹果采摘机的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。为此，本文针对我国苹果种植的情况以及规模，果树的区域生长特点，考虑到使用者(果农)的经济情况和文化水平，设计出一种高效率、低成本、操作简单的设计方案，满足了广大果农的需求。小型农用车启动装置的国内外研究分析第1章 小型可升降苹果采摘机国内外研究分析 最早采摘果实的方法是采用机械振摇式和气动振摇式, 但是存在果实容易损坏, 效率不高以及容易采摘到不成熟果实的缺点。随着技术的改进, 人们开始用梯子、升降台等设备协助机器采摘水果, 但是仍然存在劳动密集型的特点。从而, 运用机器人技术采摘水果有了快速的发展。 美国学者Schertz和Brown于1968年首先提出应该用机器人技术采摘果实，1987年Sistler指出当时开发的果实采摘机器人都需要人协助, 因此只能算是半自动化的收获机械。目前在国内, 果实采摘基本上还是人工进行, 但随着人口老龄化和农村劳动力的日益减少, 水果采摘机器人将会得到充分的使用。而在日本和欧美等发达国家在果实采摘机器人方面已取得了较大的发展。 随着高科技的迅速发展 ,机器人技术已广泛地应用于各个领域 。机器人应用于农业生产中 ,特别是设施农业生产过程 ,是农业向自动化和智能化发展的标志 。在农业机器人的研究方面 ,目前国内还只是处于起步阶段 ;但是国外农业机器人发展迅速,美国、欧洲和亚洲等许多国家对蔬菜和水果机器人系统进行了研究开发并有初步应用,主要用于番茄、黄瓜 、草莓、葡萄、西瓜、苹果、柑橘、甘蓝、蘑菇等收获以及育苗生产和作物管理等各类农业机器人 。 在果蔬生产作业中 ,收获采摘约占整个作业量的33% 50%。由于采摘作业的复杂性 ,采摘自动化程度仍然很低。21 世纪农业劳动力将逐渐向社会其它产业转移 ,世界各国面临着人口老龄化问题,劳动力资源不足将逐渐变为现实 ,收获机器人作为农业机器人的重要类型,能够降低人工劳动强度 ,提高劳动生产率和产品质量 ,保证果实适时采收,具有很大发展潜力。因此,发展机械化收获技术 ,研究开发果蔬采摘机器人,具有重要的意义。 1.1小型可升降苹果采摘机的研究目的在农业生产作业中 ,收获采摘约占整个作业量很大比重。由于采摘作业的复杂性 ,采摘自动化程度仍然很低。21 世纪农业劳动力将逐渐向社会其它产业转移 ,世界各国面临着人口老龄化问题,劳动力资源不足将逐渐变为现实 ,而采用小型可升降苹果采摘机能够降低人工劳动强度 ,提高劳动生产率，利用它可以站在地上准确快捷摘到树上的任何部位的果实，再也不用带着凳子上来下去为摘果而费时费力，既能减轻摘果时的劳动强度提高采摘速度，又可避免摘果站在凳子或果树上的危险性。1.2 小型可升降苹果采摘机研究现状及特点 当前，农业机械化的普及化程度还不高，大多还是采用传统的农业生产方式，这样不仅耗费人力体力，而且劳动效率也不高，更重要的是带有一定的危险性。因此，设计一种经济实用，省时省力的小型机械产品成为市场的一种强烈需求。1.2.1小型可升降苹果采摘机的研究现状 对于小型苹果采摘机的研究，目前主要有两种，一种是应用机器人技术的智能采摘机。另一种则是小型机械化的采摘机。应用机器人技术而开发的采摘机，虽说采摘效率高，对果树伤害较小，但其代价昂贵，不适合应用于广大农村。而基于小型机械化的苹果采摘机，设计结构简单，使用方便，成本低廉，非常适合果园种植面积大，劳动力不足的农村，大大降低农民在集中收获苹果时的劳动强度，因为其经济实用，所以可以大力推广。1.2.2小型可升降苹果采摘机的特点小型可升降苹果采摘机的出现，可以大大提高劳动效率，降低劳动强度，解决劳动力不足、提高经济效率，有望改变传统的劳动方式。小型可升降苹果采摘机的特点有以下几点:(1 ) 设计结构简单，易操作。 （2）像人手一样准确灵活，不会伤害其他果实。 （3）携带，摘果方便，站在地上就可以摘到高处的苹果。 （4）经济实用性很高，非常适用于广大农村果园种植地，大大降低劳动强度。1.3一般小型可升降苹果采摘机的基本构造一般苹果在采摘的过程中基本受力原理主要有拉伸，弯曲，剪切，折断，撞击以及下落冲击等，研究表明，由于苹果果柄具有韧性大，易剪切，位置高等特点，为保护苹果枝干不受较大的损伤，且苹果收获时不受或者少受撞击损伤，苹果采摘机一般由底座支撑机构，伸缩机构，剪切机构，缓冲机构，装运机构和可移动机构等组成。如图1-1为常见的苹果采摘机。（1） 底座支撑机构：主要起到支撑的作用，能更好地进行切割。（2） 伸缩机构：苹果树有高有低，高的最高可达4m左右，没有伸缩机构就无法够到，所以设计出可伸缩机构，可以根据苹果的高低来调节杆的高度，以达到剪切的目的。（3） 缓冲机构：苹果容易损伤，在剪切的过程中会受到下落冲击的作用，缓冲机构可以降低或消除下落所带来的冲击，常用的缓冲机构主要有柔性布筒装置。（4） 装运机构：可以用来存放采摘下来的苹果的机构，该机构的设计要求尽量简单实用，而且不伤害苹果。（5） 可移动机构：由于果实生长的植株是固定的，所以小型苹果采摘机在采摘果实时通过运送行走机构移动，配合采摘苹果。可移动式苹果采摘机的行走机构方案一般有3种：车轮式、履带式和人形结构。其中，车轮式应用最广泛。车轮式的走机构转弯半径小，转向灵活，但轮式的结构对于松软的地面适应性较差，会影响切割机构的精度。而履带式的行走机构对地面的适应性较好，但因其转弯半径过大，转向不灵活。目前只有葡萄采摘机器人使用履带式行走机构。 图1-1 常见苹果采摘机1.4 本章小结本章首先交代了小型可升降苹果采摘机研究的目的，简要的介绍了小型可升降苹果采摘机的发展，国内外的研究现状、以及小型可升降苹果采摘机的特点；其次说明了本课题研究的内容、目的和意义，最后简单介绍了小型可升降苹果采摘机基本构造。小型农用车启动装置的总体设计第2章 小型可升降苹果采摘机的总体设计2.1 设计思路分析 设计小型可升降苹果采摘机的目的是为了减轻农民的负担，降低劳动强度，使苹果采摘更安全，更有效率，小型苹果采摘机也要考虑到其经济实用，这也是很重要的。本文设计的小型可升降苹果采摘机可以极大的提高采摘的效率，对于高处的苹果，再也不用去费力搬梯子，也就不会出现因不慎从树上或梯子上掉下来的危险情况。 设计小型可升降苹果采摘机主要是为了应用于农村广大种植园，所以就首先要经济实用，所以这里不考虑那些基于机器人技术和智能技术的基础上来设计苹果采摘机。果柄有的韧度大有的韧度小，所以这里就要采用剪刀来剪切，这样就可以保证韧度较大的果柄被顺利剪切.苹果树有高有低，高的可达四米左右，单靠人根本无法够到，所以就要设计出一种可伸缩的机构，根据果树的高低可以来调节剪切的高度。剪切下来的苹果在下落过程中会受到冲击作用而伤害果实，所以，就必须设计一种可以缓解或者消除冲击力的机构来使得苹果能安全落到苹果筐里面。由于果实生长的植株是固定的，对于搬运采摘下来的苹果来说就很费力，设计一种适合在果园里移动的安全行走机构就可以大幅降低劳动力，目前，采用智能导航技术的无人驾驶自主式小车是智能采摘机器人行走部分发展的趋势。2.2 总体结构分析及设计苹果采摘机基本组成： 切割机构 可伸缩机构 安全传输机构 运送行走机构 首先为了达到能顺利地剪切果柄，剪切机构的剪切部分采用剪刀来剪切，然后用拉杆来控制剪刀的剪切，剪刀的两个手柄中间设置有复位弹簧，可以在剪切完成后又能使剪刀恢复张开状态；其次是可升降机构，该机构由内杆和外杆组成，内杆套在外杆内，内杆内有压缩弹簧被压缩着，顶着外杆的内壁，内外杆可以用手来驱动相互运动，当内杆伸出一定距离后，里面的压缩弹簧就会弹出来，起到固定的作用，根据果树的高低来设定内外杆的可伸缩长度。接下来的安全传输机构的设置主要是为了使剪切下来的苹果安全落到苹果筐里面，该机构主要采用柔性布筒来减轻或者消除苹果下落所带来的冲击对苹果造成的损伤，苹果剪切下来后，可以顺利落到连接在下面的柔性布筒当中，柔性布筒里面安装有弹性网，可以使苹果下落减速，不会伤果。柔性布筒可以直接连接到苹果筐里，其结构简单，实用方便，有利于降低劳动强度，减少人力消耗，提高工作效率，保障人身安全。接下来就是运送行走机构的设计，考虑到苹果园地形的因素，这里选用车轮式的行走机构。 小型可升降苹果采摘机由切割机构，可伸缩机构，安全传输机构和运送行走机构几部分组成的，下面就这几个方面分别分析。2.2.1切割机构的设计1）切割机构的设计方案切割机构目前主要有两种方案： （1）利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄。 该方案可以避免切刀对其他苹果造成的误伤，适合对于果柄易断的苹果，但对于果柄韧度较大，就不容易切割下来，从而降低劳动效率。（2）利用切刀或者电极直接切断果柄。该方案能够有效地切割果柄，但切刀容易伤到其他果实，并且也要对果柄的位置做出精确的判断，同时手腕要有必要的自由度，否则很容易伤到别的果实，根据果柄的方位，由手腕调整末端执行器的采摘姿态后，切刀才能进行精准的切断果柄。而如果要对果柄的方位做精确的检测的话，就相应的增加了设计的难度和成本。 2）针对以上两种方案的优缺点，再结合采摘苹果的实际情况，我设计研究了以下两种采摘方案。（1）根据电磁原理切割研究方案 电磁原理切割机构包括交流电机，磁性剪刀，电池电源，开关和导线等，利用电磁原理，通过改变电路正负极方向来改变剪刀两端的磁性实现切割。例如，左边剪刀定位S极，开始时右边为S极，由于同性相斥，剪刀状态为打开状态。然后剪切时通电改变右边剪刀的磁性，使其变为N极，由于异性相吸，剪刀就会闭合，从而实现切割。 （2）根据机械设计原理设计的切割方案 本机构包括：压缩弹簧，剪刀，剪刀连接鞘，小拉杆，拉杆连接鞘，钢丝绳。利用平面四杆结构和简单机械机构的设计来达到切割目的，如图所示： 其中，1为剪刀，2为剪刀连接鞘，3为压缩弹簧，4为剪刀连接鞘，5为拉杆连接鞘，6为拉杆。该机构采用瞬间拉动拉杆，通过外部拉杆拉动钢丝绳连接的拉杆6，两个小拉杆的角度就会减小，然后压缩弹簧被压缩，剪刀闭合从而实现切割。切割完后，压缩弹簧收缩，剪刀就会成张开状态，剪刀柄和小拉杆角度恢复，钢丝绳拉杆自动恢复原状。 2.2.2可升降机构的设计可升降机构的设计关系到切割机构能否达到剪切的高度，可升降机构的要求首先是机构设计简单容易操作，更重要的是设计出来的结构不会过于沉重，否则就会增加劳动强度，影响到采摘的效率。1）可升降机构的可行方案方案一：方案一说明：上图为苹果采摘机升降机构的设计方案一，重要组成部分在图中已有明确表示，主要包括底座，升降台一，升降台二，杆一，杆二，伸缩支撑器等。其中升降台一可绕底座转动，增大采摘面积。伸缩支撑器可上下伸缩，由此调整采摘杆相对于地面的角度，这样一来更加增大了苹果采摘的范围。升降台和伸缩支撑器的动力部分均是由液压完成，液压系统的主要设备安装在底座部分，其他的辅助设备安装在适当部位。方案二：方案二说明：上图为苹果采摘机升降机构的设计方案二，重要组成部分在图中已有明确表示，主要包括凸轮机构，箱体一和二，支架，支架板，球铰链等。箱体一中安装电动机，使得凸轮一转动，实现升降效果。支架固定于箱体一和支架板之间，起到稳定支架板的作用。箱体二的作用主要为安装杆件的驱动机构和控制机构，要是有更多的人为参与的话，箱体二的作用有所减弱。球铰链的作用主要为让杆件获得更多的自由度，以实现增大采摘范围的目的。方案三：方案三说明： 该方案的可升降机构主要有内杆和外杆组成，内杆套在外杆里，两杆接触的部分做成螺纹接触，这样就不会出现由于杆太滑而影响可升降杆的升降和切割机构的切割。内杆中有弹片，两弹片之间用压缩弹簧相连，顶着内杆内壁，当内杆伸出来时，弹片就会弹出，就会顶住外杆，这样就可以起到固定的作用，不会影响到切割。 2.2.3安全传输机构的设计 剪切下来的苹果要受到下落冲击的作用，下落冲击产生的力会损伤苹果，造成损失，如何安全地使剪切下来的苹果落到苹果筐里面，这就是设计安全传输机构所要考虑的。安全传输机构的设计，主要是为了减少或者消除冲击力，避免伤害到苹果。安全传输机构的设计也应该结构简单，实用方便和经济实用。根据实际情况，我设计出了以下的安全传输机构： 如上图所示，1为剪刀，2为铁圈，3为网兜，4为柔性袋，5为支架，6为拉杆。 撑杆的端部固定设置有铁圈，铁圈直径有15厘米，足够苹果落入。铁圈上设有网兜，网兜下面与柔性布袋相连接，柔性布袋通过支架固定在撑杆上。柔性布袋可收缩，富有弹性，不会在苹果下落过程中伤苹果，而且布袋下面设有缓冲网，且可以直接连接到苹果筐里，该结构简单，使用方便，经济实用。2.2.4运送行走机构的设计 考虑到果园里采摘要运送苹果，为了降低劳动强度，就得设计一种适合在苹果园里移动的运送行走机构，这样就省去了费大力气去人工搬运的许多麻烦，小型苹果采摘机在采摘时候，通过运送行走机构的移动来配合采摘苹果。目前，可用于实际操作的运送行走机构主要有两种，一种是车轮式结构，一种是履带式结构。如图所示：2.4 本章小结本章主要分析了小型可升降苹果采摘机的总体结构设计。详细地介绍了切割机构，可升降机构，安全传输机构和运送行走机构的可选择设计方案以及当前的应用发展，下面主要就是对各个结构部分做出最优选择以及可行性论证。小型农用车启动装置的动力传输机构设计 第3章 小型可升降苹果采摘机切割机构设计3.1 切割方式的选择 从国内外的研究成果来看，对于果柄的打断，基本上采用以下两种方式：（1）利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄。 该方案可以避免切刀对其他苹果造成的误伤，适合对于果柄易断的苹果，但对于果柄韧度较大，就不容易切割下来，从而降低劳动效率。（2）利用切刀或者电极直接切断果柄。该方案能够有效地切割果柄，但切刀容易伤到其他果实，并且也要对果柄的位置做出精确的判断，同时手腕要有必要的自由度，否则很容易伤到别的果实，根据果柄的方位，由手腕调整末端执行器的采摘姿态后，切刀才能进行精准的切断果柄。而如果要对果柄的方位做精确的检测的话，就相应的增加了设计的难度和成本。针对以上两种方案的优缺点，再结合采摘苹果的实际情况，我设计研究了以下两种采摘方案。（1）根据电磁原理切割研究方案 电磁原理切割机构包括交流电机，磁性剪刀，电池电源，开关和导线等，利用电磁原理，通过改变电路正负极方向来改变剪刀两端的磁性实现切割。例如，左边剪刀定位S极，开始时右边为S极，由于同性相斥，剪刀状态为打开状态。然后剪切时通电改变右边剪刀的磁性，使其变为N极，由于异性相吸，剪刀就会闭合，从而实现切割。 ( 2 ) 机械设计原理设计的切割方案本机构包括：压缩弹簧，剪刀，剪刀连接鞘，小拉杆，拉杆连接鞘，钢丝绳。利用平面四杆结构和简单机械机构的设计来达到切割目的，如图所示：其中，1为剪刀，2为剪刀连接鞘，3为压缩弹簧，4为剪刀连接鞘，5为拉杆连接鞘，6为拉杆。该机构采用瞬间拉动拉杆，通过外部拉杆拉动钢丝绳连接的拉杆6，两个小拉杆的角度就会减小，然后压缩弹簧被压缩，剪刀闭合从而实现切割。切割完后，压缩弹簧收缩，剪刀就会成张开状态，剪刀柄和小拉杆角度恢复，钢丝绳拉杆自动恢复原状。以上的可行性设计方案中，方案一结构比较简单，设计也较合理，不足的是要用到电池或者电机，而且容易伤到其他果实，不好实现控制；方案二结构简单，设计也合理，而且容易操作，经济实用。所以在这里切割机构的设计选择方案二。 3.2 切割材料的选择 材料的力学性能有强度，硬度和疲劳强度，强度是材料在外力的作用下抵抗变形和断裂的能力，根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度，抗压强度，抗弯强度和抗剪强度等。硬度是材料抵抗更硬物体压入的能力，常用的硬度指标有布氏硬度，洛式硬度等。疲劳强度是在交变应力下工作的，所谓交变应力是指零件所受应力的大小和方向随时间做周期性变化。例如，受力发生弯曲的轴，在转动时材料要反复受到拉应力和压应力，属于对称交变应力循环。零件在交变应力的作用下，当交变应力值远低于材料的屈服强度时，经长时间运行后也会发生破坏，这种破坏成为疲劳破坏，疲劳破坏往往会突然发生，无论是塑性材料还是脆性材料，断裂时都不产生明显的变形。对于要剪切韧度高的果柄，这就要求刀片的硬度要高，而且耐磨。碳素钢应用非常广泛，能满足工农业生产的需要，加之价格低廉，并且有一定的力学性能，所以在这里刀片选用碳素工具钢。碳素工具钢又可分为碳素结构钢，优质碳素结构钢，碳素工具钢和一般工程铸造碳素钢。下表就是对各类碳素钢的介绍：名称特点应用碳素结构钢较高的强度和良好的塑性，韧性，工艺性能优异用于一般工程结构，普通机械零件以及日用品等优质碳素结构钢这类钢中有害杂质含量较少，化学成分控制较严格，塑性和韧性较高多用于制造较重要的零件，一般经过热处理后使用，以充分发挥其性能潜力。碳素工具钢生产成本较低，加工性能好可用于制造低速，手动刀具及常温下使用的工具，模具，量具等。一般工程铸造碳素钢能制造形状复杂的零件。应用于机械制造尤其是重型制造业中。综合以上表，切割机构选择碳素工具钢比较好。3.3 复位弹簧的设计. 1. 弹簧的种类很多，按受载性质可以分为拉伸弹簧，压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照弹簧形状又可以分为螺旋弹簧，碟形弹簧，环形弹簧等。 螺旋弹簧使用螺旋线圈绕而成，由于制造简便，所以应用最广，螺旋弹簧按外形可分为圆柱形弹簧和圆锥形弹簧。在这里，圆柱形弹簧应用最广，在这里选用圆柱形弹簧。如图所示： 2.弹簧的制造 螺旋弹簧的制造过程包括卷绕，两端面加工（压缩弹簧）、热处理和工艺试验。 弹簧制成后，如再进行一次强压处理，一般可提高承载能力约百分之二十，如果进行喷丸处理，则承载能力可提高百分之三十至百分之五十，使用寿命增大22.5倍。 3.弹簧的材料 弹簧在工作中经常受到冲击载荷和循环变载荷的作用，因而要求制造弹簧的材料应具有较高的抗压强度和一定的冲击韧性、塑性以及良好的热处理性能。 选择弹簧的材料时，应充分考虑弹簧的工作条件、功用、重要性和经济性等因素。 常用的弹簧材料有碳素弹簧钢、合金钢和有色金属等。 碳素弹簧钢: 含碳量在0.6%0.9%之间，按其力学性能可分为B、C、D三级。这类钢价廉易得，热处理后具有较高的强度，适宜的韧性和塑性，但当弹簧丝直径大于12mm时，不易淬透，故仅用于做小尺寸的弹簧。 故这里选用的材料为碳素弹簧钢。4.弹簧的许用应力计算 由教材机械原理及设计中的表20-4试取弹簧丝直径d=1mm,C（弹 簧指数）取5。其中C为弹簧中径与弹簧丝直径的比。 则由表20-2可取碳素弹簧钢的抗拉强度1为1660Mpa(B级） 可得弹簧的许用应2=0.45*1=0.45*1660=747Mpa 曲率系数K=（4c-1）/(4c-4)+0.615/c=1.31弹簧所受到的应力为=c*8*F*d2/3.14*d*d*d 代入数据得：=667.5747Mpa 故所选尺寸和材料符合要求。3.4切割机构上力的分析论证 苹果树枝的半径一般为2mm,剪刀末端切割苹果时的角度为50度，其受力分析如下所示： 如上受力分析图所示，剪切果枝用大概二十牛的力，两角度可近似看做50度，根据图中剪切力受力分析可知： F1=F2 F=2F1cos65=2F2cos65由以上式解得剪断果柄所需要的施加在拉杆上的拉力大概为F=16.9N。 通过分析可得，当剪刀与苹果果柄相切时，需要的拉力为16.9牛的力就可以切割下来，拉动拉杆的力为瞬时力，比这个力大得多，所以剪刀可以切割下来。3.4 本章小结 本章主要介绍了小型可升降苹果采摘机的设计，分别详细介绍了切割方式，切割机构材料的选择，复位弹簧的设计以及加在切割机构上力的分析论证。 小型农用车启动装置的储能装置及动力转换机构的设计第4章 小型可升降苹果采摘机可升降机构的设计4.1可升降机构的设计和方案选型 上章我介绍了关于小型可升降苹果采摘机可升降机构的可行性方案，有两种方案，一种是基于液压系统的可升降机构，另一种则是基于凸轮系统的可升降机构。 这两种设计方案各有优缺，但这两种设计方案都不可避免地增加了机构的复杂性，既增加了操作的的复杂性，降低了灵活性，也增加了成本，不利于在农村果园普及推广开来。 我根据雨伞的可升降原理设计出了一种结构简单，经济可行的可升降方案，如图所示：如图所示，1为外杆，2为内杆，3为弹片，4为压缩弹簧。苹果树最高为4米，可伸缩杆外杆长度为1.25米，内杆为2.00米，内杆可以自由伸缩。所以，可伸缩杆长度的长度变化范围为2.002.90之间，再加上人的身高最低1.5米，长度足够，可以满足采摘要求。该方案的可升降机构主要有内杆2和外杆1组成，内杆套在外杆里，两杆接触的部分做成螺纹接触，这样就不会出现由于杆太滑而影响可升降杆的升降和切割机构的切割。内杆中有弹片3，两弹片之间用压缩弹簧4相连，顶着内杆内壁，当内杆伸出来时，弹片3就会弹出，就会顶住外杆1，这样就可以起到固定的作用，不会影响到切割。4.2可升降机构材料的选择可升降杆材料的要求: 首先不能过重，其次要有一定的强度。而铝合金强度高，用它可以代替某些钢铁材料，可以减轻机构的质量。下表是有关铝合金代号，力学性能以及用途的说明：类别牌号代号化学成分（质量分数）处理状态力学性能用于举例Cu Mg Mn Zn 其他bHBS硬铝合金2A01LY12.2-3.00.2-050.20.1线材Cz 3002470工作温度不超过100的结构用中等用中等强度铆钉。2A11LY113.8-4.80.4-0.80.4-0.80.3板材Cz42018100中等强度结构零件，如骨架，模锻的固定端头，支柱，叶片等。2A12LY123.8-4.91.2-1.80.3-0.90.3板材Cz47017105高强度结构零件，如骨架，蒙皮，梁，铆钉等150之下的零件。7A04LC41.4-2.01.8-2.80.2-0.65.0-7.0Cs60012105结构中主要受力件，如飞机大梁，加强框，蒙皮，及起落架等。结合上表所示，可升降杆的材料应选择材料，该材料时铝铜镁合金系中的典型硬铝合金，其成分也比较合理，综合性能也较好。合金杆的许用应力为4.3 可升降机构上力的分析计算及其论证可升降构件上连接的部分有剪刀，网兜，柔性袋及其连接件，其质量约为，果农在进行采摘时，杆与水平地面夹角设为度。受力分析如图所示：（） 求支反力分别由平衡方程和求得，（） 列剪力方程和弯矩方程段：在段任取一截面，设截面上有正的剪力和弯矩，如图所示：由平衡可得，（段：在段任取一截面，设截面上有正的剪力和弯矩M 2，受力分析如图所示: 由平衡条件可得：Fs2=FAF=aFa+b (a X2a+b M2=FAX2F(X2a)= bFa+bX2F(X2a)(aX2a+b做剪力图和弯矩图：由剪力方程和弯矩方程分别作出剪力图和弯矩图，如图所示：由图可知 最大剪力为Fs max=bFa+b 最大弯矩为Mmax=abFa+b要求出F的大小，就得先作出剪切力受力分析。如图： 从图中可知杆在拉伸到最大时所受切向的力为F=mgsin10=1.7N 代入数据可得最大剪力为Fsmax=1.7(20.3521.4N.可升降杆的截面相当于薄壁圆环截面，最大切应力发生在中性轴上，方向平行于剪力Fs,由计算得:max=2FsA 其中设计d=29mm，A为圆环截面面积，求得A=2R t(R为圆环的中径，t为圆环壁厚)代入数据可得A=2Rt23.140.0270.0020.000339mm所以最大切应力max=21.40.000339=8.26Mpa370Mpa因此，可升降杆的刚度完全符合要求。4. 4本章小结 本章介绍了可升降机构的设计方案，分析了设计的可行性，并且通过计算进行了论证和分析。小型农用车启动装置的止动机构、释放机构的设计和离合机构的选型第5章 小型可升降苹果采摘机安全传输机构的设计5.1 苹果安全传输机构的要求 采摘下来的苹果如何安全地传输到苹果筐里面是设计时必须要考虑到的，如果单靠人力一个个放到筐子里，就会增加劳动的强度，消耗体力。所以应该设计一种安全传输机构，可以减轻或者消除苹果下落产生的下落冲击力，使苹果安全地落到筐子里。安全传输机构的设计应该结构简单，安装使用方便，经济实用，可以在满足采摘的不同要求。5.2安全传输机构的设计方案 根据苹果下落安全，结构简单，安全使用方便等要求，设计安全传输机构如图所示： 如图所示，1为剪刀，2为铁圈，3为网兜，4为柔性布筒，5为布筒撑杆，6为拉杆。在剪刀下部设置有铁圈，铁圈直径有15cm,足够苹果落入。铁圈上设有网兜，网兜的下部与柔性布筒相连接，柔性布筒通过布筒撑杆固定在杆上。切割机构所在的部分与可升降机构所在的部分成135，是为了增加采摘时的灵活性，也可以避免采摘下来的苹果直接落入柔性布筒，有了角度可以缓缓滚入里面，柔性布筒采用柔性带，可收缩，带有弹性，而且柔软有张力，柔性布筒里面安装有弹性网，可以使苹果下落减速，不会伤果，布筒可以直接连到苹果筐里。该方案结构简单，操作容易 ，可以极大地减少工作强度，提高工作效率，能够使得采摘下来的苹果安全落入。 5.3 柔性带的选型 柔性带的设计主要是为了减轻或者消除苹果下落所带来的冲击力，以免损伤苹果，柔性布筒采用的是柔性带，柔性带有以下的优点：1 有着高抗拉能力，可承受0.58.5t的拉力。2 高抗冲击性能，能够很好地吸收冲击能量。3 使用安全，柔软质量小，不会产生安全隐患，4 不伤产品。5 不生锈不变质，不会污染产品，能经受各种气候条件的考验。6 经济实用，节约成本。5.4 本章小结本章首先介绍了安全传输机构的设计要求，然后设计出了可行性方案，并且对结构材料的性能要求做了说明。第6章 运送行走机构的设计6.1可移动苹果采摘机运送行走方案 对于采摘下来的苹果，如果单靠人力去运送，就会增加劳动强度，为此，必须设计一种可以在果园自由运送苹果的装置，通过这个运送装置来配合采摘。可移动采摘机的运送方案一般有三种：车轮式，履带式和人形机器人结构。如图所示：6.2 运送行走方案的选择 车轮式运送行走方案应用最为广发，车轮式转弯半径小，转向较为灵活，可以在果园自由行走。而履带式行走机构虽然对地面的适应性好，但其转弯半径大，转向又不灵活。对于目前尚处于研究开发中的人形机器人技术，则由于技术还不成熟，有待进一步的探索。 所以，考虑到地形，经济方面的因素，在这里选用车轮式的运送行走方案。结论和展望第7章 结论和展望7.1结论研究本课题对于提高农业劳动的生产效率，降低劳动强度，改善工作环境，提高经济效率有着重要意义，本文针对采摘苹果的具体要求，设计出一种适用于广大农村地区，该产品充分利用机械设计原理，设计出了一种经济实用，实用操作简便的小型可升降苹果采摘机。研究工作结论：本文根据农业中采摘苹果的存在的问题，主要介绍了一种简单的、可靠的纯机械式的苹果采摘机。它操作简单，维护方便，使用成本低廉，可以满足采摘的要求，文中详细地介绍了小型可升降苹果采摘机的各个组成部分的设计，通过对比，最后选择了其中较好的机构，并通过计算、分析论证了设计的可行性。6.2展望本研究中设计的小型可升降苹果采摘机有许多的不足之处，如可能会伤害到苹果芽的生长，也可能因为刀片会碰到其他苹果而造成不必要的损失等。希望在以后的研究中能够借以为鉴，发挥其优势，优化其不足之处。本设计还可以加以改进，将来需要进一步可以设计出果实识别和定位系统，可以更加精确地进行切割，使其能成为一个完善的机构。总之，希望我设计的机构能够发挥出应有的作用，为我国农业做贡献。致谢致 谢本论文是在指导老师樊琛教授的精心指导下完成的。从选题、论证、设计、到毕业论文的撰写无不渗透着恩师的心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识、对问题的敏锐洞察力、精益求精的务实学风让我受益匪浅；同时，导师在生活和学习上对我给予了无微不至的关怀和教诲，在此特别向樊老师致以诚挚的感谢。在整个课题研究期间，还得到了曹凡老师、杨振坤老师大力帮助和支持，特别是樊琛老师对我的精心辅导，对我的帮助也非常大，在此向他们表示衷心的感谢！同时还得特别感谢我的父母，在我学习期间，他们无论是精神上还是在物质上都给了我很大的支持。在这里，我表示最衷心的谢意！面对如此多的关心和帮助，这是一种幸福也是一种感动，唯有在以后的日子里时时敦促自己，努力成长，不断进取，以不辜负师长、亲人和朋友对我的殷切期望。参考文献参考文献n 1侯书林，朱海主编，机械制造基础北京 中国林业出版社，北京大学出版社 2007n 2郭艳玲，李彦蓉主编，机械制造工艺学北京 北京大学出版社 2008 n 3任金泉主编，机械设计课程设计西安 西安交通大学出版社2006n 4蔡怀崇，闵行主编，材料力学西安 西安交通大学出版社 2004n 5哈尔滨工业大学理论力学教研室编，理论力学I哈尔滨 高等教育出版社 2004n 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