油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)【折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng)】
油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)【折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng)】,折疊臂式舉升機(jī)構(gòu),液壓驅(qū)動(dòng),油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)【折疊臂式舉升機(jī)構(gòu),液壓驅(qū)動(dòng)】,油茶,振動(dòng),采收,機(jī)舉升,部件,虛擬,樣機(jī),設(shè)計(jì),折疊,舉升機(jī),液壓,驅(qū)動(dòng)
湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)
THE VIRTUAL PROTOTYPE DESIGN OF CAMELLIA OLEIFERA VIBRATION HARVESTING LIFTING MECHANISM
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
年級(jí)專(zhuān)業(yè)班級(jí): 2009級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)
化（1）班
指導(dǎo)老師及職稱(chēng)：副教授
學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長(zhǎng)沙
提交日期：2013年5月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠(chéng) 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1前言 1
1.1研究背景 1
1.2國(guó)內(nèi)外果蔬收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀 3
1.2.1國(guó)外收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 3
1.2.2國(guó)內(nèi)收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 4
1.3研究意義 6
1.4本文主要研究?jī)?nèi)容 7
2油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體方案設(shè)計(jì) 7
2.1油茶樹(shù)栽培方式和油茶果生物特性 7
2.2油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體方案設(shè)計(jì)原則 7
2.2.1最優(yōu)的工作空間 7
2.2.2合理的結(jié)構(gòu) 8
2.2.3良好的可操作性 8
2.2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 8
2.2.5盡量采用少的自由度 8
2.3油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體結(jié)構(gòu) 9
2.3.1舉升機(jī)構(gòu) 9
2.3.2轉(zhuǎn)臺(tái) 11
2.3.3下臂 11
2.3.4上臂 11
2.3.5機(jī)械手爪 12
3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13
3.1舉升部件的示意結(jié)構(gòu) 13
3.2 液壓系統(tǒng)的要求 13
3.2.1上臂油缸動(dòng)作回路 14
3.2.2下臂油缸動(dòng)作回路 14
3.2.3 機(jī)械手爪油缸及調(diào)平油缸動(dòng)作回路 15
3.2.4 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)油缸動(dòng)作回路 16
3.2.5 附圖 16
4舉升部件的靜力學(xué)分析計(jì)算 17
4.1上臂的靜力學(xué)分析計(jì)算 17
4.2下臂的靜力學(xué)分析計(jì)算 19
4.3舉升部件自由度的計(jì)算 20
4.4上下臂的靜力學(xué)仿真 20
5結(jié)論 21
5.1本文主要工作成果 22
5.2論文的不足與研究展望 22
參考文獻(xiàn) 22
致謝 23
油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘 要：本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)油茶振動(dòng)采收機(jī)的舉升部件，該部件采用了折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)，利用液壓驅(qū)動(dòng)，并用Solidworks建立了三維實(shí)體模型，同時(shí)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查，繪制了若干零件圖和總裝圖。
關(guān)鍵詞：油茶；振動(dòng)采收；舉升部件；虛擬樣機(jī)；Solidworks
The Virtual Prototype Design of Camellia Oleifera Vibration Harvesting Lifting Mechanism
Student: He Xiaocong
Tutor:Yang Wenmin
(College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)
Abstract: This design is mainly design the lifting parts of the vibration havesting machine , this part adopts the folding arm type lifting mechanism , using hydraulic pressure drive and Solidworks software to entity 3D model . At the same time ,it has carred on the static and dynamic interference check , made a number of detail drawing and assembly drawing .
Key words: Camellia oleifera ; Vibration Harvesting ; Lifting Mechanism ; Virtual Prototype ; Solidworks
1 前言
1.1 研究背景
油茶樹(shù)是木本油料樹(shù)，我國(guó)目前共有油茶林資源大約5500萬(wàn)畝，主要分布在淮河、長(zhǎng)江以南630多個(gè)縣、市區(qū)，全國(guó)油茶籽產(chǎn)量有一定規(guī)模的省區(qū)達(dá)14個(gè)，其中產(chǎn)量在3000t以上的有12個(gè)[1]。產(chǎn)量在萬(wàn)噸以上的省區(qū)有8個(gè)，產(chǎn)量在10萬(wàn)噸以上的省區(qū)有3個(gè)，而湖南省無(wú)論從油茶種植總面積、良種林面積、油茶籽產(chǎn)量、茶油產(chǎn)量都位居全國(guó)之首,如圖1所示。
圖1 國(guó)內(nèi)油茶產(chǎn)出量及種植面積情況
Fig 1 Camellia output and planting area in domestic
油茶具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前市場(chǎng)上的毛茶油每千克售價(jià)達(dá)50元，且供不應(yīng)求，而經(jīng)過(guò)精煉出來(lái)的茶油每千克不低于300元。其中湖南企業(yè)金浩茶油王品牌茶油每千克高達(dá)390元。茶油是植物油中的上品，全身都是寶，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健作用，適合現(xiàn)代人追求健康生活的要求。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織已將茶油定為重點(diǎn)推廣的健康型高級(jí)食用植物油，且發(fā)達(dá)國(guó)家食用植物油基本上已實(shí)現(xiàn)木本化，人均每年可達(dá)到20千克，而我國(guó)目前僅為每人每年0.1千克，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?007年我國(guó)進(jìn)口油脂油料1509萬(wàn)噸，國(guó)產(chǎn)只有1035萬(wàn)噸，僅占46%,其中進(jìn)口橄欖油4500噸，花費(fèi)高達(dá)2000多萬(wàn)美元，對(duì)國(guó)際油料市場(chǎng)的依賴(lài)性很強(qiáng)。另外，油茶樹(shù)屬常綠闊葉樹(shù)，適應(yīng)性強(qiáng)，能抵御各種自然災(zāi)害，不與糧棉爭(zhēng)地，且綠化荒山，保持水土，涵養(yǎng)水源，不僅有較強(qiáng)的抗二氧化碳和氯等有害氣體的功能，還是很好的防火樹(shù)種，能顯著改善農(nóng)村生態(tài)面貌和人居環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處[2]。
2009年1月11日，由湖南省林業(yè)科學(xué)院主持，瀏陽(yáng)市林業(yè)局等多個(gè)單位共同完成的“油茶雄性不育雜交新品種選育及高效栽培技術(shù)與示范”科研成果獲得了2009年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該成果在油茶雜交育種理論和應(yīng)用技術(shù)等方面有重大創(chuàng)新，是油茶科研領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。目前，通過(guò)雜交育種方式選育出的首批10個(gè)高產(chǎn)優(yōu)良雜交組合，每公頃平均年產(chǎn)油量達(dá)450.76?660.65千克，在湖南及我國(guó)油茶適宜產(chǎn)區(qū)推廣應(yīng)用并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由于高產(chǎn)優(yōu)良油茶樹(shù)的推廣，油茶種植面積不斷擴(kuò)大，釆摘效率低下問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，目前我國(guó)的油茶果采摘工作基本上都是人工采摘，其作業(yè)環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力和生產(chǎn)成本高，都嚴(yán)重制約著油茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[3]。油茶果的采摘難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的原因一方面是油茶屬于灌木類(lèi)樹(shù)木，樹(shù)枝較為茂密且韌性強(qiáng)，造成采摘工作難以進(jìn)行；加上油茶果采摘時(shí)正是油茶初花期，采摘時(shí)容易損傷花殖，影響來(lái)年油茶樹(shù)結(jié)果，另一方面油茶果適應(yīng)采摘周期短（一般自由七天左右），在人工采摘效率十分低下的情況下，是很容易錯(cuò)過(guò)最佳采摘時(shí)期，一錯(cuò)過(guò)采摘時(shí)間，油茶果爆裂導(dǎo)致油茶籽掉落地面，這將影響油茶的產(chǎn)量?？焖侔l(fā)展的油茶業(yè)需要采摘作業(yè)機(jī)械化以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營(yíng)和管理從油茶業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，采摘作業(yè)機(jī)械化將是未來(lái)科技發(fā)展必然的趨勢(shì)，這也符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型的轉(zhuǎn)變[4]。
1.2 國(guó)內(nèi)外果蔬收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀
機(jī)械化收獲作業(yè)的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，采用的收獲方式主要是機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式，其缺點(diǎn)是容易對(duì)果實(shí)損壞、效率不高和容易采摘還未成熟的果實(shí)等缺點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，包括美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、西班牙等國(guó)家，在收獲采摘機(jī)的技術(shù)研究上做了大量的研究工作，試驗(yàn)成功了多種收獲采摘機(jī)器，如西紅柿采摘機(jī)、葡萄采摘機(jī)、黃瓜采摘機(jī)、西瓜收獲機(jī)器和蘑菇采摘機(jī)等[5]。
1.2.1 國(guó)外收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown于1968年率先提出采用機(jī)械化技術(shù)收獲果實(shí)。隨著第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)在美國(guó)的問(wèn)世，日本和歐美等國(guó)家對(duì)收獲機(jī)器的研究有接近30年的歷史，近十年的發(fā)展速度尤為驚人。
美國(guó)作為世界上的科技大國(guó)，其收獲機(jī)器的技術(shù)發(fā)展速度最快。美國(guó)具有成熟的行走式收獲機(jī)器理論技術(shù)，這些要?dú)w功于自身發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)、廣闊的領(lǐng)土、較高的機(jī)械化程度。2004年，世界農(nóng)業(yè)博覽會(huì)在美國(guó)加利福利亞開(kāi)幕，該次展覽會(huì)上美國(guó)加利福利亞西紅柿機(jī)械公司展出了兩臺(tái)全自動(dòng)西紅柿采摘機(jī)。它首先利用采摘機(jī)的執(zhí)行部件將西紅柿連枝帶葉割倒運(yùn)輸?shù)椒诌x倉(cāng)，由于倉(cāng)內(nèi)具有能識(shí)別紅色的光譜分選設(shè)備，這樣就可以把紅色的西紅柿挑選出來(lái)，然后將其通過(guò)輸送帶傳送到隨行卡車(chē)的貨艙內(nèi)，而未成熟的西紅柿連同枝葉一道被粉碎，噴撒在農(nóng)田里作為肥料。在西紅柿種植單位面積產(chǎn)量有保證的前提下，展出的這臺(tái)長(zhǎng)12.5m、寬4.3m的西紅柿采摘機(jī)的效率為每分鐘可高達(dá)一噸多西紅柿，每小時(shí)可收獲70多噸西紅柿[6]。
日本的采摘機(jī)技術(shù)發(fā)展最成熟，最大的原因在于自身的自然資源決定的。眾所周知，日本的土地資源貧乏、勞動(dòng)力不足、人口密度大、多山地，因此要大力發(fā)展溫室作業(yè)。但是溫室內(nèi)的溫度高、濕度大、不舍和長(zhǎng)時(shí)間工作，因此日本必須選擇機(jī)械化和自動(dòng)化相集合的發(fā)展方向來(lái)彌補(bǔ)自身的短板。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在施肥機(jī)器人、育苗機(jī)器人、西紅柿采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人等理論研究與應(yīng)用上都代表著世界的頂尖水平。日本Kondo-N等人研制的黃瓜采摘機(jī)器人采用六自由度的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以在傾斜棚支架下工作。首先黃瓜的栽培方式須為機(jī)械化設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)。要求黃瓜果實(shí)在傾斜棚的下側(cè)，這樣就便于黃瓜與葉的分離，為以后的檢測(cè)與采摘更加容易。黃瓜的識(shí)別是根據(jù)黃瓜的反射特性，在攝像機(jī)前加上慮波片，末端執(zhí)行器上有果梗探測(cè)器、切割器和機(jī)械手指。采摘時(shí)，調(diào)整機(jī)械手的位置，讓其抓住黃瓜，由果梗探測(cè)器尋找到果梗，然后切割器切斷果梗，機(jī)械手回收至輸送帶上，完成一次采摘工作[7]。
此外Kondo-N等人還研究開(kāi)發(fā)出草莓采摘機(jī)器，針對(duì)草莓的不同栽培模式(傳統(tǒng)模式和高架方式）研制出了相對(duì)應(yīng)的采摘機(jī)器。該機(jī)器有5個(gè)自由度采摘機(jī)械手，釆摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用真空系統(tǒng)螺旋加速切割器。收獲時(shí)，先確定作業(yè)目標(biāo)的空間位置，接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到合適的采摘位置，同時(shí)末端執(zhí)行器向預(yù)定位置移動(dòng)直到把草莓完全吸入；然后檢測(cè)到草莓位置，當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗便達(dá)到指定預(yù)期位置，接著由螺旋加速切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成草莓的采摘工作。1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG)研制出來(lái)一種黃瓜收獲機(jī)器。該研究在荷蘭2公頃的溫室里進(jìn)行，黃瓜按照標(biāo)準(zhǔn)的園藝技術(shù)種植并把它培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。該機(jī)器采用紅外視覺(jué)系統(tǒng)分辨黃瓜果實(shí)，并探測(cè)其位置。采摘時(shí)，末端機(jī)械手只收獲已成熟黃瓜，對(duì)未成熟的黃瓜不構(gòu)成損壞。機(jī)械手安裝在行走車(chē)架上，行走車(chē)為機(jī)械手的操作進(jìn)行初步定位。機(jī)械手共有7個(gè)自由度，采用三菱（Mitsubishi) RY-E26自由度機(jī)械手，另外在底座還專(zhuān)門(mén)增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度。黃瓜收獲后自走運(yùn)輸車(chē)完成輸送，運(yùn)輸車(chē)上有可以移動(dòng)的集裝箱，其中每個(gè)集裝箱可以運(yùn)輸300根黃瓜。整個(gè)系統(tǒng)在溫室工作，試驗(yàn)結(jié)果為工作速度10s/根，實(shí)驗(yàn)室中收獲效果良好，但由于制造成本高、適應(yīng)程度較低等制約，還不能滿足市場(chǎng)化的要求。
1.2.2 國(guó)內(nèi)收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
國(guó)內(nèi)的林果采摘機(jī)技術(shù)的研究相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，主要以高枝剪等手工采摘工具為主，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低。近年來(lái)有一些采摘的機(jī)器，如伸縮桿式林果采摘器、指型水果采摘器、簧壓式摘取機(jī)構(gòu)。這些機(jī)器因?yàn)闆](méi)有突破效率低下的問(wèn)題，未能得到市場(chǎng)的認(rèn)可。根據(jù)袖茶林地土壤作業(yè)特點(diǎn)和行株距可選用中小型的機(jī)械進(jìn)入林地，履帶式的車(chē)載后懸掛式是比較常見(jiàn)的傳統(tǒng)設(shè)備，不少院校和研究所都以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行采摘機(jī)械手的相關(guān)研究，其中以東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民教授研制出來(lái)的林木球果采摘機(jī)器人起步較早，主要是以5個(gè)自由度的機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。采摘時(shí)，機(jī)械手停在距采摘對(duì)象3—5m處，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況控制機(jī)械手，同時(shí)大、小臂柔性地升起達(dá)到預(yù)期的高度，機(jī)械手張開(kāi)并適時(shí)擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)采摘對(duì)象大小臂同時(shí)動(dòng)作,使釆摘手順著樹(shù)枝生長(zhǎng)方向趨近1.5—2m，然后采摘手的梳齒夾攏果枝,大小臂驅(qū)動(dòng)釆摘手按上次抬升的路徑向后返回,梳下枝上的球果，這樣完成采摘作業(yè)。這種采摘機(jī)械的效率是500kg/d,大概是人工采摘效率的30—50倍。對(duì)樹(shù)枝和果實(shí)破壞較小，采凈率相對(duì)高的采摘特點(diǎn)。東北林大大膽的嘗試了林果采摘，對(duì)國(guó)內(nèi)的林果采摘技術(shù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。但由于采摘效率低，操作復(fù)雜不適合推廣，設(shè)備價(jià)格昂貴，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化上海交通大學(xué)曹其新教授等人研究開(kāi)發(fā)的草莓采摘樣機(jī)作業(yè)時(shí)可根據(jù)采摘對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)樣本，改變或調(diào)整樣機(jī)采摘草莓的種類(lèi)，并可一機(jī)多用，即便是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的操作人員，也能很容易地掌握其操作方法。
我國(guó)林業(yè)采摘機(jī)器人的應(yīng)用和推廣有待于引起更大的重視和投入更高的研發(fā)資金，昂貴的采摘機(jī)價(jià)格對(duì)林業(yè)機(jī)械的發(fā)展有巨大的局限性。雖然我國(guó)多年內(nèi)一直加重在林業(yè)機(jī)械上的研發(fā)投資，但相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家比重較低。其次采摘機(jī)器人涉及的學(xué)科較多，工作環(huán)境是非結(jié)構(gòu)的開(kāi)放系統(tǒng)，許多不確定因素給采摘機(jī)器的研究帶來(lái)了很大的困難。采摘機(jī)器人在一定程度上代替人類(lèi)的工作，但其使用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到普及的程度[8]，原因在于其中存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
1)采摘機(jī)智能化程度不高，還不能滿足現(xiàn)代果實(shí)采摘的要求。林果采摘的特點(diǎn)是需要采摘機(jī)具有相當(dāng)高的智能和柔性生產(chǎn)的能力及適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，一方面采摘機(jī)的自由度越多，運(yùn)動(dòng)約靈活，但對(duì)其的控制卻增加了難度；
2)使用效率和采摘效率問(wèn)題，采摘機(jī)的工作季節(jié)性強(qiáng)，導(dǎo)致了使用效率低；經(jīng)過(guò)對(duì)油茶果的實(shí)地考察，林果采摘效率低下一個(gè)很大的原因在于采摘位置的準(zhǔn)確定位問(wèn)題沒(méi)有得到實(shí)際解決，油茶果在釆摘時(shí)，采摘機(jī)很難具有較好的自動(dòng)識(shí)別能力?，F(xiàn)實(shí)的采摘環(huán)境下，通常采用的是人機(jī)協(xié)作的采摘方式，即由人工選取果實(shí)和判斷果實(shí)的部位，機(jī)器手負(fù)責(zé)采摘。采摘機(jī)器的利用率問(wèn)題一直困擾著研發(fā)人員，目前研制出來(lái)的果實(shí)采摘機(jī)只能采摘一種果實(shí)，如何解決這一問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)于形狀相似的果實(shí)，考慮改變采摘手的末端執(zhí)行器的張開(kāi)程度來(lái)達(dá)到目的；而對(duì)于形狀不同的果實(shí)，可通過(guò)更換機(jī)器手的末端執(zhí)行器達(dá)到采摘目的。這樣采摘機(jī)器的利用率將會(huì)得到大大的提高。針對(duì)我國(guó)油茶林立地環(huán)境、采摘作業(yè)條件等特征，提高林業(yè)采摘機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，研發(fā)制造出油茶果采摘機(jī)，提高我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)水平，加快實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，其發(fā)展應(yīng)用潛力非常巨大。
1.3 研究意義
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，誕生于上世紀(jì)60年代的美國(guó)機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越被世界各國(guó)重視，已經(jīng)在國(guó)民生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但在林業(yè)領(lǐng)域，由于其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的特殊性，實(shí)用化程度較低。國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是日本和一些歐美國(guó)家，上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)開(kāi)始研究，取得了一些成果，開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用研究階段。當(dāng)前我國(guó)在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，要達(dá)到世界先進(jìn)水平，必須加大人力和財(cái)力的投入。農(nóng)林業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)比單純的勞動(dòng)力手工生產(chǎn)有許多優(yōu)點(diǎn)：
1)解決農(nóng)村勞動(dòng)力不足的問(wèn)題我國(guó)農(nóng)村面臨人口老年化問(wèn)題，而且隨著農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、多樣化、精確化要求越來(lái)越高，勞動(dòng)力的不足問(wèn)題將越來(lái)越明顯。油茶的采摘作業(yè)屬于勞動(dòng)密集型工作，再加上時(shí)令要求，勞動(dòng)力問(wèn)題將很難解決。油茶果采摘機(jī)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。
2)改善人工作業(yè)環(huán)境收獲作業(yè)一般都在戶外進(jìn)行，自然環(huán)境比較惡劣，人工采摘費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，油茶果采摘機(jī)的運(yùn)用將大大改善人工采摘的工作環(huán)境。
3)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)費(fèi)用農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)率很低，約為非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的25%，主要是因?yàn)閯趧?dòng)力費(fèi)用消耗大，占用了生產(chǎn)費(fèi)用的50%左右。因此，傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果低，引進(jìn)油茶果采摘機(jī)來(lái)提高生產(chǎn)率，具有非常大的意義。
4)降低勞動(dòng)強(qiáng)度農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘機(jī)在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中的作用在于完成以機(jī)械形式難以解決而且勞動(dòng)集約化程度高的作業(yè)。從經(jīng)濟(jì)性方面分析，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是費(fèi)力最大、耗時(shí)最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約占整個(gè)生產(chǎn)量的50%—70%。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，要求做到適時(shí)釆摘，同時(shí)，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品后續(xù)的存儲(chǔ)和加工，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和果農(nóng)的利益。如何以低成本獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品是果蔬生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必須要重視和考慮的問(wèn)題。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動(dòng)化程度仍很低，目前國(guó)內(nèi)果蔬類(lèi)采摘工作基本上人工作業(yè)，隨著人口老年化的加劇和農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)成本也會(huì)相應(yīng)提高，這樣就會(huì)大大降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此發(fā)展機(jī)械化收獲技術(shù)，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證林果的適時(shí)采收，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。在我?guó)耕地緊張的情況下，發(fā)展茶油作為食用油是必要和可行的，而且油茶還是一種抗污染能力極強(qiáng)的樹(shù)種。目前我國(guó)的油茶面積大約為4500畝，年產(chǎn)茶油25萬(wàn)噸，年產(chǎn)值可達(dá)到120億，近年來(lái)各地地方政府的大力支持發(fā)展種植油茶業(yè)，根據(jù)《全國(guó)油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2008-2020 )》，到2020年我國(guó)的油茶業(yè)能突破9300畝，也就是說(shuō)，油茶產(chǎn)量增加到10倍以上，產(chǎn)值相應(yīng)的也要增加到10倍以上，從而使得油茶的產(chǎn)量占到食用油產(chǎn)量的15%。隨著設(shè)施農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和作業(yè)機(jī)械化的要求，研究開(kāi)發(fā)林果收獲機(jī)械，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化收獲是現(xiàn)代林業(yè)工程的重要課題。目前，國(guó)內(nèi)的油茶收獲設(shè)備處于研究階段，課題組研制的油茶果采摘機(jī)采摘效率是人工的十幾倍。采摘臂和采摘頭是油茶果采摘機(jī)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其工作性能對(duì)采摘機(jī)的收獲效率和收獲速度具有重要的影響，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作空間進(jìn)行分析研究并開(kāi)展優(yōu)化具有重要的意義。
1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容
本文主要介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外油茶果機(jī)械采摘的研究狀況和虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)分析幾種舉升部件的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合油茶果采摘的工作環(huán)境和特性要求，從而研究設(shè)計(jì)出一款合適的油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其主要部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì); 同時(shí)利用Solidworks軟件對(duì)各零部件進(jìn)行了三維實(shí)體建模和整機(jī)虛擬裝配，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查[21][23]。
2 油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 油茶樹(shù)栽培方式和油茶果生物特性
油茶果油茶果樹(shù)生物特性、栽培方式和種植環(huán)境等因素是采收機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)和前提,決定著采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)方式。生物特性指標(biāo)包括株高、樹(shù)冠面積、徑粗等。通過(guò)對(duì)油茶果樹(shù)的株高、果實(shí)的生長(zhǎng)位置、果實(shí)特點(diǎn)等特性與行距、株距等栽培方式數(shù)據(jù)分析油茶果實(shí)生長(zhǎng)范圍與收獲作業(yè)特點(diǎn),作為采摘機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的依據(jù)[9]。
據(jù)權(quán)威調(diào)查油茶林種植密度根據(jù)地塊、坡度、光強(qiáng)度和管理水平確定。土層深厚、肥沃的平地,株行距3mx3m,栽植1110株/hm;坡腳和緩坡地株行距3mx2.5m,栽植1335株/ hm。經(jīng)過(guò)改良后的成熟油茶樹(shù)一般高為2-3m,冠幅直徑一般為1.5-3m。油茶樹(shù)為常綠小喬木，樹(shù)高一般在2-3m，主樹(shù)干直徑可達(dá)20-80cm,樹(shù)枝較為茂密，樹(shù)冠直徑為4m左右，樹(shù)齡一般在200年。一棵油茶樹(shù)枝可結(jié)5-10個(gè)果實(shí)，如圖2.1所示，單個(gè)成熟果實(shí)的直徑在30-50mm之間，重量一般為50克。
2.2 油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體方案設(shè)計(jì)原則
2.2.1 最優(yōu)的工作空間
采收機(jī)的工作空間是其末端執(zhí)行器采摘頭上某一參考點(diǎn)所能達(dá)到的所有點(diǎn)的集合，是衡量采收機(jī)工作能力的一個(gè)重要指標(biāo)。釆摘臂的主臂和副臂越長(zhǎng),工作空間就越大,采摘范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)就越廣,通用性也就越好,而且還可以減少行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)頻率,進(jìn)而提高采收機(jī)效率。但是,這跟機(jī)械設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)單緊湊相違背。最優(yōu)的設(shè)計(jì)是在工作空間滿足采收機(jī)作業(yè)的情況下,采摘臂長(zhǎng)度盡量小[10]。常用體積指標(biāo)v對(duì)采收機(jī)工作空間進(jìn)行評(píng)價(jià),即:
（1）
（1）式中,V為工作空間的體積;L為各采摘臂長(zhǎng)度之和。
為了使采收機(jī)的作業(yè)目標(biāo)在預(yù)期的工作空間內(nèi),不僅需要考慮體積指標(biāo),而且還要考慮工作空間的形狀。因此,應(yīng)根據(jù)油茶果的實(shí)際分布情況和釆摘作業(yè)的需要,對(duì)采摘臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析,選擇合適的采摘臂構(gòu)型、自由度數(shù)和各臂長(zhǎng)度[11]。
2.2.2 合理的結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)油茶果采收機(jī)時(shí),不僅要考慮其機(jī)構(gòu)形式和參數(shù),而且還要求設(shè)計(jì)出合理的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu),如釆摘臂的形狀、粗細(xì),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。若采摘臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不正常、零件安裝不合理、驅(qū)動(dòng)精度低、噪音、震動(dòng)等明顯現(xiàn)象，甚至采摘臂無(wú)法啟動(dòng)。且在滿足使用要求的前提下,應(yīng)減低控制的復(fù)雜性,盡量采用較為簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)[12]。
2.2.3 良好的可操作性
采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)時(shí),評(píng)價(jià)好的標(biāo)準(zhǔn)是看采摘臂末端采摘頭是否可以進(jìn)行空間任一位置姿態(tài)移動(dòng)。為衡量該能力,Yoshikawa于1983年提出了可操作度的概念,從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈活性和可操作性進(jìn)行評(píng)價(jià)。用雅克比矩陣表示的可操作性公式為:
（2）
（2）式中, ω執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可操作度; θ為采摘臂的關(guān)節(jié)變量;J(θ)采摘臂的雅克比矩陣。
ω值越大的位置,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活性越強(qiáng)。當(dāng)ω=0時(shí),采摘臂處于奇異點(diǎn),釆摘臂將失去一個(gè)或多個(gè)操作自由度,采摘機(jī)作業(yè)困難。所以,采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使作業(yè)對(duì)象處在可操作度大的范圍內(nèi)來(lái)增加靈活性,避開(kāi)奇異點(diǎn),提高采摘效率[13][25]。
2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理
這涉及到運(yùn)動(dòng)副形式的合理選擇和配置,驅(qū)動(dòng)的最佳傳遞方式和路線,轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的最佳配比和空間配合等。若機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)出現(xiàn)臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉,導(dǎo)致機(jī)器不能正常運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。
2.2.5 盡量采用少的自由度
自由度越多,靈活性越好,機(jī)器就具有越好的操作度。但同時(shí)會(huì)增加機(jī)器的復(fù)雜化,控制困難等問(wèn)題，因此,在滿足機(jī)器正常工作的情況下,自由度盡量少。
綜上可知,釆收機(jī)舉升部件的設(shè)計(jì)根據(jù)具體作業(yè)要求,分解采摘作業(yè)動(dòng)作,將舉升部件分成采摘臂和采摘頭兩部分,參照有關(guān)工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)節(jié)配置方式,設(shè)計(jì)出具有最優(yōu)工作空間、避障能力和可操作度的關(guān)節(jié)類(lèi)型和配置[14]。
2.3 油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體結(jié)構(gòu)
2.3.1 舉升機(jī)構(gòu)
舉升機(jī)構(gòu)有多種分類(lèi)方式。按臂架的形狀分類(lèi)，有直臂式和曲臂式兩種基本型式；按工作臂的型式分類(lèi)，有四種基本型式，分別為：垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。根據(jù)高空作業(yè)車(chē)，一般設(shè)有變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。依靠變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載人工作斗在水平和垂直方向的移動(dòng)；依靠平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作場(chǎng)所的轉(zhuǎn)移[15]。
垂直升降式高空作業(yè)車(chē)的升降機(jī)構(gòu)有剪叉式和套筒式兩種，其中剪叉式應(yīng)用較為廣泛。剪叉式升降機(jī)構(gòu)由多組鉸接成剪形的交叉連桿框架組成。剪叉式升降機(jī)構(gòu)在連桿框架間裝有液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)改變連桿交叉的角度，從而達(dá)到改變升降高度的目的。該型式的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、負(fù)載能力強(qiáng)，適合較低高度的作業(yè)，但其升降機(jī)構(gòu)只能做垂直運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致其作業(yè)范圍狹小，所以它的使用場(chǎng)合較少[16]。
伸縮臂式高空作業(yè)車(chē)的升降機(jī)構(gòu)由多節(jié)套疊、可伸縮的箱形臂組成。當(dāng)行駛時(shí)，作業(yè)臂收縮套疊；當(dāng)工作時(shí)，各節(jié)臂采用或獨(dú)立、或順序、或同步的方式伸縮，以此改變臂架的伸出長(zhǎng)度來(lái)滿足不同的作業(yè)需求。該型式的主要特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作平穩(wěn)，同時(shí)可以獲得較大的作業(yè)高度與作業(yè)幅度，因此應(yīng)用非常廣泛。
折疊臂式高空作業(yè)車(chē)的升降機(jī)構(gòu)是由多節(jié)箱形臂鉸接而成的。折疊臂式通常采用 2～3 節(jié)折疊臂，各節(jié)臂的折疊和展開(kāi)運(yùn)動(dòng)由各節(jié)臂的液壓缸完成。該型式的主要特點(diǎn)是適合較低高度的作業(yè)，升降機(jī)構(gòu)靈活多樣、適應(yīng)性好、越障能力較強(qiáng)，因此它的應(yīng)用也比較廣泛[17][22]。
將折疊臂和伸縮臂結(jié)合在一起組成的臂架型式被稱(chēng)為混合臂式，這種臂架型式融合了兩種基本型式臂架的優(yōu)點(diǎn)，不僅作業(yè)高度和作業(yè)幅度較大，越障能力也較強(qiáng)，但它的結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜。
根據(jù)以上的對(duì)比分析，油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體結(jié)構(gòu)采用折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下可以自由升降，且所占空間小，避障能力較好，其主要部件包括轉(zhuǎn)臺(tái)，上臂，下臂，機(jī)械手爪，液壓伸縮缸等。
根據(jù)任務(wù)要求最大作業(yè)舉升高度為2.5m，根據(jù)油茶樹(shù)株距可知最大作業(yè)半徑大概為2.12m，上臂擬定最大仰角為60度，下臂擬定最大仰角為45度，機(jī)械手爪及連接部分大概為1m長(zhǎng)，不妨設(shè)上臂長(zhǎng)為L(zhǎng)2，下臂長(zhǎng)為L(zhǎng)1，上下臂鉸接點(diǎn)之間的距離為0.25m。根據(jù)圖3上下臂示意圖有：
圖2 上下臂示意圖
Fig2 The schematic diagram of upper and lower arm
（3）
（4）
將數(shù)據(jù)代入（3）、（4）式中求得L2≈1805.97mm，L1≈970.01mm,所以可取L2為1820mm，L1為1000mm。
2.3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)
轉(zhuǎn)臺(tái)屬于油茶振動(dòng)采收機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，能夠擴(kuò)大幅度作業(yè)范圍。其上端
鉸接下臂，通過(guò)變幅油缸支撐下臂舉升。由左右支撐板、變幅油缸座、底板、以及其它一些加強(qiáng)板焊接構(gòu)成。轉(zhuǎn)臺(tái)模型如圖3所示。
2.3.3 下臂
下臂也叫做大臂，它起到支撐上臂的作用，它由左右槽鋼、兩端的組合板、伸縮油缸支座、變幅油缸支座組成。其中大臂各板件是焊接而成，各軸套也是焊接在相應(yīng)的銷(xiāo)軸孔內(nèi)。下臂模型如圖4所示。
圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)
Fig 3 Assembly of turntable
2.3.4 上臂
上臂的作用就是下端鉸接下臂，上端鉸接液壓伸縮缸，是由上臂油缸及調(diào)平油缸支座、以及相應(yīng)的加強(qiáng)板焊接而成。調(diào)平油缸上端鉸接在上臂的油缸支座上，下端與鉸接于振動(dòng)液壓伸縮缸上的緊固架鉸接在一起，通過(guò)拉動(dòng)該緊固架保證振動(dòng)液壓伸縮缸始終處于水平位置。上臂模型如圖5所示。
圖4 下臂
Fig 4 Assembly of lower boom
圖5 上 臂
Fig 5 Assembly of higher boom
2.3.5 機(jī)械手爪
機(jī)械手爪的主要作用是抓住油茶樹(shù)。其主要由機(jī)械手爪，加強(qiáng)焊接件組成，其上連接有液壓伸縮缸，連接架等。機(jī)械手爪模型如圖6所示。
圖6 機(jī)械手爪
Fig6 Assembly of manipulator claw
3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 舉升部件的示意結(jié)構(gòu)
折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)的工作原理簡(jiǎn)述如下：油茶振動(dòng)采收機(jī)開(kāi)至工作地點(diǎn)，根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整好距離，回轉(zhuǎn)車(chē)廂工作臺(tái)至需要位置，然后利用上、下臂油缸的動(dòng)作配合是機(jī)械手爪達(dá)到需要的工作高度和角度，再利用液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪做來(lái)回反復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)油茶振動(dòng)采收。工作結(jié)束后，通過(guò)液壓控制是舉升機(jī)構(gòu)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)[18][24]。
舉升機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)臺(tái)，臂架及液壓伸縮缸三個(gè)基本部分組成。它的工作方式是:
1、油茶振動(dòng)采收機(jī)停好后，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)使舉升機(jī)構(gòu)達(dá)到合適位置；
2、通過(guò)各伸縮液壓缸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),使連接在4號(hào)液壓伸縮缸上的機(jī)械手爪處于合適高度及角度；
通過(guò)以上各種動(dòng)作的組合,協(xié)調(diào)完成機(jī)械手爪的空間定位。
3.2 液壓系統(tǒng)的要求
總體要求各種獨(dú)立及協(xié)調(diào)動(dòng)作必須收放平穩(wěn)、無(wú)抖動(dòng)、晃動(dòng)現(xiàn)象；在作業(yè)過(guò)程中不得有回縮現(xiàn)象,在收回狀態(tài)時(shí)不得由于自重而下落。上、下臂工作時(shí),應(yīng)保證起升、下降作業(yè)時(shí)動(dòng)作平穩(wěn)、準(zhǔn)確、無(wú)爬行、振顫、沖擊及不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率異常增大等現(xiàn)象；工作平臺(tái)在額定載荷下工作時(shí),應(yīng)能在任意位置可靠制動(dòng)[26]。
3.2.1 上臂油缸動(dòng)作回路
運(yùn)動(dòng)方向由手動(dòng)換向閥A來(lái)控制,缸桿4可快速伸出,縮回時(shí)為避免由于自重而快速下落,在油路上串聯(lián)節(jié)流閥3調(diào)節(jié)速度,同時(shí)串聯(lián)液控順序閥4,以保證在任意位置停止時(shí),油缸不會(huì)因?yàn)樽灾囟侣洹?
液壓油缸2的最大伸縮量可根據(jù)圖9求得：
圖7 上臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig7 The upper arm motion diagram
根據(jù)以上幾何關(guān)系可求得：
3.2.2 下臂油缸動(dòng)作回路
運(yùn)動(dòng)方向由手動(dòng)換向閥B來(lái)控制,缸桿5可快速伸出,但油缸落臂時(shí), 由于載荷的重力作用, 會(huì)產(chǎn)生重力超速現(xiàn)象因此, 考慮在油缸的無(wú)桿腔側(cè)裝設(shè)平衡閥5, 以保證油缸在載荷作用下平穩(wěn)收縮。對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)的折疊臂式油茶振動(dòng)采收機(jī), 下臂油缸升起到一定角度時(shí)油缸受拉,落臂時(shí)油缸受壓, 故在液壓回路中裝設(shè)兩塊平衡閥5,同時(shí)還在油路中串聯(lián)節(jié)流閥以調(diào)節(jié)下降速度。
液壓油缸9的最大伸縮量可根據(jù)圖10求得：
圖8 下臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig8 The lower arm motion diagram
根據(jù)以上幾何關(guān)系可得：
3.2.3 機(jī)械手爪油缸及調(diào)平油缸動(dòng)作回路
機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)換向閥C來(lái)控制，缸桿2可快進(jìn)快退，當(dāng)機(jī)械手爪抓緊后或者調(diào)平油缸調(diào)平后，無(wú)論外載荷怎么變化始終需要保持這個(gè)位置不變，因此在回路中裝上雙向液壓鎖2以保證動(dòng)作順利實(shí)現(xiàn)。
調(diào)平油缸的運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)換向閥D來(lái)控制，缸桿1可快進(jìn)快退，當(dāng)調(diào)平油缸調(diào)整好后，無(wú)論外載荷怎么變化始終需要保持這個(gè)位置不變，因此在回路中裝上雙向液壓鎖1來(lái)保證動(dòng)作順利進(jìn)行。
3.2.4 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)油缸動(dòng)作回路
運(yùn)動(dòng)方向由電磁換向閥E控制，該控制閥必須反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，能夠在極短時(shí)間內(nèi)切換油缸進(jìn)油油路以實(shí)現(xiàn)缸桿3來(lái)回反復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到振動(dòng)的效果。
4 舉升部件的靜力學(xué)分析計(jì)算
4.1 上臂的靜力學(xué)分析計(jì)算
根據(jù)實(shí)際情況，不妨假設(shè)上臂在1點(diǎn)受鉛垂外力F，上臂單位長(zhǎng)度上的重力為q，支點(diǎn)2在X方向受力為F2x，在Y方向受力為F2y，鉸接點(diǎn)3在X方向受力為F3x，在Y方向受力為F3y，上臂液壓缸軸心線與上臂之間任意時(shí)刻的夾角為θ，與水平線夾角為β，上臂總長(zhǎng)為L(zhǎng)13,1點(diǎn)和2點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)12,2點(diǎn)和3點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)23。
通過(guò)分析可知，當(dāng)θ處于最小時(shí)，即上臂剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸所受壓力最大，此時(shí)上臂與水平面的夾角很小，不妨視為0，從而建立上臂受力簡(jiǎn)圖[19]，如圖9所示。
圖9 上臂受力簡(jiǎn)圖
Fig 9 The force diagram of higher boom
根據(jù)受力簡(jiǎn)圖可得：
（5）
（6）
（7）
（8）
由以上(5)、(6)、(7)、(8)式計(jì)算可得油缸軸向壓力F2，鉸接點(diǎn)3在X方向分力F3x和在Y方向分力F3y如下：
（9）
（10）
（11）
（12）
當(dāng)上臂上升到最大高度時(shí)，即β=60°時(shí)，根據(jù)圖9由幾何關(guān)系知θ≈5°，通過(guò)查找資料知合金鋼的密度為ρ=7700kg/m3,已知L13=1.81m,L12=1.31m,L23=0.5m,上臂的截面積S1=0.006m2，所以q=ρsg=462N/m,將這些數(shù)據(jù)代入上式可得：F2x=F3x≈-2571.24N,F2y≈-224.95N,F3y≈-1811.17N,F2≈2581.06N。負(fù)號(hào)表示該力的方向與圖示方向相反。
F2y
圖10 下臂受力簡(jiǎn)圖
Fig 10 The force diagram of lower boom
4.2 下臂的靜力學(xué)分析計(jì)算
不妨設(shè)下臂單位長(zhǎng)度上的重力為q，鉸接點(diǎn)4在X方向受力為F4x，在Y方向受力為F4y，支點(diǎn)5受到合力為F5，支點(diǎn)6受到X方向分力為F2x，在Y方向分力為F2y，鉸接點(diǎn)7在X方向分力為F3x，在Y方向分力為F3y，下臂液壓缸軸心線與下臂的水平任意夾角α，與水平線夾角為γ，下臂長(zhǎng)為L(zhǎng)47，鉸接點(diǎn)4到支點(diǎn)5之間的距離為L(zhǎng)45，支點(diǎn)5到鉸接點(diǎn)7之間的距離為L(zhǎng)57，支點(diǎn)5到支點(diǎn)6之間的距離為L(zhǎng)56。
通過(guò)分析建立下臂受力簡(jiǎn)圖如圖13所示。
根據(jù)受力簡(jiǎn)圖可得：
（13）
（14）
（15）
（16）
不妨設(shè)
（17）
（18）
由以上（11）、（12）、（13）、（14）、（15）、（16）式計(jì)算可得：
（19）
（20）
（21）
（22）
當(dāng)下臂上升到最大高度時(shí)，即γ=45°時(shí)，根據(jù)圖10由幾何關(guān)系知α≈25°，已知合金鋼的密度為ρ=7700kg/m3,L47=1m,L45=0.27m,L56=0.53m,L57=0.73m,下臂的截面積S2=0.0064m2,所以q=ρsg=492.8N/m,將這些數(shù)據(jù)代入以上公式得：T≈-11162.12N，Q=2079.02N，F(xiàn)4x=F5x≈7577.29N,F5y≈20818.43N,F4y≈-18739.41N,F5≈22154.51N。負(fù)號(hào)表示該力與圖示方向相反。
根據(jù)以上計(jì)算可以選出液壓油缸8和9（參照?qǐng)D2）的型號(hào)：
表1 液壓油缸參數(shù)表
Chart1 Table parameters of hydraulic cylinder
液壓油缸序號(hào)
缸徑/mm
最大行程/mm
推力/N
拉力/N
活塞桿直徑/mm
速度比
8
40
320
20100
12250
25
1.7
9
50
400
31420
18550
32
1.7
4.3 舉升部件自由度的計(jì)算
由圖3.1可知舉升部件中有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件n，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副P(pán)L，沒(méi)有高副P(pán)H，因此根據(jù)以下公式可得舉升部件的自由度F[20]。
F=3n-2PL-PH
=3×3-2×3-0
=3 (個(gè))
即舉升部件的自由度為3，等于舉升部件的機(jī)構(gòu)數(shù)，所以舉升部件有固定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
4.4 上下臂的靜力學(xué)仿真
3
2
1
圖11 上臂的靜力學(xué)仿真
Fig11 The statics of the simulation to upper arm
上臂的載荷約束為：1孔X、Y、Z方向位移自由度全約束，1孔、2孔的X、Z旋轉(zhuǎn)自由度被約束，只留Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，3孔Z方向加載載荷為-649.5N，X方向加載載荷為-375N，X方向加載加速度為-5N/Kg，Z方向加載加速度為-8.66N/Kg。
仿真后如圖14所示，得出上臂所受最大應(yīng)力為1.93e7Pa，最大位移為3.916e-4m，最大主應(yīng)變?yōu)?.795e-5。
下逼的載荷約束為：4孔、5孔的X、Y、Z方向位移自由度全約束，X、Z的旋轉(zhuǎn)自由度全約束，只留Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，3孔Z方向加載載荷為1677.6N，Y方向加載載荷為-1995.6N，4孔Y方向加載載荷為3130.29N，Z方向加載載荷為-524.91N，Y方向加速度為-7.072N/Kg，Z方向加速度為-7.072N/Kg。
7
6
仿真后如圖15所示，得出下臂所受最大應(yīng)力為2.741e7Pa，最大位移為2.053e-4m，最大主應(yīng)變?yōu)?.392e-4。
4
5
圖12 下臂的靜力學(xué)仿真
Fig12 The statics of the simulation to lower arm
5 結(jié)論
油茶是我國(guó)的主要木本油料樹(shù)種，油茶果提取的茶油色清味香，被譽(yù)為“東方橄欖油”。隨著我國(guó)油茶樹(shù)種植面積的不斷擴(kuò)大及油茶產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，這就需要大量的人力物力，然而人工作業(yè)效率低下，加上油茶主要種植在地形復(fù)雜的林區(qū)，所以人工采摘作業(yè)效率極其低下，這嚴(yán)重制約著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此研發(fā)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備代替人工采摘作業(yè)未來(lái)科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文根據(jù)油茶的生長(zhǎng)環(huán)境，形貌特征以及諸多調(diào)查結(jié)果，對(duì)比和分析了目前幾種舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，主要有垂直升降式，伸縮缸式，折疊臂式，混合式四種舉升機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用了折疊臂式舉升部件，利用液壓驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)圖，其主要優(yōu)點(diǎn)有所占空間小，避障能力強(qiáng)，操作靈活等，并利用Solidworks軟件建立了三維實(shí)體模型，進(jìn)行了靜力學(xué)計(jì)算，并繪制相關(guān)零件圖和總裝圖，同時(shí)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查。
5.1 本文主要工作成果
1）通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外各種相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了我國(guó)油茶種植業(yè)及油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了各種采摘機(jī)特別是油茶振動(dòng)采摘機(jī)的特點(diǎn)。
2）結(jié)合油茶樹(shù)的生長(zhǎng)環(huán)境及油茶果的采摘要求等確定了油茶振動(dòng)采收機(jī)的舉升部件結(jié)構(gòu)，并建立了三維實(shí)體模型。
5.2 論文的不足與研究展望
1）本文僅設(shè)計(jì)了油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的結(jié)構(gòu)，在機(jī)械連接與工藝性方面考慮還有疏忽，所以后續(xù)工作可多從這方面開(kāi)展。
2）本文缺少機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析及液壓原件的受力分析，所以還需進(jìn)一步研究改進(jìn)。
3）本文缺少對(duì)舉升部件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)計(jì)算以及振動(dòng)影響分析，這些方面也需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師楊文敏教授的殷切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下順利完成的。從論文的選題、資料的閱讀和查找、理論研究，到最后論文的撰寫(xiě)、定稿，都得到了楊文敏教授細(xì)心的指點(diǎn)和幫助。在學(xué)習(xí)期間，楊文敏教授嚴(yán)格勤勉的工作作風(fēng)以及樂(lè)觀熱情的生活態(tài)度給我留下了非常深刻的印象，使我獲益良多。值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)熤乱哉\(chéng)摯的感謝以及深深的敬意! 同時(shí)，也向這三年來(lái)傳授我知識(shí)的老師們和陪伴我學(xué)習(xí)和生活的兄弟姐妹們表示真摯的感謝!
感謝各位老師和同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中給予我許多的鼓勵(lì)和幫助?；叵胝麄€(gè)論文的寫(xiě)作過(guò)程，雖有不易，卻是我這三年來(lái)學(xué)習(xí)的總結(jié)，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會(huì)了學(xué)習(xí)的辛苦以及通過(guò)辛苦努力換來(lái)甘甜后的喜悅，因此倍感珍惜！
最后，感謝支持和關(guān)愛(ài)我的父母、家人及朋友，他們是我勇往直前的堅(jiān)強(qiáng)后盾，給我關(guān)心和鼓勵(lì)；他們是我不斷拚搏的精神支柱，給我勇氣和信心。在我最困難的時(shí)候，他們默默支持我，竭盡全力地幫助我，在此向他們表示我最真誠(chéng)的感謝！
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