便携式样山核桃采摘机的设计
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
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便携式山核桃采摘机的设计
学生姓名： 指导老师：
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 machine
Student: Advisor:
College of Engineering
Zhejiang University of Technology
Abstract
At 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; linkage
目 录
摘 要 .............................................................................................................................................. i Abstract ........................................................................................................................................... ii
第一章 绪论 ................................................................................................................................... 3
1.1选题的背景及现状 ............................................................................................................ 3
1.1.1山核桃采摘的现状 .................................................................................................. 3
1.1.2便携式山核桃采摘机的使用现状 .......................................................................... 3
1.2研究的意义 ........................................................................................................................ 3
第二章 便携式山核桃采摘机机械系统 ....................................................................................... 5
2.1便携式山核桃采摘机使用的可行性 ................................................................................ 5
2.2便携式山核桃采摘机的基本工作原理 ............................................................................ 5
2.3便携式山核桃采摘机的构造 ............................................................................................ 5
第三章 采摘装置的设计 ............................................................................................................... 9
3.1上下拍爪及剪切刀具的材料选择 .................................................................................... 9
3.2剪切刀片尺寸的确定 ........................................................................................................ 9
3.3上下拍爪的力学分析 ........................................................................................................ 9
3.3.1上下拍爪剪切刀具之间的工作载荷 ...................................................................... 9
3.3.2上下拍爪剪切刀具的强度校核 ............................................................................ 10
3.4上下拍爪的结构设计 ...................................................................................................... 11
第四章 传动系统的设计 ............................................................................................................. 17
4.1驱动电机的选择 .............................................................................................................. 17
4.1.1电动机型号的选择 ................................................................................................ 17
4.1.2电动机过载保护电路 ............................................................................................ 19
4.2传动轴及齿轮的设计 ...................................................................................................... 20
4.2.1传动轴及齿轮的工作情况介绍 ............................................................................ 20
4.2.2传动轴及齿轮的计算、校核及设计 .................................................................... 20
4.2.2.1选择轴的材料及热处理 ................................................................................. 20
4.2.2.2计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 ............................................. 20
4.2.2.3圆柱齿轮的设计计算 ..................................................................................... 22
4.2.2.4 圆锥齿轮的设计计算 .................................................................................... 25
4.2.2.5 II轴的计算及设计 ......................................................................................... 29
4.2.2.6 I轴的计算及设计 ........................................................................................... 33
4.2.2.7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 ..................................................................... 40
5.1便携式山核桃采摘机的总体重量 .................................................................................. 40
5.2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 ......................................................................................... 42
6.1装配设计特点 .................................................................................................................. 42
6.2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
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
