便携式摘果手设计【全套含CAD图纸、说明书、三维模型】
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任 务 书设计(论文)题目:便携式摘果手设计 学生姓名: 学号: 专业:所在学院:指导教师:职称:发任务书日期:年月日 任务书填写要求1毕业设计(论文)任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写,经学生所在专业的负责人审查、系(院)领导签字后生效。此任务书应在毕业设计(论文)开始前一周内填好并发给学生。2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写,不得涂改或潦草书写;或者按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,要求正文小4号宋体,1.5倍行距,禁止打印在其它纸上剪贴。3任务书内填写的内容,必须和学生毕业设计(论文)完成的情况相一致,若有变更,应当经过所在专业及系(院)主管领导审批后方可重新填写。4任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写,应写中文全称,不能写数字代码。学生的“学号”要写全号,不能只写最后2位或1位数字。 5任务书内“主要参考文献”的填写,应按照金陵科技学院本科毕业设计(论文)撰写规范的要求书写。6有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。毕 业 设 计(论 文)任 务 书1本毕业设计(论文)课题应达到的目的: 便携式摘果手是一种解决农业中人工摘果效率低,果树高,摘果困难等问题的一项设计。针对水果采摘行业的前景。该设计要解决了农民在摘果时,长期持续一个系列动作造成对身体上的劳累和伤害。通过本次设计,帮助学生融汇贯通大学四年学习的专业知识,掌握基本的设计技能,也希望能对农业摘果行业尽一份绵薄之力。2本毕业设计(论文)课题任务的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等): 本课题主要要求设计用于采摘苹果,梨子等硬质水果的便携式摘果手。 需设计摘果手各部件(包括,踏板、伸缩杆、杠杆省力装置、可调节传输带、特制剪刀、缓冲装置以及可升降剪刀和果仓)的基本组成,完成便携式摘果手的调试与总结。要求设备结构简单、可靠性好、重量较轻易于便携,针对果树的高度具有可调节性,操作简单。毕 业 设 计(论 文)任 务 书3对本毕业设计(论文)课题成果的要求包括图表、实物等硬件要求: 相关装配图若干零件图若干设计说明书一份开题报告、外文翻译及设计大纲各一份4主要参考文献: 1 何元庚机械原理与机械零件北京:机械工业出版社,2001年2 韩刚/庞恩泉典型零件造型与加工方案图解山东:山东科学技术出版社20093 张秉荣/章剑青工程力学北京:机械工业出版社,19964 范崇洛/谢黎明机械加工工艺学南京:东南大学出版社,20025 魏康民机械加工技术西安:西安电子科技大学出版社,20066 刘克城切削加工工艺与技能训练北京:机械工业出版社,20057 陈立德机械设计基础北京:高等教育出版社,20028 胡家秀机械设计基础北京:机械工业出版社,20019 徐灏机械设计手册第二版。北京:机械工业出版社,199910 陈崇恭机械原理北京:高等教育出版社,199911 王淑英电器控制与PLC控制技术北京:机械工业出版社,2015毕 业 设 计(论 文)任 务 书5本毕业设计(论文)课题工作进度计划:20xx.12.16-20xx.1.10 领任务书、开题20xx.2.25-2.16.3.9 毕业实习调研,完成开题报告、中英文翻译、论文大纲20xx.3.19-20xx.4.25 提交论文草稿,4月中旬中期检查20xx.4.26-20xx.5.6 提交论文定稿20xx.5.6-20xx.5.13 准备答辩20xx.5.13-20xx.5.26 答辩,成绩评定,修改完成最终稿 所在专业审查意见:通过负责人: 20xx 年 12 月25 日 压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要便携式摘果手是解决农业中人工摘果效率低,果树高,摘果困难等问题的一项设计。本文主要介绍了便携式摘果手的功能及设计,水果采摘行业的前景。该设计利用两个微型电机作为动力元件,解决了农民在摘果时,长期持续一个系列动作造成对身体上的伤害。本文介绍了便携式摘果手的设计思路,使用方法。另外,着重介绍便携式摘果手的功能、结构和各部件的具体设计。通过对次设计的调试,罗列出许多在实验中遇到的问题以及解决方案。文章最后对该设计的应用做了总结,并针对该课题将便携式摘果手今后的前景做了一个展望。关键词:手推车;电动控制;保护果品;采摘工具压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985AbstractThe portable fruit-picker is a kind of hand can replace artificial low efficiency in agricultural picking fruit, resolve the high, picking fruit difficult problems, such as an invention. This article mainly introduced the design of the portable hand picking fruit, the invention USES the pedal and human body mechanics principle, fully solve the an action for a long time and power works cause harm to the body. Here briefly introduces the features of his, use environment and method. In addition, this paper introduces the function of the system emphatically the design, structure, and each module. Through the invention of the design debugging, to solve the problems in the experiment. Finally, the application of the invention and design made a summary, and the subject will portable hand picking fruit in the future prospects and development made a prospect.Key words: Electric control ; protecting the fruit ; picking tools目 录摘 要IIIAbstractIV1 绪 论11.1 课题背景及意义11.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状21.3 国内便携式摘果手的市场前景32 便携式摘果手的总体方案42.1便携式摘果手的结构和功能42.2总体方案设计43 部件设计及相关理论基础63.1采摘装置的主要结构及技术要求63.1.1采摘装置设计方案6 3.1.2剪切刀具的材料选择93.1.3采摘剪的主要结构尺寸103.1.4剪枝剪的技术要求103.1.5剪枝剪在剪切过程中受力情况分析123.1.6上刀刃与弯刀之间的工作载荷123.1.7上刀刃与弯刀剪切刀具的强度校核133.1.8 剪刀开合减速箱的设计143.2 伸缩杆与电动控制方案153.2.1伸缩杆的设计方案153.2.2电机控制方案173.3果品减震装置204 产品的调试与改进214.1 产品调试时出现的问题224.2产品改进和解决的方案234.3 产品改进后的特色245 总结24参考文献25致 谢26附录27XII1 绪 论1.1 课题背景及意义纵观人类文明的发展历程,农业生产一直对人类的族群的数量、经济文化起着至关重要的作用。随着人类人口数量大量增张,其对农业生产的要求越来越高,我国是一个人口数量超过13亿的大国,有着养活全球人类1/5人口的责任,在社会主义发展的初期阶段,发展先进的社会生产是最主要的命题。我国是一个农业大国,其GDP产值一直在国内占有较大的比重,同时我国又是一个落后的手工生产农业国家,农业从业者对于新型生产设备的需求越来越高,随着科技的进步,各种农业生产设备得以研发应用,在很大程度的减轻了农民的体力劳动。果树种植作为经济作物在农业生产中有着很重要的地位。发展果树生产是优化我国农业结构、促进农业协调、可持续发展的重要措施。当前,国内果树生产中存在许多问题,列如果树树形过高不易摘取、单产低、成本高、后天采摘破坏严重、栽培模式和果园规划不合理等。果树种植发展目前正处在优质化、精品化的起步阶段,其发展前景广阔。针对国内果树经济作物的发展国家制定了一系列的优惠扶持措施,国家画出了大的发展框架,就需要更加科学的生产方式来支撑,如何将简单的手工生产通过合理的市场机制与相对适宜的经济投入提升至机械化、工具化,对当前国内的农业经济发展起着举足轻重的作用。在果树作物的生产过程中,列如:苹果、梨、柑橘等,其果实采摘在整个生产流程中最耗时、耗力的,且是必不可少的环节,但是在最后也是最重要的环节中,果树果实采摘中出现的损坏率也是最高的,其主要原因还是果树改良品种越来越好,树干越来越高,不同以往,劳动者站在地面就可以采摘大部分的果实,现在只能通过高架作业或者自制简易工具采摘,其坏果率不言而喻。树形水果在果实收获阶段中投入的人力约占整个生产周期投入人力总和的50%60%。采摘作业的效率高低直接的影响到水果储存、加工和销售。水果收益的季节性和时效性很强,属于典型的劳动密集行型工作产业,更有甚者,因为我国农村劳动力的缺失,北方果实大都在深秋季节收获,即有一部分农户因来不及采摘而使水果过度成熟烂在树上,或遇到寒流冻坏果实无法储存。果实采摘操作环境的复杂性高,水果采摘的自动化程度低,所以国内的水果采摘市场基本上是手工完成的,随着人口的老龄化和农业劳动力的减少,劳动力成本不断的提高,人工徒手进行水果采摘作业难度越来越大,人工徒手采摘果实的成本在整个生产成本中所占的比例在持续增高,而高枝水果的采摘还带有一定的危险性,农村留守高龄劳动者已经无法继续从事采摘工作。所以一款适宜的采摘工具在很大程度上会影响果实的采摘相率,降低劳动力需求,延长水果从业者的工作年限,对于提高果农的经济收益,改善果农的生活质量有着促进作用。通过研究和开发简易操作、价格低廉的采摘工具从而提高了果农的生产效率,降低生产成本,保证水果的品质,符合我国农业经济的发展现状,对于未来水果经济作物的发展起着积极重要的作用。简单便捷摘果装置的研发为未来中小型农副产业机具的发展起到了带头作用,其发展方向也符合国家对于农业经济发展的战略构思,小型农业机具的研发具有广阔的应用前景。2005年11月1日国家颁布实施 中华人民共和国农业机械化促进法其中推行了一系列的鼓励农业,扶持农业生产,大力促进中小机械化的普及,用机具化替代原始手工劳作是必然的趋势。针对目前国内果树生产的现况,结合本人所学机械制造与自动化专业,通过简单的机械原理与吸收前人的经验,设计一款易于使用、价格低廉、操作方便的树形水果采摘装置(即便携式摘果手)。1.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状从上世界40年代就开始有关果园机械采摘工具的研究,以美、英等国为首的西方国家较早就开始机械采摘的尝试应用。发展至今,目前国外果园机械采摘形式可分为三种:摇震式、撞击式和切割式三种。摇震式是利用外部动力源使果树本体或者树枝发生较大幅度的晃动,果实与树枝之间产生较大的剪切力,式果实与树枝连接脆弱的地方折断,而实现采摘的目的。美国40年代中期就开始研究使用摇震式采摘设备,但是因其工作效率较低,采摘过程中较高的损伤率,只能适用于核桃等硬坚果作物,对于易损伤,对果面要求高的新鲜食用水果和储藏用水果并不适用。撞击式是利用撞击部件直接敲打果实,使之掉落,很多果农自制的工具都较为类似撞击式,但因其自身野蛮式的工作特点,只能用于坚果类果实采摘,并且对树枝也有较大伤害,撞击式逐渐被市场淘汰。切断式就是利用剪刀或者切割工具将果实与树枝切断,从而实现采摘目标,比较成功的产品有意大利CAMPAGNOLA公司的F系列和Star系列气动剪。近年来国外采摘机械的研究主要是以采摘机器人为主,自1983年美国成功研发第一台采摘机器人以来,美国、法国、荷兰、英国等国相继研发了多种采摘机器人,更有加入人工智能用以采摘苹果、葡萄等易损伤果实的机器人。但是机器人对使用环境要求过高,以及国内小农经济体系下的果农来说,其费用相当昂贵。日本的果园种植地形与我国南方地形相似,日本种植苹果的高山和丘陵地带无法使用常规的采摘机器人,在20世纪90年代,日本四国农业试验场成功研制采用曲轴式摆动悬挂的采摘车,使用无线控制系统与摄像机监控技术,这种采摘车辆拥有宽距轮胎,更低的中心,良好的爬坡越野能力,可以车轮正反转360回转,枢轴悬挂使机器行走更加稳定,为采摘机器人在丘陵地区的应用建立了良好的开端。2007年美国加州柑橘研究委员会与华盛顿苹果委员会成功合作研发了一种高度智能、精准的水果采摘机器人,科学家使用最快速的运算芯片和顶级液压技术,为这太采摘机器人打造了一副灵敏度接近人的手臂和手指,并应用成像技术,使这台机器人可以辨识水果的品质。这种机器人在一定程度上可以完全替代劳动者就行采摘收获,但是这台机器人的收获系统与成像扫描系统生产成本就高达300万人民币,所以广泛推广还需要新技术、新材料的开发。美国研发高智能采摘机器人效果图 机器人本身越灵活,其控制系统越复杂,因采摘机器人的工作环境复杂多样,机器人对果实的辨识度不够高,采摘时较高的损坏率以及研发采摘机器人的高昂费用,机器人的开发仍需要长久的发展。1.3 国内便携式摘果手的市场前景近年来,因为种植业中年轻劳动力的流失,另外生产效率低下,耗费劳动力非常大,生产成本持续提高是我国果农群众面临的一个重要的问题,所以国家农业部门对于农业的重视程度日益增加。我国目前劳动力老龄化及精品农业发展的方向和日本极其相像,借鉴日本的发展经验有助于我国的发展,所以当前果农迫切需要一种可以帮助其解脱原始生产,延长超龄果农工作年龄,改善果农工作环境,整体提高生产率的工具。目前虽然市场上虽然有很多新型的水果采摘工具(例如采摘手),但在使用的过程对水果外形要求较为苛刻,存在很多弊端,不可避免的会造成水果品相的不同程度损伤,水果往往是选择性收获的,且水果对采摘的时效性要求很高。所以很多果农宁愿采用传统的采摘方式或者手工制作简易工具采摘,但是仍旧出现水果跌落损坏的情况。虽然人们利用机械化方式采摘水果最早可以追溯到上个世纪60年代,但是简单的机械收获利用半机械半人工的方式采摘水果是解决上述问题有效的方法。3 第2章 便携式摘水果的总体方案2 便携式摘果手的总体方案2.1便携式摘果手的结构和功能 便携式摘果手携带方便,果农可把便携式摘果手放置在较小空间内,占地面积小,大多用于采摘苹果,梨子等硬质水果。剪刀:剪断果蒂,由于在剪刀刀片上弧形设计,可以防止果蒂从剪刀上滑出。伸缩杆:控制剪刀的方向,并适应高低不同的果树传输袋:在采摘过程中,便携式摘果手有固定的果品下落通道,保证水果能够顺利的落入篮筐中。水果缓冲装置:当水果穿过缓冲装置时,缓冲装置减缓了水果从高空落下自由落体时的速度,减少果品从高空坠落的伤害。对果品有缓冲,不破坏水果的品相。驱动装置:以电力驱动代替传统人力,减少劳动者负担,更加人性化。2.2总体方案设计结合国外设计经验与国内果农现况,阅读有关技术资料,包括果树情况等,便携式摘果手设计主体思路是一种手持、轻便,并利用电力驱动直流电机提供伸缩和剪刀闭合动力的采摘水果的摘果装置。位于副杆顶端的剪刀通过电机提供动力可以轻而易举剪断果蒂或细枝条,被剪刀剪断果蒂的水果落入袋中,顺着传输带落到到橡皮质地的减震装置上,通过袋内的弹力装置,减少了水果在做自由落体运动时,落地的一瞬间产生的动力势能,减轻了水果的表面碰撞问题。从而保护了果品的表面完好度,在一定程度上提高了水果的市场价值。如图2.2.1便携式摘果器整体包括电源、电机、滚珠丝杆、减速箱、果蒂专用剪刀、连杆机构由外管、内管和锁紧装置构成。当电机一得电时,电动机转动可带动滚珠丝杆的转动从而使内杆向上传递,实现电动控制伸缩杆升降的效果。电动伸缩杆的上部装有一个迷你的电机以及变速箱,最顶端装有专用剪刀,剪刀与伸缩杆之间用铰链链接在变速箱里的偏心轴上,并且通过电机二的得电转动控制偏斜轴的转动,从而完成剪刀的开合。在这一整个过程中,伸缩杆电机的控制开关放置在推车的左把手位置,剪刀电机的控制开关放置在推车的右把手,方便作业人员操作。果农先推动小车移动至果树下方,拿起摘果装置,用手按住伸缩杆上的上下控制按钮把伸缩杆调整到适当的高度,把伸缩杆端部的剪刀对准果蒂,摘果装置端部的剪刀下方安装了小型的变速器和伺服电机,剪刀的闭合由开关按钮控制,当操作者按下剪刀闭合按钮时,剪刀闭合从而切断果蒂,水果从而顺利的落入传送带中,在传送带内部安装了一个简单的弹性质地的网状结构(缓冲装置),水果可通过传送带首先落到缓冲装置上,而后又因自身的重力及加速度穿过缓冲装置,由于果品从下落时的自由落体到通过传送带中的缓冲装置减弱了一部分势能,当水果落在果筐里时减少了很大程度上的撞击。从而保护了水果的外观质量。图2.1摘果器总装图图2.2手推车总装图276 第3章 部件设计及相关理论基础3 部件设计及相关理论基础便携式摘果手主要设计了踏板装置、果品采摘装置、伸缩杆、直行车车闸制动装置、果品缓冲装置这五个部分。本章分别对这五个部分的原理和结构做具体的讲解。3.1采摘装置的主要结构及技术要求3.1.1采摘装置设计方案方案一:用普通的剪刀来作为剪掉果蒂主要工具。该剪刀分别由上刀片和下刀片组成,刀片的上下刀刃成直线型,加工设计简单,成本低,在市场上也容易采购到。在整个采摘装置的安装上也极为简单。材料大多用不锈钢作为剪刀的材料,不易生锈和腐蚀。缺点:由于此类剪刀虽说材料是不锈钢,但由于成本等各方面的原因,刚才质量不好,大众普遍认为只要是不锈钢其质量都会比普通钢要好上几倍,其实不然,在钢材的炼制中加上添加了铬的不锈钢由于减少了碳的含量,增加了抗锈的性能,却在加工难度上提高了很多倍,刀具更难打磨,刀刃在使用的持久性上也大大降低。另一方面,剪刀的设计也是及其的不合理,果树不论是枝干还是果蒂都呈现的是类圆形而此剪刀上下片刀刃几乎程直线型,在剪切的过程中剪切的过程,举例钢板来说,首先是剪刃切入一段距离,之后钢板不是被切断而是滑移,就像山体滑坡那种。如果树枝结构太硬或表面太圆滑,就很难切入一个切口,故一定力作用下很难形成滑移,因此很难剪断。方案二:果品采摘装置分别由上刀片1和下刀片3组成。剪刀是利用杠杆原理,通过铁心4把两个刀片连起来。当手柄5受到相对的力时,两刀片就会闭合起来,下刀片产生向右的力,上刀片产生向左的力,两种大小相同方向相反的力同时压在两刀片相交的果蒂上。因为刀口非常锋利且压强很大,所以剪刀很容易就把果蒂“剪”开了。支点上的铁心是一个圆头螺丝,当两刀片结合不紧时可以拧紧螺丝,避免两刀片松动影响水果的采摘。在上刀片的刀刃处打磨了几个凹槽锁2,可防止在采摘水果时果蒂与刀片之间打滑,利用凹槽锁住果蒂。两刀片相互配合,剪下水果。缺点:咬合力不够,有些硬质水果的果蒂很难剪切下来,结构比较粗糙。即使用脚来当作两刀片剪切的动力也相当费力,与实际预期情况相差较大。图3.1剪刀简单示意图图3.2剪刀实物图 方案三: 把剪刀的刀刃形状设计成弧线形,在剪切过程中,首先剪刀上刀刃( 图3.3 )与弯刀( 图3.4)之间给予树枝相互的作用力使树枝挤压变弯从而产生内部张力,1.树枝受到力的作用,树纤维被拉长,进而树枝的强度和韧性就会降低,由于刀口设计的是弧形刀刃,刀刃又给予枝干一个作用在被剪切的枝干上朝向支点的作用力,这样一来基本上解决了枝干在剪切时打滑的现象,刀口也很容易从树纤维的拉伸点剪切并垂直于张力的方向。2.由于用的是上刀片带有刀刃和无韧弯刀相互配合的剪切设计方案(不容易向之前在实验出现的那样,对上下两刀面侧面产生力的作用)。弯刀由于采用的无韧设计,使弯刀承受的力理论上并不包含剪切力。这样一来就不容易挤压到两刀片,出现刀片使用寿命降低的情况。设计出大概的模型并计算出所受的力的方式和大小,在其基础上选择具体的刀刃弧线角度,并计算出刀尖和刀柄与支点之间相距多少时最省力且符合实际。计划在实验允许的范围内再在下弯刀上附加一块5毫米左右的硬质塑料板( 图3.5 ),形状与下弯刀形状类似,在贴合在弯刀旁的塑料板的在程弧线形状的方向被裁剪成波浪形,这样一来不仅仅是弯刀的弧线型设计给予枝干一个朝向支点的力是枝干不会在刀口滑动,还增加了一个对枝干的摩擦力,使枝干在剪切不易远离支点,使枝干在整个剪切过程中,人施的力一直处于相对平稳的状态,且试图用电动开关控制剪刀的闭合,采摘者不易疲惫 。 图3.3图3.4图3.5图3.6图3.7图3.83.1.2剪切刀具的材料选择上刀刃与弯刀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。 材料性能1Cr139Cr18化学成分/%C0.15Cr11.5013.40C0.901.00Cr17.0019.00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、高耐磨设备零件等表3-1 材料1Crl3 和9Crl8参数表 (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。3.1.3采摘剪的主要结构尺寸剪枝剪的主要结构尺寸是指反映剪枝剪的外观形状。现以广泛使用的JZ200剪枝剪的外 形和结构为例,如图3.9所示。 图3.9 剪枝剪全长200mm,剪把长度135mm,主剪刀、副剪刀长度65mm,主剪刀厚度 5 = 3.4mm,副剪刀厚度d=4.3mm.主副剪刀闭 合后两剪把端距离33mm,主刀刃距支点最近 处20mm,两剪刀张开角度最大70 ,最小角度 10。 3.1.4剪枝剪的技术要求 技术是为了适应生产实践提出的要求的。生产实际足设计机具的原始依据,因而规定 r技术耍求。手剪枝剪的技术要求主要有:剪刀在使用过程中,磨损均匀,有一定的使用寿命;能自动张开.两剪刀张开的角度能保证人手的握持:剪枝剪应有闭锁装置,方便携带;在参加剪切的刃线上,轻快省力地剪断直径在15mm 以内的活树枝.井保证剪断枝条的断面整齐,不损伤树皮等。 S:穿过枝条断面中线剪切力;F:刃口P点垂直0P由力矩M产生的重力; M:剪把在f力作用下产生的力矩; :螺旋升角; f:剪把端的垂直力.图3.101枝条2主剪3弯刀4螺栓5剪簧6剪把图3.113.1.5剪枝剪在剪切过程中受力情况分析 在剪枝的过程中,在上刀刃切入枝干后,刀刃与枝干之间相互接触,在枝杆上所受的力为所有力作用在接触面上的合力。设作用点为刀刃与枝条的接触点。则通过以上所述做出枝条的受力分析图。如图3.2.4所示。当动作开始时,枝条的接触点就会受到力F 的作用,在这个力的作用下会使枝条有朝着支点的反方向运动的趋势,而后又产生穿过枝条的断面中心线的剪切力S。剪刀的刀刃与枝条的接触切点(作用在P上的作用力F以及剪切力S),在剪柄端作用力矩不变的情况下,剪切时的作用点距离支点的距离OP越大,作用在纸条上的作用力F 就越小。所以,理想的状态就是可以靠近支点的方向剪切。但是,在剪枝过程中,枝干的横截面积粗细不等,很难做到都可以集中在靠近支点的位置,故剪柄端的力矩就需要加大,无形之中给使用者也造成了不少的困难。由图3.2.4可得力矩M=lf。l为支点到剪柄端点的距离。f为在剪柄上施加的力。由于l是一个定值,所以要想使M增大,就要增加作用力f 大小。则剪刀刃线的作用力F则可以用一下公式来表示:3.1.6上刀刃与弯刀之间的工作载荷上刀刃与弯刀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。把上刀刃与弯刀之间的剪切运动设想为上剪刀刀刃与剪刀弯刀的2个刀具缝平行,因而能进行剪切,在剪切处是果实枝头的树枝剪切的阻力。枝头剪切阻力的计算一般果树的枝头都很细,不考虑弯矩,所以只考虑剪切力,由于果实质量不大,不考虑其重力。如图3-12所示枝条图3.12 苹果枝条剪切力示意图 苹果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0.4m/s,刀刃最厚处可取为0.01mm。3.1.7上刀刃与弯刀剪切刀具的强度校核 上刀刃与弯刀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摘果手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3.13,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3.13计算上刀刃与弯刀剪切刀具的强度一般苹果果蒂都比较细,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,因此设计的上刀刃与弯刀的剪切刀具满足强度要求。3.1.8 剪刀开合减速箱的设计图3.14减速箱部分三维前视图图3.15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剪刀上下刀构成,其中有多个铰接孔,连接动力臂与剪刀上刀片是铰接的。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。3.2 伸缩杆与电动控制方案3.2.1伸缩杆的设计方案方案一:伸缩杆分别有四部分组成。图3.16内杆,决定着整个伸缩杆的长度,伸缩杆向外拉长,内杆向外露出的长度就会变长。图3.17外杆,是整个伸缩杆的基础长度,伸缩杆的最小长度由外杆决定。图3.17手柄,利用手握住手柄来控制方向。伸缩锁,通过旋转伸缩锁来固定内杆。伸缩锁向右转动时,为开锁,内杆可以在上下任意位置伸缩。伸缩锁向左旋转时,固定内杆不让其上下移动。本设计选用伸缩杆的型号为MXX110902。当然根据伸缩杆的极限长度也不同。针对高低果树的采摘情况,选择的伸缩杆的型号也不相同。 图3.16内杆 图3.17外杆 图3.18手柄图3.19伸缩锁方案二:电动可控制伸缩杆由直流电机提供动力来源,通过螺旋内杆为副杆提供上升或下降的动力(如图3.20),当电机1通电后可通过电机1正反开关按钮实现正转或反转,当正转时螺杆随之正转,在提升控制件与主副杆固紧件的制约前提下,副杆会随着螺旋提升杆的正转而被升起。同理,当电机1正反转按钮调至反转时,螺旋提升杆反转,副杆下降。螺旋提升杆顶部制作时便比主杆顶部短20cm,并在螺旋杆顶部不刻纹,当副杆提升至极限高度时,螺旋提升杆会提供物理限位,即电机动力无法突破之障碍,当操作手感到电机发出“嗡嗡嗡”的声响与振动时即关闭按钮。在设计初期也同事考虑加入电限位,但是将复杂的电路加入到使用理念与制作简单的摘果手设备中去有违初衷,并且本次选用的直流电机本身可以耐受长时间的超高负荷运转,多次试车试验中,极限高度很少达到,并且操作手会有“警惕性”,并且电动机的超强耐用与可耐受长时间超负荷运转,其并不影响机械手的使用寿命。当副杆下降至极限位置时会出现同上升至极限位置同样的问题,此时同样适用物理限位,当副杆降至极限位置时抵达物理限位点时,伸缩杆停止下降,操作员断开电动机电源,电机1反转随机停止。本设计选用伸缩杆的型号为GE766E093。当然根据伸缩杆的极限长度也不同。针对高低果树的采摘情况,选择的伸缩杆的型号也不相同。图3.20图3.21升降杆三维图3.22伸缩杆调速原理图图3.23升降杆总装图3.2.2电机控制方案现在市场上的电机种类非常丰富,结合摘果手的设计思路与客观经济条件,对市场上的各类电机进行筛选。电机是便携式摘果手最为核心的装置,作为基本动力来源,能直接决定便携式摘果手的使用效果,结合便携式摘果手使用的特性,根据其启动、正转、反转、使用频率、超负荷运载等性能需求以及客观经济状况和维修因素选择电机。本次设计的便携式摘果手的电动机的使用特点为频繁短时间运行、快速启动、正反转、承受过载、无调速要求。依据电动机类型参照表,直流电动机快速频繁启动、正转和反转、大过载能力、顺滑的速度、精切、方便使用、低价易于保养等特点。本次便携式摘果手选用直流电动机。电动机类型选择参考表1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电动机类型选择参考表2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。电气控制方案以简单控制、功能齐全、方便维修、使用便利为原则,本方案设计电气控制有两个开关SK1、SK2,SK1使用复位按钮,即SK1控制下的电机M1只有启-停两个状态。SK2使用船型三挡开关,即SK2控制下的电机M2有正转-停-反转三个运行状态。SK2切换在zt1时电机M2静止状态,SK2切换在zt2时电机M2正转状态,SK2切换在zt3时电机M2反转状态。 图3.24电路SK2切换状态图图3.25线路安装示意简图3.26船型三档按钮 图 3.27复位按钮3.3果品减震装置减震装置配置在传输袋中,利用皮筋的弹性,使高空自由落体的水果得到缓冲,以至于不损坏到水果,并且利用皮筋的张力,当水果落在橡皮网上,由于水果自身的重力使皮筋之间的距离变大,从而是水果落入筐中。如图3.28当水果自由落体时水果向下的重力F1,果品减震装置对水果有向上的力F2,F3,向左右的力F5,F6.使落下的水果的动能减少。此装置减少了水果在采摘时对水果的碰撞,最大限度的保证了果品的质量。图3.29为缓冲装置的简单示意图,橡皮筋围成的网略小于平均水果的直径。例如采摘苹果时,橡皮筋围成的矩形网络边长大约在60mm左右,一般苹果的直径大概在90mm左右,在当苹果下落时,利用橡皮网的张力,对苹果起到缓冲作用,减少了苹果在落入果筐的一瞬间受到的碰撞。图3.30为缓冲装置的实物图。 图3.28 果品减震装置受力图图3.29缓震装置示意图图3.30 缓震装置实物图 第4章 产品的调试与改进 4 产品的调试与改进 便携式摘果手的使用方法:果农用手握住伸缩杆的下端,按动控制SK2开关调整伸缩杆深处长度,使剪刀对准水果的果蒂。然后按动SK1按钮启动电机M1,使剪刀做剪切动作,从而剪断果蒂,使果实脱离树干。被剪下的水果顺着传输袋落下,穿过传输袋中的减震装置,被减速的水果安全落入果筐。推车上专门设有摘果手的放置架,当摘果手使用完毕后可放置在推车上的放置架上作为一个整体存放在适当的位置。4.1 产品调试时出现的问题1.刚开始对于果品采摘时是利用的普通剪刀,但在采摘的过程中,发现当闭合剪刀时,靠近果蒂的两个刀片很容易使果蒂滑出刀片外,在采摘过程中对果蒂不能起到固定的作用。2.两刀片就算固定住果蒂,使刀片闭合,由于刀片重合度不高,果蒂并不容易被完全剪断,就会出现果蒂剪掉一半,水果还被悬挂在树枝上的现象。3.杆子不够长或过长,不能适应大多数的果树。4.杆子在伸缩控制时到达到达一定的高度后人工就很难再进行伸缩和控制。5.在水果掉落到传输袋时,同样传输袋也面临着不适应适应高低不等的果树的问题,当采摘高枝的水果时,传输带的底部不能与果筐直接相接,就会造成水果剪掉后,通过传输袋的水果掉落在果筐外面。而低枝果树,由于传输袋过长,水果掉落的路线不容易固定。导致水果不能通过缓冲装置,对水果的品相造成一些损伤。6. 利用类似自行车刹车系统原理,使用踏板通过钢丝牵引剪刀,来实现剪刀的闭合,但其灵活性太低,不适用于复杂的工作环境。图4.1 踏板结构图(1)图4.2踏板结构图(2)图4.3 踏板修改后实物图4.2产品改进和解决的方案1.把剪刀的刀片制作成圆弧形的刀口,上刀片的刀刃为凸圆弧,下弯刀的则无刀刃,利用剪切时枝干变形的张力把枝干剪断。2.在上刀刃旁附着着一片10毫米厚的波浪形塑料板,贴合在刀刃弧线的方向,可以利用其波浪形的形状在剪切时紧紧抓住果树的细枝,不让细枝向刀尖的方向滑动。使剪刀更有效率的把果树的细枝剪断。3.利用铰链的上下运动来直接控制剪刀的闭合,铰链链接在减速器的偏心轴上当偏心轴转动一圈时,铰链上下运动一个回合,剪刀则因铰链的上下移动而进行闭合。4.利用可分段拆卸的传输袋,解决采摘高低枝或低枝果树时,传输袋与果筐距离衔接不好而造成的水果掉落果筐外部,或不能穿过缓冲装置造成水果品相破坏的问题。5.利用电动伸缩杆来解决高枝,低枝的果树采摘的问题,通过电动控制,避免了果农用手控制调整伸缩杆的长短,换句话讲,之前的设计需要先目测果树的高度,在地面上把伸缩杆调节好后,把伸缩杆拿起对准果树,但是一旦调整的长短不符合实际的操作,就要放下伸缩杆,重新调整。而现阶段利用电机使滚珠丝杆旋转使得伸缩杆上下移动,可直接用手拿着伸缩杆的把手,按动上下控制按钮,即可伸长的希望的位置。减少了果农反复调节的次数,提高了采摘效率。6.将踏板改为直接模仿自行车手刹的手动刹车把手装置,但是在操作员试用一段时间后,手部负担会很大,考虑到操作者要频繁试用摘果手,所以“刹车把手”也被淘汰了。考虑到伸缩杆已经用电机来牵引来提升工作效率,又不会给操作员带来长时间工作的操作负担,所以剪刀动力也改为电机牵引。4.3 产品改进后的特色便携式摘果手巧妙的设计了水果落下时的缓震装置,保护果品的外观。 设计了类似手推车的装置,使得便携式摘果手从采摘水果,到水果滑落后的存放,包括摘果装置的存放都融为一体。当推车上篮筐里的水果装满时,只需置换篮筐就可继续工作。推车底部安装了四个万向轮,果农可以根据果树及采摘方向的不同调整推车的位置。充分做到了便携式摘果。(4) 电动可控伸缩杆,方便快捷的把剪刀升降到目的位置 为果农提供了方便。(5) 传输布袋可调节长短,避免了布袋过长或过短给果品带来的不必要的撞击。(6) 装置体积小容易携带。可用于私人果田或大面积的采摘。(7) 结构简单,操作容易,人性化的设计。(8) 大大减轻了果农的作业负荷。(9) 剪摘水果后,水果可顺着固定轨道滑入果篮中,减少摘果装置重复举起放下的次数,增大工作效率。 第5章 总结5 总结一直以来,国家对于农业的重视程度是我们有目共睹的。在许多大型会议上,国家领导人反复强调农业的重要性,不断的出台关于农业新的政策,保证农民的收入和种植农产品的积极性。另一方面,随着生活水平的提高,人们对于蔬果等农产品的需求量日益增加。这些都不断充斥着果树种职业的发展,从而使各个地方的果树种植业逐渐兴起,不论城市还是农村,人们对于水果采摘市场的憧憬与热情变得一发不可收拾。目前在小型果树种植户中,存在生产效率低,劳动力耗费量大等问题。以上问题导致水果成本的增加,使我国果农面临的一个严峻的问题。果农们迫切需要一种可以解放生产力,提高生产效率的工具。目前市场上有很多种类的采摘工具,大多价格较高,使用不方便,不易携带,更有甚者在采摘时会对果品有损伤。便携式摘果手是面向中小型果树种植户的设计,价格低廉,果农容易接受,且操作简单、方便,在许多的地方有着不可替代的作用。便携式摘果手利用踏板来代替手动施力,在踏板上运用了杠杆装置更减轻了农民的劳动力。便携式摘果手的刀片的设计灵感来源于锯齿,增加果蒂与剪刀直接的摩擦力。在操作的过程中使用便携式摘果手,可以方便的把果实采摘下来。在便携式摘果手初步制作完成后,我们通过不同实验得出的结论,对装置的整体结构和各部件的设计又做了进一步的改善。原本只是一个设计框架,通过不停的调试、补充,逐渐成为一个比较完整的设计项目。整个课题对便携式摘果手设计思路的介绍和对项目未来的憧憬做了一个整体的叙述。在社会经济的发展中,农业是我们人类不可缺少的一部分。人类的生存与发展是以农业作为坚实的后盾。当然展望美好前景的同时,我们也需要面对现实中的一些问题。在目前,农业的生产效率是人们所密切关注的问题。如何改善农业生产效率低下,也是一直以来讨论的话题。在资源极度紧缺的情况下,为人类的基础事业贡献一份微薄的力量,是我们这个世纪的青少年应当做的事情。通过这几个月的努力,在老师的帮助下,为了保证论文的质量及书写的规范,我上网查阅许多资料和书籍,为得是希望这次毕业论文做的能再完美一些,毕业论文算是告一段落,这次毕业论文,是一项由生活中的点滴总结得到的设计课题。我设计的绿色、环保、便携的摘果工具,希望能为我们可敬的农民伯伯减轻一部分体力负担,有效的保证稳定的收入,让我们的家园变得更加美好。 参考文献参考文献 1 何元庚机械原理与机械零件北京:机械工业出版社,20012 韩刚/庞恩泉典型零件造型与加工方案图解山东:山东科学技术出版社20093 张秉荣/章剑青工程力学北京:机械工业出版社,19964 范崇洛/谢黎明机械加工工艺学南京:东南大学出版社,20025 魏康民机械加工技术西安:西安电子科技大学出版社,20066 刘克城切削加工工艺与技能训练北京:机械工业出版社,20057 陈立德机械设计基础北京:高等教育出版社,20028 胡家秀机械设计基础北京:机械工业出版社,20019 徐灏机械设计手册第二版。北京:机械工业出版社,199910 陈崇恭机械原理北京:高等教育出版社,199911 张春林/曲继方/张美麟编著机械创新设计北京:机械工业出版社,200212 胡凤兰. 互换性与技术测量基础.北京:高等教育出版社,2010.813 王晨;刘九庆.林业机械与木工设备.200714 赵恒勤;袁直;罗凯;郭艳玲. 林业机械与木工设备.2001.15 郑芬芳.厨房食物垃圾处理器的研制16 果蔬的无损抓取和采摘. 科技传播. 2010.17 DANIEL B.DALLAS. Tool & Manufacturing Engineers HandbookM. 3rd ed. Columbus: McGraw-Hill Book Company, 1976. 附录致 谢时光飞逝,一晃两年过去了,两年中遇到的一件件事情,发生的一个个故事,都在脑海中一遍遍穿梭。忘不了老师在课堂的谆谆教诲,忘不了每次去图书馆安静的坐在课桌上低头沉思每一道题目的状态。在这两年即将过去,当写下这篇自己亲手有键盘一字一句敲打,用软件绘制自己心中构想出来的设计时。突然发现我对这篇论文的重视远超过自己的想象。作为一个毫无经验可谈的大学生而言,要不是导师逐字逐句的批改和严格的督促教导,同学的相互鼓励支持,要完成这个设计,其实我自己都没有太大的信心。感谢李晓晖老师平日里对我们的督促。老师平时工作非常繁重,但老师把每一次的信息及时的告知我们每一位同学。在我写论文的每一个阶段中,每当遇到问题,老师总是悉心的对我教导。从开始的查阅资料,到设计题目的确定修改,中间不时的询问我论文的进展情况,在这整个过程,我的导师给予了我很大的支持和鼓励。感谢这两年,让我从一个懵懂的孩子,渐渐长大。感谢这两年,让我遇到许多无私付出毫无保留的给予我知识的老师们。感谢这两年,让我交到一帮相互支持志同道合的朋友。感谢母校,是金陵科技学院给予了我这个机会,让我度过充满朝气且有意义的两年!
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