便攜式樣山核桃采摘機的設計

本科畢業設計(論文)

題目： 便攜式樣山核桃采摘機的設計

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提交日期：

便攜式山核桃采摘機的設計

學生姓名： 指導老師：

浙江工業大學機械工程學院

摘 要

目前國內果蔬采摘作業基本以手工采摘為主，隨老齡化和農業勞動力的減少，農業生產成本提高，發展機械化，特別是果蔬采摘機的研究，具有重要意義。

本文設計的便攜式山核桃采摘機，屬于農業機械。山核桃采摘機包括電源、連桿機構、機殼、驅動裝置、連接臂、上下拍爪，連桿機構由外管、內管和鎖緊裝置構成。外管內套接有可在外管內部伸縮的內管，外管右端與內管外壁連接處設有鎖緊裝置，內管右端與機殼左端固定連接，上拍爪左端與機殼右端上殼體鉸接，下拍爪左端與機殼右端下殼體鉸接，機殼內設有驅動裝置，上下拍爪通過連接臂與驅動裝置連接。

關鍵詞： 便攜式山核桃采摘機 驅動裝置 上拍爪 下拍爪 連桿機構

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 錄

摘 要 .............................................................................................................................................. i Abstract ........................................................................................................................................... ii

第一章 緒論 ................................................................................................................................... 3

1.1選題的背景及現狀 ............................................................................................................ 3

1.1.1山核桃采摘的現狀 .................................................................................................. 3

1.1.2便攜式山核桃采摘機的使用現狀 .......................................................................... 3

1.2研究的意義 ........................................................................................................................ 3

第二章 便攜式山核桃采摘機機械系統 ....................................................................................... 5

2.1便攜式山核桃采摘機使用的可行性 ................................................................................ 5

2.2便攜式山核桃采摘機的基本工作原理 ............................................................................ 5

2.3便攜式山核桃采摘機的構造 ............................................................................................ 5

第三章 采摘裝置的設計 ............................................................................................................... 9

3.1上下拍爪及剪切刀具的材料選擇 .................................................................................... 9

3.2剪切刀片尺寸的確定 ........................................................................................................ 9

3.3上下拍爪的力學分析 ........................................................................................................ 9

3.3.1上下拍爪剪切刀具之間的工作載荷 ...................................................................... 9

3.3.2上下拍爪剪切刀具的強度校核 ............................................................................ 10

3.4上下拍爪的結構設計 ...................................................................................................... 11

第四章 傳動系統的設計 ............................................................................................................. 17

4.1驅動電機的選擇 .............................................................................................................. 17

4.1.1電動機型號的選擇 ................................................................................................ 17

4.1.2電動機過載保護電路 ............................................................................................ 19

4.2傳動軸及齒輪的設計 ...................................................................................................... 20

4.2.1傳動軸及齒輪的工作情況介紹 ............................................................................ 20

4.2.2傳動軸及齒輪的計算、校核及設計 .................................................................... 20

4.2.2.1選擇軸的材料及熱處理 ................................................................................. 20

4.2.2.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 ............................................. 20

4.2.2.3圓柱齒輪的設計計算 ..................................................................................... 22

4.2.2.4 圓錐齒輪的設計計算 .................................................................................... 25

4.2.2.5 II軸的計算及設計 ......................................................................................... 29

4.2.2.6 I軸的計算及設計 ........................................................................................... 33

4.2.2.7鍵的校核 ......................................................................................................... 38

第五章 便攜式山核桃采摘機的總體重量及校核 ..................................................................... 40

5.1便攜式山核桃采摘機的總體重量 .................................................................................. 40

5.2便攜式山核桃采摘機的總體校核 .................................................................................. 40

第六章 便攜式山核桃采摘機的裝配 ......................................................................................... 42

6.1裝配設計特點 .................................................................................................................. 42

6.2便攜式山核桃采摘機的裝配 .......................................................................................... 42

第七章 總結 ................................................................................................................................. 46

參考文獻： ................................................................................................................................... 47

致謝 ............................................................................................................................................... 48

第一章 緒論

1.1選題的背景及現狀

1.1.1山核桃采摘的現狀

隨著經濟的快速發展，人民生活水平的提高，特別是食品方面需求，山核桃有著極其高的營養價值，含有較多的蛋白質及人體營養必需的不飽和脂肪酸，還有多種維生素，有潤腸、滋腎、益腦等功效[1]。山核桃是浙江傳統特產，主產于浙、皖交界的天目山區，分布于臨安的昌化、于潛、淳安的臨岐、唐村、安吉的孝豐，桐廬的分水等地，昌化的山核桃產量居首位。每年白露（9月8日）過后，山核桃主產區臨安昌化開始統一采摘。山核桃樹通常高5到20米不等，需要農民爬到樹上，然后人站在樹上用竹竿將枝頭的山核桃敲打下來，掉到地上后撿到麻袋中運回。山核桃產業給當地帶來巨大經濟、社會效益的同時，每年因山核桃采摘事故造成的死傷悲劇卻不斷在上演。2004年，共有7人在采摘山核桃過程中死亡，108人受傷；到了2006年這一數字上升為16人死亡200多人受傷；而到2009年，開摘僅8天即有9人死亡[2]。這一組組血淋淋的數據，無時不刻地拷問著當地的山核桃產業。

1.1.2便攜式山核桃采摘機的使用現狀

便攜式山核桃采摘機是通過上下拍爪剪切山核桃的枝頭將剪斷的枝頭的山核桃收集在上下拍爪下方的收集網中。首次應用機器人技術進行果蔬收獲的是美國學者Schertz和Brown于1968年提出的，但當時開發的收獲機器人樣機只能算是半自動化的收獲機械。隨著計算機圖像處理技術、工業機器人技術以及人工智能控制等技術的發展和日趨成熟，日本、美國、荷蘭、法國、英國、意大利、以色列、西班牙等國家在采摘機器人的研究上做了大量研究工作，并且試驗成功了多種具有人工智能的采摘機器人。但是由于采摘對象的復雜性和采摘環境的特殊性，目前市場上仍沒有商品化的采摘機器人[3]。從1983年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發已經經歷了近20年。日本和歐美等發達國家相繼立項研究用于采摘蘋果、柑桔、西紅柿、茄子、葡萄等水果的智能機器人[4，5，6]。根據對智能機器人的不同理解，目前采摘機器人的研究朝著人機互助型和自主智能型兩種不同的方向發展

[7]。在我國只有趙偉忠、徐建鋒曾設計過便攜式堅果采摘機[8]，但是也未應用到實際生活當中，相關資料也很少。

1.2研究的意義

本課題所研究的是便攜式山核桃采摘機，屬于一種農用機械，特別是一種適用于采摘高處山核桃的便攜式采摘機，屬于農用機械的制造領域。

一直以來，采摘山核桃都是依靠人工采摘，而采摘不到的山核桃則需要借助長竹竿或長木棍等桿狀工具進行拍打，使果實掉落到地上，然后人工拾取果實，這種方法采摘效率低，而且安全隱患多，每年都有操作人員從樹上摔下傷人事件，而國外也只有大型的采摘設備，由于設備體積和重量都比較大，移動麻煩，使用起來極為不便，特別不適合我國山區、丘陵地帶的使用。而該采摘機有重量輕，體積小，容易移動，壽命長，工作效率高等優點。

第二章 便攜式山核桃采摘機機械系統

2.1便攜式山核桃采摘機使用的可行性

要實現剪切果實的功能，可以有多種功能原理實現，如吸附式、抓拉式、剪切式等[9]。而本課題所要設計的便攜式山核桃采摘機就是利用剪切式功能原理進行采摘的，主要是由于山核桃果實枝頭處比較堅韌，利用吸附式和抓拉式對果樹的枝條都具有較大的傷害。但是也由于山核桃樹非常高大，并且通常位于險峻的高山上，人工采摘比較危險，每年采摘季節都有不少的死傷事故發生。本課題設計的便攜式山核桃采摘機可以不用讓采摘人員爬到高處采摘，減少人員傷亡事故。本課題所設計的采摘機的伸高是通過配合使用內外管和鎖緊裝置來控制高度，而外管與內管的材料都是由較輕盈的塑料做成，不僅堅固而且操作起來比較省力，可以降低采摘人員的勞動難度，提高采摘效率。

2.2便攜式山核桃采摘機的基本工作原理

便攜式山核桃采摘機的主要工作部件是電動機驅動帶動嚙合著的齒輪來帶動上下拍爪的剪切工作。工作時，通過內管和外管以及鎖緊裝置來控制采摘機的伸展的高度，驅動裝置包括電機和變速箱，變速箱由箱體、I軸（包含一段齒輪軸）、II軸、小圓錐齒輪、大圓錐齒輪和大圓柱齒輪構成，I軸上中部前后分別設有大圓錐齒輪和一段齒輪軸，且I軸兩端分別和箱體前后兩側連接，II軸位于I軸右側，且II軸后端與箱體后側連接，II軸前端與大圓柱齒輪連接，大圓柱齒輪和齒輪軸相互嚙合，I軸上設有一段偏心軸，電機位于變速箱左側且其動力輸出端上設有小圓錐齒輪，小圓錐齒輪和大圓錐齒輪嚙合。電機帶動小圓錐齒輪，將動力傳到大圓錐齒輪上，實現第一次變速，I軸上的小圓柱齒輪軸把動力傳到大圓輪齒輪上，實現第二次變速，在II軸上設一個偏心軸，偏心軸的轉動帶動長的連接動力臂，連接臂由2根短的連接動力臂和1根長的連接動力臂構成，2根短的連接動力臂分別與上拍爪左端和下拍爪的左端鉸接，其另一端都與長的連接動力臂右端鉸接，長的連接動力臂左端與II軸上的偏心軸連接。偏心軸的轉動帶動長短動力臂實現上拍爪和下拍爪交互運動，上下拍爪上設有剪切的刀具，可以實現對山核桃果實枝頭的剪切，然后把剪切后的獲得的山核桃收集在上下拍爪下的收集網中。

2.3便攜式山核桃采摘機的構造

便攜式山核桃采摘機包括電源、連桿機構、機殼、驅動裝置、連接臂、上拍爪和下拍爪，連桿機構由外管、內管和鎖緊裝置構成。外管內套接有可在外管內伸縮的內管，外管右端與內管外壁連接處設有鎖緊裝置，內管右端與機殼左端固定連接，上拍爪左端與機殼右端上殼體鉸接，下拍爪左端與機殼右端下殼體鉸接，機殼內設有驅動裝置，上拍爪與下拍爪通過連接臂與驅動裝置連接，如圖2-1到2-9所示。

圖2-1 總裝配三維前視圖

圖2-2 總裝配三維前視圖

圖2-3 總裝配二維主視圖

圖2-4 總裝配二維俯視圖

圖2-5 工作及傳動部分裝配三維前視圖

圖2-6 工作部分三維下視圖

圖2-7 工作部分三維左視圖

圖2-8 減速箱部分三維前視圖

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