绿篱苗木修剪机械手的设计与研究

摘要

目前国内进行绿篱树木的修剪造型主要通过人工手持绿篱修剪机或剪刀进行，劳动强度大，工作效率低。基于此，本文研究一种新颖的绿篱苗木修剪机械手，其采用圆柱坐标机械手的结构方案，结合控制程序，能自动对绿篱和树木进行圆球、圆柱、圆锥、平面以及波浪面等各种形状的修剪造型。
　　 本文将虚拟样机技术和实验研究有机结合起来对绿篱苗木修剪机械手进行设计研究。通过搭建修剪刀具的试验平台，确定了刀具的工作参数，并对修剪过程中刀具的切割阻力进行了测量，为修剪机械手的设计与分析提供了数据基础。运用Pro/E软件对修剪机械手的各零部件进行三维的设计，并实现整机的虚拟装配。对修剪机械手进行有限元应力分析，确保其具有足够的强度和刚度，对修剪机械手进行有限元模态分析，确定其固有频率能够避开地面和修剪刀具引起的激振频率。在建立了修剪机械手的运动学方程以及造型轨迹方程后，本文基于Pro/E和ADAMS的联合仿真技术对修剪机械手进行了运动学、动力学的仿真，通过运动学反解和正解仿真，验证了所求得的运动学方程和造型轨迹方程的正确性，还对半圆球和圆柱的修剪过程进行了模拟分析，得出了在两种工况下的各运动关节的驱动力以及驱动速度曲线，为实际样机的零部件选型提供了参考。此外，为避免修剪时遇到过大的载荷致使修剪机械手受到破损，本文设计了一种新颖的过载防护机构，并对其结构参数进行了优化，使过载防护机构的输出扭矩特性呈现单调降低的趋势，达到合理的防护效果。在完成了零部件的选型以及对修剪机抗倾覆能力的分析后，对物理样机进行了研制。通过对物理样机的实际运行，表明各关节驱动力充足，且不存在运动的干涉现象。通过对物理样机的实际切割试验，表明造型过程的效率相对人工修剪提高了10倍以上，绿篱平面修剪的效率较人工修剪提高了50倍以上，修剪造型的效果良好。该修剪机受邀参加了中国-东盟博览会以及广西发明创造活动暨优秀专利成果展，得到了各界人士的认可并得到了多家媒体的报道，目前正与企业联合进行试产。本论文设计的修剪机械手已经申请了多项发明专利。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题的研究意义

1．2 自动化修剪机的发展动态

1．2．1 自动化修剪机的发展趋势

1．2．2 国内外的研究现状

1．3 本论文的研究内容与创新点

1．3．1 本论文的研究内容

1．3．2 本论文的创新点

第二章 修剪刀具的试验

2．1 刀具试验的目的

2．2 刀具试验平台的搭建

2．3 刀具的试验

2．4 试验结果分析

2．5 本章小结

第三章 绿篱苗木修剪机械手的设计

3．1 绿篱苗木修剪机械手的性能要求

3．1．1 工作范围要求

3．1．2 功能要求

3．1．3 工作载荷要求

3．2 绿篱苗木修剪机械手的总体构思及基本方案

3．2．1 机械手的分类以及选择

3．2．2 绿篱苗木修剪机械手的总体方案

3．2．3 绿篱苗木修剪机械手的基本尺寸

3．3 绿篱苗木修剪机械手的组成

3．4 绿篱苗木修剪机械手的三维设计

3．4．1 刀具系统的三维设计

3．4．2 升降机构的三维设计

3．4．3 伸缩机构的三维设计

3．4．4 过载防护机构的三维设计

3．4．5 绿篱苗木修剪机械手的整体装配

3．5 本章小结

第四章 对绿篱苗木修剪机械手的分析与优化

4．1 静应力分析

4．1．1 模型的建立与简化

4．1．2 加载并求解

4．1．3 计算结果分析

4．2 结构动力学分析

4．2．1 模态分析的必要性

4．2．2 模态分析结果

4．3 过载防护机构的分析与优化

4．4 本章小结

第五章 绿篱苗木修剪机运动学与动力学分析及仿真

5．1 Pro/E和ADAMS进行联合仿真的原理

5．2 运动学方程以及仿真轨迹模型的建立

5．2．1 绿篱苗木修剪机械手的运动学方程

5．2．2 圆球轨迹数学模型的建立

5．2．3 圆台轨迹数学模型的建立

5．3 仿真环境的搭建

5．4 基于ADAMS运动学反解仿真

5．5 基于ADAMS运动学正解仿真

5．6 自动造型轨迹的动力学仿真

5．6．1 动力学仿真环境的设置

5．6．2 圆球轨迹动力学仿真

5．6．3 圆柱轨迹动力学仿真

5．7 本章小结

第六章 绿篱苗木修剪机的研制与试验

6．1 整机布局方案分析

6．2 承载车的选用与分析

6．3 零部件的选型

6．3．1 旋转底盘的选型

6．3．2 旋转底盘动力电机的选型

6．3．3 伸缩动力电机的选型

6．4 绿篱苗木修剪机的样机制造

6．5 绿篱苗木修剪机的试验

6．5．1 实验的目的及内容

6．5．2 实验的过程与结果

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 结论

7．2 获得的成果

7．3 样机存在的问题以及后续的工作

7．3．1 样机存在的问题

7．3．2 后续的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况