割草机械臂与末端执行器设计与系统仿真

割草机械臂与末端执行器设计与系统仿真

摘要:在当今社会随着社会的发展与科技的不断进步,机械臂作为一种高效率、多功能的基础机构,受到了冶金、生产制造、及各种艰苦工作环境工作的垂青,同时,对机械手臂的性能也提出了更高的要求以适应各种复杂的工作环境[1]。结合当代对机械臂的要求,本文进行了以下设计:

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图0.1 用于货物搬运的车载液压机械臂

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图0.2 用于土木建筑的车载液压机械臂

(1)查阅现有各种类型机器臂的机能优势及弊端,综合斟酌各种类型机器臂所能顺应的工作环境,确定了一种三连杆液压驱动型机器臂及割草机计划的总体方案.利用SolidWorks对零件进行建模,并利用其实干涉的功能进行检查来验证设计是否合理

  1. 在产业机器人的市场上中国占有了最大的市场。在销售总量上遥遥领先于欧美各国,但是,来自中国产业洞察网整理的数据显示,作为世界工厂,2013年我国工业机器人的使用密度仅为约21台/万人,远远低于世界平均55台/万人,这些统计数据说明:工业机器人在我国的应用上还不及发达国家。从工信部统计院整理的数据可以看出来,中国工业机器人的销售量和使用率都在飞快的发展,工业机器人在我国有很大的发展空间,预计在2015-2020 年间,我国工业机器人销售量以及使用率又将以井喷式增长,预计2020 年工业机器人年销售量超过21万台。在工业机器人当中,车载机械臂的重要性不可或缺,在未来将为工业机器人的大家庭带来一个飞跃的增长,这个增长会直接给经济增长带来正面的效果,所以对车载机械臂的研究势在必行

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图0.3 中国工业机器人所占市场份额

  1. 割草机(Lawn mower)在割草的领域被广泛应用,往复式割草机设计主要包括:刀盘(包括铰链甩刀)的整体尺寸设计、齿轮箱的设计、减速马达的设计。1830年,比尔-布丁取得了滚筒剪草机专利, 1832年,兰塞姆斯农机公司起头批量生产滚筒式割草机。

1831年,卡比利亚取得了滚草机世界专利。1833年,兰塞姆斯农机公司开始批量生产滚筒式的割草机。19世纪这种滚筒式割草机被广泛应用。1902年,伦敦恩斯制造了内燃机为动力的割草机,其原理延用至今

关键词:机械臂,液压驱动,SolidWorks,割草机


In today’s society with the continuous development and progress of science and technology of the society, the mechanical arm as a kind of high efficiency, multi function based mechanism, by metallurgy, manufacturing, and all kinds of hard work environment work interest, at the same time, performance of the robot is also put forward higher requirements to adapt to the complex working environment. According to the requirements of modern mechanical arm, this paper carried out the following design:

(1) the performance of the existing strengths and weaknesses of various types of mechanical arm, considering various types of mechanical arm can adapt to the working environment, determine a three link hydraulic driving scheme of mechanical arm and mower design. Modeling of parts with SolidWorks, and using its interference function checks to verify whether or not reasonable design

In the industrial robot market China occupy the largest market. In total sales ahead of Europe and the United States, but from China industry insight network collated data show that, as the world’s factory, in 2013 China’s use of industrial robot density is only about 21 / million people, far below the world average of 55 / million people, the statistical data shows that the industrial robot application in China is less than the developed countries. We can see from the statistics of the Ministry of industry data Chinese industrial robot sales and usage are in rapid development, the industrial robot has great potential in China, is expected in 2015 -2020 years, China’s industrial robot sales and usage will be a growth spurt, is expected in 2020 annual sales of more than 210 thousand units of industrial robots. In industrial robots, an importance of vehicle mechanical arm, will be in the future for industrial robot family with a leap growth, this growth will be brought directly to the economic growth the positive effect, so the research on vehicle manipulator is imperative.

The lawn mower (Lawn mower) is widely used in the field of mowing, reciprocating mower design mainly includes: the cutter (including the overall size of the hinge flail) design, design of gear box, gear motor design.1830, Bill made the lawnmower pudding drum patent, 1832, ransomes machinery company began mass production of drum type the lawn mower.

In 1831, made a roll of grass machine Kabylia world patent.1833,.19 century the mower drum mower ransomes machinery company began mass production of drum type is widely used in.1902, London made Enns powered mower engine, the principle of using so far

Key words: mechanical arm, hydraulic drive, SolidWorks, mower

目录

第一章 绪 论 7

1.1 引言 7

1.2 国内外研究现状 7

1.2.1 国外研究现状 8

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 割草机国内外研究现状 9

1.3.1 国外研究现状 9

1.3.2 国内研究现状 9

1.3 研究内容及技术路线 10

1.3.1 研究内容 10

1.3.2 研究方法 10

第二章 割草机的总体设计方案 11

2.1 割草机部件总体设计要求 11

2.2 割草机的总体方案设计 11

2.3 割草机部件的组成及工作原理 11

2.3.1割草机部件的组成 12

2.3.2 割草机的工作原理 12

第三章 机械臂主要构件设计 13

3.1机械臂设计 13

3.1.1 机械臂外形尺寸设计 13

3.1.2 机械臂性能要求 14

第四章 液压系统设计及液压元件选型 14

4.1液压系统设计 15

4.2液压元件选型 16

4.3动力系统油量计算 16

第五章 总结与展望 17

致 谢 18

参考文献 19

第一章 绪 论

1.1 引言

液压驱动执行机构具备相应敏捷、耐用性好、功率/重力比大,在有限的空间内可以供给较大的动力和转动力矩等特色,且液压元件结构简略,价格低廉,一样平常直接作用于执行机构。与机械驱动相比,没有机械式减速器,使整体机构得到了简化,同时减小了机械驱动中传动构件之间的摩擦和效率损失,因而液压机械臂获得了广泛应用。液压机械臂值得科研人员深入探讨与研究,生产制造车载液压机械臂的企业将更新、功能更加强大的产品推向市场。

1.2 机械臂国内外研究现状


1.2.1 国外研究现状

工程机械设计与计算机技术相结合已经成为现代工程研究的发展趋势。相关软件不仅能进行有限元分析,同时还可以进行运动学和动力学仿真和疲劳寿命计算,大大加快了设计进程。为确定相关设计的最优参数,可利用相关软件进行计算、仿真与模拟,再通过以上过程之后在进行实际生产与加工。

毕业设计前期查阅了相关文献,熟悉了毕业设计开展的背景,了解到国外的工程机械研究主要在以下几个方面展开:

  1. 轨迹规划问题在运动学领域有着重要的研究意义,笛卡尔空间轨迹规划还有关节空间的的轨迹规划都是运动学领域经典的案例[2]。其中, Lin 等人为得出最优时间下的轨迹规划方法,综合考虑了机器人在位置、速度、加速度和二阶加速度方面的运动学约束,并经过仿真模拟提出了最佳方案。二十世纪九十年代,ABB公司就研制出了一种机器人,这种机器人能够在各种复杂环境中不受影响,严格的按照规定的速度,加速度在所规划好的空间轨迹中运动。这种运动精确而高效。
  2. Hendricks等人在动力学研究领域建立了车载机械液压臂装置的动力学分析模型,其优点是使用了拉格朗日方程法,缺点是这一理想模型并未将摩擦力的作用和挖掘过程中物料的阻力考虑在其中。德国教授 A.J.Koivo描述了一种系统运动与时间的动态模型,并建立了相关的控制系统。Frimpong建立的动力学模型,利用牛顿欧拉法,并对其分析仿真充分考虑车载机械液压臂在运载是阻力的问题[3]。日本的 Imanishi 和 Etsujiro 等人分析了凯恩方程原理,对比其他研究中的相关模型,建立了挖机机械臂的柔性多体系统的动力学仿真模型,发现该模型运动过程精确度得到了很大的提高。
  3. 随着社会的发展与科技的进步,机械装置也变得更加的智能,高效。机械装置开始能够在预设程序后在艰苦的环境下独立工作。研究方面,美国卡内基梅隆大学提出新的轨迹规划方法,重新定义了挖机的挖掘动作、挖掘约束条件,对现有理论进行了补充。来自英国相关学者为使挖机路径规划控制可以达到智能化,利用人工智能原理研发了一种智能控制方法。日本研究人员使用先进传感器技术,如:角度、方向、激光、视觉等,通过相应传感器使挖机可以自主的检查自身在工作环境中所处于的位置和姿势。进而可以自主的控制调整来提高工作效率
  4. 在研究强度刚度与寿命的关系时,研究人员利用工程力学等各领域的研究方法,对车载液压机械臂的材料与寿命之间的关系进行严谨的分析。英国人利用有限元分析的方法计算出在符合基本工作环境的条件下,车载机械液压臂的最优尺寸。[4]澳大利亚人利用有限元分析并辅以应力试验,在不断试验中测试出在不同转载时力对结构的冲击的大小,用这种方法得出机械臂应该承受的转载,避免机械内部结构损坏。日本研究人员同样使用有限元分析方法,分析和处理挖机工作装置的应力集中区域,得出的结论可以大大加强其产品的可靠性。

(5)在液压控制系统设计方面,国外诸多学者也从不同角度进行了相关研究。如丹麦技术大学 Choux,M.Karimi,H.R 等人为提高液压系统的可行性,采用降阶模型模拟方法,这种方法非常有效。日本Yasuo Sakurai 等人为解决液压控制系统压力的问题,专门设计一种智能控油的方法。这种方法是按照负载动态特征和整体效力来实现液压节制系统的控制,压力的节制,同时可以对节约能源带来很大的经济和环保效益。


1.2.2 国内研究现状

在对车载液压机械臂的运动分析中。在动力学分析中,运动学分析是基础,也是进行轨迹规划的根源。在对机械臂的运动学正解和逆解的分析中,兰州理工大学的孙客义等人做出的不可磨灭的贡献。

吉林大学于国飞等人根据机械手臂的动力学特性,运用格林定理,对机械臂进行数学建模,在仿真和控制的道路上迈出了重要的一步[5]。福州大学的孙旭国等运用牛顿—欧拉法,建立了一种基于 MATLAB 的求解动力学数学模型(Dynamic mathematical model) ,这种利用MATLAB 编程求解挖机机械臂的动态数学模型对动力学研究意义深远[6]。

  1. 在机械臂运动控制系统设计中,控制系统是整个工程机械运动控制的关键,工作装置的精度完全取决于控制系统的好坏。在控制系统领域,浙江大学很早就在实验室搭建利用微机来控制机械臂的控制体系,并且效果很明显,其中包括远距离控制、数据调整、、危险工作状态警示等。太原科技大学的解培强等人运用模糊滑膜控制的方法,直接减弱系统的抖振,使系统的稳定性和轨迹跟踪性能得到明显的提高。

1.3 割草机国内外研究现状

1.3.1割草机发展历程

随着社会的不断进步发展,割草机在发展过程中,能量供给的形式不断的进化,由最开始的蓄力然后被内燃机所取代后又不断发展为石油,最后发展为太阳能。石油所能提供的功率最大,但同时所产生的污染也是最大。太阳能的割草机充分利用自然的力量已经越来越受人们的青睐,其节能环保,可再生的优势在未来发展前景不断壮大  

随着技术水平的不断提高,割草机朝着智能化方向发展的趋势越来越明显,早期割草机并不能完全的智能,只是在一定程度上实现自动化,比如利用传感器实现自动割草,躲避障碍。现今很多公司着力与割草机的研发工作。如瑞典Husqvoa公司设计的具有环保功能的太阳能混合动力害」草机—太阳能割草机“Automower”。它是世界上第一台既可由电池动力驱动,也可以由太阳能供给动力驱动的全自动割草机,每台能处理高达2200平米的草坪。

1.3.2国外研究现状

美国FriendiyRobotics公司设计并制造RL85o型全自动智能割草机[7]。先将草坪的周围环绕上控制线,然后对割草机进行编程,使割草机在程序的作用下精准的工作。RL85o型全自动智能割草机装备了各种先进的传感器能够准确的判断出障碍物对工作的影响,进而可以自主选择对障碍物的应对方法,另外其中的收压装备可以让割草机摆脱装备大型草袋的烦恼。该割草机采用两个可充电池作能源,十分环保,并且两块电池所提供的电量能维持机器清除30平方米的草地。

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图1.1 智能化割草机

1.3.3国外研究现状

上海罗宝信息技术有限公司设计并制造出的RBZG001太阳能割草机器人,RBZGO01具有高智能图像识别对障碍物的处理方法更加优秀还有一定程度的道路识别等功能,其依靠太阳能 所提供的动力,攀登一定坡度的障碍,更加智能化的应对各种工作环境。其在清除杂草的工作中还可以将草屑撒向周围,实现资源的回收利用[8]。


1.4 研究内容及技术路线


1.4.1 研究内容

(1)研究总结现有机械臂各类型的优缺点,结合机械臂工作环境适应性的的设计要求和机械臂性能要求,确定本课题的总体设计方案,并采用分组的方法对各零部件进行设计研究。

  1. 设计出一套折叠式割草机械臂与末端执行器机械结构与传动系统
  2. 设计出各关节液压驱动系统


1.4.2 研究方法


  1. 首先,查阅资料,分析机械原理,然后再利用Solidworks 软件进行实体建模。
  2. 机械臂结构设计和液压驱动设计工作包括装置总装图、关键部件装配图、非标件零件图,液压驱动系统设计原理图。

第二章 割草机的总体设计方案


2.1 割草机部件总体设计要求

本课题的目的是设计一种往复式除草器,其主要功能是,往复式割草机依靠切割器上圆盘刀转动带动铰链甩刀实现割草的目的。往复式除草器在工作时单位割幅所需的功率不大,并且割草后所留下的草根比较整齐,但无法适应各种复杂的工作环境,对于参差不齐的草场容易出现堵塞等各种问题,并且工作的时候震动较大,无法达到其他割草机的速度。


2.2 割草机的总体方案设计

考虑到往复式割草机的特点,同时参考国内外较成熟的割草机械,本次设计以刀盘设计和齿轮箱和减速马达设计为主,结合其他割草机的尺寸与结构,同时完成机壳与连接装置的设计[9]。

往复式割草机设计主要包括:刀盘(包括铰链甩刀)的整体尺寸设计、齿轮箱的设计、减速马达的设计,这也是往复式割草机装置中最核心的部分。一方面要满足功能需求,另一方面也要满足强度需求。


2.3 割草机部件的组成及工作原理


2.3.1割草机部件的组成

割草机主要由齿轮传动箱,刀盘(包括铰链甩刀),减速马达,机壳,万向节联轴器等部分组成。


2.3.2 割草机的工作原理

液压系统通过液压将动力传动刀减速马达,减速马达下面安装主动齿轮,主动齿轮将动力传递给各个从动齿轮,齿轮箱上面是割台,各台上五个刀片依次排列,每个齿轮分别带动一个刀盘,在液压减速马达提供的动力下。齿轮飞速旋转,同时带动各个刀盘。齿轮箱通过左右两个连接点与壳体相连,连接点上的两个螺栓松紧是可控的,通过调节两国螺栓的松紧可以有效的控制齿轮箱的厚度,以达到控制割后草的高度。同时在齿轮箱的侧上方安装防护罩,能够有效的挡住卷起来的草屑以及碎石,起到保护刀盘的作用,能有效的增加割草机的寿命。

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图2.1 往复式割草机

第三章 机械臂主要构件设计

机械臂的系统组成部分:执行系统、驱动系统和控制系统三个系统共同组成机械臂系统[10]。 执行系统是对操作对象进行控制,将目标进行转移操作,由末端执行器、万向节联轴器、手臂和机架组成,其中,末端执行器是与操作对象接触进行动力传递。万向节联轴器的作用是与执行机构相连接,可以控制末端执行器的方位和角度。手臂一般由关节和连杆组成,手臂要有足够的强度以携带万向节,联轴器和控制末端执行器,使其能达到稳定工作的要求。机架主要起国定作用,是所有元件里承受力最大的元件,所以机架的材料要求的强度是最高的。驱动系统是机械臂的运转离不开驱动系统,液压系统要通过液压向各个运动部件传递动力,液压传递虽然无法像齿轮传递那样精确,单可以在单位时间内传递较大的动力。在安全阀等各种控制元件的作用下,有着过载保护,更加安全传递的动力更加平稳,并且拥有更长的寿命。气压驱动污染较小,并且原料简单,传递的动力快,但相比于液压传递,气压传递的动力较小,同时无法像液压系统那样平稳的传递动力,冲击力较大。

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图3.1 末端执行器种类

3.1机械臂设计


3.1.1 机械臂外形尺寸设计

为使机械臂能够方便的折叠的要求,机械臂在完全折叠的时候程长方形,及底座与2杆的长度相同。1杆与3杆的长度相同。机械臂要满足最大臂展和质量要求,如果满足最大臂展要求的,则要求三个连杆共线,如果这样液压缸将无法提供手臂回转所需的动力,会出现死点现象。为避免出现这种情况,因此本次设计中,各个连杆之间要有一定的最大角度,为了减少能量消耗,每个连杆之间所允许的最大角度为120度,这样有效的避免了死点的现象。同时为了要满足最大臂展的要求要对杆的长度进行一定程度的加长。机架高1M与2杆的长度相同,即可计算出机械臂的最大臂展为3.7m,能够完美契合工作环境的条件要求。虽然加长了杆的长度提高了生产加工的成本,但是有效降低了机械臂运行时液压缸的功率。起到了节约能源的效果。弥补了成本的问题。


3.1.2 机械臂性能要求

  1. 机械手臂要有足够的刚度和强度,以防止在工作中因过载而发生塑形变形而影响机械手臂的寿命,
  2. 机械手臂要安装在汽车轮船等各种空间有限的场合,所以在设计时要考虑机械手臂的实用性,在不影响性能和工作要求的情况下,尽可能的减小机械臂的机构。
  3. 在工作中尽可能的减少机构的震动,如果有无法消除的震动,要控制其震动的频率不能让,机器的震动频率与油液的震动频率相同,以免发生共振现象影响机械臂的工作。

第四章 液压系统设计及液压元件选型

4.1液压系统设计

工程机械主要由机械结构和控制系统组成,控制系统属于工程机械最核心的部件,系统能否正常运转完全取决于工作人员对控制系统的设计。工程机械由于各种环境因素的影响,通常会选用液压系统作为驱动系统,就以挖机举例,手动换向阀由两个多路阀 a,b 串联组成,多路阀 a(3 position 6 port)的 3 position 从右到左分别完成的动作是:液压缸伸出、阀门关闭和液压缸收缩[11]。多路阀 b(4 position 6 port)的 4 position 从右到左分别完成的动作是:液压缸伸出、阀门关闭、液压缸收缩和机械臂浮动。当液压缸快速伸长或收缩时缸内压力突变安全阀打开起到溢流作用,同时液压缸内压力突变产生负压,双作用安全阀中的单向阀起到保护作用。通过分析图液压系统发现,该液压结构在工作过程中存在溢流损失且工作效率相对较低。所以本课题在该液压系统结构上提出一些改进方法,如:①以将原来的定量泵改换成变量泵;②变量泵或者电磁阀的控制信号加入 PID 控制算法,保证阀芯移动更加平稳。

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图4.1 液压系统控制结构图

4.2液压元件选型

在液压机械臂中动力系统的作用不可或缺,不管是能量转换,还是作为动力来源,亦或者是完成某种行动目标都无法离开动力系统。了解液压机械臂动力系统各部件的原理是对其进行选型匹配的基础。三关节机械臂整机机构的动力系统主要包括行走机构、旋转机构和工作装置三个部分[12]。工作装置主要是完成指定动作,其工作原理:液压泵→电磁阀→臂油缸→实现臂运动。回转机构主要协助工作装置完成空间运动,其工作原理:液压泵(机械能转换为液压能)→电磁阀→回转马达(液压能转换为机械能)→实现回转;行走机构主要是将工作装置带到待作业地点,其工作原理:液压泵→电磁阀→中央回转接头→行走马达→减速箱→驱动轮→实现行走。

4.3动力系统油量计算

液压缸直径D,油压为P克服外载F之间的关系式为

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液压缸内径尺寸表

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推力底座推力F为2800N :
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臂1液压缸推力F为2600N即:
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以此类推:
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word-image-43.png插图(12)

以此求出液压缸的内径

第五章 结论与总结

5.1 结论

5.1.1 机械臂

随着工业机器人市场的不断发展,车载机械臂也被应用到各个领域得到长足的发展,在不久的将来机械手臂在我国的普及率还会再次上升,并且渗透到我们生活的各个领域。本次设计以国内外发展为着手点,为解决当今社会机械臂的广泛适应性要求,设计了一个三连杆车载液压机械臂,并对车载液压臂进行优化设计与研究,

研究总结了现有机械臂的长处和不足,在满足社会对机械臂的多重适应性要求的前提下,依据机械臂的运动伸展过程,从收缩状态到最大伸长状态,设计了液压车载机械臂。先画各个零件图,再对各个零件图进行装配,最后再利用 Solidworks 软件的“评估——干涉检查”功能,对整机进行了干涉检查,以验证机械手臂的能否正常运行,最后确定本次设计的合理性和使用性。

5.1.2 割草机

割草机对农业生产的作用不可或缺,其能有效地提高生产效率,对农业机械化的发展有着长足的影响。它与农作物的产量息息相关,它是人类文明进步的一个重要体现。割草机主要由齿轮传动箱,刀盘(包括铰链甩刀),减速马达,机壳,万向节联轴器等部分组成。减速马达提供动力,使刀片飞速旋转,极大提高了农业生产的效率。

5.2 展望

割草机械臂与末端执行器配置在车辆或船上用于割倒公路两侧杂草或河道岸壁杂草,由驾驶员操控机械臂带动末端割草机进行割草作业,末端割草机具有绕过障碍物和仿地形起伏的切割功能,机械臂可根据割草机接地压力反馈自身位姿调节。该任务对道路养护、河道保洁等环境治理领域的杂草清理具有实际应用价值和研发意义。

致 谢

首先,本次毕业设计是在尹教授的的指导和帮助下完成的。从毕设选题,到实地调研,再到方案设计,尹老师都给予了我很大的帮助。每当在设计中遇到问题,尹老师都会给予我耐心的指导和不懈的支持,这也让我更加顺利地完成了本次毕业设计地任务。另外我还要感谢严语同学,是你让我知道写完论文要及时保存,避免了我的文件的丢失与损毁,并为我的设计提出宝贵的修改意见,也让我明白了合作学习、探讨学习的巨大力量。有了你们的帮助和支持,我才能克服一个又一个的困难,直至毕业设计的顺利完成。

两个多月的时间很快就流逝了。在这段日子里,我收获了很多,感悟了很多,毕业设计的经历将是我未来学习和工作中不可或缺的精神指引,让我在今后的生活中拥有战胜困难的勇气。再次对各位老师、朋友的关心、帮助和指导致上深深的谢意,也由衷感谢各位评阅老师的评阅和指导。

参考文献

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