發(fā)布時(shí)間：2017-08-18 06:29

  本文關(guān)鍵詞：香蕉采摘機(jī)械手夾持試驗(yàn)及仿真分析

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【摘要】：香蕉采摘是香蕉收獲過(guò)程中的關(guān)鍵性作業(yè)環(huán)節(jié)。目前我國(guó)的香蕉采摘技術(shù)仍然停留在主要依靠人工采摘的階段。縱觀整個(gè)香蕉收獲產(chǎn)業(yè)鏈,它包括采摘、運(yùn)送、落梳、清洗、包裝、殺菌、催熟、銷售等環(huán)節(jié),目前我國(guó)整個(gè)香蕉產(chǎn)業(yè)鏈的機(jī)械化程度較低,提高香蕉收獲產(chǎn)業(yè)機(jī)械化程度的重要環(huán)節(jié)來(lái)自于香蕉收獲的源頭——采摘作業(yè)。這是由于香蕉特殊的農(nóng)藝特性和收獲特性,致使采摘過(guò)程成為勞動(dòng)強(qiáng)度最大、最易于造成香蕉的機(jī)械損傷、機(jī)械化難度最大的環(huán)節(jié),這也直接制約了香蕉的機(jī)械化生產(chǎn)。與機(jī)械化程度低下形成巨大反差的是我國(guó)香蕉產(chǎn)量及銷量長(zhǎng)期處于世界前列,因此,發(fā)展香蕉機(jī)械化采摘具有重要意義。本文在前期研究成果和實(shí)體樣機(jī)的基礎(chǔ)上,對(duì)香蕉采摘機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體分析和仿真優(yōu)化,以獲取與采摘對(duì)象性能友好的機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)�；跍y(cè)定的香蕉假莖的力學(xué)性能參數(shù)及夾持特性,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試香蕉假莖與不同夾持方式、夾持材料和夾持載荷之間的相關(guān)性,獲取適合香蕉采摘的優(yōu)化夾持方案。以香蕉假莖的力學(xué)性能參數(shù)為基礎(chǔ),建立仿生香蕉假莖模型,對(duì)采摘過(guò)程中的夾持過(guò)程進(jìn)行仿真分析,優(yōu)化采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸。主要完成的研究工作如下:1)分析了國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)械手及香蕉采摘設(shè)備的研究進(jìn)展。目前國(guó)內(nèi)外已有大量果蔬采摘機(jī)械手的研究,但關(guān)于香蕉采摘的研究還處于起步階段,適合香蕉機(jī)械化采摘的末端執(zhí)行器的研究非常欠缺,香蕉采摘作業(yè)仍以人工采摘為主,操作強(qiáng)度和難度較大、機(jī)械化程度低,人力耗損多。本文在分析眾多果蔬采摘機(jī)械手的基礎(chǔ)上,基于實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)地調(diào)研得出的香蕉農(nóng)藝特性及設(shè)計(jì)基礎(chǔ),提出一種適用于香蕉這種大重量果串采摘的機(jī)械手末端執(zhí)行器。2)香蕉采摘的夾持對(duì)象為香蕉假莖,其力學(xué)性能呈明顯的各項(xiàng)異性,為力求仿真模型盡量貼合實(shí)際物料,將香蕉假莖分為外層、中層、莖芯三個(gè)部分,分別測(cè)定其密度、軸向及徑向的彈性模量、剪切模量,并用均質(zhì)化和有限元方法進(jìn)行采摘模型的仿真建模。根據(jù)影響采摘夾持效果的相關(guān)條件設(shè)置試驗(yàn)因素,設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,完成采摘夾持試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)、制作。以香蕉假莖在夾持狀態(tài)下產(chǎn)生滑移前所能承擔(dān)的最大軸向拉力來(lái)表征夾持效果,對(duì)采摘夾持的抱掌類型、接觸材料、夾持力及釘刺夾持的鋼釘數(shù)量、鋼釘直徑、釘刺深度等影響夾持效果的試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素、多因素試驗(yàn),分別得出各試驗(yàn)因素與夾持效果之間的關(guān)系,得出夾持效果最佳的因素組合為:鋼釘數(shù)量6顆、釘刺深度10mm、鋼釘直徑5mm。3)結(jié)合夾持試驗(yàn)結(jié)果及設(shè)計(jì)目標(biāo),基于Pro/E完成旋轉(zhuǎn)裝置、升降裝置、末端執(zhí)行器的仿真模型,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS分析機(jī)械手整機(jī)的安全性和穩(wěn)定性,校核末端執(zhí)行關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)合理性,仿真夾持過(guò)程,優(yōu)化關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸。獲取機(jī)械手在各極限工況下作業(yè)時(shí)整機(jī)及零部件的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù),以及夾持過(guò)程中手爪的反作用力等核心參數(shù),對(duì)夾持過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了仿真模擬。4)仿真及試驗(yàn)的結(jié)果表明,在夾持力達(dá)到500N,摩擦夾持及釘刺夾持均能基本實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉蕉串的穩(wěn)定夾持,但釘刺夾持相對(duì)更加可靠穩(wěn)定,其能承擔(dān)的蕉串重量略大,對(duì)蕉串產(chǎn)生的滑動(dòng)趨勢(shì)有減弱作用,只要求機(jī)構(gòu)提供鋼釘刺入假莖時(shí)的瞬時(shí)夾持力,對(duì)機(jī)械手動(dòng)力源的適用性較強(qiáng),這對(duì)機(jī)械手末端執(zhí)行器的精簡(jiǎn)輕量化有重要意義。5)將鋼釘數(shù)量6顆、釘刺深度10mm、鋼釘直徑5mm的最佳夾持因素組合、夾持機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化以及整體樣機(jī)的穩(wěn)定性分析結(jié)果應(yīng)用于整機(jī)的實(shí)物采摘試驗(yàn),驗(yàn)證實(shí)際工況下的夾持的有效性、機(jī)構(gòu)的可靠性以及整體樣機(jī)在采摘過(guò)程中承載的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明,所開發(fā)的香蕉采摘機(jī)械手樣機(jī)能滿足香蕉采摘的農(nóng)業(yè)特性,較好地模擬人工采摘過(guò)程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘。
【關(guān)鍵詞】：采摘機(jī)械手 夾持機(jī)構(gòu) 摩擦夾持 釘刺夾持 有限元仿真
【學(xué)位授予單位】：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S225.93;TP241
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-18
• 1.1 研究目的和意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)11-15
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)外香蕉采摘現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)外香蕉采摘機(jī)械研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3 研究?jī)?nèi)容15-16
• 1.4 研究技術(shù)路線圖16-17
• 1.5 研究課題來(lái)源17-18
• 2 香蕉假莖力學(xué)特性測(cè)定18-26
• 2.1 果蔬機(jī)械特性研究18-20
• 2.2 假莖密度測(cè)試20-22
• 2.3 假莖彈性模量測(cè)試22-23
• 2.4 假莖硬度測(cè)試23-25
• 2.5 本章小結(jié)25-26
• 3 香蕉采摘夾持方式試驗(yàn)26-37
• 3.1 試驗(yàn)平臺(tái)及工作原理26-28
• 3.1.1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成26-27
• 3.1.2 試驗(yàn)平臺(tái)工作原理27-28
• 3.2 摩擦夾持試驗(yàn)28-31
• 3.2.1 試驗(yàn)原理28-29
• 3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果29-31
• 3.3 釘刺夾持試驗(yàn)31-34
• 3.3.1 多因素正交實(shí)驗(yàn)32-33
• 3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果方差分析33-34
• 3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)34-36
• 3.5 本章小結(jié)36-37
• 4 末端夾持有限元仿真37-57
• 4.1 ANSYS有限元分析理論37-39
• 4.2 釘刺夾持過(guò)程仿真分析39-46
• 4.2.1 非線性有限元分析基礎(chǔ)39-40
• 4.2.2 前處理40-43
• 4.2.3 求解計(jì)算與后處理43-46
• 4.3 假莖切斷后夾持拉拔仿真46-48
• 4.3.1 前處理46-47
• 4.3.2 計(jì)算求解與后處理47-48
• 4.4 夾持機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件仿真校核與優(yōu)化設(shè)計(jì)48-55
• 4.4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)48-49
• 4.4.2 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)化建模49-50
• 4.4.3 夾持機(jī)構(gòu)力學(xué)模型50-51
• 4.4.4 夾持機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化分析51-54
• 4.4.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證54-55
• 4.5 本章小結(jié)55-57
• 5 整機(jī)穩(wěn)定性分析57-64
• 5.1 整體樣機(jī)穩(wěn)定性有限元仿真分析57-61
• 5.1.1 整體樣機(jī)有限元模型57-59
• 5.1.2 旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)力學(xué)性能分析59-60
• 5.1.3 旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)仿真分析60-61
• 5.2 整體樣機(jī)穩(wěn)定性分析61-62
• 5.3 整體樣機(jī)實(shí)物采摘試驗(yàn)62-63
• 5.4 本章小結(jié)63-64
• 6 總結(jié)與展望64-67
• 6.1 研究工作總結(jié)64-65
• 6.2 研究展望65-67
• 致謝67-68
• 參考文獻(xiàn)68-71
• 附錄A 夾持過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真K文件71-74
• 附錄B 碩士期間科研成果74-75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：693114