草莓采摘机毕业设计说明书.doc

加QQ1638290842
毕业设计说明书

题 目： 草莓采摘机设计

专 业：机械设计制造及其自动化
学 号：
姓 名：
指导教师：

完成日期：

目录
摘 要 1
Abstract 2
第一章 绪论 3
1.1. 引言 3
1.2. 草莓采摘机国内外研究现状 3
1.2.1. 国外研究现状 3
1.2.2. 国内研究现状 4
1.3. 研究的目标和内容 5
1.3.1. 研究目标 5
1.3.2. 采摘机采摘原理简介 5
第二章 草莓采摘机总体方案设计 7
2.1. 草莓采摘机结构设计及其计算 7
2.2. 草莓采摘机设计及其材料选择 8
第三章 采摘装置的设计 9
3.1. 采摘挡板的设计 9
3.2. 弹簧的设计 9
3.3. 滚轮的设计 11
第四章 电动机的选择 12
4.1. 传动比的分配 13
第五章 V带传动的设计 15
5.1. V带参数计算 15
第六章 齿轮的设计 17
6.1. 齿轮相关参数初步确定 17
6.2. 按齿面接触强度设计 17
6.3. 按齿根弯曲疲劳强度设计 19
6.4. 几何尺寸的计算 20
第七章 轴的设计 22
7.1. 轴的材料 22
7.2. 轴的参数设计 22
7.3. 轴承的强度校核 27
第八章 传送装置的设计 29
8.1. 传送带的宽度设计 29
8.2. 传送带的选型 29
8.3. 滚筒的选择 29
结 论 31
参考文献 32
致谢 33
附录 34

草莓采摘机设计
摘要：现在国内的农业采摘虽然对于大部分水果都有专业的采摘设备，但是对于草莓采摘还是一大难点，所设计的采摘设备针对特殊地形和栽种方式还有保持果实的完整度都有一定的难度。本设计对现阶段我国草莓种植环境进行相关了解，再结合实际采摘情况，针对草莓采摘需要注意的一些细节进行分析，设计出合理的采摘机构，实现对草莓的大批量采摘。
所设计的草莓采摘机以人力推动或机器牵引，通过拖拽，实现了草莓采摘机的行驶功能。针对不同草莓田垄形状，采摘装置加入了收紧滚轮的结构，以便适应多变的地形。
设计过程包含了草莓采摘机的电机选择，传动部分零件的材料选择及设计，及采摘部分和传送部分的设计和分析。

关键词：草莓采摘机；结构设计；理论计算

17

Design of Strawberry Picker
Abstract: Although the domestic agricultural plucking has professional picking equipment for most fruits, it is still a difficult problem for strawberry picking. It is difficult to design the plucking equipment for the special terrain and planting methods and to keep the integrity of the fruit. This design is related to the present situation of strawberry planting in China. According to the actual picking situation, some details of the strawberry picking need to be analyzed, and a reasonable picking mechanism is designed to realize the large batch of strawberry picking.
The designed strawberry picking machine is driven by manpower or towed, and the driving function of strawberry picking machine is realized by dragging and dragging. According to the different shape of strawberry ridges, the picking device adds the structure of the roller to adapt to the changeable terrain.
The design process includes the selection of the motor of the strawberry picking machine, the material selection and design of the transmission part, and the design and analysis of the picking part and the transmission part.

Key words: Strawberry picker; Structural design; Theoretical calculation

第一章 绪论
1.1. 引言
草莓因为其独特的外观和鲜美的口感，是现如今大部分人都喜爱的水果，在繁杂的水果种类中有着“水果皇后”的美誉，而且还有极高的营养价值。正是因为草莓受欢迎的程度和它的生长周期短，让果农们能够在短时间内得到极高的经济回报，在我们国家，草莓的种植面积正逐年增加。随着食品加工行业的发展，草莓不仅仅可以作为鲜果供人们食用，还可以加工成各种各样的衍生产品，比如草莓酱，草莓果干，草莓汁等，同时草莓还有一定的医药用价值。
草莓作为当今比较普遍的水果，但相较其他普通的常见水果来说依然价格较高，在草莓的收获季节，普通的草莓仍能卖到十元一斤的价格，究其原因还是因为其收获季节时劳动成本过于昂贵。草莓成熟的季节，约有四分之一的成本是投入到采摘过程中去的。因此减轻劳动强度，降低生产成本，成了草莓收获的重中之重。
日本研制出的草莓采摘机器人需要以高架种植模式为基础，并不适用于国内的田垄种植环境。Kondo带领的团队研制出的草莓采摘机器人摘取单个草莓所用时间为十一秒，采摘成功率只有一半。显然，对于真正投入到使用还差很长一段距离。国内张铁中等人对于的田垄栽培模式下的草莓采摘机器人研究也有一定的进展，但是这些设备对草莓果实的采摘都存在一定的不足。对于机器人的机械臂的定位还存在着各种问题，例如图像识别和感应装置的识别成功率。这种智能采摘机器人的工作效率也是一个值得关注的问题，单独一个机械臂的采摘效率甚至不如人工采摘速度，多臂采摘也需要特殊的种植模式才能实现。而且采摘之后对于果实的完整度是对采摘机器人的极大挑战。多数草莓果实在采摘时可能完好，但是收集运送过程中可能会对果实造成不同程度碰撞，造成果实损伤。
本设计除了主要考虑到草莓的采摘条件以外，还需要考虑到我国农业的实际发展水平，大部分果农的文化水平不高，对于机械产品的使用仅仅是通过他人的一些简单教学。所以，草莓采摘机的设计还需要注意操作方面的简化，所设计出的产品必须具备只通过简单操作就能完成批量采摘的工作。而且还可以适当的将设备的维修便捷程度、环保等因素考虑进去。
1.2. 草莓采摘机国内外研究现状
1.2.1. 国外研究现状
对于智能草莓采摘机来说，只有找准草莓在空间三维坐标中的准确位置才能够对草莓进行准确的采摘，这就需要利用到机器人技术中的机器视觉才能实现。在机器人的发展历史中，机器视觉的发展历史也有一定的时间，许多国家都具备一定的技术，所以他们将其运用到了农业采摘机器人上面，利用其在三维空间的精确定位，实现对果实的精确采摘，很多发达国家现在已经在采摘机器人领域有了较大的发展。但是对于草莓采摘机器人的研究，目前仍是处于初级阶段。
很多国家都研制除了针对不同栽培模式的采摘机器人，对于田垄栽培下的采摘机人研究还处于初期阶段，其中高架栽培的模式由于适合机器人作业，现如今被越来越多地采用，在高架栽培模式下，水果的种植密度大幅度提高，机器人的采摘臂设计不必针对对地模式采摘，所需的活动空间相对对地采摘极大减小，采摘时依靠机械手臂和末端执行机构，先将草莓的空间位置确定，机械臂移动到相应位置后末端执行器将草莓切下完成采摘过程。
日本宫崎大学研制出的跨垄采摘4自由度的草莓采摘机器人通过两个CCD相机获取草莓的图像信息。通过获取的图像信息经过处理器的计算得到草莓的空间位置，然后利用激光传感器的测距功能计算出末端执行机构与草莓果实之间的距离，通过移动机械手臂使末端执行器达到草莓茎的位置，以切刀切断草莓茎实现果实的采摘，避免伤害到草莓果实。
1.2.2. 国内研究现状
国内对草莓采摘机器人的研究虽然起步较晚，但是通过学习一些国外的先进技术和我国科研人员的自主研发创新精神，在草莓采摘机器人领域也取得了一定的进展。国内的研发人员通过实际栽种情况和果农需求，通过适当的方法和技术手段，研制出了一些满足农业需求的采摘机。
一、草莓选果机。栃木县农业试验场开发出了可以根据草莓不同品质进行分类的草莓选果机。草莓选果机的分类功能是基于双目立体视觉技术开发出来的，这个装置通过对采集到的图像进行处理，并利用拟合曲线对图像进行分割实现对草莓的分类，所分类的草莓不仅果实大小有差别，甚至是草莓的含糖量也能通过这个设备进行分类。草莓采摘机对图像进行处理之后，将采集的二维图像转换为三维空间的形状，还能对果实进行准确的定位。
二、中国农业大学开发出了一套基于颜色识别的计算机算法，可以用于草莓采摘机器人的视觉系统中，对于采摘成功率有很大的提高。因为成熟的草莓是鲜艳的红色，具有一定的特殊性，与周围的绿色植被很鲜明的形成对比，通过对草莓图像的特定颜色信息进行模拟分析，可以完成对指定的成熟草莓进行采摘，解决了草莓单个果实因成熟度不同而难以批量采摘的问题。而且这种算法不仅仅适用于草莓采摘，对于一些果实颜色具有特点的蔬果都具有泛用性。
三、浙江大学在采摘机器人的机械手臂方面研究取得了一定成果，对于机械手臂的工作能力提出了一个评判标准，他们所提出的评判标准可以从五个方面进行测试，分别是工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间与姿态多样性。
目前，草莓采摘机器人的依旧是停留在理论和试验阶段，无法进行大规模的推广，无论是国内还是国外，距离实现草莓园的自动化采摘还有很大的差距。差距有以下四个方面：
（1）末端执行器在采摘草莓果实的时候容易对果实表面造成损伤；
（2）没有设计出理想的机械手，很难达到有效的采摘范围；
（3）运输过程无法避免碰撞对草莓产生的伤害；
（4）采摘效率不高，误差大。
1.3. 研究的目标和内容
1.3.1. 研究目标
目前研制草莓采摘机用于国内棚载草莓的收获，使其具有使用价值，需要在以下两个方面进行努力：
（1）研究结构合理，在所处的工作环境中能够合理发挥机效用；
（2）研究结构简单，方便采摘工人操作使用和设备维修；
（3）制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。
针对以上三点，本文将选择产量高、规模大的南方目前开发设计草莓采摘机并且用于国内大棚栽种的草莓收获，让其具备使用价值，需达到几个要求：
（1）研究结构合理，在所处的工作环境中能够合理发挥机效用；
（2）研究结构简单，方便采摘工人操作使用和设备维修；
（3）制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。
针对以上三点，本文将选择产量高、规模大的南方温室大棚垄作栽培的草莓为研究对象，对草莓采摘机进行设计和研究。
1.3.2. 采摘机采摘原理简介
工作原理：草莓采摘机为小车型，工作时果农握住采摘机把手，推动草莓采摘机跨垄纵向前进，安装在采摘机前端靠田垄内测的采摘装置对草莓进行采摘，由采摘挡板先穿过草莓和垄之间的距离，将草莓微微挑起，随着采摘机的移动，草莓随杆移动到采摘刀片位置，采摘刀片转动后，将垂在垄边的草莓割下，掉落在传送带上，通过传送带的输送，将草莓运到收集筐里。为减少对草莓的伤害，传送带采用橡胶材质（如图1-1）。

1.收集箱 2.传送带 3.电机 4.收紧滚轮 5.切割器 6.采摘挡板 7.传动系统
图1-1采摘机简图

第二章 草莓采摘机总体方案设计
我国大多数草莓种植是田垄栽培模式，田垄的横截面成梯形，垄顶宽400 mm，垄底宽600 mm，高250 mm。在这种栽培模式下长出的草莓由田垄的上方伸出，随着草莓的逐渐成熟，果实慢慢垂下，伏于垄的两侧，相邻两垄间为宽度约500 mm 的垄沟( 图2-1) 。
本文要求在现有农艺条件下，设计出合适尺寸的车身模型。

图2-1垄作栽培模式下的草莓田间环境
根据对国内草莓园的实地考察，草莓园的路面大部分都是凹凸不平的，且种植密度较大。两个垄之间的距离也比较窄，垄横截面的形状大致为梯形，有一层塑料薄膜包裹，整个垄的高度也不高，人工采摘必须以蹲姿才能完成采摘。根据这些草莓园的特点，采摘机必须满足以下两点基本要求：
一、由于实际种植情况，致使草莓采摘机的采摘空间非常有限，所以整个机体若用电机驱动，或液压驱动显然是不现实的。这些驱动方式所需的采摘空间都比较大，适用于露天采摘。对于大棚种植的农作物，以人力驱动比较合理，通过人推动草莓采摘机前行可以控制采摘速度，根据不同的采摘情况做出相应调整，而且便于更换采摘篮。
二、行走机构为了适应这种狭小的采摘环境，也必须做出相应的调整，履带式的行走机构虽然能克服路面凹凸不平的问题，但是整机过于笨重，以人力推动比较困难。所以选用跨垄式四轮机构。
2.1. 草莓采摘机结构设计及其计算
车体框架尺寸初定：
初定车体长=1200mm；车体宽=1500mm；车体高=650mm。
接果板总长初定：
传送带长度初定=800mm.
采摘机构尺寸初定：
轴长度=300mm；采摘刀片半径r=25mm；
因为设计时未知量较多，故应该对重要的参数进行一一初选，并且在之后的章节进行计算和校核。
2.2. 草莓采摘机设计及其材料选择
采摘机的车体选用厚度为3mm和1.5mm的Q345钢板，如图3-1：

图2-2垄单侧车体形状
图中尺寸：=1200mm；=265mm；=60mm；=600mm；=450mm；
=430mm；=70mm；=50mm；=25mm；R=35mm；
3mm的钢板理论重量；1.5mm的钢板理论重量。
估算车体的总重量
车体框架链接方式选用焊接方式。

第三章 采摘装置的设计
采摘装置主要负责将草莓用倾斜一定角度的采摘挡板挑起后，通过采摘机自身的移动，让草莓茎达到刀片的位置，然后刀片将草莓茎切断，完成采摘过程。采摘挡板能否以完美的角度将草莓挑起关系到草莓采摘机的采摘效率。所以在采摘装置上加上一个弹簧滚轮收紧装置，确保挡片始终能以合适的角都将草莓挑起。如图3-1所示。

1.滚轮 2.弹簧 3.采摘刀片 4.采摘挡板 5.草莓茎 6.草莓果实 7.田垄横截面
图3-1采摘装置的结构示例
3.1. 采摘挡板的设计
采摘挡板部分是草莓采摘机比较重要的部件，它的设计关系到草莓采摘机的能否成功采摘到草莓。为了适合国内大部分草莓种植园的采摘，采摘挡板采用橡胶材质。根据国内大部分草莓园的田垄尺寸，和采摘机的装配尺寸，在实际操作中调整采摘挡板的倾斜角都和伸出长度。挡板尺寸长为500mm，高70mm。厚度为5mm。倾斜角度和伸出长度可以通过采摘挡板的固定装置进行实际调节。
3.2. 弹簧的设计
1.根据工作条件选择材料并确定需用应力
弹簧为普通圆柱螺旋压缩弹簧，有四个，分别固定在挡板固定装置一侧的四个角上。已知中径D1=15mm，外径D2=19mm，当弹簧压缩变形量为7.5mm时，压力为50N,当弹簧压缩变形量为50mm时，压力为300N。
由于弹簧在一般载荷条件下工作，可按第Ⅲ类弹簧来考虑。现选用碳素弹簧钢丝SL型，根据D2-D1=4-2mm，估取弹簧钢丝直径为2.5mm。
由表可得暂选，则。
2.根据强度条件计算弹簧钢丝直径
选取旋绕比C=6，则

弹簧直径的公式：
（24）

改取d=2mm，查得。重新计算得，
取D=20mm，，算得K=1.27，于是

上值与估取值相似，取弹簧钢丝标准直径d=2mm，此时D=15为标准值，则
D2=D+d=15+2=17mm≤19mm
所得尺寸与限制条件相符，合适。
3.根据刚度条件，计算弹簧圈数n
弹簧刚度的公式为：
（25）

取G=86500MPa,
弹簧圈数的公式为：
（26）
则弹簧圈数n为

取n=13圈。此时弹簧的刚度为

验算弹簧初压力

弹簧初应力的公式为：
（27）
初应力应按式得

当C=5.56时初应力的推荐值为95～200MPa，故此初应力值合适。
极限工作应力
取，则

极限载荷F的公式为：
（28）
极限工作载荷

3.3. 滚轮的设计
为了保证采摘挡板能够平稳的在草莓垄的侧面行进，一个适合工作环境贴合垄侧行走的滚轮是必不可少的。滚轮中分为钢轮和胶轮。钢轮一般用于重型机械的承载，对于采摘机这类的农用机械，一般采用橡胶轮，橡胶轮在垄侧面行进时可以产生一定的摩擦力，而且可以抵抗一些行进和采摘过程中产生的震动。
根据草莓采摘机的工作环境及条件，本设计的滚轮选用橡胶轮，把橡胶用钢盘固定在滚轮轮缘上，选择滚轮的直径为40mm。

第四章 电动机的选择
为选出适合此机械的电动机。需针对多方面因素进行考虑。根据实际的工作环境，安装方式，机构所需的功率、转速和结构等要求，进行综合分析，并且查阅相关资料进行选择。
为了确定出传动方案，需要根据实际情况做出选择，在采摘部分，采摘机的采摘刀片转速需要达到1200r/min，采摘机构工作时电机需要效率高、转速快、体积小、转速稳定等特点。
在传送部分，传送带连续工作，单向运动，载荷平稳，空载启动，传送带的速度容许误差为±5%，传送带的速度要求为0.5m/s，驱动卷筒直径为100mm，传送带的有效拉力F=500N。根据上述工作环境及条件，可采用两级圆柱齿轮传动，如图（3-1）。

图3-1两级圆柱齿轮传动
转速的公式为：
nw=60×1000vπD
(1)
根据已知条件和公式(1)可计算出主动件2转筒的转速为
nw=60×1000v/(πD)=60×1000×0.5/（π×100）=95.54r/m
功率的公式为：
Pw=Fv1000
(2)
电动机工作时所需功率为
Pw=Fv/1000=500×0.5/1000=0.25kw
从电动机到刀片之间的总效率η刀为

式中、、、为V带传动、联轴器、轴承、刀片的传动效率。
从电动机到传送带之间的总效率为

式中、、、、为V带传动、联轴器、轴承、卷筒、齿轮传动的传动效率。
输出功率的公式为：
Pd=Pwη
(3)
电动机所需的输出功率为

根据有关手册选定额定功率为0.75kw，常用同步转速为1500r/min的电机，可选电机型号为Y80M2-4
型号
额定功率（KW）
转速（r/min）
电流
（A）
效率
（%）
功率因数
重量
（kg）

Y80M2-4
0.75
1390
2.3
72.5
0.7
23
4.1. 传动比的分配
传送带部分传动装置的总传动比为

初步取V带传动的传动比为i1=1.16，取齿轮1的传动比i2=4,齿轮2的传动比i3=3
传送部分各轴的输入转速
n0=nm=1390r/min
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
采摘部分输入轴转速
Ⅳ轴 n4=n1=1198r/min
传送部分输入轴转速
Ⅴ轴 n5=n3=99.8r/min
各轴的输入功率
Ⅰ轴 P1=Pd××=0.75×0.96×0.99=0.71kw
Ⅱ轴 P2=P1××=0.71×0.97×0.99=0.69kw
Ⅲ轴 P3=P2××=0.69×0.97×0.99=0.66kw
Ⅳ轴 P4=P1××=0.71×0.99×0.99=0.69kw
Ⅴ轴 P5=P3××=0.66×0.99×0.99=0.65kw
各轴的输入转矩
输出功率的公式为：
T=9.55×106Pn
(4)
电动机轴的输出功率

其余各轴的输入功率
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
Ⅳ轴
Ⅴ轴

第五章 V带传动的设计
V带传动作为带传动中应用最广泛的一种传动，是因为其具备诸多优势与特点。首先V带传动相比于其他传动具备传动平稳的特点，这种带传动在工作时通过V带与带轮内测的带轮槽的摩擦力进行动力传递，因为其特殊的V带结构，使其具有相较其他带传动而不具备的巨大摩擦力，所以传动过程极少出现打滑的现象，传动平稳。其次，就算传动过程中因为过载而引起的打滑，也可以对机械本身起到保护的作用。而且V带传动因为结构相对简单，所以安装简便，对机构的维护也非常容易，适合一些相对距离稍远的传动。
但是V带传动也有一些弊端，因为其相对简单的结构，使得V带传动的精确度不够高，真实机械上的V带传动比可能与设计中的传动比存在一些差异，而且V带依靠其弹性和摩擦性能进行传动，就导致V带的使用寿命大大降低，每隔一段时间就需要更换V带，对使用环境也有一定的限制，V带传动不适用于高温环境。
V带传动是一种在农用机械上非常常用的传动方式，因为农用机械大多结构简单，所需的传动精度不高，而且V带传动的成本低廉，适用于农业生产。
5.1. V带参数计算
在草莓采摘机工作时，带传动需要承受一定幅度抖动，且需要保证安装尺寸紧凑，已知电机的额定功率为0.75w，转速为1390r/min，传动比为1.16。
1.确定计算功率
根据传递功率和带的工作条件确定
(5)
式中：---计算功率，kw；
KA---工作情况系数；
P--所传递的额定功率，如电机的额定功率，kw。
V带工作环境，选择工作情况系数KA=1.0

2.选择V带的带型
根据计算功率和小带轮转速n1，选用Z型。
3.确定带轮的基准直径dd并验算带速
根据V带的带型，查表确定小带轮的直径dd1=25mm，应使dd1≥（dd）min。
根据公式
(6)
计算带速

计算大带轮的基准直径
dd2=i×dd1=1.16×25=29,
圆整以后取dd2=30mm
4.确定中心距a，并选择V带的基准长度Ld
根据带传动总体尺寸的限制条件和要求的中心距，
初定
带长的公式为：
L=2a+π2d1+d2+d2-d14a
(7)
计算相应的带长

带的基准长度根据选取400mm

中心距变化范围为126—144mm。
5.校核小带轮上的包角
包角的公式为：
a=180-d2-d157.3a0
(8)

6.计算单根V带的额定功率Pr，由=25mm，和=1198，i=1.16和Z带型，查表得，ka=0.932，kc=0.98
V带额定功率的公式为：
Pr=P0+∆P0∙ka∙kL
(9)

计算V带的根数z
V带根数的公式为：
z=PcaPr
(10)

取1根。
7.计算单根V带的初拉力的最小值，由表得Z型带的单位长度质量q=0.06kg/m，所以
=68.5N
应使带实际初拉力.
8.计算压轴力最小值