機械臂設(shè)計畢設(shè)計說明書

1、目 錄1 緒論 11.1 前言 11.2 課題的來源與背景 11.3 研究的目的和意義 21.4 林業(yè)集材機的概述 31.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 31.5.1 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 31.5.2 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 41.6 論文主要研究內(nèi)容 52 機械臂設(shè)計理論 72.1 機械臂的組成及分類 72.1.1 機械臂的組成 72.1.2 機械臂的分類 72.2 機械臂的自由度及坐標形式 82.2.1 機械臂的自由度 82.2.2 機械臂的坐標形式 83 集材機機械臂的總體設(shè)計 103.1 機械臂的設(shè)計參數(shù) 103.2 機械臂的結(jié)構(gòu)形式 103.3 機械臂典型部件特點 103.4 機械

2、臂的工作范圍 114 集材機工作裝置的受力分析 134.1 集材機機械臂的工況分析 134.2 集材機機械臂的受力分析 134.2.1 空載時各級臂架所受的彎矩 134.2.2 抓舉活立木時各級臂架所受彎矩 144.3 機械臂連接處的受力分析 154.3.1 主臂鉸接處分析 154.3.2 副臂鉸接處分析 155 基于 SOLIDWORKS 集材機機械臂的造型 175.1 參數(shù)化設(shè)計與 SOLIDWORKS軟件 175.1.1 參數(shù)化設(shè)計 175.1.2 SolidWorks 軟件介紹 175.2 集材機機械臂零部件造型 185.2.1 旋轉(zhuǎn)基座的造型 185.2.2 其它零部件的造型 215

3、.3 集材機機械臂的虛擬裝配 226 集材機機械臂的有限元分析 246.1 SOLIDWORKS有限元分析模塊及理論基礎(chǔ) 246.1.1 有限元法理論基礎(chǔ) 246.1.2 SolidWorks 的 Simulation 模塊 246.2 機械臂零部件的有限元分析 256.2.1 有限元分析過程 256.2.2 主臂的有限元分析結(jié)果 266.2.3 副臂的有限元分析結(jié)果 286.2.4 主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 296.2.5 副臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 31結(jié)論 34致謝 35參考文獻 36中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 1 頁1 緒論緒論1.1 前言前言新中國成立以來，

4、我們國家林業(yè)建設(shè)取得了巨大成就。尤其在是改革開放之后，黨中央，國務(wù)院高度重視林業(yè)工作，采取了一系列政策和措施，有效地促進了林業(yè)的發(fā)展。全社會辦林業(yè)，全民義務(wù)植樹運動深入發(fā)展，全民搞綠化的局面正在形成。近年來，實施天然林保護工程，退更換林，荒漠化治理和其他重點項目進展順利，部分地區(qū)的生態(tài)條件得到改進。森林，濕地和野生動物資源保護得到加強。我國目前的生態(tài)狀況整體惡化的趨勢，還沒有得到根本的扭轉(zhuǎn)，土地沙化，濕地，生物多樣性的破壞仍然呈加劇趨勢。濫伐森林，亂過度占用林地，過度狩獵野生動物，無序開采，濫挖野生植物和其他現(xiàn)象屢禁不止，森林火災(zāi)和病蟲害對林業(yè)仍然是非常嚴重的威脅。林業(yè)經(jīng)營和管理體制不適應(yīng)形勢

5、發(fā)展的需要。林業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、科技含量低、結(jié)構(gòu)不合理、木材供需矛盾突出，林業(yè)職工和森林地區(qū)的人民的收入增長比較緩慢。總體上，我國森林資源不足，森林生態(tài)系統(tǒng)的整體功能仍然非常脆弱。所以現(xiàn)在林業(yè)要面臨比以往的任何時候都要更重的改革和發(fā)展的任務(wù)。在加快推進社會主義現(xiàn)代化全面建設(shè)小康社會的過程中，必須把林業(yè)建設(shè)放在更加突出的位置，我們必須高度重視并加強林業(yè)方面的工作，促使我國林業(yè)能有一個比較大的發(fā)展。在西部的發(fā)展中，我們要給予林業(yè)以基礎(chǔ)地位；在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施過程中，我們需要給林業(yè)以重要地位；在林業(yè)生態(tài)建設(shè)中，我們要給予林業(yè)以領(lǐng)先地位。1.2 課題的來源與背景課題的來源與背景第七次全國森林資源清查結(jié)

6、果表明，截至 2008 年，全國森林面積為19545.22 萬公頃，森林覆蓋率 20.36%，活立木蓄積量 149.13 億立方米，森林蓄積量 137.21 億立方米，人工林保存面積 6168.84 萬公頃，人工林蓄積量 19.61億立方米，種植面積居世界第一。在第六次和第七次清查間隔的五年時間內(nèi)，人工林面積快速增長，人工林面積凈增 843.11 萬公頃，人工林蓄積凈增 4.47 億立方米，幼林地面積 1046.18 萬公頃，森林蓄積量大大增加，森林采伐逐步向中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 2 頁人工林轉(zhuǎn)移，林木蓄積年凈生長量 5.72 億立方米

7、，年采伐消耗量 3.79 億立方米，森林蓄積增長繼續(xù)超過消耗，長消盈余進一步擴大，天然林采伐量減少，人工林采伐量增加，人工林采伐量占森林采伐量 39.44%，提高 12.27 個百分點，現(xiàn)有人工林是一種速生豐產(chǎn)林的發(fā)展。近年來，速豐林建設(shè)充分依靠政府推動、市場導(dǎo)向、利益的驅(qū)動和企業(yè)帶動等運作機制，大力推進速豐林基地建設(shè)。進入成熟林(采伐年齡段)面積成倍增長，依靠傳統(tǒng)的人工撫育和采伐技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)的需要。但是傳統(tǒng)營林生產(chǎn)使用的輕型油鋸、割灌機、手提式挖坑機、剪草機等便攜式林業(yè)機械，不僅效率低，而且均由操作者直接手持或背負進行作業(yè)，操作者除了完成控制、操作等任務(wù)外，還必須承受在作業(yè)過

8、程中機器產(chǎn)生的振動和噪聲，導(dǎo)致操作者的身體功能一定程度上受到功能性障礙或不同程度的損傷。因此，對我國現(xiàn)有的大型商業(yè)人工林的撫育、采伐、造材等作業(yè)機械化、高效化以成為一個核心焦點， 未來的林業(yè)生產(chǎn)要由勞動力集約型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變，以增加單位勞動生產(chǎn)效率，增加林區(qū)人民的收入，這也是三農(nóng)問題解決的一個方面。此外，人工林的撫育是季節(jié)性的，應(yīng)急性的，要在最好的季節(jié)完成除草、修剪、細化和緊急控制害蟲及運輸，必須通過機械化作業(yè)來提高作業(yè)效率，對于大中徑材的整枝撫育作業(yè)和撫育間伐材的搬運，只靠人工的話是沒有辦法做到高質(zhì)、高效地完成有關(guān)作業(yè)的，需要用機械化裝備來達到安全高效地作業(yè)。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱

9、要和林業(yè)科學(xué)技術(shù)十一五發(fā)展規(guī)劃也分別將開發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(包括林業(yè))裝備技術(shù)列為我國近期林業(yè)科技重點發(fā)展目標之一。1.3 研究的目的和意義研究的目的和意義林業(yè)裝備技術(shù)水平的高低，是衡量現(xiàn)代林業(yè)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的重要標志，只有現(xiàn)代化的機械操作，才能真正解放勞動生產(chǎn)力，降低勞動強度，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，。近年來由于林區(qū)的勞動成本的上升，對傳統(tǒng)勞動密集型為主的林業(yè)生產(chǎn)造成很大的沖擊，迫切需要開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新裝備，提高自主創(chuàng)新能力，提高機械化和智能化的林業(yè)裝備水平，改善操作環(huán)境，以高效低耗林業(yè)生產(chǎn)系列裝備來改變傳統(tǒng)人力為主的落后生產(chǎn)模式。目前國內(nèi)現(xiàn)有的采育作業(yè)裝備的運行現(xiàn)狀均存在功能單一的缺

10、點，這樣在采育作業(yè)過程中，林業(yè)工人就要使用多種機械設(shè)備，降低了作業(yè)效率，多種機中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 3 頁械設(shè)備的頻繁使用不同程度的造成森林生態(tài)損傷和破壞，在此基礎(chǔ)上，提供一種可以集中完成多種林地作業(yè)的多功能林地作業(yè)機械，使林業(yè)工人進行安全、高效的工作，并減少對林木和林地的生態(tài)破壞是未來林業(yè)機械應(yīng)用發(fā)展的主要趨勢。1.4 林業(yè)集材機的概述林業(yè)集材機的概述林區(qū)的木材收集運輸車，該車被廣泛使用在歐洲和美國等發(fā)達國家，由于操作簡單、靈活，作業(yè)效率高，在發(fā)達國家被廣泛使用。機械臂控制系統(tǒng)安裝在前駕駛室內(nèi)，工人不需要下車，轉(zhuǎn)身即可操作。在寒冷，潮

11、濕多余的地區(qū)適用性更強。也可安裝在機械臂立臂上方，視野開闊，適合使用在南部的熱帶地區(qū)。機械臂的液壓抓頭可以 360 旋轉(zhuǎn)，第三節(jié)臂可伸縮，抓取木材極為方便。依托拖拉機后傳動軸作為動力輸出，驅(qū)動液壓泵，作為液壓動力來源。通用性強。使用成本低廉。還可以配備柴油動力站。為了適應(yīng)林區(qū)運輸要求，該車應(yīng)用了專用山地輪胎，輪胎較寬，不易下陷，承載能力大，防滑性能好，經(jīng)久耐用。裝備有效地解決了林區(qū)采伐時木材裝卸與運輸?shù)陌踩院腿斯ぱb卸效率低的問題。集材機的整體輪廓圖如圖 1-1 所示。圖 1-1 集材機1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.5.1 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀我國大型林業(yè)設(shè)備的

12、發(fā)展一直處于落后狀態(tài)，大部分的技術(shù)和產(chǎn)品都停留在二十世紀七八十年代的水平，如目前仍在生產(chǎn)和使用的哈爾濱拖拉機廠的J50、J80 等型號集材機均是上世紀五十年代的產(chǎn)品。大多數(shù)林區(qū)使用的僅僅是中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 4 頁在原有汽車、工程機械及拖拉機上加裝液壓抓具、鉸盤機等林業(yè)作業(yè)裝置改裝的林業(yè)機械。上個世紀我國進口過國外聯(lián)合采育機，并在南部地區(qū)進行生產(chǎn)實驗，并組織科研單位進行了技術(shù)探索，但在不同條件的影響下，許多研究都沒有進一步的細化。近年來，隨著機械制造技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的汽車技術(shù)、液壓技術(shù)、自動化控制技術(shù)等的飛速發(fā)展，特別是人工林

13、的大面積的增加，原有的以人工作業(yè)為主的作業(yè)模式，效率己經(jīng)很難滿足林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場需求。雖然國內(nèi)己經(jīng)有一部分企業(yè)開始開發(fā)新的專用多功能林業(yè)裝備，比如江蘇常林股份有限公司研發(fā)和批量生產(chǎn)的 ZL3OM 系列輪式原木裝載機，在北部和南部的林區(qū)都有投入大量的使用，另外有一些企業(yè)也已經(jīng)在嘗試引進和仿制國外的現(xiàn)代化林業(yè)裝備。然而，由于受到各方面的影響，當(dāng)前國內(nèi)正在開發(fā)和生產(chǎn)的林業(yè)裝備仍然有工作效率低，功能單一的缺點，不能滿足日益增長的人工林采育作業(yè)的效率要求。1.5.2 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀世界各主要林業(yè)國家的森林采運機械化是在二十世紀五十年代末期前后開始實現(xiàn)。主要是在生產(chǎn)工序上把手工作業(yè)用機械代替，可

14、是大量繁重的手工勞動依然存在。美國、瑞典、芬蘭、加拿大和蘇聯(lián)等國自二十世紀六十年代開始，在繼續(xù)改進傳統(tǒng)單工序機械作業(yè)的同時，加強了伐區(qū)聯(lián)合作業(yè)機的研究工作，并取得了很大的進步，高新技術(shù)、智能技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。1現(xiàn)代化的試驗設(shè)備和訓(xùn)練手段原來新產(chǎn)品開發(fā)過程比較緩慢，如集材機樣機必須進行 2000 一 8000 h 野外現(xiàn)場試驗來評估結(jié)構(gòu)件的可靠度。此外，獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程是一個昂貴和費時的過程，需要幾個月甚至一年時間。Timberjack 公司推出的野外試驗數(shù)據(jù)獲取裝置，所有設(shè)備可以裝在一個手提箱內(nèi)，攜帶方便，現(xiàn)場安裝時間不超過三十分鐘。整個裝置可以放置在機器上，這

15、樣就省去了遠距離測量系統(tǒng)，操作起來非常方便。該裝置由 50Mat 公司的試驗控制軟件(TCS)控制，可以運行在一臺筆記本電腦上，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、分析、提示等功能，操作很簡單。整個裝置堅固、可靠，可在惡劣的工作條件下正常操作。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 5 頁2林業(yè)機械操作系統(tǒng)實現(xiàn)自動化，智能化原 Timberjack 公司在 127OB 型伐區(qū)聯(lián)合機和 121OB 型原木自裝集運機上就裝備 TMC 整機程控系統(tǒng)，降低了工人的勞動程度。系統(tǒng)自動控制柴油機、起重臂和液壓傳動系統(tǒng)，以及所有有關(guān)功能，可確保平穩(wěn)而無級地傳遞動力，準確控制和監(jiān)

16、控整機運行。3節(jié)能與環(huán)保世界性能源危機使節(jié)能作為一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題。林業(yè)集材機是一種大功率設(shè)備，其能源效率直接影響設(shè)備使用的可靠性和經(jīng)濟性。為了提高產(chǎn)品的能源效率，滿足日益嚴苛的環(huán)保要求，國外的林業(yè)集材機均采用各種節(jié)能控制系統(tǒng)，取得了很好的節(jié)能效果。節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，可以減少液壓系統(tǒng)的功率損耗，提高發(fā)動機的功率利用率，更好地匹配動力系統(tǒng)與負載所需功率，降低發(fā)動機和液壓元件的工作強度，提高了聯(lián)合機的生產(chǎn)效率和使用的可靠性，同時可以減少排放量，降低燃料消耗，減小工作時的振動和噪聲的影響，也改善了操縱者的工作環(huán)境。Ponsse 公司 OPtiConirolTM 控制系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代化柴油機的可靠性、節(jié)能

17、、環(huán)保的技術(shù)。該控制系統(tǒng)每時每刻監(jiān)控設(shè)備的功能，調(diào)節(jié)發(fā)動機功率與當(dāng)前負載相匹配，減少功率損耗，節(jié)省燃料，提高發(fā)動機壽命，降低運行成本。4人機工程學(xué)研究取得實效自二十世紀九十年代以來，發(fā)達國家很重視研究人機工程學(xué)，加拿大林業(yè)工程研究所研究之后，提出了關(guān)于伐區(qū)作業(yè)的機械的人機功效學(xué)特性的 6 項評價指標，包括操作方便性、上下車方便性、操作人員視野、乘坐舒適性、機器噪聲和機器維修方便性。各大公司在二十世紀九十年代生產(chǎn)的林業(yè)機械，均對人機工效學(xué)特性的改進給予極大的關(guān)注。原 Timberjack 對 600 系列換代產(chǎn)品850 型和 950 型伐木歸堆機，均在駕駛室上作了顯著的改進：增加尺寸，前面采用巨

18、大的曲面玻璃，并配備了一個特殊的后視鏡，視野大大改善；改用符合人機工效學(xué)的手柄，司機座椅可全方位調(diào)整，腳踏板的角度也可調(diào)整；安裝立體聲音響和雙向通話裝置；采暖、空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備也得到了提高，在密封的駕駛室內(nèi)安裝有空氣過濾防塵裝置，并設(shè)有排氣裝置；駕駛室內(nèi)的噪聲降到小于77dB(A)；駕駛室有橡膠的振動隔離裝置，可消減振動。此外，為了保證駕駛?cè)酥心狭謽I(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 6 頁員的安全，駕駛室還普遍裝有傾翻保護裝置。1.6 論文主要研究內(nèi)容論文主要研究內(nèi)容本論文意在設(shè)計在林區(qū)作業(yè)時用于集運木材的集材機的液壓驅(qū)動式機械臂，要求其易于控制、結(jié)構(gòu)靈活、

19、定位準確。論文研究涉及機械設(shè)計、機械原理、三維實體建模、有限元分析、計算機輔助設(shè)計等方面的相關(guān)內(nèi)容。機械臂的機械部分是整個系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)。機構(gòu)形式好壞，直接影響整個系統(tǒng)。主要研究以下幾個方面：1查閱資料，并進行收集和整理，調(diào)研機械臂結(jié)構(gòu)。2在機構(gòu)設(shè)計時選用合理的運動副形式并合理配置，選擇運動的最佳傳遞路線和驅(qū)動速比。3據(jù)設(shè)計要求和工作需要，要求機械臂應(yīng)能達到工作范圍內(nèi)的各個位置。4在確定機械臂自由度的同時要兼顧機構(gòu)的靈活性、可操縱性、控制性和機構(gòu)的復(fù)雜程度。設(shè)計方案確定后，經(jīng)過理論計算后再利用 SolidWorks 軟件進行機構(gòu)造型設(shè)計并進行裝配；在此基礎(chǔ)上，通過進行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)問題，改進和完善

20、設(shè)計。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 7 頁2 機械臂設(shè)計理論機械臂設(shè)計理論2.1 機械臂的組成及分類機械臂的組成及分類2.1.1 機械臂的組成機械臂主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如下圖方框所示：1執(zhí)行機構(gòu)包括主臂、負臂、伸縮臂、液壓缸以及液壓抓具。2驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置就是機械臂的驅(qū)動系統(tǒng)。常用的有氣壓傳動、液壓傳動、機械傳動以及電力傳動等四種基本形式。3控制系統(tǒng)主要有射流控制和電氣控制兩種，一般常見的為電氣控制。控制系統(tǒng)是機械臂的重要組成部分。在某種意義上說，控制系統(tǒng)起著與人腦相似

21、的作用。機械臂的運動以及相關(guān)部件的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。4位置檢測裝置位置檢測裝置的作用是對機械臂執(zhí)行機構(gòu)的運動位置進行檢測，并隨時隨地將執(zhí)行機構(gòu)的實際運動位置反饋給控制系統(tǒng)，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度到達指定位置。2.1.2 機械臂的分類1按控制方式分（1）連續(xù)軌跡控制驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)原木位置檢測裝置控制系統(tǒng)圖 2-1 機械臂的組成框圖中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 8 頁它的運動軌跡是任意的空間連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個的移動過程都是在控制之中，能夠做到平穩(wěn)而準確的運動，使用范圍較為廣泛，但是電氣控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜。

22、（2）點位控制它的運動軌跡為空間點到點的移動，只能對運動過程中幾個點的位置控制，不能控制其運動軌跡。目前多數(shù)機械臂屬于點位控制。2按驅(qū)動方式分可以分為：氣壓傳動機械臂、液壓傳動機械臂、電力傳動機械臂、機械傳動機械臂。2.2 機械臂的自由度及坐標形式機械臂的自由度及坐標形式2.2.1 機械臂的自由度自由度是機械臂設(shè)計的主要參數(shù)，每一個構(gòu)件相對固定坐標系所具有的獨立運動叫做自由度。每一個構(gòu)件相對固定坐標系最多有六個自由度，即繞X、Y、Z 軸三個方向的三個獨立的回轉(zhuǎn)運動和沿 X、Y、Z 三個方向的三個獨立的往復(fù)移動。兩個構(gòu)件（即運動件）組成相對運動的聯(lián)接叫做運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條

23、件。林木集材機的機械臂是一個典型的多連桿機構(gòu)，它可以分為多個 4 連桿機構(gòu)，而整個機械臂在一定工況下可看作是一個連桿機構(gòu)，它具有 3 個自由度。自由度數(shù)多少是衡量機械臂技術(shù)水平的指標之一。自由度的數(shù)目越多，可完成的動作就可以更復(fù)雜，但相應(yīng)的帶來的問題是技術(shù)上的困難，機械結(jié)構(gòu)和制系統(tǒng)的復(fù)雜，機械臂本身的尺寸和重量的增加，也就使得研發(fā)成本變高，維修難度增大；相反，自由度的數(shù)目少，通用性就差，但是技術(shù)上容易實現(xiàn)，機械結(jié)構(gòu)相應(yīng)簡單，使用維修方便。因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求來確定自由度的數(shù)目，而不能盲目的增加不必要的自由度。2.2.2 機械臂的坐標形式運動系由三個回轉(zhuǎn)運動組成，即大臂的仰俯、小臂仰俯和大臂

24、的回轉(zhuǎn)，這種坐標形式的機械臂稱為關(guān)節(jié)式機械臂。特點是：工作范圍大，動作靈活，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件，此為其它機械臂不可比擬的優(yōu)點。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 9 頁機械臂傳動系統(tǒng)簡介本文采用液壓驅(qū)動的工作臂，機械臂采用液壓驅(qū)動有如下特點：1反應(yīng)比較靈敏，傳動相對平穩(wěn)，傳動滯后現(xiàn)象小。2可以得到較大的輸出力或力矩。一般要得到 2070 kg/cm2的油液壓力是比較方便的。3定位精度可以達到很高?，F(xiàn)在一般的液壓機械臂在低于 400 mm/s 的速度且抓取重量比較輕的時候，采用一定的緩沖措施和定位方式，可以達到10.02mm

25、的定位精度。如果采用電液伺服控制系統(tǒng)，不僅有較高的定位精度，而且可以任意定位，適用于高速、重載的通用機械臂。4比較容易控制輸出力和運動速度。輸出力和運動速度在一定的油缸結(jié)構(gòu)尺寸下，主要由油液的壓力和流量決定，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力和流量控制閥，可方便地控制輸出功率。就國內(nèi)而言，液壓傳動機械臂占機械臂總數(shù)的 52%以上。根據(jù)國內(nèi)外資料，液壓工作臂有三種基本型式：鉸接式，只有主臂和副臂；伸縮式，只有主臂和伸縮臂；混合式，既有主臂、副臂，還有伸縮臂。通過對比分析，根據(jù)設(shè)計要求和采伐工藝要求，本文決定采用混合式。這種型式兼顧前兩種型式的優(yōu)點，動作靈活，工作范圍廣，采伐自裝自卸性能好。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢

26、業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 10 頁3 集材機機械臂的總體設(shè)計集材機機械臂的總體設(shè)計3.1 機械臂的設(shè)計參數(shù)機械臂的設(shè)計參數(shù)參考 Cranab FC106 型的集材機的各項技術(shù)參數(shù)，設(shè)計機械臂。主要的技術(shù)參數(shù)如表 3-1 所示。表3-1 集材機機械臂系統(tǒng)的主要參數(shù)名 稱 參 數(shù) 單 位外展 6700 mm主臂 3100 mm 副臂 2200 mm臂延伸臂 1400 mm回轉(zhuǎn)角度 360 0回轉(zhuǎn)力矩 28.7 KNm工作壓力 23.5 MPa液壓油流速 120200 l / min 3.2 機械臂的結(jié)構(gòu)形式機械臂的結(jié)構(gòu)形式機械臂的結(jié)構(gòu)形式基本都采用箱型結(jié)構(gòu)，從垂直于

27、機械臂長度方向的截面來看，大致有如下幾種，查閱相關(guān)的資料，認為下圖 3-1（a）的截面形式較好，整個機械臂應(yīng)力流暢，無明顯力流阻滯和應(yīng)力集中，而且重量較輕。 (a) (b) (c) (d)圖 3-1 臂架的截面結(jié)構(gòu)形式3.3 機械臂典型部件特點機械臂典型部件特點1臂架 臂架可以簡化成一個細長的懸臂梁。它要求臂架強度大、剛性好、重量輕。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 11 頁因此，臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成四塊鋼板焊接而成的箱型梁，材料選用 16Mn 鋼。其參數(shù)如表 3-2 所示。表3-2 16Mn 材料參數(shù)材 料 彈性模量/MPa 泊松比 密度/kg/

28、m3 屈服極限/MPa16 Mn 2.1 0.30 7.85 355 105 103為充分利用高強度鋼的力學(xué)性能，借助現(xiàn)代化的有限元分析計算，按梁上各處應(yīng)力趨于一致的原則，忽略焊接的殘余應(yīng)力，將梁設(shè)計成漸變梁。2連桿連桿一般為直桿或者弓形的二力桿，也有三角結(jié)構(gòu)的連桿即角桿。3油缸各節(jié)臂之間用液壓缸支撐，油缸為臂架的升降、伸縮提供動力，它由壓力油推動活塞前后運動，從而驅(qū)動臂架運動。缸體的進油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，以防止液壓軟管破裂時發(fā)生臂架墜落事故。3.4 機械臂的工作范圍機械臂的工作范圍集材機要在一定的空間范圍內(nèi)進行木材的采集作業(yè)，如圖 3-2 所示。 圖 3-2 機械臂工作范圍示意圖作業(yè)范圍由高度

29、 H、水平工作半徑 R 及工作深度 D 等參數(shù)確定。工作高度中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 12 頁H 是指各級臂全部垂直于地面時，從地面至臂端的液壓抓具的距離。水平工作半徑 R 是指當(dāng)各級臂全部水平放置時，從旋轉(zhuǎn)基座的回轉(zhuǎn)中心至臂端的液壓抓具的距離。工作深度 D 是指機械臂在水平位置以下工作時，地面至臂端的液壓抓具的距離。H、R、D 等參數(shù)均與臂架長度有關(guān)。臂架長度是指各級臂在同一軸線上時，臂架與旋轉(zhuǎn)基座鉸接中心至臂端液壓抓具中心的距離。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 13 頁4 集材機工作裝置的

30、受力分析集材機工作裝置的受力分析4.1 集材機機械臂的工況分析集材機機械臂的工況分析工作裝置由旋轉(zhuǎn)基座、主臂、副臂、伸縮臂以及連桿機構(gòu)和各種工作液壓缸組成。對這些結(jié)構(gòu)件的分析計算，首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)件的不利工況，即在這種工況下對某一結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)最大的應(yīng)力，以這種工況作為設(shè)計該結(jié)構(gòu)件的依據(jù)。比較各個工況后，當(dāng)各級臂處于水平狀態(tài)，并且伸縮臂伸出時的工況是機械臂受力最不利的情況。4.2 集材機機械臂的受力分析集材機機械臂的受力分析 當(dāng)各級臂全部處于水平外伸狀態(tài)時，由于各個油缸支撐著各級機械臂，可以把機械臂看做一個變截面的懸臂梁，這時其所受的載荷如圖 4-1 所示。圖 4-1 臂架受力示意圖4.2.1

31、 空載時各級臂架所受的彎矩321432132121115 . 05 . 05 . 0LLLGLLLGLLGLGM= 22005 . 0310004.748431005 . 09 .10124 140022003100250014005 . 02200310059.1760 （4-m103.74440N1）3243232225 . 05 . 0LLGLLGLGM=14005 . 0220059.176022005 . 004.7484140022002500中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 14 頁 （4-m155.22338N2）343335 .

32、0LGLGM=1400250014005 . 059.1760 （4-m413.4732N3）式中：Mi各級機械臂左端點彎矩值；G1，G2，G3各級機械臂的自重，為簡單計，以集中載荷看待；G4機械臂末端連接的液壓抓具自重；L1，L2，L3各級機械臂的長度尺寸。其中，G1=10124.9 N，G2=7484.04 N，G3=1760.59 N，G4=2500 N L1=3100 mm， L2=2200 mm， L3=1400 mm4.2.2 抓舉活立木時各級臂架所受彎矩321432132121115 . 05 . 05 . 0LLLGLLLGLLGLGM= 22005 . 0310004.748

33、431005 . 09 .10124 1400220031001750014005 . 02200310059.1760 （4-m103.174940N4）3243232225 . 05 . 0LLGLLGLGM=14005 . 0220059.176022005 . 004.7484 1400220017500 （4-m155.76338N5）343335 . 0LGLGM=14001750014005 . 059.1760 （4-m413.25732N6）式中：Mi各級機械臂左端點彎矩值；中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 15 頁G1，G2，G

34、3各級機械臂的自重，為簡單計，以集中載荷看待；G4機械臂末端連接的液壓抓具和活立木的重量（活立木重 15000N）；L1，L2，L3各級機械臂的長度尺寸。其中，G1=10124.9 N，G2=7484.04 N，G3=1760.59 N，G4=17500 N L1=3100 mm， L2=2200 mm， L3=1400 mm4.3 機械臂連接處的受力分析機械臂連接處的受力分析4.3.1 主臂鉸接處分析已知：G1，G2，G3 ，G4為各級臂架的自重以及液壓抓具的自重；L1 ，L2 ，L3為各級臂架的長度尺寸。對主臂末端點 A 點求矩：3214321321211Y15 . 05 . 05 . 0

35、300LLLGLLLGLLGLGF （4-74440103300Y1F7）得 KNFY134.2481由垂直方向力平衡： （4-43211GGGGFFAYY8）KNFAY264.226由臂架的幾何關(guān)系有，臂架水平時，旋轉(zhuǎn)基座液壓缸與主臂架夾角約為 750。故有： ， 01175tanXYFF01175sinFFY（4-9）得 ， KNFFYX487.6675tan011KNFFY887.25675sin011A 點的軸向力 KNFFXAX487.6614.3.2 副臂鉸接處分析對副臂末端點 B 點求矩： （4-3243232225 . 05 . 0680LLGLLGLGFY中南林業(yè)科技大學(xué)本科

36、畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 16 頁10）223381556802YF得 KNFY850.322由垂直方向力平衡： （4-4322GGGFFBYY11）KNFBY105.21由臂架的幾何關(guān)系有，副臂水平時，連桿二與臂架夾角為 300，連桿一與油缸二夾角為 450。故有： ， （4-02230tanXYFF02230sinFFY12）得 ， KNFFYX898.5630tan022KNFFY710.6530sin022B 點的軸向力 KNFFXBX898.562中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 17 頁5 基于基于 S

37、olidWorks 集材機機械臂的造型集材機機械臂的造型5.1 參數(shù)化設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計與 SolidWorks 軟件軟件5.1.1 參數(shù)化設(shè)計參數(shù)化設(shè)計的主要特點是實體模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性模型的使用，實體模型具有真實的，直觀的及與實際產(chǎn)品接近的特點，同時實體模型也有體積、質(zhì)量、質(zhì)心等物理特性，因此可以方便的進行分析和制造等后續(xù)處理。參數(shù)化設(shè)計的另一個主要特征是尺寸驅(qū)動，所謂尺寸驅(qū)動就是以模型尺寸來決定模型形狀，由一組具有一定相互關(guān)聯(lián)的尺寸來定義一個模型。設(shè)計者修改尺寸參數(shù)后，經(jīng)過再生處理即可獲得新模型的形狀。生產(chǎn)中工程人員對結(jié)構(gòu)形狀比較定型的產(chǎn)品系列化、標準化就是典型的參數(shù)化設(shè)計思想應(yīng)用。參數(shù)化

38、設(shè)計的建模過程采用的方法是特征造型建模。基于建模對象的結(jié)構(gòu)、形狀以及裝配關(guān)系進行合理的抽象，獲得不同類型的特征。例如實體特征、基準特征、曲面特征等等。一個模型可以看作是一個在一定程度上多個不同種類的特征的組合。特征建模只需要在繪制出平面草圖后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描等方法就可以創(chuàng)建出多種基礎(chǔ)特征，然后再在基礎(chǔ)特征之上添加諸如圓孔、倒角等特征，使整個設(shè)計過程簡潔、直觀。5.1.2 SolidWorks 軟件介紹世界上第一個基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)就是 SolidWorks 軟件，SolidWorks 軟件現(xiàn)在是全球裝機量最大、最好用的軟件。因為它使用了先進的parasol

39、id 內(nèi)核、Windows OLE 技術(shù)、直觀式的設(shè)計技術(shù)以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)。有關(guān)資料表明，現(xiàn)在全球發(fā)放的 SolidWorks 軟件使用許可大約是 28 萬，涉及到機車、離散制造、國防、電子通訊、交通、機械、模具、日用品、娛樂工業(yè)、食品、醫(yī)療器械、消費品、航空航天等分布于全球 100 多個國家的約 3 萬 1 千家企業(yè)。在目前市場上所見到的三維 CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計過程比較簡便而方便的軟件之一。在強大的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。中南林業(yè)科技

40、大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 18 頁由于 SolidWorks 軟件的易學(xué)易用、功能強大及技術(shù)創(chuàng)新這三大特點，使得SolidWorks 成為主流的、領(lǐng)先的三維 CAD 設(shè)計軟件。其能夠提供很多種設(shè)計方案，以便減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量。SolidWorks 不僅功能強大，而且對于最初的設(shè)計者來說，比較容易上手且操作起來簡單方便。對于用慣了微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶而言，基本上就可以用 SolidWorks 來搞設(shè)計了。SolidWorks 的拖拽功能可以讓設(shè)計者花費較少的時間就能完成大型設(shè)計的裝配。SolidWorks 具有同 Win

41、dows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器，可以方便地用它管理 CAD 文件。本文采用三維機械設(shè)計軟件為 SolidWorks2012 版本。5.2 集材機機械臂零部件造型集材機機械臂零部件造型集材機機械臂主要由以下零部件組成：旋轉(zhuǎn)基座、旋轉(zhuǎn)支桿、主臂液壓油缸、主臂、連桿、副臂液壓油缸、副臂、伸縮臂等。由于三維特征造型能夠全面、準確的反映零件的真實屬性，因此應(yīng)用 SolidWorks 軟件分別建立機械臂各零件的三維實體模型，下面以旋轉(zhuǎn)基座為例，介紹其實體建模的主要過程，其它零部件的建模過程不再贅述。5.2.1 旋轉(zhuǎn)基座的造型圖 5-1 旋轉(zhuǎn)基座從圖 5-1 中可以看到旋轉(zhuǎn)基座為一個圓形凸臺

42、拉伸體，主要造型方式為凸臺拉伸和切除拉伸，可以按照以下的順序進行建模。1首先啟動 SolidWorks 三維設(shè)計軟件后，新建一個零件文件，首先是繪中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 19 頁制零件的草圖，然后拉伸成為零件的基體特征，一般為了繪制對稱零件或者定位的方便，首先繪制出對稱中心線。然后按以下步驟繪圖。（1）單擊草圖工具欄上的“草圖繪制”按鈕，然后選擇上視基準表面打開一張新的草圖。然后單擊“繪制矩形”按鈕，選擇里面的中心矩形，點擊鼠標并拖動，繪制出中心矩形。（2）單擊草圖繪制工具欄上的“繪制圓角”按鈕，設(shè)定圓角的半徑，繪制草圖的圓角。繪制出拉伸

43、基體的草圖之后，單擊草圖繪制工具欄上的“尺寸標注”按鈕，對草圖尺寸進行標注，使得草圖完全定義。草圖完全定義之后顯示黑色。2拉伸基體特征通過拉伸上面步驟所繪制出來的草圖來生成特征的具體操作步驟如下：（1）單擊“特征”工具欄上的“拉伸凸臺/基體”命令按鈕，拉伸屬性管理器出現(xiàn)。在方向一的組框中，按以下步驟操作：1）將終止條件設(shè)定為“給定深度”，將深度設(shè)定為 50mm?？梢灾苯虞斎霐?shù)值或者使用方向鍵來改變拉伸深度。2）單擊確定按鈕，生成拉伸特征，如圖 5-2 所示。 圖 5-2 矩形拉伸特征 圖 5-3 圓柱拉伸特征（2）選擇上視基準面，繼續(xù)繪制拉伸所需要的草圖，然后確定草圖的定型定位尺寸，然后拉伸凸

44、臺基體。1）將終止條件設(shè)定為“給定深度 ”，設(shè)置深度為 100mm，并設(shè)置向內(nèi)拔模角度為 6度。 2）單擊確定按鈕，生成拉伸特征，如圖所5-3示。 中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 20 頁圖 5-4 切除拉伸特征 圖 5-5 圓柱凸臺拉伸特征（3）選中上面拉伸特征的表面，然后單擊草圖繪制工具欄上的“草圖繪制”按鈕，這時候在拉伸特征的表面上繪制一張新的草圖，如圖 5-4 所示。單擊特征工具欄上的“拉伸切除”命令按鈕，切除屬性管理器出現(xiàn)。在方向一組框中，按以下步驟操作：1）設(shè)置終止條件為“完全貫穿”，單擊確定按鈕，生成拉伸切除特征如圖 5-4 所示。

45、同樣在另外一個拉伸表面上繪制一張新的草圖，并進行凸臺拉伸，將拉伸深度設(shè)定為 260mm，并向內(nèi)拔模 6 度，單擊確定按鈕，生成新的拉伸特征如圖 5-5 所示。 圖 5-6 圓柱拉伸特征 圖 5-7 圓柱拉伸特征（4）選擇右視基準面，單擊“草圖繪制”按鈕，繪制草圖，并拉伸基體，設(shè)定拉伸方式為“兩側(cè)對稱”，拉伸距離為 395mm。單擊確定按鈕，生成新的拉伸特征，如圖 5-6 所示。采用同樣的方法，再生成一個新的拉伸特征，如圖5-7 所示。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 21 頁圖 5-8 圓柱拉伸切除特征（5）選中拉伸表面，單擊“草圖繪制”按鈕，在拉

46、伸表面上繪制一張新的草圖，然后單擊“拉伸切除”按鈕，將終止條件設(shè)置為給定深度，設(shè)置深度為10mm。再對其它部位進行“圓角”特征處理，最終生成旋轉(zhuǎn)基座三維模型，如圖 5-8 所示。5.2.2 其它零部件的造型對于其他零部件的造型，可綜合利用 SolidWorks 基準特征和實體特征的構(gòu)建基本方法。首先構(gòu)建基準特征，包括實體模型的坐標系、基準點、基準軸、基準面、基準曲線等；然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等方法構(gòu)建基礎(chǔ)特征；最后利用材料的填充、去除等功能對基礎(chǔ)特征進行完善，形成構(gòu)造特征，并完成具體的實體特征造型。集材機機械臂主要零部件的實體造型如圖 5-95-16所示。 中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計

47、 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 22 頁圖 5-9 機械臂主臂 圖 5-10 機械臂副臂 圖 5-11 機械臂伸縮臂 圖 5-12 旋轉(zhuǎn)支桿 圖 5-13 連桿一 圖 5-14 連桿二 圖 5-15 油缸收縮狀態(tài) 圖 5-16 油缸伸出狀態(tài)中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 23 頁5.3 集材機機械臂的虛擬裝配集材機機械臂的虛擬裝配機械臂的虛擬裝配是指根據(jù)各個零部件的相對位置和配合關(guān)系，然后利用SolidWorks 三維設(shè)計軟件將各個零部件組裝成一個整體。這種裝配是通過SolidWorks 軟件的組件模塊來實現(xiàn)的，通過組件模塊中

48、各種配合方式的相互結(jié)合，在完成虛擬裝配的同時還可進行干涉檢查，來判斷各個零部件之間是否存在空間位置的沖突。打開 SolidWorks 軟件，點擊“新建”，然后點擊“裝配體”確定。選擇插入零部件，點擊“瀏覽”，彈出對話框，選擇要裝配的零部件，進行配合處理，組件完畢后得到整個機械臂的裝配圖如下：圖 5-17 機械臂爆炸視圖圖 5-18 機械臂裝配圖一中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 24 頁圖 5-19 機械臂裝配圖二6 集材機機械臂的有限元分析集材機機械臂的有限元分析6.1 SolidWorks 有限元分析模塊及理論基礎(chǔ)有限元分析模塊及理論基礎(chǔ)6.1

49、.1 有限元法理論基礎(chǔ)將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題?，F(xiàn)代工程設(shè)計的模擬方法，通常使用有限元方法在計算機進行仿真模擬，而不是傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試的方法。有限元法的分析指導(dǎo)思想就是化整為零，截彎取直，以簡馭繁，變難為易。6.1.2 SolidWorks 的 Simulation 模塊目前，使用計算機進行應(yīng)力分析的方法有兩種：第一種是利用有限元分析軟件進行專業(yè)的分析，比如分析功能比較強大的 Ansys 軟件，可以

50、進行全面的受力分析，但用戶要具有豐富的力學(xué)知識背景，還需要很多次積累經(jīng)驗，因為比較專業(yè)，所以比較難學(xué)；第二種是根據(jù)一些軟件自帶的應(yīng)力分析插件來進行分析，如 SolidWorks 提供的應(yīng)力分析工具 Simulation 模塊，利用它可以幫助用戶確定目前的設(shè)計是否滿足工作的現(xiàn)實要求。對于一般的設(shè)計人員，在零件的應(yīng)力情況不太復(fù)雜時，利用 Simulation 來進行應(yīng)力分析顯得更為簡單實用。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 25 頁本文首先在 SolidWorks 環(huán)境下完成集材機機械臂的三維實體建模,然后利用與 SolidWorks 無縫結(jié)合的 Si

51、mulation 有限元分析軟件對機械臂進行分析,其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)分析時不必脫離原三維設(shè)計環(huán)境，避免了模型導(dǎo)入第三方軟件時常見的模型失真導(dǎo)致分析結(jié)果不準確的問題。SolidWorks 的 Simulation 設(shè)計分析結(jié)果基于線性靜態(tài)分析，當(dāng)載荷作用于物體表面時，物體發(fā)生變形，載荷的作用將傳到整個物體。外部載荷會引起內(nèi)力和反作用力，使得物體進入平衡狀態(tài)。線性分析有兩個假設(shè)：（1）靜態(tài)假設(shè)。所有載荷被緩慢且逐漸應(yīng)用，直到它們達到其完全量值。在達到完全量值后，載荷保持不變（不隨時間變化）。（2）線性假設(shè)。載荷和所引起的反應(yīng)力之間的關(guān)系是線性的。例如，如果將載荷加倍，模型的反應(yīng)（位移、應(yīng)變及應(yīng)力）也將

52、加倍。 Simulation 模塊的有限元分析過程中主要包含以下三個步驟：1. 有限元模型的創(chuàng)建（1）打開幾何模型（2）定義材料的屬性（3）劃分網(wǎng)格（節(jié)點或單元）2施加載荷并運行求解（1）施加載荷及載荷選項、設(shè)定約束條件（2）運行求解3查看結(jié)果生成報告（1）查看分析結(jié)果（2）檢驗結(jié)果（分析是否正確）6.2 機械臂零部件的有限元分析機械臂零部件的有限元分析6.2.1 有限元分析過程根據(jù)最初選擇的數(shù)據(jù)對機械臂進行詳細校核，可以初步設(shè)計出機械臂的三維模型，然后進行 SolidWorks 的有限元分析。主要步驟如下：（1）先對模型零件的屬性進行設(shè)置，包括材料、載荷的大小以及結(jié)果的單位體系等的設(shè)置。（2

53、）材料的選擇，從材料庫中的材料中選取。如果材料庫中沒有，可以添加自定義的材料并選?。?）約束條件的設(shè)置，選擇面、零件的固定位置，可以選擇中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 26 頁一組約束也可以選擇幾組約束。（4）設(shè)置載荷，指定產(chǎn)生零件應(yīng)力或?qū)е铝慵冃蔚耐獠枯d荷，如力或壓力。（5）開始進行分析程序，可以設(shè)置零件網(wǎng)格的劃分程度，網(wǎng)格劃分越細，計算結(jié)果也就越精確。也可以根據(jù)計算機推薦的網(wǎng)格進行劃分。（6）查看并分析結(jié)果，在分析完成后，我們可以得出相應(yīng)的應(yīng)變形狀分布圖、應(yīng)力分布圖和位移分布圖，然后生成分析結(jié)果報告。這樣就可以對已經(jīng)設(shè)計出來的方案進行分析和

54、改進，從而大大簡化了設(shè)計過程中繁雜的計算量，提高了設(shè)計效率。受力分析圖可以顯示出零件的屈服應(yīng)力，并用不同的顏色表示應(yīng)力和變形程度的不同，用藍色表示應(yīng)力和變形程度小的，用紅色表示應(yīng)力和變形程度大的。所以，設(shè)計者很容易找出零件的薄弱環(huán)節(jié)，對自己的設(shè)計進行修改。下面對主臂及副臂總成這兩個受力零件進行有限元分析。6.2.2 主臂的有限元分析結(jié)果機械臂采用 16Mn 鋼板焊接而成，這里將機械臂所有部件處理成實體，忽略焊接殘余應(yīng)力，依據(jù)機械臂作業(yè)工況的多樣性，分別對主臂和副臂建立有限元模型和應(yīng)力應(yīng)變分析。圖 6-1 機械臂主臂優(yōu)化前的三維模型此時主臂的基本特性參數(shù)為：質(zhì)量 1038.78 kg,體積 0.

55、132 m3 ，密度7850kg/m3 ，重量 10180.1 N。由于主臂是大體積的多面的固體，故采用固體網(wǎng)格對它進行劃分，利用Simulation 網(wǎng)格劃分的自適應(yīng)性來修正網(wǎng)格的誤差，避免了繁瑣的有限元計算。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 27 頁表6-1 主臂有限元模型的分網(wǎng)參數(shù)網(wǎng)格信息細節(jié)屬性網(wǎng)格類型實體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器基于曲率的網(wǎng)格雅可比點4 點最大單元大小56.2262 mm最小單元大小11.2452 mm網(wǎng)格品質(zhì)高節(jié)點總數(shù)25645單元總數(shù)12819最大高寬比例81306單元 (%)，其高寬比例 100.842最終得到主臂網(wǎng)格化后的有

56、限元模型如圖 6-2 所示。圖 6-2 主臂有限元模型考慮到主臂一端是連接在旋轉(zhuǎn)基座上的，為保證模型在進行應(yīng)力作用時有足夠的約束保持穩(wěn)定，故將這部分假設(shè)為固定，作參考面約束。另一端是連接在副臂上的，在工作時這一端是受到來自副臂、伸縮臂、集材機液壓抓具和活立木的力矩作用，故在這端沿著主臂基準面法向施加一個力，力的大小為26744.6 N（此為參照國產(chǎn) BY 型液壓抓具和副臂總成的重量和所得） ，對主臂進行有限元仿真計算，其中，求解器的類型按照 SolidWorks 的默認設(shè)置。仿真中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 28 頁后得到的主臂的應(yīng)力分析圖如圖

57、 6-3 所示，應(yīng)變分析圖如圖 6-4 所示，位移分析圖如圖 6-5 所示。圖 6-3 主臂應(yīng)力圖解根據(jù)應(yīng)力結(jié)果圖可以看到，主臂的應(yīng)力值為 1.01035.998108Pa,其中主臂與副臂的連接處應(yīng)力較小，主臂與旋轉(zhuǎn)基座接觸處的應(yīng)力較大，最大達到5.998108Pa，可見在這兩段主臂的受力最為明顯。圖 6-4 主臂應(yīng)變分析圖解通過應(yīng)變結(jié)果圖結(jié)果可知，應(yīng)變最小為 4.193e-009，最大處在主臂與旋轉(zhuǎn)基座連接處，應(yīng)變最大達 8.386e-004。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 29 頁圖 6-5 主臂位移分析圖解由位移結(jié)果圖可知，在主臂與副臂的連

58、接處位移較為明顯，在 1.000e-0306.609e+000mm 之間，相對于主臂的尺寸是非常微小的。6.2.3 副臂的有限元分析結(jié)果機械臂副臂采用與主臂相同的的分析方法，在這里只介紹其分析結(jié)果，其中副臂選用的材料與主臂選用的材料相同?；緟?shù)為：質(zhì)量 976.926kg，體積0.124m3，密度 7850kg/m3，重量 9573.61N。副臂總成的應(yīng)力分析結(jié)果圖如圖 6-6 所示。圖 6-6 副臂總成應(yīng)力分析圖解副臂總成應(yīng)力分析結(jié)果：通過分析圖解可知，證實了在兩級副臂連接處所受應(yīng)力最大的情況，此處的應(yīng)變也是最大的，最大處為 0.00118，最小處為1.07e-011。再結(jié)合主臂的分析結(jié)果

59、可以肯定，應(yīng)力與應(yīng)變的作用效果點是相同的，兩者在同一點處反映效果也相同，因此在設(shè)計時采用的措施也相同，彼此之間是相互證明的關(guān)系。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 30 頁6.2.4 主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)以上分析結(jié)果可知，主臂的受力變化主要集中在兩端連接處，特別是主臂與旋轉(zhuǎn)基座的連接處，主臂中間部位變化較小，考慮到這一情況，提出如下優(yōu)化建議：（1（減薄主臂的中間部分，以減輕主臂的重量；（2（加厚主臂的兩端，提高其承載能力。優(yōu)化設(shè)計后的效果如圖 6-7 所示：圖 6-7 主臂優(yōu)化設(shè)計效果優(yōu)化后主臂的基本特征參數(shù)為：質(zhì)量 926.53kg，體積 0.119m

60、3?？梢?，基本參數(shù)都發(fā)生了較明顯的變化，尤其是重量減輕了 112.25kg，體積減少了0.013m3。根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計重新進行分析，結(jié)果如圖 6-8 所示。圖 6-8 優(yōu)化后的主臂有限元模型中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 基于 Solidworks 集材機機械臂的設(shè)計第 31 頁優(yōu)化后應(yīng)力、應(yīng)變、位移分析結(jié)果分別如圖 6-9、6-10、6-11 所示。 圖 6-9 主臂優(yōu)化后應(yīng)力分析圖解 圖 6-10 主臂優(yōu)化后應(yīng)變分析圖解圖 6-11 主臂優(yōu)化后位移分析圖解根據(jù)結(jié)果可看到，主臂受到的應(yīng)力為 1.01033.08108Pa，其中主臂與副臂的連接處應(yīng)力較小，主臂與旋轉(zhuǎn)基座接觸處的應(yīng)力較大?？梢妰?yōu)化