機(jī)械臂設(shè)計(jì)畢設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目 錄1 緒論 11.1 前言 11.2 課題的來(lái)源與背景 11.3 研究的目的和意義 21.4 林業(yè)集材機(jī)的概述 31.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 31.5.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 31.5.2 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 41.6 論文主要研究?jī)?nèi)容 52 機(jī)械臂設(shè)計(jì)理論 72.1 機(jī)械臂的組成及分類(lèi) 72.1.1 機(jī)械臂的組成 72.1.2 機(jī)械臂的分類(lèi) 72.2 機(jī)械臂的自由度及坐標(biāo)形式 82.2.1 機(jī)械臂的自由度 82.2.2 機(jī)械臂的坐標(biāo)形式 83 集材機(jī)機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì) 103.1 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù) 103.2 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式 103.3 機(jī)械臂典型部件特點(diǎn) 103.4 機(jī)械

2、臂的工作范圍 114 集材機(jī)工作裝置的受力分析 134.1 集材機(jī)機(jī)械臂的工況分析 134.2 集材機(jī)機(jī)械臂的受力分析 134.2.1 空載時(shí)各級(jí)臂架所受的彎矩 134.2.2 抓舉活立木時(shí)各級(jí)臂架所受彎矩 144.3 機(jī)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(jī)機(jī)械臂的造型 175.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)與 SOLIDWORKS軟件 175.1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì) 175.1.2 SolidWorks 軟件介紹 175.2 集材機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)械臂的虛擬裝配 226 集材機(jī)機(jī)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(jī)械臂零部件的有限元分析 256.2.1 有限元分析過(guò)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(xiàn) 36中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 1 頁(yè)1 緒論緒論1.1 前言前言新中國(guó)成立以來(lái)，

4、我們國(guó)家林業(yè)建設(shè)取得了巨大成就。尤其在是改革開(kāi)放之后，黨中央，國(guó)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(jìn)了林業(yè)的發(fā)展。全社會(huì)辦林業(yè)，全民義務(wù)植樹(shù)運(yùn)動(dòng)深入發(fā)展，全民搞綠化的局面正在形成。近年來(lái)，實(shí)施天然林保護(hù)工程，退更換林，荒漠化治理和其他重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)展順利，部分地區(qū)的生態(tài)條件得到改進(jìn)。森林，濕地和野生動(dòng)物資源保護(hù)得到加強(qiáng)。我國(guó)目前的生態(tài)狀況整體惡化的趨勢(shì)，還沒(méi)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(shì)。濫伐森林，亂過(guò)度占用林地，過(guò)度狩獵野生動(dòng)物，無(wú)序開(kāi)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(chóng)害對(duì)林業(yè)仍然是非常嚴(yán)重的威脅。林業(yè)經(jīng)營(yíng)和管理體制不適應(yīng)形勢(shì)

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(zhǎng)比較緩慢?？傮w上，我國(guó)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(shí)候都要更重的改革和發(fā)展的任務(wù)。在加快推進(jìn)社會(huì)主義現(xiàn)代化全面建設(shè)小康社會(huì)的過(guò)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(qiáng)林業(yè)方面的工作，促使我國(guó)林業(yè)能有一個(gè)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(shí)施過(guò)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(lái)源與背景課題的來(lái)源與背景第七次全國(guó)森林資源清查結(jié)

6、果表明，截至 2008 年，全國(guó)森林面積為19545.22 萬(wàn)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(wàn)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(shí)間內(nèi)，人工林面積快速增長(zhǎng)，人工林面積凈增 843.11 萬(wàn)公頃，人工林蓄積凈增 4.47 億立方米，幼林地面積 1046.18 萬(wàn)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 2 頁(yè)人工林轉(zhuǎn)移，林木蓄積年凈生長(zhǎng)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(zhǎng)繼續(xù)超過(guò)消耗，長(zhǎng)消盈余進(jìn)一步擴(kuò)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(gè)百分點(diǎn)，現(xiàn)有人工林是一種速生豐產(chǎn)林的發(fā)展。近年來(lái)，速豐林建設(shè)充分依靠政府推動(dòng)、市場(chǎng)導(dǎo)向、利益的驅(qū)動(dòng)和企業(yè)帶動(dòng)等運(yùn)作機(jī)制，大力推進(jìn)速豐林基地建設(shè)。進(jìn)入成熟林(采伐年齡段)面積成倍增長(zhǎng)，依靠傳統(tǒng)的人工撫育和采伐技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)的需要。但是傳統(tǒng)營(yíng)林生產(chǎn)使用的輕型油鋸、割灌機(jī)、手提式挖坑機(jī)、剪草機(jī)等便攜式林業(yè)機(jī)械，不僅效率低，而且均由操作者直接手持或背負(fù)進(jìn)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(guò)

8、程中機(jī)器產(chǎn)生的振動(dòng)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(duì)我國(guó)現(xiàn)有的大型商業(yè)人工林的撫育、采伐、造材等作業(yè)機(jī)械化、高效化以成為一個(gè)核心焦點(diǎn)， 未來(lái)的林業(yè)生產(chǎn)要由勞動(dòng)力集約型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變，以增加單位勞動(dòng)生產(chǎn)效率，增加林區(qū)人民的收入，這也是三農(nóng)問(wèn)題解決的一個(gè)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(xì)化和緊急控制害蟲(chóng)及運(yùn)輸，必須通過(guò)機(jī)械化作業(yè)來(lái)提高作業(yè)效率，對(duì)于大中徑材的整枝撫育作業(yè)和撫育間伐材的搬運(yùn)，只靠人工的話(huà)是沒(méi)有辦法做到高質(zhì)、高效地完成有關(guān)作業(yè)的，需要用機(jī)械化裝備來(lái)達(dá)到安全高效地作業(yè)。國(guó)家中長(zhǎng)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(kāi)發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(包括林業(yè))裝備技術(shù)列為我國(guó)近期林業(yè)科技重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)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(biāo)志，只有現(xiàn)代化的機(jī)械操作，才能真正解放勞動(dòng)生產(chǎn)力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，。近年來(lái)由于林區(qū)的勞動(dòng)成本的上升，對(duì)傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型為主的林業(yè)生產(chǎn)造成很大的沖擊，迫切需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新工藝、新裝備，提高自主創(chuàng)新能力，提高機(jī)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(lái)改變傳統(tǒng)人力為主的落后生產(chǎn)模式。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的采育作業(yè)裝備的運(yùn)行現(xiàn)狀均存在功能單一的缺

10、點(diǎn)，這樣在采育作業(yè)過(guò)程中，林業(yè)工人就要使用多種機(jī)械設(shè)備，降低了作業(yè)效率，多種機(jī)中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 3 頁(yè)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(jī)械，使林業(yè)工人進(jìn)行安全、高效的工作，并減少對(duì)林木和林地的生態(tài)破壞是未來(lái)林業(yè)機(jī)械應(yīng)用發(fā)展的主要趨勢(shì)。1.4 林業(yè)集材機(jī)的概述林業(yè)集材機(jī)的概述林區(qū)的木材收集運(yùn)輸車(chē)，該車(chē)被廣泛使用在歐洲和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，由于操作簡(jiǎn)單、靈活，作業(yè)效率高，在發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛使用。機(jī)械臂控制系統(tǒng)安裝在前駕駛室內(nèi)，工人不需要下車(chē)，轉(zhuǎn)身即可操作。在寒冷，潮

11、濕多余的地區(qū)適用性更強(qiáng)。也可安裝在機(jī)械臂立臂上方，視野開(kāi)闊，適合使用在南部的熱帶地區(qū)。機(jī)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(jī)后傳動(dòng)軸作為動(dòng)力輸出，驅(qū)動(dòng)液壓泵，作為液壓動(dòng)力來(lái)源。通用性強(qiáng)。使用成本低廉。還可以配備柴油動(dòng)力站。為了適應(yīng)林區(qū)運(yùn)輸要求，該車(chē)應(yīng)用了專(zhuān)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(shí)木材裝卸與運(yùn)輸?shù)陌踩院腿斯ぱb卸效率低的問(wèn)題。集材機(jī)的整體輪廓圖如圖 1-1 所示。圖 1-1 集材機(jī)1.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.5.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀我國(guó)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(jì)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(jī)廠的J50、J80 等型號(hào)集材機(jī)均是上世紀(jì)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 4 頁(yè)在原有汽車(chē)、工程機(jī)械及拖拉機(jī)上加裝液壓抓具、鉸盤(pán)機(jī)等林業(yè)作業(yè)裝置改裝的林業(yè)機(jī)械。上個(gè)世紀(jì)我國(guó)進(jìn)口過(guò)國(guó)外聯(lián)合采育機(jī)，并在南部地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，并組織科研單位進(jìn)行了技術(shù)探索，但在不同條件的影響下，許多研究都沒(méi)有進(jìn)一步的細(xì)化。近年來(lái)，隨著機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的汽車(chē)技術(shù)、液壓技術(shù)、自動(dòng)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(mǎn)足林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場(chǎng)需求。雖然國(guó)內(nèi)己經(jīng)有一部分企業(yè)開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的專(zhuān)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(jī)，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(jìn)和仿制國(guó)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(guó)內(nèi)正在開(kāi)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(diǎn)，不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的人工林采育作業(yè)的效率要求。1.5.2 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀世界各主要林業(yè)國(guó)家的森林采運(yùn)機(jī)械化是在二十世紀(jì)五十年代末期前后開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。主要是在生產(chǎn)工序上把手工作業(yè)用機(jī)械代替，可

14、是大量繁重的手工勞動(dòng)依然存在。美國(guó)、瑞典、芬蘭、加拿大和蘇聯(lián)等國(guó)自二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始，在繼續(xù)改進(jìn)傳統(tǒng)單工序機(jī)械作業(yè)的同時(shí)，加強(qiáng)了伐區(qū)聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研究工作，并取得了很大的進(jìn)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(yàn)設(shè)備和訓(xùn)練手段原來(lái)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程比較緩慢，如集材機(jī)樣機(jī)必須進(jìn)行 2000 一 8000 h 野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)評(píng)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(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程是一個(gè)昂貴和費(fèi)時(shí)的過(guò)程，需要幾個(gè)月甚至一年時(shí)間。Timberjack 公司推出的野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取裝置，所有設(shè)備可以裝在一個(gè)手提箱內(nèi)，攜帶方便，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間不超過(guò)三十分鐘。整個(gè)裝置可以放置在機(jī)器上，這

15、樣就省去了遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)，操作起來(lái)非常方便。該裝置由 50Mat 公司的試驗(yàn)控制軟件(TCS)控制，可以運(yùn)行在一臺(tái)筆記本電腦上，能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、分析、提示等功能，操作很簡(jiǎn)單。整個(gè)裝置堅(jiān)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 5 頁(yè)2林業(yè)機(jī)械操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，智能化原 Timberjack 公司在 127OB 型伐區(qū)聯(lián)合機(jī)和 121OB 型原木自裝集運(yùn)機(jī)上就裝備 TMC 整機(jī)程控系統(tǒng)，降低了工人的勞動(dòng)程度。系統(tǒng)自動(dòng)控制柴油機(jī)、起重臂和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，以及所有有關(guān)功能，可確保平穩(wěn)而無(wú)級(jí)地傳遞動(dòng)力，準(zhǔn)確控制和監(jiān)

16、控整機(jī)運(yùn)行。3節(jié)能與環(huán)保世界性能源危機(jī)使節(jié)能作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題。林業(yè)集材機(jī)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(jì)性。為了提高產(chǎn)品的能源效率，滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求，國(guó)外的林業(yè)集材機(jī)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(dòng)機(jī)的功率利用率，更好地匹配動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓元件的工作強(qiáng)度，提高了聯(lián)合機(jī)的生產(chǎn)效率和使用的可靠性，同時(shí)可以減少排放量，降低燃料消耗，減小工作時(shí)的振動(dòng)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(jī)的可靠性、節(jié)能

17、、環(huán)保的技術(shù)。該控制系統(tǒng)每時(shí)每刻監(jiān)控設(shè)備的功能，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與當(dāng)前負(fù)載相匹配，減少功率損耗，節(jié)省燃料，提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，降低運(yùn)行成本。4人機(jī)工程學(xué)研究取得實(shí)效自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家很重視研究人機(jī)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(jī)械的人機(jī)功效學(xué)特性的 6 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括操作方便性、上下車(chē)方便性、操作人員視野、乘坐舒適性、機(jī)器噪聲和機(jī)器維修方便性。各大公司在二十世紀(jì)九十年代生產(chǎn)的林業(yè)機(jī)械，均對(duì)人機(jī)工效學(xué)特性的改進(jìn)給予極大的關(guān)注。原 Timberjack 對(duì) 600 系列換代產(chǎn)品850 型和 950 型伐木歸堆機(jī)，均在駕駛室上作了顯著的改進(jìn)：增加尺寸，前面采用巨

18、大的曲面玻璃，并配備了一個(gè)特殊的后視鏡，視野大大改善；改用符合人機(jī)工效學(xué)的手柄，司機(jī)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(huà)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(guò)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(dòng)隔離裝置，可消減振動(dòng)。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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 6 頁(yè)員的安全，駕駛室還普遍裝有傾翻保護(hù)裝置。1.6 論文主要研究?jī)?nèi)容論文主要研究?jī)?nèi)容本論文意在設(shè)計(jì)在林區(qū)作業(yè)時(shí)用于集運(yùn)木材的集材機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械臂，要求其易于控制、結(jié)構(gòu)靈活、

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

20、設(shè)計(jì)。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 7 頁(yè)2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)理論機(jī)械臂設(shè)計(jì)理論2.1 機(jī)械臂的組成及分類(lèi)機(jī)械臂的組成及分類(lèi)2.1.1 機(jī)械臂的組成機(jī)械臂主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)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(jī)構(gòu)包括主臂、負(fù)臂、伸縮臂、液壓缸以及液壓抓具。2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置就是機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。常用的有氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)以及電力傳動(dòng)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(jiàn)的為電氣控制。控制系統(tǒng)是機(jī)械臂的重要組成部分。在某種意義上說(shuō)，控制系統(tǒng)起著與人腦相似

21、的作用。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)以及相關(guān)部件的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4位置檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置的作用是對(duì)機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行檢測(cè)，并隨時(shí)隨地將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置反饋給控制系統(tǒng)，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度到達(dá)指定位置。2.1.2 機(jī)械臂的分類(lèi)1按控制方式分（1）連續(xù)軌跡控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原木位置檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)圖 2-1 機(jī)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 8 頁(yè)它的運(yùn)動(dòng)軌跡是任意的空間連續(xù)曲線(xiàn)，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)的移動(dòng)過(guò)程都是在控制之中，能夠做到平穩(wěn)而準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，使用范圍較為廣泛，但是電氣控制系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜。

22、（2）點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間點(diǎn)到點(diǎn)的移動(dòng)，只能對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置控制，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。目前多數(shù)機(jī)械臂屬于點(diǎn)位控制。2按驅(qū)動(dòng)方式分可以分為：氣壓傳動(dòng)機(jī)械臂、液壓傳動(dòng)機(jī)械臂、電力傳動(dòng)機(jī)械臂、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械臂。2.2 機(jī)械臂的自由度及坐標(biāo)形式機(jī)械臂的自由度及坐標(biāo)形式2.2.1 機(jī)械臂的自由度自由度是機(jī)械臂設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)叫做自由度。每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定坐標(biāo)系最多有六個(gè)自由度，即繞X、Y、Z 軸三個(gè)方向的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿 X、Y、Z 三個(gè)方向的三個(gè)獨(dú)立的往復(fù)移動(dòng)。兩個(gè)構(gòu)件（即運(yùn)動(dòng)件）組成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接叫做運(yùn)動(dòng)副，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)加以限制的條件即為約束條

23、件。林木集材機(jī)的機(jī)械臂是一個(gè)典型的多連桿機(jī)構(gòu)，它可以分為多個(gè) 4 連桿機(jī)構(gòu)，而整個(gè)機(jī)械臂在一定工況下可看作是一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，它具有 3 個(gè)自由度。自由度數(shù)多少是衡量機(jī)械臂技術(shù)水平的指標(biāo)之一。自由度的數(shù)目越多，可完成的動(dòng)作就可以更復(fù)雜，但相應(yīng)的帶來(lái)的問(wèn)題是技術(shù)上的困難，機(jī)械結(jié)構(gòu)和制系統(tǒng)的復(fù)雜，機(jī)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(shí)現(xiàn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)相應(yīng)簡(jiǎn)單，使用維修方便。因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求來(lái)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(jī)械臂的坐標(biāo)形式運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，即大臂的仰俯、小臂仰俯和大臂

24、的回轉(zhuǎn)，這種坐標(biāo)形式的機(jī)械臂稱(chēng)為關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。特點(diǎn)是：工作范圍大，動(dòng)作靈活，并能繞過(guò)機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件，此為其它機(jī)械臂不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 9 頁(yè)機(jī)械臂傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介本文采用液壓驅(qū)動(dòng)的工作臂，機(jī)械臂采用液壓驅(qū)動(dòng)有如下特點(diǎn)：1反應(yīng)比較靈敏，傳動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，傳動(dòng)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(dá)到很高?，F(xiàn)在一般的液壓機(jī)械臂在低于 400 mm/s 的速度且抓取重量比較輕的時(shí)候，采用一定的緩沖措施和定位方式，可以達(dá)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(jī)械臂。4比較容易控制輸出力和運(yùn)動(dòng)速度。輸出力和運(yùn)動(dòng)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(guò)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(guó)內(nèi)而言，液壓傳動(dòng)機(jī)械臂占機(jī)械臂總數(shù)的 52%以上。根據(jù)國(guó)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(guò)對(duì)比分析，根據(jù)設(shè)計(jì)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(diǎn)，動(dòng)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 10 頁(yè)3 集材機(jī)機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)集材機(jī)機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)參考 Cranab FC106 型的集材機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)械臂。主要的技術(shù)參數(shù)如表 3-1 所示。表3-1 集材機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)的主要參數(shù)名 稱(chēng) 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(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式機(jī)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(jī)械臂長(zhǎng)度方向的截面來(lái)看，大致有如下幾種，查閱相關(guān)的資料，認(rèn)為下圖 3-1（a）的截面形式較好，整個(gè)機(jī)械臂應(yīng)力流暢，無(wú)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(jī)械臂典型部件特點(diǎn)機(jī)械臂典型部件特點(diǎn)1臂架 臂架可以簡(jiǎn)化成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的懸臂梁。它要求臂架強(qiáng)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 11 頁(yè)因此，臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)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(qiáng)度鋼的力學(xué)性能，借助現(xiàn)代化的有限元分析計(jì)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(jì)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(dòng)力，它由壓力油推動(dòng)活塞前后運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)臂架運(yùn)動(dòng)。缸體的進(jìn)油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，以防止液壓軟管破裂時(shí)發(fā)生臂架墜落事故。3.4 機(jī)械臂的工作范圍機(jī)械臂的工作范圍集材機(jī)要在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行木材的采集作業(yè)，如圖 3-2 所示。 圖 3-2 機(jī)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 12 頁(yè)H 是指各級(jí)臂全部垂直于地面時(shí)，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(jí)臂全部水平放置時(shí)，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(jī)械臂在水平位置以下工作時(shí)，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(zhǎng)度有關(guān)。臂架長(zhǎng)度是指各級(jí)臂在同一軸線(xiàn)上時(shí)，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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 13 頁(yè)4 集材機(jī)工作裝置的

30、受力分析集材機(jī)工作裝置的受力分析4.1 集材機(jī)機(jī)械臂的工況分析集材機(jī)機(jī)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(jī)構(gòu)和各種工作液壓缸組成。對(duì)這些結(jié)構(gòu)件的分析計(jì)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(duì)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(jì)該結(jié)構(gòu)件的依據(jù)。比較各個(gè)工況后，當(dāng)各級(jí)臂處于水平狀態(tài)，并且伸縮臂伸出時(shí)的工況是機(jī)械臂受力最不利的情況。4.2 集材機(jī)機(jī)械臂的受力分析集材機(jī)機(jī)械臂的受力分析 當(dāng)各級(jí)臂全部處于水平外伸狀態(tài)時(shí)，由于各個(gè)油缸支撐著各級(jí)機(jī)械臂，可以把機(jī)械臂看做一個(gè)變截面的懸臂梁，這時(shí)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(shí)各級(jí)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 14 頁(yè) （4-m155.22338N2）343335 .

32、0LGLGM=1400250014005 . 059.1760 （4-m413.4732N3）式中：Mi各級(jí)機(jī)械臂左端點(diǎn)彎矩值；G1，G2，G3各級(jí)機(jī)械臂的自重，為簡(jiǎn)單計(jì)，以集中載荷看待；G4機(jī)械臂末端連接的液壓抓具自重；L1，L2，L3各級(jí)機(jī)械臂的長(zhǎng)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(shí)各級(jí)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(jí)機(jī)械臂左端點(diǎn)彎矩值；中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 15 頁(yè)G1，G2，G

34、3各級(jí)機(jī)械臂的自重，為簡(jiǎn)單計(jì)，以集中載荷看待；G4機(jī)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(jí)機(jī)械臂的長(zhǎng)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(jī)械臂連接處的受力分析機(jī)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(jí)臂架的自重以及液壓抓具的自重；L1 ，L2 ，L3為各級(jí)臂架的長(zhǎng)度尺寸。對(duì)主臂末端點(diǎn) A 點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)的軸向力 KNFFXAX487.6614.3.2 副臂鉸接處分析對(duì)副臂末端點(diǎn) B 點(diǎn)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 16 頁(yè)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(shí)，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(diǎn)的軸向力 KNFFXBX898.562中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 17 頁(yè)5 基于基于 S

37、olidWorks 集材機(jī)機(jī)械臂的造型集材機(jī)機(jī)械臂的造型5.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)與 SolidWorks 軟件軟件5.1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是實(shí)體模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線(xiàn)性模型的使用，實(shí)體模型具有真實(shí)的，直觀的及與實(shí)際產(chǎn)品接近的特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)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(jìn)行分析和制造等后續(xù)處理。參數(shù)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要特征是尺寸驅(qū)動(dòng)，所謂尺寸驅(qū)動(dòng)就是以模型尺寸來(lái)決定模型形狀，由一組具有一定相互關(guān)聯(lián)的尺寸來(lái)定義一個(gè)模型。設(shè)計(jì)者修改尺寸參數(shù)后，經(jīng)過(guò)再生處理即可獲得新模型的形狀。生產(chǎn)中工程人員對(duì)結(jié)構(gòu)形狀比較定型的產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化就是典型的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想應(yīng)用。參數(shù)化

38、設(shè)計(jì)的建模過(guò)程采用的方法是特征造型建模。基于建模對(duì)象的結(jié)構(gòu)、形狀以及裝配關(guān)系進(jìn)行合理的抽象，獲得不同類(lèi)型的特征。例如實(shí)體特征、基準(zhǔn)特征、曲面特征等等。一個(gè)模型可以看作是一個(gè)在一定程度上多個(gè)不同種類(lèi)的特征的組合。特征建模只需要在繪制出平面草圖后通過(guò)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(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)潔、直觀。5.1.2 SolidWorks 軟件介紹世界上第一個(gè)基于 Windows 開(kāi)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(jī)量最大、最好用的軟件。因?yàn)樗褂昧讼冗M(jìn)的parasol

39、id 內(nèi)核、Windows OLE 技術(shù)、直觀式的設(shè)計(jì)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(wàn)，涉及到機(jī)車(chē)、離散制造、國(guó)防、電子通訊、交通、機(jī)械、模具、日用品、娛樂(lè)工業(yè)、食品、醫(yī)療器械、消費(fèi)品、航空航天等分布于全球 100 多個(gè)國(guó)家的約 3 萬(wàn) 1 千家企業(yè)。在目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的三維 CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)便而方便的軟件之一。在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 18 頁(yè)由于 SolidWorks 軟件的易學(xué)易用、功能強(qiáng)大及技術(shù)創(chuàng)新這三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為主流的、領(lǐng)先的三維 CAD 設(shè)計(jì)軟件。其能夠提供很多種設(shè)計(jì)方案，以便減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量。SolidWorks 不僅功能強(qiáng)大，而且對(duì)于最初的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，比較容易上手且操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便。對(duì)于用慣了微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶(hù)而言，基本上就可以用 SolidWorks 來(lái)搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks 的拖拽功能可以讓設(shè)計(jì)者花費(fèi)較少的時(shí)間就能完成大型設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)軟件為 SolidWorks2012 版本。5.2 集材機(jī)機(jī)械臂零部件造型集材機(jī)機(jī)械臂零部件造型集材機(jī)機(jī)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(zhǔn)確的反映零件的真實(shí)屬性，因此應(yīng)用 SolidWorks 軟件分別建立機(jī)械臂各零件的三維實(shí)體模型，下面以旋轉(zhuǎn)基座為例，介紹其實(shí)體建模的主要過(guò)程，其它零部件的建模過(guò)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(gè)圓形凸臺(tái)

42、拉伸體，主要造型方式為凸臺(tái)拉伸和切除拉伸，可以按照以下的順序進(jìn)行建模。1首先啟動(dòng) SolidWorks 三維設(shè)計(jì)軟件后，新建一個(gè)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 19 頁(yè)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(duì)稱(chēng)零件或者定位的方便，首先繪制出對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)。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(zhǔn)表面打開(kāi)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(diǎn)擊鼠標(biāo)并拖動(dòng)，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(biāo)注”按鈕，對(duì)草圖尺寸進(jìn)行標(biāo)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(guò)拉伸上面步驟所繪制出來(lái)的草圖來(lái)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(tái)/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(lái)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(zhǔn)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(tái)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 20 頁(yè)圖 5-4 切除拉伸特征 圖 5-5 圓柱凸臺(tái)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(shí)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(gè)拉伸表面上繪制一張新的草圖，并進(jìn)行凸臺(tái)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(zhǔn)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(duì)稱(chēng)”，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(gè)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 21 頁(yè)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(duì)其它部位進(jìn)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(duì)于其他零部件的造型，可綜合利用 SolidWorks 基準(zhǔn)特征和實(shí)體特征的構(gòu)建基本方法。首先構(gòu)建基準(zhǔn)特征，包括實(shí)體模型的坐標(biāo)系、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)曲線(xiàn)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(duì)基礎(chǔ)特征進(jìn)行完善，形成構(gòu)造特征，并完成具體的實(shí)體特征造型。集材機(jī)機(jī)械臂主要零部件的實(shí)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(jì)

47、 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 22 頁(yè)圖 5-9 機(jī)械臂主臂 圖 5-10 機(jī)械臂副臂 圖 5-11 機(jī)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 23 頁(yè)5.3 集材機(jī)機(jī)械臂的虛擬裝配集材機(jī)機(jī)械臂的虛擬裝配機(jī)械臂的虛擬裝配是指根據(jù)各個(gè)零部件的相對(duì)位置和配合關(guān)系，然后利用SolidWorks 三維設(shè)計(jì)軟件將各個(gè)零部件組裝成一個(gè)整體。這種裝配是通過(guò)SolidWorks 軟件的組件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)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(shí)還可進(jìn)行干涉檢查，來(lái)判斷各個(gè)零部件之間是否存在空間位置的沖突。打開(kāi) SolidWorks 軟件，點(diǎn)擊“新建”，然后點(diǎn)擊“裝配體”確定。選擇插入零部件，點(diǎn)擊“瀏覽”，彈出對(duì)話(huà)框，選擇要裝配的零部件，進(jìn)行配合處理，組件完畢后得到整個(gè)機(jī)械臂的裝配圖如下：圖 5-17 機(jī)械臂爆炸視圖圖 5-18 機(jī)械臂裝配圖一中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 24 頁(yè)圖 5-19 機(jī)械臂裝配圖二6 集材機(jī)機(jī)械臂的有限元分析集材機(jī)機(jī)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(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來(lái)表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的模擬方法，通常使用有限元方法在計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬，而不是傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jiǎn)馭繁，變難為易。6.1.2 SolidWorks 的 Simulation 模塊目前，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)行專(zhuān)業(yè)的分析，比如分析功能比較強(qiáng)大的 Ansys 軟件，可以

50、進(jìn)行全面的受力分析，但用戶(hù)要具有豐富的力學(xué)知識(shí)背景，還需要很多次積累經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)楸容^專(zhuān)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(lái)進(jìn)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(hù)確定目前的設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足工作的現(xiàn)實(shí)要求。對(duì)于一般的設(shè)計(jì)人員，在零件的應(yīng)力情況不太復(fù)雜時(shí)，利用 Simulation 來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析顯得更為簡(jiǎn)單實(shí)用。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 25 頁(yè)本文首先在 SolidWorks 環(huán)境下完成集材機(jī)機(jī)械臂的三維實(shí)體建模,然后利用與 SolidWorks 無(wú)縫結(jié)合的 Si

51、mulation 有限元分析軟件對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行分析,其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)分析時(shí)不必脫離原三維設(shè)計(jì)環(huán)境，避免了模型導(dǎo)入第三方軟件時(shí)常見(jiàn)的模型失真導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。SolidWorks 的 Simulation 設(shè)計(jì)分析結(jié)果基于線(xiàn)性靜態(tài)分析，當(dāng)載荷作用于物體表面時(shí)，物體發(fā)生變形，載荷的作用將傳到整個(gè)物體。外部載荷會(huì)引起內(nèi)力和反作用力，使得物體進(jìn)入平衡狀態(tài)。線(xiàn)性分析有兩個(gè)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(dá)到其完全量值。在達(dá)到完全量值后，載荷保持不變（不隨時(shí)間變化）。（2）線(xiàn)性假設(shè)。載荷和所引起的反應(yīng)力之間的關(guān)系是線(xiàn)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(guò)程中主要包含以下三個(gè)步驟：1. 有限元模型的創(chuàng)建（1）打開(kāi)幾何模型（2）定義材料的屬性（3）劃分網(wǎng)格（節(jié)點(diǎn)或單元）2施加載荷并運(yùn)行求解（1）施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件（2）運(yùn)行求解3查看結(jié)果生成報(bào)告（1）查看分析結(jié)果（2）檢驗(yàn)結(jié)果（分析是否正確）6.2 機(jī)械臂零部件的有限元分析機(jī)械臂零部件的有限元分析6.2.1 有限元分析過(guò)程根據(jù)最初選擇的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行詳細(xì)校核，可以初步設(shè)計(jì)出機(jī)械臂的三維模型，然后進(jìn)行 SolidWorks 的有限元分析。主要步驟如下：（1）先對(duì)模型零件的屬性進(jìn)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(kù)中的材料中選取。如果材料庫(kù)中沒(méi)有，可以添加自定義的材料并選取（3）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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 26 頁(yè)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(kāi)始進(jìn)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(xì)，計(jì)算結(jié)果也就越精確。也可以根據(jù)計(jì)算機(jī)推薦的網(wǎng)格進(jìn)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(bào)告。這樣就可以對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)的方案進(jìn)行分析和

54、改進(jìn)，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程中繁雜的計(jì)算量，提高了設(shè)計(jì)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(lán)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(jì)者很容易找出零件的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。下面對(duì)主臂及副臂總成這兩個(gè)受力零件進(jìn)行有限元分析。6.2.2 主臂的有限元分析結(jié)果機(jī)械臂采用 16Mn 鋼板焊接而成，這里將機(jī)械臂所有部件處理成實(shí)體，忽略焊接殘余應(yīng)力，依據(jù)機(jī)械臂作業(yè)工況的多樣性，分別對(duì)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(jī)械臂主臂優(yōu)化前的三維模型此時(shí)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(duì)它進(jìn)行劃分，利用Simulation 網(wǎng)格劃分的自適應(yīng)性來(lái)修正網(wǎng)格的誤差，避免了繁瑣的有限元計(jì)算。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 27 頁(yè)表6-1 主臂有限元模型的分網(wǎng)參數(shù)網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)屬性網(wǎng)格類(lèi)型實(shí)體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器基于曲率的網(wǎng)格雅可比點(diǎn)4 點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行應(yīng)力作用時(shí)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(shí)這一端是受到來(lái)自副臂、伸縮臂、集材機(jī)液壓抓具和活立木的力矩作用，故在這端沿著主臂基準(zhǔn)面法向施加一個(gè)力，力的大小為26744.6 N（此為參照國(guó)產(chǎn) BY 型液壓抓具和副臂總成的重量和所得） ，對(duì)主臂進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，其中，求解器的類(lèi)型按照 SolidWorks 的默認(rèn)設(shè)置。仿真中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 28 頁(yè)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(dá)到5.998108Pa，可見(jiàn)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(guò)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(dá) 8.386e-004。中南林業(yè)科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 29 頁(yè)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(duì)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(jī)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(guò)分析圖解可知，證實(shí)了在兩級(jí)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(diǎn)是相同的，兩者在同一點(diǎn)處反映效果也相同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 30 頁(yè)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(jì)后的效果如圖 6-7 所示：圖 6-7 主臂優(yōu)化設(shè)計(jì)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。可見(jiàn)，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(jì)重新進(jìn)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(jì) 基于 Solidworks 集材機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)第 31 頁(yè)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?jiàn)優(yōu)化