香蕉采摘机械手夹持试验及仿真分析

发布时间：2017-08-18 06:29

  本文关键词：香蕉采摘机械手夹持试验及仿真分析

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【摘要】：香蕉采摘是香蕉收获过程中的关键性作业环节。目前我国的香蕉采摘技术仍然停留在主要依靠人工采摘的阶段。纵观整个香蕉收获产业链,它包括采摘、运送、落梳、清洗、包装、杀菌、催熟、销售等环节,目前我国整个香蕉产业链的机械化程度较低,提高香蕉收获产业机械化程度的重要环节来自于香蕉收获的源头——采摘作业。这是由于香蕉特殊的农艺特性和收获特性,致使采摘过程成为劳动强度最大、最易于造成香蕉的机械损伤、机械化难度最大的环节,这也直接制约了香蕉的机械化生产。与机械化程度低下形成巨大反差的是我国香蕉产量及销量长期处于世界前列,因此,发展香蕉机械化采摘具有重要意义。本文在前期研究成果和实体样机的基础上,对香蕉采摘机械手夹持机构进行整体分析和仿真优化,以获取与采摘对象性能友好的机械结构和尺寸参数。基于测定的香蕉假茎的力学性能参数及夹持特性,通过正交实验测试香蕉假茎与不同夹持方式、夹持材料和夹持载荷之间的相关性,获取适合香蕉采摘的优化夹持方案。以香蕉假茎的力学性能参数为基础,建立仿生香蕉假茎模型,对采摘过程中的夹持过程进行仿真分析,优化采摘机械手结构尺寸。主要完成的研究工作如下:1)分析了国内外果蔬采摘机械手及香蕉采摘设备的研究进展。目前国内外已有大量果蔬采摘机械手的研究,但关于香蕉采摘的研究还处于起步阶段,适合香蕉机械化采摘的末端执行器的研究非常欠缺,香蕉采摘作业仍以人工采摘为主,操作强度和难度较大、机械化程度低,人力耗损多。本文在分析众多果蔬采摘机械手的基础上,基于实验室前期实地调研得出的香蕉农艺特性及设计基础,提出一种适用于香蕉这种大重量果串采摘的机械手末端执行器。2)香蕉采摘的夹持对象为香蕉假茎,其力学性能呈明显的各项异性,为力求仿真模型尽量贴合实际物料,将香蕉假茎分为外层、中层、茎芯三个部分,分别测定其密度、轴向及径向的弹性模量、剪切模量,并用均质化和有限元方法进行采摘模型的仿真建模。根据影响采摘夹持效果的相关条件设置试验因素,设计试验方案,完成采摘夹持试验台的设计、制作。以香蕉假茎在夹持状态下产生滑移前所能承担的最大轴向拉力来表征夹持效果,对采摘夹持的抱掌类型、接触材料、夹持力及钉刺夹持的钢钉数量、钢钉直径、钉刺深度等影响夹持效果的试验因素进行单因素、多因素试验,分别得出各试验因素与夹持效果之间的关系,得出夹持效果最佳的因素组合为:钢钉数量6颗、钉刺深度10mm、钢钉直径5mm。3)结合夹持试验结果及设计目标,基于Pro/E完成旋转装置、升降装置、末端执行器的仿真模型,运用有限元分析软件ANSYS分析机械手整机的安全性和稳定性,校核末端执行关键零部件的设计合理性,仿真夹持过程,优化关键零部件的结构尺寸。获取机械手在各极限工况下作业时整机及零部件的应力应变数据和运动参数,以及夹持过程中手爪的反作用力等核心参数,对夹持过程中的动力学特性进行了仿真模拟。4)仿真及试验的结果表明,在夹持力达到500N,摩擦夹持及钉刺夹持均能基本实现对香蕉蕉串的稳定夹持,但钉刺夹持相对更加可靠稳定,其能承担的蕉串重量略大,对蕉串产生的滑动趋势有减弱作用,只要求机构提供钢钉刺入假茎时的瞬时夹持力,对机械手动力源的适用性较强,这对机械手末端执行器的精简轻量化有重要意义。5)将钢钉数量6颗、钉刺深度10mm、钢钉直径5mm的最佳夹持因素组合、夹持机构关键零部件的结构尺寸优化以及整体样机的稳定性分析结果应用于整机的实物采摘试验,验证实际工况下的夹持的有效性、机构的可靠性以及整体样机在采摘过程中承载的稳定性。试验结果表明,所开发的香蕉采摘机械手样机能满足香蕉采摘的农业特性,较好地模拟人工采摘过程实现机械化采摘。
【关键词】：采摘机械手 夹持机构 摩擦夹持 钉刺夹持 有限元仿真
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S225.93;TP241
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势11-15
• 1.2.1 国内外香蕉采摘现状11-12
• 1.2.2 国内外香蕉采摘机械研究现状12-15
• 1.3 研究内容15-16
• 1.4 研究技术路线图16-17
• 1.5 研究课题来源17-18
• 2 香蕉假茎力学特性测定18-26
• 2.1 果蔬机械特性研究18-20
• 2.2 假茎密度测试20-22
• 2.3 假茎弹性模量测试22-23
• 2.4 假茎硬度测试23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 3 香蕉采摘夹持方式试验26-37
• 3.1 试验平台及工作原理26-28
• 3.1.1 试验平台构成26-27
• 3.1.2 试验平台工作原理27-28
• 3.2 摩擦夹持试验28-31
• 3.2.1 试验原理28-29
• 3.2.2 试验结果29-31
• 3.3 钉刺夹持试验31-34
• 3.3.1 多因素正交实验32-33
• 3.3.2 试验结果方差分析33-34
• 3.4 验证试验34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 末端夹持有限元仿真37-57
• 4.1 ANSYS有限元分析理论37-39
• 4.2 钉刺夹持过程仿真分析39-46
• 4.2.1 非线性有限元分析基础39-40
• 4.2.2 前处理40-43
• 4.2.3 求解计算与后处理43-46
• 4.3 假茎切断后夹持拉拔仿真46-48
• 4.3.1 前处理46-47
• 4.3.2 计算求解与后处理47-48
• 4.4 夹持机构关键零部件仿真校核与优化设计48-55
• 4.4.1 优化设计技术基础48-49
• 4.4.2 夹持机构的结构特征与参数化建模49-50
• 4.4.3 夹持机构力学模型50-51
• 4.4.4 夹持机构仿真优化分析51-54
• 4.4.5 实验验证54-55
• 4.5 本章小结55-57
• 5 整机稳定性分析57-64
• 5.1 整体样机稳定性有限元仿真分析57-61
• 5.1.1 整体样机有限元模型57-59
• 5.1.2 旋转升降平台力学性能分析59-60
• 5.1.3 旋转升降平台仿真分析60-61
• 5.2 整体样机稳定性分析61-62
• 5.3 整体样机实物采摘试验62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 6 总结与展望64-67
• 6.1 研究工作总结64-65
• 6.2 研究展望65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71
• 附录A 夹持过程动力学仿真K文件71-74
• 附录B 硕士期间科研成果74-75

【参考文献】

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本文编号：693114