机械臂设计毕设计说明书.docx

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机械臂设计毕设计说明书

1绪论

1.1前言

新中国成立以来，我们国家林业建设取得了巨大成就。

尤其在是改革开放之后，党中央，国务院高度重视林业工作，采取了一系列政策和措施，有效地促进了林业的发展。

全社会办林业，全民义务植树运动深入发展，全民搞绿化的局面正在形成。

近年来，实施天然林保护工程，退更换林，荒漠化治理和其他重点项目进展顺利，部分地区的生态条件得到改进。

森林，湿地和野生动物资源保护得到加强。

我国目前的生态状况整体恶化的趋势，还没有得到根本的扭转，土地沙化，湿地，生物多样性的破坏仍然呈加剧趋势。

滥伐森林，乱过度占用林地，过度狩猎野生动物，无序开采，滥挖野生植物和其他现象屡禁不止，森林火灾和病虫害对林业仍然是非常严重的威胁。

林业经营和管理体制不适应形势发展的需要。

林业产业规模小、科技含量低、结构不合理、木材供需矛盾突出，林业职工和森林地区的人民的收入增长比较缓慢。

总体上，我国森林资源不足，森林生态系统的整体功能仍然非常脆弱。

所以现在林业要面临比以往的任何时候都要更重的改革和发展的任务。

在加快推进社会主义现代化全面建设小康社会的过程中，必须把林业建设放在更加突出的位置，我们必须高度重视并加强林业方面的工作，促使我国林业能有一个比较大的发展。

在西部的发展中，我们要给予林业以基础地位；在可持续发展战略的实施过程中，我们需要给林业以重要地位；在林业生态建设中，我们要给予林业以领先地位。

1.2课题的来源与背景

第七次全国森林资源清查结果表明，截至2008年，全国森林面积为19545.22万公顷，森林覆盖率20.36%，活立木蓄积量149.13亿立方米，森林蓄积量137.21亿立方米，人工林保存面积6168.84万公顷，人工林蓄积量19.61亿立方米，种植面积居世界第一。

在第六次和第七次清查间隔的五年时间内，人工林面积快速增长，人工林面积净增843.11万公顷，人工林蓄积净增4.47亿立方米，幼林地面积1046.18万公顷，森林蓄积量大大增加，森林采伐逐步向人工林转移，林木蓄积年净生长量5.72亿立方米，年采伐消耗量3.79亿立方米，森林蓄积增长继续超过消耗，长消盈余进一步扩大，天然林采伐量减少，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个百分点，现有人工林是一种速生丰产林的发展。

近年来，速丰林建设充分依靠政府推动、市场导向、利益的驱动和企业带动等运作机制，大力推进速丰林基地建设。

进入成熟林（采伐年龄段）面积成倍增长，依靠传统的人工抚育和采伐技术已经不能满足现代林业生产的需要。

但是传统营林生产使用的轻型油锯、割灌机、手提式挖坑机、剪草机等便携式林业机械，不仅效率低，而且均由操作者直接手持或背负进行作业，操作者除了完成控制、操作等任务外，还必须承受在作业过程中机器产生的振动和噪声，导致操作者的身体功能一定程度上受到功能性障碍或不同程度的损伤。

因此，对我国现有的大型商业人工林的抚育、采伐、造材等作业机械化、高效化以成为一个核心焦点，

未来的林业生产要由劳动力集约型向技术集约型转变，以增加单位劳动生产效率，增加林区人民的收入，这也是三农问题解决的一个方面。

此外，人工林的抚育是季节性的，应急性的，要在最好的季节完成除草、修剪、细化和紧急控制害虫及运输，必须通过机械化作业来提高作业效率，对于大中径材的整枝抚育作业和抚育间伐材的搬运，只靠人工的话是没有办法做到高质、高效地完成有关作业的，需要用机械化装备来达到安全高效地作业。

国家中长期科学和技术发展规划纲要和林业科学技术十一五发展规划也分别将开发现代农业（包括林业）装备技术列为我国近期林业科技重点发展目标之一。

1.3研究的目的和意义

林业装备技术水平的高低，是衡量现代林业和林业产业发展水平的重要标志，只有现代化的机械操作，才能真正解放劳动生产力，降低劳动强度，降低生产成本，提高经济效益，。

近年来由于林区的劳动成本的上升，对传统劳动密集型为主的林业生产造成很大的冲击，迫切需要开发新技术、新工艺、新装备，提高自主创新能力，提高机械化和智能化的林业装备水平，改善操作环境，以高效低耗林业生产系列装备来改变传统人力为主的落后生产模式。

目前国内现有的采育作业装备的运行现状均存在功能单一的缺点，这样在采育作业过程中，林业工人就要使用多种机械设备，降低了作业效率，多种机械设备的频繁使用不同程度的造成森林生态损伤和破坏，在此基础上，提供一种可以集中完成多种林地作业的多功能林地作业机械，使林业工人进行安全、高效的工作，并减少对林木和林地的生态破坏是未来林业机械应用发展的主要趋势。

1.4林业集材机的概述

林区的木材收集运输车，该车被广泛使用在欧洲和美国等发达国家，由于操作简单、灵活，作业效率高，在发达国家被广泛使用。

机械臂控制系统安装在前驾驶室内，工人不需要下车，转身即可操作。

在寒冷，潮湿多余的地区适用性更强。

也可安装在机械臂立臂上方，视野开阔，适合使用在南部的热带地区。

机械臂的液压抓头可以360旋转，第三节臂可伸缩，抓取木材极为方便。

依托拖拉机后传动轴作为动力输出，驱动液压泵，作为液压动力来源。

通用性强。

使用成本低廉。

还可以配备柴油动力站。

为了适应林区运输要求，该车应用了专用山地轮胎，轮胎较宽，不易下陷，承载能力大，防滑性能好，经久耐用。

装备有效地解决了林区采伐时木材装卸与运输的安全性和人工装卸效率低的问题。

集材机的整体轮廓图如图1-1所示。

图11集材机

1.5国内外研究现状及发展趋势

1.5.1国内发展动态及研究现状

我国大型林业设备的发展一直处于落后状态，大部分的技术和产品都停留在二十世纪七八十年代的水平，如目前仍在生产和使用的哈尔滨拖拉机厂的J50、J80等型号集材机均是上世纪五十年代的产品。

大多数林区使用的仅仅是在原有汽车、工程机械及拖拉机上加装液压抓具、铰盘机等林业作业装置改装的林业机械。

上个世纪我国进口过国外联合采育机，并在南部地区进行生产实验，并组织科研单位进行了技术探索，但在不同条件的影响下，许多研究都没有进一步的细化。

近年来，随着机械制造技术的快速发展，相关领域的汽车技术、液压技术、自动化控制技术等的飞速发展，特别是人工林的大面积的增加，原有的以人工作业为主的作业模式，效率己经很难满足林业产业发展的市场需求。

虽然国内己经有一部分企业开始开发新的专用多功能林业装备，比如江苏常林股份有限公司研发和批量生产的ZL3OM系列轮式原木装载机，在北部和南部的林区都有投入大量的使用，另外有一些企业也已经在尝试引进和仿制国外的现代化林业装备。

然而，由于受到各方面的影响，当前国内正在开发和生产的林业装备仍然有工作效率低，功能单一的缺点，不能满足日益增长的人工林采育作业的效率要求。

1.5.2国外发展动态及研究现状

世界各主要林业国家的森林采运机械化是在二十世纪五十年代末期前后开始实现。

主要是在生产工序上把手工作业用机械代替，可是大量繁重的手工劳动依然存在。

美国、瑞典、芬兰、加拿大和苏联等国自二十世纪六十年代开始，在继续改进传统单工序机械作业的同时，加强了伐区联合作业机的研究工作，并取得了很大的进步，高新技术、智能技术得到更广泛的应用。

1．现代化的试验设备和训练手段

原来新产品开发过程比较缓慢，如集材机样机必须进行2000一8000h野外现场试验来评估结构件的可靠度。

此外，获取数据、处理数据、发现问题、解决问题的过程是一个昂贵和费时的过程，需要几个月甚至一年时间。

Timberjack公司推出的野外试验数据获取装置，所有设备可以装在一个手提箱内，携带方便，现场安装时间不超过三十分钟。

整个装置可以放置在机器上，这样就省去了远距离测量系统，操作起来非常方便。

该装置由50Mat公司的试验控制软件（TCS）控制，可以运行在一台笔记本电脑上，能自动完成数据采集、处理、分析、提示等功能，操作很简单。

整个装置坚固、可靠，可在恶劣的工作条件下正常操作。

2．林业机械操作系统实现自动化，智能化

原Timberjack公司在127OB型伐区联合机和121OB型原木自装集运机上就装备TMC整机程控系统，降低了工人的劳动程度。

系统自动控制柴油机、起重臂和液压传动系统，以及所有有关功能，可确保平稳而无级地传递动力，准确控制和监控整机运行。

3．节能与环保

世界性能源危机使节能作为一个产业发展的主题。

林业集材机是一种大功率设备，其能源效率直接影响设备使用的可靠性和经济性。

为了提高产品的能源效率，满足日益严苛的环保要求，国外的林业集材机均采用各种节能控制系统，取得了很好的节能效果。

节能技术的应用，可以减少液压系统的功率损耗，提高发动机的功率利用率，更好地匹配动力系统与负载所需功率，降低发动机和液压元件的工作强度，提高了联合机的生产效率和使用的可靠性，同时可以减少排放量，降低燃料消耗，减小工作时的振动和噪声的影响，也改善了操纵者的工作环境。

Ponsse公司OPtiConirolTM控制系统结合了现代化柴油机的可靠性、节能、环保的技术。

该控制系统每时每刻监控设备的功能，调节发动机功率与当前负载相匹配，减少功率损耗，节省燃料，提高发动机寿命，降低运行成本。

4．人机工程学研究取得实效

自二十世纪九十年代以来，发达国家很重视研究人机工程学，加拿大林业工程研究所研究之后，提出了关于伐区作业的机械的人机功效学特性的6项评价指标，包括操作方便性、上下车方便性、操作人员视野、乘坐舒适性、机器噪声和机器维修方便性。

各大公司在二十世纪九十年代生产的林业机械，均对人机工效学特性的改进给予极大的关注。

原Timberjack对600系列换代产品850型和950型伐木归堆机，均在驾驶室上作了显著的改进：

增加尺寸，前面采用巨大的曲面玻璃，并配备了一个特殊的后视镜，视野大大改善；改用符合人机工效学的手柄，司机座椅可全方位调整，脚踏板的角度也可调整；安装立体声音响和双向通话装置；采暖、空调和通风设备也得到了提高，在密封的驾驶室内安装有空气过滤防尘装置，并设有排气装置；驾驶室内的噪声降到小于77dB（A）；驾驶室有橡胶的振动隔离装置，可消减振动。

此外，为了保证驾驶人员的安全，驾驶室还普遍装有倾翻保护装置。

1.6论文主要研究内容

本论文意在设计在林区作业时用于集运木材的集材机的液压驱动式机械臂，要求其易于控制、结构灵活、定位准确。

论文研究涉及机械设计、机械原理、三维实体建模、有限元分析、计算机辅助设计等方面的相关内容。

机械臂的机械部分是整个系统执行机构。

机构形式好坏，直接影响整个系统。

主要研究以下几个方面：

1．查阅资料，并进行收集和整理，调研机械臂结构。

2．在机构设计时选用合理的运动副形式并合理配置，选择运动的最佳传递路线和驱动速比。

3．据设计要求和工作需要，要求机械臂应能达到工作范围内的各个位置。

4．在确定机械臂自由度的同时要兼顾机构的灵活性、可操纵性、控制性和机构的复杂程度。

设计方案确定后，经过理论计算后再利用SolidWorks软件进行机构造型设计并进行装配；在此基础上，通过进行应力分析发现问题，改进和完善设计。

2机械臂设计理论

2.1机械臂的组成及分类

2.1.1机械臂的组成

机械臂主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

各系统相互之间的关系如下图方框所示：

图22机械臂的组成框图

1．执行机构

包括主臂、负臂、伸缩臂、液压缸以及液压抓具。

2．驱动系统

驱动执行机构运动的传动装置就是机械臂的驱动系统。

常用的有气压传动、液压传动、机械传动以及电力传动等四种基本形式。

3．控制系统

主要有射流控制和电气控制两种，一般常见的为电气控制。

控制系统是机械臂的重要组成部分。

在某种意义上说，控制系统起着与人脑相似的作用。

机械臂的运动以及相关部件的协调动作都是通过控制系统来实现的。

4．位置检测装置

位置检测装置的作用是对机械臂执行机构的运动位置进行检测，并随时随地将执行机构的实际运动位置反馈给控制系统，从而使执行机构以一定的精度到达指