自动巨木采伐搬运车的机械臂机构设计与整机运动仿真
摘 要摘 要本文设计的机械手臂用于采伐巨型树木时去除枝干作用。机械臂通过连接机构带动其前端去完成指定操作，如搬运、抓取、切割等。现如今，机械臂已经被广泛运用在当今的工业制造中，且为了增加机械臂的灵活性与通用性，要尽可能紧凑结构以扩大其工作范围，此项举措大大提高工作效率，对工业生产具怀有关键意义。巨木采伐时较为困难，高处枝干不易截取。本文针对以上问题在机构上设计此机械臂，并详细介绍了该机械臂的组成、结构、功能及其驱动方式，还有目前国内外机械手臂发展状况。文章对液压机械臂进行了整体的方案的企划，详细表达其自由度与坐标方式，确定了机械臂的重要技术参数等，以达到所要求的工作能力。并且所设计的机械臂是通过液压驱动来伸展运动的，所以需要计算出机械臂的升降液压缸驱动力，并确定其液压缸的参数。最重要设计出液压机械手臂的系统回路，还要表达其液压系统的工作原理关键词：机械臂；液压驱动；伐木目 录
第1章 绪 论 1
1.1机械臂技术概述 1
1.2研究的内容与意义 2
1.3机械臂的研究背景与发展 3
1.3.1国外机械臂技术的发展 3
1.3.2国内机械臂的研究背景与现状 4
1.3.3各行业机械臂的发展与使用 5
1.4仿真技术的发展与研究 6
1.5机械臂的特点 6
1.6机械工业产品结构设计 7
第2章 一般机械臂的设计理论 9
2.1机械臂的组成 9
2.2机械臂的运动 12
2.2.1机械臂的自由度 12
2.2.2机械手臂的各种运动坐标形式 13
2.3机械臂结构的传动系统 14
第3章 去枝机械臂的结构设计 16
3.1去枝机械臂的结构与材料的选择 16
3.2去枝机械臂的设计参数 17
3.3机械臂液压驱动原理设计 18
3.3.1液压缸的选取和设计 18
3.3.2液压系统回路的设计 21
3.4伐木电动机的选择 23
3.5机械臂的缓冲装置 24
3.5.1机械臂的运动缓冲装置 24
3.5.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
.1去枝机械臂的结构与材料的选择 16
3.2去枝机械臂的设计参数 17
3.3机械臂液压驱动原理设计 18
3.3.1液压缸的选取和设计 18
3.3.2液压系统回路的设计 21
3.4伐木电动机的选择 23
3.5机械臂的缓冲装置 24
3.5.1机械臂的运动缓冲装置 24
3.5.2油缸的缓冲装置 24
第4章 基于绘图的机械臂结构设计 25
4.1SolidWorks软件的运用 25
4.2 机械臂的零部件设计建模 26
4.2.1机械臂长连杆的设计 26
4.2.2机械臂其他零部件的设计 28
4.3整体机构设计与部件图 29
第5章 伐木过程的整机仿真 32
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
绪 论
1.1机械臂技术概述
人类知识的殿堂蓬勃发展，科学技术作为一个新部门正在向人类展开一个新视角。在18世纪下半叶，第一次工业革命是现代科技发展的摇篮。当时西方科学技术不断发展，一些新的独立的学科走进了人们的生活中，如在力学基础上建立起机构学。在上世纪50年代，大量的学士学者涌入美国，促进了美国机械科学的发展，并通过模仿人类手臂的基础功能发明了第一台机械手。随着科技的发展进步，人类尝试用机械手臂按照固定程序去搬运、抓取物品，再后来又逐步增加了自动控制装置。机械臂技术为国民的经济发展提供了先进的生产加工装备，并且为人类生活提供了耐用消费品，提高了人们的生活质量。现如今世界各国的发展都离不开工业机械的发展，以科学技术推动生产力发展并把它定位为经济发展的重要战略。而这项产业是最早出现的工业机器人，它可代替人去执行命令，从而实现全自动化的生产工艺，因而工业机械手被广泛应用于机械电子、冶金等基础行业工业部门。
在现今的生活中,科技日新月异的进步使得学科深层次交叉融合，科研技术的大发展催生了一系列独具特色、性能卓越的制造新源里、新工艺，且它们不断投入到机械臂工艺的生产研发中。灵活度与耐力的差异是机械臂与人类手臂最大的区别。就灵活度而言，机械手臂的结构相对简单，且以3自由度的居多，专业性强，复杂多变。而就其耐力而言，它可以在易燃、高压、易爆、高温和放射性强等恶劣环境下进行高强度的单调反复操作，不会觉得疲劳，比人类强。现代工艺中应用机械手臂去替代人类进行作业，直接减少了人力的使用，这只是一个侧面，同时连续的投入使用也将大大减少人力。因此，在现有的机床自动生产加工线上，几乎都是以机械手臂代替人力去劳动，这样能更精确的控制住了生产的节拍与效率，便与产品的机械化生产使用。更重要的是通过这门科学技术保护了人生安全，也加强产业生产的高效性、安全性。
关于机械臂技术的研究与发展，它涉及到了机械学、力学、液压与气压传动技术、计算机技术和自动控制技术等学科知识，是一门跨专业的综合性强的技术。这些生产技术赋予了时代新的特色，成为新的研究前沿。在有电子、信息、生物、纳米技术等高科技领域强有力的支撑下，机械臂技术拥有很强大的前进动力。在构造和性能上机械臂又同时兼有人和机器的各自优点，因此获得社会的广泛关注。
1.2研究的内容与意义
本课题研究源于实际生产中，这是一种用于在采伐巨型树木时切除枝干的机械臂。经过调查与研究，我们发现即使科技生活高速发展，人类对木材等原材料的依赖依旧很大。现如今，即便是在欧美等一些机械行业发达的国家，对巨型树木的采伐依旧是个难题。现存的都是对于小型树木采伐的机械工具，如芬兰的AFM公司是世界闻名的森林机械有限公司，其伐木机械装置在世界市场上名声在外。树木砍伐时具有很多危害，由于受力的不均会导致树木倒下的方向无法确定，倒下后会破坏其他树木，甚至会危害到人类的安全。于是我们从这方面展开设想，制造用于集采伐和搬运一体的巨型树木伐木机械。而且我们与传统的采伐过程是不同的，我们是先去除枝干等部分，然后再自上而下的一截一截的砍下后搬运。这种方式不但减少了安全隐患，而且防止了资源的浪费。
通过对机械手臂的研究，我们发现其机构的灵活较强、易于控制，加上它操作方式简单、可准确定位，适用于去除高处的枝干，减少了人力的浪费。然后我们确定了设计方案，通过SolidWorks软件对其进行机构结构的造型设计建模。最后对其特性分析仿真制成动画，改善设计。
社会的发展在不断提速，对原始资源的需求量也在不断增加。目前伐木业存在很大隐患，急需改善。通过查阅资料，发现国内外针对此类设备还未有更好的研究，此次的研究可以为操作增加安全与便捷。而且在工业生产中，工业机器人的投入使得各种生产加工过程机械化和自动化，这是现代技术发展不可避免的发展总趋势。
1.3机械臂的研究背景与发展
1.3.1国外机械臂技术的发展
当代科技发展给人们生活带来许多便利，如机器人等是高新技术的产物，是科技发展的代表。在18、19世纪该技术还创造了诸多奇迹，如在第一次工业革命是蒸汽机的发明、第二次工业革命发电机的大规模工业应用等。从上世纪60年代起，科学技术迅猛发展的同时，也带动了计算机和微电子等相关领域的高速发展，机器人科学技术也得到提高。以此为基础，为以后机械臂的研究铺好了发展的道路。
机器人一词最早来源于捷克的一部幻想剧，作者是著名的剧作家Karel Capek，他在1920年提出单词“robota”。后来经过演变，人们使用robot来表示机器人。【1】在那个时代机器人并没有被研发出来，人们把幻想中的机器人译为强制劳动者，但是科学幻想中的机器人已经拥有了和人同样的外貌和智慧。
1947年
第1章 绪 论 1
1.1机械臂技术概述 1
1.2研究的内容与意义 2
1.3机械臂的研究背景与发展 3
1.3.1国外机械臂技术的发展 3
1.3.2国内机械臂的研究背景与现状 4
1.3.3各行业机械臂的发展与使用 5
1.4仿真技术的发展与研究 6
1.5机械臂的特点 6
1.6机械工业产品结构设计 7
第2章 一般机械臂的设计理论 9
2.1机械臂的组成 9
2.2机械臂的运动 12
2.2.1机械臂的自由度 12
2.2.2机械手臂的各种运动坐标形式 13
2.3机械臂结构的传动系统 14
第3章 去枝机械臂的结构设计 16
3.1去枝机械臂的结构与材料的选择 16
3.2去枝机械臂的设计参数 17
3.3机械臂液压驱动原理设计 18
3.3.1液压缸的选取和设计 18
3.3.2液压系统回路的设计 21
3.4伐木电动机的选择 23
3.5机械臂的缓冲装置 24
3.5.1机械臂的运动缓冲装置 24
3.5.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
.1去枝机械臂的结构与材料的选择 16
3.2去枝机械臂的设计参数 17
3.3机械臂液压驱动原理设计 18
3.3.1液压缸的选取和设计 18
3.3.2液压系统回路的设计 21
3.4伐木电动机的选择 23
3.5机械臂的缓冲装置 24
3.5.1机械臂的运动缓冲装置 24
3.5.2油缸的缓冲装置 24
第4章 基于绘图的机械臂结构设计 25
4.1SolidWorks软件的运用 25
4.2 机械臂的零部件设计建模 26
4.2.1机械臂长连杆的设计 26
4.2.2机械臂其他零部件的设计 28
4.3整体机构设计与部件图 29
第5章 伐木过程的整机仿真 32
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
绪 论
1.1机械臂技术概述
人类知识的殿堂蓬勃发展，科学技术作为一个新部门正在向人类展开一个新视角。在18世纪下半叶，第一次工业革命是现代科技发展的摇篮。当时西方科学技术不断发展，一些新的独立的学科走进了人们的生活中，如在力学基础上建立起机构学。在上世纪50年代，大量的学士学者涌入美国，促进了美国机械科学的发展，并通过模仿人类手臂的基础功能发明了第一台机械手。随着科技的发展进步，人类尝试用机械手臂按照固定程序去搬运、抓取物品，再后来又逐步增加了自动控制装置。机械臂技术为国民的经济发展提供了先进的生产加工装备，并且为人类生活提供了耐用消费品，提高了人们的生活质量。现如今世界各国的发展都离不开工业机械的发展，以科学技术推动生产力发展并把它定位为经济发展的重要战略。而这项产业是最早出现的工业机器人，它可代替人去执行命令，从而实现全自动化的生产工艺，因而工业机械手被广泛应用于机械电子、冶金等基础行业工业部门。
在现今的生活中,科技日新月异的进步使得学科深层次交叉融合，科研技术的大发展催生了一系列独具特色、性能卓越的制造新源里、新工艺，且它们不断投入到机械臂工艺的生产研发中。灵活度与耐力的差异是机械臂与人类手臂最大的区别。就灵活度而言，机械手臂的结构相对简单，且以3自由度的居多，专业性强，复杂多变。而就其耐力而言，它可以在易燃、高压、易爆、高温和放射性强等恶劣环境下进行高强度的单调反复操作，不会觉得疲劳，比人类强。现代工艺中应用机械手臂去替代人类进行作业，直接减少了人力的使用，这只是一个侧面，同时连续的投入使用也将大大减少人力。因此，在现有的机床自动生产加工线上，几乎都是以机械手臂代替人力去劳动，这样能更精确的控制住了生产的节拍与效率，便与产品的机械化生产使用。更重要的是通过这门科学技术保护了人生安全，也加强产业生产的高效性、安全性。
关于机械臂技术的研究与发展，它涉及到了机械学、力学、液压与气压传动技术、计算机技术和自动控制技术等学科知识，是一门跨专业的综合性强的技术。这些生产技术赋予了时代新的特色，成为新的研究前沿。在有电子、信息、生物、纳米技术等高科技领域强有力的支撑下，机械臂技术拥有很强大的前进动力。在构造和性能上机械臂又同时兼有人和机器的各自优点，因此获得社会的广泛关注。
1.2研究的内容与意义
本课题研究源于实际生产中，这是一种用于在采伐巨型树木时切除枝干的机械臂。经过调查与研究，我们发现即使科技生活高速发展，人类对木材等原材料的依赖依旧很大。现如今，即便是在欧美等一些机械行业发达的国家，对巨型树木的采伐依旧是个难题。现存的都是对于小型树木采伐的机械工具，如芬兰的AFM公司是世界闻名的森林机械有限公司，其伐木机械装置在世界市场上名声在外。树木砍伐时具有很多危害，由于受力的不均会导致树木倒下的方向无法确定，倒下后会破坏其他树木，甚至会危害到人类的安全。于是我们从这方面展开设想，制造用于集采伐和搬运一体的巨型树木伐木机械。而且我们与传统的采伐过程是不同的，我们是先去除枝干等部分，然后再自上而下的一截一截的砍下后搬运。这种方式不但减少了安全隐患，而且防止了资源的浪费。
通过对机械手臂的研究，我们发现其机构的灵活较强、易于控制，加上它操作方式简单、可准确定位，适用于去除高处的枝干，减少了人力的浪费。然后我们确定了设计方案，通过SolidWorks软件对其进行机构结构的造型设计建模。最后对其特性分析仿真制成动画，改善设计。
社会的发展在不断提速，对原始资源的需求量也在不断增加。目前伐木业存在很大隐患，急需改善。通过查阅资料，发现国内外针对此类设备还未有更好的研究，此次的研究可以为操作增加安全与便捷。而且在工业生产中，工业机器人的投入使得各种生产加工过程机械化和自动化，这是现代技术发展不可避免的发展总趋势。
1.3机械臂的研究背景与发展
1.3.1国外机械臂技术的发展
当代科技发展给人们生活带来许多便利，如机器人等是高新技术的产物，是科技发展的代表。在18、19世纪该技术还创造了诸多奇迹，如在第一次工业革命是蒸汽机的发明、第二次工业革命发电机的大规模工业应用等。从上世纪60年代起，科学技术迅猛发展的同时，也带动了计算机和微电子等相关领域的高速发展，机器人科学技术也得到提高。以此为基础，为以后机械臂的研究铺好了发展的道路。
机器人一词最早来源于捷克的一部幻想剧，作者是著名的剧作家Karel Capek，他在1920年提出单词“robota”。后来经过演变，人们使用robot来表示机器人。【1】在那个时代机器人并没有被研发出来，人们把幻想中的机器人译为强制劳动者，但是科学幻想中的机器人已经拥有了和人同样的外貌和智慧。
1947年
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