机械臂设计毕设计说明书 - 图文

目 录

1 绪论 ························································································································ 1 1.1 前言 ······················································································································· 1 1.2 课题的来源与背景 ······························································································ 1 1.3 研究的目的和意义 ······························································································ 2 1.4 林业集材机的概述 ······························································································ 3 1.5 国内外研究现状及发展趋势 ············································································· 3 1.5.1 国内发展动态及研究现状 ············································································· 3 1.5.2 国外发展动态及研究现状 ············································································· 4 1.6 论文主要研究内容 ······························································································ 5 2 机械臂设计理论 ···································································································· 7 2.1 机械臂的组成及分类 ························································································· 7 2.1.1 机械臂的组成 ·································································································· 7 2.1.2 机械臂的分类 ·································································································· 7 2.2 机械臂的自由度及坐标形式 ············································································· 8 2.2.1 机械臂的自由度 ····························································································· 8 2.2.2 机械臂的坐标形式 ························································································· 8 3 集材机机械臂的总体设计 ················································································· 10 3.1 机械臂的设计参数 ···························································································· 10 3.2 机械臂的结构形式 ···························································································· 10 3.3 机械臂典型部件特点 ······················································································· 10 3.4 机械臂的工作范围 ···························································································· 11 4 集材机工作装置的受力分析 ············································································· 13 4.1 集材机机械臂的工况分析 ··············································································· 13 4.2 集材机机械臂的受力分析 ··············································································· 13 4.2.1 空载时各级臂架所受的弯矩 ······································································· 13 4.2.2 抓举活立木时各级臂架所受弯矩 ······························································ 14 4.3 机械臂连接处的受力分析 ··············································································· 15 4.3.1 主臂铰接处分析 ··························································································· 15 4.3.2 副臂铰接处分析 ··························································································· 15 5 基于SOLIDWORKS集材机机械臂的造型 ···················································· 17 5.1 参数化设计与SOLIDWORKS软件 ··································································· 17 5.1.1 参数化设计 ···································································································· 17

5.1.2 SolidWorks软件介绍 ··················································································· 17 5.2 集材机机械臂零部件造型 ··············································································· 18 5.2.1 旋转基座的造型 ··························································································· 18 5.2.2 其它零部件的造型 ······················································································· 21 5.3 集材机机械臂的虚拟装配 ··············································································· 22 6 集材机机械臂的有限元分析 ············································································· 24 6.1 SOLIDWORKS有限元分析模块及理论基础 ··················································· 24 6.1.1 有限元法理论基础 ······················································································· 24 6.1.2 SolidWorks的Simulation模块 ··································································· 24 6.2 机械臂零部件的有限元分析 ··········································································· 25 6.2.1 有限元分析过程 ··························································································· 25 6.2.2 主臂的有限元分析结果 ··············································································· 26 6.2.3 副臂的有限元分析结果 ··············································································· 28 6.2.4 主臂结构优化 ································································································ 29 6.2.5 副臂结构优化 ································································································ 31 结论 ····························································································································· 34 致谢 ····························································································································· 35 参考文献 ···················································································································· 36

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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

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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

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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1-1 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

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本文采用液压驱动的工作臂，机械臂采用液压驱动有如下特点： 1．反应比较灵敏，传动相对平稳，传动滞后现象小。

2．可以得到较大的输出力或力矩。一般要得到20～70 kg/cm2的油液压力是比较方便的。

3．定位精度可以达到很高。现在一般的液压机械臂在低于400 mm/s的速度且抓取重量比较轻的时候，采用一定的缓冲措施和定位方式，可以达到±1～±0.02mm的定位精度。如果采用电液伺服控制系统，不仅有较高的定位精度，而且可以任意定位，适用于高速、重载的通用机械臂。

4．比较容易控制输出力和运动速度。输出力和运动速度在一定的油缸结构尺寸下，主要由油液的压力和流量决定，通过调节相应的压力和流量控制阀，可方便地控制输出功率。

就国内而言，液压传动机械臂占机械臂总数的52%以上。根据国内外资料，液压工作臂有三种基本型式：铰接式，只有主臂和副臂；伸缩式，只有主臂和伸缩臂；混合式，既有主臂、副臂，还有伸缩臂。

通过对比分析，根据设计要求和采伐工艺要求，本文决定采用混合式。这种型式兼顾前两种型式的优点，动作灵活，工作范围广，采伐自装自卸性能好。

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3 集材机机械臂的总体设计

3.1 机械臂的设计参数

参考Cranab FC106型的集材机的各项技术参数，设计机械臂。主要的技术参数如表3-1所示。

表3-1 集材机机械臂系统的主要参数

名 称 参 数 单 位 外展 6700 mm 主臂 3100 mm 副臂 2200 mm 臂延伸臂 1400 mm 回转角度 360 0

回转力矩 28.7 KN·m 工作压力 23.5 MPa 液压油流速 120—200 l / min

3.2 机械臂的结构形式

机械臂的结构形式基本都采用箱型结构，从垂直于机械臂长度方向的截面来看，大致有如下几种，查阅相关的资料，认为下图3-1（a）的截面形式较好，整个机械臂应力流畅，无明显力流阻滞和应力集中，而且重量较轻。

(a) (b) (c) (d)

图3-1 臂架的截面结构形式

3.3 机械臂典型部件特点

1．臂架

臂架可以简化成一个细长的悬臂梁。它要求臂架强度大、刚性好、重量轻。

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因此，臂架的结构一般设计成四块钢板焊接而成的箱型梁，材料选用16Mn钢。其参数如表3-2所示。

表3-2 16Mn材料参数

材 料 弹性模量/MPa 泊松比 密度/kg/m3 屈服极限/MPa

16 Mn 2.1 0.30 7.85 355

为充分利用高强度钢的力学性能，借助现代化的有限元分析计算，按梁上各处应力趋于一致的原则，忽略焊接的残余应力，将梁设计成渐变梁。

2．连杆

连杆一般为直杆或者弓形的二力杆，也有三角结构的连杆即角杆。 3．油缸

各节臂之间用液压缸支撑，油缸为臂架的升降、伸缩提供动力，它由压力油推动活塞前后运动，从而驱动臂架运动。缸体的进油口应设有液压锁，以防止液压软管破裂时发生臂架坠落事故。

3.4 机械臂的工作范围

集材机要在一定的空间范围内进行木材的采集作业，如图3-2所示。

图3-2 机械臂工作范围示意图

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作业范围由高度H、水平工作半径R及工作深度D等参数确定。工作高度H是指各级臂全部垂直于地面时，从地面至臂端的液压抓具的距离。水平工作半径R是指当各级臂全部水平放置时，从旋转基座的回转中心至臂端的液压抓具的距离。工作深度D是指机械臂在水平位置以下工作时，地面至臂端的液压抓具的距离。

H、R、D等参数均与臂架长度有关。臂架长度是指各级臂在同一轴线上时，臂架与旋转基座铰接中心至臂端液压抓具中心的距离。

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4 集材机工作装置的受力分析

4.1 集材机机械臂的工况分析

工作装置由旋转基座、主臂、副臂、伸缩臂以及连杆机构和各种工作液压缸组成。对这些结构件的分析计算，首先应确定各结构件的不利工况，即在这种工况下对某一结构件可能出现最大的应力，以这种工况作为设计该结构件的依据。比较各个工况后，当各级臂处于水平状态，并且伸缩臂伸出时的工况是机械臂受力最不利的情况。

4.2 集材机机械臂的受力分析

当各级臂全部处于水平外伸状态时，由于各个油缸支撑着各级机械臂，可以把机械臂看做一个变截面的悬臂梁，这时其所受的载荷如图4-1所示。

图 4-1 臂架受力示意图

4.2.1 空载时各级臂架所受的弯矩

M1?G1?0.5L1?G2?L1?0.5L2??G3?L1?L2?0.5L3??G4?L1?L2?L3?

? = 10124.9?0.5?3100?7484.04??3100?0.5?2200.59??3100?2200?0.5?1400??2500??3100?2200?1400? ?1760?74440.103N?m （4-1）

M2?G2?0.5L2?G3?L2?0.5L3??G4?L2?L3?

??2500??2200?1400? .04?0.5?2200?1760.59??2200?0.5?1400=7484?22338.155N?m （4-2）

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M3?G3?0.5L3?G4?L3

=1760.59?0.5?1400?2500?1400

?4732.413N?m （4-3）

式中：Mi—各级机械臂左端点弯矩值；

G1，G2，G3—各级机械臂的自重，为简单计，以集中载荷看待； G4—机械臂末端连接的液压抓具自重； L1，L2，L3—各级机械臂的长度尺寸。

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 mm 4.2.2 抓举活立木时各级臂架所受弯矩

M1?G1?0.5L1?G2?L1?0.5L2??G3?L1?L2?0.5L3??G4?L1?L2?L3?

? = 10124.9?0.5?3100?7484.04??3100?0.5?2200??17500??3100?2200?1400? ?1760.59??3100?2200?0.5?1400?174940.103N?m （4-4）

M2?G2?0.5L2?G3?L2?0.5L3??G4?L2?L3?

? =7484.04?0.5?2200?1760.59??2200?0.5?1400? ?17500??2200?1400?76338.155N?m （4-5）

M3?G3?0.5L3?G4?L3

=1760.59?0.5?1400?17500?1400

?25732.413N?m （4-6）

式中：Mi—各级机械臂左端点弯矩值；

G1，G2，G3—各级机械臂的自重，为简单计，以集中载荷看待； G4—机械臂末端连接的液压抓具和活立木的重量（活立木重15000N）； L1，L2，L3—各级机械臂的长度尺寸。

其中，G1=10124.9 N，G2=7484.04 N，G3=1760.59 N，G4=17500 N

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L1=3100 mm， L2=2200 mm， L3=1400 mm

4.3 机械臂连接处的受力分析

4.3.1 主臂铰接处分析

已知：G1，G2，G3 ，G4为各级臂架的自重以及液压抓具的自重；L1 ，L2 ，L3为各级臂架的长度尺寸。 对主臂末端点A点求矩：

F1Y?300?G1?0.5L1?G2?L1?0.5L2??G3?L1?L2?0.5L3??G4?L1?L2?L3?

F1Y?300?74440103 （4-7）

得 F1Y?248.134KN

由垂直方向力平衡： F1Y?FAY?G1?G2?G3?G4 （4-8）

FAY?226.264KN

由臂架的几何关系有，臂架水平时，旋转基座液压缸与主臂架夹角约为750。 故有：

F1YF 1Y?sin750 （4-9）?tan750 ，

F1XF1得 F1X?F1Ytan750?66.487KN ， F1?F1Ysin750?256.887KN A点的轴向力 FAX?F1X?66.487KN 4.3.2 副臂铰接处分析 对副臂末端点B点求矩：

F2Y?680?G2?0.5L2?G3?L2?0.5L3??G4?L2?L3? （4-10）

F2Y?680?22338155得 F2Y?32.850KN

由垂直方向力平衡： F2Y?FBY?G2?G3?G4 （4-11）

FBY?21.105KN

由臂架的几何关系有，副臂水平时，连杆二与臂架夹角为300，连杆一与油缸二夹角为450。

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故有：

F2YF 2Y?sin300 （4-12）?tan300 ，

F2XF2得 F2X?F2Ytan300?56.898KN ， F2?F2Ysin300?65.710KN B点的轴向力 FBX?F2X?56.898KN第16页

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5 基于SolidWorks集材机机械臂的造型

5.1 参数化设计与SolidWorks软件

5.1.1 参数化设计

参数化设计的主要特点是实体模型代替传统的线性模型的使用，实体模型具有真实的，直观的及与实际产品接近的特点，同时实体模型也有体积、质量、质心等物理特性，因此可以方便的进行分析和制造等后续处理。参数化设计的另一个主要特征是尺寸驱动，所谓尺寸驱动就是以模型尺寸来决定模型形状，由一组具有一定相互关联的尺寸来定义一个模型。设计者修改尺寸参数后，经过再生处理即可获得新模型的形状。生产中工程人员对结构形状比较定型的产品系列化、标准化就是典型的参数化设计思想应用。

参数化设计的建模过程采用的方法是特征造型建模。基于建模对象的结构、形状以及装配关系进行合理的抽象，获得不同类型的特征。例如实体特征、基准特征、曲面特征等等。一个模型可以看作是一个在一定程度上多个不同种类的特征的组合。特征建模只需要在绘制出平面草图后通过拉伸、旋转、放样、扫描等方法就可以创建出多种基础特征，然后再在基础特征之上添加诸如圆孔、倒角等特征，使整个设计过程简洁、直观。 5.1.2 SolidWorks软件介绍

世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统就是SolidWorks软件，SolidWorks软件现在是全球装机量最大、最好用的软件。因为它使用了先进的parasolid内核、Windows OLE技术、直观式的设计技术以及良好的与第三方软件的集成技术。有关资料表明，现在全球发放的SolidWorks软件使用许可大约是28万，涉及到机车、离散制造、国防、电子通讯、交通、机械、模具、日用品、娱乐工业、食品、医疗器械、消费品、航空航天等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。在强大的设计功能和易学易用的操作协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

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由于SolidWorks软件的易学易用、功能强大及技术创新这三大特点，使得SolidWorks 成为主流的、领先的三维CAD设计软件。其能够提供很多种设计方案，以便减少设计过程中的错误以及提高产品的质量。SolidWorks 不仅功能强大，而且对于最初的设计者来说，比较容易上手且操作起来简单方便。对于用惯了微软的Windows系统的用户而言，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks的拖拽功能可以让设计者花费较少的时间就能完成大型设计的装配。SolidWorks具有同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，可以方便地用它管理CAD文件。

本文采用三维机械设计软件为SolidWorks2012版本。

5.2 集材机机械臂零部件造型

集材机机械臂主要由以下零部件组成：旋转基座、旋转支杆、主臂液压油缸、主臂、连杆、副臂液压油缸、副臂、伸缩臂等。由于三维特征造型能够全面、准确的反映零件的真实属性，因此应用SolidWorks软件分别建立机械臂各零件的三维实体模型，下面以旋转基座为例，介绍其实体建模的主要过程，其它零部件的建模过程不再赘述。 5.2.1 旋转基座的造型

图5-1 旋转基座

从图5-1中可以看到旋转基座为一个圆形凸台拉伸体，主要造型方式为凸台拉伸和切除拉伸，可以按照以下的顺序进行建模。

1．首先启动SolidWorks三维设计软件后，新建一个零件文件，首先是绘制

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零件的草图，然后拉伸成为零件的基体特征，一般为了绘制对称零件或者定位的方便，首先绘制出对称中心线。然后按以下步骤绘图。

（1）单击草图工具栏上的“草图绘制”按钮，然后选择上视基准表面打开一张新的草图。然后单击“绘制矩形”按钮，选择里面的中心矩形，点击鼠标并拖动，绘制出中心矩形。

（2）单击草图绘制工具栏上的“绘制圆角”按钮，设定圆角的半径，绘制草图的圆角。绘制出拉伸基体的草图之后，单击草图绘制工具栏上的“尺寸标注”按钮，对草图尺寸进行标注，使得草图完全定义。草图完全定义之后显示黑色。

2．拉伸基体特征

通过拉伸上面步骤所绘制出来的草图来生成特征的具体操作步骤如下： （1）单击“特征”工具栏上的“拉伸凸台/基体”命令按钮，拉伸属性管理器出现。在方向一的组框中，按以下步骤操作：1）将终止条件设定为“给定深度”，将深度设定为50mm。可以直接输入数值或者使用方向键来改变拉伸深度。2）单击确定按钮，生成拉伸特征，如图5-2所示。

图5-2 矩形拉伸特征 图5-3 圆柱拉伸特征

（2）选择上视基准面，继续绘制拉伸所需要的草图，然后确定草图的定型定位尺寸，然后拉伸凸台基体。1）将终止条件设定为“给定深度”，设置深度为100mm，并设置向内拔模角度为6度。2）单击确定按钮，生成拉伸特征，如图所5-3示。

图5-4 切除拉伸特征 图5-5 圆柱凸台拉伸特征

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（3）选中上面拉伸特征的表面，然后单击草图绘制工具栏上的“草图绘制”按钮，这时候在拉伸特征的表面上绘制一张新的草图，如图5-4所示。单击特征工具栏上的“拉伸切除”命令按钮，切除属性管理器出现。在方向一组框中，按以下步骤操作：1）设置终止条件为“完全贯穿”，单击确定按钮，生成拉伸切除特征如图5-4所示。同样在另外一个拉伸表面上绘制一张新的草图，并进行凸台拉伸，将拉伸深度设定为260mm，并向内拔模6度，单击确定按钮，生成新的拉伸特征如图5-5所示。

图5-6 圆柱拉伸特征 图5-7 圆柱拉伸特征

（4）选择右视基准面，单击“草图绘制”按钮，绘制草图，并拉伸基体，设定拉伸方式为“两侧对称”，拉伸距离为395mm。单击确定按钮，生成新的拉伸特征，如图5-6所示。采用同样的方法，再生成一个新的拉伸特征，如图5-7所示。

图5-8 圆柱拉伸切除特征

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（5）选中拉伸表面，单击“草图绘制”按钮，在拉伸表面上绘制一张新的草图，然后单击“拉伸切除”按钮，将终止条件设置为给定深度，设置深度为10mm。再对其它部位进行“圆角”特征处理，最终生成旋转基座三维模型，如图5-8所示。

5.2.2 其它零部件的造型

对于其他零部件的造型，可综合利用SolidWorks基准特征和实体特征的构建基本方法。首先构建基准特征，包括实体模型的坐标系、基准点、基准轴、基准面、基准曲线等；然后利用拉伸、旋转、扫描、混合等方法构建基础特征；最后利用材料的填充、去除等功能对基础特征进行完善，形成构造特征，并完成具体的实体特征造型。集材机机械臂主要零部件的实体造型如图5-9—5-16所示。

图5-9 机械臂主臂 图5-10 机械臂副臂

图5-11 机械臂伸缩臂 图5-12 旋转支杆

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图5-13 连杆一 图5-14 连杆二

图5-15 油缸收缩状态 图5-16 油缸伸出状态

5.3 集材机机械臂的虚拟装配

机械臂的虚拟装配是指根据各个零部件的相对位置和配合关系，然后利用SolidWorks三维设计软件将各个零部件组装成一个整体。这种装配是通过SolidWorks软件的组件模块来实现的，通过组件模块中各种配合方式的相互结合，在完成虚拟装配的同时还可进行干涉检查，来判断各个零部件之间是否存在空间位置的冲突。

打开SolidWorks软件，点击“新建”，然后点击“装配体”确定。选择插入零部件，点击“浏览”，弹出对话框，选择要装配的零部件，进行配合处理，组件完毕后得到整个机械臂的装配图如下：

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图 5-17 机械臂爆炸视图

图5-18 机械臂装配图一

图5-19 机械臂装配图二

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6 集材机机械臂的有限元分析

6.1 SolidWorks有限元分析模块及理论基础

6.1.1 有限元法理论基础

将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。现代工程设计的模拟方法，通常使用有限元方法在计算机进行仿真模拟，而不是传统的现场测试的方法。

有限元法的分析指导思想就是化整为零，截弯取直，以简驭繁，变难为易。 6.1.2 SolidWorks的Simulation模块

目前，使用计算机进行应力分析的方法有两种：第一种是利用有限元分析软件进行专业的分析，比如分析功能比较强大的Ansys软件，可以进行全面的受力分析，但用户要具有丰富的力学知识背景，还需要很多次积累经验，因为比较专业，所以比较难学；第二种是根据一些软件自带的应力分析插件来进行分析，如SolidWorks提供的应力分析工具Simulation模块，利用它可以帮助用户确定目前的设计是否满足工作的现实要求。对于一般的设计人员，在零件的应力情况不太复杂时，利用Simulation来进行应力分析显得更为简单实用。

本文首先在SolidWorks环境下完成集材机机械臂的三维实体建模,然后利用与SolidWorks无缝结合的Simulation有限元分析软件对机械臂进行分析,其优点在于结构分析时不必脱离原三维设计环境，避免了模型导入第三方软件时常见的模型失真导致分析结果不准确的问题。

SolidWorks的Simulation设计分析结果基于线性静态分析，当载荷作用于物体表面时，物体发生变形，载荷的作用将传到整个物体。外部载荷会引起内力和反作用力，使得物体进入平衡状态。线性分析有两个假设：

（1）静态假设。所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间变化）。

（2）线性假设。载荷和所引起的反应力之间的关系是线性的。例如，如果将载荷加倍，模型的反应（位移、应变及应力）也将加倍。

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Simulation模块的有限元分析过程中主要包含以下三个步骤： 1. 有限元模型的创建 （1）打开几何模型 （2）定义材料的属性

（3）划分网格（节点或单元） 2．施加载荷并运行求解

（1）施加载荷及载荷选项、设定约束条件 （2）运行求解 3．查看结果生成报告 （1）查看分析结果

（2）检验结果（分析是否正确）

6.2 机械臂零部件的有限元分析

6.2.1 有限元分析过程

根据最初选择的数据对机械臂进行详细校核，可以初步设计出机械臂的三维模型，然后进行SolidWorks的有限元分析。主要步骤如下：（1）先对模型零件的属性进行设置，包括材料、载荷的大小以及结果的单位体系等的设置。（2）材料的选择，从材料库中的材料中选取。如果材料库中没有，可以添加自定义的材料并选取（3）约束条件的设置，选择面、零件的固定位置，可以选择一组约束也可以选择几组约束。（4）设置载荷，指定产生零件应力或导致零件变形的外部载荷，如力或压力。（5）开始进行分析程序，可以设置零件网格的划分程度，网格划分越细，计算结果也就越精确。也可以根据计算机推荐的网格进行划分。（6）查看并分析结果，在分析完成后，我们可以得出相应的应变形状分布图、应力分布图和位移分布图，然后生成分析结果报告。这样就可以对已经设计出来的方案进行分析和改进，从而大大简化了设计过程中繁杂的计算量，提高了设计效率。

受力分析图可以显示出零件的屈服应力，并用不同的颜色表示应力和变形程度的不同，用蓝色表示应力和变形程度小的，用红色表示应力和变形程度大的。所以，设计者很容易找出零件的薄弱环节，对自己的设计进行修改。下面对主臂及副臂总成这两个受力零件进行有限元分析。

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6.2.2 主臂的有限元分析结果

机械臂采用16Mn钢板焊接而成，这里将机械臂所有部件处理成实体，忽略焊接残余应力，依据机械臂作业工况的多样性，分别对主臂和副臂建立有限元模型和应力应变分析。

图6-1 机械臂主臂优化前的三维模型

此时主臂的基本特性参数为：质量1038.78 kg,体积0.132 m3 ，密度7850kg/m3 ，重量10180.1 N。

由于主臂是大体积的多面的固体，故采用固体网格对它进行划分，利用Simulation网格划分的自适应性来修正网格的误差，避免了繁琐的有限元计算。

表6-1 主臂有限元模型的分网参数

网格信息细节

网格类型 所用网格器 雅可比点 最大单元大小 最小单元大小 网格品质 节点总数 单元总数 最大高宽比例

单元 (%)，其高宽比例 < 3 单元 (%)，其高宽比例 > 10

实体网格 基于曲率的网格 4 点 56.2262 mm 11.2452 mm 高 25645 12819 81306 92.3 0.842

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属性

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最终得到主臂网格化后的有限元模型如图6-2所示。

图6-2 主臂有限元模型

考虑到主臂一端是连接在旋转基座上的，为保证模型在进行应力作用时有足够的约束保持稳定，故将这部分假设为固定，作参考面约束。另一端是连接在副臂上的，在工作时这一端是受到来自副臂、伸缩臂、集材机液压抓具和活立木的力矩作用，故在这端沿着主臂基准面法向施加一个力，力的大小为26744.6 N（此为参照国产BY型液压抓具和副臂总成的重量和所得），对主臂进行有限元仿真计算，其中，求解器的类型按照SolidWorks的默认设置。仿真后得到的主臂的应力分析图如图6-3所示，应变分析图如图6-4所示，位移分析图如图6-5所示。

图6-3 主臂应力图解

根据应力结果图可以看到，主臂的应力值为1.0×103～5.998×108Pa,其中主臂与副臂的连接处应力较小，主臂与旋转基座接触处的应力较大，最大达到5.998×108Pa，可见在这两段主臂的受力最为明显。

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图6-4 主臂应变分析图解

通过应变结果图结果可知，应变最小为4.193e-009，最大处在主臂与旋转基座连接处，应变最大达8.386e-004。

图6-5 主臂位移分析图解

由位移结果图可知，在主臂与副臂的连接处位移较为明显，在1.000e-030～6.609e+000mm之间，相对于主臂的尺寸是非常微小的。 6.2.3 副臂的有限元分析结果

机械臂副臂采用与主臂相同的的分析方法，在这里只介绍其分析结果，其中副臂选用的材料与主臂选用的材料相同。基本参数为：质量976.926kg，体积0.124m3，密度7850kg/m3，重量9573.61N。

副臂总成的应力分析结果图如图6-6所示。

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图6-6 副臂总成应力分析图解

副臂总成应力分析结果：通过分析图解可知，证实了在两级副臂连接处所受应力最大的情况，此处的应变也是最大的，最大处为0.00118，最小处为1.07e-011。再结合主臂的分析结果可以肯定，应力与应变的作用效果点是相同的，两者在同一点处反映效果也相同，因此在设计时采用的措施也相同，彼此之间是相互证明的关系。

6.2.4 主臂结构优化

根据以上分析结果可知，主臂的受力变化主要集中在两端连接处，特别是主臂与旋转基座的连接处，主臂中间部位变化较小，考虑到这一情况，提出如下优化建议：

（1） 减薄主臂的中间部分，以减轻主臂的重量； （2） 加厚主臂的两端，提高其承载能力。 优化设计后的效果如图6-7所示：

图6-7 主臂优化设计效果

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优化后主臂的基本特征参数为：质量926.53kg，体积0.119m3。可见，基本参数都发生了较明显的变化，尤其是重量减轻了112.25kg，体积减少了0.013m3。根据优化后的设计重新进行分析，结果如图6-8所示。

图6-8 优化后的主臂有限元模型

优化后应力、应变、位移分析结果分别如图6-9、6-10、6-11所示。

图6-9 主臂优化后应力分析图解 图6-10 主臂优化后应变分析图解

图6-11 主臂优化后位移分析图解

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根据结果可看到，主臂受到的应力为1.0×103～3.08×108Pa，其中主臂与副臂的连接处应力较小，主臂与旋转基座接触处的应力较大。可见优化后，主臂与副臂连接处的应力有了明显的减小，证实了优化的合理效果。

位移分析效果显示位移较明显的主臂与副臂连接处的位移为6.659e+000mm，稍微增大一点，但参照尺寸基本符合实际应用要求。

应变分析结果显示主臂后端的应变为2.341e-009～1.024e-003。较优化前变化明显。

6.2.5 副臂结构优化

利用以上分析结果对副臂采取了如下优化措施：

（1）对副臂后部分根据应力分布和应变分布分析结果进行了结构减薄设计处理；

（2）对承载要求高的地方采用加固处理。 优化设计后的效果如图6-12所示。

图6-12 副臂优化设计效果

优化后的副臂基本特征参数为：质量943.33kg，体积0.119m3，质量减少了33.596kg，体积减少了0.005m3。可见在基本特征参数上优化效果比较明显，起到了减轻质量，节省材料的作用。根据优化后的设计重新进行分析，结果如图6-13所示。

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图6-13 优化后的副臂有限元模型

优化后应变、位移、应力分析结果分别如图6-14、6-15、6-16所示。

图6-14 副臂优化后应变分析图解 图6-15 副臂优化后位移分析图解

图6-16 副臂优化后应力分析图解

根据分析结果可以看到，副臂受到的应力、应变以及位移较优化前都有很好的改善，基本达到了设计的理论要求。

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以上分析结果表明，经过优化设计后，机械臂的质量、体积都发生了较明显的变化，有利于整个装置功率的合理设置，节省材料，提高作业装置（液压抓具）的承载力。通过计算机虚拟设计和对机械臂进行的有限元分析，直观的验证了利用公开资料进行虚拟设计的结构特性和结果，再现了在虚拟状态下机械臂模型受力后的应力、应变、位移分布情况。同时结合实际的作业要求，对部分设计进行了优化，以提高实际样机的可生产性。也为进行物理样机的试制提供试验依据，显著地缩短了研发周期，降低了设计与制造的成本。为今后同类型的林业机械设计提供了一种便捷、可靠的设计方法，对其他相似的工程机械设计也具有一定的参考意义。

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结 论

本文根据选定的参数对集材机机械臂结构方面进行了设计。本课题对计财经济的应用、集材机的研究现状以及研究意义进行了深入的调研，对集材机机械臂的结构设计以及驱动系统、控制系统设计等几个方面进行了比较全面和系统的分析与设计。针对集材机机械臂的设计合理性，本文应用SolidWorks软件对主要零部件进行三维实体造型，虚拟装配以及受力分析，以此达到优化设计的目的。

利用SolidWorks软件中的Simulation模块对主要零部件进行有限元分析，得到各零部件最大变形量值，最大应力值以及最大变形和最大应力产生的部位。分析其中原因的基础上，给出优化设计的方案。

本课题虽然在结构分析的有限元法处理过程中进行了较为精确的有限元模型处理，基本上做到了满足计算结果的要求，但只是基于SolidWorks软件中的Simulation模块进行的线性静态分析，还可以在选择非线性接触、合理处理网格数量等方面做进一步的全面分析和研究。

机械臂末端轨迹的规划是很重要的一个方面，即在机械臂的运动过程中，规划其位移、速度、加速度。本文在这一方面未作相应研究，后续可以对机械臂运动的复杂程度和应用广泛性以及末端的规矩规划问题进行深入研究探讨。

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致 谢

通过这三个月来的忙碌和学习，本次毕业设计已接近尾声，本课题是在导师魏占国老师的精心指导下完成的。从一开始拿到课题的一无所知，到完成此次毕业设计，期间的几个月，从对于集材机的一无所知，到现在的设计完成，我无数次茫然，无措，根本不知道从哪里下手，不知道如何完成此次的毕业设计，庆幸的是有老师和同学的鼓舞和帮助，我慢慢的知道了如何去面对它，了解它，分析和设计它。

老师的治学严谨的态度和科学研究的精神是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。从选择课题到论文结束的过程中，老师给予了我许多的帮助和教诲，设计中遇到的难题在老师的讲解和分析下也得到了解决。在这里我向给予我无私帮助和耐心指导的魏占国老师表示最由衷的感谢和最崇高的敬意！

同时感谢我学习了四年，生活了四年的母校；感谢大学四年里传授我专业知识的所有老师，谢谢他们呕心沥血的教导；还要感谢10级森林工程一班的所有同学，谢谢他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。最后，感谢我的父母。谢谢他们给了我无私的爱，为我求学所付出的巨大牺牲和努力。

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参 考 文 献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6tbx.html