我是你明哥
范文一：交织器解交织器设计说明文档
交织器与解交织器的 Verilog 设计 0 引言
在数字通信中由于信道固有的噪声特性以及衰落特性 , 信息在有干扰 信道传输时不可避免的会发生差错。为了提高通信系统信息传输的可靠 性,一般采用纠错编码技术来提高通信系统抗干扰能力。但是当信道发生 突发差错时,会造成连续的错误,超过纠错码的纠错能力。交织技术作为 一项改善通信系统性能的方式,将数据按照一定的规则打乱,把原先连续 的差错分散开来,使突发性错误转化为随机性错误,能够提高通信系统抗 突发差错的能力和降低译码复杂度。
VHDL 作为一种硬件设计时采用的标准语言 , 降低设计 FPGA 的难度 , 使整 个系统的设计和调试周期缩短。本设计利用 FPGA 实现交织 , 能大大缩减电 路的体积 , 提高电路的稳定性。
1 卷积交织和解交织的原理
交织过程可算作一个编码过程 , 他把经过纠错编码的数据进行一定的 排列组合 , 提高原有纠错编码的纠突发错误的能力。数字通信中一般采取 的同步交织有 2 种 :
(1) 块交织
也叫矩阵行列转置法。可以表述为一个二维存储器阵列 ( N × B ) 。 交织过程是数据先按行写入 , 再按列读出 ; 解交织过程则相反,是数据先按 列写入 , 再按行读出。
块交织结构简单 , 但数据延时时间长而且所需的存储器比较大。 (2) 卷积交织
交织器的输入端的输入符号数据按顺序分别进入 B 条支路延时器 , 每一路延时不同的符号周期。第一路无延时 , 第二路延时 M 个符号周期 , 第 三路延时 2M 个符号周期 , … , 第 B 路延时 ( B - 1 )M 个符号周期。交织器的 输出端按输入端的工作节拍分别同步输出对应支路经延时的数据。
卷积交织每条支路符号数据的延时节拍为 di = ( i - 1)M B , i = 1, 2, … , B 。解交织器的延时数与交织器相反。
图 1 卷积交织器和解交织器原理图
在仔细对比块交织和卷积交织两种方法之后,考虑到缩短延时和减小 器件体积,小组决定采用卷积交织的方法来设计。
然而实现卷积交织的延时方法有多种,一是采用 移位寄存器法 ,直接 利用 FIFO 实现每条支路的延时, 这种方法实现简单, 但是当 B 与 M 值较大时, 需要消耗大量的寄存器 (图 2所示 ) ;二是利用 RAM 来实现移位寄存器 的功 能,通过控制读/写地址来实现每条支路延迟。
在做课程设计的过程,我们考虑过第一种方法,因为其设计思路和做 法都相对简单,但是当需要较大的延时数时,移位寄存器变得很大,占用 了大量的编译时间和芯片空间,实际中并不可取。
我们最终采用了 RAM 来实现移位,合理地设计读写地址按规律变化, 即可实现所要的延时。下面将阐述设计细节。
2 卷积交织器和解交织器的 VHDL 设计
设计要求,交织深度 B = 12 , M = 17 , 即有 12条数据通路。本小组采用 RAM 来实现输入数据的时延,按照一定的读写地址规律同时读写 RAM 中 的存储单元。实现框图如图 4
其中输入的数据为 16位的顺序循环序列,循环范围 0--1000,方便观察 仿真结果; 读写使能控制信号受时钟的上升沿控制; Flag 端口是通道 0的标 志,使输入数据直接输出。
本设计中的 关键点是 RAM 地址的分配和读写地址的产生 。所谓 RAM 移位法是把 RAM 地址分给 12支路,每一支路对 RAM 存储单元的读写实现 类似于对移位寄存器的操作。为了使所用资源最优化,采用电路计算得到 读写地址。
交织器各通道的写地址如下图所示,而读地址则在写地址的数值上加 1,通过计算可以知道,第 0通道无延时;第 1通道延时 17*1个时钟周期; 第 2通道延时 17*2个时钟周期 ...... 依此类推,第 11通道延时 17*11个时钟周 期。总共所需存储单元数为 1 + 18 + .... + 188 = 1134,相应的要用到地址总 线为 11b 。也就是说要用到 2k 的 RAM 。
图 5. 交织器写地址
总结为数学计算公式, 设第 i 通道的基地址为 bi(base address), 尾地址为 ci ,各通道的变址为 ai ,则 RAM 的读写地址的变化规律为:
第 i 通道读地址 : rd_add = ai + bi ;
第 i 通道写地址 : wr_add = ai + bi - 1; 当 ai ≠ 0
wr_add = ci; 当 ai = 0 ;
解交织器则与此相反, RAM 写地址如下
图 6. 解交织器写地址
生成上述的读写地址的实现框图如下所示
图 7. 读写地址产生的逻辑框图
以上所述讲解了读写生成器的实现思路,可以说成功实现这个模块, 交织器就基本做完了。
下面再简单阐述一下 RAM 的实现过程,原本可以使用 Quartus 自带的 RAM 模块,但考虑到课程设计的学习性质,决定自己实现一个 RAM 。 从上述分析可知,我们需要 2 个 2K * 16 的 RAM 模块,一个用于存储 交织器输出的数据,一个用于存储解交织器的输出数据。实现的方法也很 简单,构造一个 2048 * 16 的二维数组, 16位的地址通过 conv_integer从 std_logic_vector[15..0]转为 integer ,作为数组的下标,这样就把数据存入了 数组对应的存储单元,实现了 RAM 的功能。
最后从全局的角度看下我们设计的整个交织 \解交织的系统,系统框图 如下
3 设计仿真结果
通过 ” seq.vhd ” 、 ” w_r_addcreat.vhd” 、 ” ram.vhd ” 、 ” decode_add_creat.vhd” 这 4个文件生成 5个模块电路,在 quartus 中连接好后,再将图形文件转化成 一个 vhd 文件 ” inter.vhd ” ,然后在 ModelSim 中进行仿真,仿真波形如下所示
图 9. 交织器输出读、写地址
从仿真结果可以看到交织器写地址依次输出 0、 1、 19、 54、 106、 175、 261、 364、 484、 621、 775、 946、 0、 2、 20、 55...... 一直这样循环重复下 去,而读地址则滞后一位 (第 0通道除外 ) ,与设计初衷一致。
图 10. 0-1000顺序序列发生
上图为顺序序列的仿真结果, 可以看到, seq_out输出从 0数到 1000反复 循环,这样设置的目的是便宜观察解交织器的输出结果,可以推想到若输 入的序列是随机的,解交织器也可以同样地还原出来。
图 11.
解交织器输出读、写地址
从仿真结果可以看到解交织器写地址依次输出 0、 188、 359、 513、 650、 770、 873、 959、 1028、 1080、 1115、 1133、 1、 189.... 一直这样循环重复下 去,而读地址则滞后一位,与设计初衷一致。
图 12. 交织 \解交织数据输出 (初始图 )
图 13. 交织 \解交织数据输出 (解交织有数据输出 )
从交织 \解交织输出数据波形图可以看出, 在交织器 RAM 数据未填充完
成前,解交织出的数据都是随机的,然后在延时 12 * (12-1)*17 =2244个时 钟周期之后,解交织出正确的数据。仿真结果与设计初衷一致。
至此,设计和仿真都完成了。
4 课程设计总结
经过小组队长的组织协调和各成员积极配合,我们的课程设计在进行 了 3天的努力攻关之后,终于圆满地达到了所有技术指标。我们从不知交 织器为何物到最终设计出来,期间遇到过无数的挑战和烦恼。
举个例子,在写 vhd 程序的时候,由于分不清 variable 和 signal 的区别, 我在定义的时候都是随便用的,结果就是编译虽然通过了,但仿真时出现 许多莫名其妙的时序错误,本来判断好一个信号将被赋值却不知为何要等 到下个时钟才能做出判断,这个问题曾纠结了我们队半天之久。由于不知 道问题出在哪,队长决定从头把 VHDL 的课本看一遍,在翻到讲述信号的 章节时, 一句话让队长我恍然大悟, ” 信号幅值有延迟, 信号的赋值在进程 结束后才生效 ” , 我欣喜若狂, 立马把程序重新写了一遍, 顺利地解决了这 个时序错乱的问题。
还有我在用 Quartus 编译时发现他对 RAM 的编译速度实在太慢, 在查询 相关资料后发现 Quartus 的编译过程中还要对程序进行综合, 生成各种门电 路, RAM 由于写得较大,门电路很多,编译效率自然很低。由于我们现在 只处于仿真的初级过程,于是决定更换 ModelSim 进行编译,果不其然,速 度快了很多。后期我们又联合地使用两个工具,利用 Quartus 的强大自动生 成 vhd 文件,画图等,利用 ModelSim 强大的仿真能力进行功能仿真,很好 地运用了 Altera 公司的两大利器。
像这样的遇到问题 -->解决问题的过程还有很多,但不管怎样,我们终 于克服了重重困难障碍, 完美实现了交织 \解交织器的功能, 对数字系统设 计的流程有了进一步的了解。
通过这一次 VHDL 课程设计, 我们提高了查阅资料、 小组合作分工、 共 同排艰克难的能力,将课上所学知识运用到了实际,可谓收获良多。 最后感谢姜老师和实验课师兄的指导帮助,感谢你们的辛勤付出,希 望我们小组的课程设计可以得到你们的认可,谢谢。
范文二：工作流图形设计器详细设计说明
工作流平台——工作流设计器
详细设计说明
1 引言
1.1 编写目的
为符合软件需求并对本软件系统各功能模块进行说明，以便编程人员进行程序的编制设计，同时贯彻需求报告中所确定的通用性、完整性、可靠性及可维护性原则，做到结构合理、方便、快捷、规范开发人员的工作，特编制本详细设计说明书。 适用对象:
软件开发者(Supplicrs)，以便准确地理解客户需要什么样的产品和各功能模块的具体设计和编制。
1.2 背景
在企业日常经营管理活动中，为适应市场快速变化的需要，企业要经常调整自己的管理流程，这就是我们经常提到的流程重组。通常的流程重组只是将现有的业务处理次序进行改变或改变具体的执行角色或减少不必要的环节，因此，这就要求开发的计算机管理系统业务功能没有增加的情况下能根据需要随时调整处理流程。将工作流技术与业务系统结合可以很好的解决以上的问题，这也是工作流技术的应用越来越多的主要原因。
WfMC(工作流管理联盟)给出的工作流概念为:工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则、文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行。事实上，工作流技术就是业务流程的计算机化或自动化，它将过程逻辑从业务逻辑中分离出来，由工作流引擎专门完成对过程逻辑的计算，从而使开发人员将主要精力集中在业务逻辑的处理上。
工作流程设计器是工作流平台的一部分，它提供用户对自己的流程进行定义的功能。
系 统 名 称:工作流程设计器(HTCS——WorkFlowDesigner)
1.3 参考资料
《workflow.mdl》 作者:
《工作流管理联盟工作流标准》4Broad 译(V1.0) 2 系统结构
2.1 功能概述
工作流程设计器是工作流平台中不可或缺的一部分。工作流程设计器以图形的方式为建
模人员提供了一个方便的工作流程建模环境。 2.2 系统效果图
图2.0 系统效果图 2.3 系统结构图
详见workflow.mdl
2.4 建模效果图
图2.1 工作流效果图
2.5 名词定义
1) 工作流(WorkFlow):
工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则、
文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行。事实上，工作流技术就
是业务流程的计算机化或自动化，它将过程逻辑从业务逻辑中分离出来，由工作流引
擎专门完成对过程逻辑的计算，从而使开发人员将主要精力集中在业务逻辑的处理
上。
2) 工作流引擎(WorkFlowEngine):
工作流引擎使具体应用系统中的工作流从一个个体“流”向另外一个个体，实
现工作流的自动化。它完全是一个后台驱动，对于用户来说是不可见的。它主要包括
运行服务功能、监控管理功能。
3) 工作(Job):
一个工作流程称为一个工作(Job)。一个工作流的定义包括模板和实例两个部分，
模板用于描述工作流定义，用于工作流应用的设计阶段;实例是将模板用于启动工作
流程时对模板的拷贝。
每个工作都有一个创建者(Creator)，他是启动此工作的人。每个工作可以有多
个拥有者(Owner)，拥有者具有撤销、挂起、强行终止工作的权力。每个步骤都有一个处理者(Handler)，他是模板中定义的Step执行人。
4) 步骤(Step):
组成Job的每个执行单元称为步骤(Step，又称为节点)，工作开始的第一个Step称为开始节点(StartStep)，工作结束的最后一个Step称为结束节点(EndStep)。
由工作流引擎负责Step状态间的转换。Step有“初始”、“就绪”、“执行”、“挂起”、“终止”、“执行后”、“完成”七种状态。当进入该Step时状态为“初始”;系统自动执行完PreAction后状态转换为“就绪”;当Handler确认接收后状态转换为“执行”，然后系统自动执行InAction;在执行态Handler可以对Step进行“挂起”、“终止”的操作;当Handler确认完成后状态转换为执行后;系统自动执行完AferAction后状态转换为完成。
5) 活动(Action)
在Step中执行的任务称作活动，活动是工作流系统中已经定义的公共过程。活动共有以下几种类型:InitAction，PreAction，InAction，AfterAction。
6) 路由(Router):
每个Job都是由一系列具有逻辑关系的Step组成，这些逻辑关系构成Step的路由(Router)信息。路由的逻辑分为三种:顺序、分支、汇聚。
顺序路由:工作流从连接路由的上一个Step流向且只能流向连接路由的下一个Step。
分支路由:工作流经过分支路由时，首先判定条件，根据条件的判定结果选择其中的一个或全部分支向下流动。
汇聚路由:多个Step流经一个路由时，该路由为汇聚路由，它与分支路由一一对应。如果汇聚路由的上级结点是与关系时，则需要等待上级所有结点执行完才进行该路由;如果汇聚路由的上级结点是或关系时，则上级结点有一个执行完即进行该路由。
以下为路由的几种形式的演示:
顺序上结点下结点路由
图2..2 顺序路由
上结点判定下结点1
下结点2
图2..3 判定路由
汇聚上结点1下结点上结点2
图2..4 汇聚路由
上结点判定汇聚中结点1下结点
中结点2
图2..4 判定、汇聚路由需要组合出现
上结点
判定
中结点1中结点2
判定
中结点3中结点4
汇聚
中结点
汇聚
图2..5 嵌套路由
下结点
3 系统组件划分
, 开始结点
, 普通结点
, 结束结点
, 路由
, 连接线 指针 以上组件在工具箱中的效果图如下:
开始结点
结束结点
普通结点
路由
连接线
3.1 开始结点
3.1.1 功能描述
每个工作流有且只有一个开始节点(StartStep)，它表示工作流程的开始。它在工作流
程建模时的效果图如下:
3.1.2 接口属性
A) NodeLeft 说明:它在设计器中，距离设计器左边框的像素值。
B) NodeTop 说明:它在设计器中，距离设计器顶端边框的像素值。
C) NodeWidth 说明:结点宽度，只读。
D) NodeHeight 说明:结点高度，只读。
E) NodeName 说明:结点名称，显示在结点下端的文本，名称不可重复。
F) NodeID 说明:结点编码，只读。系统指定。
G) NodeDescribe 说明:结点描述信息。
H) AssignType 说明:指派类型，EnumAssignType枚举
I) Handler 说明:处理人。与AssignType对应。
J) NextRouter 说明:下一个路由的ID。
K) InitAction
3.1.3 算法实现
拖动效果实现:
btn.MouseDown+=new MouseEventHandler(btn_MouseDown); btn.MouseUp +=new MouseEventHandler(btn_MouseUp);
private void btn_MouseDown(object sender, MouseEventArgs e) {
Button btn1 = (Button)sender;
btn1.DoDragDrop(btn1,DragDropEffects.Move);
}
private void MenuPanel_DragEnter(object sender, DragEventArgs e) {
e.Effect = DragDropEffects.Move;
}
private void MenuPanel_DragDrop(object sender, DragEventArgs e) {
if(e.Data.GetDataPresent("System.Windows.Forms.Button"))
{
Button btn1 = (Button)e.Data.GetData("System.Windows.Forms.Button");
btn1.Location = new Point(this.PointToClient(new Point(e.X,e.Y)).X,0);
}
}
控件背景透明实现:
1. Add the transparent style to the control window.
Protected override CreateParams CreateParams
{
get
{
CreateParams cp = base.CreateParams;
cp.ExStyle |= 0x20;
return cp;
}
}
2. Override the OnPaintBackground event. This is necessary to prevent the background to be painted.
Protected override void OnPaintBackground(PaintEventArgs e)
{
// do nothing
}
3. Override the OnMove event with the following code.
Protected override void OnMove(EventArgs e)
{
RecriateHandle();
}
3.2 普通结点
3.2.1 功能描述
它表示工作流中的一个步骤。它在工作流程建模时的效果图如下:
3.2.2 接口属性
A) NodeLeft 说明:它在设计器中，距离设计器左边框的像素值。
B) NodeTop 说明:它在设计器中，距离设计器顶端边框的像素值。
C) NodeWidth 说明:结点宽度，只读。
D) NodeHeight 说明:结点高度，只读。
E) NodeName 说明:结点名称，显示在结点下端的文本，名称不可重复。
F) NodeID 说明:结点编码，只读。系统指定。
G) NodeDescribe 说明:结点描述信息。
H) AssignType 说明:指派类型，EnumAssignType枚举
I) Handler 说明:处理人。与AssignType对应。
J) NextRouter 说明:下一个路由的ID。
K) PreAction
L) InAction
M) AfterAction
3.2.3 算法实现
同3.1.3小节
3.2.4 集合体
继承自ArraryList
3.3 结束结点
3.3.1 功能描述
它表示工作流中的最后一个步骤。它在工作流程建模时的效果图如下:
3.3.2 接口属性
同3.2.2小节
3.3.3 算法实现
同3.1.3小节
3.4 路由器
3.4.1 功能描述
它表示结点之间的逻辑关系。它在工作流程建模时的效果图如下:
3.4.2 接口属性
A) RouterLeft 说明:它在设计器中，距离设计器左边框的像素值。
B) RouterTop 说明:它在设计器中，距离设计器顶端边框的像素值。
C) RouterWidth 说明:路由器宽度，只读。
D) RouterHeight 说明:路由器高度，只读。
E) RouterName 说明:路由器名称，显示在路由器下端的文本，路由器不可重复。
F) RouterID 说明:路由器编码，只读。系统指定。
G) RouterDescribe 说明:路由器描述信息。
H) SourceSteps
I) ConditionFunc
J) IsNeedTranKey
K) ResultSteps
3.4.3 算法实现
同3.1.3小节
3.4.4 集合体
继承自ArraryList
3.5 连接线
3.5.1 程序描述
连接结点与路由器、路由器与结点之间的有向线段。 3.5.2 接口属性
未设计
3.5.3 算法实现
未设计
3.5.4 集合体
继承自ArrayList
范文三：拱桥设计说明设计说明
七号港桥施工图设计说明
一、工程概况
七号港桥桥梁中心桩号：K0+397.270，桥长26.103m，桥梁与路线斜交，斜交右偏（桩号前进方向右侧）角度84°。本桥采用单孔15m上承式钢筋混凝土板拱桥；下部结构桥台2、计算行车速度：50km/h 3、设计荷载：城-A级 4、设计基准期：100年
5、抗震标准：按地震基本烈度Ⅵ度设防,地震动峰值加速度0.05g。 采用重力式桥台，桩基础采用钻孔灌注桩基础。
二、设计依据
? 城市桥梁设计规范（CJJ 11-2011) ? 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）
? 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004） ? 公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007） ? 城市桥梁抗震设计规范（CJJ 166-2011）
? 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范（JTG/T B07-01-2007） ? 城市桥梁桥面防水工程技术规程（CJJ 139-2010） ? 公路交通安全设施设计细则（JTG/T D81-2006） ? 公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006） ? 公路桥涵施工技术规范（JTJ/T F50-2011） ⑴ 公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004） ⑵ 预应力桥梁用塑料波纹管(JT/T 529-2004) ⑶ 城市桥梁工程施工与质量验收规范（CJJ 2-2008）
⑷ 公路工程质量检验评定标准（土建工程）（JTG F80/1-2004） ⑸ 公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004） ⑹ 初步设计文件评审意见 ⑺ 其它相关文件及批复
三、设计标准
1、道路等级：城市次干路
6、结构设计安全等级：二级（结构重要性系数1.0） 7、结构环境类别：Ⅰ类
8、通航水位4.4m；50年一遇排涝水位5.09；通航净空≥2.0m。
四、工程地质情况
1、场地岩土层的构成和特征
拟建场地准平原地区与山前地段第四系地层分布特征和基岩埋深均有较大变化，拟建场地地层结构大致可分为：
现根据本次勘探，在地表向下67.0m勘探深度范围内，根据外业勘探、双桥静力触探曲线线形和以《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024-85）命名规则的室内土工试验结果分层定名，拟建场地地层可分为八大层，细分为14亚层，自上而下描述如下：
4.1.1第四纪地层特征：
①填土（Q4）：灰褐色、灰黄色、黄褐色、杂色，内含少量碎石、碎砖、石子等的建筑垃圾和生活垃圾，松散，性质不均，含有机质和植物碎屑，层厚0.5～5.6m。
②亚砂土（Q4）：灰黄色、灰褐色、灰色为主，很湿，稍密为主，部分中密，局部为粉砂，摇振反应迅速，干强度低，韧性低，含云母及氧化铁，层顶高程为2.36～4.92m，层厚0.5～3.0m。
③-1 亚砂土（Q4）：灰黄色、灰褐色、灰色为主，很湿，稍密为主，部分中密，局部为粉砂，摇振反应迅速，干强度低，韧性低，含云母及氧化铁，层顶高程为4.25～-1.40m，层厚1.3～5.9m。
③-1a 亚粘土（Q4）：灰色，软塑～流塑，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含有机质，局部为淤泥质亚粘土或亚砂土，层顶高程为2.01～0.98m，层厚0～3.1m。
③-2 亚砂土（Q4）：灰黄色、灰褐色、灰色为主，很湿，中密，局部为粉砂，摇振反
应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，含云母及氧化铁，层顶高程为-0.28～-3.25m，层厚1.00～6.2m。
③-2a 亚粘土（Q4）：灰色，软塑，微层状～层状，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含有机质及少量白色贝壳碎屑，局部为亚砂土或淤泥质亚粘土，层顶高程为-2.45m，层厚0～0.8m。
③-3粉砂(Q4）：灰色、灰褐色，中密，摇振反应迅速，干强度低，韧性低，局部为亚砂土，层顶高程为-2.45～-7.18m，层厚3～10.6m。
③-3a 亚粘土（Q4）：灰色，软塑，微层状，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含有机质及少量贝壳碎屑，局部为亚砂土或淤泥质亚粘土，层顶高程为-6.74～-10.12m，层厚0～3.6m。
④淤泥质亚粘土（Q4）：灰色，流塑，饱和，微层理，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含有机质及贝壳碎屑，部分为淤泥质粘土，层顶高程为-12.55～-14.28m，层厚3.7～14m。
⑥ 亚粘土（Q4）：灰色、灰褐色，软塑为主，微层状，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含有机质及少量贝壳碎屑，部分为淤泥质亚粘土，层顶高程为-16.85～-28.28m，层厚2～10.7m。
⑦亚粘土（Q3）：灰黄色、灰绿色，可塑为主，微层理，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含少量钙质结核，局部粘土，层顶高程为-28.57～-30.38m，层厚0～3.20m。
⑨-1a粉砂（Q2）：灰色、灰褐色，中密，摇振反应迅速，干强度低，韧性低，部分为细纱或中砂，层顶高程为-26.04～-32.58m，层厚0～9.5m。
⑨-1圆砾（Q2）：青灰色、局部灰黄色，中～密实，砾石含量为45％～55％，局部为砾砂，磨圆度较好，一般呈圆状～次圆状，最大粒径达10cm以上，一般在2～7cm，砾石成分为粉砂岩及火山岩等，充填物为砂，层顶高程为-29.95～-40.47m，层厚1～6.0m。
⑩-3弱风化粉砂岩(K)：灰黄色，粉砂结构，块状构造，岩芯较完整呈柱状，为软岩，锤击易碎、清脆，裂隙一般发育，岩体基本质量等级为Ⅴ级，层顶高程为-55.97～-56.08m,厚度大于5米，未揭穿。
2、场地岩土工程性质分析与评价
本地区主要沉积了一套河漫滩相～浅海相～海陆过渡相～河床相沉积物，没有崩塌、滑坡等不良地质作用存在，未见有影响场地稳定性的全新活动断裂通过，场地稳定性好，
满足拟建道路、桥梁的稳定性要求，满足本工程建设的要求。
本建设场地地表填土层主要为①层填土层，厚度变化较大，性质差，不宜利用；其下为②层亚砂土，力学性质一般，可作为拟建道路路基和管线的基础持力层，应注意该层局部地段厚度较小、埋藏较深；③-1层亚砂土，性质较好，厚度基本稳定，可作为拟建道路路基和管线的基础持力层，但夹层③-1a 亚粘土，性质差；③-2 亚砂土，性质较好，但夹层③-2a 亚粘土，性质差；③-3层粉砂，性质好，但夹层③-3a 亚粘土，性质差；④层淤泥质亚粘土、⑥层亚粘土为本工程的主要软弱层，含水量高、孔隙比大、低强度、高压缩性，工程性质极差；⑦层亚粘土，性质尚可，⑨-1a层粉砂，性质较好，其下有更好的持力层⑨-1层圆砾，工程性质好，分布均匀，可作为拟建桥梁基础的桩基持力层。
场地内基岩风化层不发育,第四纪地层⑨-1圆砾下直接为弱风化粉砂岩，分布基本稳定，性质好、厚度大，可作为大荷载建筑物的桩基持力层。
3、场地水文地质条件及评价
本区存在有一潜水含水层，潜水含水层为地表下1.0m左右,地下水为孔隙潜水，水化学类型为CI-—HCO—Ca、Ma型，pH=7.0。潜水埋藏较浅，在勘察期间在钻孔内测得其埋深在地表下0.9～3.0米，相当于国家高程的2.75～4.55米之间，该层潜水主要受大气降水和河水补给，地下水位随季节性有所变化。
根据本次勘探时在钻孔ZK28内所取水样进行水质简分析试验结果，按《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）有关指标规定，分析评价得出：本场地地下水、地基土对钢筋混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀性弱。
4、场地地震效应分析与评价
根据国标《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）的规定，拟建场地的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，属于对建筑抗震不利地段。
根据本场地土的性质，依据《建筑抗震设计规范》（GBJ 50011-2001）表4.1.3之规定，可确定该场地地基土类型为软弱场地土；本场地覆盖层厚度约为60m，判定建筑场地为Ⅲ类场地。
根据国标《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）规定，本区抗震设防烈度为6度，可不进行液化判别。
5、场地不良地质作用
本拟建场地勘探孔位置处及建筑场地均未发现崩塌、滑坡等不良地质体及不良地质作用。本地区上部沉积的三角洲相沉积物中，普遍分布有亚砂土，该土层在一定动水压力作用下极易产生流砂、管涌现象。但场地内河流、池塘、暗塘较多以及沿线填土厚薄不均，施工中应引起重视。
五、材料
1. 混凝土
C40砼：主拱圈、副拱圈及系梁 C30砼：拱座、承台 C30水下砼：桥台桩基 C25砼：克顶
C20砼：人行道垫层、桥面调平层及桥台承台底垫层 C20片石砼：侧墙 2．沥青混凝土
4cmSMA-13型细粒式改性沥青混凝土 5cmAC-20C型中粒式沥青混凝土 7cm AC-25C型粗粒式沥青混凝土 3．石料
片石：一般指用爆破或楔劈法开采的石块，其中部厚度不应小于150mm（卵形或薄片者不得采用），强度等级不低于MU30。
块石：形状应大致方正，上下面大致平整，厚度为200mm～300mm，宽度约为厚度的1.0～1.5倍，长度约为厚度的1.5～3.0倍，强度等级不低于MU30。
4．其它
拱上填料：轻质粉煤灰； 台后填土：级配塘渣； 装饰：毛石和天然石料； 栏杆：青石栏杆； 护拱：采用M10浆砌片石；
主拱与拱上填料之间采用防水层（三油二毡）隔开。
变形缝采用沥青木丝2cm处理。 5．钢材
钢绞线：应采用符合中华人民共和国国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2003）规定的高强度低松弛钢绞线，单根钢绞线公称直径15.2mm，抗拉标准强度为fpk=1860MPa。
钢筋：HPB300钢筋应符合国家标准《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）的规定；HRB400钢筋应符合国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）的规定。
六、设计要点
（一）初步设计评审意见执行情况 施工图设计严格按照初步设计意见执行。 （二） 桥梁总体设计 1．高程与坐标系统
采用1985国家高程基准、杭州坐标系。 2．纵断面设计
本桥设计起点设计高程8.524m，设计终点设计高程8.563m。全桥位于竖曲线上，最高点高程为8.629m；
4．横断面设计
从南向北布置为：0.25m栏杆+3.0m人行道+2.5m绿化带+3.5m 非机动车道+2.0m侧分隔带+ 7.5m机动车道+1.0m中央分隔带+12.5m机动车道+1.0m机非分隔带+3.5m 非机动车道+3.5m人行道+0.25m栏杆=40.5m。
根据管线过桥要求，在南侧人行道下预留给水管通道，北侧人行道下预留煤气管道通道。电力、电信也布置与人行道下随桥过河。
桥面设置1.5%的单向横坡。 （三） 上部结构
主拱圈跨径为L=15m，矢高为f=3.1m，矢跨比f/L=1/4.839，主拱圈工轴线采用圆曲线，曲线半径R=10.623m。主拱圈厚度为0.5m，采用钢筋混凝土结构。
副拱圈跨径为L=2.5m，矢高为f=0.7m，矢跨比f/L=1/3.571，主拱圈工轴线采用圆曲
线，曲线半径R=1.466m。主拱圈厚度为0.25m，采用钢筋混凝土结构。
（四） 下部结构
桥台采用重力式桥台，台身高在3.931m；基础采用双排桩接承台形式，承台厚度为2.3m，桩基直径为1.2m，桩长为45m，桩基均采用钻孔灌注桩，桩底进入圆砾层。
为平衡拱桥水平推力，在承台间设置系梁，系梁尺寸为0.6mx0.6m，系梁采用预应力混凝土结构。
（五）桥面铺装
桥面铺装由下至上为： 沥青油毛毡防水层+平均33.8cmC20砼调平层+封层+PC-2型乳化沥青透层+ 7cm厚AC-25C型粗粒式沥青混凝土+5cmAC-20C型中粒式沥青混凝土＋4cmSMA-13型细粒式改性沥青混凝土。
（六）人行道栏杆
人行道两侧均采用青石栏杆。 （七）桥面排水
桥面积水由横坡最低处经纵坡汇入桥头两侧道路雨水口内。 （八）强制性条文执行情况
本设计严格执行中华人民共和国《工程建设标准强制性条文》有关规定。
七、施工注意事项
施工时除严格遵守中华人民共和国交通部颁标准《公路桥涵施工技术规范》、《公路工程质量检验评定标准》有关要求外，尚应注意：
（一） 材料
1．混凝土：上部结构采用高强度等级混凝土，因而必须仔细研究确定施工工艺和选用的材料，进行高强混凝土最佳配合比设计与试验，控制质量，控制标准和检测方法，并严格执行；为保证全桥颜色的一致性，建议采用同一厂家同一品牌的水泥用料。
2．钢材：普通钢筋、预应力钢材和锚具应按设计技术指标进行购货，并按照中华人民共和国交通部颁标准《公路桥涵施工技术规范》有关要求，进行严格验收和检验。 （二）上部结构施工
1．本桥上部结构采用满堂支架现浇，施工中应做均匀卸架设计。为减小砼收缩的影响，
拱圈的砼应采用干湿性砼。拱上建筑由拱脚向拱顶均衡对称进行施工。拱圈砼若条件允许，应一次浇筑，若分浇筑，其工作缝位置需经设计单位同意。
2．预拱度设置：主拱拱顶的预拱度为1.8cm，按二次抛物线分配。
3．主拱两个铰均采用钢筋暗铰，暗铰钢筋在铰位置15cm范围内须进行防锈处理，处理方案为：防锈漆一道，沥青二道。
4．所有料石加工尺寸需准确，表面加工需精细，料石之间接触面需平直，水泥砂浆应饱满。
5．桥面结构层施工要求参考道路施工图。 6．拱顶设三油二毡防水层
7．构件浇筑前应严格检查预埋件、预留孔的位置和数量，确保准确无误。
8．施工单位施工前，应认真进行拱架计算，以确保施工安全。卸拱架之前须保证拱的强度和刚度。
9．为防止砼裂缝和边棱磁损，砼强度达到25MPa时方可拆侧模。 10．拆除支架应由拱脚至拱顶对称、均衡进行，并注意观测拱肋变形。
11．拱上填料应两侧对称进行回填，分层夯实，每层厚度不大于30cm，压实密实度同路基要求，并不小于95％，应采用人工或小型机械压实，严禁采用大型机械回填和碾压。
（三）下部结构施工
1．桩基施工前，施工单位在校核桩位坐标无误后方可放样，并且在放样完毕后应用
钢尺对桩位进行多方位的丈量校核，确认无误后方可施工桩基。
2.钻孔桩钻孔时应严格按照《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2004）中有关桥梁工程的基础施工规定进行施工。
3．施工时如果发现实际地质情况与设计地质资料所揭示的有出入时，应及时通知监理和设计代表，以便研究调整桩长。
4．桩基应严格清孔，桩底沉淀厚度应小于10cm，由于桩位范围内多处出现淤泥质亚粘土、软塑、流塑性亚粘土等不良地质，施工单位应采用可靠的施工措施，确保钻孔不出现塌孔、缩颈等情况。采用机械成孔的桩基应逐孔进行质量检测。
5、系梁施工
（1）系梁施工前应对系梁第地基进行夯实处理，系梁底部从上之下设置10cmC15素混凝土垫层+20cm级配碎石垫层。
（2）系梁预应力张拉
系梁混凝土浇筑后，对混凝土试件检查，强度大于设计强度的90%，龄期达到7天后方可张拉。钢绞线应左右对称张拉，张拉顺序详见《施工步骤图》。放张将千斤顶缓慢分次回油到零，再用砂轮切割机对称切割钢绞线。空心板上拱值不大于2.5cm。
对已浇筑的系梁要求经过如下三个方面校核后，方可进行下一步施工： a、截面各细部尺寸中线误差是否满足施工规范要求； b、混凝土强度是否达到设计强度；
c、预应力的锚下控制张拉力和钢绞线的伸长量是否达到设计值。
并应随时测量，根据实际情况进行调整。张拉程序按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）进行。
（3）管道压浆
预应力管道应在张拉后尽早压浆，要求管道压浆密实，水灰比不大于0.4，不允许掺氯盐、铝粉，可掺减水剂，其掺量由试验决定，为减少收缩，可掺入专用膨胀剂。压浆标号为M40。
压浆前应用压缩空气或高压水清除管道内杂质，然后压浆。压浆排气管出口在压浆过程及浆体初凝前应高于管道不小于50厘米。
6．桥台后填土顺序要求：张拉系梁N1钢束->施工拱圈->张拉系梁N2钢束->先填至桥台高一半处->架设拱上建筑->填土至铺装底标高。
7．拱上和台后填料或填土应两侧对称进行回填，分层夯实，每层厚度不大于30cm，压实密实度同路基要求，并不小于95％，应采用人工或小型机械压实，严禁采用大型机械回填和碾压。
（四）钢筋施工
1．所有钢筋的加工、安装和质量验收等均应按照《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)的有关规定进行。
2．凡因施工需要而断开的钢筋当再次连接时，必须进行焊接并应符合施工技术规范的有
关规定。
3．施工中若钢筋发生矛盾，允许进行适当调整布置，但混凝土保护层厚度应予以保证。 4．图中所示“［”形钢筋全部是受力钢筋，应严格按照图纸要求将上下弯钩钩在外层钢 筋上，绝对禁止因任何原因将此类钢筋取消或裁断。
5．直径大于等于12毫米的钢筋采用焊接接长，直径大于等于20毫米的钢筋接长建议采用等强镦粗直螺纹连接技术，其质量标准应符合《钢筋机械连接通用规程》（JG107-96）及建筑工业行业标准《镦粗直螺纹钢筋接头》（JG/T3057-1999）要求；也可以采用焊接接长，焊缝长度必须满足规范要求。 （五） 桩基检测
桩基竖向极限承载力检测：采用高应变动测法进行检测，桥台单桩竖向极限承载力为2950KN，抽检率不少于桩总数的5%。
桩基完整性检测：推断缺陷类型及其在桩身中的位置，并对桩长是否达到设计要求进行校核。全桥基桩50%预埋声测管，采用超声波检测法进行检测。其余50%桩基采用低应变动力检测法进行检测。 （六）其它要求
1．过河管道、通讯电缆等预埋件应注意预埋。其构造要求、位置见各专业施工详图。 2．路灯过桥具体设置见照明设计详图。
3． 图中装饰风格和材料可根据实际情况和具体经济条件进行调整，最终由建设方确定。 4．未尽事宜，按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011)及局部修订条文执行。
范文四：CDC设计说明-家具设计说明
瑞安市公共卫生中心大楼实验室建设工程
设 计 说 明
一、工程概况
1、瑞安市公共卫生大楼位于浙江省瑞安市区，系高层建筑，地下一层，地上十一层。，
其中一~八层为办公区，九~十一层为实验室，每层层高3.7米，实验室总建筑面积
803.2*3=2409.9m2，属于大型建设项目。
2、本工程设计的内容包括:实验室设备设计、实验室环境工程设计、实验室室内装饰
设计。
3、旨于设计建设功能齐全县级疾病预防控制中心。
4、本工程建设项目较多，涉及内容广，施工难度较大。
实 验 室 设 备 设 计
二、设计依据
1、 《省、地、县级疾病预防控制中心实验室建设指导意见》
2、《微生物和生物医学实验室生物安全通用准则》
3、《生物安全实验室建筑技术规范》
4、《全国艾滋病检测技术规范》
5、《临床基因扩增检验实验室工作规范》
6、《实验室建筑设计》
7、《生物安全实验室建筑技术规范》
8、 国家标准:木家具通用技术条件GB/T3324-1995
金属家具通用技术条件GB/T3325-1995
家具、柜类主要尺寸GB/T3327-1997
家具、桌、椅、凳类主要尺寸GB/T3326-199 9、《通风与空调施工质量验收规范》,GB50243-2002,
10、建设方提供任务书及有关文件。
11、本单位提出的任务书，建筑施工图设计。
三、设计特点
<一>实验室规划设计:
总述:本实验室建设项目共三层、九层为微生物检验科、十层为生化检验科、十一
层为理化检验科。根椐《省、地、县级疾病预防控制中心实验室建设指导意
见》有关要求，县级疾病预防控制中心开展检验项目为179项，功能室划分
大约为50间，涉及到特殊条件实验室大约有5间,HIV室、PCR室、洁净
室等,。本项目整体设计基于国家对各级疾病控制中心有关规定基础上，溶
入人性化操作的特点及有关仪器操作规范要求，从安全、实用的角度出发，
科学合理布置实验操作台及其他设备，达到融于安全与实用为一体的设计效
共5页第1页
果。
1、 九层微生物检验科
微生物检验科包括培养基配制室、食品微生物细菌检验、肠道微生物细菌检验、
消杀产品检验室、无菌室、洁净室、P2实验室、细菌检验仪器室、洗涤间、器械蒸
煮间、清洗器械消毒间、试剂存放间、样品存放间。
培养基配制室:设置岛型中央操作台，配有水槽及龙头，操作台面宽敞，供配
制剂用。两边设有带水边台，可用放置灭菌器具及其他操作用，
此外还设一张称量用天平台。
食品微生物细菌检验室/培养室/无菌室:无菌室设有一二更,更衣换鞋,、缓
冲、无菌区,操作区,、传递窗。无菌室级别局部层流百级，
无菌室内的空气经过初效、中效、高效过滤器进行送风、回风
等空气循环，从而保证室内空气达到洁净的效果。无菌室外部
设有培养室，配有放置培养箱的矮台。
肠道微生物细菌检验室/培养室/无菌室:同上。
消杀产品检验室/洁净室/培养室:同上。
P2实验室:根椐《微生物和生物医学实验室生物安全通用准则》和《生物安全
实验室建筑技术规范》有关规定，P2实验室设在人流最少的楼层最
右边。室内分为三部分:准备间、缓冲区及主实验区，主实验区与
准备区间设有物传递窗，主实验区设有设备检修门。主实验区放置
二级生物安全柜一台、不锈钢边台一张，准备间设有带水边台，供
实验准备之用。,预留室
,
仪器室:仪器室的操作主要在仪器边台进行。
试剂间:设有带抽风试剂柜,存放挥发性试剂,、试剂柜,配耐腐蚀层板,、
冰箱放置位。
样品间:设有样品存放柜。
洗涤间、器械蒸煮间、清洗器械消毒间:根据污物处理流程 待洗器械放置—
—煮沸消毒——器械清洗——晾干——器械包装消毒——已消毒
器械柜，分别设计蒸煮间,带抽风,，多水槽洗涤台，放置待洗器
械的器皿柜，烘箱矮台、消毒缸放置区，及器皿柜。
2、 十层生化检验科
生化检验科包括HIV初筛实验室、PCR实验室、免疫实验室、生化分析仪室、
血清实验室、放射免疫实验室,预留,、洗涤间、器械消毒间、试剂存放间、样品
存放间。
HIV初筛实验室:根据HIV初筛实验室认可标准要求、实验室区分为三个区域
清洁区、半污染区、污染区。清洁区、半污染区分别设计边
台操作，并配备水槽，污染区设计中央台操作，旁边设计水
槽边台，水槽配一个单口龙头、一个感应龙头，且配桌上型
洗眼器等安全设施，房间还预留消毒器械安放区。
共5页第2页
PCR实验室:根据PCR临床扩增检验实验室区域管理暂行原则，实验区划分为
四个区域:试剂储存和准备区、PCR提取区、扩增反应混合物配
制的扩增区、扩增产物分析区，其中标本制备区和扩增反应混合
物配制的扩增区室内设送排风系统，室内压力为负压。除了产物
分析区外，每个实验室均设有带水边台，PCR提取区设有二级生
物安全柜一台。
生化分析仪室:此功能间分为常规分析区、台式仪器操作区及落地仪器区，设
的中央操作台及带水槽边台。
免疫实验室:实验室是岛型设计模式，中央是主要操作区，两边边台设有水槽，
配有器皿柜及药品柜各一个。
试剂存放间:同九层。
样品间:同九层。
洗涤间、器械消毒间:根据污物处理流程 待洗器械放置——高压消毒——器
械清洗——晾干——器械包装消毒——已消毒器械柜，
多水槽洗涤台，放置待洗器械的器皿柜，烘箱矮台、消
毒缸放置区，及器皿柜。
3、 十一层理化检验科
生化检验科包括2间中心化学分析室、无机预处理间、有机预处理间、小型仪
器室、精密仪器室,原子荧光室、原子吸收室、气相色谱室、液相色谱室,、辅助
间,高温室、天平室、标准物品间、毒品存放室、纯水间,、洗涤间、试剂存放间、
样品存放间。
中心化学分析室:操作台采用岛型设计模式、中央台配有水槽、试剂架、冷却
用小水槽及小龙头，水柜里设有简便式垃圾筒，且每张台上
配有万向排烟罩一个，及时排走有害气体。
每间实验室设有二台排毒柜，还设带水边台及试剂柜及器皿
柜。
中央台上配一个桌上型洗眼器。
实验室整体操作流程通畅、安全、实用、方便。 无机预处理间:实验室内设有消化用排毒柜，排毒柜内衬板及导流板采用经过
喷涂处理不锈钢板，耐高温，耐强酸碱，另外还设有带水槽
边台，并配桌上型洗眼器。
有机预处理间:实验室内设有排毒柜，另外还设有带水槽边台，并配桌上型洗
眼器。
小型仪器室:仪器操作台以边台操作为主。
天平室:设万级天平专用天平台2台，旁边设有准备台一张。 高温室:两边各设有高温台，高600mm，承重性好，台面耐高温。 精密仪器室:仪器操作台采用L型模式、设500mm宽检修通道，靠墙边为样
品准备区，仪器台设有微机操作，台上设有原子吸收罩、万
向排烟罩等排气设备，另外设一个放置资料和仪器配件的备
共5页第3页
件柜。仪器的供气系统采用集中供气法，设有专门的气瓶室，
配有气瓶柜(详见供气系统方案)。
洗涤间:根据污物处理流程 待洗器械放置——器械清洗——晾干，设计多水
槽洗涤台，放置待洗器械的器皿柜，及晾干器皿柜。
<二>实验室产品设计:
前言:根据《实验室建筑设计》中关于实验室操作间距的要求，以及人体工力学有关要求。
A、实验室室内主通道的宽度?1500mm，次通道的宽度?1500mm，排毒柜与实验台间距?1500mm，坐式操作高度800mm左右，站式操作高度850mm左右，
高柜高度1800~2200mm。
B、实验台产品特点
本项目实验室实验台产品分四部分:
普通实验室:实验台产品选用C-Frame结构+木制系统产品，该产品为钢木组合
结构，沿用欧美风格、外型美观、结构牢固、承重性强、操作灵
活方便、其框架采用60mmX40mm厚1.2mm方钢焊接而成，表面
经过除油除渣，酸洗碱洗处理后，静电喷涂环氧树脂粉末，表面
耐刻划、耐酸碱。柜体部分采用木制柜体，与框架悬挂式连接，
组合灵活，实用性强。
台面采用耐腐蚀、易清洁、耐刻划实验室专用台面，常用荷兰进
口Trespa台面，Epoxy环氧树脂、实心理化板。 仪器室/高温室:实验台产品选用钢木产品，该产品采用钢制方型框架，木制柜
体，台面采用国产优质大理石。台体承重性好，耐高温。 特殊实验台:HIV污染区根据《全国艾滋病检测技术规范》有关规定实验台
采用易清洁，不渗漏液体台面。清洁区/半清洁区采用实验室专用
台面，污染区采用不锈钢台，另外还设有水柜边台，配有桌上型
洗眼器。
无菌室/洁净室操作台采用易清洁，不易集尘的不锈钢边台， 排毒柜:全钢结构，板材采用1.2mm厚冷轧钢板折弯成型，表面经过除油除渣，
酸洗碱洗处理后，静电喷涂环氧树脂粉末，表面耐刻划、耐酸碱。，
内衬板及三节导流板采用5mm米色Compact板，有利于不同密度废
气可从不排气口排放，防爆玻璃视窗，并设有PP小水杯槽及单口水
龙头。
消化专用排毒柜内衬板及三节导流板采用经过喷涂处理不锈钢板，耐
高温，耐强酸碱。
器皿柜/药品柜/备件柜/样品柜:可选用钢制产品，铝木产品或木制产品。 安全措施:实验室除了安装在专用实验室内的桌上型洗眼器外，实验室内部设
有安全箱，放置一些常用的急救药品，每层楼在安全通道旁设一个
紧急淋浴洗眼器，作为紧急安全措施。
共5页第4页
后 语
二、本公司承建的优势
本公司为专业从事实验室设备规划、设计、生产、安装及产品售后跟踪服务一体化的新加坡独资企业，为每一位实验室工作人员营造一个规划科学，安全舒适的工作环境是我们一直坚持不懈，不断进取的坚定目标。雷蒙特的使命是使科研人员用上最新、最好、最完美的产品。享受最优质的售后服务。
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范文五：毕业论文（设计）苹果采摘器虚拟设计及运动仿真
诚信声明
本人郑重声明:本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名: 年 月 日
毕业设计任务书
设计题目: 苹果采摘器虚拟设计及运动仿真
系部: 机械工程系 专业: 机械电子工程 学号: 112012323 学生: 指导教师(含职称): 讲师 专业负责人:
1(课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解机械产品的设计方案比选，材料选择及受力分析计算，零件工作图及装配图等方面的设计规范、计算方法及设计思想等内容，提高学生的自主设计能力和对专业知识的运用。为学生在毕业后从事机械电子工程的工作打好基础。
2(主要任务
(1)查阅资料(包括教材，专著及论文)，制定设计方案。要求结构合理，可操作性强。
(2)研究分析国内外已有采摘器设计特点。
(3)设计一款苹果采摘器，利用三维软件建立三维模型，完成运动仿真。
(4)撰写毕业论文。
3(主要参考资料
[1] 杨可桢，程光蕴(机械设计基础[M](高等教育出版社;2013.06
[2] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室( 机械原理[M](高等教育出版社; 2013.08
[3] 机械设计手册[M](机械工业出版社( 2010.05
[4] 林江(工程材料及机械制造基础[M]，机械工业出版社; 2013.09 4(进度安排
设计各阶段名称 起 止 日 期 1 查阅资料，制定设计方案。 3月3日~3月23日 2 绘制所属部件的零件图和装配图。 3月24日~4月13日
设计一款苹果采摘器，并利用三维软件建立三4月14日~5月4日 3
维模型，完成运动仿真。
4 撰写毕业设计说明书。 5月5日~6月1日
审核人: 年 月 日
苹果采摘器虚拟设计及运动仿真
摘 要:我国苹果种植面积居世界首位。直到现在，我国的苹果采摘主要还是靠人徒
手采摘，采摘效率低，成本高，且具有一定危险。随着农业生产的规模化和机械化，
苹果采摘器是未来苹果采摘作业必然发展趋势，也是世界各国当前研究的热点，目前
已取得一定成果。同时由于世界各国都面临着人口老龄化的问题，而苹果采摘器能够
大幅提高苹果采摘效率，解放生产劳动力，因此取得了广泛应用。本课题在研究分析
了国内外已有果蔬采摘器的前提下，提出了自己的设计方案，设计了一款结构简单合
理，实用性强的苹果采摘器。并运用Pro/ENGINEER软件对末端执行器进行了三维建
模和运动仿真。
关键词:苹果采摘器,末端执行器,三维建模,运动仿真
Virtual Design And Movement Simulation of The Apple Picking
Device
Abstract:In our country，the cultivation area of apple ranks first in the world. And the apple picking is done by manual until now, but the characteristics of manual picking is at a low efficiency rate and high cost, and it takes a certain risk. With the scale and mechanization of agricultural production, the apple picking device is the inevitable development trend of future apple picking, and it is also the hot spots in the world, and has made some achievements. At the same time, because of the problem of the aging of the population exist all over the world, the apple picking device can improve the efficiency of the apple picking and the production of the labor force greatly, so it has been widely used. This study is based on the analysis of issue of picking devices in fruit and vegetable at
home and abroad,then put forward my own design structure and design a simple, reasonable and practical Apple Picking device. The 3D modeling and motion simulation of the end effector are carried out by using Pro/ENGINEER software.
Keywords: Apple Picking Device, End actuator,3 D modeling,Motion simulation
I
目录
1 绪论 .................................................................................................................................. 1 1.1 选题的背景 .................................................................................................................. 1 1.1.1 本课题的研究意义 .................................................................................................... 1 1.1.2 国内外研究进展 ........................................................................................................ 1
1.1.3 采摘器应用前景 ........................................................................................................ 2
1.2 本课题的研究内容和方法 .......................................................................................... 3 2 苹果采摘器的设计 .......................................................................................................... 5 2.1 苹果的生长特性和生物属性 ........................................................................................ 5 2.2 几种苹果采摘器的方案分析 ........................................................................................ 6 2.2.1 第一种方案的分析 .................................................................................................... 6 2.2.2 第二种方案的分析 .................................................................................................... 7 2.2.3 第三种方案的分析 .................................................................................................... 9 2.2.4 第四种方案的分析 .................................................................................................. 10 2.3 确定本课题的设计方案 .............................................................................................. 12 2.3.1 本课题设计方案的目标 .......................................................................................... 12 2.3.2 本课题的设计方案 .................................................................................................. 13 3 机械手的三维建模和运动仿真 ...................................................................................... 18 3.1 三维建模软件Pro/E的介绍 ...................................................................................... 18 3.2 末端执行器的三维建模 .............................................................................................. 18 3.3 末端执行器的运动仿真 .............................................................................................. 20 3.4 本课题方案设计的特点 .............................................................................................. 22 4 结 论 ............................................................................................................................ 23 4.1 本课题的主要工作及成果 .......................................................................................... 23 4.2 展望 .............................................................................................................................. 23 致 谢 .................................................................................................................................. 24 参考文献 .............................................................................................................................. 25
II
附录 ...................................................................................................................................... 26
III
太原工业学院毕业设计 1 绪论
1.1 选题的背景
1.1.1 本课题的研究意义
目前，国内苹果采摘基本靠人工手动完成，每年的苹果采摘都要耗费人们大量的时间和精力。苹果到了成熟期，几乎每天都需要采摘，时令性强;果园需要雇佣大量工人来保证成熟苹果适时被采摘，雇佣工人花费高。苹果收获期间投入的劳力和人工费用大约占到整个生产过程成本的30%,50%，果树高处和低处的苹果不易采摘且借助梯子登高，具有一定危险。近几年，我国大力发展工商业，支持农村向城市化发展，大量农村劳动力流向城市，造成农业劳动力不足。我国也逐渐进入人口老龄化社会。21世纪以来，世界各国不断将高新科技推广和应用到农业生产中，研制了多种果蔬采摘器。苹果采摘器能够降低人工劳动强度、节约采摘费用、提高采摘效率和果品质量、保障苹果适时快速收获。因此，研究开发苹果采摘器具有重要意义，且应用前景广阔。
1.1.2 国内外研究进展
随着果园的面积和规模越来越大，苹果的采摘质量要求越来越高，再加上苹果的成熟到必须采摘时间比较紧张，保证采摘质量成为关键问题;近年来各国面临人口老龄化的同时，工商业项目越来越繁多，特别是第三产业发展迅速，很多农民开始从事其他行业。这些因素都造成了农业生产成本提高，大大降低了农业生产质量，不利于农业的发展。
国外农业果蔬采摘器发展迅速。美国在20世纪60年代就开始了果蔬采摘器的研
[1]究，1983年美国发明了第1台西红柿采摘器。美国、日本及欧洲的英法等国的科技发达，为其果蔬采摘器的研究开发提供了优越的科技条件。日本近年来已经研制出了多种果蔬采摘器，Kondo-N等人已经研制出番茄、黄瓜、西瓜、葡萄、柑橘、草莓等
[2]蔬菜和水果采摘器。目前果蔬采摘器方面的技术还不成熟，由于研发制作成本和市场价格等原因，没有能够实现商业化。
1
太原工业学院毕业设计
图1-1 智能西红柿采摘器 图1-2 采摘末端执行器
我国对果蔬采摘器技术方面的研究比较晚，开始于20世纪90年代中期。近年来也取得了许多研究技术成果。2004年，徐丽明和张铁中研究了果蔬果实收获机器人的现状并针对技术上的关键问题提出了相应对策;2009年，赵景山、冯敬之研究了机器人机构自由度分析理论; 2011年，吉林农业大学王俊杰、王丽丽完成了采摘机械手的结构设计;2013年，桑阳、刘军强、雷吟春研究了摘果捡果机械手的设计。
1.1.3 采摘器应用前景
我国苹果种植面积和年产量都居世界第一，到目前为止我国的苹果的采摘收获基本靠人工完成。人工采摘苹果时，需要随身携带收集筐，劳动强度高;在人工采摘收获过程中经常需要弯腰或者借助梯子爬到高处，不仅消耗时间，而且具有一定的危险性。工业机械技术、传感器技术和计算机控制技术不断成熟，为农业采摘的机械化和智能化提供了有力的技术条件，农业果蔬采摘的机械化智能化是未来农业发展的必然方向。研究开发适合目前生产实际的苹果采摘器不仅可以在很大程度上减轻劳动强
[3]度、提高生产效率, 而且具有广阔的市场应用前景。苹果采摘收获是一个季节时令性强的劳动密集型工作。21世纪，我国也开始面临人口老龄化的问题，而且越来越多的农业劳动力开始进城务工，这导致了农业劳动力资源不足。同时果园的种植规模越
[4]来越大，采用苹果采摘器进行苹果的机械化、自动化采摘变得越来越迫切。
苹果采摘器具有以下特点:1作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差异?
性大，需要从采摘器的结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制;2采摘对?象具有随机分布性，大多被树枝树叶等掩盖，增大了采摘定位难度，使得采摘速度和
2
太原工业学院毕业设计 成功率降低，同时对采摘器的避障提出了更高的要求;3苹果采摘器工作环境是非?
结构性的，环境条件随着季节天气的变化较大，环境信息是未知的、开放的，要求苹果采摘器在推理和判断方面有相当高的智能;4采摘对象是有生命的、脆弱的生物?
体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要苹果采摘器具有柔顺型和灵巧性;5高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且苹果采摘器的使用具有短?
时间、季节性、利用率不高的缺点，是限制苹果采摘器推广使用的重要因素;6苹?果采摘器的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘器必须具
[5]有高可靠性和操作简单的特点。
1.2 本课题的研究内容和方法
1.2.1 本课题的研究内容
苹果采摘器工作过程中的灵活程度和控制取决于其机械结构，所以该采摘器机械结构必须合理且紧凑;由于苹果在空间上随机分布且多被树枝和树叶遮挡，该苹果采摘器还要能够平稳运动并灵活避开障碍物，快速有效采摘苹果;苹果表皮比较脆，容易损伤，所以采摘器的机械手与苹果表皮接触部位必须具有一定柔性。
评价苹果采摘器的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性、和冗
[3]余度等。末端的采摘机械手应该根据苹果的的特性来设计，包括形状、尺寸等;采摘机械手的抓取范围、苹果分离率和损伤率等是其性能指标的重要参数依据。
本课题研究的主要研究内容是分析研究国内外已有的果蔬采摘器的设计方案和特点，了解各种果蔬采摘器的设计原理、设计方法和遵循的原则等。同时认真研究各种果蔬采摘器的工作原理和过程，对比它们各自的的优点和缺点。在此基础上，本课题以苹果作为对象，研究设计一款能够帮助果农采摘苹果的装置，并确保该装置能够顺利摘取苹果，而且不会对苹果造成伤害，解放生产力。主要是通过研究分析国内外已有果蔬采摘器，运用Pro/E软件设计出结构合理，制造成本低，使用方便的苹果采摘器，并对自己设计的苹果采摘器进行三维建模和运动仿真。
3
太原工业学院毕业设计 1.2.2 本课题的研究方法
1.查阅资料(包括教材，专著及论文等)，并收集分析。
2.了解苹果的生长特性和采摘方式。
3.分析国内外已有的苹果采摘器的结构形式、工作过程和其优缺点。
4.设计自己的苹果采摘器并利用三维软件Pro/E对其建模和运动仿真。
4
太原工业学院毕业设计 2 苹果采摘器的设计
2.1 苹果的生长特性和生物属性
苹果是蔷薇科苹果属植物的果实，该属约25种，苹果是栽培最广泛的果树。苹果是梨果的一种，由子房和子房外围的组织发育而成。苹果树多为异花授粉，有2%,4%的花坐果较为理想。虽然成熟苹果的大小、形状、颜色和酸度因品种和环境条件的不同而差异很大，但通常程圆形，直径50,100毫米，带红色或黄色;苹果是落叶乔木，有较强的极性，通常生长旺盛，树冠高大，树高可达15米，栽培条件下一般高3,5米左右;树干灰褐色，老皮有不规则的纵裂或片状剥落，小枝光滑;单叶互生，椭圆，叶缘有锯齿;果实为仁果，颜色及大小因品种而异;喜光，喜微酸性到中性土壤，最适于土层深厚、富含有机质、心土为通气排水良好的沙质土壤;苹果自花结实力差，栽植时必须配置授粉树;由于顶端优势和芽的异质性综合作用的结果，苹果通常具有较强的干性和明显的层性;因品种间的萌芽力和成枝力有差异，其层性的明显程度也不同;苹果是世界性果品，由于其生态适应性较强，果品营养价值高，耐贮性好，供
[6]应周期长，世界上相当多的国家都将其列为主要消费果品而大力推荐。
本次设计主要以红富士苹果树为例，简单介绍苹果树的生长特性:(1)生长旺盛，红富士苹果成冠快，枝量大，新梢旺，萌芽率高，成枝力强，剪口下可形成长枝3,6个，萌芽早，副梢多，副梢自然抽生率较高;(2)早果丰产，红富士苹果腋花芽较多,前期腋花芽可占总花芽的20,左右;结果初期长果枝和腋花芽占一定比例,但很快转为以短果枝结果为主,矮砧树尤为明显,五年生M7砧长富6短果枝比例达89% ;(3)
[7]质优耐藏，红富士苹果个大美观，单个果重一般为200,300克，果皮薄，果肉脆。
苹果采摘器结构设计主要包括机械手总体机构设计(包括尺寸)、驱动系统的选择和材料选择等。果树生长的非结构性和苹果的形状大小、脆弱程度等因素决定了苹果采摘器的机械结构和工作过程，是本课题设计的依据。下面本人将国内外常见的果蔬采摘器的机械结构和工作特点作分析比较。
5
太原工业学院毕业设计 2.2 几种苹果采摘器的方案分析
2.2.1 第一种方案的分析
2012年我国西北农林科技大学陈军开发的猕猴桃采摘末端执行器如图2-1所示，该末端执行器由夹持手指、压力传感器、红外位置开关、步进电机等组成。采摘时，末端执行器手指靠近猕猴桃，安装在手指上的红外位置开关检测猕猴桃位置信息;末端执行器手指夹紧猕猴桃，安装在手指中间的一对压力传感器检测夹持力，夹持力大小能够使果实被可靠夹持又不受到损伤;步进电机通过联轴器带动末端执行器整体在竖直平面先逆时针旋转90?，再顺时针旋转90?，旋拧采摘果实;完成上述动作后，机械臂带着末端执行器移动到收获装置上方，将采摘好的猕猴桃落入到收获装置，结
[8]束采摘。
本方案中夹持机构是两个直动手指，步进电机?和左右旋丝杠副带动两个手指的开合。在手指夹紧果实后，步进电机?带动整个外壳(外壳将手指、步进电机?、内壳等连接为一个整体)旋转拧断果柄。本方案具有以下特点:
1、两个手指的设定和手指的形状决定了本方案中夹持机构可以抓取球状或柱状多种果实，例如苹果、猕猴桃、柑橘黄瓜、茄子等，有较强通用性。
2、手指内侧安装有压力传感器，可以避免手指夹持过程中因为力度过大而对果实造成损伤。如果在手指内侧适当位置再附着一层橡胶材料或者尼龙材料，还可以有效避免果实损伤。
3、这种通过步进电机?带动整个外壳(采摘器整体)旋转扭断果柄的方式不会造成树枝晃动，也不会造成植株损坏。
4、三个步进电机分别控制不同部位，实现不同的功能，效率高。
本方案的缺点主要是:1、手指的开合和整体旋转消耗时间长;2、三个步进电机，压力传感器，红外位置开关，霍尔接近传感器等致使制造成本高，加上内外壳，重量大，体积大，避障不灵活;3、要同时控制三个步进电机有较大难度，对操作人员的专业知识要求高;4红外位置开关受雨天等天气因素影响大。
6
太原工业学院毕业设计
图2-1 猕猴桃采摘器末端执行器
1.导轨滑块组合 2.步进电机? 3、11、13.霍尔接近传感器 4.手指 5.压力传
感器 6.红外位置开关 7.左右旋丝杠副 8.内壳 9.撑杆 10.滚珠丝杠副
12.外壳 14.套筒组合 15.步进电机? 16.步进电机?
2.2.2 第二种方案的分析
2010年南京农业大学工学院居洪玲、姬长英等设计了一款多用途三指采摘器，如图2-2所示，其抓取机构如图2-3所示。本方案可以采摘苹果、柑橘、梨等多种球状果实，对直径范围在20,90mm内的果实都能有效采摘。
其工作原理是:电机反转，通过齿轮齿条啮合机构以及齿条上固连的连接杆带动机械抓向内移动，从而夹紧果实;果实被夹紧后，电磁离合器闭合，电机带动转盘和手指转动，扭断果柄;果实被摘下后，电磁离合器断开，此时电机正转同样通过出轮
[9]齿条啮合机构以及连接杆带动机械爪向外运动，松开摘取的果实。
本方案具有以下特点:1、通用性较强。可以摘取多种球状果实，符合实际生产中果园大多采取几种品种混合种植的情况。2、设计了三个均匀分布的机械爪，抓取牢靠。3、一个电机可以完成三个动作。电机反转:通过齿轮齿条啮合机构和连接杆
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太原工业学院毕业设计 带动机械爪完成对果实的抓取;电磁离合器闭合后，电机带动整个转盘转动，靠扭断果柄使果实与果树分离。电机正转:松开摘取的果实。
本方案的缺点主要是:结构比较复杂，对配合度要求较高。
图2-2 多用途三指采摘器
1.机械爪 2.弹性材料 3.传感器 4.上护盖 5.齿条 6.止动块 7.直线滑轨
8.支撑套 9.定外环 10、15电磁离合器 11.联轴器 12.座架 13.支座 14.电机
16.转盘 17.垫脚 18.连接杆 19.齿轮 20.传动轴
图2-3 多用途采摘器抓取机构
1.机械爪 2.弹性材料硅胶 3.连接杆 4.止动块 5.滑轨 6.转盘 7.齿条 8.齿轮
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太原工业学院毕业设计
2.2.3 第三种方案的分析
美国佛罗里达大学农业工程师R.C.Harrell和希腊工程师T.A.Pool设计研发了一款柑橘采摘器，如图2-4所示。
该柑橘采摘器对果实的识别和定位则是由内部的彩色摄像机和超声波距离传感器完成，白炽灯提供光源，以便彩色摄像机更好识别果实。以刀片切断果柄的方式分离果实与树枝，由旋转切刀和带动刀片旋转的前后链轮、驱动链完成。切断果柄后，果实落入收集装置。
本方案的特点是:
1、与电机带动整个末端执行器旋转扭断果柄的方式相比，切断果柄的方式更容易分离果实与树枝，不会对植株本体造成严重伤害。
、切断果柄的过程不用考虑旋拧时的避障问题。 2
本方案的缺点主要是:1、链传动不平稳;2、彩色摄像机和超声波传感器造成制作成本高;3、果实靠重力落入收集装置对果实的伤害较大，外露的刀片同样容易对果实造成伤害。
图2-4 柑橘采摘器
1.后链轮 2.驱动链 3.超声波距离传感器 4.前链轮 5.旋转切刀 6.白炽灯 7.彩色摄像机
9
太原工业学院毕业设计 2.2.4 第四种方案的分析
2009年江苏大学的杨文亮、马履中研究设计了一款苹果采摘器，其主体结构主要由夹持机构、切割装置和传感器控制系统等几部分组成，如图2-5所示。
夹持机构如图2-6所示，气缸的活塞杆通过销轴与两手指后端滑槽的高副连接，最终把导杆的直线运动转化成两手指的绕转轴的摆动，从而组成滑槽导杆机构，实现对苹果的夹持;同时，手指圆弧内侧覆有海绵橡胶层，以保证抓取的过程中抓取力分
[10]布均匀，且不损伤果实;橡胶层还可以增大苹果与手指的摩擦力，使夹持更牢靠。 切割装置如图2-7所示。切割装置采用直流电机作为动力源，利用软管钢丝传动，驱动楔形双面刀片绕手指外廓做近1周的旋转，以切割位于手指周向上任意位置的苹果柄。
本方案具有以下特点:
、夹持机构结构简单、紧凑、轻便。 1
2、刀片绕手指1周的切割任意位置果柄的方式，节省了检测和定位果柄的装置，降低了控制的复杂性。
3、调整手指开合度和压力传感器的最初设定值，可以满足对不同水果的采摘，通用性较强。
本方案的缺点主要表现在:钢丝传动不稳定，对于比较硬和具有一定韧性的果柄，切割较困难，造成采摘成功率不理想。
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太原工业学院毕业设计
图2-5 苹果采摘器主体结构示意图
1.直流电机 2.蜗轮蜗杆机构 3.钢丝软管传动 4.刀架与刀片 5.刀架转轮
光电开关 8.手指 9.限位开关 10.压力传感器 11.视觉传感器 6.碰触传感器 7.
12.薄型双作用气缸 13.固定件 14.机械臂连接件
图2-6 夹持结构示意图
1.薄型气缸 2.支架 3.活塞杆 4.导杆 5.销轴 6.转轴 7.手指
8.海绵材料 9.橡胶材料 10.滑槽
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太原工业学院毕业设计
图2-7 切割装置示意图
1.直流电机 2.微型蜗轮蜗杆减速器 3.钢丝绕盘 4.钢丝 5.下软管架 6.弹性软管
7.上软管架 8.刀架 9.刀架转轮 10.楔形双面刀片
2.3 确定本课题的设计方案
2.3.1 本课题设计方案的目标
比较分析以上四种方案可知，目前为止，主流的实现果实与树枝的分离方式有:1)模拟人手的动作，在机械手指抓牢果实后带动果实一起旋转扭断果柄;2)机械手指抓牢果实后，利用旋转刀片切断果柄。
无论哪种方案，实现的前提条件都是抓牢果实。但是考虑到本课题的采摘对象是苹果，果园中苹果的品种和成熟程度不同，则苹果果皮的脆弱程度和果肉的软硬程度存在差异。要抓牢苹果，则必须考虑抓取时的力度，既要能够抓牢苹果，又要保证不损伤苹果。要控制抓取时的力度，这就必须安装压力传感器和控制系统，从而造成成
12
太原工业学院毕业设计 本增加，且控制系统的设计有一定难度和复杂性。利用旋转刀片切割果柄的方案中，刀片要以特定姿势接近果柄，这要求移动机构具有一定复杂的机械结构和灵活性，且需要加入定位传感器，增加了设计制作的成本和控制的复杂性。
针对以上各方案优缺点，本方案提出以下设计目标:采摘过程中不需要抓牢苹果，不需要检测和定位果柄位置，不限制机械手采摘姿势，符合结构合理、简单易操作的的设计要求，同时具有通用性，并保证采摘效率和采摘成功率。
2.3.2 本课题的设计方案
综上所述，现提出本课题的设计方案，其主体机构简图如图2-8所示。
图2-8 苹果采摘器机构简图
1.电机 2.联轴器 3.气缸 4.活塞 5.连杆 6.手指 7.弧形刀片及海绵 8.支架 9.销轴
电机通过连接件固定连接在机械臂上，联轴器与气缸固定连接，同时联轴器将气缸与电机轴固定连接在一起，气缸前端固定有支架，气缸通过活塞和连杆控制四个手指的开合。每个手指内侧都焊接了和手指贴合且长度相同的弧形刀片，刀片内侧都附着海绵材料，防止刀片与果实直接接触，对果实造成伤害。
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太原工业学院毕业设计
本方案采摘过程是:活塞向前移动，手指处于张开状态，机械臂带动采摘器末端运动并靠近果实，当果实处于手指包裹范围时，活塞杆向后运动，通过连杆使手指闭合，将果实包围，然后启动电机，电机通过联轴器带动其余部件旋转，弧形刀片切断处于任意位置的果柄，实现对苹果的采摘。
下面本人将详细介绍本课题的设计方案。
1)四指机构的设计
本方案设计的苹果采摘器抓取机构有四个手指，四指开合机构如图2-9所示。手指越多，抓取越牢靠稳定。但是本方案中的四个手指并不是用来抓紧苹果，而是将苹果包围。在设计四个手指的尺寸时，结合实际苹果直径范围，确保四个手指闭合后，形成的球状空间稍大于苹果体积，使手指和苹果可以形成相对旋转运动，从而使弧形刀片切割打断果柄。同时保证在切断果柄后，又不会让苹果从闭合的手指缝隙掉落。
图2-9 四指开合机构
1.铰接轴 2.活塞杆 3.弧形刀片 4.海绵层 5.螺钉 6.顶拉板 7.手指 8.连杆 9.机架板
顶拉板周边均匀铰接着四个弧形手指，四个手指分别铰接一个连杆，四个连杆又与机架板铰接，机架板通过螺钉与气缸前端固定连接。活塞杆通过螺钉与顶拉板固定连接在一起。当活塞杆向前运动时，四个手指张开;活塞杆向后运动时，四个手指闭
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太原工业学院毕业设计 合。
2)旋转切割果柄
本方案设计的苹果采摘器主体机构如图2-10所示。四个手指闭合时是将苹果包围而不是抓紧，这样就不用考虑抓取苹果时对苹果抓取力的控制和设定，节省了力传感器的设定和控制系统。当四个手指闭合将包围苹果时，果柄方位是随机的，所以每个手指内侧都焊接了与手指弧度拟合且长度相同的刀片，刀片内侧附着海绵层，防止苹果与刀片接触，对苹果造成伤害。此时，启动电机，电机带动手指旋转，与苹果形成相对旋转，弧形刀片可以切断任意方位的果柄。对于个体过大的苹果，四指则能抓紧苹果，旋转拧断果柄。
图2-10 苹果采摘器主体机构
1.手指及弧形刀片 2.四指开合机构 3.双作用气缸 4.联轴器 5.机械臂连接件 6.步进电机
3)伸缩机械臂
本方案设计的伸缩机械臂的主要作用是带动苹果采摘器末端执行器靠近目标果实，并在完成采摘后，使末端执行器回到苹果收集装置位置。
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太原工业学院毕业设计
伸缩动作的实现如图2-11所示。主要是利用了丝杠螺母机构将交流伺服电机的转动输出转化为螺母件的移动输出，从而带动伸缩杆实现直线伸缩的功能。此部件包括交流伺服电机、架体、两根导杆、丝杠、螺母件、支撑架、伸缩杆和带支架的直线轴承。其中，交流伺服电机固定在架体上，并驱动丝杠动作;丝杠的两端分别通过相对布置的圆锥滚子轴承固定在架体和支撑架内，螺母件套接在丝杠上构成了丝杠螺母机构;导杆分别套接在螺母件的两端;伸缩杆固定在螺母件上;支撑架上安装了带支架的直线轴承，伸缩杆套接在直线轴承内，其对伸缩杆的伸缩动作起到定向支撑和减少摩擦的作用;丝杠的自转使得螺母件在导杆的定向作用下进行前后移动，伸缩杆和
[11]螺母件一同动作，从而实现了伸缩功能。
图2-11 伸缩动作实现图
1.伸缩臂关节法兰件 2.交流伺服电机 3.架体 4.导杆 5.丝杠 6.螺母件 7.伸缩杆
8.支撑架 9.带支架的直线轴承
4)苹果采摘器总体机构
综合本方案各机构设计，现提出本方案设计的苹果采摘器总体机构，如图2-12所示。
选用履带式小车作为移动装置，小车以柴油机为动力源，并安装有发电机，发电机为各个位置的电机供电，电机均采用交流伺服电机(末端执行器采用步进电机);升降台固定安装小车上;腰部可以旋转，增大机械手活动范围;伸缩臂的伸缩杆末端
16
太原工业学院毕业设计 有螺纹，可以与法兰盘固定连接，法兰盘再与末端执行器通过螺栓螺母固定连接。伸缩臂下方链接收集装置;完成采摘的苹果由收集装置和柔性管落入苹果收集筐。
图2-12 苹果采摘器总体机构
1.履带小车 2.收集筐 3.柔性软管 4.末端执行器 5.收集装置 6.伸缩臂 7.小臂电机 8.大臂 9.大臂电机 10.腰部电机 11.腰部 12.升降台 13.电源及动力控制设备 14.地面
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太原工业学院毕业设计 3 机械手的三维建模和运动仿真
要对本方案设计的整个苹果采摘器进行三维建模和运动仿真太过复杂，工作量过大，本人将只对苹果采摘器中的主要机构——末端执行器进行三卫建模和运动仿真。 3.1 三维建模软件Pro/E的介绍
Pro/ENGINEER是美国PTC公司的标志性软件，该软件能将设计至生产的过程集成
[12]在一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作。自问世以来，由于其强大的工能，现已逐渐成为当今世界最为流行的CAD/CAM/CAE软件之一，被广泛用于电子、通信、机械、模具、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各制造行业的产品设计[13]中。Pro/ENGINEER野火5.0是该软件最新的中文版本，它针对设计中的多种功能进行了大量的补充和更新，使用户可以更加方便地进行三维设计。
Pro/ENGINEER野火5.0中文版主要功能有:
1.特征设计工能。例如扫描特征、螺纹特征、倒角/圆角特征、抽壳特征、孔特征等。
主视图，左视图，俯视图)、剖视图和特殊视图2.工程图设计功能。包括三视图(
(旋转视图，辅助视图，详细视图)。
3.装配设计功能。零件装配约束、调整组件、修改复制元件、修改装配关系等。
4.模具设计功能。
本设计主要是对苹果采摘器的末端执行器(即采摘机械手)进行三维建模和运动仿真。
3.2 末端执行器的三维建模
首先本人在Pro/E野火5.0中文版的零件模块和组件模块中创建末端执行器各机构零件成品，包括步进电机、机械臂连接件、联轴器、双作用气缸、机架板、连杆、手指(包括弧形刀片和海绵层)、铰接轴、顶拉板、活塞杆、螺钉1和2，并标注对应名称。然后在模具设计模块中，对于不同的连接方式，通过设置对齐、匹配等约束条件，放入相对应的零件成品，完成末端执行器的装配体。如图3-1所示。将三维装配
18
太原工业学院毕业设计 图转换成工程图，如图3-2所示。
本方案设计的末端执行器工作原理:末端执行器通过法兰盘固定连接在伸缩臂上，履带小车、动力系统和控制系统等机构帮助末端执行器接近目标苹果，同时活塞杆向前运动，使四指张开;当目标苹果进入手指包裹范围时，活塞杆向后运动，使四指闭合，包围目标苹果。此时，启动步进电机，步进电机带动其余部件旋转，切断果柄。完成对目标苹果的采摘后，伸缩臂的伸缩杆回缩，带动末端执行器和目标苹果到达收集装置上方，活塞杆向前运动，四指张开，苹果落入收集装置，最后经过柔性管进入收集筐。
图3-1 苹果采摘末端执行器三维装配图
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图3-2 苹果采摘末端执行器工程图
3.3 末端执行器的运动仿真
根据末端执行器工作原理可知，本设计的末端执行器采摘过程的运动仿真过程可以分为三个步骤:
1)为了使运动仿真简单化，末端执行器运动设计成为直线运动，且此直线径直对准苹果的三维模型球的中心。在仿真软件中可以看到末端执行器四肢张开，并靠近“苹果”，“苹果”进入四指包裹范围。如仿真图3-3所示。
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图3-3 苹果进入四指包裹范围
2)活塞杆向后运动，四指闭合，包围“苹果”，果柄位于其中两个手指之间，启动步进电机带动其余末端执行器部件旋转，弧形刀片切断果柄，脱离树枝的“苹果”
4所示。 并不会从指缝中掉落。如仿真图3-
3)关闭步进电机，四指继续闭合，末端执行器在伸缩臂带动下退回到收集装置上方，活塞杆向前运动，四指张开,“苹果”落入收集装置。如仿真图3-5所示。
图3-4 四指旋转切割果柄
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图3-5 末端执行器退回并放开果实
3.4 本课题方案设计的特点
结合本课题方案设计的设计要求，设计目标，设计原理和仿真过程，本方案设计的苹果采摘器具有以下特点:
1、四指机构采摘苹果时，是包围苹果，而非抓牢苹果，这节省了力的传感器装置和控制装置，降低了苹果采摘器整体制造成本和控制的复杂性。
2、四指合并形成的空间稍大于苹果体积，手指不会苹果产生过大压力，保障了苹果的完整，不损伤苹果，这也决定了这款采摘器可以采摘其他较脆弱的果实，具有较高的通用性。
3、弧形刀片旋转可以切断处于两指之间任意位置的果柄，也不需检测果柄位置的装置，保证了采摘效率和成功率。
本方案也有不足的地方，例如很难实现对黄瓜、长条形茄子、葡萄等的采摘，有待改进。
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太原工业学院毕业设计 4 结 论
4.1 本课题的主要工作及成果
本课题主要完成了以下工作:
1、研究分析了国内外已有的果蔬采摘器设计方案和特点。
2、取长补短，设计了一款结构简单合理、实用性强的苹果采摘器。
3、运用Pro/ENGNEER野火5.0中文版着重对本设计的末端执行器(即机械手)进行了三维建模和运动仿真，验证了本设计方案的正确性和合理性。
4、在设计的不同阶段完成了开题报告、中期检查等工作
4.2 展望
工业机械手是国际上机器人学研究的热点之一，构造出具有良好性能的工业机器人的众多构型，以便根据应用要求选择不同性能的机构，是机器人机构中的一项重要任务，当前众多研究人员的研究方向都集中于构建新型的机械手机构。传统的方法是通过试验样机制造实物来验证，而近年计算机技术的广泛应用提供了新的方法，那就
[14]是虚拟样机技术，这包括了三维CAD建模技术和机械系统运动学等相关技术。未来中国农业在参与市场竞争、融入自由贸易的必由之路上，农业产业化是必须的客观历史进程，而产业化的根本特征即是规模、速度、效率和效益，没有现代的机械化工具和技术是不可想象的。因此，随着新世纪中国农业的飞跃，随着农业产业化的推进，中国农业真正意义上的机械化时代正向我们走来。正如农业产业进程有其自身的规律一样，新的一轮农业机械化浪潮的到来，完全区别于建国后数次人为的冒进，而是生产力自身发展的必然，是不以人的意志为转移的客观进程。与农业产业各个阶段相对应，农业机械化同样也将呈现出由低级到高级的发展规律。总的来说,农业机器人技术的发展还远落后于工业机器人技术,由于农业机器人在技术和经济等方面的特殊性,目前还没有普及,但随着农业生产向规模化、多样化、精确化发展,以及逐步出现的农业劳动力不足的问题,可以预计,随着信息技术向农业领域的渗透,农业现代化技术的发展,
[15]农业工程技术的日趋成熟,农业机器人将越来越多地进入农业生产过程中。
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致 谢
本次课题研究和设计是在我的指导老师张爱荣讲师的亲切关怀和悉心指导下完成的。在张老师的精心指导下，我顺利完成了我的毕业设计开题报告、中期检查等任务。在撰写本论文过程中，张老师始终对我严格要求，及时的给予我指导和帮助，在我遇到困难时给我鼓励。张老师严谨的治学态度，渊博的专业知识，遇到困难积极面对的人生态度，都是我未来学习的目标和人生动力。在此我衷心感谢张老师给与我的指导和鼓励帮助，衷心祝您身体健康。
感谢课题组老师的指导和帮助，课题组老师给我提出的建议都让我很有启发。
最后，本人要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
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太原工业学院毕业设计 参考文献
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附录
附录一 苹果采摘器机械爪零件图 A4; 附录二 苹果采摘器连接杆零件图 A4; 附录三 苹果采摘器顶拉板零件图 A4; 附录四 苹果采摘器机架零件图 A4; 附录五 苹果采摘器机械手装配图 A4。
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