旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)【2013年最新整理畢業(yè)論文】

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化（ 4）班 姓 名： 劉曉冕 學(xué) 號(hào)： B09300418 指導(dǎo)教師： 俞高紅 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 浙江理工大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得浙江理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解 浙江理工大學(xué) 有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交本論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 浙江理工大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和傳播，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 (保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書(shū) ) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 年 月 日 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2 摘 要 水稻缽苗移栽是一種利用缽盤育秧的水稻移栽技術(shù)，是水稻種植過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。水稻的缽盤育秧充分保留了秧苗生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)土質(zhì)，植傷輕、返苗快，使作物提早成熟，且增產(chǎn)增收；移栽充分 利用了光熱資源，對(duì)水稻秧苗有氣候的補(bǔ)償作用，同時(shí)有使作物生育提早的綜合效益，因此水稻的缽苗移栽可以產(chǎn)生非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但 與其他國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)水稻種植機(jī)械化程度較低，與國(guó)內(nèi)水稻生產(chǎn)的其它環(huán)節(jié)相比，機(jī)械化程度也是最低的。因此研究一種新的水稻缽苗移載機(jī)構(gòu)，對(duì)水稻的機(jī)械化種植與高產(chǎn)高收具有非 常重要的意義。 本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的 水稻 缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了一種高效率的水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu) 為旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。 該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分與移栽臂兩部分構(gòu)成，其中驅(qū)動(dòng)部分由非勻速間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與非勻速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成，移栽臂用于完成機(jī)構(gòu)的取秧、推秧。 本文的研究?jī)?nèi)容如下： 1.根據(jù)水稻缽苗移栽的農(nóng)藝特性與工作軌跡的要求，確定了以橢圓不完全非圓齒輪行星輪系為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，該旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性好、效率高。 2.分析了該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與傳動(dòng)特性分析。 3 通過(guò)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后得到一組較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)： a=23.069mm， k=0.994， =291， =6， =29，0=-39， S=152mm. 4.根據(jù)機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在 CAD2008 軟件中對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與各零部件的二維設(shè)計(jì)。 5.在 ug8.0 三維實(shí)體建模軟件中完成各零部件的建模與機(jī)構(gòu)的裝配 。 關(guān)鍵詞 ：水稻缽苗移栽；行星系移栽機(jī)構(gòu)；橢圓不完全非圓齒輪；參數(shù)優(yōu)化；設(shè)計(jì) ； 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 Parameter Optimization and Design of Rotary Rice Bowl Seedling Transplanting Mechanism Abstract Rice bowl seedling transplanting is a transplanting technology with bowl seedling ， which plays an important part in the process of rice cultivation. The nutrient soil is fully reserved with rice seedling through bowl seedling technology ， so it barely hurts seedlings and makes them grow and mature faster， furthermore， it increases rice production；Transplanting takes full advantage of the light and heat resources， which makes climate compensation to rice seedlings and shifts crop fertility to an earlier date， Therefore the rice bowl seedling transplanting can produce substantial economic and social benefits. However， compared with other countries and regions， the mechanization level of rice cultivation in China is relatively low， and the degree of mechanization is also the lowest compared to other domestic rice production processes.Therefore the study of a new rice bowl seedling transplanting mechanism has a very important significance in mechanized cultivation and high-yielding of rice . Through comparative analysis of rice bowl seedling transplanting mechanisms at home and abroad， this paper comes up with a new type of rice bowl seedling transplanting mechanism with which the transplanter can achieve high efficient transplantingrice bowl seedling transplanting mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incomplete non-circular gear. The rice bowl seedling transplanting mechanism includes two parts : drive part and transplanting arms ， the drive part consists of non-uniform intermittent transmission and non-uniform transmission mechanism， and the transplanting arms are used for the completion of fetching and pushing seedlings.This transplanting mechanism has applied for inventive patent (application number : 201210344077.1)and utility model pantent (patent number: ZL201220474441.1) is authorized. The main content of this paper is listed as bellow: 1.According to the requirements of the agronomic characteristics and work trajectory of rice bowl seedling transplanting， invent the rice bowl seedling 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4 transplanting mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incomplete non-circular gear， The rotary drive mechanism has a good stability and high efficiency. 2.Analyze the work principle of the rice bowl seedling transplanting mechanism ， build kinematics model and analyze transmission characteristics of this mechanism. 3.Through the software of aided analysis and optimization of rice bowl seedling transplanting mechanism， search a group of structure parameters: a = 23.069mm， k = 0.994， = 291， = 6 ， = 29 ， 0 = -39 ， S = 152mm. 4.According to the optimized structure parameters of the mechanism， design the overall structure and complete two-dimensional drawings of all parts in CAD2008. 5.Establish the three-dimensional model of all parts of this rice bowl seedling transplanting mechanism and complete the assembly in ug8.0。 Keywords: Rice bowl seedling transplanting；transplanting mechanism of planetary gear train； ellipse gears- incomplete non-circular gear；parameter optimization；design 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 目 錄 摘 要 . 2 Abstract. 2 第一章 緒論 . 7 1.1 本文研究目的與意義 . 7 1.2 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況 . 8 1.2.1 國(guó)外發(fā)展概況 . 8 1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 . 10 1.3 研究目標(biāo)與方案實(shí)現(xiàn) . 13 1.3.1 研究目標(biāo) . 14 1.3.2 實(shí)現(xiàn)方案 . 14 1.4 本文的工作安排 . 16 1.5 本章小結(jié) . 19 第二章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . 18 2.1 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理 . 18 2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)及相關(guān)說(shuō)明 . 19 2.3 橢圓齒輪不完全非圓齒輪傳動(dòng)特性分析 . 20 2.3.1 橢圓齒輪不完全非圓齒輪節(jié)曲線模型建立 . 20 2.3.2 傳動(dòng)比分 析 . 24 2.4 橢圓齒輪傳動(dòng)特性分析 . 27 2.4.1 橢圓齒輪節(jié)曲線模型建立 . 29 2.4.2 傳動(dòng)比分析 . 28 2.5 橢圓 -不完全非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立 . 29 2.5.1 位移方程 . 29 2.5.2 速度分析 . 33 2.5.3 加速度分析 . 32 2.6 本章小結(jié) . 32 第三章 旋轉(zhuǎn)式水稻 缽苗移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件的運(yùn)用 . 34 3.1 優(yōu)化軟件的運(yùn)用思路 . 34 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 3.2 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軟件界面 . 35 3.3 數(shù)據(jù)處理 . 37 3.4 本章小結(jié) . 38 第四章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 38 4.1 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 38 4.2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) . 40 4.2.1 非勻速間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 40 4.2.2 非勻速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 41 4.3 移栽臂組成零件的設(shè)計(jì) . 41 4.3.1 撥叉的設(shè)計(jì) . 42 4.3.2 推秧爪與彈簧片的設(shè)計(jì) . 43 4.4 本章小結(jié) . 44 第五章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的三維建模 . 45 5.1 橢圓齒輪與非圓齒輪的實(shí)體建模 . 45 5.1.1 橢圓齒輪的三維建模 . 45 5.1.2 非圓齒輪的三維建模 . 46 5.2 其他零部件的三維建模 . 47 5.3 本章小結(jié) . 47 第六章 總結(jié) . 48 6.1 總結(jié) . 48 參考文獻(xiàn) . 49 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第一章 緒論 1.1 本文研究目的與意義 水稻是我國(guó)第一大糧食作物，在糧食安全中占有非常重要的地位，在全國(guó)范圍內(nèi)將近有 60%的人口以水稻為主食。我國(guó)水稻的常年種植面積約占全國(guó)谷物種植面積的 30%，占世界水稻種植面積的 20%，面積約為 3000 萬(wàn)公頃；稻谷每年的總產(chǎn)量近 20000 萬(wàn)噸，其重量占世界稻谷總產(chǎn)的 35%，占全國(guó)糧食總產(chǎn)的 40%.但是在主要糧食作物生產(chǎn)中，水稻的移栽勞動(dòng)強(qiáng)度較大，水稻種植機(jī)械化水平最低 1。 水稻的移栽是種植過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，移栽充分 利用了光熱資源，對(duì)秧苗有氣候的補(bǔ)償作用，同時(shí)有使作物生育提早的綜合效益，因此，水稻移栽產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非?？捎^。 與其他國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)水稻種植機(jī)械化程度較低，絕大部分是移栽作業(yè)；與國(guó)內(nèi)水稻生產(chǎn) 的 其他工藝流程相比，機(jī)械化程度也是最低的（ 收獲機(jī)械化 50%以上，種植機(jī)械化約 12%） 2。 目前，水稻移栽機(jī)械主要有水稻拋秧機(jī)、插秧機(jī)、缽苗栽植機(jī)，相應(yīng)的移栽技術(shù)分別為拋秧、插秧和缽苗栽植。其中，水稻拋秧技術(shù)栽植淺、植傷輕、返苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、淺層根分布廣，提早成熟，且增產(chǎn)增收 3，但是拋秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影響緩苗，進(jìn)而影響產(chǎn)量；與拋秧技術(shù)相比，水稻插秧方式可以保證栽植秧苗有較好直立性，但與拋秧移栽采用缽盤育秧不同，插秧技術(shù)采用毯狀秧苗，毯狀苗幾乎不能保留秧苗的成長(zhǎng)土質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，插秧時(shí)秧苗斷根多，緩苗期較長(zhǎng)，要 10 天左右； 而水稻缽苗栽植技術(shù)也采用缽盤育秧，綜合了以上兩種水稻移栽方式的所有優(yōu)點(diǎn)，克服了不利的因素，缽苗栽植直立性好，無(wú)緩苗期，增產(chǎn)明顯，成為當(dāng)今水稻機(jī)械化移栽技術(shù)的研究重點(diǎn)。 另外，目前超級(jí)稻種植都是采用手工移栽，要求每穴種植 1 到 2 株秧苗，用現(xiàn)有的毯狀苗插秧種植方式根本無(wú)法滿足此精準(zhǔn)移栽要求；用水稻拋秧移栽技術(shù)，難以保證移栽秧苗的直立性，影響產(chǎn)量；而用本課題提出的水稻缽苗移栽技術(shù)，即可以解決超級(jí)稻機(jī)械化種植需要每穴 1 到 2 株苗，又可以保證移栽秧苗的直立性要求，有利于超級(jí)稻種植的推廣。 水稻缽苗移栽是一種高產(chǎn)的水稻移栽 技術(shù)。具有壯苗淺栽、緩苗快、分蘗 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10 早、分蘗節(jié)位低、有效分蘗多、根系發(fā)達(dá)、提早成熟增產(chǎn)增收等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)深受農(nóng)民歡迎。 水稻缽苗移栽在保證移栽缽苗的直立度后（與水平面夾角不低于 60度），缽苗移栽方式較插秧方式增產(chǎn) 10%-15%，因此增產(chǎn)效果明顯。 日本研究出的水稻缽苗移栽機(jī)（又稱水稻缽苗擺栽機(jī)）價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且又是采用 半硬塑膠穴盤 ，成本高，育苗要求也高，使想迫切改變手工勞作并提高稻谷產(chǎn)量的廣大農(nóng)村農(nóng)民望而卻步， 黑龍江墾區(qū)五年前 曾引進(jìn)日本的兩種水稻缽苗擺栽機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，到現(xiàn)在一直也沒(méi)有推廣，不適合中國(guó)國(guó)情。近 幾年來(lái)，我國(guó)吉林省有幾家企業(yè)一直在研究水稻缽苗移栽機(jī)，并進(jìn)行了小規(guī)模的應(yīng)用推廣，基本能夠保證移栽缽苗有較好的直立度。其移栽機(jī)構(gòu)采用多桿式移栽機(jī)構(gòu)，移栽效率低，單行效率只有 80株 /分鐘左右，由于多桿式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，移栽效率很難再提高了。其移栽效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于步行式插秧機(jī)的插秧效率，更不用說(shuō)與高速插秧機(jī)相比。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)水稻缽苗移栽技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，滿足廣大農(nóng)民的對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)械化的需求，研究出一種新型高速水稻缽苗移栽機(jī)，具有非常重大的科學(xué)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 具有取苗與移栽苗功能的移栽機(jī)構(gòu)，作為水稻缽苗移栽機(jī)的核心 工作部件，已經(jīng)成為制約高速水稻缽苗移栽機(jī)械發(fā)展的 “ 瓶頸 ” 問(wèn)題，開(kāi)展該移栽機(jī)構(gòu)理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究已迫在眉捷 4 8。 本課題通過(guò)開(kāi)展水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理分析，依托課題組多年研究水稻種植機(jī)械的研究平臺(tái)，對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)明一種新型的高速水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，并建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論與方法，將促進(jìn)我國(guó)水稻缽苗移栽技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。該水稻缽苗移 栽 機(jī)構(gòu)的研究能夠?yàn)楦咚偎纠徝缫圃詸C(jī)的研究、開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)參考，將直接指導(dǎo)水稻缽苗有序移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ， 特別是水稻缽苗移栽方式非常適合于超級(jí)稻 的機(jī)械化種植，有利于促進(jìn)超級(jí)稻種植的推廣，提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究水平。因此，開(kāi)展本課題研究，不僅具有重要的科學(xué)意義，也具有重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 1.2 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況 自水稻拋秧或擺秧技術(shù)的應(yīng)用以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的很多專家學(xué)者開(kāi)始對(duì)有關(guān)水稻缽苗移栽機(jī)械展開(kāi)了研究，其中從事這方面研究的主要國(guó)家是日本和中國(guó)。 1.2.1 國(guó)外發(fā)展概況 日本是水稻移栽機(jī)械化方面程度最高的國(guó)家，在工業(yè)化的完成進(jìn)程中，日本逐 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化的水稻種植 9 12。 根據(jù)有關(guān)資料顯示，黑龍江省曾分別引進(jìn)日本井關(guān)農(nóng)機(jī)公司和實(shí)產(chǎn)業(yè)株式會(huì) 社生產(chǎn)的水稻缽苗擺栽機(jī)，如圖 1.1（ a） 所示，該擺栽機(jī)一次 可栽 6 行，采用半硬塑膠缽盤育秧苗 ，缽盤中的每個(gè)缽穴是上粗下細(xì)的圓錐杯，杯的底部有一小孔 。采用的取苗方 式為 從半硬塑膠缽盤底部將秧苗頂出， 其工作過(guò)程示意如圖 1.1（ b） 所示。頂桿對(duì)準(zhǔn)小孔有兩種形式：一種是頂桿平移，另一種是缽秧盤平移。從結(jié)構(gòu)發(fā)明的角度看，機(jī)構(gòu)作用于土缽，土缽是固體，個(gè)體差異小，工作可靠，但是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是直線間歇運(yùn)動(dòng)。需要一套完成精確移動(dòng)定位的機(jī)構(gòu)，加工精度要求高，機(jī)構(gòu)磨損后容易頂偏，造成塑料秧盤損壞，有時(shí)缽苗的秧根掛住缽盤，造成秧苗脫離不 成功，這對(duì)育秧要求比較高。 通過(guò)分秧供秧機(jī)構(gòu)，將 頂出的缽苗 水平分送至兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)分插部件，然后由旋轉(zhuǎn)分插部件將水平放置的缽苗轉(zhuǎn)換成垂直的方式入土，完成缽苗的田間擺栽作業(yè)。該擺栽機(jī)能夠成行擺栽帶缽秧苗，具有株距準(zhǔn)確、均勻性好、作業(yè)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。但擺栽機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對(duì)整地和育秧的質(zhì)量要求較高，同時(shí)半硬塑膠穴盤成本也高，從國(guó)內(nèi)引進(jìn)試驗(yàn)來(lái)看，并不適合我國(guó)國(guó)情。 1.秧盤移動(dòng) 2.秧盤靜，啟動(dòng)頂桿 3.頂桿推出缽秧 （ b） 機(jī)構(gòu)頂秧過(guò)程 圖 1.1 日本的水稻缽苗擺栽機(jī) 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 如圖 1.2所示為 日本洋馬農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的竹山智洋發(fā)明 的 另 一種缽苗移栽 機(jī) （專利號(hào)為： ZL200480007602.4） 13，該移栽機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝 置和兩個(gè)移栽爪組成。該 移栽機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置由兩套行星輪系機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成， 其中回 轉(zhuǎn)箱相當(dāng)于行星架，第一回轉(zhuǎn)箱內(nèi)包含 9 個(gè)齒輪（其中有 2 個(gè)是扇形齒輪） 和一 套擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，第二回轉(zhuǎn)箱有 5 個(gè)齒輪。第二回轉(zhuǎn)箱與第一回轉(zhuǎn)箱中的行星輪固接，由第二回轉(zhuǎn)箱內(nèi)的行星軸輸出運(yùn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)移栽爪來(lái)實(shí)現(xiàn)取 苗和移栽苗動(dòng)作。 該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造成本比較高，而且可靠性不高，所以該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)未能得到實(shí)際應(yīng)用。 圖 1.2 缽苗移栽機(jī)構(gòu) 1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 我國(guó)在 90 年代后期，水稻缽體育秧技術(shù)有了較大的發(fā)展，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)、八一農(nóng)墾大學(xué)等院校都開(kāi)始進(jìn)行缽體育秧技術(shù)與移栽技術(shù)研究。 我國(guó)目前的有序缽苗移栽機(jī)構(gòu)有較 多種方式， 現(xiàn)介紹幾種如下： 1)對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu) 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制了一種型為 2ZPYH530的水稻缽苗行栽機(jī) ，該行栽機(jī)采用對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水稻穴盤育苗的自動(dòng)拔秧，機(jī)構(gòu)如圖 1.3所示。該機(jī)構(gòu)的輸秧拔秧裝置 要由輸秧輥 4、壓秧板 6、上拔秧輥 8和下拔秧輥 9等組成。其工作原理是： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 1.秧鉗 2.壓縮彈簧 3.壓縮桿 4.秧鉗固定套 5.固定凸輪 6.滾筒 7.開(kāi)閉凸輪 8、 9.擋鐵 10.秧盤 圖 1.4 機(jī)械手式拋秧機(jī)構(gòu) 1.機(jī)架 2.托盤 3.撥桿 4.輸秧輥 5.秧苗 6.壓盤板 7.支座 8.上拔秧輥 9.下拔秧輥 圖 1.3 對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu) 缽苗通過(guò)人工放在托板上，然后喂入到輸秧輥 4上，按一定傳動(dòng)比拔秧輥帶動(dòng)輸秧輥 4轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)上下拔秧輥 8、 9的夾秧板對(duì)接時(shí)，通過(guò)夾秧板外緣彈性材料的變形產(chǎn)生夾緊力，夾持上下拔秧輥中間的缽苗并帶動(dòng)其一起運(yùn)動(dòng)，最后使 得缽苗與缽盤脫離；上下拔秧輥轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，夾秧扳松開(kāi)、缽苗落入導(dǎo)苗管，完成拔秧工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，培育秧苗時(shí)缽盤的濕度對(duì)拔秧力影響較大，而且缽苗在拔秧輥釋放缽苗后沿導(dǎo)苗管滑落入水田中，很難控制移栽秧苗的直立度，秧苗容易倒伏，會(huì)影響緩苗作業(yè)，并且效率低。 2)機(jī)械手式拋秧機(jī)構(gòu) 如圖 1.4所示為八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)計(jì)的機(jī)械手式拋秧機(jī)構(gòu) 17。其工作原理：秧鉗的固定套 4與滾筒 6為剛性聯(lián)接， 固定套 隨筒回轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)的凸輪 5固定不動(dòng)，其最大突變點(diǎn)離秧盤最近且對(duì)應(yīng)于取秧位置；當(dāng)擋鐵 8撞擊開(kāi)閉凸輪 7，秧鉗閉合夾秧，伸縮 桿 3在彈簧 2的作用下快速縮到凸輪的凹處，將秧苗從秧盤中拔出；秧鉗隨滾筒 6回轉(zhuǎn)過(guò)程中，伸縮桿 3的端斜面與凸輪 5的外輪廓接觸并受其作用向外逐漸伸長(zhǎng)；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)過(guò) 180時(shí)，開(kāi)閉凸輪 7的撞桿受到擋鐵 9的撞擊，使其轉(zhuǎn)過(guò) 90后將秧鉗撐開(kāi)，在秧鉗回轉(zhuǎn)慣性力及重力作用下，秧苗拋向地面，拋出秧苗后秧鉗一直保持張開(kāi)狀態(tài)，直到取苗位置時(shí)又開(kāi)始重復(fù)上面所 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 圖 1.5 空間連桿移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖 1.6 七桿移栽機(jī)構(gòu)及移栽軌跡 述的動(dòng)作。該機(jī)械手抓取秧苗的準(zhǔn)確度和傷秧是該機(jī)構(gòu)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)在栽植苗時(shí)，由秧鉗通過(guò)回轉(zhuǎn)慣性力和重力作用將秧苗拋向地面，是一種拋秧移栽作業(yè)方式，因此，秧苗移栽的直立度也 很難保證，將影響緩苗。 3)空間連桿移栽機(jī)構(gòu) 在空間連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了一種水稻缽苗精準(zhǔn)栽植機(jī)械手機(jī)構(gòu) 18，與撥桿式夾鉗配合使用該機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械完全不同，它屬于空間閉式鏈機(jī)構(gòu)。圖 1.5 所示為栽植機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)構(gòu)由可控變桿長(zhǎng) RRRSR 機(jī)構(gòu)和撥桿式夾鉗裝置兩大部分組成。而可控變桿長(zhǎng)機(jī)構(gòu)是由機(jī)架、主動(dòng)件、連桿、工作桿和擺桿組成，并選取主動(dòng)件桿 1 為桿長(zhǎng)變化桿，且將桿 1 分解為凸輪、滾子從動(dòng)件和曲柄三部分，源動(dòng)力通過(guò)鏈條鏈輪傳遞動(dòng)力給與機(jī)架運(yùn)動(dòng)副連接的曲柄，再由曲柄傳遞動(dòng)力給滾子從動(dòng)件，使?jié)L子沿凸輪表面做圓周運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)桿長(zhǎng)變化滾子從動(dòng)件傳遞動(dòng)力給其它桿件 3、 4，使其作連續(xù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使得與桿 2 連接的工作桿 7 和夾鉗一起運(yùn)動(dòng)，從而完成夾秧、取秧，移秧、栽秧等一系列動(dòng)作。此機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要檢測(cè)桿之間的干涉問(wèn)題，能保證各桿工作的連續(xù)性，該移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，工作效率低。 4)七桿移栽機(jī)構(gòu) 2007 年，吉林省延吉市光華機(jī)械廠公開(kāi)了一種水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)(如圖 1.6)。這種移栽機(jī)構(gòu)包括有動(dòng)力傳送齒輪箱 10、移栽四軒機(jī)構(gòu)和移栽穩(wěn)定三連桿機(jī)構(gòu)。其中移栽四桿機(jī)構(gòu)是由上曲柄 7、栽植臂連桿6、栽植臂桿 23、鎖臂搖桿 14 依次鉸接組成，在栽植臂桿上設(shè)有夾秧 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 裝置；移栽穩(wěn)定三連桿機(jī)構(gòu)是由下曲柄 19、穩(wěn)定連桿 18 和上述的鎖臂搖桿 14依次鉸接組成，移栽四桿機(jī)構(gòu)和移栽穩(wěn)定三連桿機(jī)構(gòu)共同完成取秧、移秧、栽秧的運(yùn)動(dòng)軌跡。該發(fā)明機(jī)構(gòu)移栽運(yùn)行軌跡穩(wěn)定，取秧栽植過(guò)程中取秧爪開(kāi)閉準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)確，基于缽盤育秧，保證了完整的根系，不傷苗，減少了秧苗的緩蘇周期，增產(chǎn)效果顯著。但是多桿機(jī)構(gòu)工作配合復(fù)雜，要快速提高移栽的速度，將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn) 19。該移栽機(jī)構(gòu)已有樣機(jī)在田間試驗(yàn)，但是工作效率低，振動(dòng)大，單行移栽效率只有 80 次 /min 左右，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)本身限制了該機(jī)構(gòu)無(wú)法再提高移栽效率。 5)五桿移栽機(jī)構(gòu) 專利號(hào) 為 200820072816.5的發(fā)明中提出 了一種能直接栽插軟塑體缽盤秧苗的缽苗水稻插秧機(jī) 20，如圖 1.7（ a） 所示 。該 水稻缽苗插秧機(jī)的核心工作部件五桿水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，如圖 1.7（ b） 所示。該機(jī)構(gòu)采用雙曲柄 67、 66分別作正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)雙自由度機(jī)構(gòu)，栽植臂 10 往復(fù)直插式控制取秧夾 61 按特定曲線軌跡進(jìn)行取秧與栽插秧苗作業(yè)，栽植臂 10 內(nèi)有夾緊與釋放苗裝置，包括凸輪 68、撥叉 70、彈簧 63 和控制桿 71，控制桿 71 相對(duì)栽植臂10 作往復(fù)移動(dòng)，控制取秧夾 61 張開(kāi)與閉合。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，取秧夾 61 夾取缽苗插秧一次，移栽效率單行為 80 次 /min 左右，該機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)水稻缽苗有序移栽，但工作效率也較低，振動(dòng)也大。 (a)缽苗 移栽機(jī) （ b）缽苗移栽機(jī)構(gòu) 圖 1.7 五 桿水稻缽苗移栽機(jī) 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16 1.3 研究目標(biāo)與方案實(shí)現(xiàn) 通過(guò)以上分析可知，國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)水稻缽苗有序移栽技術(shù)及移栽機(jī)構(gòu)已做了較多的分析與研究，并有部分樣機(jī)投入試驗(yàn)或應(yīng)用。目前的移栽方式分為二種：拋秧方式和栽植苗方式。拋秧方式很難保證栽植秧苗的直立度，影響緩苗，進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量，到目前為止，一直未能推廣應(yīng)用；栽植苗方式移栽缽苗能有效地保證栽植秧苗的直立度，無(wú)緩苗期，但現(xiàn)有的缽苗移栽機(jī)構(gòu)，工作效率太低（只有 80株 /分鐘 /行），機(jī)構(gòu)工作時(shí)振動(dòng)大。但是上述的缽苗移栽機(jī)構(gòu)所采用的夾取式取苗方式可以為本課題研 究提供參考。 1.3.1 研究目標(biāo) 近年來(lái)，本課題組對(duì)水稻缽苗有序移栽的工作機(jī)理與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新進(jìn)行了詳細(xì)研究，本 研究采用的 移栽秧苗為塑料缽盤苗，如圖 1.8 所示，缽盤育苗采用呈陣列式穴口的缽盤，各穴口相互獨(dú)立，缽盤為 1429 穴（橫向 14 穴，縱向 29穴）。利用缽盤育秧進(jìn)行移栽能夠保留秧苗的營(yíng)養(yǎng)土質(zhì)，且秧苗間相互獨(dú)立易機(jī)械移栽，并用育秧的塑料缽盤可重復(fù)使用。本取秧方式采用兩片取秧爪夾住水稻缽苗的莖桿根部，夾緊莖桿，將缽苗從缽穴中撥出，完成取秧動(dòng)作，取秧后夾持秧至推秧位置，推秧爪張開(kāi)，釋放缽苗并推苗入 田 ，完成移栽動(dòng)作 。 為了實(shí)現(xiàn)該水稻缽苗的有序移栽方式，同時(shí)考慮機(jī)構(gòu)工作效率和平穩(wěn)性。本論文提出了一種旋轉(zhuǎn)式有序移栽機(jī)構(gòu) 5，在旋轉(zhuǎn)箱體上 呈 120 布置 三 個(gè)移栽臂，提高了工作平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)一周移栽 三 次，移栽效率高，移栽效率將不低于 200 株 /分鐘 /行，其移栽效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)正在應(yīng)用的有序移栽機(jī)構(gòu)，本論文研究的旋轉(zhuǎn)式有序移栽機(jī)構(gòu)是一種高速水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。 1.3.2 實(shí)現(xiàn)方案 1）水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 通過(guò)了解水稻缽苗移栽的農(nóng)藝要求，提出如圖 1.9 的移栽軌跡，該機(jī)構(gòu)的取秧方式為彈簧片夾取式取秧，為了避免取秧時(shí)彈簧片與秧苗的 干涉，移栽軌跡在取秧部分為 “ 環(huán)扣狀 ” 。即由兩個(gè)彈簧片運(yùn)行到土缽表面時(shí)，彈簧片從缽苗的下方 D 運(yùn)行到缽苗莖部開(kāi)始取秧，夾緊秧苗的莖桿根部，在圖中的 E 位置從穴盤中取出帶土缽苗，再沿 FAB 夾持缽苗至圖中的 B 位置，在推秧?xiàng)U的作用 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 下，彈簧片松開(kāi)，釋放并推出缽苗，植入水田中，然后彈簧片經(jīng)圖中 C 位置，為重新下次取秧做準(zhǔn)備，完成一次移栽周期。 2）機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案 (a) 移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (b)移栽臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖 1.8 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 根據(jù)移栽軌跡要求，設(shè)計(jì)出一種旋轉(zhuǎn)式橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu) 21， 在一個(gè)旋轉(zhuǎn)箱體上對(duì)稱布置了 三 套移栽臂，旋轉(zhuǎn)一周移栽兩次。如圖 1.10(a）所示為旋轉(zhuǎn)式橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖（圖示為機(jī)構(gòu)的初始安裝位置），該機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分和移栽臂兩部分組成，驅(qū)動(dòng)部分是一個(gè)非勻速間歇傳動(dòng)行星輪系機(jī)構(gòu) ，由 4 個(gè)橢圓齒輪、1 個(gè)不完全非圓齒輪、 2 個(gè)凹鎖止弧、 1 個(gè)凸鎖止弧組成 ，行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)作為輸入運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，行星輪為輸出運(yùn)動(dòng)構(gòu)件；移栽臂與行星軸固接，通過(guò)凸輪帶動(dòng)撥叉擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)推秧?xiàng)U往復(fù)移動(dòng)，再帶動(dòng)兩彈簧片 閉合、張開(kāi) 實(shí)現(xiàn)取秧 、 推秧，移栽臂的設(shè)計(jì)方案如圖 1.10(b） 所示， 其 中撥叉與凸輪的作用是彈簧片實(shí)現(xiàn)移栽過(guò)程的關(guān)鍵。 1.4 本文的工作安排 1）根據(jù)水稻移栽的農(nóng)藝特點(diǎn)與軌跡要求， 提 出 了 一種新型水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，使 水稻移栽 達(dá)到高效率、低振動(dòng)的工作要求。本文采用的是橢圓齒輪不完全非圓齒輪行星輪系作為傳動(dòng)部件，設(shè)計(jì)出一種新的水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu) 橢圓齒輪不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。 2） 對(duì)該水稻移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，包括橢圓齒輪 -不完全非圓齒輪的傳動(dòng)特性分析、橢圓 -橢圓齒輪的傳動(dòng)特性分析、中間橢圓齒輪與行星橢圓齒輪的相對(duì)角位移、角速度分析、移栽臂秧針尖點(diǎn)的 相對(duì)位移、速度和加速度分析。 3）根據(jù)己建立的移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件，進(jìn)行軟件各模塊的功能介紹。 4）利用優(yōu)化軟件進(jìn)行移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，分析該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作軌跡的影響，找到一組能滿足移栽軌跡要求的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 5）以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始參數(shù)，對(duì) 移栽 機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。利用VB6.0 導(dǎo)出齒輪的點(diǎn)，在 CAD2008、 CAXA2011 中繪出二維圖，導(dǎo)入到 UG7.0中進(jìn)行建模生成三維圖 ，再進(jìn)行整體的裝配。為了減小機(jī)構(gòu)的沖擊振動(dòng)，對(duì)機(jī)構(gòu)添加了緩沖裝置，并與未加緩沖裝置的 軌跡進(jìn)行比較。對(duì)該移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出3 套消除齒隙裝置，提高 了 機(jī)構(gòu)取苗的成功率。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 1.5 本章小結(jié) 1）闡述了水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的研究目的與意義； 2）介紹了水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況； 3）確定了橢圓不完全非圓齒輪行星輪系的水稻缽苗移栽方案； 4）介紹了本文的工作安排。 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20 圖 2.1 橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 第二章 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 2.1 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理 橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu) 由兩部分組成 驅(qū)動(dòng)部分和移栽臂，如圖 2.1 所示為移栽機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 。驅(qū)動(dòng)部分是一個(gè)非勻速間歇傳動(dòng)行星輪系機(jī) 構(gòu) ， 該機(jī)構(gòu) 由 4 個(gè)全等的橢圓齒輪（ 1、 2、 4、 5）、 1 個(gè)不完全非圓齒輪（ 3）、 1 個(gè)凸鎖住?。?8）和 2 個(gè)凹鎖住弧（ 7、 9）組成，其中不完全非圓齒輪 3 與凸鎖住弧 8 固接，中間橢圓齒輪 2 與凹鎖止弧 9 固接，中間橢圓齒輪 4 與凹鎖止弧 7 固接。不完全非圓齒輪的 旋轉(zhuǎn) 中心為 O， 2 個(gè)中間橢圓齒輪（ 2、 4）的旋轉(zhuǎn)中心分別為 M1 和 M2， 2 個(gè)行星橢圓齒輪（ 1、 5）的旋轉(zhuǎn)中心分別為 O1、 O2。驅(qū)動(dòng)部分工作時(shí)，不完全非圓齒輪 3（即太陽(yáng)輪）固定不動(dòng)，行星架 6 順時(shí)針繞 O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，中間橢圓齒輪 4（以一側(cè)齒輪結(jié)構(gòu)為例）隨行星架 6 一起運(yùn)動(dòng)， 繞 M2 點(diǎn)旋轉(zhuǎn) 與不完全非圓齒輪 3 嚙合，實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)，行星橢圓齒輪 5（簡(jiǎn)稱行星輪）與中間橢圓齒輪 4 嚙合，實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)。中間橢圓齒輪 4 轉(zhuǎn)到不完全非圓齒輪 3 的無(wú)齒部分時(shí)，則由固接在不完全非圓齒輪 3 上的凸鎖住弧 8 與固接在 中間橢圓 齒輪 4 上的凹鎖住弧 7 配合，鎖止弧配合期間中間橢圓齒輪 4、行星橢圓齒輪 5 相對(duì)齒輪盒（即行星架 6）靜止，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的間歇傳動(dòng)。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 1.凸輪 2.撥叉 3.彈簧 4.彈簧座 5.推秧?xiàng)U 6. 彈簧片 7.推秧爪 圖 2.2 移栽臂工作原理圖 行星軸的一端伸出齒輪盒外，通過(guò)固定銷與一對(duì)移栽臂（ 10、 11）固結(jié)，移栽臂隨行星輪一起作非勻速間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。移 栽 臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2.2 所示，凸輪 1固定在齒輪盒上，移栽臂內(nèi)彈簧座 4、推秧 桿 5、推秧爪 7 固接。通過(guò)凸輪 1的推程曲線帶動(dòng)撥叉 2 向上擺動(dòng)，撥叉 2 推動(dòng)彈簧座壓緊彈簧 3，推秧?xiàng)U帶動(dòng)推秧爪上移收緊一對(duì)彈簧片 6，彈簧片閉合實(shí)現(xiàn)取秧；到達(dá)推秧點(diǎn)時(shí)，凸輪 1 與撥叉 2 脫離，彈簧 3 推動(dòng)彈簧座 4 帶動(dòng)推 秧?xiàng)U 5 下移，推秧爪 7 松開(kāi)彈簧片 6 實(shí)現(xiàn)推秧。移栽臂彈簧片尖點(diǎn) H 在機(jī)構(gòu)做間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)形成軌跡 FAB，做非勻速運(yùn)動(dòng) 形成 BCDEF 段工作軌跡。 從圖 2.1的機(jī)構(gòu)初始安裝位置開(kāi)始，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)過(guò)不同的角度時(shí)，形成不同的工作段軌跡： DE段為秧爪夾取缽苗的運(yùn)動(dòng)軌跡， EFAB段為秧爪持苗軌跡，到達(dá) B點(diǎn)推秧 ， BCDE段軌跡為回 程階段，即秧爪在釋放缽苗后保持張開(kāi)的狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次取苗；以上 三 段軌跡組成 水稻缽苗移栽所要求的整個(gè)取苗與推秧工作軌跡。 2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)及相關(guān)說(shuō)明 表 2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)說(shuō)明 符號(hào) 意 義 備 注 符號(hào) 意 義 備 注 a 橢圓齒輪長(zhǎng)半軸 已知常量 1R 不完全非圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心 O 到嚙合點(diǎn) J 的距離 變量 b 橢圓齒輪短半軸 已知常量 2R 中間橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心 1M 到嚙合點(diǎn) J 的距離 變量 c 橢圓齒輪半焦距 已知常量 2R 中間橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心 1M 到嚙合點(diǎn) P的距離 變量 k 橢圓齒輪短長(zhǎng)軸之比 已知常量 3R 行星橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心 1O 到嚙合點(diǎn) P的距離 變量 行星架11MO與1MO的夾角 已知常量 1 某一時(shí)刻行星架轉(zhuǎn)過(guò)的角位移( 01 ) 已知變量 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22 0 行星架 (即齒輪盒 )的初始角位移（ 0 0 ） 已知常量 行星橢圓齒輪中心1O和秧爪尖點(diǎn) H 之間的連線 HO1與行星橢圓長(zhǎng)軸間的夾角 已知常量 不完全非圓齒輪有齒部分節(jié)曲線所對(duì)應(yīng)的圓心角 已知變量 2 中間輪相對(duì)行星架角位移 ( 2 0 ) 變量 S 行星橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心 O1 到 秧針 尖點(diǎn) H 的距離 已知常量 3 行星橢圓齒輪相對(duì)行星架角位移( 3 0 ) 變量 1）為了方便下面運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，將機(jī)構(gòu)涉及到的相關(guān)變量和常量列于表2.122. 2）本文橢圓 不完全非圓齒輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的相關(guān)規(guī)則說(shuō)明 坐標(biāo)方向的設(shè)定：采用右手坐標(biāo)系。在三角函數(shù)計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)右手坐標(biāo)系建立各三角函數(shù)之間關(guān)系以及判斷各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的矢量方向。 角位移的設(shè)定：角位移規(guī)定以 x 軸為起始邊，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?順時(shí)針為負(fù)。 2.3 橢圓齒 輪不完全非圓齒輪傳動(dòng)特性分析 2.3.1 橢圓齒輪不完全非圓齒輪節(jié)曲線模型建立 橢圓齒輪與不完全非圓齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)的非勻速間歇傳動(dòng)是移栽機(jī)構(gòu)軌跡形成的關(guān)鍵組成部分 23-27。圖 2.3 為橢圓齒輪與不完全非圓齒輪嚙合關(guān)系圖，其中橢圓齒輪 1 與凹鎖住弧 2 固接在一起，不完全非圓齒輪 4 與凸鎖住弧 3 固接，假定不完全非圓齒輪 4 固定不動(dòng)，橢圓齒輪 1 圍繞不完全非圓齒輪 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)， J 為橢圓齒輪 1 與不完全非圓齒輪 4 的嚙合點(diǎn)。不完全非圓齒輪 4 的節(jié)圓半徑為 R1，橢圓齒輪 1 的節(jié)圓半徑為 R2，凸鎖住弧 3 的半徑為Rt、圓 心角為 2-.不完全非圓齒輪 4 有齒部分的節(jié)圓曲線對(duì)應(yīng)的圓心角為 . 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 從圖 2.3（ a） 的初始位置開(kāi)始，橢圓齒輪開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橢圓齒輪 1 圍繞不完全非圓齒輪 4 順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)的 的角度小于等于 2- 時(shí)（圖 2.3（ b）為等于 2-時(shí)的狀態(tài)），橢圓齒輪 1 相對(duì)行星架 5 轉(zhuǎn)過(guò)的角度 02 0 .當(dāng)行星架 5 順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)的角度大于 2- 時(shí)（如圖 2.2（ c） ），橢圓齒輪 1 相對(duì)行星架 5 開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)橢圓齒輪 1 與不完全非圓齒輪 4 的嚙合點(diǎn) J 到 橢圓 齒輪 1 旋轉(zhuǎn)中心 M1的距離為22()R ，可得出如下公式： 222 2() c o sbRac 2 (1) 式中 2 的變化范圍為從 0到 -2. 由橢圓齒輪 1 與 不完全非圓齒輪 4 嚙合關(guān)系可知， 當(dāng)行星架 5 轉(zhuǎn)過(guò) 1d 時(shí)，橢圓齒輪 1 相對(duì)行星架 5 轉(zhuǎn)過(guò) 2d ，即可得出如下關(guān)系式： 222111 )()( dRdR )()()()(212211 dRRd 2 (2) LRR )()( 2211 )()( 2211 RLR 2 (3) 式中 L 不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的中心距 (a)初始位置 （ b） 行星架順時(shí)針 轉(zhuǎn) 角 =2- （ c） 行星架順時(shí)針 轉(zhuǎn)角 2- 1.橢圓齒輪 2.凹鎖住弧 3.凸鎖住弧 4.不 完全非圓齒輪 圖 2.3 橢圓齒輪與不完全非圓齒輪節(jié)曲線嚙合 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 24 1變化范圍為從 ）（ 2 到 2 把式 (3)代入式 (2)中，可得： )()( )()( 222221 dRL Rd 20 222 221 )()( )(2 dRL R 2 (4) 由橢圓齒輪與不完全非圓齒輪的嚙合關(guān)系可知，橢圓齒輪 1 的節(jié)圓曲線弧長(zhǎng)與不完全非圓齒輪 4 有齒部分的節(jié)圓曲線弧長(zhǎng)相等，橢圓齒輪 1 相對(duì)行星架5 順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 2 角度時(shí)，不完全非圓齒輪 4 相對(duì)行星架逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) ， 即： 20 222 22 )()( )( dRL R 20 22222)(c o sc o s dcabLcab 利用數(shù)值積 分 分可求出 L， 求解的程序框圖如圖 2.4 所示 21： Read a； b ； 1 / 360dfai ， 0.002ep For l= 2a to 2.5a step 0.0002 Ts=0 For = 0 to 360 step 0.5 1 * / 180 21 21c o sbt l a l c b ， 22 21c o s ( 0 . 5 )bt l a l c b 12 1 2( ) / 2t t t 1 1 2 2 1 2( ) * 1 / 4 ( ) * 1 / 4sst t t t d f a i t t d f a i N |st ep Y Ll 圖 2.4 L 求解的程序框圖 把式 (1)代入式 (4)中： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 2c o s1 2c o s1 2c o sc o s2202222202222201222dBAdbLcbbLadcabLcab 2)2t a na r c t a n (2 2 BA BABA BABA 式中 22b bLaA ，2bLcB 利用反三角函數(shù)可 求 得 ： )2)2()22t a n (a r c t a n 2)2(0(01112之間變化在）（之間變化在BABABABABA 2 (5) 把式（ 5）代入式（ 3）中，可求得 )( 11 R 關(guān)于 1 的表達(dá)式： ) ) 22t an (ar c t an 2 )()(122211（BABABABABARLRLR 式中 1 從 )2( 變化到 2 . 如圖 2.2（ a）的 橢圓齒輪 1 與不完全非圓齒輪 4 的初始位置，利用幾何關(guān)系方程，可求出凹鎖住弧 2 所對(duì)的圓心角為： s i n ( 2 ) / 2 2 a r c t a nc o s ( 2 ) / 2 ttRlR 2 (6) 式中 tR凸鎖止弧的半徑 凹鎖止弧的最長(zhǎng)邊 MO2 的長(zhǎng)度 1L 為： 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 26 )2/s in (/2/)2s in (31 RL 2.3.2 傳動(dòng)比分析 如圖 2.3 所示，不完全非圓齒輪 4 有齒部分為非圓節(jié)曲線，橢圓齒輪 1 為與不完全非圓齒輪 4 共軛的橢圓節(jié)曲線。不完全非圓齒輪 4 固定， 行星架 5 的角位移1，瞬時(shí)角速度為1；橢圓齒輪 1 為從動(dòng)輪，相對(duì)行星架的轉(zhuǎn)角為2，瞬時(shí)角速度為2。初始位置時(shí)，1 0，2 0 。 J 為主動(dòng)輪不完全非圓齒輪 4 與從動(dòng)輪橢圓齒輪 1 的嚙合點(diǎn)。 設(shè) 兩齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為 12Hi ，由傳動(dòng)規(guī)律可知： )()(/112221212112 RRdddtd dtdwwi H 2222222222212c o s1 c o s c o sc o sakkLLakbLcLabcabLcabiH 由初始位置開(kāi)始，不完全非圓齒輪 4與橢圓齒輪 1的傳動(dòng)比可表示為： )2)2(c o s1)2(0( 012222112 之間變化在之間變化在akkLLaki H 當(dāng) 02 及 22 時(shí)，傳動(dòng)比達(dá)到最小值： 222m in12 1 akkLLaki H 當(dāng) 2 時(shí)，傳動(dòng)比達(dá)到最大值： 22m a x12 akLaki H 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 (b) a 對(duì) Hi12的影響 (a) L 對(duì) Hi12的影響 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28 由 Hi12的表達(dá)式 可知， Hi12是關(guān)于 2 以 2 為周期的周期函數(shù)。影響Hi12 的參數(shù)為 L ， a 和 k ，下面分別改變其中一個(gè)參數(shù)，分析其對(duì) Hi12 的影響。 1） 分析 L 對(duì) Hi12的影響 取 23a ， 994.0k ， 2 的變化范圍為從 0 到 2 ，如圖 2.5（ a）所示。當(dāng) 35L 時(shí)， 傳動(dòng)比比較大，非勻速傳動(dòng)比較明顯，隨著 L 的增加，傳動(dòng)比整體減小，且隨 2 的周期變化變得平緩。 2） 分析 a 對(duì) Hi12的影響 取 50L ， 994.0k ， 2 的變化范圍為從 0 到 2 ，如圖 2.5（ b）所示 。當(dāng) 15a 時(shí)， 傳動(dòng)比比較小，隨著 a 的增加，傳動(dòng)比整體增大，且隨 2 的變化的傳動(dòng)比的周期變化變得陡峭，非勻速傳動(dòng)明顯。 3） 分析 k 對(duì) Hi12的影響 取 50L ， 23a ， 2 的變化范圍為從 0 到 2 ，如圖 2.5（ c）所示 。 當(dāng)75.0k 時(shí)， (c) k 對(duì) Hi12的影響 圖 2.5 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 傳動(dòng)比比較大， 周期變化比較陡峭，非勻速傳動(dòng)明顯， 隨著 k 的增加，傳動(dòng)比整體減小，且隨2的變化的傳動(dòng)比的周期變化變得平緩，當(dāng) 1k 時(shí)，傳動(dòng)比成了一條直線，變成了兩個(gè)圓柱齒輪的勻速傳動(dòng)。 2.4 橢圓齒輪傳動(dòng)特性分析 在橢圓不完全非圓齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)過(guò)程中，橢圓齒輪之間的非勻速嚙合傳動(dòng)是形成移栽軌跡的關(guān)鍵所在，因此， 引用了 橢圓 齒輪間的嚙合特性 28-29。 2.4.1 橢圓齒輪節(jié)曲線模型建立 如圖 2.6 所示， 齒輪 1 與齒輪 2 是 一對(duì) 參數(shù)完全一致的橢圓齒輪，分別以本身的焦點(diǎn)為中心相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)。橢圓齒輪 1 與橢圓齒輪 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別為節(jié)圓的焦點(diǎn) 1O 、 1M ，即 1O 、 1M 均為橢圓齒輪軸心。在如圖 2.6（ a）初始位置時(shí)， 橢圓齒輪 2 和橢圓齒輪 1 長(zhǎng)軸在同一直線上， 橢圓齒輪 2 的半徑 )( 22 R 達(dá)到最大值，同時(shí)，橢圓齒輪 1 的半徑 )(33 R為最小值。 橢圓齒輪 2 與橢圓齒輪 1 的嚙合點(diǎn) P 到中間輪 橢圓齒輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng)中心 M1 的距離： )c os ()( 2222 cabR ( 2 在 20 之間變化 ) 2 (7) 32 2R R a 22 23222 2 c o s ( )2c o s ( )a b a cR a Rac 2 (8) （ a) 起始位置 （ b) 轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后 圖 2.6 橢圓齒輪嚙合特性分析 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 30 用極坐標(biāo)方程表示 R3，則有： 3 231 1 c o s ( )bkRk ( 3 在 20 之間變化 ) 2 (9) 2.4.2 傳動(dòng)比分析 以水平線11OM為始邊，橢圓齒輪 2（主動(dòng)輪）以角速度2順時(shí)針繞 1O 轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)橢圓齒輪 1（從動(dòng)輪）以角速度3逆時(shí)針繞1M轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)。如圖 2.6（ b）所示，當(dāng)主動(dòng)橢圓齒輪 2 轉(zhuǎn)過(guò)角度 2 時(shí)，則從動(dòng)橢圓齒輪 1 轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 3 。令兩齒輪的傳動(dòng)比為23i，由齒輪傳動(dòng)的知識(shí)可推導(dǎo)出： )()(/223332323223 R Rdddtd dtdwwi 把式（ 7）、式（ 8）代入上式中，可得： )c o s ()c o s (2222223cabcabai 2222 c o s22b baca 2222 co s122kkk 如圖 2.7 所示， 2 的變化范圍為從 0 到 2 。 當(dāng) 9.0k 時(shí)， 傳動(dòng)比比較大，周期變化 比較陡峭，非勻速傳動(dòng)明顯， 隨著 k 的增加，傳動(dòng)比整體減小，且隨 2的變化的傳動(dòng)比的周期變化變得平緩，當(dāng) 1k 時(shí)，傳動(dòng)比成了一條直線，變成了 全等 兩個(gè)圓柱齒輪的勻速傳動(dòng)。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 2.5 橢圓 -不完全非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立 2.5.1 位移方程 本論文的橢圓齒輪 不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu) ， 其工作過(guò)程包括四個(gè)階段：取秧、持秧、推秧、回程?，F(xiàn)以一側(cè)為例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立，如圖 2.8 所示 ， 該側(cè)機(jī)構(gòu)包括 1 個(gè)不完全非圓齒輪、 2 個(gè)全等的橢圓齒 輪、 1 個(gè)凸鎖住弧、 1 個(gè)凹鎖住弧以及 1 個(gè)移栽臂，以不完全非圓齒輪 3 的中心為坐標(biāo)原點(diǎn) O，建立坐標(biāo) XOY.移栽機(jī)構(gòu)的已知常量為 a 、 b 、 c 、 k 、 、 S 、 0 、 、 、 1 ；已知變量 為 行星架角位移為 1 . 圖 2.7 k 對(duì)傳動(dòng)比的影響圖 (a）初始安裝 位置 (b) 行星架轉(zhuǎn)過(guò) 1.不完全非圓齒輪 2.中間橢圓齒輪 3.行星橢圓齒輪 4.凸鎖住弧 5.凹鎖住弧 6.行星架 7.移栽臂 圖 2.8 橢圓齒輪 -不完全非圓齒輪行星輪系運(yùn)動(dòng)示意圖 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 32 如圖 2.8(a)所示為機(jī)構(gòu)的初始位置， 在圖 2.8(b)行星架 6 從初始位置開(kāi)始轉(zhuǎn)過(guò)角度1時(shí)（其相對(duì)于初始邊順時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng) 為負(fù)），機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)。設(shè)機(jī)構(gòu)初始位置時(shí) 方向軸 OM1 為行星架轉(zhuǎn)初始邊， 不完全非圓齒輪 1 固定不動(dòng)，行星架 6 從初始位置開(kāi)始繞 O 點(diǎn)做順時(shí) 針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)?行星架 6 在1M點(diǎn)處有一個(gè)彎折角 ，根據(jù)式（ 8）中 2R 的表達(dá)式，可求出圖 2.8(a)初始位置 2R 的表達(dá)式為： )c os ()( 2222 cabR ( 2 在 20 之間變化 ) 用極坐標(biāo)方程表示 R3，則有： 3 23 3 01 1 c o s ( )bkRk ( 3 在 20 之間變化 ) 2 (11) 把式（ 11）中表示 R3的代數(shù)式代入式（ 10）中： 3 0 123 3 0 21222c o s ( 0 2 )c o s ( ) c o s ( ) ( 2 2 2 2 c o s ( ) b a c ac a a c b c 在 （ ） 之 間 變 化在 （ ） 之 間 變 化 ） 2 (12) 式中， 在初始位置時(shí)， 即1 0，2 0時(shí)，可求出30. 中間橢圓齒輪 2 旋轉(zhuǎn)中心 1M 的位移為： 10c o s ( )s i n ( )MMXLYL 2 (13) 行星橢圓齒輪 3 旋轉(zhuǎn)中心 1O 位移為： 1 1 0 1 01 1 0 1 0c o s ( ) 2 c o s ( )s i n ( ) 2 s i n ( )OOX L aY L a 2 (14) 秧爪尖點(diǎn) H 的位移： )s i n ()s i n (2)s i n ()c o s ()c o s (2)c o s (013030101013030101SaLYSaLXHH 2 (15) 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 2.5.2 速度分析 已知機(jī)構(gòu)的行星架 6順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即角速度 為常數(shù)。由不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的傳動(dòng)比表達(dá)式，及齒輪傳動(dòng)中半徑與速度的關(guān)系，可求出圖2.7移栽機(jī)構(gòu)中間橢圓齒輪 2相對(duì)行星架 6的角速度2表達(dá)式： 1 2 112 1 1H R L RiRR 2 11111 0 ( 0 2 ) ( 2 2 )RLR 在 （ ） 之 間 變 化在 （ ） 之 間 變 化 2 (16) 同理，由半徑和速度的關(guān)系可得行星橢圓齒輪 3 相對(duì)行星架的角速度3: 331 2 1133 1 1 32 2H RRR L RiR R a RR 13 311113 0 ( 0 2 )2 ( 2 2 )aRRL R R 在 （ ） 之 間 變 化在 （ ） 之 間 變 化 2 (17) 由式（ 13）對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)得中間橢 圓齒輪 2 旋轉(zhuǎn)中心 1M 的速度方程 為： )c o s ()s in (01110111LYLXMM 2 (18) 由式（ 14）對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)得行星橢圓齒輪 3 旋轉(zhuǎn)中心 1O 的速度方程為： )c o s (2)c o s ()s i n (2)s i n (01101110110111aLYaLXOO 2 (19) 由式（ 15）對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)得 秧 針尖點(diǎn) H 的速度方程為 : 1 1 0 1 1 0 1 3 3 3 0 1 01 1 0 1 1 0 1 3 3 3 0 1 0s i n ( ) 2 s i n ( ) ( ) s i n ( )c o s ( ) 2 c o s ( ) ( ) c o s ( )HHX L a SY L a S 2 (20) 2.5.3 加速度分析 加速度是單位時(shí)間內(nèi)速度的增量，用來(lái)表示速度變化的快慢。要求解加速度，可以通過(guò)在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)。 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 34 通過(guò) 式（ 17） ， 對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)得行 星橢圓齒輪 3 相對(duì)行星架的角加速度3: 12123313 )(2 RLRRaL R 2 (21) 通過(guò) 式（ 18） ， 在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù) ， 得 到 中間橢圓齒輪 2 旋轉(zhuǎn)中心1M的加速度方程： )s in ()co s (0121101211LYLXMM 2 (22) 通過(guò) 式（ 19） ， 在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù) ，得到 行星橢圓齒輪 3 旋轉(zhuǎn)中心 2M 的加速度方程： )s i n (2)s i n ()co s (2)co s (012101211012101211aLYaLXOO 2 (23) 通過(guò) 式（ 20） ， 在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù) ，得到 取苗針尖點(diǎn) H 的加速度方程： 1 3 3 3 0 1 021 3 3 3 0 1 01 3 3 3 0 1 021 3 3 3 0 1 0s i n ( )( ) c o s ( )c o s ( )( ) s i n ( )HOHOX X SSY Y SS 2 (24) 2.6 本章小結(jié) 1）對(duì)橢圓 不完全非圓齒輪行星 輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了介紹，對(duì)機(jī)構(gòu)中涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析參數(shù)進(jìn)行了說(shuō)明； 2）分析了橢圓與不完全非圓齒輪、橢圓齒輪與橢圓齒輪的傳動(dòng)特性，并分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)傳動(dòng)比的影響； 3）建立了機(jī)構(gòu)的位移、速度，加速度模型，為 VB 軟件的開(kāi)發(fā) 奠定了 基礎(chǔ)。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 第三章 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件 的運(yùn)用 根據(jù) 第二章建立的橢圓 不完全非圓齒輪運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可知該移栽機(jī)構(gòu)的非勻速間歇傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，且各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間具有非線性、強(qiáng)耦合性和模糊性等特點(diǎn)。普通的多目標(biāo)優(yōu)化方法不能很好的解決 該移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題，即無(wú)法找出移栽機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理組合，達(dá)到機(jī)構(gòu)的工作要求。本文應(yīng)用 Visual Basic 6.0 編程平臺(tái)，把已經(jīng)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程編成程序代碼，開(kāi)發(fā)了橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件， 利用 VB6.0 的可視化 功能 使移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)直觀實(shí)時(shí)的顯示， 通過(guò) 改變機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，移栽軌跡能夠得到相應(yīng)的調(diào)整，為移栽機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 3.1 優(yōu)化軟件的 運(yùn)用 思路 橢圓 不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化具有非線性、交互性、模糊性等特點(diǎn) ， 如果要對(duì)比較復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，通常可選擇運(yùn)用懲罰函數(shù)的方法進(jìn)行求解分析 。 在懲罰函數(shù)的方程式中懲罰因子的確定是關(guān)鍵 ， 由于在水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，懲罰因子不能確定，如果取值過(guò)大會(huì)使函數(shù)過(guò)早收斂于非極值點(diǎn)，但取值過(guò)小則函數(shù)收斂性較差。當(dāng)然還有其他的一些解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的方法，例如：遺傳算法 30、模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，但這些方法都具有一定程度的局限性，特別是各個(gè)目標(biāo)的加權(quán)值很難確定。因此，需要尋找一種符合水稻移栽機(jī)構(gòu)這種復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)化方法。 人機(jī)交互優(yōu)化方法有效的結(jié)合了人的定性判斷與計(jì)算機(jī)定量分析的功能 ，把人對(duì)事物的認(rèn)識(shí)辨別能力與計(jì)算機(jī)精確的計(jì)算能力結(jié)合在一起，兩者相輔相成，解決復(fù)雜問(wèn)題的參數(shù)優(yōu)化。為了使人與計(jì)算機(jī)之間能夠進(jìn)行比較好的數(shù)據(jù)傳遞與溝通，需要選擇一個(gè)可視化的軟件平臺(tái)，其中 VB 與 VC 編程軟件都具有強(qiáng)大的可視化功能，是人機(jī)交互優(yōu)化的最佳平臺(tái)。 本文選取 VB 軟件作為開(kāi)發(fā)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件的平臺(tái)，通過(guò)把機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程譯成代碼，編寫(xiě)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軟件 31-36，軟件完成后， 通過(guò)手動(dòng)輸入優(yōu)化變量，軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡、判斷優(yōu)化結(jié)果。通過(guò)調(diào)整優(yōu)化變量，能夠找出一組符合水稻缽 苗移栽軌跡要求的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 36 參數(shù)。 如 圖 3.1 為移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件的設(shè)計(jì)思路圖，在 VB 平臺(tái)中編寫(xiě)移栽機(jī)構(gòu)的程序，使之順利實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。在該優(yōu)化軟件運(yùn)行后，通過(guò)在可視化界面手動(dòng)輸入已知參數(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)及軟件的判斷，判定當(dāng)前組的參數(shù)是否滿足要求。若結(jié)果超出參數(shù)的界定值，界面會(huì)跳出提示，操作者可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整輸入?yún)?shù)，直到得出一組符合水稻缽苗移栽的參數(shù)組合。 圖 3.1 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)軟件的設(shè)計(jì)思路 3.2 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軟件界面 圖 3.2 水稻 缽苗移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡 手動(dòng)改變已知參數(shù) 計(jì)算、輸出目標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行可視化運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 滿足優(yōu)化目標(biāo) ? 輸出優(yōu)化結(jié)果 優(yōu)化完成 否 是 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 3.3 數(shù)據(jù)處理 1）橢圓齒輪參數(shù)計(jì)算模塊 單擊菜單欄 參數(shù)計(jì)算 橢圓齒輪參數(shù)確定 ， 通過(guò)輸入已知參數(shù)，用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)計(jì)算橢圓齒輪的各個(gè)參數(shù)。需要輸入的已知參數(shù)有：計(jì)算精度 e 、橢圓長(zhǎng)半軸 a 、橢圓短長(zhǎng)軸之比 k 、齒輪模數(shù) m 等參數(shù) ，點(diǎn)擊 Calculate按鈕，可以求得計(jì)算結(jié)果有：橢圓齒輪模數(shù) m 、齒數(shù)z 、橢圓齒輪長(zhǎng)半軸 a 、橢圓齒輪短半軸 b 、橢圓齒輪半焦距 c 及橢圓齒輪節(jié)曲線長(zhǎng)度L 等參數(shù)（如圖 3.7 所示），在此計(jì)算模塊中還具有保存計(jì)算結(jié)果以及打開(kāi)已保存結(jié)果的功能。 2） 移栽爪相對(duì)速度曲線 在 功能選項(xiàng) 秧爪尖相對(duì)速度曲線 下，有三個(gè)選項(xiàng)， x(水平 )方向速度變化曲線 、 y(垂直 )方向速度變化曲線 和 x和 y方向合成速度變化曲線 ， 點(diǎn)相應(yīng)的選項(xiàng)的可分別得到對(duì)應(yīng)的速度曲線，如圖 3.4所示。 （ a） x 方向速度變化曲線 圖 3.3 橢圓齒 輪參數(shù)計(jì)算模塊 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 38 （ b） y 方向速度變化曲線 圖 3.4 速度曲線的輸出 3）保存秧尖點(diǎn)的靜軌跡曲線 單擊 功能選項(xiàng) 保存秧尖點(diǎn) D1的靜軌跡曲線（ *dxf） ， 可在 AutoCAD中打開(kāi)和處理。 4） 保存四個(gè)角度及中心距參數(shù) 單擊 功能選項(xiàng) 保存四個(gè)角度及中心距參數(shù) ，可保存 4個(gè)橢圓齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角與中心距 l （ l 為 太陽(yáng)輪與中間橢圓齒輪的中心距 ） 。 3.4 本章小結(jié) 1） 根據(jù)第二章建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以 VB6.0 為平臺(tái)，編寫(xiě)了橢圓 不完全非圓齒輪行星 系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件； 2） 介紹了該軟件的界面，詳細(xì)講解了各分析模塊與數(shù)據(jù)處理模塊的操作。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 第 四 章 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過(guò)橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件，找到了一組符合水稻缽苗移栽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)該 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為該機(jī)構(gòu)的加工制造提供基礎(chǔ)。本章以 CAXA2011、 CAD2008 為平臺(tái)，對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)以及零件進(jìn)行二維設(shè)計(jì)。 4.1 旋轉(zhuǎn)式 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (a) 移栽機(jī)構(gòu) 裝配圖 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 40 (b)齒輪盒內(nèi)結(jié)構(gòu) 圖 4.1 移栽臂結(jié)構(gòu)圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 41 4.2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 齒輪盒內(nèi)的嚙合運(yùn)動(dòng)是水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非勻速間歇傳動(dòng)的關(guān)鍵，包括不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的非勻速間歇傳動(dòng)、橢圓齒輪與橢圓齒輪的非勻速傳動(dòng) 。 4.2.1 非勻速間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 間歇傳動(dòng)是移栽機(jī)構(gòu)在取秧后到推秧這段軌跡形成的關(guān)鍵部分，傳統(tǒng)的方法是用不完全圓齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)，在停歇期間通過(guò)鎖止弧定位。普通的不完全圓齒輪機(jī)構(gòu)是由普通的漸開(kāi)線齒輪機(jī)構(gòu)演變而來(lái)，變成一種間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與停歇時(shí)間的要求，在 從動(dòng)輪上做出與主動(dòng)輪輪齒相嚙合的輪齒。當(dāng)主動(dòng)輪作連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪作間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在從動(dòng)輪停歇期內(nèi)，兩輪輪緣各有鎖止弧起定位作用，以防止從動(dòng)輪的游動(dòng)。非勻速運(yùn)動(dòng)是機(jī)構(gòu)推秧后到下一次取秧的軌跡形成關(guān)鍵，而要達(dá)到非勻速機(jī)械輸出的要求，傳統(tǒng)的做法是在不完全圓齒輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)齒輪上同軸固接一個(gè)橢圓齒輪或一個(gè)非圓齒輪，這樣機(jī)構(gòu)就變成雙排，三個(gè)齒輪，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率低。 本文選取的從動(dòng)輪是橢圓齒輪，橢圓齒輪不能直接和不完全圓齒輪嚙合，因此主動(dòng)輪用不完全非圓齒輪，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)，也能達(dá)到機(jī)構(gòu)的非勻速傳 動(dòng)要求。本文采用的間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由不完全非圓齒輪、橢圓齒輪、凸鎖止弧以及凹鎖止弧四個(gè)零件組成，兩個(gè)齒輪單級(jí)傳動(dòng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單 、傳動(dòng)效率高。凸鎖止弧安裝在不完全非圓齒輪的無(wú)齒部分，如圖 5.4 所示 ； 凹鎖止弧安裝在橢圓齒輪上，如圖 5.5 所示。不完全非圓齒 輪尺寸結(jié)構(gòu)是由與之共軛的橢圓齒輪及不完全非圓齒輪有齒部分所對(duì)應(yīng)的圓心角大小共同確定，不完全非圓齒輪有齒部分的節(jié)曲線長(zhǎng)度與橢圓齒輪節(jié)曲線周 1. 不完全非圓齒輪 2.凸鎖止弧 1.中間橢圓齒輪 2.凹鎖止弧 圖 5.4 太陽(yáng)輪與凸鎖止弧裝配圖 圖 5.5 中間輪與凹鎖止弧裝配圖 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 42 長(zhǎng)相等。在不完全非圓齒輪的有齒部分，不完全非圓齒輪與中間橢圓齒輪為共軛嚙合 ；在不完全非圓齒輪的無(wú)齒部分，則由凸鎖止弧與凹鎖止弧配合傳動(dòng)，防止中間橢圓齒輪相對(duì)齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)不完全非圓齒輪作為為主動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的從動(dòng)中間橢圓齒輪作非勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)不完全非圓齒輪轉(zhuǎn)到無(wú)齒部分時(shí)，兩個(gè)齒輪脫離嚙合，此時(shí)凸鎖止弧和凹鎖止弧相配合，鎖住中間橢圓齒輪，即中間橢圓齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，而此時(shí)不完全非圓齒輪繼續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)不完全非圓齒輪再次與中間橢圓齒輪嚙合時(shí)，凸鎖止弧和凹鎖止弧脫離，中間橢圓齒輪又實(shí)現(xiàn)非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的非勻速間歇傳動(dòng)。 間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是要確定其各零件的幾何參數(shù)，通過(guò)第 三、四章的優(yōu)化軟件可以得出相關(guān)的參數(shù)。主要包括齒輪的模數(shù)、齒數(shù)以及凸鎖止弧的半徑及圓心角等。齒輪與鎖止弧通過(guò)定位銷連為一體，保證間歇傳動(dòng)的工作平穩(wěn)。同時(shí)要確保在兩齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)度到鎖止弧配合傳動(dòng)的過(guò)程中凹凸鎖止弧和兩齒輪齒頂不能發(fā)生干涉。 4.2.2 非勻速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 橢圓不完全非圓齒輪組成的非勻速間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳到中間橢圓齒輪后，再通過(guò)橢圓齒輪與橢圓齒輪嚙合的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的非勻速傳動(dòng)。該橢圓齒輪橢圓齒輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)分度圓曲線、模數(shù)和齒數(shù)完全相同的橢圓齒輪組成。橢圓齒輪的參數(shù)可以通過(guò)第三 章介紹優(yōu)化軟件中的橢圓齒輪計(jì)算模塊得到，根據(jù)橢圓齒輪的優(yōu)化參數(shù)，可用課題組內(nèi)開(kāi)發(fā)的 橢圓齒廓生成程序（ Matlab 軟件平臺(tái)）繪制橢圓節(jié)曲線。 4.3 移栽臂組成零件的設(shè)計(jì) 移栽臂要實(shí)現(xiàn)取秧、推秧的動(dòng)作，保證彈簧片的閉合、張開(kāi)，需要有一套機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中凸輪與撥叉的配合運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵。 凸輪通過(guò)螺栓與齒輪盒固接，隨齒輪盒一起逆時(shí)針作圓周運(yùn)動(dòng)，撥叉圍繞撥叉軸擺動(dòng)，撥叉軸固接在移栽臂上。凸輪與撥叉作用工作過(guò)程為：通過(guò)凸輪輪廓線的變化，帶動(dòng)撥叉繞撥叉軸擺動(dòng)，使推秧?xiàng)U帶動(dòng)推秧爪實(shí)現(xiàn)取秧和推秧的動(dòng)作，在凸輪與撥叉的配合過(guò) 程中，需滿足以下設(shè)計(jì)要求： 1） 取秧時(shí)，彈簧片在推秧爪的作用下能夠緩慢夾緊缽苗，到達(dá)缽苗的莖桿根部之后，彈簧片有個(gè)快速夾緊缽苗的動(dòng)作； 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 43 圖 4.4 撥叉零件圖 1.彈簧座 2.撥叉 3.凸輪 圖 4.3 撥叉的圓心角設(shè)計(jì) 2） 在取秧后到推秧前，彈簧片保持夾緊缽苗，推秧?xiàng)U相對(duì)移栽臂不運(yùn)動(dòng)； 3） 推秧時(shí)刻，推秧爪可以快速推出缽苗； 4）推秧后，到下一次取秧之前，保證彈簧片成張開(kāi)姿態(tài)，為下一次的取秧準(zhǔn)備； 5）推秧?xiàng)U的工作行程為 20mm，即撥叉上下擺動(dòng)的距離為 20mm，圖中 雙點(diǎn)劃線部分表示取秧前齒輪與撥叉的相對(duì)位置，實(shí)線部分表示取秧后凸輪與撥叉的相對(duì)位置； 6）撥叉旋轉(zhuǎn)中心到凸輪旋轉(zhuǎn)中心滿足 2 0 , 2 0x m m y m m 。 從左往右方向觀看（如圖 4.1），左側(cè)的齒輪盒工作時(shí)為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。凸輪通過(guò)螺栓固接在齒輪盒外壁上，與行星軸同軸，隨齒輪盒一起做逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；行星軸的一端伸出齒輪盒外，與移栽臂固接，移栽臂由行星軸帶動(dòng)相對(duì)齒輪盒做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪盒旋轉(zhuǎn)一周，移栽兩次，單個(gè)移栽臂完成移栽作業(yè)一次，即齒輪盒回轉(zhuǎn)一周，撥叉相對(duì)凸輪正好回轉(zhuǎn)一周。撥叉通過(guò)撥叉軸安裝在移栽臂殼體內(nèi)，撥叉相對(duì)凸輪順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 4.3.1 撥叉的設(shè)計(jì) 撥叉通過(guò)