单行蔬菜钵体苗自动移栽机的设计—取苗装置设计[三维PROE]【2013年最新整理毕业论文】

本科毕业设计（论文） 题 目 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09 机械 4 班 姓 名 李宇通 学 号 B09300414 指导教师 俞高红 系 主 任 胡明 学院院长 胡旭东 二 O 一三 年 五 月 十六 日 浙江理工大学本科毕业设计 1 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业设计诚信声明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 2 目录 Abstract . 7 第 1 章 绪论 . 10 1.1 前言 . 10 1.2 国内外蔬菜钵苗取苗机构的发展概述 . 12 1.2.1 我国蔬菜钵苗移栽机械化发展概况 . 12 1.2.2 我国蔬菜钵苗移栽机存在的问题 . 13 1.2.3 我国蔬菜钵苗移栽机存在问题解决途径分析 . 14 1.2.4 国外蔬菜钵苗自动移栽机的发展和研究成果 . 15 1.2.5 蔬菜钵苗移栽机发展方向 . 15 1.3 国内取苗机构存在的主要问题和发展方向 . 16 1.3.1 国内取苗机构发展存在的主要问题 . 16 1.3.2 国内蔬菜取苗机构的发展方向 . 17 1.4 本文的研究目标 . 18 1.5 本文的主要工作及内容安排 . 18 1.6 本章小结 . 18 第 2 章 蔬菜钵苗取苗机构的运动学分析 . 19 2.1 取苗爪工作要求的实现 . 19 2.2 蔬菜钵苗取苗机械手的机构组成与工作原理 . 20 2.3 椭圆齿轮传动的运动分析 . 22 2.3.1 椭圆齿轮的啮合特性及优点 . 22 2.3.2 椭圆齿轮的角位移、角速度和传动比分析 . 23 2.4 蔬菜钵苗取苗机械手运动学模型的建立 . 25 2.4.1 运动学分析符合的说明 . 25 2.4.2 蔬菜钵苗取苗机械手位移分析 . 26 2.4.3 机械手上各点位移方程和各构件角位移方程 . 27 2.4.4 机构上各点的速度方程和各构件角速度方程 . 29 2.4.5 机械手上各点的加度方程和各构件角加速度方程 . 31 2.5 本章小结 . 32 第 3 章 蔬菜钵体苗自动移栽机取苗机构的参数优化 . 33 3.1 优化目标与变量 . 33 3.2 辅助分析优化软件 . 33 3.2.1 人机交互简介 . 34 3.2.2 本课题人机交互软件介绍 . 35 3.2.3 椭圆齿轮参数计算 . 35 3.2.4 取苗机构参数优化步骤 . 36 3.2.5 取苗爪尖点的速度分析 . 37 3.3 本章小结 . 39 第 4 章 蔬菜钵苗自动移栽机取苗机构的结构设计 . 40 4.1 蔬菜钵体自动移栽机取苗机构的整体结构设计 . 40 4.2 取苗臂机构设计 . 41 4.3 CAD 软件介绍 . 42 4.3.1 CAD 二维取苗机构零件图 . 43 浙江理工大学本科毕业设计 3 4.4 Proe 软件介绍 . 44 4.4.1 三维 Proe 取苗机构零件图 . 45 4.5 总装配图 . 46 4.6 本章小结 . 47 第 5 章 总 结与展望 . 48 5.1 总结 . 48 5.2 进一步的展望 . 49 致 谢 . 50 参考文献 . 51 附录 . 53 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 4 浙江理工大学本科毕业设计 5 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 6 摘 要 移栽是蔬菜生产过程中的重要环节之一，移栽具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益，可以充分利用光热资源，其经济效益和社会效益均非常可观。目前，国内正在应用的移栽机械多为半自动 移植机，半自动移栽机靠手工送苗，效率低，劳动强度大，而国内自动移栽机的研究刚刚起步，自动移栽机从取苗到植苗都由机械自动完成，效率高。国外虽有一些自动移栽机应用于生产，但还处于不断研究与推广阶段。而取苗机构是制约自动移栽机发展的“瓶颈”，也是制约蔬菜大规模种植的关键问题之一。因此设计一种新型的取苗机构替代手工取苗，已成为我国蔬菜种植业发展的迫切需要。 本文总结吸收了国内外各种取苗机构的优缺点，在实验室已有研究成果的基础上，设计了一种新型蔬菜钵苗取苗机构，该机构可以单独作为取苗机构，实现自动取苗；或通过改 进部分结构参数，可以集栽取功能于一体，即取苗和栽植苗动作都由该套机构完成。该蔬菜钵苗取苗机构结构简单，工作可靠，取苗效率高。本文主要的研究内容如下： 1.根据蔬菜钵苗取苗的技术特点和农艺要求，模拟人工取苗的轨迹、动作和姿态要求，发明蔬菜钵苗取苗机构，满足机械取苗特殊的工作轨迹要求，比现有的蔬菜取苗机构工作效率高，并且工作平稳。 2.论述了该 取苗 机构的工作原理和结构特点，建立 取苗 机构的运动学模型。 浙江理工大学本科毕业设计 7 3.以建立的运动学模型为基础， 基于可视化开发平台 VB6.0，通过其软件分析蔬菜钵苗取苗机构辅助分析与优化软件（软件登记号 ： 2011SR030044）， 介绍了该软件的人机交互界面及功能，基于该软件，解决了该机构运动学多目标优化的难点。 4.根据蔬菜 取苗 农艺要求，提出蔬菜钵苗 取苗 机构参数优化的目标和优化方法，分析各参数变化对 取苗 机构运动特性的影响，利用自主开发软件，采用人机交互的优化方法，优化出 取苗 机构的结构参数，满足蔬菜钵苗 取苗 的工作要求。 5.按照优化得到的结构参数，进行蔬菜钵苗 取苗 机构的总体设计，讨论了设计中应该注意的问题，最后在 ProE、 CAD 下完成装配图和各零件的设计。 6.建立 取苗 机构的三维实体模型， 对其进行虚拟装配。 关键词： 蔬菜钵苗；取苗机构；工作机理；参数优化；试验研究 Optimal and Design of Vegetable Plug Seedling Pick-up Mechanism of Planetary Gear Train with Ellipse Gears and Incomplete Non-circular Gear Abstract Transplanting is an important process of vegetable procreating, which has the function of compensating varying climate and shifting the procreating of plants to an earlier time. It helps the plants to use the source of light and temperature sufficiently, which will make considerable economical and social benefits. At p resent, most transplanting machines are semi-automatic transplanting machines ， they need pick up plug seedling by man ， which have high work intensity and low work efficiency ,and domestic research on automatic transplanting machine is just beginning . Automatic transplanting machine can pick up plug seedling and transplanting plug seedling by themselves ,which have low work intensity and high work efficiency. The overseas have automatic transplanting machine be applied in 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 8 production,but the application and research on automatic transplanting machine is developing.Thus the pick up plug seedling machine is the key issues,which restricted the development of automatic transplanting machine and at same time ,which is also restricted the development of the plants of vegetable . So its a pressing requirement to design a new kind of pick up plug seedling machine. This paper concludes the merits and demerits of several kinds of transplanting machines from both domestic and abroad. Based on the achieved research result, a new vegetable plug seedling pick-up mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incomplete non-circular gear has been designed. This vegetable plug seedling pick-up can be used as seedling fetching mechanism lonely to realize fetching seedlings automatically. Besides, if the mechanism parameters of this mechanism have been optimized properly, the motion of fetching seedlings and transplanting seedlings can both be realized by this mechanism. This vegetable plug seedling pick-up mechanism has simple structure and reliable performance. The main content of this paper is listed as bellow: 1. According to the technological characteristics and agricultural requirements, imitate the requirements of trajectory, motion and attitude of manual pick up plug seedling, invent the vegetable plug seedling pick-up mechanism, which can satisfy the special working trajectory requirements of fetching and pick up plug seedlings automatically. This new vegetable plug seedling pick-up mechanism has higher working efficiency, steadier transmission and less vibration than existing mechanism. 2. The working principle and structural features of this automatic vegetable plug seedling pick-up mechanism has been discussed and the kinematic mathematical model of this mechanism has been established. 3.Based on the established kinematic mathematical model and Visual Basic 6.0, develop the kinematic aided analytical and optimal software of this vegetable plug seedling pick-up mechanism (Register Number: 2011SR030044). Introduce the human-computer interactive interface and functions of this software. By this software, the difficulty of optimization with multiple kinematic objects of this mechanism can be solved. 浙江理工大学本科毕业设计 9 4. According to the agricultural requirements in our country, put forward the parametric optimal objects and methods of the vegetable plug seedling pick-up mechanism. Analyze the influence of parameter vitiation on kinematic characteristics of this vegetable plug seedling pick-up mechanism. Take advantage of the developed software, use the optimization method of human-computer interactive, and obtain the structural parameters which can satisfy the working requirements of automatic vegetable pot seedling transplanting. 5. In accordance with the obtained structural parameters, design the ensemble of the vegetable plug seedling pick-up mechanism； discuss the problems which should be noticed in the process of designing. Finally finish the design of parts and the assembly drawing basing on ProE and CAD. 6. Establish the solid model of all parts of this vegetable plug seedling pick-up mechanism in UG6.0 and then carry out the virtual assemble. Keywords: Vegetable plug seedling； Pick-up mechanism； Work principle； Parameters optimization； Test study 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 10 第 1 章 绪论 1.1 前言 据 FAO 统计， 2006 年中国已成为 世界 上 最大的蔬菜生产国，蔬菜产量 约 占世界总产量的 49.6 1。改革开放以来，我国蔬菜产 量 每年呈持续增长的势头 ，发展迅猛 。据中国农业统计资料显示，我国蔬菜播种面积在上世纪 80 年代年均增长近 10%， 90 年代年均增长 14.5%，本世纪前 7年平均增长 1.9%，到 2007 年达到 2.94 亿亩，总产量 6.41 亿吨。其中，蔬菜 2.6 亿亩， 5.65 亿吨，人均占有量 427 公斤。蔬菜已经 成为我国农业 中 仅次于粮食的第二重要 农产品，近年来，浙江省在种植业结构调整和效益农业的发展上取得了 显著成效，蔬菜生产面积、总产量、总产值逐年增加。浙江省已成为长江三角洲地区重要的蔬菜生产基地，基本培育形成沿杭州湾两岸及沿海设施出口蔬菜产业带。同时， 蔬菜种植业也 逐步 成为发展我国 和我省 农村经济的重要组成部分 2。 实现蔬菜顺利移栽 是蔬菜生产过程中的重要环节之一， 移栽 具有对气候的补偿作用和 促进 作物生育提早的综合效益， 还 可以充分利用光热资源，其经济效益浙江理工大学本科毕业设计 11 和社会效益均 十分 可观。目前， 我国 约有 60蔬菜是采用育苗移 植 方式种植的3-4， 但是由于我国蔬菜栽植机械的发展滞后，栽植 作业仍以人工为主 ，而钵苗手工栽植需要弯 腰和肢体屈伸。从蔬菜移栽整个工序的劳动强度来看，手工移栽蔬菜是仅次于收获作业的一项劳动强度非常大的农事活动，它占作物从种植到收获所需总劳动量的 20左右。不仅劳动强度大、生产效率低，而且移栽质量低、生产成本高 ，难以实现大面积 移栽 ，从而 限制了 生产规模 的扩大和 生产效益 的提高 ，制约了 我国 蔬菜生产的发展 。由此可见，实现蔬菜移栽机械化已成为我国蔬菜生产的迫切需要 5-7。另一方面，在我国使用的绝大部分蔬菜移栽为半自动移植机，半自动移栽机构需要手工实现分苗和取苗，即手工喂苗，植苗操作则由由植苗器完成 ,每行的移植效率仅 为 30 40株 /分钟。近年来 ,自动蔬菜移栽机的研究在国内外已引起农机专家和相关企业的重视。自动移栽机构一般由取苗机构和植苗机构组成，从分苗、取苗到植苗操作都是由机械自动完成，不仅工作效率高 ,而且大大降低了工人的劳动强度。目前植苗机构现已比较成熟 ,有现成的应用，而取苗机构是制约自动移植机发展的“瓶颈”问题，在国内，研究刚刚起步，在国外也处在不断的研究与发展的阶段。 从上世纪末到本世纪初，日本的井关、久保田、洋马、野马等几大主要农机公司都进行了取苗机构的研究和开发 8，也研制出了多种样机，并进行了田间取苗试 验，效果良好，现已在日本国内推广使用。但是这些机器的取苗机构存在结构复杂，设计制造成本较高，且单行移植效率只有 60 70株 /分钟，相对于自动移栽机而言，其取苗效率并不是很高，并且日本的自动移植机都在中国申请了专 a) 半自动移栽机 b) 全自动移栽机 图 1.1 半自动移栽机和自动移栽机 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 12 利保护。而我国在自动蔬菜移栽机应用研究方面还处于空白，其研究工作刚刚起步。国内针对取苗机构的研究主要是针对温室棚里的取苗，这样可以用到伺服电机，设计则较为简单，目前针对野外恶劣工作环境的取苗机构的研究还处于实验室阶段。此外，我国在“十二五”农业机械化发展规划中指出，旱地高速移植机械已被列入要重点解决的 技术难题，而由于取苗机构是制约移植机械发展的“瓶颈”问题。本文研究的取苗机构，除可用于蔬菜钵苗取苗外，经改进也可用于油菜、烟草等其他经济作物的取苗。因此 ,开展本文的蔬菜钵苗取苗机构的机理研究，并进行机构创新、理论建模与试验研究，将为今后蔬菜钵苗取苗机构的研发提供重要理论基础和设计依据，不仅具有重要的理论研究意义，而且具有重大的实际应用价值。 1.2 国内外蔬菜钵苗取苗机构的发展概述 1.2.1 我国蔬菜 钵苗 移栽机械化发展概况 我国最早出现的移栽机主要用于移栽棉花和甘薯。栽植机械的研究始于 20世纪 50年代末 60年代初，最早出现的是棉花营养钵育苗移栽和甘薯秧苗栽植机的试验研究。 20世纪 70年代开始研制裸根苗移栽机械，主要用于甜菜移栽。 80年代研制成半自动化蔬菜栽植机，同时也从国外引进了多种适合于移栽蔬菜烟叶甜菜等经济什物的移栽机械，但均因育苗技术落后，配套性能差，以及机具本身性能不稳定和生产率低等原因，都未得到推广使用 9。但随着育苗技术的发展，以及劳动力成本的上升，推动了移栽机械的研制开发工作。到目前为止，已研究成功了多种类别的移栽机械，部分机型已申请了专利，部分机型投入了小批量生产。 目前，国内常见的移栽机 主要有以下几种形式 10： 1)钳夹式移栽机：这种移栽机结构简单，成本低，株距和栽植深度稳定，最大的优点是移栽平稳，种苗直立度较高，工作效率在较低速的情况下，可以保证不漏苗：在高速的情况下，由于是人工喂苗，工作效率大大下降，漏苗、缺苗率大大增加。这种移栽机的应用较少，有被淘汰的趋势。 2)链夹式移栽机：工作过程与钳夹式基本相同，性能与钳夹式移栽机相似。其优点是移栽稳定，但效率低，易漏苗、缺苗。 3)挠性圆盘式移栽机：这种移栽机是由人工或机械将秧苗放置到两片可以变浙江理工大学本科毕业设计 13 形的挠性圆盘内，秧苗随圆盘转动，当达到垂直状 态时进行栽植。由于不受秧夹数量的限制，它对株距的适应性较好，但圆盘寿命较短，栽植深度不稳定。 4)吊杯式移栽机：具有可以进行膜上打孔移栽的独特优点，而且秧苗在移栽过程中不受任何冲击，特别适合于根系不很发达而且易破的钵苗移栽，缺点是整地较为复杂，喂苗速度不能过高，否则漏栽率将增加，生产率较低。 5)导苗管式移栽机：这种移栽机有一个水平喂苗盘和一个垂直或倾斜的将钵苗送入开沟器的导苗管。秧苗在导苗管中的运动是自由的，不易伤苗。秧苗靠重力落到苗沟中，在调整导苗管倾角和增加扶苗装置的情况下，可以保证较好的秧苗直立度、 株距均匀性和深度稳定性，且作业速度较高。缺点是结构比较复杂。 6)输送带式移栽机：带式移栽机由水平输送带和倾斜输送带组成，两带的运动速度不同，这种栽植机机构简单。但在工作可靠性方面需要进一步改进。 7)空气整根营养钵育苗移栽机：吉林工业大学孙廷琮等应用美国 B K Huan9发明的空气整根育苗技术研究开发了空气整根营养钵育苗移栽系统，在此基础上研制了空气整根钵苗全自动移栽机。该机实现移栽全自动化，大大提高了移栽机作业效率。 1.2.2 我国蔬菜 钵苗 移栽机存在的问题 我国栽植机械的研究开发方面虽然已有四十年的历 史，并随着育苗技术的发展，以及劳动力成本的上升，在移栽机的研制方面取得了较大的进展，并逐步转向自动移栽机方面的研究，但目前仍然处于起步阶段，研制的移栽机都没有得到大面积推广应用 11。 蔬菜移栽机械研究刚起步，主要体现在以下几方面 12。 1)蔬菜移栽的品种、育苗方式、苗龄、行距、株距、种植密度及深度等方面在我国各地区存在很大的差异，对蔬菜栽植机械的开发提出了挑战。 2)蔬菜育苗仍然以育苗床或营养土方式为主，所育秧苗不适合机械化移栽，栽植机械与育苗技术脱节，移栽机与秧苗不配套。 3)蔬菜的温室种植面积逐 步增加，露地种植面积在减小，产均种植规模小，不利于蔬菜栽植机械的发展。 4)日前蔬菜移栽机以半自动为主，采用手工喂苗的方式，栽植频率受限于工人的喂苗能力，一般栽植频率不能超过 40株分，导致移栽机作业效率低。 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 14 5)对不同种类栽植机械与作物钵苗相适应性的研究工作进行得不充分，对栽植机械工作原理以及机械与作物生长要求相适应性研究不足。 6)机器的性能和成本及农民的经济条件限制移栽机的推广。 1.2.3 我国蔬菜 钵苗 移栽机存在问题解决途径分析 设计适合我国蔬菜移栽农艺要求，开提高移栽机自动化程度和机具性能。针对我国 蔬菜移栽机存在的问题，找出解决问题的应对措施。主要做好以下几个方面 13-15。 1)建立育苗移栽技术体系，生产各环节形成一套规范化管理。建立适宜机械化作业的育苗移栽技术体系，涉及到品种选育、土壤肥料、作物栽培、机械设计与制造和自动控制等领域，还将涉及到病虫害防治、塑料工业、太阳能利用、温室技术等方面。使农机和农艺相适应，加强从育苗到移栽整个系统的研究，使育苗和移栽有机地结合。生产的各个环节都建立了一整套的规范化的操作管理制度，使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化，使其作物的生产实现了商品化、系列化。 2)制定统一技术标准和评价方法，形成产品标准化、系列化和规格化。我国没有制定统一的技术标准，各种移栽机难以标准化，不利于其发展。应该由国家制定统一的技术标准，形成产品标准化、系列化和规格化。目前没有形成统一的评价方法，如何科学地评价栽植机的性能，是目前亟待解决的一个重要问题。 3)改变单钵输送方式，提高移栽机自动化程度。目前，栽植机械的喂入方式主要以人工喂入为主，工作效益低下。这就需要改变以往以人工喂入单钵的方式，采用成盘钵苗的输送方式，设计专门的切盘机构，在机器上把钵苗盘切成单钵再投钵，提高其工作效率，实现 全自动化。 4)根据某些作物移栽的特殊要求，设计特色机型。某些作物对移栽有特殊的要求，如大葱和韭菜需要较小的株距：有些蔬菜需要较窄的行距。但目前国内缺乏适合这些特殊要求的栽植机，可以为它们单独设计性能卓越的栽植机。 5)农机部门适时引导，国家政策宏观调控。虽然移栽机械使种植方式发生了重大的变化，其可行性和经济性已得到了论证，但是，农民的认识水平毕竟有一定的局限性，对于移栽机械的推广和应用不可能很快地全面接受。所以，农机部门要适时对其进行引导。 浙江理工大学本科毕业设计 15 1.2.4 国外蔬菜钵苗自动移栽机的发展和研究成果 20世纪初期， 欧洲一些国家开始大最种植蔬菜和经济作物，出现了早期的近代秧苗栽植机具。这些机具仍为手动栽植，只是减轻了栽秧者肢体反复屈伸的繁重劳动：到 20世纪 30年代后期，出现了栽植机构或栽核器代替人上直接栽秧，使送秧入沟过程实现了机械化；自 20世纪 50年代开始，欧洲国家开展作物压缩土钵育曲及移栽的生产技术研究，研制出多种不同结构型式的半自动移栽机和制钵机；至 20世纪 70年代，前苏联蔬菜栽植机械化水平为 58，国营农场已达 67；到 20世纪 80年代，半自动移栽机已在曲方国家的农业生产中广泛使用，制钵、育苗和移栽已形成完整的 机械作业系统。到目前为止，作物压缩十钵成型、钵上单粒精密播种和相应的自动化移栽设备在技术上基本达到了完善，亦广泛应用于实际生产。欧洲的几个主要国家 (如法国、德国、荷兰、两班牙、丹麦等 )大部分的蔬菜生产和几乎全部的大地花卉生产都采用育苗移栽生产工艺 16。 从上世纪末到本世纪初，日本的井关、久保田、洋马、野马等几大主要农机公司都进行了取苗机构的研究和开发 17，也研制出了多种样机，并进行了田间取苗试验，效果良好，现已在日本国内推广使用。但是这些机器的取苗机构存在结构复杂，设计制造成本较高，且单行移植效率 只有 60 70 株 /分钟，相对于自动移栽机而言，其取苗效率并不是很高，并且日本的自动移植机都在中国申请了专利保护。 1.2.5 蔬菜 钵苗 移栽机发展方向 蔬菜育苗移栽机械化是一个系统工程，应加强从育苗到移栽整个系统的研究，进一步完善与移栽配套的育苗设施及相应的配套技术，使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化。制定统一技术标准利评价方法，形成产品标准化、系列化和规格化。研究解决钵苗整钵、断根、装盘和运输等中间环节工作过程的机械化自动化问题，使育苗和移栽有机的结合，研制出多种适合我国蔬菜农艺要求的全自动移栽机，实现我国 蔬菜的育苗工厂化生产和移栽机械化作业的生产模式。提高我国蔬菜种植机械化水平，促进我国蔬菜生产的快速发展，改善人们生活水 平 18。 目前国内外的蔬菜移栽机都是以没有取苗机构的半自动的为主，从已有的取苗机构来看，这些机器的取苗机构要么结构复杂，设计制造成本高，要么工作可蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 16 靠性差，最关键的是，日本的取苗机构在中国都申请了专利保护。目前在我国，蔬菜取苗机构的应用还处于空白，而针对蔬菜取苗机构的研究才刚刚起步，未见系统的理论研究，这将制约我国具有自主知识产权的蔬菜取苗机构的开发。而且，实现蔬菜钵苗顺利并可靠的自动 取苗是一项系统工程，建立适宜的系统化蔬菜钵苗自动取苗技术体系，将涉及多个研究领域，如园艺、植保、农学、机械设计与制造、自动控制等，这就需要进行多学科的联合攻关。从我国国情及农村状况考虑，要形成我国特有的蔬菜钵苗取苗技术体系，需要将农机与农艺、栽植机械与育苗技术相结合，应对蔬菜钵苗栽培工艺的规范化、标准化，深入研究取苗机构工作原理及与蔬菜钵苗相适应性的关系，而不能仅限于仿制国外引进的取苗机械。我们应该积极发展全自动蔬菜移植器械，同时走专用的蔬菜钵苗取苗机械与通用的蔬菜钵苗取苗机械相结合的发展道路，以通用蔬菜钵 苗取苗机械为主，并向标准化、系列化、规格化方向发展，同时机构结构简单、成本低廉、秧苗栽植质量可靠 19。 实现取苗作业机械化已成为我国蔬菜种植迫切需要解决的问题。蔬菜育苗取苗机械化是推广普及蔬菜育苗移栽技术，提高蔬菜产量和季节性供应蔬菜，以及提高蔬菜经济作物经济效益和社会效益的必要途径。通过提高种植技术的机械化水平，达到进一步完善与取苗机械相配套的育苗设施及相应的配套技术，使育苗和取苗有机的结合，就可以降低种植成本，达到增加产量，提高经济效益的目 的 20。因此，从长远看，蔬菜取苗机械具有良好的发展 趋势和广阔的发展前景。 1.3 国内取苗机构存在的主要问题和发展方向 1.3.1 国内取苗机构发展存在的主要问题 1）我国农业机械化水平还不够，取苗机构的研究还未引起相关农机专家的足够重视，制约了我国蔬菜钵苗取苗机构的推广 21。 2）育苗未标准化，即蔬菜钵苗的培育方式在我国不同的省份存在很大的差异，这对蔬菜钵苗取苗机构的开发提出了挑战。 3）取苗机械与育苗技术脱节，取苗机构与所取秧苗不配套，即在我国大部分地区蔬菜的育苗仍然采用育苗床或营养土方式进行，使得所育的秧苗不适合机械化取苗。 浙江理工大学本科毕业设计 17 4）由于露天蔬菜受气候的 限制，一般只能种植特定蔬菜，且户均种植规模小，人们不愿意采用取苗机构用于生产。 5）能实现蔬菜钵苗取苗的机械一般结构复杂，成本高，且功能单一，限制了取苗机构的应用与推广。 6）对取苗机构的工作原理和工作特性研究还不是很充分，还学进一步的研究。 7）农民的经济条件限制了取苗机构的推广。 1.3.2 国内蔬菜取苗机构的发展方向 目前国内外的蔬菜移栽机都是以没有取苗机构的半自动的为主，从已有的取苗机构来看 ，这些机器的取苗机构要么结构复杂，设计制造成本高，要么工作可靠性差，最关键的是，日本的取苗机构在中国都申请了专利 保护。目前在我国，蔬菜取苗机构的应用还处于空白，而针对蔬菜取苗机构的研究才刚刚起步，未见系统的理论研究，这将制约我国具有自主知识产权的蔬菜取苗机构的开发。 而且，实现蔬菜钵苗顺利并可靠的自动取苗是一项系统工程，建立适宜的系统化蔬菜钵苗自动取苗技术体系，将涉及多个研究领域，如园艺、植保、农学、机械设计与制造、自动控制等，这就需要进行多学科的联合攻关。从我国国情及农村状况考虑，要形成我国特有的蔬菜钵苗取苗技术体系，需要将农机与农艺、栽植机械与育苗技术相结合，应对蔬菜钵苗栽培工艺的规范化、标准化，深入研究取苗机构工 作原理及与蔬菜钵苗相适应性的关系，而不能仅限于仿制国外引进的取苗机械。我们应该积极发展全自动蔬菜移植器械，同时走专用的蔬菜钵苗取苗机械与通用的蔬菜钵苗取苗机械相结合的发展道路，以通用蔬菜钵苗取苗机械为主，并向标准化、系列化、规格化方向发展，同时机构结构简单、成本低廉、秧苗栽植质量可靠。 实现取苗作业机械化已成为我国蔬菜种植迫切需要解决的问题。蔬菜育苗取苗机械化是推广普及蔬菜育苗移栽技术，提高蔬菜产量和季节性供应蔬菜，以及提高蔬菜经济作物经济效益和社会效益的必要途径。通过提高种植技术的机械化水平，达到进一步完 善与取苗机械相配套的育苗设施及相应的配套技术，使育苗和取苗有机的结合，就可以降低种植成本，达到增加产量，提高经济效益目的 23。因此，从长远看，蔬菜取苗机械具有良好的发展趋势和广阔的发展前景。 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 18 1.4 本文的研究目标 针对目前半自动移栽机构需人工取苗、工作效率低等缺点，以及日韩等发达国家的取苗机构的复杂结构、高制造成本和效率不高、以及在我国申请了专利保护等问题。本文展开一种结构简单、效率更高的蔬菜钵苗取苗机构的工作原理与创新设计方法的研究，通过深入研究蔬菜机械化取苗的工作机理，模拟人工移取蔬菜钵苗的动作、轨 迹和姿态要求，对取苗机构进行机构创新，发明旋转式取苗机构，能够实现自动抓取和释放蔬菜钵苗，并进行理论分析、建模、参数优化和动态仿真，确定一组最优的结构参数进行取苗机构的结构设计，设计出的取苗机构能够很好的满足机械化取苗的工作要求，又能使机构简单高效。最后构建蔬菜取苗机构的测试试验平台，进行取苗机构的高速摄像试验。通过取苗试验完善取苗臂的结构设计，测试了取苗机构的运动学特性。 1.5 本文的主要工作及内容安排 在对本领域国内外研究现状分析的基础上，本文开展了如下的研究工作： 第一章阐述了单行蔬菜钵体苗自动移栽机 的蔬菜钵苗 取苗 机构的工作原理及特点，给出了单行蔬菜钵体苗自动移栽机的蔬菜钵苗 取苗 机构的运动学模型。 第二章详细论述了单行蔬菜钵体苗自动移栽机参数优化。以第二章建立的理论模型为基础，在 VB6.0 环境 下开发了用于机构分析和参数优化的软件。 第三章研究了单行蔬菜钵体苗自动移栽机的蔬菜钵苗 取苗 机构的结构实现与制造，按照优化出的参数进行取苗机构的机构设计，对设计所必须考虑的问题作了阐述。 第四章阐述了蔬菜钵苗取苗机构 CAD、 Proe 系统的开发应用环境、系统总体结构和特点，实现取苗机构的实体建模制图。 第五章是全文的总 结及展望。 1.6 本章小结 1）分析了进行蔬菜钵苗取苗机构研究的重要意义。 2）概述了国内外蔬菜取苗机构的发展现况及及存在问题，阐述了国内蔬菜取苗机构存在的主要问题和发展方向。 浙江理工大学本科毕业设计 19 3）给出了本论文主要工作及内容安排。 第 2 章 蔬菜钵苗取苗机构的运动学分析 对于蔬菜移栽机的 设计， 要 根据 实际 的使用要求对 其 的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行 构思 、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。 其 设计是 机械工程 的重要组成部分，是 机械生产的第一步，是决定 机械性能 的最主要的因素。设计的努力目标是：在各种限定的条件 (如材料、加工能力、理论知识和计算手段等 )下设计出最好的机械，即做出 优化设计 。优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少 环境污染 。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况 权衡 轻重， 统筹兼顾 ，使设计的机械有最优的综合 技术经济效果 。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论 和 价值工程 、 系统分析 等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累 ,以及 计算机 的推广应用 ,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。 从实际出发根据一些限定条件进行运动学设计和分析。 2.1 取苗爪工作要求的实现 自动移栽机要求取苗机构模拟人手从钵苗盘中把钵苗取出，然后在某个位蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 20 置释放，使钵苗落入植苗器中，以便植苗器栽植，接着取苗机构重复上述动作。通过分析现有取苗机构的轨迹特点，为了顺利从钵苗盘中夹取钵苗，取苗片进入钵苗盘的轨迹段和退出钵苗盘的轨迹段的夹角不能太大，并且进入和退出钵苗盘的取苗轨迹要尽量的靠近。当取 苗机构的处于取苗阶段时，取苗片进入钵苗盘前完全张开，当到钵苗盘底部时，取苗片完全夹紧钵苗，然后钵苗随着取苗片一起往钵苗盘外运动，实现取苗；取苗结束后，取苗机构处于持苗阶段，即取苗片夹持钵苗运动；持苗一段时间后，取苗机构进入放苗阶段，即取苗片完全张开，推庙爪将钵苗推出，钵苗落入植苗器中，实现放苗动作；放苗结束后，取苗片一直保持张开状态，直至下一次取苗开始。 通过对蔬菜钵苗取苗机械的技术特点和农艺要求的分析，要满足模拟人工取苗的轨迹、动作和姿态要求，设计合理的非匀速传动机构是实现蔬菜钵苗取苗机械手自动取苗的核心 技术。要实现非匀速传动的机构很多，但要考虑取苗机械手尺寸大小，并同时满足取苗机械手的运动和结构要求，基于这种要求，本文考虑用椭圆齿轮行星轮系机构来实现非匀速传动。并通过实际的考虑和大量的调试，最终通过选择合理的结构参数，使得取苗臂上的取苗片尖点在工作时形成所要求的取苗轨迹。 本文设计的椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗取苗机械手是一种新型的取苗机构。该机构传动平稳、取苗效率高、工作性能可靠。本章着重分析取苗机械手的工作原理和运动学特性，介绍了该取苗机械手的工作原理和工作过程，并建立其运动学模型。 2.2 蔬菜钵苗取苗机 械手的机构组成与工作原理 如图 2.1 所示，在链轮箱18内固接在传动轴 16上的主动链 1.下行星轮轴， 2. 下行星椭圆齿轮， 3. 下中间轴， 4. 下中间椭圆齿轮， 5.中心轴， 6.中心椭圆齿轮 ， 7.齿轮箱， 8.上中间轴， 9. 上中间椭圆齿轮， 10. 上行星轮轴， 11. 上行星椭圆齿轮， 12. 上取苗臂部件， 13. 下取苗臂部件， 14.中心链轮， 15.链条， 16.传动轴， 17.主动链轮， 18.链轮箱， 19.法兰，20.取苗片， 21.推苗杆， 22.推苗弹簧， 23. 凸轮， 24. 拨叉，25. 壳体， 26. 推苗爪， 27. 转动片， 28 钵苗盘 图 2.1 椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗取苗机械手机构简图 浙江理工大学本科毕业设计 21 轮 17 经链条 15 与固接在中心轴 5 上的中心链轮 14 连接，中心轴 5 伸出链轮箱18 外的一端与齿轮箱 7 固接；齿轮箱 7 内安装有上、下对称结构的行星轮系机构，伸出齿轮箱 7 外的上行星轮轴 10、下行星轮轴 1 上分别装有结构相同的上取苗 臂部件 12 和下 取苗 臂部件 13。在齿轮箱 7 内的中心椭圆齿轮 6 通过法兰 19固定在链轮箱 18 的一侧，中心椭圆齿轮 6 分别与固接在上中间轴 8 上的上中间椭圆齿轮 9 和固接在下中间轴 3 上的下中间椭圆齿轮 4 相啮合，上中间椭圆齿轮9 与固接在上行星轮轴 10 上的上行星椭圆齿轮 11 相啮合，下中间椭圆齿轮 4 与固接在下行星轮轴 1 上的下行星椭圆齿轮 2 相啮合。 图 2.1 中，中心轴 5 转动，带动齿轮箱 7 转动，上取苗臂部件 12 和下取苗臂部件 13 随着上行星椭圆齿轮 11 和下行星椭圆齿轮 2 相对齿轮箱 7作不等速转动，并随上行星轮轴 10 和下行星轮轴 1 绕中心轴 5 作非匀速圆周运动。通过参数优化，使得取苗片尖的工作轨迹满足蔬菜苗自动取苗的要求。 如图 2.2 所示，齿轮箱内的上行星椭圆齿轮 11、上中间椭圆齿轮 9、中心椭圆齿轮 6、下中间椭圆齿轮 4 和下行星椭圆齿轮 2 的长轴在 初始安装位置位于同一直线上，并且其椭圆齿轮的偏心率，即短长轴之比大于 0.99，且五个椭圆齿轮的几何参数均相等 。 当齿轮箱 7 绕着中心轴 5（即取苗臂驱动轴）逆时针方向回转一周时，上行星轮轴 10 和下行星轮轴 1 相对齿轮箱 7 以反方向 (即顺时针方向 )回转 1 周。当取苗片运动到 A1 位置时，取苗片 20 间的角度逐渐变小，开始进入钵苗盘 28 夹持苗； 当取苗片运动至 A2 点时，取苗片 20 逐渐张开，开始放苗。 蔬菜钵苗取苗机械手由取苗机链轮箱主动链轮 17 传递到中心链轮14，中心链轮与中心轴 5用键连接。穴盘苗自动取苗机构各组件连接关系：中 心椭圆齿轮 6 通过衬 2、 11 行星椭圆齿轮 4、 9 中间椭圆齿轮 6 中间椭圆齿轮 12、 13 取苗臂 28 钵苗盘 图 2.2 椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗取苗机械手示意图 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 22 套安装在中心轴 5 上，中心轴 5 轴端由花键或方键与左齿轮箱 7 固接，中心椭圆齿轮 6 依靠牙嵌式法兰盘 19 固定，中心椭圆齿轮 6 的两侧设置上中间椭圆齿轮9 和下中间椭圆齿轮 4，上中间椭圆齿轮 9 和下中间椭圆齿轮 4 各自通过上中间轴 8 和下中间轴 3 固接，再分别与上行星椭圆齿轮 11 和下行星椭圆齿轮 2 啮合，上行星椭圆齿轮 11 和下行星椭圆齿轮 2 分别与上行星轮轴 10和下行星轮轴 1依靠花键联结，上行星轮轴 10 和下行星轮轴 1 伸出齿轮箱的一端分别与上取苗臂部件 12 和下取苗臂部件 13 通过键或方轴固接。行星轮旋转中心与取苗片尖点 的连线与行星架的夹角为0。 2.3 椭圆齿轮传动的运动分析 2.3.1 椭圆 齿轮 的啮合特性及优点 要对椭圆齿轮行星系进行运动学分析，首先要分析椭圆齿轮的啮合特性 椭圆齿轮转动中心为椭圆的焦点，如图 2.3 中的 O1 和 O2 分别为椭圆齿轮 和 的焦点，均为椭圆齿轮轴心，两齿轮初始相位相同（如图 2.3- a) ，轮 和轮 长轴共线）。 设0L为两轴心 O1O2 距离， C 为椭圆齿轮 上的另一焦点， P0 为起始位置的啮合点，则有：02010 POPOL ，020 POCP ，所以 aPOPOL 202010 。由椭圆的性质可知，0L也为椭圆两焦点到圆周上任意一点的距离之和。在任意位置，设啮合点为iP， aPOPOLiii 221 。 从图 2.3- a)位置转到图 2.3-b)位置，两齿轮啮合齿数相等，故 CPPO i 2 ， 所以 aPOPOL iii 221 。因此 O1Pi 和 O2Pi 共线， iP 为任意啮合点。即啮合点位置处于 21OO 的连线上，所以两齿轮在任意位置啮合时，既不会分离也不会切入， a) 初始位置 b）某时刻的位置 图 2.3 椭圆 齿轮节 曲线 浙江理工大学本科毕业设计 23 传动平稳，这是椭圆齿轮啮合的最大优点。 由上分析可知椭圆齿轮传动有 3 个特点： a、 椭圆齿轮节点在两椭圆齿轮轴心的连线上； b、 啮合点到两椭圆齿轮轴心距离之和保持不变，说明椭圆齿轮啮合没有齿侧间隙变化，故传动平稳； c、 由于啮合点在 O1O2 连线上变化，故传动比随着齿轮 角位移1的变化而变化。 2.3.2 椭圆 齿轮 的角位移、角速度 和传动比分析 图 2.4 所示为两个完全相同的椭圆齿轮，长半轴为 a，短半轴为 b，轮 1 和轮 2 各绕其一焦点转动，并且正确安装，即两椭圆齿轮的中心距等于椭圆的长轴2a。这样一对椭圆就能够满足纯滚动的条件。 当椭圆齿轮传动的主动轮 1 匀速顺时针转动时，从动轮 2 作逆时针变速转动。设主动轮 1 转过角 1 （ 以中心线 21OO 为始边 ，沿着逆时针方向转动），从动轮 2转过角 2 （中心线 12OO 为始边，沿着顺时针方向转动），这时两椭圆瞬心线在 1B 、2B 接触（重合）。经推导得： 12121 c o sc o s11 cabkbkr ( 1 在 0 2 之间变化 ) (2-1) 式 (2.1)中 k 为椭圆的短长轴之比，abk； c 为椭圆半焦矩， 222 bac 。 图 2.4 椭圆齿轮啮合初始位置 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 24 22222 c o sc o s11 cabkbkr (2在 0 2 之间变化 ) (2-2) 由椭圆齿轮的传动特性得： 121212 c o sc o s222cabacarar (2-3) 故有： 222 1212 2 c o sc o s c o sa a c bba c a c (2-4) 即：)c o s22( )c o s(c o s 212212 bacacbcaca (2-5) 由式 (2.5)可确定从动轮角位移2与主动轮角位移1之间的关系。传动比 12i为： 221 2 112 22122122 2 c o s2 2 1 c o sr a a c birbkkk (2-6) 因此，椭圆 齿轮 2 的角速度2为： 1212=i (2-7) 当1 0时，即两轮在图 2.2 位置啮合时， 12i 值最大： 2212 2m a x22a a c b a ci b a c 当1时，即两轮在1D、2D置啮合时， 12i 值最小： 2212 2m i n 22a a c b a ci b a c 椭圆齿轮 2的角位移、角速度和传动比的计算程序框图如图 2.5。图 2.6 为主动轮转角与传动比的关系（只与 k 的大小有关）。 浙江理工大学本科毕业设计 25 输入 a、 b、 1 22 bac For 0 to 360 1801 cbaca bcacaCS )c o s22( )c o s( 21221 )arccos(2 CS 221212 c o s22 b bacai 1212 i 图 2.7 角位移、角速度和传动比的求解图 图 2.6 主动轮转角与传动比的关系 2.4 蔬菜钵苗取苗机械手运动学模型的建立 2.4.1 运动学分析符合的说明 为方便分析，将运动学分析所涉及到的相关变量和常量列表于 2.1。 表 2.1 运动 学分析符号说明 符号 意义 备 注 符号 意义 备 注 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 26 a 椭圆的长半轴 已知常量 k 椭圆的 短 长轴 之比 已知常量 某一时刻行星架转过的角位移 (0) 已知常量 2 B 点与 E 点连线对 BD线的角位移 (0) 已知常量 B 点与行星轮 (包括 取苗 臂 )质心 C 连线对 BD线的角位移 (0) 已知常量 0 行星架中心连线与行星轮轴心与 取苗片 尖点 D 连线的初始夹角(0) 变量 31 行星架相对行星轮的角位移 (0) 变量 2.4.2 蔬菜钵苗取苗机械手位移分析 椭圆齿轮行星轮系取苗机械手的初始安装位置如图 2.7。齿轮长半轴为 a ，短半轴为 b ，1O为太阳轮转动中心，也是行星架转动中心，2O为齿轮（中间轮） 转动中心。1O和2O分别为椭圆齿轮和的焦点，1O和2O分别为椭圆齿轮和对应的另一焦点。中心轮（太阳轮）固定于机架，在工作中保持静止。设长轴 11OO 作为行星架转动初始边， 11OO 与 x 轴角度为0（初 a)初始位置 b)行星架转过一角度后的位置 图 2.7 椭圆齿轮行星系取苗机械手示意图 浙江理工大学本科毕业设计 27 始安装角），行星架转角为 ，相对于初始边逆时针转动时 为正，顺时针转动时 为负。 以11OO为行星架12OO的始边，行星架顺时针转动，用极坐标方程表示椭圆齿轮和啮合位置，则： 1 21 1 c o sbkrk ， akb，此时 0 ，11r OP，212r a r， P 为椭圆齿轮和的啮合点。 以22OO为行星架12OO的始边，行星架相对轮长轴转过21 21( 0)，则有： 2 2211 1 c o sbkrk ，22121c o s1b k rk 当 在 0 之间时，21在 0 之间；当 在 2 之间时，21在 2 之间。可根据 21cos 0 或 0确定 21 的唯一角。 2 2211 1 c o sbkrk ，322r a r ， 以33OO为行星架13OO的始边，行星架相对轮长轴转过31 31( 0)，则有： 3 2311 1 c o sbkrk ，33121c o s1b k rk 当 在 0 之间时，31在 0 之间；当 在 2 之间时，31在 2 之间。同样可根据 31cos 0 或 0确定 31 的唯一角。 从上分析可知，取苗机械手旋转 1周，其中间轮和行星轮相对行星架的转角可以 唯一确定。 2.4.3 机械手上各点位移方程和各构件角位移方程 对机械手进行运动学和动力学分析，首先要求出各点的位移、速度和加速度及和各构件的角位移、角速度和角加速度方程。 图 2.8 为椭圆齿 轮行星系 取苗机械手 简图，建立如图所示的直角坐标系0xoy，各点的位移方程为（由于 取苗机械手 是对称的，故只分析单边，另一边蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 28 相差 180 ）： 令：10 太阳轮和中间轮啮合点 P： 1111co ssinPPxryr (2-8) 行星轮与中间轮啮合点 Q： 21212 c o s2 s i nQQx a ry a r (2-9) 中间轮 轴 心 A： 112 c o s2 s inAAxaya (2-10) 行星轮 轴 心 B： 114 c o s4 s inBBxaya （ 2-11） 由于齿轮盒旋转 1周 取苗 2 次 ， 蔬菜钵苗移栽机 前进 2 个株距，故行星轮轴心的绝对运动方程为： / 1 8 0B j BB j Bx x Hyy (2-12) 令：2 0 2 1 中间轮质心： 2 2 22 2 2c o ss i nAAAAx x Ly y L (2-13) 图 2.8 椭圆行星系取苗机械手的简图 (在 B 处省略了对称的另外一个取苗臂 ) 浙江理工大学本科毕业设计 29 令：3 0 0 3 1C 取苗臂质心 C(包含与其固结的行星轮轴和行星轮 )： 3 3 33 3 3c o ss i nB B CB B Cx x Ly y L (2-14) 令：0 0 3 1D 取苗片 尖 D点的相对运动方程为： c o ss i nD B DD B Dx x Sy y S (2-15) 取苗片 尖 D点的绝对运动方程为： / 1 8 0D j DD j Dx x Hyy (2-16) 令：0 0 3 1 2E 拨叉旋转中心 E： c o ss i nE B B E EE B B E Ex x Ly y L (2-17) 其中： 2 2 22c o s 2B E D EBEL S LLS ， 2 2 233c o s 2B D CBL S LLS 2.4.4 机构上各点的速度方程和各构件角速度方程 根据各点的运动方程，可得其运动速度的参数方程和转动角速度方程 : 太阳轮和中间轮啮合点 P： 1 1 1 11 1 1 1c o s s i ns i n c o sPPx r ry r r (2-18) 行星轮与中间轮啮合点 Q： 2 1 2 12 1 2 1c o s ( 2 ) s i ns i n ( 2 ) c o sQQx r a ry r a r (2-19) 中间轮轴心 A： 112 s i n2 c o sAAxaya (2-20) 行星轮轴心 B： 114 s i n4 c o sBBxaya (2-21) 由于齿轮盒旋转 1周 取苗 2 次， 蔬菜钵苗移栽 机前进 2 个株距，故行星轮轴心的绝对 速度 方程为： 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 30 / 1 8 0B j BB j Bx x Hyy (2-22) 令：2 21 中间轮质心： 2 2 2 22 2 2 2s i nc o sAAAAx x Ly y L (2-23) 令：3 31 取苗臂 质心 C(包含与其固结的行星轮轴和行星轮 )： 3 3 3 33 3 3 3s i nc o sB B CB B Cx x Ly y L (2-24) 取苗片尖 D点的相对运动速度： 33s i nc o sD B DD B Dx x Sy y S (2-25) 取苗片 尖 D点的绝对运动 速度 ： / 1 8 0D j DD j Dx x Hyy (2-26) 拨叉旋转中心 E： 33s i nc o sE B B E EE B B E Ex x Ly y L (2-27) 下面计算行星架相对中间轮的角速度21，由反转法可得：21 112rr ，由于椭圆齿轮固定，所以1 0, 则：112121 2rrr r a (2-28) 式 (2.28)中：1 21 1 c o sbkrk 同理，计算行星架相对行星轮的角速度31，由反转法可得： 31 221 3rr 则： 2 21312 2rra (2-29) 式 (2.29)中：2 2211 1 c o sbkrk 浙江理工大学本科毕业设计 31 2.4.5 机械手上各点的加度方程和各构件角加速度方程 由速度和角速度方程分别对时间 t求导各点加速度和角加速度方程： 太阳轮和中间轮啮合点 P： 21 1 1 1 1 121 1 1 1 1 1c o s 2 s i n c o ss i n 2 c o s s i nPPx r r ry r r r (2-30) 行星轮与中间轮啮合点 Q： 22 1 2 1 2 122 1 2 1 2 1c o s 2 s i n ( 2 ) c o ss i n 2 c o s ( 2 ) s i nQQx r r a ry r r a r (2-31) 中间轮轴心 A： 2 1212 c o s2 s i nAAxaya (2-32) 行星轮轴心 B： 2 1214 c o s4 s i nBBxaya (2-33) 中间轮质心： 22 2 2 2 2 2 1 222 2 2 2 2 2 1 2c o s s i ns i n c o sA A AA A Ax x L Ly y L L (2-34) 取苗臂质心 C(包含与其固结的行星轮轴和行星轮 )： 23 3 3 3 3 3 1 323 3 3 3 3 3 1 3c o s s i ns i n c o sB B C B CB B C B Cx x L Ly y L L (2-35) 取苗片尖 D点的相对运动加速度： 23 3 123 3 1c o s s i ns i n c o sD B D DD B D Dx x S Sy y S S (2-36) 拨叉旋转中心 E： 23 3 123 3 1c o s s i ns i n c o sE B B E E B E EE B B E E B E Ex x L Ly y L L (2-37) 中间轮的角加速度由 (2.28)对时间求导得：121 212( 2 )arar 其中， 21 221 s i n(1 1 c o s )b k krk， 211122 1 s i ns i n 1 1 c o sr r krk (2-38) 行星轮的角加速度由 (2.29)对时间求导得 : 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 32 22 2 1 2 1 2 2 1 231 2222r a r rar (2-39) 其中， 22 1 2 12 22211 s i n1 1 c o sb k krk 2 2 2 2 22 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 122 2221s i n c o s 1 1 c o s 2 1 s i n11 1 c o skkr b k kk 上面模型的建立，为后续运动学优化和动力学分析、优化和机构的强度计算奠定了基础。 2.5 本章小结 对于蔬菜钵体苗自动移栽机的设计方案的确定和其运动的分析，为之后的设计提供了理论基础和依据。并且，基于其工作原理和特点， 建立了取苗机构的位移、速度方程，位以后计算机的开发和应用提供了数据和资料。 浙江理工大学本科毕业设计 33 第 3 章 蔬菜钵体苗自动移栽机取苗机构的参数优化 机械 优化设计 是最优化技术 在机械设计领域的移植和应用 ,其基本思想是根据机械设计的理论 ， 方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型 ， 然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案 。本课题通过 VB编程软件对取苗机构进行分析，从而进行各项参数的最优设计，让取苗臂达到最优、最高效的取苗实现。 3.1 优化目标与变量 要 得到一组满足蔬菜钵苗自动移栽机工作要求的结构参数，实质上是寻求一组满足多目标优化的非劣解，它属于一个多目标、多变量的复杂约束优化问 题 21-23。优化参数时，要考虑以下各优化目标要求： 1) 移栽爪插入钵体穴内近似直线段轨迹的长度（不小于 40mm）。 2) 推苗角与取苗角的角度差值，约为钵体苗盘的倾斜安装角度。 3) 取苗轨迹要求与钵苗箱几乎垂直。 4) 移栽爪在回程之前要完成推苗动作。 5) 整个轨迹必须要有一定高度等。 3.2 辅助分析优化软件 通过取苗机构的优化目标可以看出：取苗机构的优化问题是一个复杂的多目标多变量优化问 题，各个优化目标之间具有如下关系 24-26: 1) 强耦合性：某个参数的变化，会同时影响几个目标函数。 2) 非线性：各参数与目标之间不具备线性函数关系。 3) 模糊性：总目标要求分解到各个目标不是唯一值，而是一个范围，即 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 34 该范围内的值都能满足机构运动学要求。此外，各目标之间加权系数无法用具体数值来表示。 另外，各优化目标值无法用单一的数学表达式表示，要经过一系列计算才能得到。而人机交互优化方式能较好解决该优化难题，它将人擅长处理随机。突发事件的应变能力、模糊推理能力、判断力和创造力与机器擅长处理精确、重复、程序化的 计算工作这两者很好的结合起来，使两者充分发挥各自的特点和优势。该方法最重要的一步是开发人机交互的平台，因此，基于 VB可视化开发工具，开发出蔬菜钵苗取苗机构辅助分析与优化软件，各优化目标值在软件界面实时显示，运用人机交互的优化方法，可以对取苗机构进行参数优化，即通过专家与计算机实时显示的交互作用，逐步调整参数，使其符合目标要求。 3.2.1 人机交互简介 人机交互、人机互动（英文： Human Computer Interaction或 Human Machine Interaction，简称 HCI或 HMI），是 一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。系统可以是各种各样的 机 机器 ，也可以是计算机化的系统和 软件 。人机交互 界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。人机交互界面的设计要包含用户对系统的理解（即 心智模型 ），那是为了系统的 可用性 或者用户友好性。 操作系统 的人机交互功能是决定 计算机系统 “ 友善性 ” 的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的 软件 来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种 模式识 别 设备等。与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。早期的人机交互设施是键盘显示器。操作员通过键盘打入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。打入的命令可以有不同方式，但每一条命令的解释是清楚的，唯一的。 随着计算机技术的发展，操作命令也越来越多，功能也越来越强。随着模式识别，如 语音识别 、汉字识别等输入设备的发展，操作员和计算机在类似于 自然语言 或受限制的自然语言这一级上进行交互成为 可能。此外，通过图形进行人机浙江理工大学本科毕业设计 35 交互也吸引着人们去进行研究。这些人机交互可称为智能化的人机交互。这方面的研究工作正在积极开展。 3.2.2 本课题人机交互软件介绍 该取苗机构辅助分析与优化采用 Visual Basic 6.0 编制，其人机交互主界面如图 3.1 所示。通过该人机交互界面，不仅能够在计算机屏幕上直接输入和调整参数值，还可在屏幕上实时看到参数值调整后的目标数据和运动轨迹图形。可输入和调整的参数（优化变量）有：偏心齿轮的节圆半径2R和偏心距 e 、行星非圆齿轮旋转中心到取苗臂尖点的距离，行星架的初始角位移0。显示输出内容有：取苗机构运动特性的目标数据，如取苗角、推苗角、轨迹高度、取苗角与推苗角的角度差和取苗针初始角位移等；与该取苗机构相配合工作的参数（钵苗盘位置、取苗机构的安装高度）；显示的图形有：取苗臂尖点的运动轨迹、取苗和推苗位置时取苗臂的姿态以及钵苗位置等。 图 3.1人机交互软件界面 3.2.3 椭圆齿轮参数计算 该取苗机构辅助分析与优化软件包含椭圆齿 轮参数计算模块，主要是通过数蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 36 值计算的方法来计算椭圆齿轮的各个参数。需要输入的已知参数有：椭圆长半轴a 、椭圆短长轴之比 k 、齿轮模数 m 等参数 ,点击 Calculate按钮，可以求得计算结果有：椭圆齿轮模数 m 、齿数 z 、椭圆齿轮长半轴 a 、椭圆齿轮短半轴 b 、椭圆齿轮半焦距 c 及椭圆齿轮节曲线长度 L 等 参数（如图 3.2所示），在此计算模块中还具有保存计算结果以及打开已保存结果的功能。 图 3.2椭圆齿轮参数模块 3.2.4 取苗机构参数优化步骤 通过以上分析，获知各参数变化对取苗尖点 P 的轨迹和各目标值得影响规律，参数优化过程如下： （ 1） 初取各参数的初始值，获得初始工作轨迹和目标值； （ 2） 根据各参数变化对目标值得影响规律，并借助知道老师经验，不断调整上述各参数值，使各个目标值逐步符合优化的目标结构； （ 3） 微调椭圆的结构参数 k 和 a ，然后相应地微调其余参数。 根据以上步骤，通过人机交互的方式，确定一组较优的参数：a =21.942mm、 k =0.9916、 =270、 0 =152、 0 =-151、 =0、S =154mm。 其运动轨迹如图 3.10所示。 浙江理工大学本科毕业设计 37 图 3.3 取苗机构运动轨迹 3.2.5 取苗爪尖点的速度分析 根据取苗机构辅助分析优化软件得到的参数结果进行取苗爪针尖点 P 的速度分析 ,如图 3.11所示为取苗爪针尖点 P 的速度变 化曲线（一个工作周期），从取苗机构初始安装位置开始计算，通过取苗机构辅助分析优化软件得到的合速度曲线（图 3.11）我们可得：在取苗机构开始取苗前，速度为零，突然达到一个很大的速度，由于取苗段轨迹要求平直，并且取苗时取苗爪速度不能太大，所以可以看见速度曲线是慢慢的下降，在到达取苗轨迹段的最右端（即取苗爪到达蔬菜钵苗盘的最底部时）速度降到最低，然后速度慢慢的上升，取苗机构夹持钵苗往外运动；到达推苗位置时，此时取苗爪尖点的速度较大，此处离最低点较近，有利于把蔬菜钵苗推入相对应的植苗器中，使得取苗爪保持张开的状态， 以便下一次的取苗，从速度曲线上看我们可以看到曲线是一段平直的线段。 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 38 （ a） X轴速度曲线 （ b） Y轴速度曲线 （ c） X、 Y方向和速度曲线 图 3.4取苗机构取苗针尖点 X、 Y方向速度曲线 （ a） X方向加速度曲线 （ b） Y方向加速度曲线 浙江理工大学本科毕业设计 39 （ c） X、 Y方向和加速度曲线 图 3.5取苗机构取苗针尖点 X、 Y方向加速度曲线 3.3 本章小结 本章利用 VB程序编译的人机交互软件，对取苗机构的轨迹、速 度等各项参数进行了优化，选取了最优解。 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 40 第 4 章 蔬菜钵苗自动移栽机取苗机构的结构设计 根据之前计算的参数，本章将对于蔬菜钵苗自动移栽机取苗机构进行具体的结构设计和三维、二维制图。 4.1 蔬菜钵体自动移栽机取苗机构的整体结构设计 蔬菜钵体自动移栽机取苗机构的整体结构如图 4.1所示。 图 4.1 自动移栽机总体设计二维图 1. 栽植比壳体 2.弹簧座 3.拔叉 4.O形密封圈 5.左凸轮 6.O形密封圈 7.凸轮衬套 8. O形密封圈 9.行星轴 10.行星轴 11.定位板 12.六角头螺栓 13.轻型弹簧垫圈 14.1型六角螺母 15.深沟球轴承 16.行星轮 17.中间轮 18.中间轴 19.深浙江理工大学本科毕业设计 41 沟球轴承 20.中心轴 21.太阳轮 22.中心轴 23.左箱体 24.骨架密封圈 25.深沟球轴承 26.右箱体 27.弹簧 28.拔叉帽 29.拔叉 30.拔叉轴 31.凸轮 32.太阳轮轴套 33.中间轴轴套 34.垫片 35.行星轴套筒 36.中间轴套筒 其整体结构的运行，是由马达驱动，太阳轮主动，从而改动两旁两个非圆齿轮转动，由齿轮传动再带动两个非圆齿轮，两端的两个非圆齿轮同轴 上分别各有一个凸轮机构，与凸轮连接的是拔叉，而拔叉带动推杆运动，推杆上连接有取苗爪，由于凸轮的间歇性运动特点，从而完成周期性取苗的整个往复过程。 4.2 取苗臂机构设计 取苗臂工作原理机构简图如图 4.2 所示。凸轮 28 绕1O逆时针转动，拨叉 27可绕2O（即拨叉轴28）转动，拨叉 27 与凸轮 28 为高副连接，在凸轮 28 的推程阶段（即AB 段 ），拨叉 27 相对旋转中心2O顺 时针转动，推动弹簧座 33 向下运动，此时弹簧座压缩弹簧 26 储备弹性势能，与弹簧座 33 固接的推苗杆 29和推苗爪 32也一起向下运动，由于推苗爪 32 与左右取苗针 30、 30 靠滑扣连接，当推苗爪 32 向下运动时，左右取苗爪针的向外展开，同时推苗爪向下推出钵苗，这样一推一张实现落苗。在 BC 段，拨叉 27 相对凸轮静止，取苗爪保持张开状态，为取苗臂复位阶段，为下一次取苗作准备。在凸轮 28 的回程阶段（即 CD 段 ），弹簧 28所存储的势能被释放，弹簧 26慢慢伸长，推动弹簧座 33 向上运动，进而推动 拨叉 27 相对旋转中心2O逆时针转动，由于弹簧座 33 和推苗杆、推苗爪是固接在一起的，所以弹簧座 33向上运动，带动推苗杆 29 与推苗爪 32 也一起向上运动，使得与推苗爪 32 滑扣连接的左、右取苗 26 弹簧 27拨叉 28凸轮 29 推苗杆 30、 30 左右取苗针 32 推苗爪 33 弹簧座 图 4.2 取苗臂机构简图 蔬菜钵体苗自动移栽机 取苗装置设计 42 针 30、 30 向里运动，实现取苗爪闭合，夹紧钵苗 ,同时取苗臂向外运动，实现从穴盘内取出钵苗。 DEA 为取苗爪持苗过程，此阶段取苗爪夹持钵苗，到达 A点时，开始推苗，完成一个周期的取苗作业。 顶盖 25的材料为橡胶，当推苗杆 29在夹持苗过程中会与 顶盖 25接触，为避免产生较大的冲击。在此取苗机构中，齿轮箱旋转一圈，取苗机构完成两次取苗、两次推苗，因此，在齿轮箱转一圈时，拨叉 27相对于凸轮 28的运动刚好为一转。因为凸轮 28固定在行星架（齿轮箱）上，当齿轮箱旋转一周时，齿轮箱内的齿轮也刚好转过一周，与行星椭圆齿轮 2、 10固结的行星轴 1、 11相对齿轮箱也正好转过一周，保证了取苗机构完成一个工作周期。 4.3 CAD 软件介绍 AutoCAD（ Auto Computer Aided Design）是 美国 Autodesk公司首次于 1982年开发的自动 计算机辅助设 计 软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本 三维设计 。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会