异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计【2013年最新整理毕业论文】

摘 要 Abstract 目 录 第 1 章 .绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 宽窄行分插机构的发展状况 . 1 1.3 课题研究内容 . 4 1.4 本章小结 . 5 第 2 章 .宽窄行分插机构设计的分析 . 6 2.1 宽窄行插秧达到的效果和机构工作原理 . 6 2.1.1 宽窄行分插机构达到的效果 . 6 2.1.2 分插机构的工作原理 . 6 2.2 宽窄行分插机构的运动要求 . 8 2.3 分插机构的数学建模及参数确定 . 9 2.3.1 非圆锥齿轮齿轮节曲线表示 . 9 2.3.2 求解共轭非圆锥齿轮节曲线 . 10 2.3.3 分插机构空间轨迹模型构建 . 11 2.3.4 分插机构参数分析及优化 . 13 2.4 本章小结 . 19 第 3 章 . 分插机构行星轮系的建模与仿真分析 . 20 3.1 不完全非圆锥齿轮的齿廓设计及三维造型 . 20 3.2 分插机构不完全非圆锥齿轮行星系的建模 . 21 3.3 不完全非圆锥齿轮行星轮系的仿真分析 . 22 第 4 章 . 插秧机分插机构的三维建模及二维图纸设计 . 23 4.1 箱体的结构设计 . 24 4.2 栽植臂机构设计 . 25 4.3 各零部 件的二维图纸生成 . 26 4.4 分插机构零件设计的注意问题 . 28 第 5 章 . 论文总结 . 29 5.1 论文总结 . 29 5.2 插秧机分插机构的发展前景 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 32 第 1 章 .绪论 1.1 前言 浙江理工大学毕业论文 中国是一 个农业大国，而水稻是我国主要的粮食作物。要实现农业现代化必 须要实现农业机械化。中国目前的农业机械化水平还不高，目前只有 48.8%，中 国的农业装备制造业只有持续稳定快速发展，产品国际竞争力与科技创新能力才 会逐步跨入世界先进行列。节能减排和低碳经济发展模式成为提升物质装备和改 变发展方式的优先战略。 “十二五 ”中国农业机械化发展形势分析中提到农作 物耕种收综合机械化水平将要稳步提升 23 个百分点，到 2015 年达到 60%以上。 水稻栽植、收获机机械化，玉米收获机械化进入提速发展期。 其中水稻种植的机 械化必须要大力发展，水稻合理的栽植能够有效地提高水稻产量 1-2。 水稻机械化中最重要的是水稻插秧机，水稻插秧的机械化能够提高生产效率。 现如今大多数的农村青壮年劳动力都离开农村到城市务工，农村劳动力数量和水 平都持续下降，所以提高水稻插秧的机械化水平尤为重要，因此插秧机的发展是 目前发展的重点。而水稻插秧机中的分插机构决定了插秧机的性能。目前世界范 围内的分插机构均为均匀行插秧，由于均匀行插秧容易导致秧苗的通风效果差， 容易造成水稻的病虫害，还有由于均匀插秧造成的光照不充 足的问题，都会大大 影响水稻的产量。 因此宽窄行插秧的种植方法在我国显得尤为重要，利用插秧行距不同来改善 通风减少病虫害，提高粮食产量。同时有助于减少农药的使用，对环境的保护会 起到很大的作用。 1.2 宽窄行分插机构的发展状况 浙江理工大学的赵匀教授领导课题组研究开发了一系列宽窄行分插机构。 1.步行式偏心 -变位齿轮行星轮系宽窄行分插机构，如图 1.13所示： 偏心 -变位齿轮行星轮系后插式分插机构其主要结构是偏心变位齿轮传动结 构只对中间齿轮变位，太阳轮和行星轮为偏心圆齿 轮。该偏心 -变位齿轮行星轮 系由两个全等偏心圆齿轮、一个与其共轭的偏心变位齿轮和一个行星架构成。由 1 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 于偏心齿轮和共轭偏心变位齿轮啮合，引起传动比的非匀速变化，从而使得行星 轮 相对行星架作非匀速转动。行星轮随着行星架绕回转中心作圆周运动，同时相 对行星架作非匀速转动，行星轮的绝对运动是这两种运动的复合运动。通过键、 行星轮轴与行星轮固结的一对栽植臂和行星轮作相同的复合运动。插秧机由传动 *箱 1、齿轮箱 15、 16 和栽植臂部件 17、 18 组成。通过一套锥齿轮 圆柱直 *齿轮 锥齿轮斜置式逐级啮合的变向传动机构，使安装在输出轴 13、 14 上的 *分插机构齿轮箱 15、 16 转动方向相对于传动箱的成 角度，从而使栽植臂部件 *17、 18 在相对于插秧机前进方向的倾 斜平面内运动。该机构能保证在取秧位置 不变、取秧口等距分布前提下使得插秧位置形成农艺要求的宽窄行分布。 *1.传动箱 2.输入轴 3、 4.输入锥齿轮 5.中心轴 I 6、 7.直齿圆柱齿轮 8.中心轴 II 9、 11.二级输入锥齿轮 10、 12.输出锥齿轮 13、 14.输出轴 15、 16.传动箱 17、 18.栽植臂部件 图 1.1 步行式偏心 变位齿轮行星系分插机构 2.一种万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构，如图 1.24 所示， 1.第一链轮 1.第二链轮 3.链轮轴 4.右万向节 5.右法兰 6.右行星架 7.右太阳轮 8.右万向节输出轴 9. 右调整垫片 10.上右中间齿轮 12.上右行星齿轮 13.上右行星齿轮 14.上右栽植臂 15.秧针 17. 下右中间齿轮 18.下右行星齿轮 19.下右行星轮轴 20.下右栽植臂 图 1.2 万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构 2 浙江理工 大学毕业论文 万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构工作原理，动力由第一链轮通过链条传到 第二链轮，第二链轮固结在链轮轴上，链轮轴两侧分别安装结构相同的左右传动 箱，装在左右传动箱体上下侧的栽植臂；其特征在于：右传动箱结构是链轮轴右 侧通过万向节使右万向节输出轴与链轮轴成一斜角。右万向节输出轴的右端与右 行星架固接，在右行星架内，右太阳轮通过轴承支撑在右万向节输出轴上，并通 过右法兰，右调整垫片与右万向节右端传动箱体上的法兰固定连接，右太阳轮经 上下右中间齿轮分别与各自上下右行星齿轮连接，与上下右行 星齿轮固定连接的 上下右行星轮轴分别连接各自的上下右栽植臂。其特征在于：所述的右行星架与 链轮轴倾斜布置，使得分插机构中秧针的工作平面与链轮轴之间有一个倾斜角度， 该倾斜角度使秧针的插秧位置在取秧位置的右面侧移、偏移一定的距离，以实现 宽窄不同的变行距插秧。 3.一种宽窄行水稻插秧机齿轮传动分插机构，如图 1.35： 1.中心轴 2.右中心偏心齿轮 3.右传动箱 4.右上中间轴 5.右上第一中间齿轮 6.右上行星轴 7.右上第一 行星偏心齿轮 8.右 上行星圆柱齿轮 9.右上第二轴套 10.右上推秧弹簧座 11.右上栽植臂座 12. 右上推秧 弹簧 13.右上被动锥齿轮轴 14. 右上被动锥齿轮 15. 右上栽植臂座 16.右上主动锥齿轮 17.右上推秧凸 轮 18.右上第一轴套 19.右轴套 20.右上第二中间齿轮 24.右下第一中间齿轮 25.右下第二中间齿轮 26. 右下中间轴 27.右下行星轴 28.右下第一行星偏心齿轮 29.右下第二行星圆柱齿轮 30. 右下第二轴套 31. 右下第一轴套 32.右下推秧凸轮 33.右下主动锥齿轮 34.右下 栽植臂座 35.右下被动锥齿轮 36.右下被动 锥齿轮轴 37.右下推秧弹簧 38. 右下推秧弹簧座 39 右下栽植臂 图 1.3 一种宽窄行水稻插秧机齿轮传动分插机构 一种宽窄行水稻插秧齿轮传动分插机构，包括传动箱，传动部件中的中心轴 左右两端分别固结有内部结构相同的左右传动箱，伸出左右传动箱外的四根行星 3 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设 计 轴分别安装栽植臂部件以右边为列：固定在中心轴的右端的右传动箱体内，空套 在中心轴上的右中心偏心齿轮通过右轴套与机架固定连接，右上、右下、中间轴 上分别固定安装有右上右下第一中间齿轮和右上右下第二中间齿轮。右上、右下 *行星轴上分别固定安装右上，右下第一行星偏心轮 和空套右上，右下第二行星 圆柱齿轮，右中心偏心齿轮分别与右上右下第一中间齿轮啮合，右上、右下第一 中间齿轮分别与右上右下第一行星偏心轮系啮合，右上、右下行星轴的一端通过 轴承在右传动箱体的座孔内，伸出右传动箱体外的另一端分别与右 上右下栽植臂 座固结，在右上右下栽植臂座内，通过轴承空套在右上，右下行星轴上的右上右 下主动锥齿轮分别通过右上右下第一轴套与右传动箱体内的右上右下第二行星 圆柱齿轮固接，通过轴承空套支撑在右上，右下第一轴套上的右上右下推秧凸轮 通过伸出右上右下栽植臂的右上右下第二轴套与传动箱体固定连接，与右上右下 主动锥齿轮啮合的右上右下被动锥齿轮固定在右上右下被动锥齿轮轴的下端，右 上右下被动锥齿轮轴通过轴承支撑在右上右下栽植臂，右上右下栽植臂座的座孔 内，右上右下被动锥齿轮轴的上端固定右上右下栽植臂，右上 右下栽植臂通过轴 承空套在右上右下栽植臂座垂直于右上右下行星轴方向的箱体上。 1.3 课题研究内容 （ 1） .以高速非圆锥齿轮宽窄行插秧机为基础，设计出不完全非圆锥齿轮行 星系机构，分插机构左右对称，先以一边作为研究对象，机构示意图如图 1.4 1.中间斜齿轮节曲线 2,6.被动斜齿轮节曲线 3,7.中间不完全非圆锥齿轮 4,8.行星轮 5,9.秧针 图 1.4 分插机构示意简图 （ 2） .基于 D-H 变换矩阵，列出行星轮系各重要点的关联矩阵，从而得到 分插机构秧 针的运动轨迹矩阵 6 。利用 Matlab 编写设计程序。然后通过软件对 4 浙江理工大学毕业论文 所设定的宽窄行分插机构的插秧轨迹，运动特性等进行分析和设计，以达到所需 的各种要求，使其能满足于高速宽窄行插秧机的插秧要求； （ 3） .利用非圆锥齿轮齿廓计算程序获得齿廓线，并通过 NX 三维建模将齿 轮的三维模型建造出来，然后将其他零件进行三维造型，进行装配、仿真。 1.4 本章小结 （ 1）在我国进行高速水稻插秧机分插 机构研究的重要性。 （ 2）综述宽窄行分插机构的发展状况，介绍几种宽窄行分插机构的工作原理， 以及插秧机构的发展趋势。 （ 3）课题研究的主要工作。 5 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机 构设计 第 2 章 .宽窄行分插机构设计的分析 2.1 宽窄行插秧达到的效果和机构工作原理 2.1.1 宽窄行分插机构达到的效果 适当的插秧密度是水稻获得高产的重要因素。生产上要求水稻个体与群体都 要发挥良好，这样能充分利用空间、光能、养分、二氧化碳等条件，能够发挥增 产潜力，实现稳产高产的目的。宽窄行插秧能够实现这一目标，宽窄行的插秧效 果图如图 2.1 3 所示，均匀行插秧如图 2.2 所示： 1.等行距秧门 2.轨迹 3.土地 4. 秧苗 1.等行距秧门 2.轨迹 3.土地 4. 秧苗 图 2.1 宽窄行插秧示意图 图 2.2 等行距插秧示意图 从示意图可以看出，宽窄行插秧更能使秧苗的通风性、光照性能增强，加强 秧苗的光合作用，并能够有效利用市场上现有插秧机的秧门，减少机器改进的成 本，有助于新型插秧机的推广。 2.1.2 分插机构的工作原理 本文设计的不完全非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构的机构简图如图 2.3 所示。 6 浙江理工大学毕业论文 图 2.3 模型示意图 由于该分插机构作业时呈左右对称布置，因此以右分插机构为例介绍其工作 原理。该机构共由 7 个齿轮组成，中间 3 个齿轮（ 17、 4、 11）为斜齿圆柱齿轮， 而中间齿轮 12、 8 和行星齿轮 14、 6 为奇异锥齿轮。分插机构动力由插 秧机动力 驱动箱 21 内的主动链轮或锥齿轮 19 经链条或传动轴 18 传递到中心链轮或锥齿 轮 1 上，带动中心轴 2 转动，中心轴 2 带动左、右齿轮箱 16 转动，在齿轮箱 16 内，空套在中心轴 2 上与传动箱 21 固定的右中心齿轮 17 与右中间齿轮 4、 11 啮合，右中间异形锥齿轮 8、 12 与右中间齿轮 4、 11 同轴安装，且与右行星异形 锥齿轮 6、 14、啮合，右行星异形锥齿轮 6、 14 与右中间异形锥齿轮 8、 12 之间 的轴交角为不等于 90 度的一个小角 。当右行星异形 锥齿轮 6、 14 随右行星轴 5、 13 相对右齿轮箱 16 转动时，带动右栽植臂 7、 15 反向转动，由于右行星异 形锥齿轮 6、 14 与右中间异形锥齿轮 8、 12 之间的轴交角并不等于 90 度，因此 左、右栽植臂 7、 15 的转动平面与右齿轮箱 16 的转动平面不是平行平面，引起 右栽植臂 7、 15 上的秧针在取秧后，其插秧点相对于取秧点向左或向右偏移相应 距离。右栽植臂 7、 15 的转动使右拨叉围绕固定的右凸轮（固定在右齿轮箱 16 上）摆动，在取秧前右拨叉经过右凸轮的上升段而抬起，将右推 秧杆提高至最高 点，同时压缩推秧弹簧；在取秧到插秧前，右拨叉处于右凸轮的最高位置保持段； 当秧爪到达插秧位置，拨叉转至凸轮缺口，推秧弹簧回位推动推秧杆向下快速运 动，将秧苗推入土中。从而顺序完成了水稻秧苗的取秧、插秧动作，实现水稻秧 7 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 苗的机械化宽窄行移栽。 2.2 宽窄行分插机构的运动要求 宽窄行分插机构的绝对运动轨迹是当插秧机有一个向前的速度是秧针相对 地面的轨迹； 相对运动轨迹为秧针相对于太阳轮的运动轨迹。分插机构的工作过 程如下 8-9: （ 1）取秧过程：秧针从运行到碰触到秧苗开始到将秧苗从秧毯上取下的过 程，这过程要求秧针尽量减少伤害秧苗，这样缩短秧苗的返青时间，有利于秧苗 的成长，使水稻产量增加。这要求秧针取苗的时候是垂直秧门下去，这样不会伤 害到其他的秧苗。所以在取秧过程的轨迹应该和秧门垂直。取秧时秧爪与水平线 的夹角 ( 取秧角 ) 应在 5?u65374X25? （ 2）送秧过程：是指取完秧后到开始推秧的这段过程，秧苗从秧毯被取下 来在秧针 上随着分插机构旋转，从垂直秧盘到旋转到一定角度，以便方便插秧。 （ 3）插秧过程：是将秧苗插入到地里的过程，这过程需要秧苗保持一定的 直立度要使秧苗和地面的角度保持在 8090 度之间，这需要轨迹在插秧阶段形成 的穴口适合。轨迹的穴口长度为 20 30 mm, 过大会导致所插秧苗倒伏或漂秧 ； 增加秧苗的返青时间，不利于水稻增产。推秧时秧爪与水平线的夹角 ( 推秧角 ) 应在 60?u65374X 80?即取秧角与推秧角的角度差约为 50?u65374X60?u12290X （ 4）空运行过程 ：由于插秧机往前运动，在空运行过程中要求插秧机不能 将秧苗推到，这将有利于秧苗的成长，以减少返青时间。回程轨迹要有向上的趋 势 , 避免有太向前的趋势 , 以免秧爪碰伤已插秧苗。 对分插机构的工作过程有以下的轨迹要求： 第一，宽窄行分插机构的相对运动轨迹要满足宽窄行插秧的目的，宽窄行分 插机构相对运动轨迹主要是通过取秧点和插秧点位置在行向上产生偏移量来达 到宽窄行插秧的目的。这就是说秧针针尖形成的轨迹在 Z 轴方向上要有偏差值。 栽植臂轴心轨迹不能与已插秧苗的中底部位接触， 以免碰伤秧苗； 两 栽植臂在 插秧过程中不能发生运动干涉。 第二，宽窄行分插机构的相对运动轨迹要满足 “腰子形 ”，因为只有满足这 种形状的时候能满足以上的插秧的要求。 8 浙江理工大学毕业论文 2.3 分插机构的数学建模及参数确定 2.3.1 非圆锥齿轮齿轮节曲线表示 利用统一的曲线表达式实现不同齿轮节曲线的数学表示是齿廓数据计算首 要解决的一个问题，鉴于 Nurbs 对自由曲线形状表达的灵活性可以满足不同形状 齿轮的设计需要，故采用 Nurbs 曲线拟合再现节曲线。 1.Nurbs 曲线表达式 *给定 n+1 个控制点 P0,P1, ,Pn，节点矢量 U=u0,u1,un+k+1和权因子 W0,W1, .,Wn， k 次 Nurbs 曲线可以由分段有理 B 样条多项式基函数定义为： n ( ) W PNi i i0 , ( ) n W Ni i0 , ( ) 权因子 Wi与控制点 Pi相联系且为非负值，当 Wi等于 0 时， Pi将不影响曲线 C(u)的计算， Ni,k(u)是 k 次 B 样条基函数 14-16，其递推公式为： N 1 if uii1 i,0( )0 other N ( ) u u i N ( ) u 1 u N ( ) , u , 1 u i1,k1 i kui 1ui1 由于三次 Nurbs 曲线可以满足节曲线上各点的二阶连续性，故取 k 为 3，则 首末节点的重复度为 k+1=4，即 u0=u1=u2=u3,un+1= un+2= un+3= un+4。若给定一组数据 点 Qi (i=0,1q)作为拟合节曲线的型值点，即节曲线上的若干点，则 Qi对应的 节点为 u3+i(i=0,1q)，加上首末重复节点后，曲线的节点矢量为 u0, u1, u2, u3,， u3+q, u3+(q+1), u3+(q+2), u3+(q+3)，节点定义域为 0,1。由于节曲线为封闭曲 线，定义领域内的节点 u3,u3+q可以利用弦长法确定各个节点值，定义域外的节 点 (u0,u1,u2) 和 (u3+(q+1), u3+(q+2), u3+(q+3) 可 以 分 别 定 义 为 （ uq+1-1,uq+2-1,uq+3-1 ） 和 （ u3+1,u4+1,u5+1）。另外，非圆锥齿轮节曲线上各点的权重一致，为了简化计算可 以取 Wi=1。 2.控制点反求 在已知若干型值点的条件下拟合节曲线 的关键是反求相应的控制点，并利用 控制点包容方法获取封闭的球面节曲线，即让首末 3 对控制点按顺序环绕重合。 根据给定的型值点数 q+1，确定曲线的控制点数为 q+k，结合控制点条件 P0=Pn-2, *P1=Pn-1, P2=Pn 和型值点条件 Q1=Qn-1 可以建立控制点的求解方程： 9 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 -1 P0 1 1 * 0 a * P 110a11a12 Q 1P2 0 * Q 2 * P n2 Q n2 a * P n1 0 * P n 1 ( 1)( 2)a( 1)( 1)a( 1)nQn 1 1 0 其中： aij 由递推公式 (1)确定， Qi 为型值点数据。 通过上述方法可求解得到根据给定的型值点拟合得到的封闭非圆锥齿轮节 曲线。 2.3.2 求解共轭非圆锥齿轮节曲线 非圆齿轮设计的首要问题是其节曲线的设计，节曲线实际上是一对相互啮合 且运动时两者之间为纯滚动的封闭共轭曲线。非圆齿轮的传动比即为齿轮的角速 度比值。因此本文通过以求出的传动比函数以及给定非圆齿轮中心 距的方法求出 非圆齿轮的节曲线。 可知齿轮的节曲线方程为： l1a i / (1 ) *l2a l1 / 0 2 1 式中： l1 为传动比 i 对应的主动轮节曲线向径 ， l2 为传动比 i 对应的从动轮 节曲线向径， a 为非圆齿轮中心距。 现给定非圆锥齿轮传动的中心距 A1。由于传动比 i1 为非定值，所以 A 值很 难确定。现在假 设非圆锥齿轮传动的中心距为 A1=R1?u945X/2，由上述步骤可以得到 主动非圆锥齿轮 1 的封闭节曲线，但此时得到的从动轮节曲线不能闭合。在保证 l1和 1的值不变，通过调整中心距 A1，来调整从动轮的节曲线的闭合程度。设 *置误差范围为 ，当主动轮旋转一周后，从动轮的旋转角位移满足 -2 时， 则可以认为从动轮闭合。通过此方法完成对非圆锥齿轮节曲线及其中心距 A1 的 优化，如下图所示： 图 2.4 非圆齿轮节曲线示意图 10 浙江理工大学毕业论文 2.3.3 分插机构空间轨迹模型构建 *以物理坐标原点作为机构坐标原点，建立参考坐标系 Oxyz，规定机构顺时 针方向为负，利用 Denavit-Hartenberg 矩阵变换将分插机构坐标原点系逐步变换 到秧针尖点的方法实现轨迹建模。 其中，各位置的变换矩阵如下所示： 1 0 0 00 1 0 0 E0 0 0 1 0 0 0 0 1 E0为参考坐标系的位置和方向矩阵。 参考坐标系 Oxyz 与坐标系 Ox1y1z1 的关联矩阵为： cos sin 0 0sin cos 0 0 E 1 0 0 0 0 1 0 0 1其中， 为分插机构行星架的初始安装角，坐标系 Ox1y1z1 中的 x1 轴转过 角后与机架初始位置平行， z1与 z 轴同轴。 坐标系 Ox1y1z1与坐标系 Ox2y2z2的关联矩阵为： cos *sin 0 0 sin1 cos1 0 0 E2 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 其中， 1为行星架转角（规定逆时针转动为正）， x2轴和机架转过 1角后平 行， z2与 z1轴同轴。 坐标系 Ox2y2z2与坐标系 Ox3y3z3的关联矩阵为： *1 0 0 00 cos sin 0 E30 sin cos 00 0 0 1 其中， 为斜圆柱齿轮的的交错角（规定逆时针转动为正）， x3轴与 x2 轴同轴， z3 轴绕 x3 轴转过 角。 11 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 坐标系 O-x3y3z3与坐标系 Ox4y4z4的关联矩阵为： A 1 0 0 00 1 0 0 E 4 0 0 1 0 0 0 0 1其中， A1为第一节圆柱齿轮的中心距，因此，坐标系 Ox4y4z4相 对于坐标系 O-x3y3z3沿 x3轴移动了 A1，其坐标原点与从动圆柱齿轮中心重合。 坐标系 O-x4y4z4与坐标系 Ox5y5z5的关联矩阵为： cos sin 0 0sin cos 0 0 E5 0 0 1 0 0 0 0 1 其中， 为行星轮偏置角，坐标系 Ox5y5z5通过相对于坐标系 Ox4y4z4绕 z4 轴转动 角后，使得 x5轴与行星轮架重合。 坐标系 Ox5y5z5 与坐标系 Gx6y6z6 的关联矩阵为： cos 0 sin 00 *1 0 0 E 6 sin 0 cos 0 0 *0 0 1 其中， 为非圆锥齿轮锥角，坐标系 Gx6y6z6 通过相对于坐标系 Ox5y5z5 绕 y5 轴转动 角后，使得 z6 轴与行星轮轴线重合。 坐标系 Gx6y6z6与坐标系 Gx7y7z7的关联矩阵为： 1 0 0 00 1 0 0 E 7 0 0 1 z 0 0 0 1 其中， z 为行星轴段栽植臂的长度，坐标系 Gx7y7z7由坐标系 Gx6y6z6沿着 z6 轴平移距离 z 得到。 坐标系 Gx7y7z7和 Gx8y8z8的关联矩阵为： 1 0 0 x0 1 0 0 E8 0 0 1 0 0 0 0 1 12 浙江理工大学毕业论文 其中， x 为中间段栽植臂的长度，坐标系 Gx8y8z8由坐标系 Gx7y7z7沿着 x7 轴平移 x 的距离得到。 坐标系 Gx8y8z8和 Gx9y9z9的关联矩阵为： 1 0 0 0 0 1 0 y E90 0 1 0 0 0 0 1 其中， y 为中间段栽植臂的长度，坐标系 Gx9y9z9是由坐标系 Gx8y8z8沿着轴 y8平移 y 的距离得到。 将上诉的关联矩阵连乘得到： nxsxax gxn *a g G E E E E E E E E E E0 12 3 4 5 6 7 8 9 ysy y y n zsz azgz 0 0 0 1 其中， gx， gy， gz 是秧针 尖点的轨迹点坐标。 对分插机构秧针运动轨迹的数学矩阵模型建立好后，将关联矩阵输入 Matlab 就可以通过 Matlab 程序编译轨迹运动程序，从而定量分析轨迹，选择最 优组数据。通过编程得到如下轨迹： 图 2.5 数学模型得到的轨迹 2.3.4 分插机构参数分析及优化 1.目标参数对轨迹的影响 可知行星轮系模型的建立的主要参数是给定非圆锥齿轮的 13 个型值点，然 后根据这 13 个型值点得到共轭的齿轮节曲线。因此可以确定，非圆锥齿轮节曲 线的形状将直接 影响到插秧轨迹的形成。通过对程序参数的优化，可以确定某些 13 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻 宽窄行分插机构设计 对插秧轨迹影响较大的型值点的数据，如表 2.1 所示为型值点 12 到转动中心的 值对轨迹形状以及指标的影响。 表 2.1 型值点 12 到转动中心值 r 的距离变化与轨迹指标变化表 型值点 4 到转动 中心的值 r（ mm） 6 8 10 推秧角（度） 64.7 74.5 85.7 取秧角（度） 6.1 22.1 22.8 推秧角与取秧角的 差值（度） 58.6 52.4 62.9 取秧 Z 方向偏移量 1.0 1.5 2.1 同时通过 r 的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到 主要的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图分别在 x-y 和 y-z 平面上投影， 进一步形象的表达出。如图 2.6、图 2.7 变化 : *图 2.6 r 值的改变与轨迹在 x-y 面上变化 *图 2.7 r 值的改变与轨迹在 y-z 面上变化 从图 2.6 中看出随型值 点 12 到转动中心的值的改变， z 轴方向轨迹偏差值 变化比较大，而且轨迹的总高度变化也很大，因此通过调节型值点 12 到转动中 心的值可以调节插秧轨迹的形状而渐渐的满足插秧的要求。 秧针的参数对轨迹的影响：随着秧针的距离加大，通过编程得到一组数据将 数据制成表格 ,如表 2.2 所示。 14 JK 的值（度） 浙江理工大学毕业论文 表 2.2 秧针距离变化与轨迹指标变化表 *推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的 差值（度） z 轴方向轨迹偏差值 150 160 170 75 75 75 26 23 20 49 52 54 53 56 60 同时通过秧针的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看 到主要的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图在 x-y 和 y-z 平面上投影，进 一步形象的表达出。如图 2.8 和图 2.9 变化所示： 图 2.8 秧针的距离与轨迹在 x-y 面上变化 图 2.9 秧针的距离与轨迹在 y-z 面上变化 从上面两张图可以观察出当栽植臂长度增加时，轨迹的变化不是很明显， z 轴方向轨迹偏差值从表中和图中可以看出，栽植臂长度的变化对轨迹的影响不是 很大，同时说明长度的变化对插秧的效果影响不大。 非圆锥齿轮锥半径 R 对轨迹的影响：取不同的 R 值通过编程得到一组数据将 数据制成表格 ,如表 2.3 所示： 15 R 的值（度） 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 表 2.3 R 的值变化与轨迹指标变化关系表 *推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的 差值（度） *z轴方向轨迹偏差 值 150 200 250 85.6 85.6 85.7 25.0 22.4 22.8 60.6 63.2 62.9 60.1 51.3 45.8 通过 R 的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到主要 的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图分别在 x-y 和 y-z 平面上投影，进一 步形象的表达出。如图 2.10，图 2.11 变化所示。 图 2.10 R 的值变化对轨迹在 x-y 面上影响 图 2.11 R 的值变化对轨迹在 y-z 面上影响 图中可以观察出 R 的变化对轨迹形状影响不大，只是分插机构尺寸变小。 R 值的变化对推秧角，取秧角和 z 轴方向轨迹偏差值没有什么影响。因此只要取适 当 R 的值就可。 行星轮偏置角 对轨迹的影响：取不同的 值，通过编程得到一组数据将数 据 制成表格 ,如表 2.4 所示。 16 的值（度） 浙江理工大学毕业论文 表 2.4 的值变化与轨迹指标变化关系表 *推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的 差值（度） *z轴方向轨迹偏差 值 0 10 20 66.4744 56.7078 46.88 7.6792 2.38284 12.4161 58.7952 54.3249 34.4639 52.5 54.3792 55.0558 通过 的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到主要 的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图分别在 x-y 和 y-z 平面上投影，进一 步形象的表达出。如图 2.12，图 2.13 变化所示。 *图 2.12 的值变化对轨迹在 x-y 面上影响 *图 2.13 的值变化对轨迹在 y-z 面上影响 从图中看出随着 值的改变， z 轴方向轨迹偏差值变化很大，而且偏差角变 化也很大，因此必须给出合理的 的来调节轨迹形状以及插秧的偏移量从而满足 插秧的要求。 2.参数优化的结果 17 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 根据宽窄行插秧的要求，利用 Matlab 编程而所画的图形包括秧门、行星系 分插机构初始位置、秧针的插秧位置、取秧点，插秧点，出土点、秧针的相对轨 迹、秧针的绝对轨迹等。通过计算比较，筛选出最优数据组，如表 2.5。 表 2.5 最终优化的数据 r1 r5 符号 优化值 13 23 r2 r6 符号 优化值 16 25 符号 r3 r7 优化值 19 27 符号 r4 r8 优化值 21 25 r9 r13 DE 23 13 150 r10 R 18.7 150 0 13 BC 15 50 30? r12 CD 6 65 10? 优化后的轨迹对比图如图 2.14 所示： 图 2.14 曲线对比图 得到不完全非圆锥齿轮的齿廓图如图 2.15 所示： 图 2.15 不完全非圆锥齿轮齿廓图 18 2.4 本章小结 浙江理工大学毕业论文 分析宽窄行插秧的轨迹要求和机构工作原理，基于 D-H 矩阵，通过 Matlab 编出轨迹程序，并且对参数进行优化，分析参数和轨迹形状之间的关系，使轨迹 能够满足宽窄行插秧的要求。 19 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 第 3 章 . 分插机构行星轮系的建模与仿真分析 分插机构是将定量的秧苗从秧毯中取出插入土中的机构，是插秧机的核心工 作部件。分插机构的性能决定插秧的质量、可靠程度和工作效率。分插机构研究 主要是两个方面：一是保证插秧的效果，达到不伤秧、不钩秧、不漂秧、立苗好 和返青快的目的；二是提高单位时间的插秧次数。 3.1 不完全非圆锥齿 轮的齿廓设计及三维造型 非圆齿轮机构与凸轮机构和连杆机构等其他传统的能实现非匀速比传动的 机构相比，具有结构更紧凑，运动的精度更加高，传动过程更平稳，传动比变化 范围更大，能够实现动平衡等一些优点。非圆齿轮齿廓设计理论数学计算公式往 往比较复杂，齿廓啮合曲线，齿根的过度曲线，齿顶曲线以及各段曲线如何连接， 都要不同的数学表达式，有些甚至不知道数学表达式，目前很难用数学公式计算 非圆齿轮齿廓 16-18。随着计算机技术的发展特别是 CAD/CAM技术的逐渐成熟并广 泛应用，非圆齿轮的研究再度在 日本出现研究高潮，以香取英男、山崎隆、太田 浩 19-21等为代表的一批日本学者在非圆齿轮的研究领域取得了一批令人瞩目的 成就。 对于节曲线外凸的非圆齿轮则可以用展成法加工，用齿条刀具做展成运动包 络出被加工齿轮的齿廓。与加工圆齿轮齿廓原理一样，非圆齿轮齿廓加工实质也 是齿条刀具节曲线与非圆齿轮节曲线相切，同时做纯滚动，齿条刀具包络出非圆 齿轮的渐开线齿廓。如图 3.111 所示： 1.主动轮 2. 从动轮 3.齿条刀具 图 3.1 齿条刀具加工非圆齿轮原理图 20 浙江理工大学毕业论文 齿轮传动在机械传动中是普遍应用的一种形式，但是不完全非圆锥齿轮是一 种新型、刚刚起步，还不是很成熟。该齿轮的节曲线设计复杂，非圆锥齿轮综合 了非圆齿轮与圆锥齿轮的特点，可以实现相交轴间变速比运动，能实现变传动比， 但是非圆锥齿轮 设计复杂制造困难，而且动平衡性差。下面将叙述分插机构的不 完全非圆锥齿轮的三维造型。 前面通过 Matlab 编程已经得到了不完全非圆锥齿轮的节曲线，然后通过齿 廓计算软件得到了齿廓的形状和齿廓线的数据，将这些数据保存到文件中。 第一步：打开 UG 软件，新建一个建模的模块。 第二步：通过命令查找器查找到 “样条 ”，如图 3.2 所示 图 3.2 图 3.3 第三步：选择菜单中的 “通过点 ”这 项，出现如图 3.3 所示的对话框。 第四步：选择 “文件中的点 ”，然后选择已经保存的齿廓线数据文件确定后，在 UG 建模模块中将得到一条齿廓线。 第五步：插入三条直线，线段长度为 10，长度是齿轮的厚度。 第六步：扫掠，选中齿廓线，然后选中三根引导线，进行扫掠。 第七步：插入 “球 ”，并且进行分割面。 第八步：进行 “缝合 ”，得到齿轮实体。 第九步：将所画的齿轮通过啮合以及轴连接进行装配，得到装配图。 3.2 分插机构不完全非圆锥齿轮行星系的建模 在 Matlab 中找到行 星轴及栽植臂的数据点的坐标值。在 UG 中点击创建点， 输入各个点的坐标后确定。将每侧的点依次相连，选择圆柱命令，方向设置沿指 定点至线段的终点，直径设为 2，高度选测量后选择该段线段的长度，完成后确 定，得到行星轴、栽植臂、秧针的路径，如图 3.4 所示。 21 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 图 3.4 不完全非圆锥齿轮系机构 3.3 不完全非圆锥齿轮行星轮系的仿真分析 完成不完全非圆锥齿轮行星系的建模后，由于是插秧机的关键工作部件，因 此需要进行仿真分析。 将建好的模型导出 Parasolid，得到 ._xt 格式的文件。打开 ADAMS 软件，导 入模型，设置好单位、数值等 ,添加好各个约束 、驱动，设置仿真后运行得到秧 针的轨迹符合预期要求。如图 3.5 所示。 图 3.5 不完全非圆锥齿轮系机构仿真图 图 3.6 不完全非圆锥齿轮系机构仿真轨迹图 22 浙江理工大学毕业论文 第 4 章 . 插秧机分插机构的三维建模及二维图纸设计 仿真分析完成之后需要对齿轮行星系机构进行完善，在齿轮与齿轮轴之间安 装花键，齿轮及齿轮轴上设计轴肩，齿轮轴上安装轴承以便与箱体配合，选择与 中间齿轮齿轮轴配 合的法兰等细化工作。得到的齿轮、齿轮轴等如图所示。关键 的齿轮系机构完成后开始进行箱体与栽植臂的结构设计。 图 4.1 太阳轮的三维设计图 图 4.2 中间斜齿轮的三维设计图 图 4.3 中间不完全非圆锥齿轮 图 4.4 行星轮的三维设计图 图 4.5 行星轮轴的三维设计图 23 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 图 4.6 法兰 图 4.7 右侧的装配 图 得到的右侧分插机构的完整装配效果图如图 4.7所示。 4.1 箱体的结构设计 箱体的主要功能： 1.支撑并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它 们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动 零件的润滑。 2.箱体能够起到安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环 境的影响，又保护机器操作者的人身安全，并且有一定的隔振、隔热和隔音作用。 3.箱体使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整 和修理。 4.能够改善机器外型，协调机器各部分比列， 使整机造型美观。 分插机构的齿轮箱体在设计过程中要考虑齿轮的转动，要保证齿轮在转动过 程中不能和箱体发生干涉，还有要保证箱体的密封性，防止在插秧的过程中泥水 进入箱体内对齿轮产生破坏。同时箱体的大小应尽量减小，充分利用空间。 箱体分为内外两侧，两侧箱体之间的连接要可靠，这里选择螺纹连接，如图。 图 4.8 外侧箱体 图 4.9 内侧箱体 24 4.2 栽植臂机构设计 浙江理工大学毕业论文 插秧机的分插机构是将秧苗从毯状秧群中分取一定数量并且将秧苗插入水 田的机构。其中包括栽植臂还有齿轮传动机构以及驱动机构。推秧机构是为了能 够有效将取下来的秧苗插到水田中，这样将有效防止秧苗回带，减少漏插现象。 目前市场上的插秧机推秧机构的工作的原理基本上是一样的：由平面凸轮、拨叉、 推秧弹簧和推秧杆组成，工作的时候推秧杆相对于栽植臂做间歇性的往复直线运 动，完成推秧动作。该推秧机构简单，但是由于推秧的开始时间决定于凸轮的轮 廓线以及凸轮的初始安装相位，而推秧时间的长短则决定于弹簧的刚度，因此不 能很好的适应不同的插秧的速度，如果作业速度变化较大时会出现推秧结束时间 提前或者滞后。还有一个问题就是当工作时间很长后弹簧会松弛，造成推秧力不 足，从而影响推秧效果，严重时造成秧苗回带，这样会出现漏插。 1. 凸轮 2. 传动杆 3. 推秧弹簧 1. 秧针 2.推秧爪 3.推秧杆 4.密封塞 5.衬套 4.推秧杆 5.推秧爪 6.栽植臂 6.栽植臂壳体 7.拨叉 8.栽植臂弹簧 9.拨叉轴 图 4.10 推秧装置示意图 图 4.11 栽植臂零件图 如图 4.1015 当驱动机构带动凸轮旋转 的时候，带动传动杆，从而使推秧杆 上下滑动，起到推秧的作用，当插秧完成以后，在弹簧的作用下推秧杆又恢复到 原来的位置，等待下一次的插秧。如图 4.11 所示推秧装置在栽植臂中的位置。 在转动推秧点时，拨叉沿着凸轮弧运动到凸轮的缺口位置，弹簧压缩被解禁， 快速弹出，推动推秧杆，固定在推秧杆上的推秧爪将秧苗从秧针上推出使秧苗植 入土地中。完成工作后，随着转动，凸轮将弹簧压缩回到原来的位置，直到下一 25 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 次到达推秧点的位置，如此循环。 分插机构工作时是连续高速回转运动，特别是两个栽植臂，既有逆时针回转 又有顺时针，且工作时两栽植臂不是同向转动的，很容易发生干涉。一但发生干 涉，分插机构很容易损坏。机构的干涉在机构设计的时就应该解决，利用绘图软 件加以修 正。 得到栽植臂的装配图如图 4.12 所示： 图 4.12 栽植臂 图 4.13 插秧机分插机构装配图 *将插秧机的各个部件进行装配，得到分插机构整体的三维模型，如图 4.13 所示。 4.3 各零部件的二维图纸生成 插秧机整体的三维模型建好后，对每一个零件进行二维图纸的设计。 在 UG 中执行文件 导出 parasolid 命令，选择需要绘制二维图的零件导出。 新建一个建模，导入 .-xt 格式的零件。新建一个图纸，要创 建图纸的零件后选择 需要的零件后确定，如图 4.14 所示。选择需要的几个二维视图放置好后按保存。 执行文件 导出 DXF/DWG 命令将图纸导出为 DWG 格式。在 Auto CAD 中打 开图纸进行编辑、修改，加以完善。 齿轮零件的二维图如图所示。 26 浙江理工大学毕业论文 图 4.14 新建图纸界面 得到的二维图纸如图所示： 图 4.15 太阳轮的二维图 图 4.16 中间斜齿轮的二维图 图 4.17 中间不完全非圆锥齿轮的二维图 27 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 图 4.18 行星轮的二维图 4.4 分插机构零件设计的注意问题 在设计分插机构的零件时既要注意强度问题，还要注意干涉问题，避免发生 栽植臂与机架的干涉，还有栽植臂与栽植臂的干涉，这些需要通过 Matlab编程以 及 ADAMS仿真进行优化。 28 第 5 章 . 论文总结 5.1 论文总结 浙江理工大学毕业论文 本文首先主要介绍了宽窄行分插机构的发展现状，还简单介绍了几种已经发 明的宽窄行分插机构的结构以及他们的工作原理，文中简单介绍了不完全非圆锥 齿轮节曲线的设计方法。通过总结以前的宽窄行分插机构，提出了一种新型的不 完全非圆锥齿轮系机构，通 过分析宽窄行插秧应达到的效果和宽窄行插秧要达到 的轨迹要求，包括取秧、插秧、送秧、插秧、空运行等每个过程的要求，然后基 于 DH 矩阵对不完全非圆锥齿轮宽窄行分插机构的插秧轨迹进行了数学建模， 利用 Matlab 软件编程，可以得到宽窄行分插机构的插秧轨迹。通过调整机构尺 寸参数得到一组符合轨迹要求的尺寸参数。利用通过编程得到的不完全非圆锥齿 轮的节曲线，根据节曲线得到不完全非圆锥齿轮的齿廓线，通过三维设计软件设 计出齿轮及其他分插机构的零件，并且进行装配。装配完成后进行运动仿真分析， 仿真通过 之后建立整个插秧机的三维模型，并给出二维设计图纸。 5.2 插秧机分插机构的发展前景 分插机构的设计是一个复杂的过程，有很多种机构可以实现插秧的轨迹，从 连杆机构传动到平面齿轮齿轮传动，到空间齿轮传动，通过不同的传动机构来实 现轨迹要求。我国是一个幅员辽阔的大国，有多种不同的地貌，需要不同规格的 分插机构，并且还需要考虑经济性，使我的广大农民能够用上高速插秧机，让我 国的插秧机发展更加向前迈进一步。 29 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 参考文献 1杨敏丽 . “十二五 ”中国农业机械化发展形势分析 J