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吊篮式移栽机的研究与分析论文吊篮式移栽机的研究与分析论文 -- 5 元

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新疆农业大学硕士学位论文吊篮式移栽机的研究与分析姓名韩长杰申请学位级别硕士专业农业机械化工程指导教师杨宛章20070501摘要育苗移栽能够提早作物的生育进程、提高单产,能有效抵御大风、雨害、低温等自然灾害,并且节省种子。由于新疆的地理条件等因素,通常都采用铺膜种植的方式来提高地温,保墒,还能够抑制很多杂草。要实现膜上打穴移栽,保质保量的在紧迫的春种季节完成移栽,是农民丰产丰收的前提。在我国,打穴移栽作为一种常规的农业生产技术己在生产实际中得到广泛应用,但是,传统的人工打穴移栽方法存在的劳动强度大、劳动生产率低、移栽速度慢、经济效益差等问题始终没有得到有效的解决,实现打穴移栽机械化已成为生产中迫切需要解决的问题。吊篮式移栽机是铺膜移栽机械中栽直率较好的机械,但直接投苗不够方便安全,而且容易漏苗,大面积移栽效率低。我们设计了一种简单可靠的投苗机构,它调整简单方便,能够较大的提高整机的工作效率,降低了漏苗率。通过对现有移栽机的各种优点进行学习借鉴,选择了适合的移栽机构,并以三维设计软件solidwbrks为平台,绘制了整台移栽机的三维模型及图纸,使用cOsMOsworl【s对移栽机的关键部件进行有限元分析,判断其可靠性,运用运动仿真分析软件COSMOSMotion对吊篮式栽植机构作模拟运动,察看分析吊篮的运动轨迹。本文还从理论上分析了吊篮式单体栽植机构的苗落过程和移栽不同株距的调整安装原则。关键词打穴,吊篮,移栽机,钵苗AbstractRaiseseedlingsandtmsplantcaIlincrcasecropproductionineVeryunitarca,柚dmakeupgro研halleadoftime,whichcaIlwithstandgale,ha册fIllrain,lowtemperature,aIIdomcrnaturedis硒ter.Besides,alsosavingsecd.BecauSeoftheweatherconditionininji柚gprovincc,seedsarcusuallygrown吼dertllefilmbyfa珊efitisusefIIltoilllpmVethesoiItcmpcmture,ke印mOisture锄dr鼯trainweeds.PIlIIchtmsplantedispreconditionoffoisOnforthefamerinbusyspring.PuncllingtraIIspIantingisano瑚ala鲥cIllturaltechllologyinchina,butthetraditional孤dm卸ualmethOdsoftransplalltinghavemanyproblemswhich∞uld∞tbercsolVeduptonow.SoitisanimmaIlencyt弱ktOrcalizetr柚spl柚tingmechanizationinalina.TlIlenacelletypctranspl柚tcrisagoodmachineryfortrallspl粕tfilm,butitisnotconvenientandsafctodircctlydmpseedlinganditiseasytoleaVe0utseedlingwhenthemachineisoperated柚ditsworkemciemis10wwhenseemin笋盯etr柚spl觚ted0Verthelargerareas.NOwasimple柚dcrcdibletypcOfmachinewasdesigIled,whichwase弱yaIldconvcnienttobeoperatedaIldadjusted.1lleefficiencyofthemachineismuchmorcgreatlyimproVed.ThereislessseedlingtoleaVe0utillworkprogrcss.Thethesischoosespmpert砌splamoutfitforthenewdesignbytherese盯chofVarictyOf胁splantoutfitvinues卸ddrawsthreedimensionmodelofthewholetr.msplantcrbySolidWbrkssofhⅣare.Thethesiscarriesoutfiniteelemem柚alysisonthekcypartsbyCOsMosworkssoftwarcandjudgethercIiability.ThethesissimulatesthenacelletraJlsplaIlterlocomotionbyCOSMOSMotionso脚areandanalyzesthemotiontrack.IIIthelast,thethesisanalyzestheseedlingdroppfocessandadjustmentprinciplefordifl研seedlingdjstancc.I沁ywordsPunch,nacclle,transplantertrayseedlinglI独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得新疆农业大学或其他教育单位的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名鄂长j已时间汹、年∥月肛日关于学位论文使用授权的说明本人完全了解新疆农业大学有关保留、使用学位论文的规定,即新疆农业大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档,可以采用影日J、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文,允许论文被套阅和借阅。本人授权新疆农业大学将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后应遵守此协汉研究生签名导师签名时间跏7年J月力日时间珈7年/月/2日杰,寺挺苋姊书蓊疆农业大学硬士学位论文第一章绪论1.1选题的意义育苗移栽技术的应用可以避开春季自然灾害,适时移栽能够保证亩株数,达到苗齐、苗壮移栽能提早作物的生育进程、提高单产,还能有效抵御幼苗期的大风、雨害、低温等不利天气,可节省种子30%~50%1,在新疆独特的农业生态条件下具有非常广阔的应用前景,是进一步提高农业单产水平、增加职工收入的重要途径之一。兵团农二师自2001年开始进行番茄育苗移栽高产栽培技术的研究与试验,经过几年的试验示范和推广,目前育苗移栽技术已经在番茄、红辣椒等作物上大面积推广应用,近3年累计推广面积达到8万多亩,仅2006年推广面积就达到5.8万亩,2006年又将育苗移栽技术应用到棉花作物,开展了大范围的试验研究工作脚。为了使大面积的移栽工作顺利进行,必须使用机械化移栽,目前国内没有适合兵团大面积育苗移栽的移栽机械,育出的成品苗向大田移栽基本是靠人工移栽,而人工移栽劳动强度大、效率低,移栽质量差。由于至今还没有经济实用的移栽机械,使得手工移栽已经成为严重制约育苗移栽技术进一步推广应用的重要因素∞.从国内信息收集、调研了解的情况看,不论是全自动移栽机还是半自动移栽机,目前国内现有的能在地膜上实现大面积打穴移栽机械,种类不多,且都不够成熟完善,多停留在理论和试验阶段,达不到大面积推广的要求。故研制开发符合兵团农艺要求、适应大面积膜上穴栽的移栽机械是解决育苗移栽技术大面积推广应用的关键。1.2育苗移栽简介我国农业产业基础薄弱、农业生产投入不足、科技水平提高缓慢,生产能力亟待加强。近年来,我国农业已经面临着国外优质低价农产品的严峻挑战,尤其棉花、玉米、大豆等经济作物将受到较大冲击。大量的研究表明,我国土地密集型农产品处于明显的劣势,因此,提高农产品的产量是一个非常迫切的问题嘲。采用育苗移栽技术能使苗齐、苗壮、成活率高、光温水气利用充足和抗病能力强等优点,还能显著提高作物产量和改善作物品质,并且可以避免育苗期干旱、冻害等自然灾害,现已成为获得优质高产的一种重要种植方式。吊疆式移裁§t的研究与分辑育苗移栽作为一种新农艺,使作物的全生育期延长,它有利于提高作物产量。幽外资料显示,玉米采用移栽方式,成活率较直播高30%,成熟提前10~13天。以我国棉花生产为例,采用营养钵育苗移栽方式,塑料薄膜覆盖苗床后温度明显提高,钵苗移入大田后,由于覆盖地膜具有明显的增温保墒作用,缓苗期只有3.5天,其全生育期比直播棉延长,可充分利用生长季节,尤其是七八月份的高温光照条件集中结棉铃,为高产奠定坚实基础。据有关资料报道,移栽棉较直播棉单株成铃多34.9%、吐絮多77.4%,亩铃数多21%,可见,移栽的增产效果明显。1。此外,棉花钵苗移栽虽然主根可能受到损伤,但移入大田后,却能促进侧根的大量生长。侧根入土较浅,对肥水敏感性强,主要分布在肥沃耕作层的侧根有利于吸收养分,侧根的增多,有利于吸收功能大大加强,促进植株地上部的生长,有效地保证棉花的增产增收。在我国北方,移栽甜菜、玉米的产量比直播增产一倍左右,比地膜覆盖直播增产10%左右在我国南方,玉米移栽比直播增产10‰20%夏玉米移栽比同等条件下直播增加产量2022.3075kg/Ilm2移栽棉比直播棉增产近30%,绒长增加0.3mm,品级提高0.2级,霜前花增加10%。综合来看,育苗移栽是加快实现我国农业优质、高产、高效的重要措施1。1.3育苗盘简介近些年,在新疆兵团使用的育苗移栽常规盘有多种,主要有72穴、98穴、128穴空气整根三种苗盘,其中72穴和98穴苗盘,使用量较大,此两种苗盘的每穴尺寸相同图1.1,均为上大下小的倒四棱锥形,移栽过程中便于起苗本文即针对此类型钵苗设计而128穴的空气整根苗盘,其设计初衷即是为全自动气吸取苗装置使用,采用组合式苗盘结构,下部比上部略大,呈近似的锥形,便于去盘底后从下部取苗。1.4移栽机的分类a5画画图11常规苗盘穴尺寸当今,各国都在进行移栽机的研制,研制出的移栽机也不尽相同,不同移栽机能够移栽不同作物。目前,我国对移栽机械并没有统一的分类标准,根据移栽机的工作特性4新疆农业大学硬士学位论文和移栽对象,可对移栽机械进行不同的分类。7。1.4.1按自动化程度分类1手工移栽器所有的移栽作业均由手工操纵移栽工具完成,结构简单,但效率很低,人的劳动强度较大,不适合大面积作业。2半自动移栽机机器在移栽工作过程中,是由人工分出单棵的秧苗并喂入移栽机,由机具完成开沟或打穴、栽苗、扶苗、覆土和镇压等工作。3全自动移栽机机器在移栽过程中,是由机械喂入一组秧苗,如一张苗盘,由机具完成分苗和开沟或打穴、栽苗、覆土、镇压等作业。1.4.2按栽植器的结构特点分类1钳夹式移栽机图1.2此移栽机一般是由人工将秧苗喂入到转动的钳夹上,秧苗被夹持并随移栽盘转动,到达苗沟时,钳夹打开,秧苗落入苗沟,然后覆土、镇压,完成整个移栽过程嘲。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,秧苗直立度较高,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,由于图12钳夹式移裁机1.横向输送链2.钳夹3.机架4.栽植盘5.镇压轮6.开沟器是人工喂苗,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链夹式移栽机图1.3工作过程与钳夹式基本相同,链夹式移栽机的钳夹安装在栽植环形链上,链条一般由地轮驱动,当钳夹转动到上部水平位置时,由人工将秧苗喂入到打开的钳夹内,当钳夹转动进入滑道后,钳夹关闭,秧苗被夹住,并随钳夹向下输送,当秧苗达到与地面垂直时,钳夹脱离滑道,自动打开,秧苗随之落入由开沟器开出的沟内,此时秧苗根部被回土流覆盖,在镇压轮的镇压下将土壤压实,完成栽植过程。此种栽植机优点是移栽稳定,但效率低,易漏苗、缺苗。吊篮式移栽机的研究与分析3挠性圆盘式移栽机1图l4这种移栽机是由人工或机械将秧苗放置到两片可以变形的挠性圆盘内,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。图卜3链夹式移栽机图14挠性圆盘式移栽机1.开沟器2.机架3,滑道4.秧苗5.环形1.挠性圆盘2.苗箱3.供秧输送带链6.钳夹7.地轮8。传动链争镇压轮4.开沟器5.镇压轮4导苗管式移栽机如图1.5这种移栽机根据钵苗进入苗沟的形式不同分为推落苗式、指带式和直落苗式三种州。工作时,由人工或机械将秧苗放入喂入器的喂入筒内,当喂入筒转到导苗管的上方时,喂入筒下面的活门打开,秧苗靠重力下落到导苗管内,通过倾斜的导苗管将秧苗引入到开沟器开出的苗沟内,然后进行覆土、镇压,完成栽植过程。这种移栽机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,缺点是调整比较复杂,受车速影响明显m1删。5吊杯式移栽机图1.6主要适合钵苗和纸筒苗栽植,由偏心圆环、掉杯、导轨等工作部件组成。工作时,由地轮驱动栽植器圆盘转动,吊杯与地面保持垂直,并随圆盘转动,当吊杯转到上面时,由人工将秧苗喂入吊杯中,当吊杯转动到下面预定位置时,固定滑道使栽植器下部打开,秧苗落入苗沟内,随即被覆土定植,吊杯在离开固定导轨后自动关闭。吊杯式移栽机通过改进后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,生产率偏低㈨啪1。6新疆农业大学顽士学位论文图15导苗管式移栽机单组结构1.苗架2.喂入器3.平机架大梁4.四杆仿形机构5开沟器6.栅条式扶苗器7.覆土镇压轮8.导苗管1.5国外移栽机发展现状图卜6单铰接吊杯式移栽机结构简图1.转动圆盘2.吊杯转臂3.吊杯4.深度调节机构5.座椅6.仿形机构7.运输限位链8.悬挂架9.仿形、限深轮1o.地轮11.开沟器12开启导轨13.覆土器14.镇压轮15.苗架20世纪初期,欧洲一些国家开始大量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禾器代替人工直接栽秧,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苗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,半自动移栽机已在西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,作物压缩土钵成型、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、西班牙、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。从工作过程上看,国外发达国家所普遍采用的钵苗栽植机械大都是人工喂苗的半自动栽植机械。栽植机械的持苗及植苗机构主要有钳夹式圆盘钳夹式和链条钳夹式、导苗管式导管推落苗式、导管指带落苗式和导管直落苗式、吊篮式及挠性圆盘式等。钳夹式栽植机主要机型有意大利切克基马格利公司chedchi&Ma垂i生产的奥特玛7吊篮式移裁帆的研究s分析oTMA栽植机和荷兰米启根公司Miclligan生产的MT栽植机。导苗管式钵苗栽植机机型的典型代表依次为荷兰米启根公司Mclligan生产的Model4000型栽植机、芬兰劳尼思公司Lannen生产的RT2型栽相机和意大利切克基马格利公司chcchi&Ma出i生产的TEx2型栽植机。吊篮式钵苗栽植机有意大利切克基马格利公司checclli&Ma91i生产的沃夫wolf栽植机和艾德沃思饵dwards农机厂生产的坡杜PERDU栽植机。挠性圆盘式栽植机主要有德国PRIMA公司生产的夹盘式压缩土钵苗移栽机、日本公司的OP290/2100全自动大葱移栽机和法国的皮卡多尔栽植机1嘲嗍㈨㈨。国外移栽机主要有以下几方面的发展特点嘲1国外发达国家钵苗育苗移栽技术的研究与应用起步较早,先是用于种植蔬菜和经济作物,进而用于玉米等粮食作物,栽植技术和设备的发展都很快。2国外钵苗移栽机的种类较多,移栽器型式不同,所适合移栽的作物也有区别,但一般型式移栽器的通用性都比较强。3国外注重将移栽作业作为一个系统来研究,农机农艺相适应,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。4国外的移栽机向多功能联合作业机方向发展,这样大大缩减了劳动时间,减少了机器进地的次数,降低了生产成本。5国外研制生产的移栽机通过农业生产的实际应用,已明显地表现出了移栽机械的优越性。其移栽机械比较成熟,多品种多系列,性能稳定,可靠性高,通用性好。国外各国的具体情况不同,研制的移栽机特点也不尽相同,欧美等国家的移栽机适应性较强,而日本的移栽机一般只适用于一种作物,专用性强。综上所述,到目前为止,国外移栽机械相对比较成熟,多系列多品种,性能稳定,可靠性高,通用性好。1.6国内移栽机发展现状我国旱地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,最早用于甜菜移栽80年代研制成半自动化蔬菜栽植机。到目前为止,已研究成功了多种类型的移栽机械,多数机型申请了专利,大多可用于移栽几种作物,部分机型投入了8瓤疆农业大学硕士学位论文批量生产。资料显示,较早的移栽机研究有1979年四川省温江农机所研制了2ZYS4型油菜蔬菜钳夹式栽植机,山西省运城地区农机所1979年研制了2zMB2型棉花钵苗钳夹式移栽机,中国农科院烟草研究所1982年研制的2zYM.2型烟棉钳夹式移栽机。近些年,北京市农机所1990年和1991年分别研制了2zSB2型蔬菜钵苗钳夹式移栽机和2zwS2型蔬菜无土苗钳夹式移栽机,黑龙江农机工程研究院1994年研制的2Yz.1型烟叶移栽机,黑龙江省农垦科学院1996年研制的2Z.2图卜7移栽机械手结构1.打穴嘴2.箱体3.偏心轮4.配重块5烫膜器型、2z6型链夹式移栽机,河北省唐山市农机所在1998年研制出了2zB.2型钳夹式玉米移栽机,吉林工业大学在1999年研制出了2zT型钳夹式移栽机挠性圆盘式移栽机主要有吉林省白城农机所1990年研制的2Z.1型甜菜移栽机和新疆农科院研制的zT艺型甜菜纸筒育苗移栽机吊杯式移栽机主要有黑龙江八五。农场研制的2zB6型钵苗移栽机,吉林省延边自治州农机所研制了2zL2型联合栽植机,山西省农机所1997年研制的适用于棉花的2zYB.2型钵苗移栽机导苗管式移栽机的研究和推广比较多,形式大同小异,有代表性的有中国农业大学1999年研制的2zDF型移栽机,山东省泰安国泰拖拉机总厂1998年研制的2zM.2和2zM.2Al型棉花移栽机,黑龙江省农垦科学院研制的2zY2型玉米钵苗移栽机,山东工程学院1998年研制的2zG.2型带式喂入钵苗移栽机,由于受传统种植方式的限制,加上机具本身性能不稳定和生产率低,没有大面积推广使用。近几年来,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。目前国内已经研制开发的钵菌移栽机主要以半自动为主,全自动移栽机因结构复杂,成本高,尚处在研究起步阶段册oⅡ町。如山东工程学院研制的带式移栽机和滑道分钵轮式移栽机,吉林工业大学孙廷琮等应用美国B.K.H啪g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,采用机械手进行移栽图1.7。1.7现有的移栽机存在的问题9吊篮式移栽机的研究s分析针对兵团大面积移栽番茄、辣椒、棉花、菊花等经济作物的具体情况,分析国内外现有移栽机具各主要部件的功能及使用情况,本人认为现有移栽机械还存在些问题,如导苗管式移栽机只能使用在开沟移栽的情况,且对株距的要求不是很严格钳夹式、链夹式移栽机的株距可以保证,但其也只适用开沟移栽,若将其改造为打穴移栽,还需花费很大精力添加打穴装置、控制投苗准确性装置以及提高喂苗速度问题空气整根钵苗全自动移栽机虽已大大减少了机上人员的数量,但其造价昂贵,结构复杂,故障率高,仍在进一步的改进之中吊篮式移栽机工作可靠,结构简单,能够实现膜上移栽,却因投苗速度不高,投苗不够方便而未能大面积使用。1.8本课题主要的研究内容本课题研究的目标是研制出适合苗盘育苗的移栽机械,能够适应大面积作业,投苗速度尽可能大,栽植效率高,整机工作可靠。根据农艺要求,参考现有移栽机械,就现有移栽机的投苗速率低的问题,设计制作转盘式投苗机构,采用二次投苗方式投苗,并验证其使用可靠性,分析影响其功能的主要因素,给出理论解释及使用调节时的遵照的原则。主要进行以下几方面的研究1.论述国内外移栽机械研究的历史和现状,分析我国现有移栽机所面临的问题,提出解决问题的方法。2.参考现有机型,确定整机设计方案及一些主要参数,以三维设计软件为平台,设计相应机构解决现有移栽机的问题完成整机三维建模,检查其机构合理性,并生成完整工程图,用于样机生产。3.对整机的关键部件进行有限元分析,减少设计过程中产生的错误。4.对移栽过程中的钵苗进行落苗过程分析,并运用运动仿真软件作运动分析,找出影响移栽效果的因素及使用调整时应遵循的规律。5.试制样机并进行整机初步试验,考察其投苗的可靠性及整机的结构合理性。6.分析影响移栽机工作的主要因素,对下一轮的样机的设计提供参数的优化和合理的建议。10瓤疆农业大学硕士学位论文1.9技术路线吊篮式穆裁枫的研究s分析第二章移栽机整机的计算机辅助设计2.1三维设计软件介绍随着PC机3D设计软件在产品设计中的推广应用,机械产品的设计和开发向着3D化方向发展。采用3D设计软件,如solidwbrI墨,Pm/E,UG等进行产品开发设计的主要优点在于,能够实时地评价零部件的结构工艺性、可装配性和可制造性等,推动了机械产品创新设计的进步。特别是基于三维设计技术的三维样机和仿真技术的发展,为机械产品创新设计的自动化提供了一种理想的技术支撑平台。计算机处理图形图像的不断提高以及w址do、jl,s操作系统的长足发展,三维cAD软件在逐步由工作站环境向计算机化、Windows平台方向发展,尤其是最近几年,三维CAD软件在计算机平台和呲ws环境下得到了很大的进步。solidworl岱2007作为w.mdows平台下的机械设计软件,完全溶入了wndows软件使用方便和操作简单的特点,其强大的设计功能可以满足大多数机械产品的设计需要。SolidWjrls是CAD/CAE/CAM,PDM桌面集成系统,是美国SolidWorl【s公司于1995年11月研制成功的。该软件可以最大限度地满足设计者的设计意图,操作简单,功能强大,容易上手,可以完成复杂的产品设计、高性能的大型装配、高级曲面造型和设计修改,显示动态装配关系,集设计、分析、加工和数据管理于一体,动态模拟装配过程,计算质量特征,如质心、惯性矩等,将二维绘图与三维造型技术融为一体,将三维实体图自动转换成二维平面图。此外它还具有较好的开发性接口和功能扩充性,可以把AutocAD中的图转到SolidworIs中,也能把solidwbrl岱中的图转到AutocAD中,是工程设计的一个好工具。由于solidwjrks有如此多的优点,本文将选用它作为三维建模的平台,来完成移栽机的三维建模。2.2三维建模技术及介绍所谓三维建模,就是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型,模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息。建模必须遵循两条最基本的原则数据的可靠性和系统的相似性。第一,为了对所12新疆农业大学硕士学位论文设计的机械系统进行准确的描述,建模时,收集的数据和有关信息必须准确可靠,否则会造成很大偏差。第二,模型必须与被模拟系统有某种程度的相似性。即用于机械系统仿真模拟时,对整个系统进行模型简化,去除对仿真不产生影响的零部件,但仍然能够清晰准确的表达仿真运动结构,这就是相似性原理,它是模拟仿真的基础。2.2.1几何建模对产品从构思到成品的设计和制造过程进行计算机辅助的愿望促成了CAD和C舢讧系统,它们是直接与几何建模的进步紧密联系在一起的。om/c√~M系统的发展过去是现在仍然是几何建模进一步发展的动力。几何建模是核心部分,它们通过其功能性确定计算机辅助技术的应用。几何建模的发展并没有因为二维CAD系统和之后的三维系统制图的发展而结束,它们已在许多应用领域得到了具体的应用。几何建模的进一步技术应用是动态过程的仿真、图形的数据处理、有限元分析和动画制作。1几何建模方法几何模型是为了表示物体在计算机中的表达形式而建立的模型。该模型的处理涉及模型建立使用的数学方法以及数据结构。三维几何体的基本元素是点、线、面和体。根据基本构形的复杂程度不同,可将几何模型分为线框模型、表面模型和实体模型三种形式①线框模型wh丘锄eModcling线框模型是表面模型与实体模型的基础,通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体.边.点关系,用物体的棱边或轮廓线曲线、直线、圆弧描述零件或产品的形状特征。识别一个物体,是以其棱边的组合结构表示的。顶点与棱边一经确定,物体就被唯一地确定。线框模型仅能描述物体的框架结构,而没有面的信息,故不能进行隐藏线面的消除,不能显示物体的真实图像。②曲面模型Surf地eModeliIlg用一组曲面表示物体的外形,将棱边有序连接而构成实体的曲面结构。曲面模型由于增加了面与棱边的关系,所以在数据结构上比线框模型略复杂,曲面模型所定义的曲面实际上完全定义了物体的边界,但是物体的实心部分在边界曲面的哪一侧是不明显的。曲面模型比线框模型增加了更多的几何信息,可以实现图形的消隐,产生色调图,计算表面积以及数控加工轨迹。虽然曲面模型与线框模型相比多了面和边的几何拓扑关系,但是由于表面模型只能表达形体的表面信息,仍然没有真实的面与体的拓扑关系,难以准确表达零件的其他特吊链式移栽机的研究与分斩性,如质量、重心、惯性矩等。因此,曲面模型难以保证彼描述实体的拓扑一致性,不能完整描述产品的几何特征和物理特征。⑦实体模型solidModelin曲用基本体素构造物体,是表达和处理三维物体的一种完整表达模型。虽然实体模型表示仍以表面模型的表面作为边界,但从物体本身的意义讲,物体是实心的,它的内部在表面的哪一侧是确定的,由表面围成的区域内部为物体的空间区域。在数据结构上实体模型要比表面模型复杂,它将表面模型的表面定义成有向面,从而定义体在面的哪一侧。实体模型完整描述了物体的几何信息和拓扑信息。2三维实体建模实体指的是在空间具有有限体积的物体,它既具有几何特性,如面积、形状和中心等,又有物理特性,如质量、重心等。实体模型一般可以表示实体的几何和物理特性。采用这种模型,可以从CAD系统中得到如Nc编程、有限元分析、虚拟装配等工程应用所需要的各种信息。三维实体建模也称体素建模。主要研究如何方便地定义简单的几何形体即体素,以及如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂形体,并在图形设备上输出的方法其核心问题是采用什么方法来表示实体。在CAD系统中,表示一个实体的方法很多,应用较为广泛的方法有构造实体几何法csGCoIlsnuc吐veSolidGeom附y、边界表示法Br印Bo岫dar,r印resemation、扫描法Sweep。下面对这三种方法进行详细介绍①构造实体几何法CSG是将一简单的实体又称为基本体素进行一定的集合运算构成所需设计的复杂物体。这些体素可以是形状简单的规则物体如长方体、圆柱体等,也可以是由半空间构成的,利用这种方法实现实体建模的过程就是集合运算过程,这一过程可以形象地用一棵二叉树CSG树表示。csG树定义了物体的构成体素和构造方式。CsG树表示法本身就是用来说明实体的构造过程,记录实体中所含体素的全部定义参数,必要时还可以附加实体和体素的各种属性及特征的描述,但不反映物体的面、边、顶点等有关信息。②边界表示法B.rep是通过描述物体的表面边界来表示一个物体的。一个物体的边界把物体分成物体的内部和外部,同时边界也构成了物体与周围环境之间的界面。边界表示包含了两类主要信息几何信息物体几何元素的尺寸数据,它描述的大小、位置、形状等拓扑信息几何元素之间的连接关系,构成物体的骨架,物体的边界一旦定义,就唯一地定义了该物体。边界表示法的数据结构是一个层次结构,以体一面14新疆农业『大学硕±学位论文一边一点的拓扑连接确定物体的形状,B.r印描述法强调实体的外表细节,详细记录构成实体的几何信息与拓扑信息,可以直接取得实体的各个组成面、面的边界以及各个顶点的定义数据,有利于以边和面的运算与操作。但是,其数据量大,数据关系复杂,对几何特性的整体描述能力弱,不能反映实体的构造过程和特点,也不能记录实体组成元素的原始特性。o扫描表示法是将一个点、一段直线或曲线、一个平曲沿空间一路径运动而生成一个二维或三维形体。这种方法被认为是对某方向具有固定形状剖面的产品进行建模的实用而有效的方法。扫描法有两种基本的类型旋转扫描法和平移扫描法。与线框建模、曲面建模等几种建模技术相比,实体建模的突出优点是计算机内真正存储了物体的三维几何与拓扑信息,达使物体体积、面积、重心、惯性矩等的自动计算,隐藏线、隐藏面的消除,有限元网格自动划分,物体截切及碰撞干涉检查,cAD/C舢订初步集成,动画模拟,真实感图形显示等成为可能,从而使这一技术在CAD,CAM模拟仿真、医学、广告、计算机艺术等领域获得了广泛的应用。2.2.2参数化建模参数化建模口a瑚me喇cModeling或参数化设计是现代设计中的一个发展方向,它可以达到满足辅助变量设计和已有设计的可再使用性的目的。除此之外它还可以消除传统cAD系统的一系列缺陷,比如在变化时较小的柔性以及缺少描述功能关系和设计意图方面的功能等。所谓参数化就是将设计要求,设计原则,设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示,以便人机交互过程中根据实际情况进行随时加以更改。1参数化设计思想在一般的非参数化的计算机辅助绘图系统中,所有的线条,如直线、圆弧等各不相干,也就是说,所有的线条都不会因为相邻的线条被删除、修改而受影响计算机中的任何线条仅仅代表其本身的大小、位置、颜色和线形。这样的系统除了帮助设计人员绘制外观漂亮的图形线条以外,丝毫不关心图形图纸所表达的真正意义。从这一点上讲,计算机辅助绘图系统远不如工厂描图员在设计工作中所起的作用,因为具备一定绘图知识的描图员在描图的同时至少可以帮助设计师改正违反机械制图规则的错误,而一般的计算机辅助绘图系统却做不到这一点。参数化设计系统引入了轮廓的概念,轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成,用来吊篮式移裁枫的研究s分斩表达实体模型的截面形状或扫描路径,轮廓上的线段直线或曲线不能断开、错位或者交叉,整个系统可以是封闭的,也可以不封闭。虽然轮廓与生成轮廓的原始线条看上去几乎一模一样,但是它们有本质的区别。轮廓上的线段不能随便被移到别处,而生成轮廓的原始线条可以随便被拆散和移走。这些原始线条与通常的二维绘图系统中的线条本质上是一样的。2尺寸驱动如果给轮廓加上尺寸,同时明确线段之间的约束,计算机就可以根据这些尺寸和约束控制轮廓的位置、形状和大小。计算机如何根据尺寸和约束正确地控制轮廓是参数化的一个技术关键。所谓尺寸驱动就是指当设计人员改变了轮廓尺寸数值的大小时,轮廓将随之发生相应的变化。实现尺寸驱动对设计人员来讲具有重要的意义,尺寸驱动把设计图形的直观性和设计尺寸的精确性有机地统一起来。如果设计人员明确了设计尺寸,计算机就把这个尺寸所体现的大小和位置信息直观地反馈给设计人员,设计人员可以迅速地发现不合理的尺寸。另一方面,在结构设计中设计人员可以在屏幕上大致勾勒设计要素的位置和大小,计算机自动将位置和大小尺寸化,供设计人员参考,设计人员可以在适当的时候修改这些尺寸,大大提高设计的效率和质量。3变量驱动变量驱动也叫做变量化建模技术。变量驱动将所有的设计要素如尺寸、约束条件、工程计算条件甚至名称都是为设计变量,同时允许用户定义这些变量之间的关系式以及程序逻辑,从而使设计的自动化程序大大提高。变量驱动进一步扩展了尺寸驱动这一技术,给设计对象的修改增加了更大的自由度。变量化建模技术为CAD软件带来了空前的适应性和易用性。2.3移栽机设计方案的确定2.3.1选择方案通过对现有各种移栽机的移栽关键部件的分析,我们发现,导苗筒式移栽机其主要用于工作在对株距要求不严格且多数为开沟移栽的情况,我们曾将导苗筒与打穴轮结合试制了一台结构简单的移栽机图2.1,其主要由打穴轮、转盘投苗机构、导苗管等组16颞疆农业大学硕士学位论文成,但由于其投苗的准确性受车速的稳定性影响较大,且车速需控制在一个变化很小的范围内,使驾驶员必须始终注意发动机转速维持在合适的恒定值,不适宜交付给农民大面积使用钳夹式、链夹式移栽机以及挠性圆盘式等移栽机也都是使用在开沟移栽的形式,不适合在新疆铺膜后移栽的种植形式而近些年从国外引进如意大利checclliMa甜i公司的吊篮式移栽机的栽植机构,它是典型的不开沟移栽形式,能够打穴,且移栽株距稳定,栽植质量容易保证,比较适合铺膜后移栽的形式。图21导苗管式打穴移栽机1.导苗管2.转盘投苗筒3.拨轮4.打穴轮5.单体机架进一步试验分析可以发现,意大利checclliMagH公司的两行吊篮式移栽机适宜膜上打穴移栽,其栽植质量较好,栽植机构合理,但通过试验研究还发现,用手直接将钵苗投入吊篮中存在较大的危险,稍有不慎,会造成夹手伤人的事故,而且直接投苗不够方便,受到车速影响较大,当车速增高时,吊篮的线速度提高,从而由于人的投苗不及时增加了漏苗率同时,由于此种机型只有两行,极不适应兵团的大面积种植模式,故在本移栽机设计中,我们将就上诉问题从设计之初加以考虑,借鉴吊篮式栽植机构的科学原理,设计符合当今移栽具体情况的移栽机。2.3.2吊篮式栽植机构原理简介17吊蟹式移裁执魄研究与骨折此栽植机构图2.2由牵引臂、偏心盘、吊篮、曲柄以及传动装置、安全防护装置组成,移栽过程中,牵引臂铰接在主梁上,主梁两侧有地轮,通过链将动力输送给各移栽单体,单体随机器的行走同时转动,在偏心导轨与曲柄的作用下,吊篮鸭嘴始终指向下方,当吊篮转动在上方时,投苗手将钵苗投入吊篮,并随吊篮继续向下运动,在闭合的状态下扎入土壤中,鸭嘴受吊篮两侧的凸轮作用被强制打开,钵苗落入鸭嘴打出的穴中,吊篮继续在转动盘的带动下向上运动,直到通过与轴在水平位置时逐渐关闭,等待行至上方进行下一次投苗。图2_2吊篮式栽植机构简图1.转动盘2.偏心盘3.曲柄4.吊篮5.偏心盘导轨6.牵引臂此种形式的移栽机构栽植质量较好,栽直率高,钵苗基本不受冲击,伤苗率小,而且此种单体在栽植过程中可以选择安装l~6个吊篮与不同链轮传动比获得不同的株距,最小栽植株距是200rnm。由于新疆的移栽经济作物种植面积广,移栽时间有限,要使吊篮式移栽机构高效安全的顺利完成工作,还存在两个关键问题l、在移栽过程中,每个投苗手要完成的工作有取苗,移苗,投苗,其中投苗动作比较复杂,即要让钵苗落入处在圆周运动的吊篮中,还要躲避手在投苗过程中随吊簸向下运动时其它构件的伤手危险。2、单体在栽植过程中,吊篮作相对的圆周运动,具有较高的线速度,从而造成投18新疆农业大学硕士学位论文苗手须工作在高度紧张的状态,稍有马虎,就会造成漏苗。为了改进吊篮式移栽机的不足之处,我们将设计一种机构水平转盘投苗装置,采用两次投苗,这样既能保证安全,也加快了投苗速度同时研究设计多行机,以改进后的栽植单体为基础,将多个相同的栽植单体并列安装,并重新设计传动、主梁及悬挂装置,实现宽幅多行作业的集约化生产。2.4移栽机关键部件的设计在新疆生产建设兵团种植的经济作物均采用密植高产的种植模式,在移栽棉花、辣椒、番茄、菊花等经济作物时,为适应种植模式,我们选择同时安装6个吊篮,并通过选取合适的传动比,必要时采用一穴双株的栽植方式来满足当前种植模式的亩株数要求。2.4.1转盘式投苗机构的设计由于主动圆盘上安装多个吊篮,工作过程中处在边缘的吊修线速度较大,而主动圆盘的大小至少应使吊篮接苗后转动过程中不发生干涉,可见圆盘不可能太小在实际移栽工作中,受苗盘托架和座椅位置等影响,吊篮所做圆周运动过程中,仅有大约60。运动区域可以实施投苗,这样就造成给投苗手的准备时间,纠错时间较少,漏苗率增大。鉴于以上原因,设计适合本栽苗单体的水平转盘式投苗机构置于单体的正上方,从吊篮转动盘的中心轴获取动力,通过锥齿轮改变转动轴向,选择合适的传动比与转盘上投苗筒的个数实现准确可靠投苗。以下是对各主要零部件的设计①投苗筒图23育好秧苗的苗盘19吊篮式移栽机的研究与分析由于棉花,番茄等会由于在育苗期间肥水不均,造成个别钵苗枝叶较大图2.3,投苗简直径大小直接影响落苗的通畅性,通过多次试验确定投苗简直径为80mm时,即不出现挂苗现象投苗筒的高度不宜过低,否则,当基质较少且基质水分不足时,钵苗枝叶容易将其挂起,相反,投苗筒比钵苗图2.4高些时约200lnm,钵苗在投的过程中会有一定的初速度,在惯性的作用下使枝叶合拢,而当合拢后的钵苗仅克服重力向下滑落便很顺利在投苗筒上边沿包覆橡胶圈,用于保护钵苗枝叶合拢时不受伤。o②活门机构竺为使钵苗在投苗筒中随投苗筒运动时不至于夹苗根直接让钵苗底部与固定盘相互摩擦运动容易夹苗根,在投苗筒下侧安装简单且实用可靠的活门机构,使活门在行至落苗缺口处自然打开,落苗完成后,活门能够顺利及时关闭。为安装活门,在投苗筒的下端开45。斜口角度图24钵苗及基质尺寸过小,活门关闭太快容易夹苗,角度过大活门靠重力自然打开不灵活,安装活门,活门下侧是固定盘,在落苗处开有缺口,以便活门开启落苗。④转动盘考虑到栽植的最小行距将受到转动盘直径的直接影响以及投苗筒的线速度应尽量小,则转盘赢径不宜过大过大则造成并行的栽植单体的间距加大,从而行距增大,而投苗筒直径不能过小直径小,下苗不流畅又不宜过密过密容易造成大的钵苗相互缠绕,影响落苗,要方便投苗,钵苗从投苗筒中落下要准时可靠,结构要简单。/厂、、\◇桫.◇≯.◇1\j汐图25转动盘鉴于上诉几种考虑,设计时将投苗筒按圆周均匀布置,使各相邻苗筒之间留有一定间隙,防止钵苗顶端互相缠绕,通过实际操作验证,最终确定将6个与吊篮相同个数番疆农业大学殛士学位论文且投苗转盘与吊篮转盘的传动比为l时方便调整投苗筒均匀排放在圆周直径为0.2m的转动盘上图2.5并将转动盘中心两侧开妖型孔用于调整投苗开启时间之用。④固定盘固定盘是用于投苗筒下侧的活门打开与关闭的控制,当投苗筒转至落苗位置时,能够使活门准时打开,并有充足的时间允许钵苗下落,然后自然关闭,而且不能发生夹苗现象,故将盘设计成如图2.7结构,并在侧边开60。缺口用于活门打开落苗。⑦导苗嘴为使钵苗能够准确落入导苗嘴且能将钵苗准确导入处在圆周运动的吊篮,在落苗缺口下方须有一导引装置图2.5,使钵苗在离开投苗筒后的运动方向纠正,并能够获得一定初速度适应沿圆周运动的吊篮。将导苗嘴设计成上大下小的倒椎形假定钵苗在下落过程中不受与导苗嘴的摩擦阻力和空气对它的作用力,为减少钵苗落入吊篮不受过大的横向冲击,将导苗嘴的一侧板设计成倾斜,以/0.1897s故,钵苗有充足的时间从投苗筒落下。4.4落苗准确性的调整计算4.4.1提前角的计算提前角即当吊篮已行至导苗嘴下的接苗位置时,对应的投苗筒已转过落苗位置的角度。钵苗落下的准确性与投苗机构固定盘到吊篮的距离有关,还与吊篮在工作中的运动的角速度有关,而角速度直接受车速的影响,所以,转动盘的提前角应是下落高度与车速的函数。株距ao.2m吊篮数量z26个吊篮转盘直径D2卸.47m转向锥齿轮传动比il1转盘动力输入链轮传动比i21即投苗转盘与吊篮转盘有相同的角速度。有下列关系式图42钵苗下落示意图1.投苗简2.导苗嘴3.吊篮厉r乍1『i≮n鼍t,㈤c44,\伊360nt。合并得一6。差荐㈠㈤s,口Z,V窖其中L下落距离㈤t下落时间sp提前角度。V车机车速度州si3地轮与主动圆盘的传动比从45式可以看出,a、z。、L以及g都为定值,i。在栽植每种株距时也是定值,提前角度Q与机车速度成正比关系。4.4.2接苗位置的确定42、在钵苗下落过程中,为使落入吊篮的钵苗所受的横向冲击最小,则应使VlV3图其中根据速度矢量分解将4.6式代入即得另有n兰i,口Z2rV22昏11IVfn耳D24.6rVlv2辔口O。≤a90。L、,3Kcos∥nⅡD2co妒O。≤p≤90。47gtl,g口nⅡD2cospO。≤a90。,O。≤D≤90。n2筠。。≤旺9。。,。。≤p≤9。。差t,毋%咿≤p≤叭ooa咿,k南甓孑∽≤p≤孵ooa卯,4.84.94.104.11吊篮式移裁规的研究与分析当投苗机构高度L与导苗嘴a已定时,tl、蟾n也为定值令甓孑乩oo≤a9004.12v车夏bo。≤p≤900413由上式可见,车速与p角的余弦成反比,即当车速高时应将p角取大处,反之,将B角取小处。4.5本章小结加装了水平转盘式投苗机构后,吊篮转盘与投苗转盘有相同的转速,与原有直接投入吊篮的移栽机构相比,两种投苗方式的线速度之比即投苗转盘的直径Dlo.2m与吊篮转盘直径D20.47m之比Dl_O.425D27\所以,在同样的投苗线速度下,使用水平投苗转盘时,投苗速度比直接投入吊篮能增加一倍以上,而且,6个投苗筒都在投苗手的面前,有较充足的纠错时间。同时,在采用了水平投苗转盘时,人的投苗姿势有很大改善,避免了人在长期弯腰的情况下产生的身体不适。通过对吊篮式移栽机的改进后初步试验,其栽植效率明显提高,漏苗率降低,调整方便,且更加符合人机工程学的原理。新疆农业大学硬士学位论文第五章吊篮栽植机构的理论分析与模拟2zY6型移栽机的主要栽植工作部件是吊篮式移栽单体机构,工作过程中六个单体移栽机构是独立完成作业的,整个机器制作装配完毕后,为准确可靠的完成栽苗动作,须到田间试验并分别对每个单体栽植机构单独调整,需要调整的有1活门打开的时间及吊篮接钵苗的位置区域上一章提出的调整原则即用于栽植单体各部件之间的位置关系确定2控制吊篮鸭嘴入土与出土的角度可以通过调整调节块控制曲柄与地面夹角获得,防止挂膜3调整地轮与栽植单体之间由于不同的传动比而获得不同株距本章讨论5.1整机工作原理地轮通过传动装置驱动每个栽植器上的主动圆盘转动,在主动圆盘上安装有1~6个吊篮,圆盘转动时,吊篮随圆盘转动,并始终与地面保持垂直。吊篮转动到上方时,由水平转盘式投苗机构将苗投入吊篮中,钵苗随吊篮转动,当转动到栽苗点时,吊篮上的滚轮与导轨接触,将吊篮鸭嘴打开,秧苗自由落入鸭嘴打出的苗穴中,随后由镇压轮从两侧挤压,使苗穴两图51吊篮式移栽单体侧的土壤与钵苗基质充分接触,完成栽植1.转盘式投苗机构2.吊篮式栽植机构过程。当滚轮离开导轨后,鸭嘴受弹簧作3.调节块4.曲柄5.镇压机构用而关闭,继续向上转动等待下一次喂苗。安装6个吊篮的单体移栽机构如图5.1所示。5.2理论分析5.2.1吊篮栽植单体运动的特征系数
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