机械毕业设计（论文）-旋转式水稻钵苗移栽机构的设计【全套图纸】

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 题题 目：目： 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 学学 院：院： 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 专业班级：专业班级： 机械制造及其自动化（机械制造及其自动化（4）班）班 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 浙江理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。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 浙江理工大学或其他教育机构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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 浙江理工大学本科毕业设计（论文） I 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江理工大学浙江理工大学有权保留并向国家有关 部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江理工大学浙江理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 导师签名： 签字日期： 年 月 日 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 2 摘摘 要要 水稻钵苗移栽是一种利用钵盘育秧的水稻移栽技术，是水稻种植过程中的 重要环节。水稻的钵盘育秧充分保留了秧苗生长的营养土质，植伤轻、返苗快， 使作物提早成熟，且增产增收；移栽充分利用了光热资源，对水稻秧苗有气候 的补偿作用，同时有使作物生育提早的综合效益，因此水稻的钵苗移栽可以产 生非常可观的经济效益和社会效益。但与其他国家和地区相比，我国水稻种植 机械化程度较低，与国内水稻生产的其它环节相比，机械化程度也是最低的。 因此研究一种新的水稻钵苗移载机构，对水稻的机械化种植与高产高收具有非 常重要的意义。 本文通过对国内外的水稻钵苗移栽机构进行对比分析，提出了一种高效率 的水稻钵苗移栽机构为旋转式水稻钵苗移栽机构。该水稻钵苗移栽机构由驱动 部分与移栽臂两部分构成，其中驱动部分由非匀速间歇传动机构与非匀速传动 机构串联组成，移栽臂用于完成机构的取秧、推秧。 本文的研究内容如下： 1.根据水稻钵苗移栽的农艺特性与工作轨迹的要求，确定了以椭圆不完全 非圆齿轮行星轮系为传动机构的设计方案，该旋转式传动机构平稳性好、效率 高。 2.分析了该水稻钵苗移栽机构的工作原理，并对机构进行运动学建模与传动 特性分析。 3 通过水稻钵苗移栽机构的辅助分析与优化软件，对该机构进行参数优化， 最后得到一组较优的结构参数：a=23.069mm，k=0.994，=291，=6，=29， 0=-39，S=152mm. 4.根据机构优化后的结构参数，在 CAD2008 软件中对水稻钵苗移栽机构进 行整体的结构设计与各零部件的二维设计。 5.在 ug8.0 三维实体建模软件中完成各零部件的建模与机构的装配。 关键词关键词：水稻钵苗移栽；行星系移栽机构；椭圆不完全非圆齿轮；参数优化； 设计； 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 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 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 4 trajectory of rice bowl seedling transplanting， invent the rice bowl seedling 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 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 目目 录录 摘摘 要要.2 Abstract 2 第一章第一章 绪论绪论.7 1.1 本文研究目的与意义7 1.2 水稻钵苗移栽机构的发展概况8 1.2.1 国外发展概况 8 1.2.2 国内发展概况 .10 1.3 研究目标与方案实现13 1.3.1 研究目标 .14 1.3.2 实现方案 .14 1.4 本文的工作安排16 1.5 本章小结.17 第二章第二章 旋转式水稻钵苗移栽机构的运动学分析旋转式水稻钵苗移栽机构的运动学分析.18 2.1 旋转式水稻钵苗移栽机构的工作原理18 2.2 运动学分析符号及相关说明19 2.3 椭圆齿轮不完全非圆齿轮传动特性分析20 2.3.1 椭圆齿轮不完全非圆齿轮节曲线模型建立 .20 2.3.2 传动比分析 .24 2.4 椭圆齿轮传动特性分析27 2.4.1 椭圆齿轮节曲线模型建立 .27 2.4.2 传动比分析 .28 2.5 椭圆-不完全非圆齿轮行星轮系移栽机构运动学模型的建立.29 2.5.1 位移方程 .29 2.5.2 速度分析 .31 2.5.3 加速度分析 .32 2.6 本章小结32 第三章第三章 旋转式水稻钵苗移栽机构辅助分析与优化软件的运用旋转式水稻钵苗移栽机构辅助分析与优化软件的运用.34 3.1 优化软件的运用思路34 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 6 3.2 旋转式水稻钵苗移栽机构的优化软件界面35 3.3 数据处理 .36 3.4 本章小结37 第四章第四章 旋转式水稻钵苗移栽机构的结构设计旋转式水稻钵苗移栽机构的结构设计.38 4.1 旋转式水稻钵苗移栽机构的整体结构设计.38 4.2 驱动部分设计40 4.2.1 非匀速间歇传动机构的设计 .40 4.2.2 非匀速传动机构的设计 .41 4.3 移栽臂组成零件的设计41 4.3.1 拨叉的设计42 4.3.2 推秧爪与弹簧片的设计43 4.4 本章小结44 第五章第五章 旋转式水稻钵苗移栽机构的三维建模旋转式水稻钵苗移栽机构的三维建模.45 5.1 椭圆齿轮与非圆齿轮的实体建模.45 5.1.1 椭圆齿轮的三维建模45 5.1.2 非圆齿轮的三维建模46 5.2 其他零部件的三维建模47 5.3 本章小结.47 第六章第六章 总结总结.48 6.1 总结48 参考文献参考文献.49 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 第一章第一章 绪论绪论 1.1 本文研究目的与意义本文研究目的与意义 水稻是我国第一大粮食作物，在粮食安全中占有非常重要的地位，在全国 范围内将近有 60%的人口以水稻为主食。我国水稻的常年种植面积约占全国谷 物种植面积的 30%，占世界水稻种植面积的 20%，面积约为 3000 万公顷；稻 谷每年的总产量近 20000 万吨，其重量占世界稻谷总产的 35%，占全国粮食总 产的 40%.但是在主要粮食作物生产中，水稻的移栽劳动强度较大，水稻种植机 械化水平最低1。 水稻的移栽是种植过程中的重要环节，移栽充分利用了光热资源，对秧苗 有气候的补偿作用，同时有使作物生育提早的综合效益，因此，水稻移栽产生 的经济效益和社会效益非常可观。与其他国家和地区相比，我国水稻种植机械 化程度较低，绝大部分是移栽作业；与国内水稻生产的其他工艺流程相比，机 械化程度也是最低的（收获机械化 50%以上，种植机械化约 12%）2。 目前，水稻移栽机械主要有水稻抛秧机、插秧机、钵苗栽植机，相应的移 栽技术分别为抛秧、插秧和钵苗栽植。其中，水稻抛秧技术栽植浅、植伤轻、 返苗快、分蘖早、分蘖节位低、浅层根分布广，提早成熟，且增产增收3，但 是抛秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影响缓苗，进而影响产量；与抛秧技术 相比，水稻插秧方式可以保证栽植秧苗有较好直立性，但与抛秧移栽采用钵盘 育秧不同，插秧技术采用毯状秧苗，毯状苗几乎不能保留秧苗的成长土质及营 养物质，插秧时秧苗断根多，缓苗期较长，要 10 天左右；而水稻钵苗栽植技术 也采用钵盘育秧，综合了以上两种水稻移栽方式的所有优点，克服了不利的因 素，钵苗栽植直立性好，无缓苗期，增产明显，成为当今水稻机械化移栽技术 的研究重点。 另外，目前超级稻种植都是采用手工移栽，要求每穴种植 1 到 2 株秧苗， 用现有的毯状苗插秧种植方式根本无法满足此精准移栽要求；用水稻抛秧移栽 技术，难以保证移栽秧苗的直立性，影响产量；而用本课题提出的水稻钵苗移 栽技术，即可以解决超级稻机械化种植需要每穴 1 到 2 株苗，又可以保证移栽 秧苗的直立性要求，有利于超级稻种植的推广。 水稻钵苗移栽是一种高产的水稻移栽技术。具有壮苗浅栽、缓苗快、分蘖 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 8 早、分蘖节位低、有效分蘖多、根系发达、提早成熟增产增收等优点，一直以 来深受农民欢迎。水稻钵苗移栽在保证移栽钵苗的直立度后（与水平面夹角不 低于60度） ，钵苗移栽方式较插秧方式增产10%-15%，因此增产效果明显。日 本研究出的水稻钵苗移栽机（又称水稻钵苗摆栽机）价格昂贵、结构复杂，而 且又是采用半硬塑胶穴盘，成本高，育苗要求也高，使想迫切改变手工劳作并 提高稻谷产量的广大农村农民望而却步，黑龙江垦区五年前曾引进日本的两种 水稻钵苗摆栽机进行试验，到现在一直也没有推广，不适合中国国情。近几年 来，我国吉林省有几家企业一直在研究水稻钵苗移栽机，并进行了小规模的应 用推广，基本能够保证移栽钵苗有较好的直立度。其移栽机构采用多杆式移栽 机构，移栽效率低，单行效率只有80株/分钟左右，由于多杆式机构的结构限制， 移栽效率很难再提高了。其移栽效率远远低于步行式插秧机的插秧效率，更不 用说与高速插秧机相比。为了实现我国水稻钵苗移栽技术的发展与应用，满足 广大农民的对水稻钵苗移栽机械化的需求，研究出一种新型高速水稻钵苗移栽 机，具有非常重大的科学意义与经济价值。具有取苗与移栽苗功能的移栽机构， 作为水稻钵苗移栽机的核心工作部件，已经成为制约高速水稻钵苗移栽机械发 展的“瓶颈”问题，开展该移栽机构理论与创新设计研究已迫在眉捷48。 本课题通过开展水稻钵苗移栽机构的工作机理分析，依托课题组多年研究 水稻种植机械的研究平台，对水稻钵苗移栽机构进行创新研究与优化设计，发 明一种新型的高速水稻钵苗移栽机构，并建立相应的设计理论与方法，将促进 我国水稻钵苗移栽技术的发展与应用。该水稻钵苗移栽机构的研究能够为高速 水稻钵苗移栽机的研究、开发提供理论基础和设计参考，将直接指导水稻钵苗 有序移栽机构的设计，特别是水稻钵苗移栽方式非常适合于超级稻的机械化种 植，有利于促进超级稻种植的推广，提高我国农业机械的研究水平。因此，开 展本课题研究，不仅具有重要的科学意义，也具有重大的实际应用价值。 1.2 水稻钵苗移栽机构的发展概况水稻钵苗移栽机构的发展概况 自水稻抛秧或摆秧技术的应用以来，国内外的很多专家学者开始对有关水 稻钵苗移栽机械展开了研究，其中从事这方面研究的主要国家是日本和中国。 1.2.1 国外发展概况国外发展概况 日本是水稻移栽机械化方面程度最高的国家，在工业化的完成进程中，日本逐 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 步实现了机械化的水稻种植912。根据有关资料显示，黑龙江省曾分别引进日 本井关农机公司和实产业株式会社生产的水稻钵苗摆栽机，如图 1.1（a）所示， 该摆栽机一次可栽 6 行，采用半硬塑胶钵盘育秧苗，钵盘中的每个钵穴是上粗 下细的圆锥杯，杯的底部有一小孔。采用的取苗方式为从半硬塑胶钵盘底部将 秧苗顶出，其工作过程示意如图 1.1（b）所示。顶杆对准小孔有两种形式：一 种是顶杆平移，另一种是钵秧盘平移。从结构发明的角度看，机构作用于土钵， 土钵是固体，个体差异小，工作可靠，但是机构的运动是直线间歇运动。需要 一套完成精确移动定位的机构，加工精度要求高，机构磨损后容易顶偏，造成 塑料秧盘损坏，有时钵苗的秧根挂住钵盘，造成秧苗脱离不成功，这对育秧要 求比较高。通过分秧供秧机构，将顶出的钵苗水平分送至两侧的旋转分插部件， 然后由旋转分插部件将水平放置的钵苗转换成垂直的方式入土，完成钵苗的田 间摆栽作业。该摆栽机能够成行摆栽带钵秧苗，具有株距准确、均匀性好、作 业质量高等优点。但摆栽机的结构复杂、成本高、对整地和育秧的质量要求较 高，同时半硬塑胶穴盘成本也高，从国内引进试验来看，并不适合我国国情。 1.秧盘移动 2.秧盘静，启动顶杆 3.顶杆推出钵秧 （b）机构顶秧过程 图图 1.1 日本的水稻钵苗摆栽机日本的水稻钵苗摆栽机 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 10 如图 1.2 所示为日本洋马农机株式会社的竹山智洋发明的另 一种 钵苗移栽机（专利号为：ZL200480007602.4）13，该移栽机由驱动装 置和两 个移栽爪组成。该移栽机构的驱动装置由两套行星轮系机构串联组成， 其中 回 转箱相当于行星架，第一回转箱内包含 9 个齿轮（其中有 2 个是扇形齿轮） 和一 套摆动凸轮机构，第二回转箱有 5 个齿轮。第二回转箱与第一回转箱中 的行星轮固接，由第二回转箱内的行星轴输出运动，通过驱动移栽爪来实现取 苗和移栽苗动作。该水稻钵苗移栽机构的结构很复杂，设计制造成本比较高， 而且可靠性不高，所以该水稻钵苗移栽机构未能得到实际应用。 图图 1.21.2 钵苗移栽机构钵苗移栽机构 1.2.2 国内发展概况国内发展概况 我国在 90 年代后期，水稻钵体育秧技术有了较大的发展，中国农业大学、 吉林大学、江苏大学、八一农垦大学等院校都开始进行钵体育秧技术与移栽技 术研究。我国目前的有序钵苗移栽机构有较 多种方式，现介绍几种如下： 1)对辊式拔秧机构 中国农业大学工学院研制了一种型为2ZPYH530的水稻钵苗行栽机，该 行栽机采用对辊式拔秧机构，实现水稻穴盘育苗的自动拔秧，机构如图1.3所示。 该机构的输秧拔秧装置 要由输秧辊4、压秧板6、上拔秧辊8和下拔秧辊9等组成。 其工作原理是： 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 11 1.秧钳 2.压缩弹簧 3.压缩杆 4.秧钳固定套 5.固定凸轮 6.滚筒 7.开闭凸轮 8、9.挡铁 10.秧盘 图图1.4 机械手式抛秧机构机械手式抛秧机构 1.机架 2.托盘 3.拨杆 4.输秧辊 5.秧苗 6.压盘板 7.支座 8.上拔秧辊 9.下拔秧辊 图图 1.3 对辊式拔秧机构对辊式拔秧机构 钵苗通过人工放在托板上，然后喂入到输秧辊4上，按一定传动比拔秧辊带动输 秧辊4转动，当上下拔秧辊8、9的夹秧板对接时，通过夹秧板外缘弹性材料的变 形产生夹紧力，夹持上下拔秧辊中间的钵苗并带动其一起运动，最后使得钵苗 与钵盘脱离；上下拔秧辊转过一定角度后，夹秧扳松开、钵苗落入导苗管，完 成拔秧工作。试验结果表明，培育秧苗时钵盘的湿度对拔秧力影响较大，而且 钵苗在拔秧辊释放钵苗后沿导苗管滑落入水田中，很难控制移栽秧苗的直立度， 秧苗容易倒伏，会影响缓苗作业，并且效率低。 2)机械手式抛秧机构 如图1.4所示为八一农垦大学设计的机械 手式抛秧机构 17。其工作原理：秧钳的固定 套4与滚筒6为刚性联接，固定套随筒回转，滚 筒内的凸轮5固定不动，其最大突变点离秧盘 最近且对应于取秧位置；当挡铁8撞击开闭凸 轮7，秧钳闭合夹秧，伸缩杆3在弹簧2的作用 下快速缩到凸轮的凹处，将秧苗从秧盘中拔出； 秧钳随滚筒6回转过程中，伸缩杆3的端斜面与 凸轮5的外轮廓接触并受其作用向外逐渐伸长； 当滚筒转过180时，开闭凸轮7的撞杆受到挡 铁9的撞击，使其转过90后将秧钳撑开，在秧钳回转惯性力及重力作用下，秧 苗抛向地面，抛出秧苗后秧钳一直保持张开状态，直到取苗位置时又开始重复 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 12 图图 1.5 空间连杆移栽机构简图空间连杆移栽机构简图 图图1.6 七杆移栽机构及移栽轨迹七杆移栽机构及移栽轨迹 上面所述的动作。该机械手抓取秧苗的准确度和伤秧是该机构要解决的关键问 题。该机构在栽植苗时，由秧钳通过回转惯性力和重力作用将秧苗抛向地面， 是一种抛秧移栽作业方式，因此，秧苗移栽的直立度也很难保证，将影响缓苗。 3)空间连杆移栽机构 在空间连杆机构的基础上，中国农业大学研究开发了一种水稻钵苗精准栽 植机械手机构18，与拨杆式夹钳配合使用该机构与传统的农业机械完全不同， 它属于空间闭式链机构。图 1.5 所示为栽植机械手机构的结构示意图，该机构 由可控变杆长 RRRSR 机构和拨杆式夹钳 装置两大部分组成。而可控变杆长机构是 由机架、主动件、连杆、工作杆和摆杆组 成，并选取主动件杆 1 为杆长变化杆，且 将杆 1 分解为凸轮、滚子从动件和曲柄三 部分，源动力通过链条链轮传递动力给与 机架运动副连接的曲柄，再由曲柄传递动 力给滚子从动件，使滚子沿凸轮表面做圆 周运动，来实现杆长变化滚子从动件传 递动力给其它杆件 3、4，使其作连续运 动，同时使得与杆 2 连接的工作杆 7 和夹钳一起运动，从而完成夹秧、取秧， 移秧、栽秧等一系列动作。此机构在设计过程中需要检测杆之间的干涉问题， 能保证各杆工作的连续性，该移栽机构结构太复杂，工作效率低。 4)七杆移栽机构 2007 年，吉林省延吉市光华机 械厂公开了一种水稻钵苗移栽机构 (如图 1.6)。这种移栽机构包括有动 力传送齿轮箱 10、移栽四轩机构和 移栽稳定三连杆机构。其中移栽四 杆机构是由上曲柄 7、栽植臂连杆 6、栽植臂杆 23、锁臂摇杆 14 依次 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 13 铰接组成，在栽植臂杆上设有夹秧装置；移栽稳定三连杆机构是由下曲柄 19、 稳定连杆 18 和上述的锁臂摇杆 14 依次铰接组成，移栽四杆机构和移栽稳定三 连杆机构共同完成取秧、移秧、栽秧的运动轨迹。该发明机构移栽运行轨迹稳 定，取秧栽植过程中取秧爪开闭准时准确，基于钵盘育秧，保证了完整的根系， 不伤苗，减少了秧苗的缓苏周期，增产效果显著。但是多杆机构工作配合复杂， 要快速提高移栽的速度，将是一个巨大的挑战19。该移栽机构已有样机在田间 试验，但是工作效率低，振动大，单行移栽效率只有 80 次/min 左右，机构的结 构本身限制了该机构无法再提高移栽效率。 5)五杆移栽机构 专利号为 200820072816.5 的发明中提出了一种能直接栽插软塑体钵盘秧苗 的钵苗水稻插秧机20，如图 1.7（a）所示。该水稻钵苗插秧机的核心工作部件 五杆水稻钵苗移栽机构，如图 1.7（b）所示。该机构采用双曲柄 67、66 分 别作正、反向转动驱动，是一个双自由度机构，栽植臂 10 往复直插式控制取秧 夹 61 按特定曲线轨迹进行取秧与栽插秧苗作业，栽植臂 10 内有夹紧与释放苗 装置，包括凸轮 68、拨叉 70、弹簧 63 和控制杆 71，控制杆 71 相对栽植臂 10 作往复移动，控制取秧夹 61 张开与闭合。曲柄旋转一周，取秧夹 61 夹取钵苗 插秧一次，移栽效率单行为 80 次/min 左右，该机构能实现水稻钵苗有序移栽， 但工作效率也较低，振动也大。 (a)钵苗移栽机 （b）钵苗移栽机构 图图 1.7 五杆水稻钵苗移栽机五杆水稻钵苗移栽机 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 14 1.3 研究目标与方案实现研究目标与方案实现 通过以上分析可知，国内外虽然对水稻钵苗有序移栽技术及移栽机构已做 了较多的分析与研究，并有部分样机投入试验或应用。目前的移栽方式分为二 种：抛秧方式和栽植苗方式。抛秧方式很难保证栽植秧苗的直立度，影响缓苗， 进而影响水稻产量，到目前为止，一直未能推广应用；栽植苗方式移栽钵苗能 有效地保证栽植秧苗的直立度，无缓苗期，但现有的钵苗移栽机构，工作效率 太低（只有80株/分钟/行），机构工作时振动大。但是上述的钵苗移栽机构所采 用的夹取式取苗方式可以为本课题研究提供参考。 1.3.1 研究目标研究目标 近年来，本课题组对水稻钵苗有序移栽的工作机理与机构创新进行了详细 研究，本研究采用的移栽秧苗为塑料钵盘苗，如图 1.8 所示，钵盘育苗采用呈 阵列式穴口的钵盘，各穴口相互独立，钵盘为 1429 穴（横向 14 穴，纵向 29 穴）。利用钵盘育秧进行移栽能够保留秧苗的营养土质，且秧苗间相互独立易 机械移栽，并用育秧的塑料钵盘可重复使用。本取秧方式采用两片取秧爪夹住 水稻钵苗的茎杆根部，夹紧茎杆，将钵苗从钵穴中拨出，完成取秧动作，取秧 后夹持秧至推秧位置，推秧爪张开，释放钵苗并推苗入田，完成移栽动作。 为了实现该水稻钵苗的有序移栽方式，同时考虑机构工作效率和平稳性。 本论文提出了一种旋转式有序移栽机构5，在旋转箱体上呈 120布置三个移栽 臂，提高了工作平稳性，旋转一周移栽三次，移栽效率高，移栽效率将不低于 200 株/分钟/行，其移栽效率远远高于现正在应用的有序移栽机构，本论文研究 的旋转式有序移栽机构是一种高速水稻钵苗移栽机构。 1.3.2 实现方案实现方案 1）水稻钵苗移栽机构的设计要求 通过了解水稻钵苗移栽的农艺要求，提出如图 1.9 的移栽轨迹，该机构的 取秧方式为弹簧片夹取式取秧，为了避免取秧时弹簧片与秧苗的干涉，移栽轨 迹在取秧部分为“环扣状”。即由两个弹簧片运行到土钵表面时，弹簧片从钵 苗的下方 D 运行到钵苗茎部开始取秧，夹紧秧苗的茎杆根部，在图中的 E 位置 从穴盘中取出带土钵苗，再沿 FAB 夹持钵苗至图中的 B 位置，在推秧杆的作用 下，弹簧片松开，释放并推出钵苗，植入水田中，然后弹簧片经图中 C 位置， 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 15 为重新下次取秧做准备，完成一次移栽周期。 2）机构的实现方案 (a) 移栽机构简图 (b)移栽臂结构简图 图图 1.8 水稻钵苗移栽机构水稻钵苗移栽机构 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 16 根据移栽轨迹要求，设计出一种旋转式椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水 稻钵苗移栽机构21，在一个旋转箱体上对称布置了三套移栽臂，旋转一周移栽 两次。如图 1.10(a）所示为旋转式椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移 栽机构传动简图（图示为机构的初始安装位置），该机构由驱动部分和移栽臂 两部分组成，驱动部分是一个非匀速间歇传动行星轮系机构，由 4 个椭圆齿轮、 1 个不完全非圆齿轮、2 个凹锁止弧、1 个凸锁止弧组成，行星架顺时针转动作 为输入运动构件，行星轮为输出运动构件；移栽臂与行星轴固接，通过凸轮带 动拨叉摆动实现推秧杆往复移动，再带动两弹簧片闭合、张开实现取秧、推秧， 移栽臂的设计方案如图 1.10(b）所示，其中拨叉与凸轮的作用是弹簧片实现移 栽过程的关键。 1.4 本文的工作安排本文的工作安排 1）根据水稻移栽的农艺特点与轨迹要求，提出了一种新型水稻钵苗移栽机 构，使水稻移栽达到高效率、低振动的工作要求。本文采用的是椭圆齿轮不 完全非圆齿轮行星轮系作为传动部件，设计出一种新的水稻钵苗移栽机构 椭圆齿轮不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构。 2）对该水稻移栽机构的运动学特性进行分析，包括椭圆齿轮-不完全非圆 齿轮的传动特性分析、椭圆-椭圆齿轮的传动特性分析、中间椭圆齿轮与行星椭 圆齿轮的相对角位移、角速度分析、移栽臂秧针尖点的相对位移、速度和加速 度分析。 3）根据己建立的移栽机构运动学模型，开发水稻钵苗移栽机构的辅助分析 与优化软件，进行软件各模块的功能介绍。 4）利用优化软件进行移栽机构的结构参数优化，分析该结构参数对工作轨 迹的影响，找到一组能满足移栽轨迹要求的较优结构参数。 5）以优化后的结构参数作为初始参数，对移栽机构进行整体设计。利用 VB6.0 导出齿轮的点，在 CAD2008、CAXA2011 中绘出二维图，导入到 UG7.0 中进行建模生成三维图，再进行整体的装配。为了减小机构的冲击振动，对机 构添加了缓冲装置，并与未加缓冲装置的轨迹进行比较。对该移栽机构设计出 3 套消除齿隙装置，提高了机构取苗的成功率。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 17 1.5 本章小结本章小结 1）阐述了水稻钵苗移栽机构的研究目的与意义； 2）介绍了水稻钵苗移栽机构国内外发展概况； 3）确定了椭圆不完全非圆齿轮行星轮系的水稻钵苗移栽方案； 4）介绍了本文的工作安排。 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 18 图图 2.1 椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵 苗移栽机构传动简图苗移栽机构传动简图 第二章第二章 旋转式水稻钵苗移栽机构的运动学分析旋转式水稻钵苗移栽机构的运动学分析 2.1 旋转式水稻钵苗移栽机构的工作原理旋转式水稻钵苗移栽机构的工作原理 椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构由两部分组成驱动 部分和移栽臂，如图 2.1 所示为移栽机构的传动简图。驱动部分是一个非匀速 间歇传动行星轮系机构，该机构由 4 个全等的椭圆齿轮（1、2、4、5）、1 个 不完全非圆齿轮（3）、1 个凸锁住弧（8）和 2 个凹锁住弧（7、9）组成，其 中不完全非圆齿轮 3 与凸锁住弧 8 固接，中间椭圆齿轮 2 与凹锁止弧 9 固接， 中间椭圆齿轮 4 与凹锁止弧 7 固接。不完全非圆齿轮的旋转中心为 O，2 个中 间椭圆齿轮（2、4）的旋转中心分别为 M1和 M2，2 个行星椭圆齿轮（1、5） 的旋转中心分别为 O1、O2。驱动部分工作时，不完全非圆齿轮 3（即太阳轮） 固定不动，行星架 6 顺时针绕 O 点转动， 中间椭圆齿轮 4（以一侧齿轮结构为例） 随行星架 6 一起运动，绕 M2点旋转与不 完全非圆齿轮 3 啮合，实现非匀速传动， 行星椭圆齿轮 5（简称行星轮）与中间椭 圆齿轮 4 啮合，实现非匀速传动。中间椭 圆齿轮 4 转到不完全非圆齿轮 3 的无齿部 分时，则由固接在不完全非圆齿轮 3 上的 凸锁住弧 8 与固接在中间椭圆齿轮 4 上的 凹锁住弧 7 配合，锁止弧配合期间中间椭 圆齿轮 4、行星椭圆齿轮 5 相对齿轮盒 （即行星架 6）静止，实现机构的间歇传 动。 行星轴的一端伸出齿轮盒外，通过固定销与一对移栽臂（10、11）固结，移栽 臂随行星轮一起作非匀速间歇转动。移栽臂的结构简图如图 2.2 所示，凸轮 1 固定在齿轮盒上，移栽臂内弹簧座 4、推秧杆 5、推秧爪 7 固接。通过凸轮 1 的 推程曲线带动拨叉 2 向上摆动，拨叉 2 推动弹簧座压紧弹簧 3，推秧杆带动推 秧爪上移收紧一对弹簧片 6，弹簧片闭合实现取秧；到达推秧点时，凸轮 1 与 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 19 1.凸轮 2.拨叉 3.弹簧 4.弹簧座 5.推秧杆 6. 弹簧片 7.推秧爪 图图 2.2 移栽臂工作原理图移栽臂工作原理图 拨叉 2 脱离，弹簧 3 推动弹簧座 4 带动推秧杆 5 下移，推秧爪 7 松开弹簧片 6 实现推秧。移栽臂弹簧片尖点 H 在机构做间歇运动时形成轨迹 FAB，做非匀速 运动形成 BCDEF 段工作轨迹。 从图2.1的机构初始安装位置开始，当行星架转过不同的角度时，形成不同 的工作段轨迹：DE段为秧爪夹取钵苗的运动轨 迹，EFAB段为秧爪持苗轨迹，到达B点推秧， BCDE段轨迹为回程阶段，即秧爪在释放钵苗后 保持张开的状态，准备下一次取苗；以上三段 轨迹组成水稻钵苗移栽所要求的整个取苗与推 秧工作轨迹。 2.2 运动学分析符号及相关说明运动学分析符号及相关说明 表表 2.1 运动学分析符号说明运动学分析符号说明 符号 意 义 备 注 符号 意 义备 注 a 椭圆齿轮长半轴 已知常量 1 R 不完全非圆齿轮旋转中心到啮O 合点的距离J 变量 b 椭圆齿轮短半轴 已知常量 2 R 中间椭圆齿轮旋转中心到啮合 1 M 点的距离J 变量 c 椭圆齿轮半焦距 已知常量 2 R 中间椭圆齿轮旋转中心到啮合点 1 M 的距离P 变量 k 椭圆齿轮短长轴之比 已知常量 3 R 行星椭圆齿轮旋转中心到啮合点 1 O 的距离P 变量 行星架与的夹 11 M O 1 M O 角 已知常量 1 某一时刻行星架转过的角位移( )0 1 已知变量 0 行星架(即齿轮盒)的初始 角位移（） 0 0 已知常量 行星椭圆齿轮中心和秧爪尖点 1 OH 之间的连线与行星椭圆长轴间的HO1 夹角 已知常量 不完全非圆齿轮有齿部分 节曲线所对应的圆心角 已知变量 2 中间轮相对行星架角位移() 2 0 变量 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 20 S 行星椭圆齿轮旋转 中心 O1到秧针尖点的H 距离 已知常量 3 行星椭圆齿轮相对行星架角位移( ) 3 0 变量 1）为了方便下面运动学的分析，将机构涉及到的相关变量和常量列于表 2.122. 2）本文椭圆不完全非圆齿轮运动学分析的相关规则说明 坐标方向的设定：采用右手坐标系。在三角函数计算过程中，根据右手坐 标系建立各三角函数之间关系以及判断各运动参数的矢量方向。 角位移的设定：角位移规定以轴为起始边，逆时针方向为正，顺时针为x 负。 2.3 椭圆齿轮不完全非圆齿轮传动特性分析椭圆齿轮不完全非圆齿轮传动特性分析 2.3.1 椭圆齿轮不完全非圆齿轮节曲线模型建立椭圆齿轮不完全非圆齿轮节曲线模型建立 椭圆齿轮与不完全非圆齿轮啮合实现的非匀速间歇传动是移栽机构轨迹形 成的关键组成部分23-27。图 2.3 为椭圆齿轮与不完全非圆齿轮啮合关系图，其 中椭圆齿轮 1 与凹锁住弧 2 固接在一起，不完全非圆齿轮 4 与凸锁住弧 3 固接， 假定不完全非圆齿轮 4 固定不动，椭圆齿轮 1 围绕不完全非圆齿轮 4 顺时针旋 转实现啮合传动，J 为椭圆齿轮 1 与不完全非圆齿轮 4 的啮合点。不完全非圆 齿轮 4 的节圆半径为 R1，椭圆齿轮 1 的节圆半径为 R2，凸锁住弧 3 的半径为 Rt、圆心角为2-.不完全非圆齿轮 4 有齿部分的节圆曲线对应的圆心角为. (a)初始位置 （b）行星架顺时针转角=2- （c）行星架顺时针转角2- 1.椭圆齿轮 2.凹锁住弧 3.凸锁住弧 4.不完全非圆齿轮 图图 2.3 椭圆齿轮与不完全非圆齿轮节曲线啮合椭圆齿轮与不完全非圆齿轮节曲线啮合 从图 2.3（a）的初始位置开始，椭圆齿轮开始运动，当椭圆齿轮 1 围绕不 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 21 完全非圆齿轮 4 顺时针转过的的角度小于等于2-时（图 2.3（b）为等于2- 时的状态） ，椭圆齿轮 1 相对行星架 5 转过的角度.当行星架 5 顺时针转 0 2 0 过的角度大于 2-时（如图 2.2（c） ） ，椭圆齿轮 1 相对行星架 5 开始转动。 设椭圆齿轮 1 与不完全非圆齿轮 4 的啮合点 J 到椭圆齿轮 1 旋转中心 M1 的距离为，可得出如下公式： 22 ()R 2 22 2 () cos b R ac 2(1) 式中的变化范围为从0到-2. 2 由椭圆齿轮 1 与不完全非圆齿轮 4 啮合关系可知，当行星架 5 转过时， 1 d 椭圆齿轮 1 相对行星架 5 转过，即可得出如下关系式： 2 d 2(2) 222111 )()(dRdR)( )( )( )( 2 1 22 1 1 d R R d LRR)()( 2211 2(3)()( 2211 RLR 式中 不完全非圆齿轮与椭圆齿轮的中心距L 变化范围为从到 1 ）（22 把式(3)代入式(2)中，可得： 2(4)( )( )( )( 2 22 22 1 d RL R d 2 0 2 22 22 1 )( )( )( 2 d RL R 由椭圆齿轮与不完全非圆齿轮的啮合关系可知，椭圆齿轮 1 的节圆曲线弧 长与不完全非圆齿轮 4 有齿部分的节圆曲线弧长相等，椭圆齿轮 1 相对行星架 5 顺时针转过角度时，不完全非圆齿轮 4 相对行星架逆时针转过，即：2 2 0 2 22 22 )( )( )( d RL R 2 0 2 2 2 2 2 )( cos cos d ca b L ca b 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 22 利用数值积分分可求出 L， 求解的程序框图如图 2.4 所示21： Read a; ; b ，1/360dfai0.002ep For l= 2a to 2.5a step 0.0002 Ts=0 For = 0 to 360 step 0.5 1 */180 ， 2 1 2 1 cos b t lalcb 2 2 2 1 cos(0.5) b t lalcb 1212 ()/ 2ttt 112212 ()*1/ 4()*1/ 4 ss ttttdfaittdfai N | s tep Y Ll 图图 2.4 L 求解的程序框图求解的程序框图 把式(1)代入式(4)中： 2 cos 1 2 cos 1 2 cos cos 2 2 0 2 2 22 2 0 2 2 2 2 2 0 1 2 2 2 d BA d b Lc b bLa d ca b L ca b 2) 2 tanarctan( 2 2 BA BA BA BA BA 式中 ， 2 2 b bLa A 2 b Lc B 利用反三角函数可求得： 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 23 2(5) )2)2( )2 2 tan(arctan2 )2(0(0 1 1 1 2 之间变化在 ）（ 之间变化在 BA BABA BA BA 把式（5）代入式（3）中，可求得关于的表达式：)( 11 R 1 )2 2 tan(arctan2 )()( 12 2211 （ BA BABA BA BA RL RLR 式中从变化到. 1 )2(2 如图 2.2（a）的椭圆齿轮 1 与不完全非圆齿轮 4 的初始位置，利用几何关 系方程，可求出凹锁住弧 2 所对的圆心角为