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单行蔬菜钵体苗自动移栽机取苗装置的设计【带PROE三维】【24张图纸】【全套图纸】【优秀】

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关键词：: 单行蔬菜钵体苗自动移栽机取苗装置设计 proe 三维图纸全套

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单行蔬菜钵体苗自动移栽机取苗装置的设计

52页 21000字数+说明书+任务书+开题报告+24张CAD图纸+PROE三维图

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Abstract6

第1章绪论9

1.1前言9

1.2国内外蔬菜钵苗取苗机构的发展概述11

1.2.1我国蔬菜钵苗移栽机械化发展概况11

1.2.2我国蔬菜钵苗移栽机存在的问题12

1.2.3我国蔬菜钵苗移栽机存在问题解决途径分析12

1.2.4国外蔬菜钵苗自动移栽机的发展和研究成果13

1.2.5蔬菜钵苗移栽机发展方向14

1.3国内取苗机构存在的主要问题和发展方向15

1.3.1国内取苗机构发展存在的主要问题15

1.3.2国内蔬菜取苗机构的发展方向15

1.4本文的研究目标16

1.5本文的主要工作及内容安排17

1.6本章小结17

第2章蔬菜钵苗取苗机构的运动学分析18

2.1取苗爪工作要求的实现18

2.2蔬菜钵苗取苗机械手的机构组成与工作原理19

2.3 椭圆齿轮传动的运动分析21

2.3.1 椭圆齿轮的啮合特性及优点21

2.3.2 椭圆齿轮的角位移、角速度和传动比分析22

2.4蔬菜钵苗取苗机械手运动学模型的建立24

2.4.1运动学分析符合的说明24

2.4.2蔬菜钵苗取苗机械手位移分析25

2.4.3机械手上各点位移方程和各构件角位移方程26

2.4.4 机构上各点的速度方程和各构件角速度方程28

2.4.5 机械手上各点的加度方程和各构件角加速度方程29

2.5本章小结31

第3章蔬菜钵体苗自动移栽机取苗机构的参数优化32

3.1优化目标与变量32

3.2辅助分析优化软件32

3.2.1人机交互简介33

3.2.2本课题人机交互软件介绍34

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35

3.2.5取苗爪尖点的速度分析36

3.3本章小结38

第4章蔬菜钵苗自动移栽机取苗机构的结构设计38

4.1蔬菜钵体自动移栽机取苗机构的整体结构设计38

4.2取苗臂机构设计40

4.3 CAD软件介绍41

4.3.1 CAD二维取苗机构零件图41

4.4 Proe软件介绍43

4.4.1 三维Proe取苗机构零件图44

4.5总装配图45

4.6 本章小结46

第5章总结与展望47

5.1 总结47

5.2 进一步的展望48

致谢49

参考文献50

附录52

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。

　　　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。

　　　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

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。

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单行蔬菜钵体苗自动移栽机取苗装置的设计.jpg

内容简介：: 浙江理工大学本科毕业设计（论文）任务书李宇通（机械制造及其自动化/09级4班： B09300414 ）课题名称单行蔬菜钵体苗自动移栽机的设计取苗装置设计主要任务与目标现代的中国是一个经济飞速发展的中国，是一个农业大国，更是一个工业大国，我国也有越来越多的重视农业与工业的结合，将工业机械用于农业，以减轻人力操作，增加作业效率，蔬菜移栽机也更多的在进行开发并投入使用价值，对于这方面的研究也更加有意义。所以，我们结合所学，应用三维仿真软件，初步设计出移栽机的取苗机构，为以后的进一步研究做基础。主要内容与基本要求1、查找国内外相关文献资料，了解西方发达国家和我国蔬菜移栽机方面的区别、合理之处机器弊端 2、收集整理其他国家对于移栽机的分类及其成果 3、整理数据资料落实写作。4、通过对文献的研究和分析，具体描述我国农业机械尤其是自动移栽机的发展和展望。5、通过上述分析，设计蔬菜自动移栽机。要求： 1文献综述报告(不少于3000字)一篇2开题报告一篇3毕业论文一篇（不少于10000字）4实习日记、实习报告3000字以上主要参考资料及文献阅读任务1 我国蔬菜育苗移栽机械化的现状与发展方向，/2007/3-5/94922.htm2 陈殿奎.蔬菜机械化育苗的现状与展望J农业工程学报，1990,(12)：20253 G. V. Prasanna Kumar ； H. RahemanInternational Journal of Vegetable Science,Vol.14，No.3，232-2554 Konosuke TSUGA. Development of fully automatic vegetable transplanter.JARQ 34, 2128 (2000)5 王君玲，高玉芝，李成华.蔬菜移栽生产机械化现状与发展方向.农机化研究,2004(02)：22286 张波屏.现代种植机械工程M北京：机械工业出版社，19977 封俊论我国早地栽植机械的开发前景与方向J中国农机化,2000,(4)：12138 俞高红，陈志威，赵匀，孙良，叶秉良椭圆一不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究DoI：10390l，JME2012130329 毛君, 毕长飞.基于Pro/Engineer 采煤机的三维动态仿真与优化设计J.煤矿机械，2006，27(6) : 990-994.外文翻译任务（见外文翻译）计划进度：起止时间内容2013.01.072013.01.12调研、信息汇总，文献查阅分析2013.01.132013.01.30外文翻译、文献综述、开题报告，并熟悉理论力学、机械原理等相关知识2013.01.31 2013.03.01提交开题报告、文献综述及外文翻译2013.03.022013.03.08开题答辩2013.03.092013.03.16蔬菜移栽机整体方案设计2013.03.172013.03.30取苗机构设计及零部件设计2013.03.312013.04.11三维CAD建模、装配2013.04.122013.04.24三维运动学分析仿真2013.04.252013.05.02结构改进设计及毕业论文撰写2013.05.032013.05.10完成并提交毕业论文2013.05.112013.05.24整理材料准备答辩2013.05.252013.05.29论文答辩实习地点指导教师签名年月日系意见系主任签名：年月日学院盖章主管院长签名：年月日浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班级09机械4班姓名李宇通课题名称单行蔬菜钵体苗自动移栽机的设计取苗装置设计开题报告目录1 选题的背景与意义1.1 国内外研究现状和发展趋势1.2 蔬菜移栽机研究意义2 研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1 基本内容2.2 拟解决的主要问题3 研究方案、可行性分析及预期研究成果3.1 研究思路方案3.2 可行性分析3.3 预期研究成果4 研究工作计划参考文献（开题报告全文附后）成绩：答辩意见（从选题、任务工作量、质量预期、可行性等几个方面）答辩组长签名：年月日系主任审核意见签名：年月日单行水稻钵体苗自动移栽机的设计取苗装置设计李宇通(机械设计制造及其自动化09级(4)班 B09300414)1 选题的背景与意义据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49.61。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。1.1 国内外研究现状和发展概述1.1.1自动移栽机研究现状在发达国家移栽机发展起步较早，早在20世纪30年代，国外就出现手工喂苗的移栽机具，在一定程度上减轻了人工移栽的劳动强度。上世纪50年代开始，欧洲国家研制出不同结构形式的半自动移栽机和制钵机。到了上世纪70年代和80年代，半自动移栽机在欧美、前苏联等农业较发达的国家和地区得到广泛应用。到90年代，研究人员对从育苗带栽植整个系统进行了研究，使育苗盒栽植有机地结合，研制出多种全自动移栽机。目前，国外的自动移栽技术已经走向成熟阶段，而我国目前正处於起步阶段，以半自动为主3。1.1.2 自动移栽机的构造插秧机的工作过程，因结构不同而各有差异，但基本流程大致相同。其“群体逐次分格取秧直接栽插”原理为：秧苗以群体状态整齐放入秧箱，随秧箱作横向移动，使取秧器逐次分格取走一定数量的秧苗，在插秧轨迹控制机构作用下，按农艺要求将秧苗插入泥土中，取秧器再按一定轨迹回至秧箱取秧。各种插秧机栽插部分的组成基本相同：人力插秧机由秧箱、分插秧机构、机架和浮体(船板)等组成，自走式机动插秧机还设有动力驱动、行走装置、送秧机构等部分4。1.1.3蔬菜自动移栽极研究趋势为了克服漏插、漂秧和钩伤秧等缺陷,今后将通过对送秧、分秧、插秧等工作机构的改进与创新，继续提高插秧质量和对各种秧苗的适应性，同时要研制适用于每穴一株杂交水稻秧苗的新型插秧机；研究提高工作装置的自动化程度，如实现自动装秧及故障自动停机等的途径；进一步完善包括育秧在内的水稻全套种植机械化体系，提高非插秧季节水稻插秧机的综合利用程度。1.2 蔬菜移栽机研究意义目前，我国生产的自动移栽机，大都属于半自动化机器，秧苗仍需要人工供给，不仅劳动强度打，而且作业质量难以保证。因此，要实现移栽的自动化，必须要解决秧苗的供给问题。本课题是对蔬菜钵体自动移栽取苗装置的设计研究。2 研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1 基本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括：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3）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。4）建立取苗机构的三维实体模型，对其进行虚拟装配。2.2 拟解决的主要问题移植是蔬菜生产过程中的重要环节之一，移植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，国内正在应用的移植机械多为半自动移植机，半自动移植机靠手工送苗，效率低。本课题的立意旨在减轻劳动力，加快栽植劳动速度，获取更大经济利益。3 研究思路方案、可行性分析及预期成果本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法，在国内外移栽机的基础上，通过三维建模组装，并对其进行初步的运动学分析。3.1 研究思路方案3.1.1 目前已有的移栽机取苗机构原理分析取苗机构需要模拟人手从钵苗盘中把钵苗取出，然后在某个位置释放，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，要求有一段尖嘴形的取苗轨迹，而且这段尖嘴形的取苗轨迹要有一定的长度，同时取苗爪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平直。在取苗机构的取苗阶段，取苗爪进入钵苗盘前取苗爪完全张开，当到钵苗盘底部时，取苗爪完全夹紧钵苗，然后钵苗随着取苗爪一起往钵苗盘外运动，实现取苗。同时要求取苗机构有持苗和推苗阶段，持苗即取苗爪夹持钵苗运动；推苗阶段，即取苗爪完全张开，推苗爪向下推苗，钵苗落入植苗器中，实现了推苗。另外还要求取苗爪的有回程阶段，此阶段要求取苗爪在推完苗后一直保持张开状态，直到下一次取苗开始。旋转式行星轮系取苗机构，如图所示，该机构包括传动和取苗臂两部分，其传动部分由一个行星架（9）、一个不完全非圆齿轮（5），四个全等的椭圆齿轮（1、2、6、8）以及凸锁止弧（4）和凹锁止弧（3、7）组成，不完全非圆齿轮的几何中心为， 4个椭圆齿轮的旋转中心分别为、。该取苗机构工作时（以一侧齿轮结构为例进行介绍），不完全非圆齿轮5（简称太阳轮）固定不动，中间椭圆齿轮2（简称中间轮）在行星架9的带动下与太阳轮5啮合，实现非匀速齿轮传动，另外，行星椭圆齿轮1（简称行星轮）与中间椭圆轮2啮合，也实现非匀速连续传动，从而使得行星轮1相对行星架9作非匀速转动，使得针尖形成段工作轨迹，如图2.4所示。当中间轮2转到太阳轮5的无齿部分时，太阳轮5和中间轮2脱离啮合，此时固接在太阳轮5上的凸锁止弧4与固接在中间轮2上的凹锁止弧3配合，锁止中间齿轮2，防止中间轮2相对行星架9转动，此时行星轮1和行星架9一起绕点做匀速转动，针尖P形成段圆弧轨迹。行星轮1的绝对运动为行星架9绕中心的匀速圆周转动和行星轮1相对行星架9的非匀速间歇转动的合成运动。通过行星轮轴与行星轮1固接的取苗爪11，一方面随着行星架9作匀速圆周运动，另一方面随着行星轮相对行星架作非匀速间歇转动。在这两种运动的共同作用下，取苗爪针尖按要求的姿态运动，通过确定合适的结构参数，形成蔬菜钵苗取苗的工作轨迹。（a）取苗机构初始位置（b） (b)行星架转过角后取苗机构位置1、8行星椭圆齿轮 2、6中间椭圆齿轮 3、7凹锁止弧 4凸锁止弧5不完全非圆齿轮 9行星架 10、11取苗臂 12钵苗盘图3.1蔬菜钵苗取苗机构简图从图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：段轨迹，即取苗爪进入钵苗盘的轨迹，其中在取苗爪到达点时，取苗爪完全夹紧钵苗；然后钵苗随着取苗爪一起从钵盘内往外运动，形成段取苗轨迹。段轨迹为取苗爪持苗轨迹；段轨迹为推苗轨迹，即在取苗爪到达点之前时，在推苗爪的作用下，取苗爪张开，钵苗落入相对应的植苗器中，段轨迹为回程阶段，即取苗爪在释放钵苗后保持张开的状态，准备下一次取苗；以上5段轨迹组成蔬菜钵苗取苗所要求的整个取苗与推苗工作轨迹5-8。在完整的取苗过程中，包括取苗、推苗、复位三个过程，在满足取苗轨迹的情况下，尚需一个能实现集取苗与推苗为一体的末端执行器，要求取苗末端执行器在取苗位置时取苗爪能够夹紧钵苗并能将钵苗从钵苗盘中取出；在推苗位置时要求取苗爪张开，实现实现向下推出钵苗，使得钵苗落入相应的植苗器中；在复位过程中，要求推苗爪在推完苗后要继续保持推苗时的位置，使得左右取苗针继续保持张开，以便下一次的顺利取苗，这需要在该机构中加一个锁止弧装置即可。而该取苗机构中必需有能实现夹紧钵苗与推出钵苗的装置，本文考虑用取苗臂部件实现该功能，如图所示，机构的上取苗臂12和下取苗臂18结构相同，均包括弹簧26、拨叉27、凸轮28、推苗杆29、左、右取苗针30、24、取苗臂壳体31、“V”形推苗爪32和弹簧座33；凸轮28固接在齿轮箱7的外侧上，弹簧座33与推苗杆29固接，弹簧26套在在推苗杆29中，拨叉27安装在取苗臂壳体31的轴上，拨叉27的一端压在弹簧座33中，拨叉27的另一端能与凸轮28相接触；推苗时，凸轮28拨动拨叉27转动，弹簧26在拨叉27的作用下被弹簧座33压缩，同时拨叉27也推动与弹簧座33固接的推苗杆29向下运动，弹簧座33带动与推苗杆29固接的“V”形推苗爪32一起向下运动，使得左、右取苗针30、张开，实现落苗与推苗，同时为下一次取苗做准备；夹苗时，拨叉27和凸轮28脱离接触，弹簧26复位，复位过程中弹簧26推动弹簧座33向上运动，此时与弹簧座33固接的推苗杆29也向上运动，弹簧座33带动与推苗杆29固接的“V”形推苗爪32一起向上运动，使得左、右取苗针30、夹紧，实现夹苗。1、11行星轴 2、10行星椭圆齿轮 3、9中间轴 4、8中间椭圆齿轮 5中心轴 6不完全非圆齿轮7右箱体 15凸锁止弧 14、16凹锁止弧 12、18取苗臂 17机架 19链轮 23钵苗盘图3.2 椭圆-不完全非圆齿轮传动的蔬菜钵苗取苗机构装配图26弹簧 27拨叉 28凸轮 29推苗杆 30、左右取苗针 31壳体 32推苗爪 33弹簧座 34顶盖 35定位板 36密封塞 37取苗针轴 38拨叉轴图3.3 取苗臂结构图6弹簧 27拨叉 28凸轮 29推苗杆 30、左右取苗针 32推苗爪 33弹簧座图3.4 取苗臂机构简图3.1.2 基于Pro/ E设计平台的三维CAD设计目前,随着计算机辅助技术的不断发展,三维造型软件功能不断完善,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。Pro /Engineer是美国PTC公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维CAD 设计的产品,是和实物完全相同的数字产品,零部件之间的干涉一目了然,Pro/Engineer 软件能计算零部件之间的干涉和体积,把错误消灭在设计阶段9。运用Pro/ E三维设计平台,通过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程,所开发设计出来的三指三关节的欠驱动三指手,便于研究人员通过对界面特征工具的操作,生成欠驱动三指手实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果,并可有效地缩短研制周期,提高设计制造的成功率;也为后续的3D运动学仿真分析奠定了基础。ADAMS，是美国MDI公司开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。DAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。3.1.3 基于Pro/ E设计平台的运动学分析运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中（ADAMS）,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E或ADAMS环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。3.2 可行性分析1）通过大学四年的基础和专业课程的学习，已经掌握了较强的专业技能。2）通过前期的论文写作实践，已经积累了一定的论文写作经验。3）通过前一段时间的资料收集和查阅，已基本掌握了移栽机自动取苗装置的内容以及设计方法。4）学校图书馆的数据库可提供大量丰富的相关文献。5）在经验丰富的指导老师的帮助和指引下，有能力在规定的时间内完成规定的任务。3.3 预期研究成果完成自动移栽机取苗机构的设计，完成三维建模，保证设计能较好的满足设计要求。研究工作计划起止时间内容2013.01.072013.01.12调研、信息汇总，文献查阅分析2013.01.132013.01.30外文翻译、文献综述、开题报告，并熟悉理论力学、机械原理等相关知识2013.01.31 2013.03.01提交开题报告、文献综述及外文翻译2013.03.022013.03.08开题答辩2013.03.092013.03.16蔬菜移栽机整体方案设计2013.03.172013.03.30取苗机构设计及零部件设计2013.03.312013.04.11三维CAD建模、装配2013.04.122013.04.24三维运动学分析2013.04.252013.05.02结构改进设计及毕业论文撰写2013.05.032013.05.10完成并提交毕业论文2013.05.112013.05.24整理材料准备答辩2013.05.252013.05.29论文答辩参考文献1 我国蔬菜育苗移栽机械化的现状与发展方向，/2007/3-5/94922.htm2 陈殿奎.蔬菜机械化育苗的现状与展望J农业工程学报，1990,(12)：20253 G. V. Prasanna Kumar ； H. RahemanInternational Journal of Vegetable Science,Vol.14，No.3，232-2554 Konosuke TSUGA. Development of fully automatic vegetable transplanter.JARQ 34, 2128 (2000)5 王君玲，高玉芝，李成华.蔬菜移栽生产机械化现状与发展方向.农机化研究,2004(02)：22286 张波屏.现代种植机械工程M北京：机械工业出版社，19977 封俊论我国早地栽植机械的开发前景与方向J中国农机化,2000,(4)：12138 俞高红，陈志威，赵匀，孙良，叶秉良椭圆一不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究DoI：10390l，JME2012130329 毛君, 毕长飞.基于Pro/Engineer 采煤机的三维动态仿真与优化设计J.煤矿机械，2006，27(6) : 990-994.浙江理工大学本科毕业设计本科毕业设计（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）：年月日目录Abstract6第1章绪论91.1前言91.2国内外蔬菜钵苗取苗机构的发展概述111.2.1我国蔬菜钵苗移栽机械化发展概况111.2.2我国蔬菜钵苗移栽机存在的问题121.2.3我国蔬菜钵苗移栽机存在问题解决途径分析121.2.4国外蔬菜钵苗自动移栽机的发展和研究成果131.2.5蔬菜钵苗移栽机发展方向141.3国内取苗机构存在的主要问题和发展方向151.3.1国内取苗机构发展存在的主要问题151.3.2国内蔬菜取苗机构的发展方向151.4本文的研究目标161.5本文的主要工作及内容安排171.6本章小结17第2章蔬菜钵苗取苗机构的运动学分析182.1取苗爪工作要求的实现182.2蔬菜钵苗取苗机械手的机构组成与工作原理192.3 椭圆齿轮传动的运动分析212.3.1 椭圆齿轮的啮合特性及优点212.3.2 椭圆齿轮的角位移、角速度和传动比分析222.4蔬菜钵苗取苗机械手运动学模型的建立242.4.1运动学分析符合的说明242.4.2蔬菜钵苗取苗机械手位移分析252.4.3机械手上各点位移方程和各构件角位移方程262.4.4 机构上各点的速度方程和各构件角速度方程282.4.5 机械手上各点的加度方程和各构件角加速度方程292.5本章小结31第3章蔬菜钵体苗自动移栽机取苗机构的参数优化323.1优化目标与变量323.2辅助分析优化软件323.2.1人机交互简介333.2.2本课题人机交互软件介绍343.2.3椭圆齿轮参数计算353.2.4取苗机构参数优化步骤353.2.5取苗爪尖点的速度分析363.3本章小结38第4章蔬菜钵苗自动移栽机取苗机构的结构设计384.1蔬菜钵体自动移栽机取苗机构的整体结构设计384.2取苗臂机构设计404.3 CAD软件介绍414.3.1 CAD二维取苗机构零件图414.4 Proe软件介绍434.4.1 三维Proe取苗机构零件图444.5总装配图454.6 本章小结46第5章总结与展望475.1 总结475.2 进一步的展望48致谢49参考文献50附录52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。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 AbstractTransplanting 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 present, 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 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.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 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49.61。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3040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。 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6070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。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BKHuan9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。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。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6070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。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。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。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如图2.1所示，在链轮箱18内固接在传动轴16上的主动链轮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。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。a) 初始位置 b）某时刻的位置图2.3 椭圆齿轮节曲线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）。设为两轴心O1O2距离，为椭圆齿轮上的另一焦点，P0为起始位置的啮合点，则有：，所以。由椭圆的性质可知，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，。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，所以。因此O1Pi和O2Pi共线，为任意啮合点。即啮合点位置处于的连线上，所以两齿轮在任意位置啮合时，既不会分离也不会切入，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 椭圆齿轮啮合初始位置图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（以中心线为始边，沿着逆时针方向转动），从动轮2转过角（中心线为始边，沿着顺时针方向转动），这时两椭圆瞬心线在、接触（重合）。经推导得： (在0之间变化) (2-1)式(2.1)中为椭圆的短长轴之比，；c为椭圆半焦矩，。 (在0之间变化) (2-2)由椭圆齿轮的传动特性得： (2-3)故有： (2-4)即： (2-5)由式(2.5)可确定从动轮角位移与主动轮角位移之间的关系。传动比为： (2-6)因此，椭圆齿轮2的角速度为： (2-7)当时，即两轮在图2.2位置啮合时，值最大：当时，即两轮在、置啮合时，值最小：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）。输入a、 b、 For to 360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椭圆的长半轴已知常量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，短半轴为，为太阳轮转动中心，也是行星架转动中心，为齿轮（中间轮）转动中心。和分别为椭圆齿轮和的焦点，和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。设长轴作为行星架转动初始边，与x轴角度为（初始安装角），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。以为行星架的始边，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：，此时，P为椭圆齿轮和的啮合点。以为行星架的始边，行星架相对轮长轴转过，则有：，当在0之间时，在0之间；当在之间时，在之间。可根据或0确定的唯一角。，以为行星架的始边，行星架相对轮长轴转过，则有：，当在0之间时，在0之间；当在之间时，在之间。同样可根据或0确定的唯一角。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，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，另一边相差180）：令：太阳轮和中间轮啮合点P： (2-8)行星轮与中间轮啮合点Q： (2-9)中间轮轴心A： (2-10)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)行星轮轴心B：（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： (2-12)令：中间轮质心： (2-13)令：取苗臂质心C(包含与其固结的行星轮轴和行星轮)： (2-14)令：取苗片尖D点的相对运动方程为： (2-15)取苗片尖D点的绝对运动方程为： (2-16)令：拨叉旋转中心E： (2-17)其中：， 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： (2-18)行星轮与中间轮啮合点Q： (2-19)中间轮轴心A： (2-20)行星轮轴心B： (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： (2-22)令：中间轮质心： (2-23)令：取苗臂质心C(包含与其固结的行星轮轴和行星轮)： (2-24)取苗片尖D点的相对运动速度： (2-25)取苗片尖D点的绝对运动速度： (2-26)拨叉旋转中心E： (2-27)下面计算行星架相对中间轮的角速度，由反转法可得：，由于椭圆齿轮固定，所以,则： (2-28)式(2.28)中：同理，计算行星架相对行星轮的角速度，由反转法可得：则： (2-29)式(2.29)中：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：(2-30)行星轮与中间轮啮合点Q： (2-31)中间轮轴心A： (2-32)行星轮轴心B： (2-33)中间轮质心： (2-34)取苗臂质心C(包含与其固结的行星轮轴和行星轮)： (2-35)取苗片尖D点的相对运动加速度： (2-36)拨叉旋转中心E： (2-37)中间轮的角加速度由(2.28)对时间求导得：其中， (2-38)行星轮的角加速度由(2.29)对时间求导得: (2-39)其中，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。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：HumanComputer Interaction或HumanMachine 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和偏心距、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。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、椭圆短长轴之比、齿轮模数等参数,点击Calculate按钮，可以求得计算结果有：椭圆齿轮模数、齿数、椭圆齿轮长半轴、椭圆齿轮短半轴、椭圆齿轮半焦距及椭圆齿轮节曲线长度等参数（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和，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：=21.942mm、=0.9916、=270、=152、=-151、=0、=154mm。其运动轨迹如图3.10所示。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的速度分析,如图3.11所示为取苗爪针尖点的速度变化曲线（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。（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（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。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26弹簧 27拨叉 28凸轮 29推苗杆 30、左右取苗针 32推苗爪 33弹簧座图4.2 取苗臂机构简图取苗臂工作原理机构简图如图4.2所示。凸轮28绕逆时针转动，拨叉27可绕（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、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、右取苗针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使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。4.3.1 CAD二维取苗机构零件图图4.3 左箱体图4.4 凸轮图4.5 行星轴图4.6 行星轮图4.7 拔叉4.4 Proe软件介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0creo2.0等等都是指软件的版本。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。4.4.1 三维Proe取苗机构零件图图4.8 取苗臂壳体图4.9 推苗爪图4.10 凸轮图4.11 右箱体4.5总装配图图4.12 二维CAD总装配图4.13 三维Proe总装配4.6 本章小结本章主要对于取苗机构的节后装配进行了设计，主要有非圆齿轮连接设计、取苗爪装配方案设计，之后根据前几章参数、机构分析

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