（机械设计及理论专业论文）基于反求的工程原理求解旋转式分插机构的研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 我国研究部门和厂家在应用国外先进的插秧机构方面，只是单纯的测绘和仿制，由于 旋转式插秧机构是采用非圆齿轮系传动，它的瞬时传动比影响到插秧机构秧针的运动轨 迹，所以，采用一般的机械测量方法很难使得测绘出来的插秧机构非圆齿轮参数满足插秧 轨迹的农艺要求；另外，单纯的测绘没有办法对测绘出来的非圆齿轮系结构参数进行优化。 为此，本文提出了“基于反求工程原理求解非圆齿轮系旋转式插秧机构的方法 。该方法 是通过测绘旋转式分插机构中非圆齿轮的齿顶圆数据，使用m a t l a b 软件提供的内插法 函数将测绘得到的齿顶圆离散点拟合成一条光滑曲线作为齿顶圆，再根据齿顶圆与节曲线 的函数关系确定被测非圆齿轮的节曲线数据，应用m a t i ，a b 软件中曲线拟合工具箱对节 曲线数据进行平滑处理，剔除奇异点，建立节曲线的函数表达式，利用黄金分割法优化齿 轮的中心距。同时，研究出人机交互图形软件对设计的非圆齿轮行星轮系分插机构的秧针 运动轨迹进行动态仿真，模拟实际插秧过程，检查基于测绘和设计得到的非圆齿轮的节曲 线形状和分插机构是否满足插秧的农艺和机构运动不干涉的要求，并提出了适合旋转式分 插机构的傅立叶和圆与椭圆两种较优的非圆齿轮节曲线，设计了傅立叶和z 形傅立叶、圆 与椭圆节曲线三种非圆齿轮系分插机构，并进行了运动学分析和结构参数优化。 利用m a l r i 。a b 动态直观的显示计算结果功能，开发了非圆齿轮齿廓的设计软件，可 根据非圆齿轮的节曲线分析模块检查非圆齿轮是否根切或有设计缺陷，分析非圆齿轮节曲 线的曲率变化并自动计算齿廓。 对圆与椭圆节曲线非圆齿轮系分插机构进行了样机制造，田间试验证明，本文提出的 研究方法正确，满足机械插秧的设计要求。 关键词：水稻插秧机；非圆齿轮；分插机构；动态仿真；优化 浙江理工大学硕士学位论文 b a s e do nr e v e r s ee n 画n e e r i n gp n n c i p i e ss t u d yo nn o n - c j r c u l a rg e a 聃r o t a r y i r a n s p i a n t i n gm e c h a n i s m a b s t r a c t c h i n a s e m e q 炳s e sa i l d r e s e a r c hd 印矧吼e 鹏s t u d y0 nm ea d v a n c e d t 1 锄s p l a n t i n g m e c h a n i s mb ys i i i l p l em 印p i n ga 1 1 dc o p y n l er o t a r y 咖n s p l a n t i n gn l e c h a i l i s mb yn o n - c i r c u l a r g e a r s 仃a n s m i s s i o n d r i v er a t i oa 恐c tt i l et r 面e 咖巧o fs e e d i n gn e e d l e s os i n l p l em a p p i n gc a l ln o t m e e tm et r a n s p l a n tr i c es e e d i n gr e q u i r e i n e n t sa n dc a i ln o to p t i m i z a t i o nt on o n c i r c u l a rg e a r s p a r 觚l e t e r s i i lo r d c rt 0 s o l v et h i s p r o b l e m ，a u t h o rp r o p o s e d b a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g p r i n c i p l e ss t u d yo nn o n c i r c u l a rg e a r sr o t a 巧仃a n s p l a n t i n gm e c l l a m i s m t h o u 曲m a pn o n - c 讹u l a r a d d e n d 啪c i r c l ed a t a ，t l l ed a t ei sf l t t e das m o o t l lc l l r v e b yi i l t e r p l a t i o n i nm a t l a b s o f h v a 柑a c c o r d i n gt 0r e i a t i o no fa d d e n d 啪c i r c l ea 1 1 dp i t c hc u r v eg e tm en o n c 讹u l a rp i t c h c u r v ed a t a 7 n l e ns m o o t l lt h ep i t c hc l l ed a t ab yc u ef i t t i n gt o o li nm a t l a bs 0 脚a r d ，r e m o v e t l l ee r r o ro f p o i n t ，e s t a b l i s ht h ec u i v e sr m c t i o ne x p r e s s i o n o p t i m i z a t i o nt h eg e a rc e n t e rd i s 锄c e b yg o l d e ns e c t i o nm e m o d b v e nm o r e ，d e s i g nas o f h a 帕o ns i m u l a t i o nt h e 旬啊e c t o 巧o fs e e d i n g n e e d l ei nn o n c i r c u l a rg e a r st r a n s p l a n t i o nm e c h a n i s m t e s tt h o u g hm a p p i n ga n dd e s i g n e dt h e i l o i l c i r c u l a r p i t c h c u r v ea n dt r a n s p l a l l t i n gm e c h a n i s mw h e t h e rm e e t t r a i l s p l a n t i n g r i c e r e q u i r e m e n t a tt 1 1 es a m et i m e ，m e e tn oi n t e r f e r e n c er e q u i r e m e n t t h i sa n i c l ep r o p o s e df o l l r i e r 劬c t i o nc u n ，ea n dr o 吼d - o v a lc u r v e ，d e s i g n e df o 嘶e rc u r v en o n - c i r c u l a rg e a r s 忱蚰s p l 锄i n g m e c h a l l i s m ，z 够p ef o u r i e rc u r v en o n c i r c u l a rg e a r s 呦s p l a n t i n gm e c h a n i s ma 1 1 dr o u n d o v a l 铡【r v en o n - c i r c u l a r g e a r sm m s p l a n t i n gm e c h a l l i s m t h et l l r e ea g e n c i e sm e e t 仉m s p l a n t i n g r e q u i r e m e n t k i n e m a t i c sa n a l y s i sa n do p t i 血z a t i o np a r a j l l e t e r st ot h ea g e n c i e s i no r d e rt os o v l et h eg e a rm a n u f a c t u r ep r o b l e m ，d e s i g e dm en o n c i r c u l a rg e a r s h a p e s o m 张r do nr o 吼d o v a lp i t c hc u r v e a c c o r d i n gt ot 1 1 i ss o m v a r da n a l y s i sw h e t h e rt l l en o n - c i r c u l a r h a v el l i l d e r c 碱i n ga 1 1 do t h e rd e f e c t t h o u g ht l l i ss o r w a r dc a na u t o - g e n e r a tc a d m 印 m a l l u f a c t u r et h er o u n d - 0 v a lp i n c hc u r v en o n - c i r c u l a rg e a r st 瑚s p l a n t i n gm e c h 锄i s m 锄d m a d et h et 咖1 s p l a i l tr i c et e s t t b ea g e n c yh a v eag o o de f t0 nt r a n s p l a n tr i c e s ot e s tt h i sm e t h o d i sc o r r e c t l y k e y w o r d s ：i u c e仃a n s p l a n t c r ； n o n c i r c u l a r g e a r ；t r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s m ；d y n a m i c s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n i i 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 近些年来，随着农业生产发展的需要和国家对农机购置补贴资金规模的不断加大，农 民对农业机械化的热情空前高涨。目前，我国水稻种植面积约为4 6 亿亩，而能够实现机 械化种植的面积还非常小。在水稻种植过程中大部分农民仍旧选择手工作业方式，这样不 仅大大增加了劳动强度，而且耗费了大量人力资源。未来几年，我国水稻种植方式将向着 高性能插秧机械、抛秧机械、直播机械三大类型并存的方向发展，预计高性能插秧机将是 我国水稻种植机械发展的主要方向。在我国水稻种植机械化发展方面，应该进一步研制性 能优良，工作可靠的新型插秧作业机具，使水稻插秧种植机具向着轻型化、小型化、高速 化的方向发展。 随着计算机技术的迅猛发展，极大的提升了设计者对新产品的开发设计能力。利用 c a d 技术，设计者可以把正在构思的新产品、新机构，以虚拟样机的形式来表达；可以对 设计的原理、结构和特性进行动态的仿真试验，而无需制造物理样机；利用c a d 技术可 使整个设计、生产、制造的效率大大提高。 目前，我国农机行业就其技术力量和辅助设备而言，与欧美、日本等国的c a d 应用 水平还有较大的差距，要消除差距，我们必须采用新方法、新思路。利用c a d 技术和虚 拟仿真技术进行动态仿真模拟，可以使设计人员在虚拟的工作条件下真实地模拟机械系统 的实际工作情况，尽可能的把问题解决在设计阶段。同时，利用虚拟样机技术快速分析多 种设计方案，优化其结构参数，对样机试验具有极强的指导性。根据该优化方案进行物理 样机的研制和试验，可以最大程度地避免物理样机试验的盲目性、不确定性，缩短农业机 械的设计周期，尤其是在整机制造前，对核心机构的工作部件和系统进行计算机辅助分析 与研究，以寻求农机设计的最佳参数，具有十分重要的意义。本文在高速水稻插秧机的核 心工作部件一非圆齿轮行星轮系分插机构理论分析的基础上，利用计算机辅助设计、虚拟 制造和仿真技术，按照反求设计一定性分析一数学建模一动态仿真一参数优化一实体建模 一加工物理样机一田间试验一产业化的思路，力图对农业机械设计新方法的研究和应用做 出成功的探索。 1 1 课题研究的意义和目的 日本从7 0 年代就开始了高速插秧机的研究和应用，我国是9 0 年代初才开始引进日本 的高速水稻插秧机。我国一些农机研究部门和企业一直想在日本先进的高速插秧机技术的 基础上，研发出适应我国南北地区插秧农艺要求的旋转式分插机构与高速插秧机配套，但 浙江理工大学硕士学位论文 是，由于该技术难以掌握，这些研究部门和企业只是单纯的测绘和仿制。单纯的测绘往往 不能达到满意的插秧效果。由于旋转式插秧机构的传动是采用非圆齿轮系，非圆齿轮系的 瞬时传动比影响到插秧机构秧针的运动轨迹，所以，采用一般的机械测量方法，存在测量 和原齿轮系的制造误差，使得测绘出来的分插机构非圆齿轮参数很难满足秧针插秧轨迹的 要求；另外，由于非圆齿轮系的机构复杂，单纯的测绘是没有办法对测绘出来的非圆齿轮 系结构参数进行修改和调整，难以适应我国不同地区对插秧的基本要求。针对我国企业对 旋转式分插机构集成创新难的问题，本文提出了“基于反求工程原理求解非圆齿轮系旋转 式插秧机构的研究 。 本文的研究为我国研究国外先进非圆齿轮系插秧机构，吸取先进的设计和制造方法的 经验，以及为高速插秧机研发的集成创新奠定了基础，使得我国高速水稻插秧机的制造从 单纯的测绘仿制，走向了消化吸收，再创新的道路。 本文提出的方法可以用于各类非圆齿轮系传动机构的研究和制造，为非圆齿轮系的研 发提供了一个良好的软件平台。 1 2 反求工程的介绍 反求工程，又称为反求设计，是对某些可寻求到的信息成分消化，吸收之后进行改进、 挖潜和再创造，再设计的过程。随着经济全球化的发展，反求工程运用的越来越普遍，对 于一些经济欠发达的国家，反求设计思维为他们提供了一条捷径。因此研究反求工程技术 对国民经济的发展和科技水平的提高都具有重大的意义。 同时，反求工程作为一门高新的技术，仍不可避免地具有一些不足之处。反求技术是 通过测绘产品，而后实现产品再次开发。通常用来测量的设备都有误差，所以测量出的数 据点也会有误差，其次重建模型的过程可能产生误差，再次就是在产品加工过程以及人为 因素产生的误差。在整个过程中，尽量减少人为的误差，通过再设计的过程，才能达到令 人满意的效果。 1 3 国内外水稻插秧机的应用概况 水稻机械的生产国家主要是美国、欧洲、日本、韩国等先进国家和中国。美国、欧洲 生产大型水稻机械，日本主要针对机械插秧生产各类高性能的插秧机、半喂入收割机等， 韩国以引进日本的技术为主，发展水稻机械。我国的高性能插秧机和半喂入收割机主要是 引进日本和韩国的机器。 目前，日本、韩国实现水稻插秧机械化作业面积接近1 0 0 ，而我国的水稻插秧机作 业面积还不到两成，因此高速水稻插秧机在国内具有巨大的市场空间。国内的高速插秧机 2 浙江理工大学硕士学位论文 主要引进日本和韩国的技术，日本水稻插秧机的技术水平走在世界的前列，但高速水稻插 秧机核心技术在研发方面一直对我国进行专利保护，例如关于旋转式分插机构方面的专利 就有5 项。日本于上世纪8 0 年代进行了核心部件一分插机构的结构创新，提出了应用于 高速水稻插秧机上的旋转式分插机构，并于8 0 年代末期投入市场。日本的旋转式分插机 构大致分为两种类型，其一是偏心齿轮行星系分插机构，其二是椭圆齿轮行星系分插机构。 高速插秧机自从上世纪9 0 年代初从日本进入中国市场以来，已经被国内专家们确认为我 国水稻插秧机未来的发展方向。 近些年来随着国家政策的强力导向和财政的大力支持，中国的农机企业发展迅猛。特 别是自2 0 0 5 年以来，随着我国企业生产水平和高校研发能力的提高，越来越多的国内企 业开始涉足插秧机生产领域。如南通富来威、中机南方，洛阳一拖和延吉插秧机厂等中国 老牌的农机生产企业，国产插秧机占据了越来越多的市场份额。中国企业是推动我国农业 现代化进程最重要的力量。 近些年，高速水稻插秧机在我国有了很大的发展，但是，绝大多数都是日本和韩国的 产品，为了更好的提升国产水稻插秧机的性能和开发出高性能的高速水稻插秧机，“十一 五”国家科技攻关项目将“水稻插秧机研制及配套技术的研究 作为农业机械化的关键技 术之一。 1 4 行星轮系旋转式分插机构的研究现状 高速水稻插秧机是我国目前农业机械中最难研制的机械之一，其分插机构又是插秧机 的核心部件，它性能的好坏，直接影响到作业的质量和效率。从日本进口的插秧机，不仅 价格昂贵，而且日本是以种植单季稻研制的插秧机，而用在我国双季稻地区，在种植密度 和取秧株数方面就显得不太适应，例如出现大苗“搭桥”、“伤苗”等现象。鉴于这种情况， 迫切需要根据我国不同地区的水稻种植模式研制出适合国内插秧农艺要求的高速水稻插 秧机。1 9 8 6 年，日本研制了带有旋转式分插机构的y a m a ri 汰6 0 型插秧机。它能够旋转一 周插秧2 次，具有插秧质量好、效率高的优点。我国从九十年代才开始研究高速水稻插秧 机，近些年旋转式分插机构的研究方向主要集中在保证插秧质量的前提下实现高速化和轻 型化的目标。目前市场上主要的旋转式分插机构有偏心链轮式分插机构【l 】、椭圆齿轮行星 系分插机构、正齿行星轮系分插机构、偏心齿轮行星系分插机构、椭圆差速分插机构【4 】等。 1 4 1 偏心齿轮行星系分插机构 偏心齿轮行星系分插机构【2 】如图1 1 所示，其传动机构部分由9 个半径相等的偏心齿 轮组成，太阳轮固定不动，其余齿轮对称布置，栽植臂固定在行星轮上，行星架与太阳轮 浙江理工大学硕士学位论文 共轴。工作时，行星架匀速转动，中间轮绕 太阳轮转动，带动行星轮在周期内摆动，栽 植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相 对于行星轮轴的摆动，构成了可满足插秧要 求的特殊轨迹。偏心齿轮行星系分插机构齿 轮啮合过程中，存在较大齿隙，齿隙变化会 引起振动，需增加防振装置。中国学者对该 机构进行了研究和改进，降低了由于齿隙变 化对整台机器振动带来的负面影响。 1 4 2 正齿行星轮系分插机构 正齿行星轮系分插机构1 3 j 如图1 2 所 示，它由正圆齿轮和椭圆齿轮组成。通过键、 行星轮轴与行星圆齿轮固结一对栽植臂，一 方面随着行星架作圆周运动，另一方面随着 行星圆齿轮相对行星架作非匀速转动，在这 两种运动的复合下，秧针按要求的姿态( 角 位移和轨迹) 运动，通过选择合适的结构参 数，就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、 取秧角和插秧角。 1 4 3 椭圆齿轮行星系分插机构 椭圆齿轮行星系分插机构口 7 1 如图1 3 所示。它的传动部分是由5 个全等的椭圆齿 轮、行星架和2 个栽植臂组成。太阳轮与机 架固定，在起始位置，各齿轮的长轴在一条 直线上，当行星架恒速转动时，中间齿轮绕 卜推秧凸轮2 一拨叉3 一推秧弹簧4 一载植臂5 推秧 杆6 一秧爪7 一行星架8 一行星轮9 一惰轮l o 一太阳轮 图1 1 偏心齿轮行星系分插机构 卜中心椭圆齿轮2 、3 一中问椭圆齿轮 4 、5 一中间圆齿轮6 、7 一行星圆齿轮 图1 2 正齿行星轮系分插机构 图1 3 椭圆齿轮行星系分插机构 太阳轮转动，带动行星轮在周期内转动，行星轮与栽植臂同轴，栽植臂上各点作复合运动， 行星轮轴围绕太阳轮转动和随行星轮作相对运动，于是构成了特殊的运动轨迹。 1 4 4 非圆齿轮行星轮系分插机构 非圆齿轮行星轮系分插机构8 1 如图2 1 所示，其工作原理与传动特性将在下一章巾详 细介绍。 4 浙江理工大学硕士学位论文 1 5 非圆齿轮的研究现状及其特点 非圆齿轮在二十世纪初就已经出现。直到4 0 年代，非圆齿轮技术才有所应用。由于 当时加工技术的限制，生产的非圆齿轮精度不高，使用效果并不理想，限制了非圆齿轮的 广泛应用。随着技术的进步，机械加工技术水平的提高，自上世纪8 0 年代以来，各国掀 起了研究非圆齿轮的热潮。各国学者从非圆齿轮的传动关系等方面进行了更加深入的研 究，并开发了相应的加工软件。我国对非圆齿轮的研究直到1 9 8 1 年李福生老师等人编著 的非圆齿轮与特种齿传动设计问世，才标志着我国在非圆齿轮啮合理论方面迈上了一 个新台阶。随着计算机技术的迅猛发展，我国学者对非圆齿轮进行了深入地研究，并取得 了突出的成绩。直到1 9 9 6 年，吴序堂、王贵海老师编著的非圆齿轮及非匀速比传动 出版，又标志着我国在非圆齿轮传动理论及其应用方面迈进了一步。 非圆齿轮是圆齿轮的一种变型，其滚动节圆为非圆形状，即为节曲线。非圆齿轮的运 动特征是实现两轴间的非匀速运动。它可以实现特殊的运动，还可以实现函数运算。在许 多情况下，使用非圆齿轮机构传动可以大大简化机构，使其简单有效。它可以精确地实现 运动关系，并且具有高精度的特点。理论上能够精确地实现各种任意要求的变速比传动。 如果生产实际中所需速比变化规律很复杂，一对非圆齿轮无法实现所需传动比时，则可通 过组合成为定轴轮系或行星轮系来完成。 节曲线封闭的非圆齿轮可以单向连续地转动，获得周期性的变速比运动。因此非圆齿 轮机构比其他机构传动更可靠。比如，凸轮机构必须有力封闭或几何封闭，使得机构工作 中产生动平衡，从而影响整机的性能，而非圆齿轮机构则没有此类问题。由于齿轮副的结 构紧凑，刚性好，传动比较平稳，效率高，能保证精确地传动比，其传递的功率与适用速 度的范围大，基于以上优势，齿轮传动机构已经适用于各种机械传动中。 1 6 水稻机械化种植的优势 近几年来，随着国家强农惠农政策的不断出台，各级政府十分重视水稻机械化技术的 推广应用。水稻机械化育插秧技术存在明显的优势，已经被确定为我国未来水稻种植机械 化的发展方向。存在的优势主要体现在以下几点： 1 ) 机械化育秧具有密度大，坏苗率低，效率高等优点，节约耕地，成本较低。与传 统的人工育秧相比大约每亩节约4 0 元左右。 2 ) 机械化育秧一台育秧机一天可作业1 0 0 多亩，大大高于人工育秧面积。 3 ) 机械化插秧作业效率高，一台高速插秧机每天的作业面积是每人每天作业量的6 0 多倍。 5 浙江理工大学硕士学位论文 4 ) 机械化插秧在节约成本上效果明显。与人工插秧费用相比，远远低于目前雇佣工 人的劳务费用。 5 ) 水稻机械插秧具有明显的增产优势和抗倒伏能力，由于采用标准化育秧，机械化 插秧作业，秧苗群体质量易于调控且适应性广，有效穗多，根系发达，机械化插秧比手工 插秧平均每亩增产9 1 。 水稻全程机械化作业从根本上解放了劳动力，改变了农民传统的耕作方式，满足了农 民对农业机械的需求，促进了农村劳动力的转移，确保了农业增产、农民增收，推进了新 农村建设。 1 7 我国水稻插秧机未来的发展趋势 我国目前的水稻插秧机主要分为三类，即高速插秧机、手扶式插秧机和独轮乘坐式插 秧机，手扶式插秧机在农村的拥有量最大。由于后两种插秧机的工作效率低，操作劳动强 度大，随着农村劳动力的老龄化和劳动力的减少，高速插秧机将成为我国插秧机发展的主 流。以日本为代表的先进插秧机的发展如下： 1 ) 复合式作业方式。在插秧机的后部安装有施肥除草设备，插秧的同时也可以施肥。 将除草、施肥、插秧复合式作业，可以大幅度节省人力、物力资源。 2 ) 免耕插秧。近几年，日本己经在中国市场推广免耕插秧机，并且效果良好。但对 于我国来说，这项技术并不成熟。 3 ) 提高作业耕种效率。根据地质、土壤环境的不同，可以采取同时耕同时插秧、全 面浅耕与部分同时插秧、浅耕不耙地插秧、干田插秧技术等工作方式。 4 ) 特殊形式的插秧机。如锯齿形密植插秧机、四方形排列插秧机、单株苗插秧机、 折叠式插秧机、无人驾驶插秧机等新式机型。 一 我国目前还处于插秧机发展的初期阶段，与国外的水稻种植机械的先进技术仍有很大 距离。只有消化吸收国外技术，同时要重视原始性创新，才能制造出适应我国农村环境和 农艺要求的插秧机。近些年日本水稻插秧机向着降低生产成本，节省劳动力及功能多样化 的方向开展研究，特别是免耕操作技术值得我们学习借鉴。 1 8 课题研究内容 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 研究水稻插秧机械、行星轮系旋转式分插机构和非圆齿轮理论及技术的应用和发 展，提出本课题研究的目的和意义。 2 ) 开展非圆齿轮行星轮系旋转式分插机构运动学分析研究，分析非圆齿轮节曲线形 6 浙江理工大学硕士学位论文 状与齿轮系传动比的关系，研究齿轮系传动比的变化对秧针运动轨迹及插秧效果的影响。 3 ) 针对非圆齿轮节曲线难以精确测绘，以及齿廓形状与节曲线曲率变化有关等特点， 根据齿顶圆与节曲线的函数关系，研究通过测绘非圆齿轮齿顶圆数据，通过插值法获得非 圆齿轮节曲线的方法。该方法具有操作简便，易于实现，并研究出实用的测绘方法和相应 的计算机分析软件程序。 4 ) 以国外引进的先进非圆齿轮系旋转式分插机构为研究对象( 日本井关农机公司) ， 利用本文提出的非圆齿轮测绘方法，通过曲线拟合，提出了傅立叶节曲线非圆齿轮系分插 机构和z 字形傅立叶节曲线非圆齿轮系分插机构，研究和编写出相应的计算机分析和优化 软件分别对非圆齿轮节曲线和齿轮系中心距进行了平滑处理和优化分析，并对两种分插机 构进行秧针的运动轨迹动态仿真研究。以人机对话的方式，对非圆齿轮的节曲线和分插机 构参数进行了优化，满足了秧针运动轨迹的农艺要求。 5 ) 在对国外引进的先进非圆齿轮系旋转式分插机构( 日本井关农机公司) 研究的基 础上，以分段拟合的方法，提出了圆与椭圆节曲线非圆齿轮系分插机构。该机构具有非圆 齿轮节曲线简单，易于加工的特点。针对该曲线编写了辅助分析优化软件，并分析了各参 数对秧针运动轨迹的影响。 6 ) 非圆齿轮齿廓设计计算复杂，手工作业很难完成。针对圆与椭圆节曲线非圆齿轮 系分插机构，编写了圆与椭圆节曲线非圆齿轮齿廓的计算机分析和加工程序，解决了该类 型非圆齿轮齿廓设计和加工难的问题，为企业的产业化生产提供了条件。 7 ) 为了解决我国插秧机生产企业对高性能旋转式分插机构的需求，与中机南方机械 股份公司合作，研制了圆与椭圆节曲线非圆齿轮系分插机构样机，并通过田间试验验证本 文所提出的理论设计方法的正确性。 1 9 本章小结 1 ) 阐述了课题研究的意义和目的，综述了国内外水稻插秧机的技术发展和应用，分 析了各种旋转式分插机构的工作原理和传动特性。 2 ) 分析了非圆齿轮的工作原理和技术发展，为深入研究非圆齿轮系旋转式分插机构 的工作原理和结构优化打下了基础。 3 ) 研究了水稻机械化种植的特点，以及我国未来水稻种植机械的发展趋势。介绍了 本课题的研究内容。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第二章非圆齿轮行星轮系分插机构的运动学分析 本文采用从国外引进的某型高速水稻插秧机上使用的非圆齿轮行星轮系分插机构做 为研究对象，结构简图如2 1 所示。该分插机构传动紧凑，稳定性较好，具有很大的市场 前景。为了掌握该分插机构的运动特性，本章将阐述该分插机构的工作原理和结构特点， 并对其进行运动学分析。建立的运动学模型，将在第3 7 章节和第5 3 章节中得到应用。 2 1 非圆齿轮行星轮系分插机构的工作原理 卜太阳轮2 、5 一第1 中问轮( 前中问轮) 3 、6 一第2 中间轮( 后中间轮) 4 、7 一行星轮8 一机架9 一行星架1 0 一栽植臂1 l 一秩针 图2 1 非圆齿轮行星轮系分插机构示意图 如图2 1 所示，非圆齿轮行星轮系分插机构由7 个非圆齿轮和2 套栽植臂组成，参与 带动每套栽植部件工作齿轮为4 个。中间太阳轮与回转箱同轴，两边对称分布。中间轮2 、 3 同轴固连。2 个栽植臂分别与2 个行星轮固连，它一方面随着行星架作圆周运动，另一 方面随着行星轮作转动，从而形成秧针要求的运动轨迹和姿态。工作时，太阳轮1 固定不 动，行星架在中心轴的带动下转动。非圆齿轮相互啮合引起传动比的变化，从而带动行星 轮转动，形成秧针的运动轨迹。该分插机构能够实现无侧隙传动，且传动平稳。 2 2 非圆齿轮行星轮系分插机构运动学模型的建立 2 2 1 角位移分析 非圆齿轮行星轮系分插机构的初始位置，如图2 1 所示。d 为行星架转动中心，么是 齿轮2 、3 的旋转中心，b 是齿轮4 的旋转中心，4 是齿轮5 、6 的旋转中心，蜀是齿轮7 的旋转中心。非圆齿轮1 与机架固连，工作时处于静止。假设图2 1 中e b 图示位置为行 星架转动初始边，与水平夹角为，行星架转角为仍，设定相对初始边逆时针转动为 8 浙江理工大学硕士学位论文 正，反之为负。 在分析齿轮l 与齿轮2 的啮合点尸的位置时，以图示位置作为行星架骂b 的初始 边，用极坐标表示啮合点p 的位置，非圆齿轮节曲线方程： = ，( 仍) 2 一( 1 ) 吃= 一 2 一( 2 ) 仍2r 却 2 一c 3 。， 在分析主动齿轮3 与从动齿轮4 的啮合点q 的位置时，假设齿轮3 固定不动，行星架 相对齿轮3 转动，以洲图示位置为行星架魍的始边，行星架相对倒逆时针转过伤。 吩= r ( 伤) 2 一( 4 ) t 2 ，2 一吩 2 一( 5 ) 纸5r 寺伤 2 一( 6 ) 式中：，i 、吒一分别是极径卯、尸q 的长度；仍一齿轮2 角位移；一齿轮1 和齿轮2 优 化后的中心距；吩、，：i 一分别是极径么q 、d b 的长度；红一齿轮4 角位移；乞一齿轮3 和 齿轮4 优化后的中心距 2 2 2 位移分析 行星轮旋转中心点坐标( 见图2 1 ) 2 jc ? 警? ，c o 孓置 2 一( 7 ) = s i n ( ) + 如s m ( ) 。 秧针尖d 围绕行星轮4 中心口旋转的相对运动轨迹方程 秧针尖d 相对插秧机机架的定轨迹( 即相对运动轨迹) 兰三乏兰麓；：i 麓j 2 川， ) ，d = 】哂ls l n ( 一2 ) + j ，d lc o s 【一2 ) 9 一 蜘 + + 五五 + 万 万 一 一 + 嘲酏 l | | l l 嘞 浙江理工大学硕士学位论文 秧针尖d 动轨迹( 即绝对运动轨迹) x 2 z d 十乃 y 2 y d 2 2 3 速度分析 秧针尖d 点速度 0 = b c o s ( 一五) + 勃l 以s i l l ( 一五) 一l s i l l ( ) + l 正c o s ( 一五) = 南l s i n ( 一五) + 勃l 石c o s ( 一五) 一蜘l c o s ( 一五) + l 五s i n ( 石) 2 一( 1 0 ) 2 一( 1 1 ) 式中：勃l 、，一秧针尖d 围绕b 旋转的相对运动轨迹x 、】，方向坐标；杨、一秧针 尖d 点在插秧机静止时的轨迹x 、l ，方向坐标；x 、y 一秧针尖d 点在插秧机运动时的轨 迹x 、】，方向坐标；一栽植臂初始安装角，即齿轮l 中心d 和齿轮4 中心b 的连线与秧 针尖d 和齿轮4 中心b 的连线之间的夹角；一分插机构初始安装角，即齿轮5 与齿轮2 的转动中心连线4 彳与水平面的夹角；工一伽( 图2 1 ) 的长度；船一秧苗之间的距离( 株 距) 对插值点数的比值，插值点数由计算精度确定；石一相对行星轮的角位移；六一相对 行星架的角位移；b 。、一秧针尖d 点在插秧机静止时的轨迹x 、】，方向速度；，、。 一秧针尖d 围绕b 旋转的相对运动轨迹x 、】，方向速度；灰一相对行星架的角速度 2 3 传动比与节曲线形状的关系 非圆齿轮啮合过程中极半径的比值决定着齿轮传动比的变化，同时关系着齿轮角位移 的变化，在传动过程中形成非匀速比传动，如果要满足非匀速比传动的要求，关键是研究 非圆齿轮系传动机构中的非圆齿轮节曲线形状。以高速插秧机上的非圆齿轮行星轮系分插 机构为例，它是一个由非圆齿轮组成的齿轮系机构，通过非匀速比传动，形成了插秧要求 的“腰子形”轨迹。对该机构研究的关键是确定非圆齿轮节曲线的形状。下一章将介绍基 于m 枷，a b 捅值法求解非圆齿轮节曲线的方法。 2 4 本章小结 介绍了从国外引进的非圆齿轮行星轮系分插机构的工作原理和结构特点，进行了角位 移，位移和速度的分析，并建立了运动学模型。阐明了非圆齿轮系机构巾的非圆齿轮节曲 线形状与非匀速比传动的关系，指出了研究非圆齿轮节曲线形状是分析非圆齿轮系机构的 关键步骤。 l o 浙江理工大学硕士学位论文 第三章基于反求工程原理求解旋转式分插机构的研究 目前研究高速水稻插秧机旋转式分插机构的设计方法有直接设计和类比设计两种方 法。直接设计是先确定一种非圆齿轮节曲线的函数表达式，再通过非圆齿轮系确定的秧针 轨迹来设计非圆齿轮系的结构参数；类比设计方法是参照国际上先进的旋转式分插机构非 圆齿轮行星轮系的结构参数，设计新型旋转式分插机构。对于前者设计方法，主要是采用 人机对话的计算机设计，需要专业的分析设计软件才能完成。对于类比设计法，目前是测 绘已有的性能良好的旋转式分插机构的结构参数，加工出相应的零件，通过插秧机田间试 验，确定测绘零件参数的正确性。这种分插机构存在非圆齿轮行星系组成和参照机器零件 的加工误差，非圆齿轮的参数很难测绘准确，还要通过机器田间试验才能知道测绘零件参 数的正确性，给设计带来极大地不便。为此，本章提出了基于反求工程原理，求解旋转式 分插机构。 3 1 基于m a t l a b 插值法的非圆齿轮节曲线的求解 旋转式分插机构采用非圆齿轮系机构，该机构与圆柱齿轮机构不同，其节曲线的曲率 复杂并且多样化。由于存在测量和制造误差，采用一般的直接测绘方法，得不出准确的非 圆齿轮节曲线。将一般机械测绘方法与m a t l a b 内插法的原理相结合，可以精确地测绘 非圆齿轮的节曲线，并根据实际需要对非圆齿轮系的结构参数进行优化。 3 1 1m a t l a b 插值法的介绍 插值是指在所给定基准数据的情况下，研究如何平滑地估算出基准数据之间其他点的 函数数值。 在m a t l a b 中提供了多种插值函数，这些插值函数在获得数据的平滑度、时间复杂 度和空间复杂度方面有着完全不同的性能。其中包含一维插值、二维插值、样条插值、牛 顿插值、c h e b y s h e v 多项式插值等。一维插值又分为最邻近插值( n e a r e s t ) 、线性插值( 1 i n e a r ) 、 三次样条插值( s p l i n e ) 和三次多项式插值( c u b i c ) 等方法。 3 1 2 测绘非圆齿轮齿廓的参数 非圆齿轮传动机构是非匀速比传动，根据设计要求，可以进行不同组合，来满足传动 要求。设计非圆齿轮一般有两步：( 1 ) 确定非圆齿轮的节曲线；( 2 ) 确定非圆齿轮的其它 参数。最重要的就是非圆齿轮齿廓的设计，以保证齿轮副能正确地按要求传动。 非圆齿轮的齿廓按照一般的方法是很难一次测绘确定，要根据测绘的数据和经验通过 反复计算得到。通过测绘可以得到非圆齿轮的齿数、中心距、以及全齿高度办参数值。 浙江理工大学硕士学位论文 办= m ( 2 吃+ c ) 式中：m 一模数；吃一齿顶高系数；c 一径向间隙系数 3 一( 1 ) 测绘中齿轮的模数一般选取一个标准模数。以下是同家标准( g b l 3 5 7 7 8 ) 的齿轮模 数。 模数标准系列( 优先选川) 1 、1 2 5 、1 5 、2 、2 5 、3 、4 、5 、6 、8 、1 0 、1 2 、14 、16 、2 0 、 2 5 、3 2 、4 0 、5 0 模数标准系列( 可以选用) 1 7 5 ，2 2 5 ，2 7 5 ，3 5 ，4 5 ，5 5 ，7 ，9 ，1 4 ，1 8 ，2 2 ，2 8 ，3 6 ， 4 5 模数标准系列( 尽可能不用) 3 2 5 ，3 7 5 ，6 5 ，l l ，3 0 根据非圆齿轮的衡制式的不同，选择齿轮的齿顶高系数吃，径向间隙系数c ，如：对 于公制的非圆齿轮短齿制：吃+ = o 8 ，c + = 0 3 ；非圆齿轮正常齿制：吃+ = l ，c + = o 2 5 。选取吃， c ，m ，代入公式3 一( 1 ) 中，计算得到的j f z 值与实际测量 “的j f z i 值做比较。商到矗、向 相等或_ f 分接近，即可确定该非圆齿轮的参数。 非圆齿轮的齿形压力角用扫描仪确定，一般可在1 4 5 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 2 5 0 、2 5 。、2 8 。 中选择。 3 1 3 非圆齿轮齿顶曲线的求法 图3 1 行星轮 0ou 邕- kt 气0f 口“ 2 ( ) =l o 泣 0 主1o 2 0 图3 2 非圆齿轮齿顶点 测绘非圆齿轮齿顶曲线有许多方法，例如：描点法，三维坐标测量法，千分表径向测 量法以及扫描测量法等。本文采用易j ：操作、测试仪器简单的摘点法。以行星轮旋转巾心 为圆点建立坐标系，揣出衡顶各点的位置，得到齿顶点坐标。图3 1 是日本井关公司旋转 1 2 一蕊 一o x 一i 赢 浙江理工大学硕士学位论文 式分插机构的一个行星非圆齿轮，图3 2 是通过描点法测绘出的齿项圆数据，经过计算机 m 觚，a b 软件在图形窗口中显示出来的齿项圆测绘点的图形，测绘的齿顶点坐标值如表 3 1 所示。 表3 1 齿顶点坐标值 序号 1234567891 0 x m m2 7 32 5 52 1 81 69 733 91 0 1一1 5 7一1 9 4 勰l 071 2 21 6 81 9 52 0 51 9 91 7 51 2 85 4 序号 l l1 21 31 41 51 61 71 81 92 0 x m m一2 0 41 9 41 5 7一l o 13 939 71 62 1 82 5 5 y m m o一6 4一1 2 8一1 7 51 9 92 0 51 9 51 6 8一1 2 27 使用m a t l a b 软件提供的内插法函数，将图3 2 中得到的离散点连接成一条光滑曲线， 即非圆齿轮的齿项曲线。拟合齿顶点的节曲线数据中包含弧度p 与半径，之间的对应关系。 用邻近点插值法( n e a r e s t ) ，线性插值法( 1 i n e a r ) ，三次样条插值法( s p l i n e ) 和三次多项 式插值法( c u b i c ) 分别对图3 2 中的点进行插值运算。拟合后的曲线，如图3 3 所示。a 是在笛卡儿坐标系中拟合的曲线，横坐标表示以齿轮旋转中心旋转的弧度( r a d ) ，纵坐标 表示角度所对应的极半径( r ) ，根据图a 可以看出第1 ，2 条曲线平滑方面较差，数据并不 连续，影响精确度；第3 、4 条曲线平滑度好，精度较高。图b 是在极坐标系中拟合的曲 宕 叠 e 井 墨 鼯 船 2 7 萋篓 e2 4 髭2 3 器2 2 ” 2 1 2 0 a ) 笛卡儿坐标系 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 3 - 一 加yl 一 - l 4 b ) 极坐标系 卜邻近点插值法2 一线性插值法3 一三次样条插值法4 一三次多项式插值法 图3 3 非圆齿轮齿顶曲线 线。非圆齿轮齿顶曲线由图3 3 ( a ) 转化成3 3 ( b ) ，表达更加直观，形象。非圆齿轮节曲 线应选择一条平滑度好，精度较高的曲线。这样在加工齿廓的过程中，才能满足加工要求。 所以选择第3 ，4 条曲线中的任意一条即可。 3 1 4 非圆齿轮齿项曲线与节曲线的关系 3 1 4 1 数学模型9 1。 v 如图3 4 所示，q ，是一段齿轮节曲线，巳是一段 。 齿轮齿顶曲线。、分别在曲线q ，、巳上。是 过点的切线，f 是过点鸭的切线。d y 是插值点到 旋转中心的距离，d 伊是插值点对应的角度。设径矢 d 鸭到，的有向角为，o 鸭与d 的夹角为届3 ，建 立数学模型【9 】： 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 t a n 2 袭 d s i n 屈，：垒c o s 1 y 。= 厄万巧墨面 = m 3 + 式巾：一齿顶曲线与节曲线等距曲线之问在矢量方向上的距离 3 1 4 2 实例分析 3 一( 2 ) 3 一( 3 ) 3 一( 4 ) 3 一( 5 ) 3 一( 6 ) 1 一齿顶曲线2 一。仃曲线 图3 5 非圆齿轮齿项曲线与节曲线关系图图3 6 非圆齿轮节曲线数据 以图3 1 所示的行星非圆齿轮为例。测绘得到其行星轮的非圆齿轮的齿高办= 4 5 1 聊聊， 经反复计算后，选用正常齿制吃= l ，c = o 2 5 ，模数小= 2 ，将这些参数代入式3 一( 1 ) 中， 得到齿高向为4 5 聊朋。相比其它选用的数值，这组数值最接近实际值，所以选用这组参数。 根据式3 一( 2 ) 、3 一( 3 ) 、3 一( 4 ) 、3 一( 5 ) 、3 一( 6 ) 建立的数学模蚕! ，即得到非圆齿 轮齿顶曲线与节曲线关系图，如图3 5 所示。 曲线1 是根据表3 1 数据，心用m a l 、l a b 软件巾的捅值法得到的齿顶曲线，曲线2 l5 浙江理工大学硕士学位论文 是由图3 4 建立的数学模型得到的节曲线。节曲线的数据值是由角位移的精度确定的。本 文精度设置是1 。节曲线则是由3 6 0 个点首尾相连而成的，所以节曲线共有3 6 0 个坐标值。 节曲线数据如图3 6 所示。 3 1 5 非圆齿轮节曲线数学模型的建立 图3 7 未处理的节曲线数据图3 8 处理后节曲线数据 以上 二述及的节曲线数据可能存在测量误筹，所以应对其进行处理。首先，应用m a t l a b 软件中曲线拟合t 具箱对节曲线数据进行平滑处理，再选择若干条曲线逼近平滑处理后的 节曲线。并分别建立节曲线的函数表达式，根据数据信息选择最优的一条。具体操作过程 如下：在m a t l a b 软件命令行中，输入c r o o l ( 曲线拟合工具) ，即打开曲线拟合工具箱。 以上述