旋转式水稻钵苗移栽机构的设计【2013年最新整理毕业论文】

本科毕业设计（论文） 题 目： 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 学 院： 机械与自动控制学院 专业班级： 机械制造及其自动化（ 4）班 姓 名： 刘晓冕 学 号： B09300418 指导教师： 俞高红 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 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 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 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 ：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 trajectory of rice bowl seedling transplanting， invent the rice bowl seedling 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 4 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 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 6 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 目 录 摘 要 . 2 Abstract. 2 第一章 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 . 19 第二章 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 . 29 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 . 33 2.5.3 加速度分析 . 32 2.6 本章小结 . 32 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 . 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 8 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 . 37 3.4 本章小结 . 38 第四章 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 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 总结 . 48 6.1 总结 . 48 参考文献 . 49 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 第一章 绪论 1.1 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 10 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 4 8。 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 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 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） 11 步实现了机械化的水稻种植 9 12。 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 1.1 日本的水稻钵苗摆栽机 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 12 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 1.2 钵苗移栽机构 1.2.2 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） 13 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 1.4 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 1.3 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上面所 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 14 图 1.5 空间连杆移栽机构简图 图 1.6 七杆移栽机构及移栽轨迹 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 依次铰接组成，在栽植臂杆上设有夹秧 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 15 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 1.7 五 杆水稻钵苗移栽机 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 16 1.3 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 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 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 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 17 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，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 1.8 水稻钵苗移栽机构 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 18 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 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） 19 1.5 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 20 图 2.1 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 第二章 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 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。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 21 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 2.2 移栽臂工作原理图 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 表 2.1 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 1R 不完全非圆齿轮旋转中心 O 到啮合点 J 的距离 变量 b 椭圆齿轮短半轴 已知常量 2R 中间椭圆齿轮旋转中心 1M 到啮合点 J 的距离 变量 c 椭圆齿轮半焦距 已知常量 2R 中间椭圆齿轮旋转中心 1M 到啮合点 P的距离 变量 k 椭圆齿轮短长轴之比 已知常量 3R 行星椭圆齿轮旋转中心 1O 到啮合点 P的距离 变量 行星架11MO与1MO的夹角 已知常量 1 某一时刻行星架转过的角位移( 01 ) 已知变量 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 22 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1O和秧爪尖点 H 之间的连线 HO1与行星椭圆长轴间的夹角 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 S 行星椭圆齿轮旋转中心 O1 到 秧针 尖点 H 的距离 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 x 轴为起始边，逆时针方向为正， 顺时针为负。 2.3 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 . 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 23 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 02 0 .当行星架 5 顺时针转过的角度大于 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22()R ，可得出如下公式： 222 2() c o sbRac 2 (1) 式中 2 的变化范围为从 0到 -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 1d 时，椭圆齿轮 1 相对行星架 5 转过 2d ，即可得出如下关系式： 222111 )()( dRdR )()()()(212211 dRRd 2 (2) LRR )()( 2211 )()( 2211 RLR 2 (3) 式中 L 不完全非圆齿轮与椭圆齿轮的中心距 (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 2.3 椭圆齿轮与不完全非圆齿轮节曲线啮合 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 24 1变化范围为从 ）（ 2 到 2 把式 (3)代入式 (2)中，可得： )()( )()( 222221 dRL Rd 20 222 221 )()( )(2 dRL R 2 (4) 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 2 角度时，不完全非圆齿轮 4 相对行星架逆时针转过 ， 即： 20 222 22 )()( )( dRL R 20 22222)(c o sc o s dcabLcab 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 / 360dfai ， 0.002ep For l= 2a to 2.5a step 0.0002 Ts=0 For = 0 to 360 step 0.5 1 * / 180 21 21c o sbt l a l c b ， 22 21c o s ( 0 . 5 )bt l a l c b 12 1 2( ) / 2t t t 1 1 2 2 1 2( ) * 1 / 4 ( ) * 1 / 4sst t t t d f a i t t d f a i N |st ep Y Ll 图 2.4 L 求解的程序框图 把式 (1)代入式 (4)中： 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 25 2c o s1 2c o s1 2c o sc o s2202222202222201222dBAdbLcbbLadcabLcab 2)2t a na r c t a n (2 2 BA BABA BABA 式中 22b bLaA ，2bLcB 利用反三角函数可 求 得 ： )2)2()22t a n (a r c t a n 2)2(0(01112之间变化在）（之间变化在BABABABABA 2 (5) 把式（ 5）代入式（ 3）中，可求得 )( 11 R 关于 1 的表达式： ) ) 22t an (ar c t an 2 )()(122211（BABABABABARLRLR 式中 1 从 )2( 变化到 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： s i n ( 2 ) / 2 2 a r c t a nc o s ( 2 ) / 2 ttRlR 2 (6) 式中 tR凸锁止弧的半径 凹锁止弧的最长边 MO2 的长度 1L 为： 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 26 )2/s in (/2/)2s in (31 RL 2.3.2 传动比分析 如图 2.3 所示，不完全非圆齿轮 4 有齿部分为非圆节曲线，椭圆齿轮 1 为与不完全非圆齿轮 4 共轭的椭圆节曲线。不完全非圆齿轮 4 固定， 行星架 5 的角位移1，瞬时角速度为1；椭圆齿轮 1 为从动轮，相对行星架的转角为2，瞬时角速度为2。初始位置时，1 0，2 0 。 J 为主动轮不完全非圆齿轮 4 与从动轮椭圆齿轮 1 的啮合点。 设 两齿轮传动的传动比为 12Hi ，由传动规律可知： )()(/112221212112 RRdddtd dtdwwi H 2222222222212c o s1 c o s c o sc o sakkLLakbLcLabcabLcabiH 由初始位置开始，不完全非圆齿轮 4与椭圆齿轮 1的传动比可表示为： )2)2(c o s1)2(0( 012222112 之间变化在之间变化在akkLLaki H 当 02 及 22 时，传动比达到最小值： 222m in12 1 akkLLaki H 当 2 时，传动比达到最大值： 22m a x12 akLaki H 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 27 (b) a 对 Hi12的影响 (a) L 对 Hi12的影响 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 28 由 Hi12的表达式 可知， Hi12是关于 2 以 2 为周期的周期函数。影响Hi12 的参数为 L ， a 和 k ，下面分别改变其中一个参数，分析其对 Hi12 的影响。 1） 分析 L 对 Hi12的影响 取 23a ， 994.0k ， 2 的变化范围为从 0 到 2 ，如图 2.5（ a）所示。当 35L 时， 传动比比较大，非匀速传动比较明显，随着 L 的增加，传动比整体减小，且随 2 的周期变化变得平缓。 2） 分析 a 对 Hi12的影响 取 50L ， 994.0k ， 2 的变化范围为从 0 到 2 ，如图 2.5（ b）所示 。当 15a 时， 传动比比较小，随着 a 的增加，传动比整体增大，且随 2 的变化的传动比的周期变化变得陡峭，非匀速传动明显。 3） 分析 k 对 Hi12的影响 取 50L ， 23a ， 2 的变化范围为从 0 到 2 ，如图 2.5（ c）所示 。 当75.0k 时， (c) k 对 Hi12的影响 图 2.5 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 29 传动比比较大， 周期变化比较陡峭，非匀速传动明显， 随着 k 的增加，传动比整体减小，且随2的变化的传动比的周期变化变得平缓，当 1k 时，传动比成了一条直线，变成了两个圆柱齿轮的匀速传动。 2.4 椭圆齿轮传动特性分析 在椭圆不完全非圆齿轮机构的传动过程中，椭圆齿轮之间的非匀速啮合传动是形成移栽轨迹的关键所在，因此， 引用了 椭圆 齿轮间的啮合特性 28-29。 2.4.1 椭圆齿轮节曲线模型建立 如图 2.6 所示， 齿轮 1 与齿轮 2 是 一对 参数完全一致的椭圆齿轮，分别以本身的焦点为中心相互啮合转动。椭圆齿轮 1 与椭圆齿轮 2 的转动中心分别为节圆的焦点 1O 、 1M ，即 1O 、 1M 均为椭圆齿轮轴心。在如图 2.6（ a）初始位置时， 椭圆齿轮 2 和椭圆齿轮 1 长轴在同一直线上， 椭圆齿轮 2 的半径 )( 22 R 达到最大值，同时，椭圆齿轮 1 的半径 )(33 R为最小值。 椭圆齿轮 2 与椭圆齿轮 1 的啮合点 P 到中间轮 椭圆齿轮 2 转动中心 M1 的距离： )c os ()( 2222 cabR ( 2 在 20 之间变化 ) 2 (7) 32 2R R a 22 23222 2 c o s ( )2c o s ( )a b a cR a Rac 2 (8) （ a) 起始位置 （ b) 转过一定角度后 图 2.6 椭圆齿轮啮合特性分析 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 30 用极坐标方程表示 R3，则有： 3 231 1 c o s ( )bkRk ( 3 在 20 之间变化 ) 2 (9) 2.4.2 传动比分析 以水平线11OM为始边，椭圆齿轮 2（主动轮）以角速度2顺时针绕 1O 转动，带动椭圆齿轮 1（从动轮）以角速度3逆时针绕1M转动实现非匀速传动。如图 2.6（ b）所示，当主动椭圆齿轮 2 转过角度 2 时，则从动椭圆齿轮 1 转过的角度为 3 。令两齿轮的传动比为23i，由齿轮传动的知识可推导出： )()(/223332323223 R Rdddtd dtdwwi 把式（ 7）、式（ 8）代入上式中，可得： )c o s ()c o s (2222223cabcabai 2222 c o s22b baca 2222 co s122kkk 如图 2.7 所示， 2 的变化范围为从 0 到 2 。 当 9.0k 时， 传动比比较大，周期变化 比较陡峭，非匀速传动明显， 随着 k 的增加，传动比整体减小，且随 2的变化的传动比的周期变化变得平缓，当 1k 时，传动比成了一条直线，变成了 全等 两个圆柱齿轮的匀速传动。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 31 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 2.5.1 位移方程 本论文的椭圆齿轮 不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构是对称结构 ， 其工作过程包括四个阶段：取秧、持秧、推秧、回程。现以一侧为例进行运动学模型的建立，如图 2.8 所示 ， 该侧机构包括 1 个不完全非圆齿轮、 2 个全等的椭圆齿 轮、 1 个凸锁住弧、 1 个凹锁住弧以及 1 个移栽臂，以不完全非圆齿轮 3 的中心为坐标原点 O，建立坐标 XOY.移栽机构的已知常量为 a 、 b 、 c 、 k 、 、 S 、 0 、 、 、 1 ；已知变量 为 行星架角位移为 1 . 图 2.7 k 对传动比的影响图 (a）初始安装 位置 (b) 行星架转过 1.不完全非圆齿轮 2.中间椭圆齿轮 3.行星椭圆齿轮 4.凸锁住弧 5.凹锁住弧 6.行星架 7.移栽臂 图 2.8 椭圆齿轮 -不完全非圆齿轮行星轮系运动示意图 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 32 如图 2.8(a)所示为机构的初始位置， 在图 2.8(b)行星架 6 从初始位置开始转过角度1时（其相对于初始边顺时针 转动 为负），机构的运动位置状态。设机构初始位置时 方向轴 OM1 为行星架转初始边， 不完全非圆齿轮 1 固定不动，行星架 6 从初始位置开始绕 O 点做顺时 针匀速转动。因为 行星架 6 在1M点处有一个弯折角 ，根据式（ 8）中 2R 的表达式，可求出图 2.8(a)初始位置 2R 的表达式为： )c os ()( 2222 cabR ( 2 在 20 之间变化 ) 用极坐标方程表示 R3，则有： 3 23 3 01 1 c o s ( )bkRk ( 3 在 20 之间变化 ) 2 (11) 把式（ 11）中表示 R3的代数式代入式（ 10）中： 3 0 123 3 0 21222c o s ( 0 2 )c o s ( ) c o s ( ) ( 2 2 2 2 c o s ( ) b a c ac a a c b c 在 （ ） 之 间 变 化在 （ ） 之 间 变 化 ） 2 (12) 式中， 在初始位置时， 即1 0，2 0时，可求出30. 中间椭圆齿轮 2 旋转中心 1M 的位移为： 10c o s ( )s i n ( )MMXLYL 2 (13) 行星椭圆齿轮 3 旋转中心 1O 位移为： 1 1 0 1 01 1 0 1 0c o s ( ) 2 c o s ( )s i n ( ) 2 s i n ( )OOX L aY L a 2 (14) 秧爪尖点 H 的位移： )s i n ()s i n (2)s i n ()c o s ()c o s (2)c o s (013030101013030101SaLYSaLXHH 2 (15) 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 33 2.5.2 速度分析 已知机构的行星架 6顺时针匀速转动，即角速度 为常数。由不完全非圆齿轮与椭圆齿轮的传动比表达式，及齿轮传动中半径与速度的关系，可求出图2.7移栽机构中间椭圆齿轮 2相对行星架 6的角速度2表达式： 1 2 112 1 1H R L RiRR 2 11111 0 ( 0 2 ) ( 2 2 )RLR 在 （ ） 之 间 变 化在 （ ） 之 间 变 化 2 (16) 同理，由半径和速度的关系可得行星椭圆齿轮 3 相对行星架的角速度3: 331 2 1133 1 1 32 2H RRR L RiR R a RR 13 311113 0 ( 0 2 )2 ( 2 2 )aRRL R R 在 （ ） 之 间 变 化在 （ ） 之 间 变 化 2 (17) 由式（ 13）对时间 t 求导得中间椭 圆齿轮 2 旋转中心 1M 的速度方程 为： )c o s ()s in (01110111LYLXMM 2 (18) 由式（ 14）对时间 t 求导得行星椭圆齿轮 3 旋转中心 1O 的速度方程为： )c o s (2)c o s ()s i n (2)s i n (01101110110111aLYaLXOO 2 (19) 由式（ 15）对时间 t 求导得 秧 针尖点 H 的速度方程为 : 1 1 0 1 1 0 1 3 3 3 0 1 01 1 0 1 1 0 1 3 3 3 0 1 0s i n ( ) 2 s i n ( ) ( ) s i n ( )c o s ( ) 2 c o s ( ) ( ) c o s ( )HHX L a SY L a S 2 (20) 2.5.3 加速度分析 加速度是单位时间内速度的增量，用来表示速度变化的快慢。要求解加速度，可以通过在速度的基础上对时间求导数。 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 34 通过 式（ 17） ， 对时间 t 求导得行 星椭圆齿轮 3 相对行星架的角加速度3: 12123313 )(2 RLRRaL R 2 (21) 通过 式（ 18） ， 在速度的基础上对时间求导数 ， 得 到 中间椭圆齿轮 2 旋转中心1M的加速度方程： )s in ()co s (0121101211LYLXMM 2 (22) 通过 式（ 19） ， 在速度的基础上对时间求导数 ，得到 行星椭圆齿轮 3 旋转中心 2M 的加速度方程： )s i n (2)s i n ()co s (2)co s (012101211012101211aLYaLXOO 2 (23) 通过 式（ 20） ， 在速度的基础上对时间求导数 ，得到 取苗针尖点 H 的加速度方程： 1 3 3 3 0 1 021 3 3 3 0 1 01 3 3 3 0 1 021 3 3 3 0 1 0s i n ( )( ) c o s ( )c o s ( )( ) s i n ( )HOHOX X SSY Y SS 2 (24) 2.6 本章小结 1）对椭圆 不完全非圆齿轮行星 轮系水稻钵苗移栽机构的工作原理进行了介绍，对机构中涉及的运动学分析参数进行了说明； 2）分析了椭圆与不完全非圆齿轮、椭圆齿轮与椭圆齿轮的传动特性，并分析了相关参数对传动比的影响； 3）建立了机构的位移、速度，加速度模型，为 VB 软件的开发 奠定了 基础。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 35 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 根据 第二章建立的椭圆 不完全非圆齿轮运动学模型，可知该移栽机构的非匀速间歇传动的运动学优化是一个复杂多目标优化问题，且各个优化目标之间具有非线性、强耦合性和模糊性等特点。普通的多目标优化方法不能很好的解决 该移栽机构的运动学优化问题，即无法找出移栽机构各结构参数的合理组合，达到机构的工作要求。本文应用 Visual Basic 6.0 编程平台，把已经建立的运动学方程编成程序代码，开发了椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的辅助分析与优化软件， 利用 VB6.0 的可视化 功能 使移栽机构的运动直观实时的显示， 通过 改变机构的结构参数，移栽轨迹能够得到相应的调整，为移栽机构的参数优化奠定了基础。 3.1 优化软件的 运用 思路 椭圆 不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的多目标参数优化具有非线性、交互性、模糊性等特点 ， 如果要对比较复杂的问题进行优化，通常可选择运用惩罚函数的方法进行求解分析 。 在惩罚函数的方程式中惩罚因子的确定是关键 ， 由于在水稻钵苗移栽机构应用中，惩罚因子不能确定，如果取值过大会使函数过早收敛于非极值点，但取值过小则函数收敛性较差。当然还有其他的一些解决复杂优化问题的方法，例如：遗传算法 30、模拟退火、神经网络算法等，但这些方法都具有一定程度的局限性，特别是各个目标的加权值很难确定。因此，需要寻找一种符合水稻移栽机构这种复杂问题的优化方法。 人机交互优化方法有效的结合了人的定性判断与计算机定量分析的功能 ，把人对事物的认识辨别能力与计算机精确的计算能力结合在一起，两者相辅相成，解决复杂问题的参数优化。为了使人与计算机之间能够进行比较好的数据传递与沟通，需要选择一个可视化的软件平台，其中 VB 与 VC 编程软件都具有强大的可视化功能，是人机交互优化的最佳平台。 本文选取 VB 软件作为开发水稻钵苗移栽机构优化软件的平台，通过把机构的运动学方程译成代码，编写水稻钵苗移栽机构的优化软件 31-36，软件完成后， 通过手动输入优化变量，软件界面可以实时显示对应的运动轨迹、判断优化结果。通过调整优化变量，能够找出一组符合水稻钵 苗移栽轨迹要求的结构 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 36 参数。 如 图 3.1 为移栽机构优化软件的设计思路图，在 VB 平台中编写移栽机构的程序，使之顺利实现机构的参数优化。在该优化软件运行后，通过在可视化界面手动输入已知参数，通过经验及软件的判断，判定当前组的参数是否满足要求。若结果超出参数的界定值，界面会跳出提示，操作者可以通过手动调整输入参数，直到得出一组符合水稻钵苗移栽的参数组合。 图 3.1 水稻钵苗移栽机构软件的设计思路 3.2 旋转式 水稻钵苗移栽机构的优化软件界面 图 3.2 水稻 钵苗移栽机构运动轨迹 手动改变已知参数 计算、输出目标参数并进行可视化运动学仿真 满足优化目标 ? 输出优化结果 优化完成 否 是 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 37 3.3 数据处理 1）椭圆齿轮参数计算模块 单击菜单栏 参数计算 椭圆齿轮参数确定 ， 通过输入已知参数，用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：计算精度 e 、椭圆长半轴 a 、椭圆短长轴之比 k 、齿轮模数 m 等参数 ，点击 Calculate按钮，可以求得计算结果有：椭圆齿轮模数 m 、齿数z 、椭圆齿轮长半轴 a 、椭圆齿轮短半轴 b 、椭圆齿轮半焦距 c 及椭圆齿轮节曲线长度L 等参数（如图 3.7 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。 2） 移栽爪相对速度曲线 在 功能选项 秧爪尖相对速度曲线 下，有三个选项， x(水平 )方向速度变化曲线 、 y(垂直 )方向速度变化曲线 和 x和 y方向合成速度变化曲线 ， 点相应的选项的可分别得到对应的速度曲线，如图 3.4所示。 （ a） x 方向速度变化曲线 图 3.3 椭圆齿 轮参数计算模块 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 38 （ b） y 方向速度变化曲线 图 3.4 速度曲线的输出 3）保存秧尖点的静轨迹曲线 单击 功能选项 保存秧尖点 D1的静轨迹曲线（ *dxf） ， 可在 AutoCAD中打开和处理。 4） 保存四个角度及中心距参数 单击 功能选项 保存四个角度及中心距参数 ，可保存 4个椭圆齿轮的相对转角与中心距 l （ l 为 太阳轮与中间椭圆齿轮的中心距 ） 。 3.4 本章小结 1） 根据第二章建立的运动学模型，以 VB6.0 为平台，编写了椭圆 不完全非圆齿轮行星 系水稻钵苗移栽机构辅助分析与优化软件； 2） 介绍了该软件的界面，详细讲解了各分析模块与数据处理模块的操作。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 39 第 四 章 旋转式 水稻钵苗移栽机构的结构设计 通过椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的辅助分析与优化软件，找到了一组符合水稻钵苗移栽的结构参数，根据优化后的结构参数，对该 旋转式 水稻钵苗移栽机构进行结构设计，为该机构的加工制造提供基础。本章以 CAXA2011、 CAD2008 为平台，对水稻钵苗移栽机构的整体结构以及零件进行二维设计。 4.1 旋转式 水稻钵苗移栽机构的整体结构设计 (a) 移栽机构 装配图 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 40 (b)齿轮盒内结构 图 4.1 移栽臂结构图 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 41 4.2 驱动部分设计 齿轮盒内的啮合运动是水稻钵苗移栽机构实现非匀速间歇传动的关键，包括不完全非圆齿轮与椭圆齿轮的非匀速间歇传动、椭圆齿轮与椭圆齿轮的非匀速传动 。 4.2.1 非匀速间歇传动机构的设计 间歇传动是移栽机构在取秧后到推秧这段轨迹形成的关键部分，传统的方法是用不完全圆齿轮机构来实现间歇运动，在停歇期间通过锁止弧定位。普通的不完全圆齿轮机构是由普通的渐开线齿轮机构演变而来，变成一种间歇运动机构，根据运动时间与停歇时间的要求，在 从动轮上做出与主动轮轮齿相啮合的轮齿。当主动轮作连续回转运动时，从动轮作间歇回转运动。在从动轮停歇期内，两轮轮缘各有锁止弧起定位作用，以防止从动轮的游动。非匀速运动是机构推秧后到下一次取秧的轨迹形成关键，而要达到非匀速机械输出的要求，传统的做法是在不完全圆齿轮机构的从动齿轮上同轴固接一个椭圆齿轮或一个非圆齿轮，这样机构就变成双排，三个齿轮，机构复杂，传动效率低。 本文选取的从动轮是椭圆齿轮，椭圆齿轮不能直接和不完全圆齿轮啮合，因此主动轮用不完全非圆齿轮，这样不仅能够实现机构的间歇运动，也能达到机构的非匀速传 动要求。本文采用的间歇传动机构是由不完全非圆齿轮、椭圆齿轮、凸锁止弧以及凹锁止弧四个零件组成，两个齿轮单级传动，机构简单 、传动效率高。凸锁止弧安装在不完全非圆齿轮的无齿部分，如图 5.4 所示 ； 凹锁止弧安装在椭圆齿轮上，如图 5.5 所示。不完全非圆齿 轮尺寸结构是由与之共轭的椭圆齿轮及不完全非圆齿轮有齿部分所对应的圆心角大小共同确定，不完全非圆齿轮有齿部分的节曲线长度与椭圆齿轮节曲线周 1. 不完全非圆齿轮 2.凸锁止弧 1.中间椭圆齿轮 2.凹锁止弧 图 5.4 太阳轮与凸锁止弧装配图 图 5.5 中间轮与凹锁止弧装配图 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 42 长相等。在不完全非圆齿轮的有齿部分，不完全非圆齿轮与中间椭圆齿轮为共轭啮合 ；在不完全非圆齿轮的无齿部分，则由凸锁止弧与凹锁止弧配合传动，防止中间椭圆齿轮相对齿轮箱的转动。当不完全非圆齿轮作为为主动轮匀速转动时，与之啮合的从动中间椭圆齿轮作非匀速运动，当不完全非圆齿轮转到无齿部分时，两个齿轮脱离啮合，此时凸锁止弧和凹锁止弧相配合，锁住中间椭圆齿轮，即中间椭圆齿轮不转动，而此时不完全非圆齿轮继续匀速转动，当不完全非圆齿轮再次与中间椭圆齿轮啮合时，凸锁止弧和凹锁止弧脱离，中间椭圆齿轮又实现非匀速转动，实现了机构的非匀速间歇传动。 间歇传动机构的设计是要确定其各零件的几何参数，通过第 三、四章的优化软件可以得出相关的参数。主要包括齿轮的模数、齿数以及凸锁止弧的半径及圆心角等。齿轮与锁止弧通过定位销连为一体，保证间歇传动的工作平稳。同时要确保在两齿轮啮合传动过度到锁止弧配合传动的过程中凹凸锁止弧和两齿轮齿顶不能发生干涉。 4.2.2 非匀速传动机构的设计 椭圆不完全非圆齿轮组成的非匀速间歇传动机构把动力传到中间椭圆齿轮后，再通过椭圆齿轮与椭圆齿轮啮合的方式实现机构的非匀速传动。该椭圆齿轮椭圆齿轮的传动机构由两个分度圆曲线、模数和齿数完全相同的椭圆齿轮组成。椭圆齿轮的参数可以通过第三 章介绍优化软件中的椭圆齿轮计算模块得到，根据椭圆齿轮的优化参数，可用课题组内开发的 椭圆齿廓生成程序（ Matlab 软件平台）绘制椭圆节曲线。 4.3 移栽臂组成零件的设计 移栽臂要实现取秧、推秧的动作，保证弹簧片的闭合、张开，需要有一套机构来实现，其中凸轮与拨叉的配合运动是关键。 凸轮通过螺栓与齿轮盒固接，随齿轮盒一起逆时针作圆周运动，拨叉围绕拨叉轴摆动，拨叉轴固接在移栽臂上。凸轮与拨叉作用工作过程为：通过凸轮轮廓线的变化，带动拨叉绕拨叉轴摆动，使推秧杆带动推秧爪实现取秧和推秧的动作，在凸轮与拨叉的配合过 程中，需满足以下设计要求： 1） 取秧时，弹簧片在推秧爪的作用下能够缓慢夹紧钵苗，到达钵苗的茎杆根部之后，弹簧片有个快速夹紧钵苗的动作； 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 43 图 4.4 拨叉零件图 1.弹簧座 2.拨叉 3.凸轮 图 4.3 拨叉的圆心角设计 2） 在取秧后到推秧前，弹簧片保持夹紧钵苗，推秧杆相对移栽臂不运动； 3） 推秧时刻，推秧爪可以快速推出钵苗； 4）推秧后，到下一次取秧之前，保证弹簧片成张开姿态，为下一次的取秧准备； 5）推秧杆的工作行程为 20mm，即拨叉上下摆动的距离为 20mm，图中 双点划线部分表示取秧前齿轮与拨叉的相对位置，实线部分表示取秧后凸轮与拨叉的相对位置； 6）拨叉旋转中心到凸轮旋转中心满足 2 0 , 2 0x m m y m m 。 从左往右方向观看（如图 4.1），左侧的齿轮盒工作时为逆时针方向旋转运动。凸轮通过螺栓固接在齿轮盒外壁上，与行星轴同轴，随齿轮盒一起做逆时针的旋转运动；行星轴的一端伸出齿轮盒外，与移栽臂固接，移栽臂由行星轴带动相对齿轮盒做顺时针转动。齿轮盒旋转一周，移栽两次，单个移栽臂完成移栽作业一次，即齿轮盒回转一周，拨叉相对凸轮正好回转一周。拨叉通过拨叉轴安装在移栽臂壳体内，拨叉相对凸轮顺时针方向转动。 4.3.1 拨叉的设计 拨叉通过