NJFZ01-003@白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计
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机械毕业设计全套
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NJFZ01-003@白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计,机械毕业设计全套
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附件 5 2009 届 本科 生毕业 论文（设计） 中期汇报表 填表日期： 专 业 机械设计制造及其自动化 学 院 工程学院 姓 名 杨洋 指导教师 万霖 论文（设计） 题 目 白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计 毕业论文（设计）前期工作小结 毕业设计开始已一月有余， 在导师的帮助下 截至到 4月末 我 已完成 了开题报告、资料收集、初步设计等工作 ， 具体汇报如下 ： 1. 通过对任务书的认真分析以及与导师的沟通交流，熟悉了课题任务，理解了课题的要求 ； 2. 通过 在图书馆 大量查询相关 资料 ，对 白菜移栽 机的发展 现状 及 当前主流的类型 有了具体 的 了解 ； 3. 这段时间我还对 已查阅的 资料进行了具体 的整理 分析，了解了当前 已知 移栽机 在结构与成型方式方面 的不足； 4. 同时 针对 上述 不足再次查阅 相关资料，找到了解决已知不足的手段 ； 5. 初步确定了 栽植臂设计 方式 ； 6. 初步确定了 栽植臂 的结构 形式； 指导教师意见 指导教师签名： nts 1 黑龙江八一农垦大学 毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名： 杨洋 学 号： 20054024105 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 白菜移栽机 栽植臂造型与仿真设计 指导教师： 万 霖 2009 年 3 月 19 日 nts 2 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 文 献 综 述 1、 白菜移栽机研究 的 目的及意义 近年来由于农业生产的发展，新技术、新工艺的出现，为移栽机具的发展提供了很好的发展 前景， 20 世纪 80 年代以后近年来由于农业生产的发展，移栽机具发展迅速，从不到 1000 台上升到将近 8000 台。东北等大型农场多采用工厂化营养钵苗和机械化栽植技术，总体水平相对较高。 移栽是蔬菜生产过程中的重要环节之一，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。长期以来，蔬菜生产一直是一项劳动密集型产业，劳动力成本占蔬菜生产成本的 50以上。目前，约有 60蔬菜是采用育苗移栽方式种植的，并且，移栽作业仍以人工为主。采用人工移栽，劳动强度大，作业效率低 ，难以实现大面积移栽，从而导致生产规模小，生产效益低下，制约了蔬菜生产的发展，所以实现移栽作业机械化已成为我国蔬菜种植迫切需要解决的问题。 大白菜是我国北方居民秋冬季节主要的蔬菜消费品种，它具有价格低廉、品质柔嫩、口感酥脆、营养丰富、吃法多样、耐贮存、好运输的优点，非常受人们的欢迎。随着春季耐抽薹结球白菜新品种的育成，大白菜结束了秋季种植、半年供应的局面，实现了周年均衡供应，而且春白菜以较高的种植效益深受菜农的喜爱。 育苗移栽是大白菜栽培的种主要方式。采用这种方式，可以更合理地安排茬口，延长大白菜前作的收获 期，而又不延误大白菜的生长。利用少量育苗地提前育苗，从而大大提高了土地利用率。同时，集中育苗也便于管理，可以更合理地安排劳动力，并可节约用种量。 据调查，在黄河以北地区，秋冬大白菜的种植面积占秋菜种植面积的 50%左右，东北地区可达 60%左右。大白菜生长期较短，生产成本低、产量高，且价格低，尤其在秋冬大白菜的收获季节，其价格是所有蔬菜中最低的。因此，它适合于城镇中低收入水平的家庭和广大农民的要求。所以白菜生产的机械化与自动化也是农业机械化与自动化的一项发展目标。 对于白菜栽植机械的研究将是白菜机械化生产的一个新 的阶段，将白菜种子进行集中和规范式的种植，通过密集化的种植方式使白菜种子迅速而且健康的生长为白菜苗，再通过对白菜苗的筛选，将健壮的，长势优良的白菜苗进行下地栽植，一方面避免了直nts 3 接播种时产生的育种不良的问题，另一方面由于是选用进行筛选的白菜苗进行栽植，提高了成活率而且由于是选用健壮的白菜苗所以白菜长势会格外的好。 白菜栽植机的研究既会解决白菜播种过程时出现的问题而且在选择苗体时，被筛选出的不良苗体也可当小白菜食用，这样就又增加了白菜生产过程中的经济效益。所以白菜栽植机的研究就有了其长远的实际效益。 2、 国内外对 于白菜栽植机的研究现状 白菜的种植一般都采用的是直播种植，首先通过选用优良的品种进行育种 ，育种后在适宜的播种期进行播种，然后通过合理的田间管理和肥水管理使白菜进行健康的生长，期间要进行菜田覆盖和病虫害的防治。 国内的钵苗移栽机种类较多，有钳夹式、导苗管式、吊蓝式及带夹圆盘式等多种。采用栽植器形式不同，适合栽植作物也不同。 (1)钳夹式钵苗移栽机多采用链条钳夹式，这种移栽机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)导苗管式钵苗移栽机是一种新型的钵苗移栽机械。这种移栽机的特点是：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。根据钵苗进入苗沟的形式不同又分为推落苗式、指带式和直落苗式三种。 (3)吊蓝式钵苗移栽机是一种适合钵体尺寸较大的钵苗移栽机械，最适宜地膜覆盖后的打孔移栽作业。此类机型最大的优点是钵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，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。 国内的主要研究单位及主要机型有：中国农业大学研制的 2ZDF 型导苗管式移栽机；黑龙江农垦科学院的 2Z-2 型玉米钵苗移栽机；山东泰安的 2ZM-2 型和 2ZM ZAI 型棉花移栽机；四川省研制的 2ZYS-4 型油菜移栽机等。 基于国内外的关于 移栽机械的研究状况，并根据本次毕业设计的要求，由于水稻插秧机工作形式与本次设计的目的相似，故将以水稻插秧机为原型进行白菜移栽机的研究与设计。 nts 4 参考文献 1 陈殿奎 .蔬菜机械化育苗的现状与展望 J.农业工程学报 , 2蔡承智 梁颖 等 .对我国农业可持续发展途径的探讨 J.现代化农业 , 3张波屏 .现代种植机械工程 M.北京 :机械工业出版社 ,1997.61. 4 姜明海 ,李孝存 ,邹振萍 . 龙江 2ZT 403 型手扶式机动插秧机分插机构的设计及运动分析 J. 农机化研究 , 1999,(02). 5“ 富来威 ”2Z -455 型机动插秧机 J. 浙江农村机电 , 2006,(05). 6 燕明德 . XDNZ630 型水稻高速插秧机 J. 当代农机 , 2006,(04). 7郭晓剑 ,关向东 . 2ZS-2 型蔬菜秧苗移栽机研制 J. 新疆农机化 , 2007, (04) . 8 巴慧珍 . 2ZT 2 型纸筒甜菜移栽机的移栽机构 J. 粮油加工与食品机械 , 1996, (04) . 9 耿端阳 . 我国北方地区机械化育苗移栽技术应用与发展 J. 农机化研究 , 2001, (03) . 10 正昌 . 正昌丰裕 2ZY-2 型油菜移栽机 J. 农 业开发与装备 , 2007, (06) . 11 何扬清 ,尹文庆 ,章士秀 . 3 种旱地移栽机栽植器的性能分析 J. 安徽农业科学 , 2006, (24) . 12 李爱华 ,姜燕飞 ,王宏章 . 鸭嘴式蔬菜移栽机的研究设计 J. 农村牧区机械化 , 2007, (03) . 13 徐丽明 ,张铁中 ,史志清 . 玉米自动移栽机取苗机构的设计 J. 中国农业大学学报 , 2000 12 季浩民 , 吴建华 , 秦建国 . 着力实现 “ 五个到位 ” 加快插秧机推广跨越式发展 J. 江苏农机化 , 2005,(01) 14 邓立平 . 2Z-455 手扶步进式插秧机 J. 湖南农业 , 2006,(05) 15 日本开发新型无人插秧机 J. 南方农机 , 2004,(05) 16 张爱群 . 日本插秧机发展动态 J. 机电产品市场 , 1999,(01) nts 5 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 1、 白菜移栽机 栽植臂的 设计 栽植臂的设计 ， 难点在于 由于白菜苗含水量大且韧性差，所以在移栽时容易伤苗，在设计过程中要使白菜苗得到很好的保护。同时要 有最佳的 速度与运动轨迹 ，保证分插机构的准确性和可靠性。既要保证准确的株距，还要保证白菜苗的直立度。在移栽过程中要保证较低的漏栽率和重栽率。 本设计的栽植臂对比 水稻插秧机分插机构的特点 进行设计。 采用曲柄摇杆式分插机构 。 2、 研究 方法 由于没有实际的白菜移栽机械进行 实际测试与比照，本次设计以水稻插秧机为原型进行设计，由于其工作原理以及运动方式相似所以通过比对以及试验来进行对白菜移栽机的研究设计。 一方面通过对水稻插秧机的不断优化来满足白菜移栽机的要求，另一方面利用实验数据，以三位软件为媒介对白菜移栽机的工作过程进行模拟，最终获得理想的设计方案。 3、 研究中遇到的问题 栽植臂运动过程中需要整合速度和运动轨迹，对于数据采集要求严格 ，并能应用三位软件对实际运动效果进行模拟，需要大量时间反复试验 。 曲柄摇杆式分插机构动力学分析较之一般曲柄摇杆机构更为复杂，它的栽植臂内含推秧装置，在 推秧过程中其随栽植臂运动同时又相对栽植臂转动，在推秧结束时，碰撞缓冲垫。碰撞瞬时，给栽植臂的作用力传递到曲柄转动中心和摇杆轴，使它们产生一个作用力峰值，是不可忽略的，因而不能作为一般的曲柄摇杆机构进行动力学分析。 平衡力产生的力偶矩在一个周期内时而为正，时而为负，而平衡力是依据链条伸出的两个方向确定的，它没有正负之分。因而不能用矩阵方法求解动力学方程组。用矩阵求动力学方程，势必在平衡力矩为负时，求得链条力为负值，这与实际不符。 由于其橡胶密封圈作用产生较大铰链点摩擦力矩，忽略它们产生误差，在方程中引入摩擦力 矩，则使线性方程组转为非线性，再则有的摩擦力矩的方向在周期内发生变化，以上问题需在计算时作数学和程序编制方面的处理。 nts 6 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语 ： 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测 ： 指导教师： 年 月 日 所在 专业审查意见： 负责人： 年 月 日 nts I 学士学位毕业论文 白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计 学生姓名： 指导教师： 所在学院： 工程学院 专 业： 机械设计制及其自动化 nts II 摘要 在研究了国内外蔬菜移栽机械的发展状况和我国蔬菜移栽机械存在的问题的基础上，根据白菜栽植作业对插秧机的要求，提出了发展白菜移栽机械的理论。理论分析插秧机构的分插秧原理和机械插秧时秧针的运动轨迹，确定了机械插秧工作时秧针在取秧、送秧、插秧、回转、避让和回程过程中机器前进速度与秧针速度之间应有的关系。对分插机构进行设计。采用曲柄摇杆机构，分插机构由曲柄 、栽植臂和摆杆等组成。曲柄、栽植臂、摆杆和链箱后盖组成一曲柄摇杆机构。 利用 Pro/E 对部件进行实体设计，主要是对分插机构部分进行设计。 白菜移栽机的研究与设计是以水稻插秧机为原型的。 水稻插秧机的的特点是结构比较简单，操作相对比较容易，只需对操作者进行简单的培训，即可操纵此插秧机。 根据本次毕业设计的要求，由于水稻插秧机工作形式与本次设计的目的相似，故将以水稻插秧机为原型进行。 关键词 ：白菜栽植机；栽植臂；分插秧原理；分插秧机构 nts III Abstrat In studied the domestic and foreign vegetables to transplant the machinery the development condition and our country vegetables transplants in the question foundation which the machinery existed, transplanted the work according to the cabbage to the rice transplanter request, proposed the development cabbage transplanted the machinery the theory.The theoretical analysis transplants rice seedlings the organization to divide transplants rice seedlings the principle and the machinery transplant rice seedlings when the rice shoot needle path, had determined the machinery transplants rice seedlings when the work the rice shoot needle in takes the rice shoot, delivers the rice shoot, transplants rice seedlings, the rotation, gives way to traffic the relations which the machine rate of progression and between the rice shoot needle speed should have with the return trip process in.The half inserts the organization to carry on the design.Uses the crank rocker organization, divides inserts the organization by the crank, transplants the arm and the sw ing link and so on is composed.The crank, transplants the arm, the swing link and the chain box top plate composes a crank rocker organization Carries on the entity design using Pro/E to the part, mainly is the half inserts the organization part to carry on the design Cabbage transplanting machine is based on research and design for the prototype rice transplanter. Rice transplanter is characterized by the relatively simple structure, relatively easy operation, the operator only simple training, you can manipulate the transplanter. Graduation Project in accordance with the requirements of the form as a result of the work of Rice Transplanter with the purpose of this design is similar, it will be for the prototype rice transplanter. Key words: The cabbage transplanter； Transplants the arm； Divides transplants ric e seedlings the principle； Divides transplants rice seedlings the organization nts IV 目录 摘要 . II ABSTRAT . III 前言 . - 1 - 1 概述 . - 2 - 1.1 课题研究的目的 . - 2 - 1.2 国外蔬菜栽植机械发展现状 . - 3 - 1.3 国内白菜移栽机械现状、发展及存在的问题 . - 4 - 1.3.1 国内白菜移栽机械现状 . - 4 - 1.3.2 目前主要研究成果 . - 4 - 1.3.3 国内水稻插秧机械存在的问题 . - 5 - 1.4 白菜栽植机的研究和发展 . - 6 - 1.5 白菜移栽机栽植臂涉及内容和方法 . - 6 - 2 PRO/E 模块简介 . - 7 - 2.1 Pro/Engineer 功能及特点 . - 7 - 2.1.1 Pro Engineer . - 7 - 2.1.2 Pro ASSEMBLY . - 8 - 2.1.3 Pro CABLING . - 8 - 2.1.4 Pro CAT . - 9 - 2.1.5 Pro CDT . - 9 - 2.1.6 Pro CMPOSITE . - 9 - 2.1.7 Pro DEVELOP . - 9 - 2.1.8 Pro DESIGN . - 10 - 2.1.9 Pro DETAIL . - 10 - 3 栽植臂的工作过程 . - 10 - 4 分插秧原理与分插机构的设计 . - 11 - 4.1 设计内容和步骤 . - 11 - 4.2 分插机构组成 . - 11 - 4.3 分插工作原理 . - 12 - 4.4 秧爪 . - 12 - 4.4.1 秧爪的设计 . - 12 - 4.4.1 秧爪排 运动机构的设计 . - 16 - 4.5 曲柄连杆的组成及工作原理 . - 16 - 4.6 曲柄连杆的设计 . - 18 - 5 栽植臂的组成与设计 . - 19 - 5.1 推秧摆臂的设计 . - 20 - 5.1.1 推秧摆臂运动规律的选择 . - 20 - nts V 5.1.2 推秧摆臂的设计尺寸 . - 21 - 5.2 推秧凸轮的设计 . - 21 - 5.3 栽植臂体的设计 . - 24 - 5.4 栽植臂的运动分析 . - 24 - 图 11 栽植臂的运动分析图 . - 25 - 总结 . - 26 - 结束语 . - 27 - 致谢 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 附录 . - 30 - 附录 . - 31 - nts - 1 - 前言 中国是世界最大的蔬菜生产国，蔬菜产量占世界总产量的 60左右。改革 开放以来，我国蔬菜生产发展迅猛，每年呈持续增长的势头。 大白菜原产我国，栽培历史悠久，分布的地区又广，是人们常食用的蔬菜之一，尤其在北方地区，其栽培面积之大，食用普遍，供应期又长，在蔬菜的供应中发挥了重要的作用。 大白菜生产投资少，栽培技术简单，在生产季节自然灾害较少，生产的风险小 。 移栽是蔬菜生产过程中的重要环节之一，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。 作物在育成秧苗后，将其移植到田问的机械称作栽植机械或者称为移栽机械。栽植机械以作业 的土地分为两类：旱地栽植机械和水田栽植机械。水田栽植机械主要是水稻插秧机，旱地栽植机械栽植的作物主要包括甜菜、烟草、玉米、棉花、蔬菜等。栽植机械还可以按其栽植的秧苗形式分为裸苗和带土苗两种。 白菜移栽机械，相对于手工插秧，机械栽植既省时又省力，可以提高生产效率。现在的白菜栽植主要是直播种植， 首先通过选用优良的品种进行育种，育种后在适宜的播种期进行播种，然后通过合理的田间管理和肥水管理使白菜进行健康的生长，期间要进行菜田覆盖和病虫害的防治。由于水稻插秧机工作形式与本次设计的目的相似，故将以水稻插秧机为原型进行白 菜移栽机的研究与设计。 主要的研究内容何分析的结论如下： 1 研究了国内外蔬菜移栽机械的发展状况，分析了我国蔬菜移栽机械存在的问题 ;论述了白菜栽植作业对插秧机的要求 ;提出了发展白菜移栽机械的重要意义。 2 分析了插秧机构的分插秧原理。根据农业插秧的基本要求，分析了机械插秧时秧针的运动轨迹，提出了机械插秧工作时秧针在取秧、送秧、插秧、回转、避让和回程过程中机器前进速度与秧针速度之间应有的关系。 3 对分插机构进行设计。采用曲柄摇杆机构，分插机构由曲柄、栽植臂和摆杆等组成。曲柄、栽植臂、摆杆和链箱后盖组成一曲柄摇杆机构 。由曲柄匀速旋转带动铰接四杆机构，使分离针形成一平面的栽插运动轨迹，完成分秧和入土插秧等功能。当分离针入土的同时推秧器推出使秧苗脱离分离针植入田地。推秧器的动作依靠推秧凸轮、拨叉和弹簧来实现。 nts - 2 - 1 概述 1.1 课题研究的目的 白菜，又称为 “结球白菜 ”、 “黄芽菜 ”或 “窝心白菜 ”等，是我国的原产和特产蔬菜，全国各地普遍栽培，以华北地区为主要产区。大白菜以其细嫩甘脆、汁白如乳的品质，易种植、耐储藏的特性，在我国的蔬菜生产和消费中占有重要的地位，是人们秋冬季节餐桌上的美味佳蔬。在北方，大白菜被称为 “当家菜 ”、 “半 年菜 ”，现已先后引种世界各地。在日本，大白菜叫做 “唐人菜 ”、 “山东菜 ”；在欧美，有人把大白菜叫做 “中国甘蓝 ”。 据调查，在黄河以北地区，秋冬大白菜的种植面积占秋菜种植面积的 50%左右，东北地区可达 60%左右。大白菜生长期较短，生产成本低、产量高，且价格低，尤其在秋冬大白菜的收获季节，其价格是所有蔬菜中最低的。因此，它适合于城镇中低收入水平的家庭和广大农民的要求。所以白菜生产的机械化与自动化也是农业机械化与自动化的一项发展目标。 尤其是在东北，白菜需求量是很大，因为在东北储备白菜是很多家庭的传统与习惯，而且每 家的储备量不小，再加之白菜的价格低廉，更是百姓储备过冬菜品的最佳选择。这样就给白菜带来了巨大的市场需求量，所以对于白菜的生产机械化与自动化将会给白菜的带来很大的经济效益和生产收益。 利用插秧机种植水稻是水稻机械化最普遍的栽植方式，机插秧因具有秧苗分孽早、分孽多、行距和株距均匀、通风和透光性好、单位面积增产效果显著和生产效率高等特点而受到农民的欢迎。因此仿照水稻的栽植机械进行白菜移栽机的设计。在我国，机械化种植是蔬菜机械化生产过程中最薄弱环节和最大难点，有的地区甚至还是空白，一直没有得到迅速推广。 我国与先进 的国家相比还有以下原因 :一是白菜产区传统农业和机械化生产方式不适应，特别是与机械插秧配套的相关技术不过关，机械本身的高效率难以发挥，造成投入多、成本高和效益差 ;二是白菜生产机械化技术与农艺技术缺乏有机结合，农艺规范、经营管理模式与机械化技术不相适应 ;三是农民对白菜生产机械化的认识还不够 ;四是机手不能熟练掌握机械性能和操作技术。 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。 近年来由于农业生产的发展，新技术、新工艺的出现，为移栽机具的发展提供了很好的发展前景， 20世纪 80 年代以后近年来由于农业生产的发展，移栽机具发展迅速，从不到 1000 台上升到将近 8000 台。东北等大型农场多采用工厂化营养钵苗和机械化栽植技术，总体水平相对较高 。 设施农业机械是设施nts - 3 - 农业的重要组成部分，设施农业机械应用信息技术和人工智能技术，开发研制并应用专家系统，将促使我国设施农业上台阶、上档次。设施农业技术体系的升级应包含设施农业机械的发展优化，否则就制约设施农业技术层次 的提高。 1.2 国外蔬菜栽植机械发展现状 20 世纪初期，欧洲一些国家开始大量种植蔬菜和经济作物，出现了早期的近代秧苗栽植机具。这些机具仍为手动栽植，只是减轻了栽秧者肢体反复屈伸的繁重劳动 ， 移栽机主要用来移栽蔬菜、甜菜、烟叶等 ；到 20 世纪 30 年代后期，出现了栽植机构或栽核器代替人工直接栽秧，使送秧入沟过程实现了机械化；自 20 世纪 50 年代开始，欧洲国家开展作物压缩土钵育苗及移栽的生产技术研究，研制出多种不同结构型式的半自动移栽机和制钵机；至 20 世纪 70年代，前苏联蔬菜栽植机械化水平为 58%，国营农场已达 67%；到 20 世纪 80年代，半自动移栽机已在西方国家的农业生产中广泛使用，制钵；育苗和移栽已形成完整的机械作业系统，实现了各种机见配套使用。 70 年代末 B K Huang等发明了适合于自动移栽的空气整根育苗技术，并以此为基础提出了钵苗移栽的系统方案，设计了精密苗盘播种机和自动移栽机。这种移栽机能移栽包括辣椒在内的多种农作物，具有通用性好的特点；缺点是体积大、成本高。 2O 世纪 8O 年代初，美国出现了自动移栽机， H L Brewer 等人经过多年来的研究、改进，设计出箱式移栽机。日本移栽机械化程度很高，广泛研制和使用了全自动移栽机。 在进行机械插秧的方面，日韩两国的技术处于世界的领先地位。 蔬菜移栽机械的研究主要是在日本、 韩国和中国 。日本在移栽机械的研究处于世界前沿，其生产己高度现代化，中国从 80 年代才刚开始起步，目前主要手扶是机动插秧机是主要是国内生产，但是很多品牌还是日本和韩国的投资企业 。 到目前为止，作物压缩土钵成型、钵上单粒精密播种和相应的自动化移栽设备在技术上基本达到了完善，亦广泛应用于实际生产。欧洲的几个主要国家(如法国、德国、荷兰、西班牙、丹麦等 )大部分的蔬菜生产和几乎全部的大地花卉生产都采用育 苗移栽生产工艺 。国外使用较多的带土栽植机是纸筒栽植机和土钵栽植机。纸筒栽植机尤为普遍，用于甜菜、蔬菜、棉花等，自动化程度高。其配套作业机具是纸筒播种机，具有碎土、播种、覆土功能。我国吉林省已研制并推广使用的土钵栽植机，兼有控穴、送苗、浇水、覆土和压实功能，主要用于烟草、玉米、蔬菜等。其配套机具为土钵成型机。一次完成土钵成型、播种、覆土、压实等功能。 nts - 4 - 1.3 国内白菜移栽机械现状、发展及存在的问题 1.3.1 国内白菜移栽机械现状 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， 起步较早，且农机和农艺明显脱节，忽略了综合经济效益，更没有科学地分析育苗移栽机械化过程的种种技术难题。 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。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 ，国内 已经研制开发的钵苗移栽机主要以半自动为主；而全自动移栽机因结构复杂，成本高，尚处在研究起步阶段。现 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 。 在国内，有许多从事包括辣椒作物在内的移栽机研究开发的机构，主要是各农林院校，农业机械研究所，农业机械企业和农业技术推广机构，比如中国农业大学、石河子大学、新疆农科院农业机械化研究所、北京易润佳灌溉设备有限公司、重庆北卡科技有限公司等。 1.3.2 目前主要研究成果 目前，国内常见的移栽机主要有以下几种形式： 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。 现有机型有法国生产的 UT 一 2 型移栽机；吉林工大研制的 2ZT 型移栽机：黑龙江八五二耕作机械厂研制的 2Z 型移栽机；黑龙江农垦科学院研制的 2z 一 2 型移栽机等。 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。 现有机型有意大利切克基马格利公司生产的奥特玛栽植机；意大利生产的 NADRI 玉米钵苗移栽机；荷兰米启根公司生产的 MT 栽植机；安徽徐州农机研究所研制的 2ZY-2 型油菜移栽机；唐山农机研究所研制的 2ZB 一 2 型移栽机；黑龙江农垦科学院研制的 2z 一 2型多用钵苗移栽机。 nts - 5 - 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。 现有机型有日本丰收产业公司研制 0P290 的和 OP2100 型全自动白葱移栽机；日本研制的 CT-4S 型甜菜移栽机；日本久保田公司生产的 KN P6 半自动大葱移栽机；黑龙江红兴隆管理局研制 2ZT 一 2 型甜菜纸简移栽机。 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。 现有机型有荷兰米启根公司生产的 Mode14000 型栽植机；芬兰劳尼思公司生产的 RT 一 2 型栽植机；意大利切克基马格利生产的 TEX2 型栽植机；黑龙江农垦科学院研制的 2ZB-4 型杯式钵苗移栽机；中国农大研制的 2ZDF 型半自动导苗管式移栽机； 东泰安国泰拖拉机总厂生产的 2ZM 一 2 和 2ZM AI 型棉花移栽机；东泰安与吉林工大合作研制的 2Z一 200 型移栽机；吉林工业大学研制的 2zY 一 2 型玉米钵苗移栽机；山东工程学院研制的 2ZG-2 型带喂入式钵苗移栽机。 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 B K Huan9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。 1.3.3 国内水稻插秧机械存在的问题 我国插秧机械化停滞不前，除其他原因外，插秧机本身也存在许多问题，主要表现在以下几点： 蔬菜移栽机械研究刚起步，主要体现在以下几方面。 1)移栽机具型式各异，没有统一的标准， “ 三化 ” 程度低，钵型也不一样，不利于育苗移栽技术的发展，同时机型和技术都不够成熟。 2)作业时要求喂人手精力高度集中，否则造成漏苗、缺苗，栽植手劳动强度大 。 3)作业速度满足不了农艺的要求 。 4)可靠性差，育苗、配水系统等措施不配 套，制约了该项技术的发展。 5)国内对移栽机械的研究和开发属于仿造，没有重大的改进和技术上的突破。nts - 6 - 几乎所有的钵 (育 )苗移栽机械都采用人工喂苗。 6)整机的作业速度受操作者喂钵速度的限制，作业效率较低。目前国内所有机型均未超过每秒 1 株的极限速度。另外占用的人力较多，所有的机型几乎都是1人 1行，机具作业成本偏高。 7)栽植机具结构复杂。现有的移栽机一般均采用地轮驱动，用链条、齿轮、杆件等完成喂入盘复杂运动，机具的造价较高，不适合我国的国情。 机器的性能和成本及农民的经济条件限制移栽机的推广。 1.4 白菜栽植机的研究和发展 从现在的发展趋势来看 ，将来的白菜移栽机的发展必定是占领白菜栽植机市场，但从最近 10 至 15 年内来看，由于国内对白菜移栽机的研究理论还不太成熟，国家农业的投资还不够，也使我国广大的白菜种植户没有购买的能力，所以白菜栽植机还是非常受欢迎的，能够促进农业生产的机械化，减轻劳动强度，提高农业的生产效率，促进农业的增产增收。 白 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 白 菜 农艺要求的全自动移栽机，实现我国 白 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 白 菜 种植机械化水平，促进我国 白 菜 生产的快速发展，改善人们生活水平。 1.5 白菜移栽机栽植臂涉及内容和方法 白菜栽植机栽植臂设计涉及到的内容有以下几个方面： 1 分插原理 2 分插机构的设计； 3 秧爪排的设计 4 曲柄连杆的设计 5 栽植臂各部件的设计 nts - 7 - 2 PRO/E 模块简介 2.1 Pro/Engineer 功能及特点 Pro/Engineer 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 1、 参数化设计和特征功能 Pro/Engineer 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。 这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 2、 单一数据库 Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变， NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种 独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 2.1.1 Pro Engineer Pro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。 Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（ Ribs）、槽（ Slots） 、倒角（ Chamfers）和抽空（ Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。 Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其 他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer 软件的其它模nts - 8 - 块或自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下 (没有任何附加模块 )具有大部分的设计能力，组装能力 (人工 )和工程制图能力 (不包括ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准 )，并且支持符合工业标准的绘图仪 (HP， HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。 Pro/Engineer 功能如下： （ 1） 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； （ 2） 参数化（参数 =尺寸 、图样中的特征、载荷、边界条件等）； （ 3） 通过零件的特征值之间，载荷 /边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。 （ 4） 支持大型、复杂组合件的设计 (规则排列的系列组件，交替排列， Pro PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等 )。 （ 5） 贯穿所有应用的完全相关性 (任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动 )。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro ENGINEER 的基本功能。 2.1.2 Pro ASSEMBLY Pro/ASSEMBLY 是一个参数化组装管理系统，能提供用户 自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。 Pro/ASSEMBLY是 Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在 Pro/Engineer 环境下运行，它具有如下功能： （ 1） 在组合件内自动零件替换 (交替式 ) （ 2） 规则排列的组合 (支持组合件子集 ) （ 4） 组装模式下的零件生成 (考虑组件内已存在的零件来产生一个新的零件 ) （ 5） Pro/ASSEMBLY 里有一个 Pro/Program 模块，它提供一个开发工具。使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生 自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可。 （ 6） 组件特征绘零件附加特征值如：给两中零件之间加一个焊接特征 。 2.1.3 Pro CABLING Pro/CABLING 提供了一个全面的电缆布线功能，它为在 Pro/ENGINEER的部件内真正设计三维电缆和导线束提供了一个综合性的电缆铺设功能包。三维电缆的铺设可以在设计和组装机电装置时同时进行，它还允许工程设计者在机械与电缆空间进行优化设计。 Pro/CABLING 功能包括： （ 1） 新特征包括：电缆、导线和电线束； （ 2） 用于零件与组件的接插件设计； （ 3） 在 Pro/ENGINEER 零件和部件上的电缆、导线及电线束铺设； （ 4） 生成电缆 /导线束直线长度及 BOM 信息； （ 5） 从所铺设的部件中生成三维电缆束布线图； （ 6） 对参数位置的电缆分离和连接； nts - 9 - （ 7） 空间分布要求的计算，包括干涉检查； （ 8） 电缆质量特性，包括体积、质量惯性、长度； 2.1.4 Pro CAT Pro CAT 是选用性模块，提供 Pro ENGINEER 与 CATIA 的双向数据交换接口， CATIA 的造型可直接输入 Pro ENGINEER 软件内，并可加上 ProENGINEER 的功 能定义和参数工序，而 Pro Engineer 也可将其造型输出到 CATIA 软件里。这种高度准确的数据交换技术令设计者得以在节省时间及设计成本的同时，扩充现有软件系统的投资。 2.1.5 Pro CDT Pro/CDT 是一个 Pro/ENGINEER 的选件模块，为 CADAM 2D 工程图提供PROFESSIONALCADAM 与 Pro/ENGINEER 双向数据交换直接接口。 CADAM工程图的文件可以直接读入 Pro/ENGINEER，亦可用中性的文件格式，经由PROFESSIONAL CADAM 输出或读入任何运行 Pro/ENGINEER 的工作站上。Pro/CDT 避免了一般通过标准文件格式交换信息的问题，并可使新客户在转入Pro/ENGINEER 后，仍可继续享用原有的 CADAM 数据库。 2.1.6 Pro CMPOSITE Pro/COMPOSITE 是 一 个 Pro/ENGINEER 的 选 件 模 块 ， 需 配 用 Pro/ENGINEER 及 Pro/SURFACE 环境下运行。该模块能用于设计、复合夹层材料的部件。 Pro/COMPOSITE 在 Pro/ENGINEER 的应用环境里具备完整的关联性，这个自动化工具提供的参数化、特征技术适用 于整个设计工序的每个环节。 2.1.7 Pro DEVELOP Pro/DEVELOP 是一个用户开发工具，用户可利用这软件工具将一些自己编写或第三家的应用软件结合并运行在 Pro/ENGINEER 软件环境下。Pro/IDEVELOP 包括 C语言的副程序库 ,用于支援 Pro/ENGINEER 的交接口，以及直接存取 Pro/ENGINEER 数据库。 nts - 10 - 2.1.8 Pro DESIGN Pro/DESIGN 可加速设计大型及复杂的顺序组件，这些工具可方便地生成装配图层次等级，二维平面图布置上的非参数化组装概念设计 ，二维平面布置上的参数化概念分析以及 3D 部件平面布置。 Pro/DESIGN 也能使用 2D 平面图自动组装零件。它必须在 Pro/Engineer 环境下运行。其功能有： （ 1） 3D 装配图的连接层次等级设计； （ 2） 整体与局部的尺寸、比例和基准的确定； （ 3） 情况研究 -参数化详细草图（ 2D 解算器、工程记录和计算）绘制； （ 4） 组装：允许使用 3D 图块表示零组件了定位和组装零件位置； （ 5） 自动组装。 2.1.9 Pro DETAIL Pro/ENGINEER 提供了一个很宽的生成工程图的能力，包括：自动尺寸标注、参数特征生成，全尺寸修 饰，自动生成投影面，辅助面，截面和局部视图，Pro/DETAIL 扩展了 Pro/ENGINEER 这些基本功能，允许直接从 Pro/ENGINEER的实体造型产品按 ANSI/ISO/JIS/DIN 标准的工程图。 3 栽植臂的工作过程 白菜移栽机的工作部件是栽植臂，其工作过程是由汽油发动机通过活塞的往复运动传出动力，传到插秧机的变速箱中，经过变速箱的减速后，经过动力轴传到链轮上，再由链条传到侧支架连接的轴上，侧支架中是靠链轮和链条实现传动的，栽植臂安装在侧支架上，从而带动栽植臂的运动；栽植臂的秧针在秧门处取苗，并插 到水田中。秧箱通过横向移箱机构，进行横向的往复移动，从而实现横向取苗的过程。秧苗的纵向送秧是靠纵向送秧机构来完成的，当横向移箱机构使秧箱移动到一端时，双向螺旋轴上的凸轮带动抬把运动，进而带动棘轮副的运动，使秧苗向下运动一定的距离，完成纵向送秧的过程。白菜移栽机的行走部分的工作过程是由发动机输出的动力传递到变速箱中，在经过变速箱传递到安装有驱动轮的轴上，从而使地轮运动，通过变速杆调节插秧机的运动速度和运动方向。白菜移栽机的插秧的行距是固定的为 30mm ，株距地调整有四种，取苗量通过秧箱的上下移动来实现。 nts - 11 - 4 分插秧原理与分插机构的设计 4.1 设计内容和步骤 1）根据适应的秧苗类别和高度，定出秧爪相对运动轨迹的高度范围，设计秧爪排运动机构并按所适用穴距范围检验秧爪排的运动轨迹，从而证实所设计机构的是否合理。 2)根据适用穴距范围按秧爪插秧要求确定相对运动轨迹的宽度范围和形状，设计秧爪轨迹控制机构。 3）按已定机构的检验秧爪的相对运动轨迹和适应穴距范围的绝对运动轨迹。 4）确定秧爪分插秧时的各项调整的方法和结构，包括入帘深度和入帘高度、不同插深、适应不同穴距等的调整。 5)结构设计 4.2 分插机构组成 分插机构 是水稻插秧机的主要工作部件，包括分插器和轨迹控制机构，在供秧机构 (秧箱和送秧机构 )的配合下，完成取秧、分秧和插秧的动作，其工作性能对插秧质量有十分重要的影响。分插器又称秧针，是直接进行分秧和插秧的零件，有钢针式 (分离针 )和梳齿式两种。钢针式分插器上还带有推秧器，用于秧苗插入泥土后，把秧迅速送出分离针，使秧苗插牢。 栽植臂主要由压出臂组件、秧针、插植叉组件和插植臂壳体组件组成，其用途是从苗箱上切取下秧块，并栽插到田里。 图 1 分插机构的三维实体图 nts - 12 - 4.3 分插工作原理 秧爪进入装满秧苗的秧箱中，在秧箱的阻 秧装置（秧帘、毛刷、秧门）的配合下，取出一定数量的秧苗，称为分秧。秧爪分取秧苗后，把秧苗沿几乎垂直于地面的方向插入土中，然后秧爪往后脱离秧苗出土，称为直插。分离针则连同土块一起分取秧苗，插秧后有推秧器脱秧。 1）栽植臂的基本工作原理和运动轨迹可以简化成四连杆机构。动力由带动栽植臂运动的曲柄输入。 2）为了减少栽植臂工作过程中产生的振动，克服栽植臂产生的惯性，栽植曲柄另一端形成一扇形配重。 3）由插植传动箱来的动力，通过栽植臂曲柄轴带动压出凸轮转动，当压出凸轮作用于压出臂时，压出臂弹簧被压缩，插植叉提起。秧 针进行秧门取秧后，带住秧块往下达到栽插位置时，压出臂瞬间脱离压出凸轮，在压出臂弹簧的作用下，插植叉把秧块弹出，完成栽插动作。 曲柄连杆机构应用于机动插秧机轨迹的控制（图 4）。当曲柄连杆机构 ABCD采用特定尺寸时，与连杆 BC 相连的秧爪的运动轨迹符合分插秧要求。秧爪取秧段轨迹与秧苗轴线平行，通过秧门沿圆弧行轨迹运秧。秧苗按一定插深插入土中推秧器向下运动使秧苗脱出秧爪。 白菜移栽机分插秧原理采用采用纵分往复直播式栽植臂。分插机构类型为采用筷子式秧爪，卧式秧门。其分插秧的具体过程如下： 1）取秧：插秧爪插入苗土取秧 ，插入的深度和高度均可调节； 2）分秧：秧爪与秧门相对运动，使所取秧苗与苗土分离； 3）运秧：由曲柄连杆机构运动轨迹确定，基本上沿与地面弄垂直的轨迹向下运动； 4）插秧：采用推秧器是秧苗插稳； 5）回程：由曲柄连杆机构运动轨迹确定，避开秧门，从苗土上方再次进入秧箱。 4.4 秧爪 4.4.1 秧爪的设计 筷子式秧爪装有推秧片把秧苗强制推出，取秧深度易调整秧爪不会把秧苗带回，伤秧也少，故采用筷子式秧爪（ 如图 2 所示） 。筷子式秧爪由两根截面为圆形的钢针组成，分秧针直径为 4.5mm，两针的间距为 8mm。栽插一般小苗 时取秧深度为 8 或 11mm，栽插中苗时取秧深度为 14 或 17mm。 秧爪用 ZG45铸钢精铸，分秧针选用切土式秧针（如图 3 所示），爪部 20 毫米范围要求热外nts - 13 - 理，硬度应为 HRC35 40。 图 2 筷子式秧爪结构 1 秧爪固定板 2 宽秧爪 3 插秧杆 4 推秧片 图 3 切土式分离爪三维实体图 表 1 秧爪的运动过程 顺序 分段 轨迹的特点和要求 a 上止点 秧爪在秧帘外，准备入帘 ab 入帘 与秧帘成一锐角入帘 bc 取秧 与秧帘平 行，在取秧过程中对秧苗有梳理作用 cd 分秧 垂直秧门，在秧门的作用下分秧 nts - 14 - de 运秧 基本上与地面垂直向下运秧 ef 插秧 在 e 处开始插秧入土， ef 的方向依牵引速度 v 的方向而定，应使秧爪的绝对轨迹基本上与地面垂直或稍向前，使秧苗垂直向下插并适量向前贴 Hs 为插秧的最大深度 fg 出土 秧爪插秧后沿 fg 轨迹出土， g 点位置及 g 点距 e 点的距离应按 v的方向和大小而定，应使绝对运动轨迹中的 f g 段在 e f 之后，使秧爪从以插苗后出土，e g 的距离不宜过大以避免插孔过大而产生飘秧 ga 回程 应避开秧 门和秧帘 图 4 曲柄连杆机构控制的秧爪运动轨迹 1 秧爪 2 推秧器 秧爪尖相对运动轨迹 秧爪尖绝对运动轨迹 推秧器相对运动轨迹 推秧器绝对运动轨迹 nts - 15 - 表 2 往复式秧爪运动轨迹的参数 秧苗类别 带土苗 100150mm 栽插穴距 准备入帘的高度 h1 入帘高度 h2 离地高度 h3 插秧深度 h4 轨迹的最大高度 H 最高点距入土点宽 b1 入帘点距入土点宽 b2 插秧至最深点后移量 b3 出土点至入土点距离 b4 回程距秧门宽 b5 122、 137、 157 可调 14 30 224 20 可调 288 28 16 可调 5 1 16 图 5 秧爪运动轨迹图 nts - 16 - 4.4.1 秧爪排运动机构的设计 秧爪排的设计如表 3 所示 表 3 秧爪排的设计 序号 设计内容 计算公式及数据 计算结果及说明 1 画出设想秧爪的运动轨迹 轨迹高度 H
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