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目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 .绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2宽窄行分插机构的发展状况 . 1 1.3 课题研究内容 . 4 1.4 本章小结 . 5 第 2 章 .宽窄行分插机构设计的分析 . 6 2.1宽窄行插秧达到的效 果和机构工作原理 . 6 2.1.1 宽窄行分插机构达到的效果 . 6 2.1.2 分插机构的工作原理 . 6 2.2宽窄行分插机构的运动要 求 . 8 2.3 分插机构的数学建模及参数确定 . 9 2.3.1非圆锥齿轮齿轮节曲线表示 . 9 2.3.2求解共轭非圆锥齿轮节曲线 . 10 2.3.3分插机构空间轨迹模型构建 . 11 2.3.4分插机构参数分析及优化 . 13 2.4 本章小结 . 19 第 3 章 . 分插机构 行星轮系 的建模与仿真分析 . 20 3.1不完全非圆锥齿轮的齿廓设计及三维造型 . 20 3.2 分插机构不完全非圆锥齿轮行星系的建模 . 21 3.3不完全非圆锥齿轮行星轮系的仿真分析 . 22 第 4 章 . 插秧机 分插机构 的三维建模及二维图纸设计 . 23 4.1 箱体的结构设计 . 24 4.2 栽植臂机构设计 . 25 4.3 各零部件的二维图纸生成 . 26 4.4 分插机构零件设计的注意问题 . 28 第 5 章 . 论文总结 . 29 5.1 论文总结 . 29 5.2 插秧机分插机构的发展前景 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 32 浙江理工大学毕业论文 1 第 1 章 .绪论 1.1 前言 中国 是一个农业大国，而水稻是我国主要的粮食作物。 要实现农业现代化必须要实现农业机械化。中国 目前 的农业机械化水平还不高，目前只有 48.8%， 中国的农业装备制造业 只有 持续稳定快速发展，产品国际竞争力与科技创新能力 才会逐步 跨入世界先进行列。节能减排和低碳经济发展模式 成为提升物质装备和改变发展方式的优先战略。 “ 十二五 ” 中国农业机械化发展形势分析中提到农作物耕种收综合机械化水平将要稳步提升 2 3个百分点，到 2015年达到 60%以上。水稻栽植 、 收获机机械化，玉米收获机械化进入提速发展期。其中水稻种植的机械化必须要大力发展，水稻合理的栽植能够有效地提高水稻产量 1-2。 水稻机械化中最重要的是水稻插秧机，水稻插秧的机械化能够提高生产效率。现如今大多数的农村 青壮年劳动力都离开农村到城市务工，农村劳动力 数量和水平都持续 下降，所以提高水稻插秧的机械化 水平 尤为重要，因此插秧机的发展是目 前发展的重点。而水稻插秧机中的分插机构决定了插秧机的性能。目前 世界范围内的分插机构均为均匀行插秧，由于均匀行插秧容易导致秧苗的通风效果 差，容易造成水稻 的病虫害，还有由于均匀插秧造成的 光 照不充足的问题，都 会大 大影响水稻的 产量。 因此宽窄行插秧 的种植方法 在我国 显得尤为重要，利用插秧行距不同来 改善通风减少病虫害，提高粮食产量。 同时 有助于减少农药的使用，对环境的保护会起到很大的作用。 1.2 宽窄行分插机构的发展状况 浙江理工大学的赵匀教授领导课题组研究开发了一系列宽窄行分 插机构 。 1.步行式偏心 -变位齿轮行星轮系宽窄行分插机构，如图 1.13所示 ： 偏心 -变位齿轮行星轮系后插式分插机构其主要结构是偏心变位齿轮传动结构只对中间齿轮变位，太阳轮和行星轮为偏心圆齿轮。该 偏心 -变位 齿轮行星轮系由两个全等偏心圆齿轮、一个 与其 共轭 的偏心变位 齿轮和一个行星架构成 。由异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 2 于偏 心齿轮和共轭偏心变位齿轮啮合，引起传动比的非匀速变化，从而使得行星轮相对行星架作非匀速转动。行星轮随着行星架绕回转中心作圆周运动，同时相对行星架作非匀速转动，行星轮的绝对运动是这两种运动的复合运动。通过键、行星轮轴与行星轮固结的一对栽植臂和行星轮作相同的复合运动。 插秧机 由传动箱 1、齿轮箱 15、 16 和栽植臂部件 17、 18 组成。通过一套锥齿轮 圆柱直齿轮 锥齿轮斜置式逐级啮合的变向传动机构，使安装在输出轴 13、 14 上的分插机构齿轮箱 15、 16 转动方向相对于传动箱的成 角度，从而使栽植臂部件17、 18 在相对于插秧机前进方向的倾斜平面内运动。该机构能保证在取秧位置不变、取秧口等距分布前提下使得插秧位置形成农艺要求的宽窄行分布。 1.传动箱 2.输入轴 3、 4.输入锥齿轮 5.中心轴 I 6、 7.直齿圆柱齿轮 8.中心轴 II 9、 11.二级输入锥齿轮 10、 12.输出锥齿轮 13、 14.输出轴 15、 16.传动箱 17、 18.栽植臂部件 图 1.1 步行式偏心 变位齿轮行星系分插机构 2.一种万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构，如图 1.24 所示， 1.第一链轮 1.第二链轮 3.链轮轴 4.右万向节 5.右法兰 6.右行星架 7.右太阳轮 8.右万向节输出轴 9.右调整垫片 10.上右中间齿轮 12.上右行星齿轮 13.上右行星齿轮 14.上右栽植臂 15.秧针 17.下右中间齿轮 18.下右行星齿轮 19.下右行星轮轴 20.下右栽植臂 图 1.2 万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构 浙江理工大学毕业论文 3 万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构工作原理 ， 动力由第一链轮通过链条传到第二链轮，第二链轮固结在链轮轴上，链轮轴两侧分别安装结构相同的左右传动箱，装在左右传动箱体上下侧的栽植臂；其特征在于：右传动箱结构 是链轮轴右侧通过万向节使右万向节输出轴与链轮轴成一斜角。右万向节输出轴的右端与右行星架固接，在右行星架内，右太阳轮通过轴承支撑在右万向节输出轴上，并通过右法兰，右调整垫片与右万向节右端传动箱体上的法兰固定连接，右太阳轮经上下右中间齿轮分别与各自上下右行星齿轮连接，与上下右行星齿轮固定连接的上下右行星轮轴分别连接各自的上下右栽植臂。其特征在于：所述的右行星架与链轮轴倾斜布置，使得分插机构 中 秧针的工作平面与链轮轴之间有 一个 倾斜 角度，该倾斜角度使 秧针的插秧位置在取秧位置的右面侧移 、 偏移 一定的 距离 ， 以实现宽窄不同的 变行距插秧。 3.一种宽窄行水稻插秧机齿轮传动分插机构，如图 1.35： 1.中心轴 2.右中心偏心齿轮 3.右传动箱 4.右上中间轴 5.右上第一中间齿轮 6.右上行星轴 7.右上第一行星偏心齿轮 8.右上行星圆柱齿轮 9.右上第二轴套 10.右上推秧弹簧座 11.右上栽植臂座 12. 右上推秧弹簧 13.右上被动锥齿轮轴 14. 右上被动锥齿轮 15. 右上栽植臂座 16.右上主动锥齿轮 17.右上推秧凸轮 18.右上第一轴套 19.右轴套 20.右上第二中间齿轮 24.右下第一中间齿轮 25.右下第二中间齿轮 26.右下中间轴 27.右下行星轴 28.右下第一行星偏心齿轮 29.右下第二行星圆柱齿轮 30. 右下第二轴套 31.右下第一轴套 32.右下推秧凸轮 33.右下主动锥齿轮 34.右下栽植臂座 35.右下被动锥齿轮 36.右下被动锥齿轮轴 37.右下推秧弹簧 38. 右下推秧弹簧座 39 右下栽植臂 图 1.3一种宽窄行水稻插秧机齿轮传动分插机构 一种宽窄行水稻插秧齿轮传动分插机构，包括传动箱，传动部件中的中心轴左右两端分别固结有内部结构相同的左右传动箱，伸出左右传动箱外的四根行星异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 4 轴分别安装栽植臂部件 以右边为列：固定在中心轴的右端的右传动箱体内，空套在中心轴上的右 中心偏心齿轮通过右轴套与机架固定连接，右上 、 右下 、 中间轴上分别固定安装有右上右下第一中间齿轮和右上右下第二中间齿轮。右上 、 右下行星轴上分别固定安装右上，右下第一行星偏心轮 和空套右上，右下第二行星圆柱齿轮，右中心偏心齿轮分别与右上右下第一中间齿轮啮合，右上 、 右下第一中间齿轮分别与右上右下第一 行星偏心轮系啮合，右上 、 右下行星轴的一端通过轴承在右传动箱体的座孔内，伸出右传动箱体外的另一端分别与右上右下栽植臂座固结，在右上右下栽植臂座内，通过轴承空套在右上，右下行星轴上的右上右下主动锥齿轮分别通过右上右下第一轴套与右传动箱体内的右上右下第二行星圆柱齿轮固接，通过轴承空套支撑在右上，右下第一轴套上的右上右下推秧凸轮通过伸出右上右下栽植臂的右上右下第二轴套与传动箱体固定连接，与右上右下主动锥齿轮啮合的右上右下被动锥齿轮固定在右上右下被动锥齿轮轴的下端，右上右下被动锥齿轮轴通过轴承支撑在右上右下栽植臂，右 上右下栽植臂座的座孔内，右上右下被动锥齿轮轴的上端固定右上右下栽植臂，右上右下栽植臂通过轴承空套在右上右下栽植臂座垂直于右上右下行星轴方向的箱体上。 1.3 课题研究内容 （ 1） .以高速非 圆锥齿轮 宽窄行插秧机为基础，设计出不完全非圆锥齿轮行星系机构，分插机构左右对称，先以一边作为研究对象，机构示意图如图 1.4 1.中间斜齿轮节曲线 2,6.被动斜 齿轮 节曲线 3,7.中间不完全非圆锥齿轮 4,8.行星轮 5,9.秧针 图 1.4分插机构示意简图 （ 2） . 基于 D-H 变换矩阵，列出行星轮系各重要点的关联矩阵，从而得到分插机构秧针的运动轨迹矩阵 6 。利用 Matlab 编写设计 程序。然后通过软件对浙江理工大学毕业论文 5 所设定的宽窄行分插机构的插秧 轨迹，运动特性等进行分析和设计，以达到所需的各种要求，使其能满足 于高速 宽窄行 插秧机 的插秧要求 ； （ 3） .利用 非 圆锥齿轮齿廓 计算程序获得齿廓线，并 通过 NX三维建模将 齿轮的三维模型建造出来，然后将其他零件进行三维造型，进行装配 、仿真 。 1.4 本章小结 （ 1） 在我国进行高速 水稻插秧机分插机构研究的重要性 。 （ 2） 综述宽窄行分插机构的发展状况， 介绍 几种 宽窄行分插机构的工作原理，以及插秧机构的发展趋势 。 （ 3）课题研究的主要工作。 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 6 第 2 章 .宽窄行分插机构设计的分析 2.1 宽窄行插秧达到的效果 和机构工作原理 2.1.1 宽窄行 分插机构达到的效果 适当的插秧密度是水稻获得高产的重要因素。生产上要求水稻个体与群体都要发挥良好，这样能充分利用空间、光能、养分、二氧化碳等条件，能够发挥增产潜力，实现稳产高产的目的。宽窄行插秧能够实现这一目标，宽窄行的插秧效果图如图 2.1 3 所示，均匀行插秧如图 2.2所示： 1.等行距秧门 2.轨迹 3.土地 4. 秧苗 1.等行距秧门 2.轨迹 3.土地 4. 秧苗 图 2.1宽窄行插秧示意图 图 2.2等行距插秧示意图 从示意图可以看出，宽窄行插秧更能使秧苗的通风性、光照性能增强，加强秧苗的光合作用 ，并能够 有效 利用市场上现有插秧机 的秧门，减少机器改进的成本，有助于新型插秧机的推广 。 2.1.2 分插机构的工作原理 本文设计的不完全非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构的机构简图如图2.3所示。 浙江理工大学毕业论文 7 图 2.3模型示意图 由于该分插机构作业时呈左右对称布置，因此以右分插机构为例介绍其工作原理。该机构共由 7个齿轮组成，中间 3个齿轮（ 17、 4、 11）为斜齿圆柱齿轮，而中间齿轮 12、 8和行星齿轮 14、 6为奇异锥齿轮。分插机构动力由插秧机动力驱动箱 21 内的主动链轮或锥齿轮 19 经链条或传动轴 18 传递到中心链轮或锥齿轮 1上，带动中心轴 2 转动，中心轴 2带动左、右齿轮箱 16转动，在齿轮箱 16内，空套在中心轴 2 上与传动箱 21 固定的右中心 齿轮 17 与右中间齿轮 4、 11啮合，右中间异形锥齿轮 8、 12与右中间齿轮 4、 11同轴安装，且与右行星异形锥齿轮 6、 14、啮合，右行星异形锥齿轮 6、 14 与右中间异形锥齿轮 8、 12之间的轴交角为不等于 90 度的一个小角。当右行星异形锥齿轮 6、 14 随右行星轴5、 13 相对右齿轮箱 16 转动时，带动右栽植臂 7、 15 反向转动，由于右行星异形锥齿轮 6、 14 与右中间异形锥齿轮 8、 12 之间的轴交角并不等于 90 度，因此左、右栽植臂 7、 15 的转动平面与右齿轮箱 16 的转动平面不是平行平面，引起右栽植臂 7、 15上的秧针在取秧后，其插秧点 相对于取秧点向左或向右偏移相应距离。右栽植臂 7、 15 的转动使右拨叉围绕固定的右凸轮（固定在右齿轮箱 16上）摆动，在取秧前右拨叉经过右凸轮的上升段而抬起，将右推秧杆提高至最高点，同时压缩推秧弹簧；在取秧到插秧前，右拨叉处于右凸轮的最高位置保持段；当秧爪到达插秧位置，拨叉转至凸轮缺口，推秧弹簧回位推动推秧杆向下快速运动，将秧苗推入土中。从而顺序完成了水稻秧苗的取秧、插秧动作，实现水稻秧异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 8 苗的机械化宽窄行移栽。 2.2 宽窄行分插机构的运动 要求 宽窄行分插机构的绝对运动轨迹是当插秧机有一个向前的速度是秧针相对地面的轨 迹；相对运动轨迹为秧针相对于太阳轮的运动轨迹。分插机构的工作过程如下 8-9: （ 1）取秧过程：秧针从运行到碰触到秧苗开始到将秧苗从秧毯上取下的过程，这过程要求秧针尽量减少伤害秧苗，这样缩短秧苗的返青时间，有利于秧苗的成长，使水稻产量增加。这要求秧针取苗的时候是垂直秧门下去，这样不会伤害到其他的秧苗。所以在取秧过程的轨迹应该和秧门垂直。取秧时秧爪与水平线的夹角 ( 取秧角 ) 应在 5 25; （ 2）送秧过程：是指取完秧后到开始推秧的这段过程，秧苗从秧毯被取下来在秧针上随着分插机构旋转，从垂直秧盘到旋转到一 定角度，以便方便插秧。 （ 3）插秧过程：是将秧苗插入到地里的过程，这过程需要秧苗保持一定的直立度要使秧苗和地面的角度保持在 8090度之间，这需要轨迹在插秧阶段形成的穴口适合。轨迹的穴口长度为 20 30 mm, 过大会导致所插秧苗倒伏或漂秧 ;增加秧苗的返青时间，不利于水稻增产。推秧时秧爪与水平线的夹角 ( 推秧角 ) 应在 60 80 ,即取秧角与推秧角的角度差约为 50 60 。 （ 4）空运行过程：由于插秧机往前运动，在空运行过程中要求插秧机不能将秧苗推到，这将有利于秧苗的成长，以减少返青时间。回程轨迹要有向上的趋势 , 避免有太向前的趋势 , 以免秧爪碰伤已插秧苗。 对分插机构的工作过程有 以下的轨迹要求： 第一，宽窄行分插机构的相对运动轨迹要满足宽窄行插秧的目的，宽窄行分插机构相对运动轨迹主要是通过取秧点和插秧点位置在行向上产生偏移量来达到宽窄行插秧的目的。这就是说秧针针尖形成的轨迹在 Z 轴方向上要有偏差值。栽植臂轴心轨迹不能与已插秧苗的中底部位接触， 以免碰伤秧苗； 两栽植臂在插秧过程 中不能发生运动干涉。 第二，宽窄行分插机构的相对运动轨迹要满足 “腰子 形”，因为只有满足这种形状的时候能满足以上的插秧的要求。 浙江理工大学毕业论文 9 2.3 分插机构的数学建模及参数确定 2.3.1 非圆锥齿轮齿轮节曲线表示 利用统一的曲线表达式实现不同齿轮节曲线的数学表示是齿廓数据计算首要解决的一个问题，鉴于 Nurbs对自由曲线形状表达的灵活性可以满足不同形状齿轮的设计需要，故采用 Nurbs曲线拟合再现节曲线。 1.Nurbs 曲线表达式 给定 n+1 个控制点 P0,P1, ,Pn，节点矢量 U=u0,u1,u n+k+1和权因子W0,W1, .,Wn， k 次 Nurbs 曲线可以由分段有理 B 样条多项式基函数定义为： ,00( ) ( ) ( )nni i i k i i kiiC u W P N u W N u 权因子 Wi与控制点 Pi相联系且为非负值，当 Wi 等于 0时， Pi 将不影响曲线C(u)的计算， Ni,k(u)是 k 次 B 样条基函数 14-16，其递推公式为： 1,01, , 1 1 , 1111()0( ) ( ) ( ) iiii i ki k i k i ki k i i k iif u u uNuo th e ru u u uN u N u N uu u u u 由于三次 Nurbs 曲线可以满足节曲线上各点的二阶连续性，故取 k 为 3，则首末节点的重复度为 k+1=4，即 u0=u1=u2=u3,un+1= un+2= un+3= un+4。 若给定一组数据点 Qi (i=0,1q) 作为拟合节曲线的型值点，即节曲线上的若干点，则 Qi对应的节点为 u3+i(i=0,1q) ，加上首末重复节点后，曲线的节点矢量为 u0, u1, u2, u3, ， u3+q, u3+(q+1), u3+(q+2), u3+(q+3)，节点定义域为 0,1。由于节曲线为封闭曲线，定义领域内的节点 u3,u3+q可以利用弦长法确定各个节点值，定义域外的节点 (u0,u1,u2)和 (u3+(q+1), u3+(q+2), u3+(q+3)可以分别定义为 （ uq+1-1,uq+2-1,uq+3-1） 和（ u3+1,u4+1,u5+1） 。另外，非圆锥齿轮节曲线上各点的权重一致，为了简化计算可以取 Wi=1。 2.控制点反求 在已知若干型值点的条件下拟合节曲线的关键是反求相应的控制点，并利用控制点包容方法获取封闭的球面节曲线，即让首末 3 对控制点按顺序环绕重合。根据给定的型值点数 q+1，确定曲线的控制点数为 q+k，结合控制点条件 P0=Pn-2, P1=Pn-1, P2=Pn 和型值点条件 Q1=Qn-1 可以建立控制点的求解方程： 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 10 -101 110 11 122 22 21 ( 1 ) ( 2 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) 10110011 0n nn n n n n n n nnPP Qa a aP QP QP a a a QP 其中： aij 由递推公式 (1)确定， Qi 为型值点数据。 通过上述方法可求解得到根据给定的型值点拟合得到的封闭非圆锥齿轮节曲线。 2.3.2 求解共轭非圆锥齿轮节曲线 非圆齿轮设计的首要问题是其节曲线的设计，节曲线实际上是一对相互啮合且运动时两者之间为纯滚动的封闭共轭曲线。非圆齿轮的传动比即为齿轮的角速度比值。因此本文通过以求出的传动比函数以及给定非圆齿轮中心距的方法求出非圆齿轮的节曲线。 可知齿轮的节曲线方程为： 121210/ (1 )/l a il a ll l d 式中： l1 为传动比 i 对应的主动轮节曲线向径 ， l2 为传动比 i 对应的从动轮节曲线向径， a 为非圆齿轮中心距。 现给定 非圆锥齿轮 传动的中心距 A1。 由于传动比 i1 为非定值，所以 A 值很难确定。现在假设 非圆锥齿轮 传动的中心距为 A1=R1/2，由上述步骤可以得到主动非圆锥齿 轮 1 的封闭节曲线，但此时得到的从动轮节曲线不能闭合。在保证l1 和 1 的值不变，通过调整中心距 A1，来调整从动轮的节曲线的闭合程度。设置误差范围为 ，当主动轮旋转一周后，从动轮的旋转角位移满足 -2时，则可以认为从动轮闭合。 通过此方法 完成对 非圆锥 齿轮 节曲线及其 中心距 A1 的优化 ，如下图所示： 图 2.4 非圆齿轮节曲线示意图 浙江理工大学毕业论文 11 2.3.3 分插机构空间轨迹模型构建 以物理坐标原点作为机构坐标原点，建立参考坐标系 Oxyz，规定机构顺时针方向为负，利用 Denavit-Hartenberg 矩阵变换将分插机构坐标原点系逐步变换到秧针尖点的方法实现轨迹建模。 其中，各位置的变换矩阵如下所示： 01 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 1E 0E 为参考坐标系的位置和方向矩阵。 参考坐标系 Oxyz 与坐标系 Ox1y1z1 的关联矩阵为 ： 1c o s sin 0 0sin c o s 0 00 0 1 00 0 0 1E其中， 为分插机构行星架的初始安装角，坐标系 Ox1y1z1 中的 x1 轴转过 角后与机架初始位置平行， z1 与 z 轴同轴。 坐标系 Ox1y1z1 与坐标系 Ox2y2z2 的关联矩阵为： 11112c o s sin 0 0sin c o s 0 00 0 1 00 0 0 1E其中， 1 为行星架转角（规定逆时针转动为正）， x2 轴和机架转过 1 角后平行， z2 与 z1 轴同轴。 坐标系 Ox2y2z2 与坐标系 Ox3y3z3 的关联矩阵为： 31 0 0 00 c o s sin 00 sin c o s 00 0 0 1E 其中， 为斜圆柱齿轮的的交错角（规定逆时针转动为正）， x3 轴与 x2 轴同轴， z3 轴绕 x3 轴转过 角。 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 12 坐标系 O-x3y3z3 与坐标系 Ox4y4z4 的关联矩阵为： 140000 1 0 00 0 1 00 0 0 1AE 其中， A1 为第一节圆柱齿轮的中心距，因此，坐标系 Ox4y4z4 相对于坐标系O-x3y3z3 沿 x3 轴移动了 A1，其坐标原点与从动圆柱齿轮中心重合。 坐标系 O-x4y4z4 与坐标系 Ox5y5z5 的关联矩阵为： 5c o s sin 0 0sin c o s 0 00 0 1 00 0 0 1E其中， 为行星轮偏置角，坐标系 Ox5y5z5 通过相对于坐标系 Ox4y4z4 绕 z4轴转动 角后，使得 x5 轴与行星轮架重合。 坐标系 Ox5y5z5 与坐标系 Gx6y6z6 的关联矩阵为： 6c o s 0 sin 00 1 0 0sin 0 c o s 00 0 0 1E 其中， 为非圆锥齿轮锥角，坐标系 Gx6y6z6通过相对于坐标系 Ox5y5z5 绕 y5轴转动 角后，使得 z6轴与行星轮轴线重合。 坐标系 Gx6y6z6 与坐标系 Gx7y7z7 的关联矩阵为： 71 0 0 00 1 0 00 0 10 0 0 1E z 其中， z 为行星轴段栽植臂的长度，坐标系 Gx7y7z7 由坐标系 Gx6y6z6 沿着 z6轴平移 距离 z 得到。 坐标系 Gx7y7z7 和 Gx8y8z8 的关联矩阵为： 81 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 1xE 浙江理工大学毕业论文 13 其中， x 为中间段栽植臂的长度，坐标系 Gx8y8z8 由坐标系 Gx7y7z7 沿着 x7轴平移 x 的距离得到。 坐标系 Gx8y8z8 和 Gx9y9z9 的关联矩阵为： 91 0 0 00 1 00 0 1 00 0 0 1yE 其中， y 为中间段栽植臂的长度，坐标系 Gx9y9z9 是由坐标系 Gx8y8z8 沿着轴y8 平移 y 的距离得到。 将上诉的关联矩阵连乘得到： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 0 0 1x x x xy y y yz z z zn s a gn s a gG E E E E E E E E E En s a g其中， gx， gy， gz是秧针尖点的轨迹点坐标。 对分插机构秧针运动轨迹的数学矩阵模型建立好后，将关联矩阵输入Matlab就可以通过 Matlab 程序编译轨迹运动程序，从而定量分析轨迹，选择最优组数据。通过编程得到如下轨迹： 图 2.5 数学模型得到的轨迹 2.3.4 分插机构 参数分析及优化 1.目标参数对轨迹的影响 可知行星轮系模型的建立的主要参数是给定非圆锥齿轮的 13 个型值点，然后根据这 13 个型值点得到 共轭的齿轮节曲线。因此可以确定，非圆锥齿轮节曲线的形状将直接影响到插秧轨迹的形成。通过对程序参数的优化，可以确定某些异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 14 对插秧轨迹影响较大的型值点的数据，如表 2.1 所示为型值点 12 到转动中心的值对轨迹形状以及指标的影响。 表 2.1 型值点 12 到转动中心值 r 的距离变化与轨迹指标变化表 型值点 4 到转动中心的值 r（ mm） 推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的差值（度） 取秧 Z 方向偏移量 6 64.7 6.1 58.6 1.0 8 74.5 22.1 52.4 1.5 10 85.7 22.8 62.9 2.1 同时通过 r 的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到主要的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图分别在 x-y 和 y-z 平面上投影，进一步形象的表达出。如图 2.6、 图 2.7变化 : 图 2.6 r 值的改变与轨迹在 x-y面上变化 图 2.7 r 值的改变与轨迹在 y-z面上变化 从图 2.6 中看出随型值点 12 到转动中心的值的改变， z 轴方向轨迹偏差值变化比较大，而且轨迹的总高度变化也很大，因此通过调节型值点 12 到转动中心的值可以调节插秧轨迹的形状而渐渐的满足插秧的要求。 秧针的参数对轨迹的影响：随着秧针的距离加大，通过编程得到一组数据将数据制成表格 ,如表 2.2所示。 浙江理工大学毕业论文 15 表 2.2 秧针距离变化与轨迹指标变化表 JK 的值（度） 推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的差值（度） z 轴方向轨迹偏差值 150 75 26 49 53 160 75 23 52 56 170 75 20 54 60 同时通过秧针的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到主要的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图在 x-y和 y-z平面上投影，进一步形象的表达出。如图 2.8和图 2.9变化所示： 图 2.8 秧针的距离与轨迹在 x-y面上变化 图 2.9 秧针的距离与轨迹在 y-z面上变化 从上面两张图可以观察出当栽植臂长度增加时，轨迹的变化不是很明显， z轴方向轨迹偏差值从表中和图中可以看出，栽植臂长度的变化对轨迹的影响不是很大，同时说明长度的变化对插秧的效果影响不大。 非圆锥齿轮锥半径 R对轨迹的影响：取不同的 R值通过编程得到一组数据将数据制成表格 ,如表 2.3所示： 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 16 表 2.3 R 的值变化与轨迹指标变化关系表 R 的值（度） 推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的差值（度） z 轴方向轨迹偏差值 150 85.6 25.0 60.6 60.1 200 85.6 22.4 63.2 51.3 250 85.7 22.8 62.9 45.8 通过 R的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到主要的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图分别在 x-y和 y-z平面上投影，进一步形象的表达出。如图 2.10， 图 2.11变化所示。 图 2.10 R的值变化对轨迹在 x-y面上影响 图 2.11 R的值变化对轨迹在 y-z面上影响 图中可以观察出 R 的变化对轨迹形状影响不大，只是分插机构尺寸变小。 R值的变化对推秧角，取秧角和 z轴方向轨迹偏差值没有什么影响。因此只要取适当 R的值就可。 行星轮偏置角 对轨迹的影响：取不同的 值，通过编程得到一组数据将数据制成表格 ,如表 2.4 所示。 浙江理工大学毕业论文 17 表 2.4 的值变化与轨迹指标变化关系表 的值（度） 推秧角（度） 取秧角（度） 推秧角与取秧角的差值（度） z 轴方向轨迹偏差值 0 66.4744 7.6792 58.7952 52.5 10 56.7078 2.38284 54.3249 54.3792 20 46.88 12.4161 34.4639 55.0558 通过 的不同数据能够得到一组不同的轨迹，从表格中可以清楚的看到主要的要求量的变化趋势，将变化趋势进行作图分别在 x-y和 y-z平面上投影，进一步形象的表达出。如图 2.12， 图 2.13变化所示。 图 2.12 的值变化对轨迹在 x-y面上影响 图 2.13 的值变化对轨迹在 y-z面上影响 从图中看出随着 值的改变， z轴方向轨迹偏差值变化很大，而且偏差角变化也很大，因此必须给出合理的 的来调节轨迹形状以及插秧的偏移量从而满足插秧的要求。 2.参数优化的结果 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 18 根据宽窄行插秧的要求，利用 Matlab 编程而所画的图形包括秧门、行星系分插机构初始位置、秧针的插秧位置、取秧点，插秧点，出土点、秧针的相对轨迹、秧针的绝对轨迹等。通过计算比较，筛选出最优数据组 ，如表 2.5。 表 2.5 最终优化的数据 符号 优化值 符号 优化值 符号 优化值 符号 优化值 r1 13 r2 16 r3 19 r4 21 r5 23 r6 25 r7 27 r8 25 r9 23 r10 18.7 13 15 r12 6 r13 13 R 150 BC 50 CD 65 DE 150 0 30 10 优化后的轨迹对比图如图 2.14所示： 图 2.14曲线对比图 得到不完全非圆锥齿轮的齿廓图如图 2.15 所示： 图 2.15不完全非圆锥齿轮齿廓图 浙江理工大学毕业论文 19 2.4 本章 小 结 分析宽窄行插秧的轨迹要求 和机构工作原理 ，基于 D-H 矩阵，通过 Matlab编出轨迹程序，并且对参数进行优化，分析参数和轨迹形状之间的关系，使轨迹能够满足宽窄行插秧的要求。 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 20 第 3 章 . 分插机构 行星轮系 的建模与 仿真 分析 分插机构是将定量的秧苗从秧毯 中取出插入土中的机构，是插秧机的核心工作部件。分插机构的性能决定插秧的质量、可靠程度和工作效率。分插机构研究主要是两个方面：一是保证插秧的效果，达到不伤秧 、 不钩秧 、 不漂秧 、 立苗好和返青快的目的；二是提高单位时间的插秧次数。 3.1 不完全非圆锥齿轮的齿廓设计及三维造型 非圆齿轮机构与凸轮机构和连杆机构等其他传统的能实现非匀速比 传动的机构相比，具有结构更紧凑，运动的精度更加高，传动过程更平稳，传动比变化范围更大，能够实现动平衡等一些优点。非圆齿轮齿廓设计理论数学计算公式往往比较复杂，齿廓啮合曲线，齿根的过度曲线，齿顶曲线以及各段曲线如何连接，都要不同的数学表达式，有些甚至不知道数学表达式，目前很难用数学公式计算非圆齿轮齿廓 16-18。 随着计算机技术的发展特别是 CAD/CAM技术的逐渐成熟并广泛应用，非圆齿轮的研究再度在日本出现研究高潮，以香取英男、山崎隆、太田浩 19-21等为代表的一批日本学者在非圆齿轮的研究领域取得了一批 令人瞩目的成就。 对于节曲线外凸的非圆齿轮则可以用展成法加工，用齿条刀具做展成运动包络出被加工齿轮的齿廓。与加工圆齿轮齿廓原理一样，非圆齿轮齿廓加工实质也是齿条刀具节曲线与非圆齿轮节曲线相切，同时做纯滚动，齿条刀具包络出非圆齿轮的渐开线齿廓。如图 3.1 11 所示： 1.主动轮 2. 从动轮 3.齿条刀具 图 3.1 齿条刀具加工非圆齿轮原理图 浙江理工大学毕业论文 21 齿轮传动在机械传动中是普遍应用的一种形式，但是 不完全非圆锥齿轮是一种新型 、刚刚起步，还不是很成熟。该齿轮的节曲线设计复杂，非圆锥齿轮综合了非圆齿轮与圆锥齿轮的特点，可以实现相交轴间变速比运动，能实现变传 动比，但是非圆锥齿轮设计复杂制造困难，而且动平衡性差。下面将 叙述分插机构的 不完全非 圆锥齿轮的三维造型。 前面 通过 Matlab 编程 已经 得到了 不完全非 圆锥齿轮的节曲线，然后通过齿廓计算软件得到了齿廓的形状 和 齿廓线的数据，将这些数据保存到文件中。 第一步：打开 UG软件，新建 一个 建模的模块。 第二步：通过命令查找器查找到“样条”，如图 3.2所示 图 3.2 图 3.3 第三步：选择菜单中的“通过点”这项，出现如图 3.3所示的对话框。 第四步：选择“文件中的点”，然后选择已经保存的齿廓线数据文件确定后，在UG建模模块中将得到一条齿廓线。 第五步：插入三条直线，线段长度为 10，长度是齿轮的厚度。 第六步：扫掠，选中齿廓线，然后选中三根引导线，进行扫掠。 第七步：插入“球”，并且进行分割面。 第八步：进行“缝合”，得到齿轮实体。 第九步：将所画的齿轮 通过啮合以及轴连接 进行装配 ，得到装配图 。 3.2 分插机构不完全非圆锥齿轮行星系的建模 在 Matlab 中找到行星轴及栽植臂的数据点的坐标值。在 UG 中点击创建点，输入各个点的坐标后确定。将每侧的点依次相连，选择圆柱命令， 方向设置沿指定点至线段的终点，直径设为 2，高度选测量后选择该段线段的长度， 完成后确定，得到行星轴、栽植臂、秧针的路径，如图 3.4所示。 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 22 图 3.4不完全非圆锥齿轮系机构 3.3 不完全非圆锥齿轮行星轮系的仿真分析 完成不完全非圆锥齿轮行星系的建模后，由于是插秧机的关键工作部件，因此需要进行仿真分析。 将建好的模型导出 Parasolid，得到 ._xt格式 的 文件。打开 ADAMS软件，导入模型，设置好单位、数值等 ,添加好各个约束、驱动，设置仿真 后运行得到秧针的轨迹符合预期要求。如图 3.5所示 。 图 3.5 不完全非圆锥齿轮系机构仿真图 图 3.6 不完全非圆锥齿轮系机构仿真 轨迹图 浙江理工大学毕业论文 23 第 4 章 . 插秧机 分插机构 的三维建模及二维图纸设计 仿真分析完成之后需要对齿轮行星系机构进行完善，在齿轮与齿轮轴之间安装花键，齿轮及齿轮轴上设计轴肩，齿轮轴上安装轴承以便与箱体配合，选择与中间齿轮齿轮轴配合的法兰等细化工作 。 得到的齿轮 、 齿轮轴 等 如图所示。 关键的齿轮系机构完成后开始进行箱体与栽植臂的结构设计。 图 4.1 太阳 轮的三维设计图 图 4.2 中间 斜齿轮的三维设计图 图 4.3 中间 不完全非圆锥齿轮 图 4.4 行星 轮 的三维设计图 图 4.5 行星轮轴 的三维设计图 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 24 图 4.6 法兰 图 4.7 右 侧的装配图 得到 的 右 侧 分插机构 的完整装配效果图如图 4.7所示 。 4.1 箱体的结构设计 箱体的主要功能： 1.支撑并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使 它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 2.箱体能够起到安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人 身 安全，并且有一定的隔振、隔热和隔音作用。3.箱体使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。 4.能够改善机器外 型，协调机器各部分比列，使整机造型美观。 分插机构的齿轮箱体在设计过程中要考虑齿轮 的 转动，要 保证 齿 轮在转动过程中不能和箱体发生干涉，还有要保证箱体的密封性，防止在插秧的过程中泥水进入箱体内 对齿轮产生破 坏。 同时箱体的大小应尽量减小，充分利用空间。 箱体分为内外两侧，两侧箱体之间 的连接要可靠，这