单行蔬菜钵苗自动移栽机的取苗装置设计开题报告.doc
蔬菜钵体苗自动移栽机取苗装置设计含开题、proe三维及24张CAD图
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开题报告班 级姓 名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
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