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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目： 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化（4）班
姓 名： 劉曉冕
學(xué) 號(hào)： B09300418
指導(dǎo)教師： 俞高紅
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
浙江理工大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明
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本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得浙江理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。
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學(xué)位論文作者簽名：
簽字日期： 年 月 日
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
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本學(xué)位論文作者完全了解浙江理工大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交本論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)浙江理工大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和傳播，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。
(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書)
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學(xué)位論文作者簽名：
簽字日期： 年 月 日
導(dǎo)師簽名：
簽字日期： 年 月 日
51
摘 要
水稻缽苗移栽是一種利用缽盤育秧的水稻移栽技術(shù)，是水稻種植過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。水稻的缽盤育秧充分保留了秧苗生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)土質(zhì)，植傷輕、返苗快，使作物提早成熟，且增產(chǎn)增收；移栽充分利用了光熱資源，對(duì)水稻秧苗有氣候的補(bǔ)償作用，同時(shí)有使作物生育提早的綜合效益，因此水稻的缽苗移栽可以產(chǎn)生非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但與其他國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)水稻種植機(jī)械化程度較低，與國(guó)內(nèi)水稻生產(chǎn)的其它環(huán)節(jié)相比，機(jī)械化程度也是最低的。因此研究一種新的水稻缽苗移載機(jī)構(gòu)，對(duì)水稻的機(jī)械化種植與高產(chǎn)高收具有非常重要的意義。
本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了一種高效率的水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分與移栽臂兩部分構(gòu)成，其中驅(qū)動(dòng)部分由非勻速間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與非勻速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成，移栽臂用于完成機(jī)構(gòu)的取秧、推秧。
本文的研究?jī)?nèi)容如下：
1.根據(jù)水稻缽苗移栽的農(nóng)藝特性與工作軌跡的要求，確定了以橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，該旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性好、效率高。
2.分析了該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與傳動(dòng)特性分析。
3通過(guò)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后得到一組較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：a=23.069mm，k=0.994，α=291°，λ=6°，δ=29°，φ0=-39°，S=152mm.
4.根據(jù)機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在CAD2008軟件中對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與各零部件的二維設(shè)計(jì)。
5.在ug8.0三維實(shí)體建模軟件中完成各零部件的建模與機(jī)構(gòu)的裝配。
關(guān)鍵詞：水稻缽苗移栽；行星系移栽機(jī)構(gòu)；橢圓－不完全非圓齒輪；參數(shù)優(yōu)化；設(shè)計(jì)；
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 transplanting—rice 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 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， α = 291°， λ = 6 °，δ = 29 °， φ0 = -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
目 錄
摘 要 2
Abstract 2
第一章 緒論 7
1.1 本文研究目的與意義 7
1.2 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況 8
1.2.1 國(guó)外發(fā)展概況 8
1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 10
1.3 研究目標(biāo)與方案實(shí)現(xiàn) 13
1.3.1 研究目標(biāo) 14
1.3.2 實(shí)現(xiàn)方案 14
1.4 本文的工作安排 16
1.5本章小結(jié) 17
第二章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 18
2.1 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理 18
2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)及相關(guān)說(shuō)明 19
2.3 橢圓齒輪－不完全非圓齒輪傳動(dòng)特性分析 20
2.3.1 橢圓齒輪－不完全非圓齒輪節(jié)曲線模型建立 20
2.3.2 傳動(dòng)比分析 24
2.4 橢圓齒輪傳動(dòng)特性分析 27
2.4.1 橢圓齒輪節(jié)曲線模型建立 27
2.4.2 傳動(dòng)比分析 28
2.5 橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立 29
2.5.1 位移方程 29
2.5.2 速度分析 31
2.5.3 加速度分析 32
2.6 本章小結(jié) 32
第三章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件的運(yùn)用 34
3.1 優(yōu)化軟件的運(yùn)用思路 34
3.2 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軟件界面 35
3.3 數(shù)據(jù)處理 36
3.4 本章小結(jié) 37
第四章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
4.1旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
4.2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 40
4.2.1 非勻速間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 40
4.2.2 非勻速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 41
4.3 移栽臂組成零件的設(shè)計(jì) 41
4.3.1撥叉的設(shè)計(jì) 42
4.3.2推秧爪與彈簧片的設(shè)計(jì) 43
4.4 本章小結(jié) 44
第五章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的三維建模 45
5.1橢圓齒輪與非圓齒輪的實(shí)體建模 45
5.1.1橢圓齒輪的三維建模 45
5.1.2非圓齒輪的三維建模 46
5.2 其他零部件的三維建模 47
5.3本章小結(jié) 47
第六章 總結(jié) 48
6.1 總結(jié) 48
參考文獻(xiàn) 49
第一章 緒論
1.1 本文研究目的與意義
水稻是我國(guó)第一大糧食作物，在糧食安全中占有非常重要的地位，在全國(guó)范圍內(nèi)將近有60%的人口以水稻為主食。我國(guó)水稻的常年種植面積約占全國(guó)谷物種植面積的30%，占世界水稻種植面積的20%，面積約為3000萬(wàn)公頃；稻谷每年的總產(chǎn)量近20000萬(wàn)噸，其重量占世界稻谷總產(chǎn)的35%，占全國(guó)糧食總產(chǎn)的40%.但是在主要糧食作物生產(chǎn)中，水稻的移栽勞動(dòng)強(qiáng)度較大，水稻種植機(jī)械化水平最低[1]。
水稻的移栽是種植過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，移栽充分利用了光熱資源，對(duì)秧苗有氣候的補(bǔ)償作用，同時(shí)有使作物生育提早的綜合效益，因此，水稻移栽產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常可觀。與其他國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)水稻種植機(jī)械化程度較低，絕大部分是移栽作業(yè)；與國(guó)內(nèi)水稻生產(chǎn)的其他工藝流程相比，機(jī)械化程度也是最低的（收獲機(jī)械化50%以上，種植機(jī)械化約12%）[2]。
目前，水稻移栽機(jī)械主要有水稻拋秧機(jī)、插秧機(jī)、缽苗栽植機(jī)，相應(yīng)的移栽技術(shù)分別為拋秧、插秧和缽苗栽植。其中，水稻拋秧技術(shù)栽植淺、植傷輕、返苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、淺層根分布廣，提早成熟，且增產(chǎn)增收[3]，但是拋秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影響緩苗，進(jìn)而影響產(chǎn)量；與拋秧技術(shù)相比，水稻插秧方式可以保證栽植秧苗有較好直立性，但與拋秧移栽采用缽盤育秧不同，插秧技術(shù)采用毯狀秧苗，毯狀苗幾乎不能保留秧苗的成長(zhǎng)土質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，插秧時(shí)秧苗斷根多，緩苗期較長(zhǎng)，要10天左右；而水稻缽苗栽植技術(shù)也采用缽盤育秧，綜合了以上兩種水稻移栽方式的所有優(yōu)點(diǎn)，克服了不利的因素，缽苗栽植直立性好，無(wú)緩苗期，增產(chǎn)明顯，成為當(dāng)今水稻機(jī)械化移栽技術(shù)的研究重點(diǎn)。
另外，目前超級(jí)稻種植都是采用手工移栽，要求每穴種植1到2株秧苗，用現(xiàn)有的毯狀苗插秧種植方式根本無(wú)法滿足此精準(zhǔn)移栽要求；用水稻拋秧移栽技術(shù)，難以保證移栽秧苗的直立性，影響產(chǎn)量；而用本課題提出的水稻缽苗移栽技術(shù)，即可以解決超級(jí)稻機(jī)械化種植需要每穴1到2株苗，又可以保證移栽秧苗的直立性要求，有利于超級(jí)稻種植的推廣。
水稻缽苗移栽是一種高產(chǎn)的水稻移栽技術(shù)。具有壯苗淺栽、緩苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、有效分蘗多、根系發(fā)達(dá)、提早成熟增產(chǎn)增收等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)深受農(nóng)民歡迎。水稻缽苗移栽在保證移栽缽苗的直立度后（與水平面夾角不低于60度），缽苗移栽方式較插秧方式增產(chǎn)10%-15%，因此增產(chǎn)效果明顯。日本研究出的水稻缽苗移栽機(jī)（又稱水稻缽苗擺栽機(jī)）價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且又是采用半硬塑膠穴盤，成本高，育苗要求也高，使想迫切改變手工勞作并提高稻谷產(chǎn)量的廣大農(nóng)村農(nóng)民望而卻步，黑龍江墾區(qū)五年前曾引進(jìn)日本的兩種水稻缽苗擺栽機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，到現(xiàn)在一直也沒有推廣，不適合中國(guó)國(guó)情。近幾年來(lái)，我國(guó)吉林省有幾家企業(yè)一直在研究水稻缽苗移栽機(jī)，并進(jìn)行了小規(guī)模的應(yīng)用推廣，基本能夠保證移栽缽苗有較好的直立度。其移栽機(jī)構(gòu)采用多桿式移栽機(jī)構(gòu)，移栽效率低，單行效率只有80株/分鐘左右，由于多桿式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，移栽效率很難再提高了。其移栽效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于步行式插秧機(jī)的插秧效率，更不用說(shuō)與高速插秧機(jī)相比。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)水稻缽苗移栽技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，滿足廣大農(nóng)民的對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)械化的需求，研究出一種新型高速水稻缽苗移栽機(jī)，具有非常重大的科學(xué)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。具有取苗與移栽苗功能的移栽機(jī)構(gòu)，作為水稻缽苗移栽機(jī)的核心工作部件，已經(jīng)成為制約高速水稻缽苗移栽機(jī)械發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題，開展該移栽機(jī)構(gòu)理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究已迫在眉捷[4－8]。
本課題通過(guò)開展水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理分析，依托課題組多年研究水稻種植機(jī)械的研究平臺(tái)，對(duì)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)明一種新型的高速水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，并建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論與方法，將促進(jìn)我國(guó)水稻缽苗移栽技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的研究能夠?yàn)楦咚偎纠徝缫圃詸C(jī)的研究、開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)參考，將直接指導(dǎo)水稻缽苗有序移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，特別是水稻缽苗移栽方式非常適合于超級(jí)稻的機(jī)械化種植，有利于促進(jìn)超級(jí)稻種植的推廣，提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究水平。因此，開展本課題研究，不僅具有重要的科學(xué)意義，也具有重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
1.2 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況
自水稻拋秧或擺秧技術(shù)的應(yīng)用以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的很多專家學(xué)者開始對(duì)有關(guān)水稻缽苗移栽機(jī)械展開了研究，其中從事這方面研究的主要國(guó)家是日本和中國(guó)。
1.2.1 國(guó)外發(fā)展概況
日本是水稻移栽機(jī)械化方面程度最高的國(guó)家，在工業(yè)化的完成進(jìn)程中，日本逐步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化的水稻種植[9－12]。根據(jù)有關(guān)資料顯示，黑龍江省曾分別引進(jìn)日本井關(guān)農(nóng)機(jī)公司和實(shí)產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的水稻缽苗擺栽機(jī)，如圖1.1（a）所示，該擺栽機(jī)一次可栽6行，采用半硬塑膠缽盤育秧苗，缽盤中的每個(gè)缽穴是上粗下細(xì)的圓錐杯，杯的底部有一小孔。采用的取苗方式為從半硬塑膠缽盤底部將秧苗頂出，其工作過(guò)程示意如圖1.1（b）所示。頂桿對(duì)準(zhǔn)小孔有兩種形式：一種是頂桿平移，另一種是缽秧盤平移。從結(jié)構(gòu)發(fā)明的角度看，機(jī)構(gòu)作用于土缽，土缽是固體，個(gè)體差異小，工作可靠，但是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是直線間歇運(yùn)動(dòng)。需要一套完成精確移動(dòng)定位的機(jī)構(gòu)，加工精度要求高，機(jī)構(gòu)磨損后容易頂偏，造成塑料秧盤損壞，有時(shí)缽苗的秧根掛住缽盤，造成秧苗脫離不成功，這對(duì)育秧要求比較高。通過(guò)分秧供秧機(jī)構(gòu)，將頂出的缽苗水平分送至兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)分插部件，然后由旋轉(zhuǎn)分插部件將水平放置的缽苗轉(zhuǎn)換成垂直的方式入土，完成缽苗的田間擺栽作業(yè)。該擺栽機(jī)能夠成行擺栽帶缽秧苗，具有株距準(zhǔn)確、均勻性好、作業(yè)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。但擺栽機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對(duì)整地和育秧的質(zhì)量要求較高，同時(shí)半硬塑膠穴盤成本也高，從國(guó)內(nèi)引進(jìn)試驗(yàn)來(lái)看，并不適合我國(guó)國(guó)情。
1.秧盤移動(dòng) 2.秧盤靜，啟動(dòng)頂桿 3.頂桿推出缽秧
（b）機(jī)構(gòu)頂秧過(guò)程
圖1.1 日本的水稻缽苗擺栽機(jī)
如圖1.2所示為日本洋馬農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的竹山智洋發(fā)明的另 一種缽苗移栽機(jī)（專利號(hào)為：ZL200480007602.4）[13]，該移栽機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝 置和兩個(gè)移栽爪組成。該移栽機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置由兩套行星輪系機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成， 其中回 轉(zhuǎn)箱相當(dāng)于行星架，第一回轉(zhuǎn)箱內(nèi)包含9個(gè)齒輪（其中有2個(gè)是扇形齒輪）
和一 套擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，第二回轉(zhuǎn)箱有5個(gè)齒輪。第二回轉(zhuǎn)箱與第一回轉(zhuǎn)箱中的行星輪固接，由第二回轉(zhuǎn)箱內(nèi)的行星軸輸出運(yùn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)移栽爪來(lái)實(shí)現(xiàn)取苗和移栽苗動(dòng)作。該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造成本比較高，而且可靠性不高，所以該水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)未能得到實(shí)際應(yīng)用。
圖1.2 缽苗移栽機(jī)構(gòu)
1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況
我國(guó)在90年代后期，水稻缽體育秧技術(shù)有了較大的發(fā)展，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)、八一農(nóng)墾大學(xué)等院校都開始進(jìn)行缽體育秧技術(shù)與移栽技術(shù)研究。我國(guó)目前的有序缽苗移栽機(jī)構(gòu)有較
多種方式，現(xiàn)介紹幾種如下：
1)對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制了一種型為2ZPY—H530的水稻缽苗行栽機(jī)，該行栽機(jī)采用對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水稻穴盤育苗的自動(dòng)拔秧，機(jī)構(gòu)如圖1.3所示。該機(jī)構(gòu)的輸秧拔秧裝置 要由輸秧輥4、壓秧板6、上拔秧輥8和下拔秧輥9等組成。其工作原理是：
1.機(jī)架 2.托盤 3.撥桿 4.輸秧輥 5.秧苗
6.壓盤板 7.支座 8.上拔秧輥 9.下拔秧輥
圖1.3 對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)
缽苗通過(guò)人工放在托板上，然后喂入到輸秧輥4上，按一定傳動(dòng)比拔秧輥帶動(dòng)輸秧輥4轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)上下拔秧輥8、9的夾秧板對(duì)接時(shí)，通過(guò)夾秧板外緣彈性材料的變形產(chǎn)生夾緊力，夾持上下拔秧輥中間的缽苗并帶動(dòng)其一起運(yùn)動(dòng)，最后使得缽苗與缽盤脫離；上下拔秧輥轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，夾秧扳松開、缽苗落入導(dǎo)苗管，完成拔秧工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，培育秧苗時(shí)缽盤的濕度對(duì)拔秧力影響較大，而且缽苗在拔秧輥釋放缽苗后沿導(dǎo)苗管滑落入水田中，很難控制移栽秧苗的直立度，秧苗容易倒伏，會(huì)影響緩苗作業(yè)，并且效率低。
2)機(jī)械手式拋秧機(jī)構(gòu)
1.秧鉗 2.壓縮彈簧 3.壓縮桿 4.秧鉗固定套 5.固定凸輪 6.滾筒 7.開閉凸輪 8、9.擋鐵 10.秧盤
圖1.4 機(jī)械手式拋秧機(jī)構(gòu)
如圖1.4所示為八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)計(jì)的機(jī)械手式拋秧機(jī)構(gòu) [17]。其工作原理：秧鉗的固定套4與滾筒6為剛性聯(lián)接，固定套隨筒回轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)的凸輪5固定不動(dòng)，其最大突變點(diǎn)離秧盤最近且對(duì)應(yīng)于取秧位置；當(dāng)擋鐵8撞擊開閉凸輪7，秧鉗閉合夾秧，伸縮桿3在彈簧2的作用下快速縮到凸輪的凹處，將秧苗從秧盤中拔出；秧鉗隨滾筒6回轉(zhuǎn)過(guò)程中，伸縮桿3的端斜面與凸輪5的外輪廓接觸并受其作用向外逐漸伸長(zhǎng)；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，開閉凸輪7的撞桿受到擋鐵9的撞擊，使其轉(zhuǎn)過(guò)90°后將秧鉗撐開，在秧鉗回轉(zhuǎn)慣性力及重力作用下，秧苗拋向地面，拋出秧苗后秧鉗一直保持張開狀態(tài)，直到取苗位置時(shí)又開始重復(fù)上面所述的動(dòng)作。該機(jī)械手抓取秧苗的準(zhǔn)確度和傷秧是該機(jī)構(gòu)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)在栽植苗時(shí)，由秧鉗通過(guò)回轉(zhuǎn)慣性力和重力作用將秧苗拋向地面，是一種拋秧移栽作業(yè)方式，因此，秧苗移栽的直立度也很難保證，將影響緩苗。
3)空間連桿移栽機(jī)構(gòu)
圖1.5 空間連桿移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
在空間連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究開發(fā)了一種水稻缽苗精準(zhǔn)栽植機(jī)械手機(jī)構(gòu)[18]，與撥桿式夾鉗配合使用．該機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械完全不同，它屬于空間閉式鏈機(jī)構(gòu)。圖1.5所示為栽植機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)構(gòu)由可控變桿長(zhǎng)RRRSR機(jī)構(gòu)和撥桿式夾鉗裝置兩大部分組成。而可控變桿長(zhǎng)機(jī)構(gòu)是由機(jī)架、主動(dòng)件、連桿、工作桿和擺桿組成，并選取主動(dòng)件桿1為桿長(zhǎng)變化桿，且將桿1分解為凸輪、滾子從動(dòng)件和曲柄三部分，源動(dòng)力通過(guò)鏈條鏈輪傳遞動(dòng)力給與機(jī)架運(yùn)動(dòng)副連接的曲柄，再由曲柄傳遞動(dòng)力給滾子從動(dòng)件，使?jié)L子沿凸輪表面做圓周運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)桿長(zhǎng)變化．滾子從動(dòng)件傳遞動(dòng)力給其它桿件3、4，使其作連續(xù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使得與桿2連接的工作桿7和夾鉗一起運(yùn)動(dòng)，從而完成夾秧、取秧，移秧、栽秧等一系列動(dòng)作。此機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要檢測(cè)桿之間的干涉問(wèn)題，能保證各桿工作的連續(xù)性，該移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，工作效率低。
圖1.6 七桿移栽機(jī)構(gòu)及移栽軌跡
4)七桿移栽機(jī)構(gòu)
2007年，吉林省延吉市光華機(jī)械廠公開了一種水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)(如圖1.6)。這種移栽機(jī)構(gòu)包括有動(dòng)力傳送齒輪箱10、移栽四軒機(jī)構(gòu)和移栽穩(wěn)定三連桿機(jī)構(gòu)。其中移栽四桿機(jī)構(gòu)是由上曲柄7、栽植臂連桿6、栽植臂桿23、鎖臂搖桿14依次鉸接組成，在栽植臂桿上設(shè)有夾秧裝置；移栽穩(wěn)定三連桿機(jī)構(gòu)是由下曲柄19、穩(wěn)定連桿18和上述的鎖臂搖桿14依次鉸接組成，移栽四桿機(jī)構(gòu)和移栽穩(wěn)定三連桿機(jī)構(gòu)共同完成取秧、移秧、栽秧的運(yùn)動(dòng)軌跡。該發(fā)明機(jī)構(gòu)移栽運(yùn)行軌跡穩(wěn)定，取秧栽植過(guò)程中取秧爪開閉準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)確，基于缽盤育秧，保證了完整的根系，不傷苗，減少了秧苗的緩蘇周期，增產(chǎn)效果顯著。但是多桿機(jī)構(gòu)工作配合復(fù)雜，要快速提高移栽的速度，將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[19]。該移栽機(jī)構(gòu)已有樣機(jī)在田間試驗(yàn)，但是工作效率低，振動(dòng)大，單行移栽效率只有80次/min左右，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)本身限制了該機(jī)構(gòu)無(wú)法再提高移栽效率。
5)五桿移栽機(jī)構(gòu)
專利號(hào)為200820072816.5的發(fā)明中提出了一種能直接栽插軟塑體缽盤秧苗的缽苗水稻插秧機(jī)[20]，如圖1.7（a）所示。該水稻缽苗插秧機(jī)的核心工作部件——五桿水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，如圖1.7（b）所示。該機(jī)構(gòu)采用雙曲柄67、66分別作正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)雙自由度機(jī)構(gòu)，栽植臂10往復(fù)直插式控制取秧夾61按特定曲線軌跡進(jìn)行取秧與栽插秧苗作業(yè)，栽植臂10內(nèi)有夾緊與釋放苗裝置，包括凸輪68、撥叉70、彈簧63和控制桿71，控制桿71相對(duì)栽植臂10作往復(fù)移動(dòng)，控制取秧夾61張開與閉合。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，取秧夾61夾取缽苗插秧一次，移栽效率單行為80次/min左右，該機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)水稻缽苗有序移栽，但工作效率也較低，振動(dòng)也大。
(a)缽苗移栽機(jī) （b）缽苗移栽機(jī)構(gòu)
圖1.7 五桿水稻缽苗移栽機(jī)
1.3 研究目標(biāo)與方案實(shí)現(xiàn)
通過(guò)以上分析可知，國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)水稻缽苗有序移栽技術(shù)及移栽機(jī)構(gòu)已做了較多的分析與研究，并有部分樣機(jī)投入試驗(yàn)或應(yīng)用。目前的移栽方式分為二種：拋秧方式和栽植苗方式。拋秧方式很難保證栽植秧苗的直立度，影響緩苗，進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量，到目前為止，一直未能推廣應(yīng)用；栽植苗方式移栽缽苗能有效地保證栽植秧苗的直立度，無(wú)緩苗期，但現(xiàn)有的缽苗移栽機(jī)構(gòu)，工作效率太低（只有80株/分鐘/行），機(jī)構(gòu)工作時(shí)振動(dòng)大。但是上述的缽苗移栽機(jī)構(gòu)所采用的夾取式取苗方式可以為本課題研究提供參考。
1.3.1 研究目標(biāo)
近年來(lái)，本課題組對(duì)水稻缽苗有序移栽的工作機(jī)理與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新進(jìn)行了詳細(xì)研究，本研究采用的移栽秧苗為塑料缽盤苗，如圖1.8所示，缽盤育苗采用呈陣列式穴口的缽盤，各穴口相互獨(dú)立，缽盤為14×29穴（橫向14穴，縱向29穴）。利用缽盤育秧進(jìn)行移栽能夠保留秧苗的營(yíng)養(yǎng)土質(zhì)，且秧苗間相互獨(dú)立易機(jī)械移栽，并用育秧的塑料缽盤可重復(fù)使用。本取秧方式采用兩片取秧爪夾住水稻缽苗的莖桿根部，夾緊莖桿，將缽苗從缽穴中撥出，完成取秧動(dòng)作，取秧后夾持秧至推秧位置，推秧爪張開，釋放缽苗并推苗入田，完成移栽動(dòng)作。
為了實(shí)現(xiàn)該水稻缽苗的有序移栽方式，同時(shí)考慮機(jī)構(gòu)工作效率和平穩(wěn)性。本論文提出了一種旋轉(zhuǎn)式有序移栽機(jī)構(gòu)[5]，在旋轉(zhuǎn)箱體上呈120°布置三個(gè)移栽臂，提高了工作平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)一周移栽三次，移栽效率高，移栽效率將不低于200株/分鐘/行，其移栽效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)正在應(yīng)用的有序移栽機(jī)構(gòu)，本論文研究的旋轉(zhuǎn)式有序移栽機(jī)構(gòu)是一種高速水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。
1.3.2 實(shí)現(xiàn)方案
1）水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
通過(guò)了解水稻缽苗移栽的農(nóng)藝要求，提出如圖1.9的移栽軌跡，該機(jī)構(gòu)的取秧方式為彈簧片夾取式取秧，為了避免取秧時(shí)彈簧片與秧苗的干涉，移栽軌跡在取秧部分為“環(huán)扣狀”。即由兩個(gè)彈簧片運(yùn)行到土缽表面時(shí)，彈簧片從缽苗的下方D運(yùn)行到缽苗莖部開始取秧，夾緊秧苗的莖桿根部，在圖中的E位置從穴盤中取出帶土缽苗，再沿FAB夾持缽苗至圖中的B位置，在推秧?xiàng)U的作用下，彈簧片松開，釋放并推出缽苗，植入水田中，然后彈簧片經(jīng)圖中C位置，為重新下次取秧做準(zhǔn)備，完成一次移栽周期。
2）機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案
(a) 移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
(b)移栽臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖1.8水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)
根據(jù)移栽軌跡要求，設(shè)計(jì)出一種旋轉(zhuǎn)式橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)[21]，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)箱體上對(duì)稱布置了三套移栽臂，旋轉(zhuǎn)一周移栽兩次。如圖1.10(a）所示為旋轉(zhuǎn)式橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖（圖示為機(jī)構(gòu)的初始安裝位置），該機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分和移栽臂兩部分組成，驅(qū)動(dòng)部分是一個(gè)非勻速間歇傳動(dòng)行星輪系機(jī)構(gòu)，由4個(gè)橢圓齒輪、1個(gè)不完全非圓齒輪、2個(gè)凹鎖止弧、1個(gè)凸鎖止弧組成，行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)作為輸入運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，行星輪為輸出運(yùn)動(dòng)構(gòu)件；移栽臂與行星軸固接，通過(guò)凸輪帶動(dòng)撥叉擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)推秧?xiàng)U往復(fù)移動(dòng)，再帶動(dòng)兩彈簧片閉合、張開實(shí)現(xiàn)取秧、推秧，移栽臂的設(shè)計(jì)方案如圖1.10(b）所示，其中撥叉與凸輪的作用是彈簧片實(shí)現(xiàn)移栽過(guò)程的關(guān)鍵。
1.4 本文的工作安排
1）根據(jù)水稻移栽的農(nóng)藝特點(diǎn)與軌跡要求，提出了一種新型水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，使水稻移栽達(dá)到高效率、低振動(dòng)的工作要求。本文采用的是橢圓齒輪－不完全非圓齒輪行星輪系作為傳動(dòng)部件，設(shè)計(jì)出一種新的水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)——橢圓齒輪－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。
2）對(duì)該水稻移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，包括橢圓齒輪-不完全非圓齒輪的傳動(dòng)特性分析、橢圓-橢圓齒輪的傳動(dòng)特性分析、中間橢圓齒輪與行星橢圓齒輪的相對(duì)角位移、角速度分析、移栽臂秧針尖點(diǎn)的相對(duì)位移、速度和加速度分析。
3）根據(jù)己建立的移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，開發(fā)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件，進(jìn)行軟件各模塊的功能介紹。
4）利用優(yōu)化軟件進(jìn)行移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，分析該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作軌跡的影響，找到一組能滿足移栽軌跡要求的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
5）以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始參數(shù)，對(duì)移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。利用VB6.0導(dǎo)出齒輪的點(diǎn)，在CAD2008、CAXA2011中繪出二維圖，導(dǎo)入到UG7.0中進(jìn)行建模生成三維圖，再進(jìn)行整體的裝配。為了減小機(jī)構(gòu)的沖擊振動(dòng)，對(duì)機(jī)構(gòu)添加了緩沖裝置，并與未加緩沖裝置的軌跡進(jìn)行比較。對(duì)該移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出3套消除齒隙裝置，提高了機(jī)構(gòu)取苗的成功率。
1.5本章小結(jié)
1）闡述了水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的研究目的與意義；
2）介紹了水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況；
3）確定了橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系的水稻缽苗移栽方案；
4）介紹了本文的工作安排。
第二章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.1 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理
圖2.1 橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)由兩部分組成——驅(qū)動(dòng)部分和移栽臂，如圖2.1所示為移栽機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。驅(qū)動(dòng)部分是一個(gè)非勻速間歇傳動(dòng)行星輪系機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由4個(gè)全等的橢圓齒輪（1、2、4、5）、1個(gè)不完全非圓齒輪（3）、1個(gè)凸鎖住弧（8）和2個(gè)凹鎖住?。?、9）組成，其中不完全非圓齒輪3與凸鎖住弧8固接，中間橢圓齒輪2與凹鎖止弧9固接，中間橢圓齒輪4與凹鎖止弧7固接。不完全非圓齒輪的旋轉(zhuǎn)中心為O，2個(gè)中間橢圓齒輪（2、4）的旋轉(zhuǎn)中心分別為M1和M2，2個(gè)行星橢圓齒輪（1、5）的旋轉(zhuǎn)中心分別為O1、O2。驅(qū)動(dòng)部分工作時(shí)，不完全非圓齒輪3（即太陽(yáng)輪）固定不動(dòng)，行星架6順時(shí)針繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，中間橢圓齒輪4（以一側(cè)齒輪結(jié)構(gòu)為例）隨行星架6一起運(yùn)動(dòng)，繞M2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)與不完全非圓齒輪3嚙合，實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)，行星橢圓齒輪5（簡(jiǎn)稱行星輪）與中間橢圓齒輪4嚙合，實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)。中間橢圓齒輪4轉(zhuǎn)到不完全非圓齒輪3的無(wú)齒部分時(shí)，則由固接在不完全非圓齒輪3上的凸鎖住弧8與固接在中間橢圓齒輪4上的凹鎖住弧7配合，鎖止弧配合期間中間橢圓齒輪4、行星橢圓齒輪5相對(duì)齒輪盒（即行星架6）靜止，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的間歇傳動(dòng)。
行星軸的一端伸出齒輪盒外，通過(guò)固定銷與一對(duì)移栽臂（10、11）固結(jié)，移栽臂隨行星輪一起作非勻速間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。移栽臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示，凸輪1固定在齒輪盒上，移栽臂內(nèi)彈簧座4、推秧?xiàng)U5、推秧爪7固接。通過(guò)凸輪1的推程曲線帶動(dòng)撥叉2向上擺動(dòng)，撥叉2推動(dòng)彈簧座壓緊彈簧3，推秧?xiàng)U帶動(dòng)推秧爪上移收緊一對(duì)彈簧片6，彈簧片閉合實(shí)現(xiàn)取秧；到達(dá)推秧點(diǎn)時(shí)，凸輪1與撥叉2脫離，彈簧3推動(dòng)彈簧座4帶動(dòng)推
1.凸輪 2.撥叉 3.彈簧 4.彈簧座 5.推秧?xiàng)U
6. 彈簧片 7.推秧爪
圖2.2 移栽臂工作原理圖
秧?xiàng)U5下移，推秧爪7松開彈簧片6實(shí)現(xiàn)推秧。移栽臂彈簧片尖點(diǎn)H在機(jī)構(gòu)做間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)形成軌跡FAB，做非勻速運(yùn)動(dòng)形成BCDEF段工作軌跡。
從圖2.1的機(jī)構(gòu)初始安裝位置開始，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)過(guò)不同的角度時(shí)，形成不同的工作段軌跡：DE段為秧爪夾取缽苗的運(yùn)動(dòng)軌跡，EFAB段為秧爪持苗軌跡，到達(dá)B點(diǎn)推秧，BCDE段軌跡為回程階段，即秧爪在釋放缽苗后保持張開的狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次取苗；以上三段軌跡組成水稻缽苗移栽所要求的整個(gè)取苗與推秧工作軌跡。
2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)及相關(guān)說(shuō)明
表2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)說(shuō)明
符號(hào)
意 義
備 注
符號(hào)
意 義
備 注
橢圓齒輪長(zhǎng)半軸
已知常量
不完全非圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心到嚙合點(diǎn)的距離
變量
橢圓齒輪短半軸
已知常量
中間橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心到嚙合點(diǎn)的距離
變量
橢圓齒輪半焦距
已知常量
中間橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心到嚙合點(diǎn)的距離
變量
橢圓齒輪短長(zhǎng)軸之比
已知常量
行星橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心到嚙合點(diǎn)的距離
變量
行星架與的夾角
已知常量
某一時(shí)刻行星架轉(zhuǎn)過(guò)的角位移()
已知變量
行星架(即齒輪盒)的初始角位移（）
已知常量
行星橢圓齒輪中心和秧爪尖點(diǎn) 之間的連線與行星橢圓長(zhǎng)軸間的夾角
已知常量
不完全非圓齒輪有齒部分節(jié)曲線所對(duì)應(yīng)的圓心角
已知變量
中間輪相對(duì)行星架角位移()
變量
行星橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心O1到秧針尖點(diǎn)的距離
已知常量
行星橢圓齒輪相對(duì)行星架角位移()
變量
1）為了方便下面運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，將機(jī)構(gòu)涉及到的相關(guān)變量和常量列于表2.1[22].
2）本文橢圓－不完全非圓齒輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的相關(guān)規(guī)則說(shuō)明
坐標(biāo)方向的設(shè)定：采用右手坐標(biāo)系。在三角函數(shù)計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)右手坐標(biāo)系建立各三角函數(shù)之間關(guān)系以及判斷各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的矢量方向。
角位移的設(shè)定：角位移規(guī)定以軸為起始邊，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針為負(fù)。
2.3 橢圓齒輪－不完全非圓齒輪傳動(dòng)特性分析
2.3.1 橢圓齒輪－不完全非圓齒輪節(jié)曲線模型建立
橢圓齒輪與不完全非圓齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)的非勻速間歇傳動(dòng)是移栽機(jī)構(gòu)軌跡形成的關(guān)鍵組成部分[23-27]。圖2.3為橢圓齒輪與不完全非圓齒輪嚙合關(guān)系圖，其中橢圓齒輪1與凹鎖住弧2固接在一起，不完全非圓齒輪4與凸鎖住弧3固接，假定不完全非圓齒輪4固定不動(dòng)，橢圓齒輪1圍繞不完全非圓齒輪4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，J為橢圓齒輪1與不完全非圓齒輪4的嚙合點(diǎn)。不完全非圓齒輪4的節(jié)圓半徑為R1，橢圓齒輪1的節(jié)圓半徑為R2，凸鎖住弧3的半徑為Rt、圓心角為2π-α.不完全非圓齒輪4有齒部分的節(jié)圓曲線對(duì)應(yīng)的圓心角為α.
(a)初始位置 （b）行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)角=2π-α （c）行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)角≥2π-α
1.橢圓齒輪2.凹鎖住弧3.凸鎖住弧4.不完全非圓齒輪
圖2.3 橢圓齒輪與不完全非圓齒輪節(jié)曲線嚙合
從圖2.3（a）的初始位置開始，橢圓齒輪開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橢圓齒輪1圍繞不完全非圓齒輪4順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)的的角度小于等于2π-α?xí)r（圖2.3（b）為等于2π-α?xí)r的狀態(tài)），橢圓齒輪1相對(duì)行星架5轉(zhuǎn)過(guò)的角度.當(dāng)行星架5順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)的角度大于2π-α?xí)r（如圖2.2（c）），橢圓齒輪1相對(duì)行星架5開始轉(zhuǎn)動(dòng)。
設(shè)橢圓齒輪1與不完全非圓齒輪4的嚙合點(diǎn) J 到橢圓齒輪1旋轉(zhuǎn)中心M1的距離為，可得出如下公式：
2－(1)
式中的變化范圍為從0到-2π.
由橢圓齒輪1與不完全非圓齒輪4嚙合關(guān)系可知，當(dāng)行星架5轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)，橢圓齒輪1相對(duì)行星架5轉(zhuǎn)過(guò)，即可得出如下關(guān)系式：
2－(2)
2－(3)
式中 ——不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的中心距
——變化范圍為從到
把式(3)代入式(2)中，可得：
2－(4)
由橢圓齒輪與不完全非圓齒輪的嚙合關(guān)系可知，橢圓齒輪1的節(jié)圓曲線弧長(zhǎng)與不完全非圓齒輪4有齒部分的節(jié)圓曲線弧長(zhǎng)相等，橢圓齒輪1相對(duì)行星架5順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，不完全非圓齒輪4相對(duì)行星架逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α，即：
利用數(shù)值積分分可求出L， 求解的程序框圖如圖2.4所示[21]：
Read a; ;
，
For l= 2a to 2.5a step 0.0002
Ts=0
For = 0 to 360 step 0.5
，
N
Y
圖2.4 L求解的程序框圖
把式(1)代入式(4)中：
式中 ，
利用反三角函數(shù)可求得：
2－(5)
把式（5）代入式（3）中，可求得關(guān)于的表達(dá)式：
式中從變化到.
如圖2.2（a）的橢圓齒輪1與不完全非圓齒輪4的初始位置，利用幾何關(guān)系方程，可求出凹鎖住弧2所對(duì)的圓心角為：
2－(6)
式中 ——凸鎖止弧的半徑
凹鎖止弧的最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度為：
2.3.2 傳動(dòng)比分析
如圖2.3所示，不完全非圓齒輪4有齒部分為非圓節(jié)曲線，橢圓齒輪1為與不完全非圓齒輪4共軛的橢圓節(jié)曲線。不完全非圓齒輪4固定，行星架5的角位移，瞬時(shí)角速度為；橢圓齒輪1為從動(dòng)輪，相對(duì)行星架的轉(zhuǎn)角為，瞬時(shí)角速度為。初始位置時(shí)，，。J為主動(dòng)輪不完全非圓齒輪4與從動(dòng)輪橢圓齒輪1的嚙合點(diǎn)。設(shè)兩齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為，由傳動(dòng)規(guī)律可知：
由初始位置開始，不完全非圓齒輪4與橢圓齒輪1的傳動(dòng)比可表示為：
當(dāng)及時(shí)，傳動(dòng)比達(dá)到最小值：
當(dāng)時(shí)，傳動(dòng)比達(dá)到最大值：
(a) L對(duì)的影響
(b) a對(duì)的影響
(c) k對(duì)的影響
圖2.5
由的表達(dá)式可知，是關(guān)于以為周期的周期函數(shù)。影響的參數(shù)為，和，下面分別改變其中一個(gè)參數(shù)，分析其對(duì)的影響。
1） 分析對(duì)的影響
取，，的變化范圍為從到，如圖2.5（a）所示。當(dāng)時(shí)，
傳動(dòng)比比較大，非勻速傳動(dòng)比較明顯，隨著的增加，傳動(dòng)比整體減小，且隨的周期變化變得平緩。
2） 分析對(duì)的影響
取，，的變化范圍為從到，如圖2.5（b）所示。當(dāng)時(shí)，
傳動(dòng)比比較小，隨著的增加，傳動(dòng)比整體增大，且隨的變化的傳動(dòng)比的周期變化變得陡峭，非勻速傳動(dòng)明顯。
3） 分析對(duì)的影響
取，，的變化范圍為從到，如圖2.5（c）所示。當(dāng)時(shí)，
傳動(dòng)比比較大，周期變化比較陡峭，非勻速傳動(dòng)明顯，隨著的增加，傳動(dòng)比整體減小，且隨的變化的傳動(dòng)比的周期變化變得平緩，當(dāng)時(shí)，傳動(dòng)比成了一條直線，變成了兩個(gè)圓柱齒輪的勻速傳動(dòng)。
2.4 橢圓齒輪傳動(dòng)特性分析
在橢圓－不完全非圓齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)過(guò)程中，橢圓齒輪之間的非勻速嚙合傳動(dòng)是形成移栽軌跡的關(guān)鍵所在，因此，引用了橢圓齒輪間的嚙合特性 [28-29]。
2.4.1 橢圓齒輪節(jié)曲線模型建立
如圖2.6所示，齒輪1與齒輪2是一對(duì)參數(shù)完全一致的橢圓齒輪，分別以本身的焦點(diǎn)為中心相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)。橢圓齒輪1與橢圓齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別為節(jié)圓的焦點(diǎn)、，即、均為橢圓齒輪軸心。在如圖2.6（a）初始位置時(shí)，橢圓齒輪2和橢圓齒輪1長(zhǎng)軸在同一直線上，橢圓齒輪2的半徑達(dá)到最大值，同時(shí)，橢圓齒輪1的半徑為最小值。
（a) 起始位置 （b) 轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后
圖2.6 橢圓齒輪嚙合特性分析
橢圓齒輪2與橢圓齒輪1的嚙合點(diǎn)P到中間輪橢圓齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)中心M1的距離：
(在之間變化) 2－(7)
2－(8)
用極坐標(biāo)方程表示R3，則有：
(在之間變化) 2－(9)
2.4.2 傳動(dòng)比分析
以水平線為始邊，橢圓齒輪2（主動(dòng)輪）以角速度順時(shí)針繞轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)橢圓齒輪1（從動(dòng)輪）以角速度逆時(shí)針繞轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)。如圖2.6（b）所示，當(dāng)主動(dòng)橢圓齒輪2轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，則從動(dòng)橢圓齒輪1轉(zhuǎn)過(guò)的角度為。令兩齒輪的傳動(dòng)比為，由齒輪傳動(dòng)的知識(shí)可推導(dǎo)出：
把式（7）、式（8）代入上式中，可得：
如圖2.7所示，的變化范圍為從到。當(dāng)時(shí)，傳動(dòng)比比較大，周期變化比較陡峭，非勻速傳動(dòng)明顯，隨著的增加，傳動(dòng)比整體減小，且隨的變化的傳動(dòng)比的周期變化變得平緩，當(dāng)時(shí)，傳動(dòng)比成了一條直線，變成了全等兩個(gè)圓柱齒輪的勻速傳動(dòng)。
圖2.7 k對(duì)傳動(dòng)比的影響圖
2.5 橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立
2.5.1 位移方程
(a）初始安裝位置 (b) 行星架轉(zhuǎn)過(guò)
1.不完全非圓齒輪2.中間橢圓齒輪 3.行星橢圓齒輪 4.凸鎖住弧 5.凹鎖住弧 6.行星架7.移栽臂
圖2.8 橢圓齒輪-不完全非圓齒輪行星輪系運(yùn)動(dòng)示意圖
本論文的橢圓齒輪－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其工作過(guò)程包括四個(gè)階段：取秧、持秧、推秧、回程?，F(xiàn)以一側(cè)為例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立，如圖2.8所示，該側(cè)機(jī)構(gòu)包括1個(gè)不完全非圓齒輪、2個(gè)全等的橢圓齒輪、1個(gè)凸鎖住弧、1個(gè)凹鎖住弧以及1個(gè)移栽臂，以不完全非圓齒輪3的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立坐標(biāo)XOY.移栽機(jī)構(gòu)的已知常量為、、、、、、、、、；已知變量為行星架角位移為.
如圖2.8(a)所示為機(jī)構(gòu)的初始位置， 在圖2.8(b)行星架6從初始位置開始轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)（其相對(duì)于初始邊順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)），機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)。設(shè)機(jī)構(gòu)初始位置時(shí)方向軸OM1為行星架轉(zhuǎn)初始邊，不完全非圓齒輪1固定不動(dòng)，行星架6從初始位置開始繞O點(diǎn)做順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樾行羌?在點(diǎn)處有一個(gè)彎折角，根據(jù)式（8）中的表達(dá)式，可求出圖2.8(a)初始位置的表達(dá)式為：
(在之間變化)
用極坐標(biāo)方程表示R3，則有：
(在之間變化) 2－(11)
把式（11）中表示R3的代數(shù)式代入式（10）中：
2－(12)
式中，在初始位置時(shí)，即，時(shí)，可求出.
中間橢圓齒輪2旋轉(zhuǎn)中心的位移為：
2－(13)
行星橢圓齒輪3旋轉(zhuǎn)中心位移為：
2－(14)
秧爪尖點(diǎn)H的位移：
2－(15)
2.5.2 速度分析
已知機(jī)構(gòu)的行星架6順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即角速度為常數(shù)。由不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的傳動(dòng)比表達(dá)式，及齒輪傳動(dòng)中半徑與速度的關(guān)系，可求出圖2.7移栽機(jī)構(gòu)中間橢圓齒輪2相對(duì)行星架6的角速度表達(dá)式：
2－(16)
同理，由半徑和速度的關(guān)系可得行星橢圓齒輪3相對(duì)行星架的角速度:
2－(17)
由式（13）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得中間橢圓齒輪2旋轉(zhuǎn)中心的速度方程為：
2－(18)
由式（14）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得行星橢圓齒輪3旋轉(zhuǎn)中心的速度方程為： 2－(19)
由式（15）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得秧針尖點(diǎn)H的速度方程為:
2－(20)
2.5.3 加速度分析
加速度是單位時(shí)間內(nèi)速度的增量，用來(lái)表示速度變化的快慢。要求解加速度，可以通過(guò)在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)。
通過(guò)式（17），對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得行星橢圓齒輪3相對(duì)行星架的角加速度:
2－(21)
通過(guò)式（18），在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，得到中間橢圓齒輪2旋轉(zhuǎn)中心的加速度方程：
2－(22)
通過(guò)式（19），在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，得到行星橢圓齒輪3旋轉(zhuǎn)中心的加速度方程：
2－(23)
通過(guò)式（20），在速度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，得到取苗針尖點(diǎn)的加速度方程：
2－(24)
2.6 本章小結(jié)
1）對(duì)橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了介紹，對(duì)機(jī)構(gòu)中涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析參數(shù)進(jìn)行了說(shuō)明；
2）分析了橢圓與不完全非圓齒輪、橢圓齒輪與橢圓齒輪的傳動(dòng)特性，并分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)傳動(dòng)比的影響；
3）建立了機(jī)構(gòu)的位移、速度，加速度模型，為VB軟件的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
第三章 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件的運(yùn)用
根據(jù)第二章建立的橢圓－不完全非圓齒輪運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可知該移栽機(jī)構(gòu)的非勻速間歇傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，且各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間具有非線性、強(qiáng)耦合性和模糊性等特點(diǎn)。普通的多目標(biāo)優(yōu)化方法不能很好的解決該移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題，即無(wú)法找出移栽機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理組合，達(dá)到機(jī)構(gòu)的工作要求。本文應(yīng)用Visual Basic 6.0編程平臺(tái)，把已經(jīng)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程編成程序代碼，開發(fā)了橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的輔助分析與優(yōu)化軟件，利用VB6.0的可視化功能使移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)直觀實(shí)時(shí)的顯示，通過(guò)改變機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，移栽軌跡能夠得到相應(yīng)的調(diào)整，為移栽機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
3.1 優(yōu)化軟件的運(yùn)用思路
橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化具有非線性、交互性、模糊性等特點(diǎn)，如果要對(duì)比較復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，通?？蛇x擇運(yùn)用懲罰函數(shù)的方法進(jìn)行求解分析。在懲罰函數(shù)的方程式中懲罰因子的確定是關(guān)鍵，由于在水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，懲罰因子不能確定，如果取值過(guò)大會(huì)使函數(shù)過(guò)早收斂于非極值點(diǎn)，但取值過(guò)小則函數(shù)收斂性較差。當(dāng)然還有其他的一些解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的方法，例如：遺傳算法[30]、模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，但這些方法都具有一定程度的局限性，特別是各個(gè)目標(biāo)的加權(quán)值很難確定。因此，需要尋找一種符合水稻移栽機(jī)構(gòu)這種復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)化方法。
人機(jī)交互優(yōu)化方法有效的結(jié)合了人的定性判斷與計(jì)算機(jī)定量分析的功能，把人對(duì)事物的認(rèn)識(shí)辨別能力與計(jì)算機(jī)精確的計(jì)算能力結(jié)合在一起，兩者相輔相成，解決復(fù)雜問(wèn)題的參數(shù)優(yōu)化。為了使人與計(jì)算機(jī)之間能夠進(jìn)行比較好的數(shù)據(jù)傳遞與溝通，需要選擇一個(gè)可視化的軟件平臺(tái)，其中VB與VC編程軟件都具有強(qiáng)大的可視化功能，是人機(jī)交互優(yōu)化的最佳平臺(tái)。
本文選取VB軟件作為開發(fā)水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件的平臺(tái)，通過(guò)把機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程譯成代碼，編寫水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軟件[31-36]，軟件完成后，通過(guò)手動(dòng)輸入優(yōu)化變量，軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡、判斷優(yōu)化結(jié)果。通過(guò)調(diào)整優(yōu)化變量，能夠找出一組符合水稻缽苗移栽軌跡要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
如圖3.1為移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件的設(shè)計(jì)思路圖，在VB平臺(tái)中編寫移栽機(jī)構(gòu)的程序，使之順利實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。在該優(yōu)化軟件運(yùn)行后，通過(guò)在可視化界面手動(dòng)輸入已知參數(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)及軟件的判斷，判定當(dāng)前組的參數(shù)是否滿足要求。若結(jié)果超出參數(shù)的界定值，界面會(huì)跳出提示，操作者可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整輸入?yún)?shù)，直到得出一組符合水稻缽苗移栽的參數(shù)組合。
手動(dòng)改變已知參數(shù)
計(jì)算、輸出目標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行可視化運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
滿足優(yōu)化目標(biāo)?
輸出優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化完成
否
是
圖3.1 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)軟件的設(shè)計(jì)思路
3.2 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軟件界面
圖3.2 水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡
3.3 數(shù)據(jù)處理
圖3.3 橢圓齒輪參數(shù)計(jì)算模塊
1）橢圓齒輪參數(shù)計(jì)算模塊——單擊菜單欄[參數(shù)計(jì)算]－[橢圓齒輪參數(shù)確定]，通過(guò)輸入已知參數(shù)，用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)計(jì)算橢圓齒輪的各個(gè)參數(shù)。需要輸入的已知參數(shù)有：計(jì)算精度e 、橢圓長(zhǎng)半軸、橢圓短長(zhǎng)軸之比、齒輪模數(shù)等參數(shù)，