單行蔬菜缽體苗自動移栽機取苗裝置的設計【帶proe三維、24張CAD圖紙】

單行蔬菜缽體苗自動移栽機取苗裝置的設計【帶proe三維、24張CAD圖紙】,帶proe三維、24張CAD圖紙,單行,蔬菜,缽體苗,自動,移栽,機取苗,裝置,設計,proe,三維,24,cad,圖紙 本科畢業(yè)設計（論文）任務書 課題名稱 單行蔬菜缽體苗自動移栽機的設計—取苗裝置設計 主要任務與 目標 現(xiàn)代的中國是一個經濟飛速發(fā)展的中國，是一個農業(yè)大國，更是一個工業(yè)大國，我國也有越來越多的重視農業(yè)與工業(yè)的結合，將工業(yè)機械用于農業(yè)，以減輕人力操作，增加作業(yè)效率，蔬菜移栽機也更多的在進行開發(fā)并投入使用價值，對于這方面的研究也更加有意義。所以，我們結合所學，應用三維仿真軟件，初步設計出移栽機的取苗機構，為以后的進一步研究做基礎。 主要內容與基本要求 1、查找國內外相關文獻資料，了解西方發(fā)達國家和我國蔬菜移栽機方面的區(qū)別、合理之處機器弊端 2、收集整理其他國家對于移栽機的分類及其成果 3、整理數(shù)據資料落實寫作。 4、通過對文獻的研究和分析，具體描述我國農業(yè)機械尤其是自動移栽機的發(fā)展和展望。 5、通過上述分析，設計蔬菜自動移栽機。 要求： 1．文獻綜述報告(不少于3000字)一篇 2．開題報告一篇 3．畢業(yè)論文一篇（不少于10000字） 4．實習日記、實習報告3000字以上 主要參 考資料 及文獻 閱讀任務 [1] 我國蔬菜育苗移栽機械化的現(xiàn)狀與發(fā)展方向，http://news.jgny.net/2007/3-5/94922.htm [2] 陳殿奎.蔬菜機械化育苗的現(xiàn)狀與展望[J]．農業(yè)工程學報，1990,(12)：20~25． [3] G. V. Prasanna Kumar ； H. RahemanInternational Journal of Vegetable Science,Vol.14，No.3，232-255 [4] Konosuke TSUGA. Development of fully automatic vegetable transplanter.JARQ 34, 21~28 (2000) [5] 王君玲，高玉芝，李成華.蔬菜移栽生產機械化現(xiàn)狀與發(fā)展方向.農機化研究,2004(02)：22~28 [6] 張波屏.現(xiàn)代種植機械工程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997． [7] 封 ?。撐覈绲卦灾矙C械的開發(fā)前景與方向[J]．中國農機化,2000,(4)：12~13． [8] 俞高紅，陳志威，趙勻，孫良，葉秉良橢圓一不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機構的研究DoI：10．390l，JME．2012．13．032 [9] 毛君, 畢長飛.基于Pro/Engineer 采煤機的三維動態(tài)仿真與優(yōu)化設計[J].煤礦機械，2006，27(6) : 990-994. 外文 翻譯任務 （見外文翻譯） 計劃進度： 起止時間 內容 2013.01.07~2013.01.12 調研、信息匯總，文獻查閱分析 2013.01.13~2013.01.30 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.31 ~2013.03.01 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.03.02~2013.03.08 開題答辯 2013.03.09~2013.03.16 蔬菜移栽機整體方案設計 2013.03.17~2013.03.30 取苗機構設計及零部件設計 2013.03.31~2013.04.11 三維CAD建模、裝配 2013.04.12~2013.04.24 三維運動學分析仿真 2013.04.25~2013.05.02 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.05.03~2013.05.10 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.11~2013.05.24 整理材料準備答辯 2013.05.25~2013.05.29 論文答辯 實習地點 指導教師 簽 名 年 月 日 系 意 見 系主任簽名： 年 月 日 學院 蓋章 主管院長簽名： 年 月 日 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 班 級 姓 名 課題名稱 單行蔬菜缽體苗自動移栽機的設計—取苗裝置設計 開題報告 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2 蔬菜移栽機研究意義 2 研究的基本內容與擬解決的主要問題 2.1 基本內容 2.2 擬解決的主要問題 3 研究方案、可行性分析及預期研究成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 預期研究成果 4 研究工作計劃 參考文獻 （開題報告全文附后） 成績： 答 辯 意 見 （從選題、任務工作量、質量預期、可行性等幾個方面） 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 單行水稻缽體苗自動移栽機的設計—取苗裝置設計 1 選題的背景與意義 據FAO統(tǒng)計，2006年中國已成為世界上最大的蔬菜生產國，蔬菜產量約占世界總產量的49.6％[1]。改革開放以來，我國蔬菜產量每年呈持續(xù)增長的勢頭，發(fā)展迅猛。據中國農業(yè)統(tǒng)計資料顯示，我國蔬菜播種面積在上世紀80年代年均增長近10%，90年代年均增長14.5%，本世紀前7年平均增長1.9%，到2007年達到2.94億畝，總產量6.41億噸。其中，蔬菜2.6億畝，5.65億噸，人均占有量427公斤。蔬菜已經成為我國農業(yè)中僅次于糧食的第二重要農產品，近年來，浙江省在種植業(yè)結構調整和效益農業(yè)的發(fā)展上取得了顯著成效，蔬菜生產面積、總產量、總產值逐年增加。浙江省已成為長江三角洲地區(qū)重要的蔬菜生產基地，基本培育形成沿杭州灣兩岸及沿海設施出口蔬菜產業(yè)帶。同時，蔬菜種植業(yè)也逐步成為發(fā)展我國和我省農村經濟的重要組成部分[2]。 1.1 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展概述 1.1.1自動移栽機研究現(xiàn)狀 在發(fā)達國家移栽機發(fā)展起步較早，早在20世紀30年代，國外就出現(xiàn)手工喂苗的移栽機具，在一定程度上減輕了人工移栽的勞動強度。上世紀50年代開始，歐洲國家研制出不同結構形式的半自動移栽機和制缽機。到了上世紀70年代和80年代，半自動移栽機在歐美、前蘇聯(lián)等農業(yè)較發(fā)達的國家和地區(qū)得到廣泛應用。到90年代，研究人員對從育苗帶栽植整個系統(tǒng)進行了研究，使育苗盒栽植有機地結合，研制出多種全自動移栽機。目前，國外的自動移栽技術已經走向成熟階段，而我國目前正處於起步階段，以半自動為主[3]。 1.1.2 自動移栽機的構造 插秧機的工作過程，因結構不同而各有差異，但基本流程大致相同。其“群體逐次分格取秧直接栽插”原理為：秧苗以群體狀態(tài)整齊放入秧箱，隨秧箱作橫向移動，使取秧器逐次分格取走一定數(shù)量的秧苗，在插秧軌跡控制機構作用下，按農藝要求將秧苗插入泥土中，取秧器再按一定軌跡回至秧箱取秧。各種插秧機栽插部分的組成基本相同：人力插秧機由秧箱、分插秧機構、機架和浮體(船板)等組成，自走式機動插秧機還設有動力驅動、行走裝置、送秧機構等部分[4]。 1.1.3蔬菜自動移栽極研究趨勢 為了克服漏插、漂秧和鉤傷秧等缺陷,今后將通過對送秧、分秧、插秧等工作機構的改進與創(chuàng)新，繼續(xù)提高插秧質量和對各種秧苗的適應性，同時要研制適用于每穴一株雜交水稻秧苗的新型插秧機；研究提高工作裝置的自動化程度，如實現(xiàn)自動裝秧及故障自動停機等的途徑；進一步完善包括育秧在內的水稻全套種植機械化體系，提高非插秧季節(jié)水稻插秧機的綜合利用程度。 1.2 蔬菜移栽機研究意義 目前，我國生產的自動移栽機，大都屬于半自動化機器，秧苗仍需要人工供給，不僅勞動強度打，而且作業(yè)質量難以保證。因此，要實現(xiàn)移栽的自動化，必須要解決秧苗的供給問題。本課題是對蔬菜缽體自動移栽—取苗裝置的設計研究。 2 研究的基本內容與擬解決的主要問題 2.1 基本內容 本次畢業(yè)設計中主要完成的內容包括： 1）根據蔬菜缽苗取苗的技術特點和農藝要求，模擬人工取苗的軌跡、動作和姿態(tài)要求，發(fā)明蔬菜缽苗取苗機構，滿足機械取苗特殊的工作軌跡要求，比現(xiàn)有的蔬菜取苗機構工作效率高，并且工作平穩(wěn)。 2）論述了該取苗機構的工作原理和結構特點，建立取苗機構的運動學模型 3）根據蔬菜取苗農藝要求，提出蔬菜缽苗取苗機構參數(shù)優(yōu)化的目標和優(yōu)化方法，分析各參數(shù)變化對取苗機構運動特性的影響，利用自主開發(fā)軟件，采用人機交互的優(yōu)化方法，優(yōu)化出取苗機構的結構參數(shù)，滿足蔬菜缽苗取苗的工作要求。 4）建立取苗機構的三維實體模型，對其進行虛擬裝配。 2.2 擬解決的主要問題 移植是蔬菜生產過程中的重要環(huán)節(jié)之一，移植具有對氣候的補償作用和使作物生育提早的綜合效益，可以充分利用光熱資源，其經濟效益和社會效益均非常可觀。目前，國內正在應用的移植機械多為半自動移植機，半自動移植機靠手工送苗，效率低。本課題的立意旨在減輕勞動力，加快栽植勞動速度，獲取更大經濟利益。 3 研究思路方案、可行性分析及預期成果 本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在國內外移栽機的基礎上，通過三維建模組裝，并對其進行初步的運動學分析。 3.1 研究思路方案 3.1.1 目前已有的移栽機取苗機構原理分析 取苗機構需要模擬人手從缽苗盤中把缽苗取出，然后在某個位置釋放，使缽苗落入植苗器中，以便植苗器栽植，接著取苗機構重復上述動作。通過分析現(xiàn)有取苗機構的軌跡特點，為了順利從缽苗盤中夾取缽苗，要求有一段尖嘴形的取苗軌跡，而且這段尖嘴形的取苗軌跡要有一定的長度，同時取苗爪進入缽苗盤的軌跡段和退出缽苗盤的軌跡段的夾角不能太大，并且進入和退出缽苗盤的取苗軌跡要盡量的平直。在取苗機構的取苗階段，取苗爪進入缽苗盤前取苗爪完全張開，當?shù)嚼徝绫P底部時，取苗爪完全夾緊缽苗，然后缽苗隨著取苗爪一起往缽苗盤外運動，實現(xiàn)取苗。同時要求取苗機構有持苗和推苗階段，持苗即取苗爪夾持缽苗運動；推苗階段，即取苗爪完全張開，推苗爪向下推苗，缽苗落入植苗器中，實現(xiàn)了推苗。另外還要求取苗爪的有回程階段，此階段要求取苗爪在推完苗后一直保持張開狀態(tài)，直到下一次取苗開始。 旋轉式行星輪系取苗機構，如圖所示，該機構包括傳動和取苗臂兩部分，其傳動部分由一個行星架（9）、一個不完全非圓齒輪（5），四個全等的橢圓齒輪（1、2、6、8）以及凸鎖止?。?）和凹鎖止?。?、7）組成，不完全非圓齒輪的幾何中心為， 4個橢圓齒輪的旋轉中心分別為、、、。 該取苗機構工作時（以一側齒輪結構為例進行介紹），不完全非圓齒輪5（簡稱太陽輪）固定不動，中間橢圓齒輪2（簡稱中間輪）在行星架9的帶動下與太陽輪5嚙合，實現(xiàn)非勻速齒輪傳動，另外，行星橢圓齒輪1（簡稱行星輪）與中間橢圓輪2嚙合，也實現(xiàn)非勻速連續(xù)傳動，從而使得行星輪1相對行星架9作非勻速轉動，使得針尖形成段工作軌跡，如圖2.4所示。當中間輪2轉到太陽輪5的無齒部分時，太陽輪5和中間輪2脫離嚙合，此時固接在太陽輪5上的凸鎖止弧4與固接在中間輪2上的凹鎖止弧3配合，鎖止中間齒輪2，防止中間輪2相對行星架9轉動，此時行星輪1和行星架9一起繞點做勻速轉動，針尖P形成段圓弧軌跡。行星輪1的絕對運動為行星架9繞中心的勻速圓周轉動和行星輪1相對行星架9的非勻速間歇轉動的合成運動。通過行星輪軸與行星輪1固接的取苗爪11，一方面隨著行星架9作勻速圓周運動，另一方面隨著行星輪相對行星架作非勻速間歇轉動。在這兩種運動的共同作用下，取苗爪針尖按要求的姿態(tài)運動，通過確定合適的結構參數(shù)，形成蔬菜缽苗取苗的工作軌跡。 （a）取苗機構初始位置 （b） (b)行星架轉過角后取苗機構位置 1、8行星橢圓齒輪 2、6中間橢圓齒輪 3、7凹鎖止弧 4凸鎖止弧 5不完全非圓齒輪 9行星架 10、11取苗臂 12缽苗盤 圖3.1蔬菜缽苗取苗機構簡圖 從圖的機構初始安裝位置開始，當行星架轉過不同的角度時，形成不同的工作段軌跡： 段軌跡，即取苗爪進入缽苗盤的軌跡，其中在取苗爪到達點時，取苗爪完全夾緊缽苗；然后缽苗隨著取苗爪一起從缽盤內往外運動，形成段取苗軌跡。段軌跡為取苗爪持苗軌跡；段軌跡為推苗軌跡，即在取苗爪到達點之前時，在推苗爪的作用下，取苗爪張開，缽苗落入相對應的植苗器中，段軌跡為回程階段，即取苗爪在釋放缽苗后保持張開的狀態(tài)，準備下一次取苗；以上5段軌跡組成蔬菜缽苗取苗所要求的整個取苗與推苗工作軌跡[5-8]。 在完整的取苗過程中，包括取苗、推苗、復位三個過程，在滿足取苗軌跡的情況下，尚需一個能實現(xiàn)集取苗與推苗為一體的末端執(zhí)行器，要求取苗末端執(zhí)行器在取苗位置時取苗爪能夠夾緊缽苗并能將缽苗從缽苗盤中取出；在推苗位置時要求取苗爪張開，實現(xiàn)實現(xiàn)向下推出缽苗，使得缽苗落入相應的植苗器中；在復位過程中，要求推苗爪在推完苗后要繼續(xù)保持推苗時的位置，使得左右取苗針繼續(xù)保持張開，以便下一次的順利取苗，這需要在該機構中加一個鎖止弧裝置即可。而該取苗機構中必需有能實現(xiàn)夾緊缽苗與推出缽苗的裝置，本文考慮用取苗臂部件實現(xiàn)該功能，如圖所示，機構的上取苗臂12和下取苗臂18結構相同，均包括彈簧26、撥叉27、凸輪28、推苗桿29、左、右取苗針30、24、取苗臂殼體31、“V”形推苗爪32和彈簧座33；凸輪28固接在齒輪箱7的外側上，彈簧座33與推苗桿29固接，彈簧26套在在推苗桿29中，撥叉27安裝在取苗臂殼體31的軸上，撥叉27的一端壓在彈簧座33中，撥叉27的另一端能與凸輪28相接觸；推苗時，凸輪28撥動撥叉27轉動，彈簧26在撥叉27的作用下被彈簧座33壓縮，同時撥叉27也推動與彈簧座33固接的推苗桿29向下運動，彈簧座33帶動與推苗桿29固接的“V”形推苗爪32一起向下運動，使得左、右取苗針30、張開，實現(xiàn)落苗與推苗，同時為下一次取苗做準備；夾苗時，撥叉27和凸輪28脫離接觸，彈簧26復位，復位過程中彈簧26推動彈簧座33向上運動，此時與彈簧座33固接的推苗桿29也向上運動，彈簧座33帶動與推苗桿29固接的“V”形推苗爪32一起向上運動，使得左、右取苗針30、夾緊，實現(xiàn)夾苗。 1、11行星軸 2、10行星橢圓齒輪 3、9中間軸 4、8中間橢圓齒輪 5中心軸 6不完全非圓齒輪7右箱體 15凸鎖止弧 14、16凹鎖止弧 12、18取苗臂 17機架 19鏈輪 23缽苗盤 圖3.2 橢圓-不完全非圓齒輪傳動的蔬菜缽苗取苗機構裝配圖 26彈簧 27撥叉 28凸輪 29推苗桿 30、左右取苗針 31殼體 32推苗爪 33彈簧座 34頂蓋 35定位板 36密封塞 37取苗針軸 38撥叉軸 圖3.3 取苗臂結構圖 6彈簧 27撥叉 28凸輪 29推苗桿 30、左右取苗針 32推苗爪 33彈簧座 圖3.4 取苗臂機構簡圖 3.1.2 基于Pro/ E設計平臺的三維CAD設計 目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產品進行同步設計,具有單一數(shù)據庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產品,是和實物完全相同的數(shù)字產品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。 運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的三指三關節(jié)的欠驅動三指手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成欠驅動三指手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。 ADAMS，是美國MDI公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。DAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。 3.1.3 基于Pro/ E設計平臺的運動學分析 運動仿真是機構設計的一個重要內容, 在Pro /E的Mechanism模塊中（ADAMS）,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E或ADAMS環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。 3.2 可行性分析 1）通過大學四年的基礎和專業(yè)課程的學習，已經掌握了較強的專業(yè)技能。 2）通過前期的論文寫作實踐，已經積累了一定的論文寫作經驗。 3）通過前一段時間的資料收集和查閱，已基本掌握了移栽機自動取苗裝置的內容以及設計方法。 4）學校圖書館的數(shù)據庫可提供大量豐富的相關文獻。 5）在經驗豐富的指導老師的幫助和指引下，有能力在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的任務。 3.3 預期研究成果 完成自動移栽機取苗機構的設計，完成三維建模，保證設計能較好的滿足設計要求。 ４ 研究工作計劃 起止時間 內容 2013.01.07~2013.01.12 調研、信息匯總，文獻查閱分析 2013.01.13~2013.01.30 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.31 ~2013.03.01 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.03.02~2013.03.08 開題答辯 2013.03.09~2013.03.16 蔬菜移栽機整體方案設計 2013.03.17~2013.03.30 取苗機構設計及零部件設計 2013.03.31~2013.04.11 三維CAD建模、裝配 2013.04.12~2013.04.24 三維運動學分析 2013.04.25~2013.05.02 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.05.03~2013.05.10 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.11~2013.05.24 整理材料準備答辯 2013.05.25~2013.05.29 論文答辯 參考文獻 [1] 我國蔬菜育苗移栽機械化的現(xiàn)狀與發(fā)展方向，http://news.jgny.net/2007/3-5/94922.htm [2] 陳殿奎.蔬菜機械化育苗的現(xiàn)狀與展望[J]．農業(yè)工程學報，1990,(12)：20~25． [3] G. V. Prasanna Kumar ； H. RahemanInternational Journal of Vegetable Science,Vol.14，No.3，232-255 [4] Konosuke TSUGA. 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It helps the plants to use the source of light and temperature sufficiently, which will make considerable economical and social benefits. At present, most transplanting machines are semi-automatic transplanting machines ，they need pick up plug seedling by man ，which have high work intensity and low work efficiency ,and domestic research on automatic transplanting machine is just beginning . Automatic transplanting machine can pick up plug seedling and transplanting plug seedling by themselves ,which have low work intensity and high work efficiency. The overseas have automatic transplanting machine be applied in production,but the application and research on automatic transplanting machine is developing.Thus the pick up plug seedling machine is the key issues,which restricted the development of automatic transplanting machine and at same time ,which is also restricted the development of the plants of vegetable . So it's a pressing requirement to design a new kind of pick up plug seedling machine. This paper concludes the merits and demerits of several kinds of transplanting machines from both domestic and abroad. Based on the achieved research result, a new vegetable plug seedling pick-up mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incomplete non-circular gear has been designed. This vegetable plug seedling pick-up can be used as seedling fetching mechanism lonely to realize fetching seedlings automatically. Besides, if the mechanism parameters of this mechanism have been optimized properly, the motion of fetching seedlings and transplanting seedlings can both be realized by this mechanism. This vegetable plug seedling pick-up mechanism has simple structure and reliable performance. The main content of this paper is listed as bellow: 1. According to the technological characteristics and agricultural requirements, imitate the requirements of trajectory, motion and attitude of manual pick up plug seedling, invent the vegetable plug seedling pick-up mechanism, which can satisfy the special working trajectory requirements of fetching and pick up plug seedlings automatically. This new vegetable plug seedling pick-up mechanism has higher working efficiency, steadier transmission and less vibration than existing mechanism. 2. The working principle and structural features of this automatic vegetable plug seedling pick-up mechanism has been discussed and the kinematic mathematical model of this mechanism has been established. 3.Based on the established kinematic mathematical model and Visual Basic 6.0, develop the kinematic aided analytical and optimal software of this vegetable plug seedling pick-up mechanism (Register Number: 2011SR030044). Introduce the human-computer interactive interface and functions of this software. By this software, the difficulty of optimization with multiple kinematic objects of this mechanism can be solved. 4. According to the agricultural requirements in our country, put forward the parametric optimal objects and methods of the vegetable plug seedling pick-up mechanism. Analyze the influence of parameter vitiation on kinematic characteristics of this vegetable plug seedling pick-up mechanism. Take advantage of the developed software, use the optimization method of human-computer interactive, and obtain the structural parameters which can satisfy the working requirements of automatic vegetable pot seedling transplanting. 5. In accordance with the obtained structural parameters, design the ensemble of the vegetable plug seedling pick-up mechanism; discuss the problems which should be noticed in the process of designing. Finally finish the design of parts and the assembly drawing basing on ProE and CAD. 6. Establish the solid model of all parts of this vegetable plug seedling pick-up mechanism in UG6.0 and then carry out the virtual assemble. Keywords: Vegetable plug seedling; Pick-up mechanism; Work principle; Parameters optimization; Test study 第1章 緒論 1.1前言 據FAO統(tǒng)計，2006年中國已成為世界上最大的蔬菜生產國，蔬菜產量約占世界總產量的49.6％[1]。改革開放以來，我國蔬菜產量每年呈持續(xù)增長的勢頭，發(fā)展迅猛。據中國農業(yè)統(tǒng)計資料顯示，我國蔬菜播種面積在上世紀80年代年均增長近10%，90年代年均增長14.5%，本世紀前7年平均增長1.9%，到2007年達到2.94億畝，總產量6.41億噸。其中，蔬菜2.6億畝，5.65億噸，人均占有量427公斤。蔬菜已經成為我國農業(yè)中僅次于糧食的第二重要農產品，近年來，浙江省在種植業(yè)結構調整和效益農業(yè)的發(fā)展上取得了顯著成效，蔬菜生產面積、總產量、總產值逐年增加。浙江省已成為長江三角洲地區(qū)重要的蔬菜生產基地，基本培育形成沿杭州灣兩岸及沿海設施出口蔬菜產業(yè)帶。同時，蔬菜種植業(yè)也逐步成為發(fā)展我國和我省農村經濟的重要組成部分[2]。 實現(xiàn)蔬菜順利移栽是蔬菜生產過程中的重要環(huán)節(jié)之一，移栽具有對氣候的補償作用和促進作物生育提早的綜合效益，還可以充分利用光熱資源，其經濟效益和社會效益均十分可觀。目前，我國約有60％蔬菜是采用育苗移植方式種植的[3-4]，但是由于我國蔬菜栽植機械的發(fā)展滯后，栽植作業(yè)仍以人工為主，而缽苗手工栽植需要彎腰和肢體屈伸。從蔬菜移栽整個工序的勞動強度來看，手工移栽蔬菜是僅次于收獲作業(yè)的一項勞動強度非常大的農事活動，它占作物從種植到收獲所需總勞動量的20％左右。不僅勞動強度大、生產效率低，而且移栽質量低、生產成本高，難以實現(xiàn)大面積移栽，從而限制了生產規(guī)模的擴大和生產效益的提高，制約了我國蔬菜生產的發(fā)展。由此可見，實現(xiàn)蔬菜移栽機械化已成為我國蔬菜生產的迫切需要[5-7]。另一方面，在我國使用的絕大部分蔬菜移栽為半自動移植機，半自動移栽機構需要手工實現(xiàn)分苗和取苗，即手工喂苗，植苗操作則由由植苗器完成,每行的移植效率僅為30～40株/分鐘。近年來,自動蔬菜移栽機的研究在國內外已引起農機專家和相關企業(yè)的重視。自動移栽機構一般由取苗機構和植苗機構組成，從分苗、取苗到植苗操作都是由機械自動完成，不僅工作效率高,而且大大降低了工人的勞動強度。目前植苗機構現(xiàn)已比較成熟,有現(xiàn)成的應用，而取苗機構是制約自動移植機發(fā)展的“瓶頸”問題，在國內，研究剛剛起步，在國外也處在不斷的研究與發(fā)展的階段。 a) 半自動移栽機 b) 全自動移栽機 圖1.1 半自動移栽機和自動移栽機 從上世紀末到本世紀初，日本的井關、久保田、洋馬、野馬等幾大主要農機公司都進行了取苗機構的研究和開發(fā)[8]，也研制出了多種樣機，并進行了田間取苗試驗，效果良好，現(xiàn)已在日本國內推廣使用。但是這些機器的取苗機構存在結構復雜，設計制造成本較高，且單行移植效率只有60～70株/分鐘，相對于自動移栽機而言，其取苗效率并不是很高，并且日本的自動移植機都在中國申請了專利保護。而我國在自動蔬菜移栽機應用研究方面還處于空白，其研究工作剛剛起步。國內針對取苗機構的研究主要是針對溫室棚里的取苗，這樣可以用到伺服電機，設計則較為簡單，目前針對野外惡劣工作環(huán)境的取苗機構的研究還處于實驗室階段。此外，我國在“十二五”農業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃中指出，旱地高速移植機械已被列入要重點解決的技術難題，而由于取苗機構是制約移植機械發(fā)展的“瓶頸”問題。本文研究的取苗機構，除可用于蔬菜缽苗取苗外，經改進也可用于油菜、煙草等其他經濟作物的取苗。因此,開展本文的蔬菜缽苗取苗機構的機理研究，并進行機構創(chuàng)新、理論建模與試驗研究，將為今后蔬菜缽苗取苗機構的研發(fā)提供重要理論基礎和設計依據，不僅具有重要的理論研究意義，而且具有重大的實際應用價值。 1.2國內外蔬菜缽苗取苗機構的發(fā)展概述 1.2.1我國蔬菜缽苗移栽機械化發(fā)展概況 我國最早出現(xiàn)的移栽機主要用于移栽棉花和甘薯。栽植機械的研究始于20世紀50年代末60年代初，最早出現(xiàn)的是棉花營養(yǎng)缽育苗移栽和甘薯秧苗栽植機的試驗研究。20世紀70年代開始研制裸根苗移栽機械，主要用于甜菜移栽。80年代研制成半自動化蔬菜栽植機，同時也從國外引進了多種適合于移栽蔬菜煙葉甜菜等經濟什物的移栽機械，但均因育苗技術落后，配套性能差，以及機具本身性能不穩(wěn)定和生產率低等原因，都未得到推廣使用[9]。但隨著育苗技術的發(fā)展，以及勞動力成本的上升，推動了移栽機械的研制開發(fā)工作。到目前為止，已研究成功了多種類別的移栽機械，部分機型已申請了專利，部分機型投入了小批量生產。 目前，國內常見的移栽機主要有以下幾種形式[10]： 1)鉗夾式移栽機：這種移栽機結構簡單，成本低，株距和栽植深度穩(wěn)定，最大的優(yōu)點是移栽平穩(wěn)，種苗直立度較高，工作效率在較低速的情況下，可以保證不漏苗：在高速的情況下，由于是人工喂苗，工作效率大大下降，漏苗、缺苗率大大增加。這種移栽機的應用較少，有被淘汰的趨勢。 2)鏈夾式移栽機：工作過程與鉗夾式基本相同，性能與鉗夾式移栽機相似。其優(yōu)點是移栽穩(wěn)定，但效率低，易漏苗、缺苗。 3)撓性圓盤式移栽機：這種移栽機是由人工或機械將秧苗放置到兩片可以變形的撓性圓盤內，秧苗隨圓盤轉動，當達到垂直狀態(tài)時進行栽植。由于不受秧夾數(shù)量的限制，它對株距的適應性較好，但圓盤壽命較短，栽植深度不穩(wěn)定。 4)吊杯式移栽機：具有可以進行膜上打孔移栽的獨特優(yōu)點，而且秧苗在移栽過程中不受任何沖擊，特別適合于根系不很發(fā)達而且易破的缽苗移栽，缺點是整地較為復雜，喂苗速度不能過高，否則漏栽率將增加，生產率較低。 5)導苗管式移栽機：這種移栽機有一個水平喂苗盤和一個垂直或傾斜的將缽苗送入開溝器的導苗管。秧苗在導苗管中的運動是自由的，不易傷苗。秧苗靠重力落到苗溝中，在調整導苗管傾角和增加扶苗裝置的情況下，可以保證較好的秧苗直立度、株距均勻性和深度穩(wěn)定性，且作業(yè)速度較高。缺點是結構比較復雜。 6)輸送帶式移栽機：帶式移栽機由水平輸送帶和傾斜輸送帶組成，兩帶的運動速度不同，這種栽植機機構簡單。但在工作可靠性方面需要進一步改進。 7)空氣整根營養(yǎng)缽育苗移栽機：吉林工業(yè)大學孫廷琮等應用美國B．K．Huan9發(fā)明的空氣整根育苗技術研究開發(fā)了空氣整根營養(yǎng)缽育苗移栽系統(tǒng)，在此基礎上研制了空氣整根缽苗全自動移栽機。該機實現(xiàn)移栽全自動化，大大提高了移栽機作業(yè)效率。 1.2.2我國蔬菜缽苗移栽機存在的問題 我國栽植機械的研究開發(fā)方面雖然已有四十年的歷史，并隨著育苗技術的發(fā)展，以及勞動力成本的上升，在移栽機的研制方面取得了較大的進展，并逐步轉向自動移栽機方面的研究，但目前仍然處于起步階段，研制的移栽機都沒有得到大面積推廣應用[11]。 蔬菜移栽機械研究剛起步，主要體現(xiàn)在以下幾方面[12]。 1)蔬菜移栽的品種、育苗方式、苗齡、行距、株距、種植密度及深度等方面在我國各地區(qū)存在很大的差異，對蔬菜栽植機械的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。 2)蔬菜育苗仍然以育苗床或營養(yǎng)土方式為主，所育秧苗不適合機械化移栽，栽植機械與育苗技術脫節(jié)，移栽機與秧苗不配套。 3)蔬菜的溫室種植面積逐步增加，露地種植面積在減小，產均種植規(guī)模小，不利于蔬菜栽植機械的發(fā)展。 4)日前蔬菜移栽機以半自動為主，采用手工喂苗的方式，栽植頻率受限于工人的喂苗能力，一般栽植頻率不能超過40株／分，導致移栽機作業(yè)效率低。 5)對不同種類栽植機械與作物缽苗相適應性的研究工作進行得不充分，對栽植機械工作原理以及機械與作物生長要求相適應性研究不足。 6)機器的性能和成本及農民的經濟條件限制移栽機的推廣。 1.2.3我國蔬菜缽苗移栽機存在問題解決途徑分析 設計適合我國蔬菜移栽農藝要求，開提高移栽機自動化程度和機具性能。針對我國蔬菜移栽機存在的問題，找出解決問題的應對措施。主要做好以下幾個方面[13-15]。 1)建立育苗移栽技術體系，生產各環(huán)節(jié)形成一套規(guī)范化管理。建立適宜機械化作業(yè)的育苗移栽技術體系，涉及到品種選育、土壤肥料、作物栽培、機械設計與制造和自動控制等領域，還將涉及到病蟲害防治、塑料工業(yè)、太陽能利用、溫室技術等方面。使農機和農藝相適應，加強從育苗到移栽整個系統(tǒng)的研究，使育苗和移栽有機地結合。生產的各個環(huán)節(jié)都建立了一整套的規(guī)范化的操作管理制度，使育苗過程實現(xiàn)機械化、工廠化和設施化，使其作物的生產實現(xiàn)了商品化、系列化。 2)制定統(tǒng)一技術標準和評價方法，形成產品標準化、系列化和規(guī)格化。我國沒有制定統(tǒng)一的技術標準，各種移栽機難以標準化，不利于其發(fā)展。應該由國家制定統(tǒng)一的技術標準，形成產品標準化、系列化和規(guī)格化。目前沒有形成統(tǒng)一的評價方法，如何科學地評價栽植機的性能，是目前亟待解決的一個重要問題。 3)改變單缽輸送方式，提高移栽機自動化程度。目前，栽植機械的喂入方式主要以人工喂入為主，工作效益低下。這就需要改變以往以人工喂入單缽的方式，采用成盤缽苗的輸送方式，設計專門的切盤機構，在機器上把缽苗盤切成單缽再投缽，提高其工作效率，實現(xiàn)全自動化。 4)根據某些作物移栽的特殊要求，設計特色機型。某些作物對移栽有特殊的要求，如大蔥和韭菜需要較小的株距：有些蔬菜需要較窄的行距。但目前國內缺乏適合這些特殊要求的栽植機，可以為它們單獨設計性能卓越的栽植機。 5)農機部門適時引導，國家政策宏觀調控。雖然移栽機械使種植方式發(fā)生了重大的變化，其可行性和經濟性已得到了論證，但是，農民的認識水平畢竟有一定的局限性，對于移栽機械的推廣和應用不可能很快地全面接受。所以，農機部門要適時對其進行引導。 1.2.4國外蔬菜缽苗自動移栽機的發(fā)展和研究成果 20世紀初期，歐洲一些國家開始大最種植蔬菜和經濟作物，出現(xiàn)了早期的近代秧苗栽植機具。這些機具仍為手動栽植，只是減輕了栽秧者肢體反復屈伸的繁重勞動：到20世紀30年代后期，出現(xiàn)了栽植機構或栽核器代替人上直接栽秧，使送秧入溝過程實現(xiàn)了機械化；自20世紀50年代開始，歐洲國家開展作物壓縮土缽育曲及移栽的生產技術研究，研制出多種不同結構型式的半自動移栽機和制缽機；至20世紀70年代，前蘇聯(lián)蔬菜栽植機械化水平為58％，國營農場已達67％；到20世紀80年代，半自動移栽機已在曲方國家的農業(yè)生產中廣泛使用，制缽、育苗和移栽已形成完整的機械作業(yè)系統(tǒng)。到目前為止，作物壓縮十缽成型、缽上單粒精密播種和相應的自動化移栽設備在技術上基本達到了完善，亦廣泛應用于實際生產。歐洲的幾個主要國家(如法國、德國、荷蘭、兩班牙、丹麥等)大部分的蔬菜生產和幾乎全部的大地花卉生產都采用育苗移栽生產工藝[16]。 從上世紀末到本世紀初，日本的井關、久保田、洋馬、野馬等幾大主要農機公司都進行了取苗機構的研究和開發(fā)[17]，也研制出了多種樣機，并進行了田間取苗試驗，效果良好，現(xiàn)已在日本國內推廣使用。但是這些機器的取苗機構存在結構復雜，設計制造成本較高，且單行移植效率只有60～70株/分鐘，相對于自動移栽機而言，其取苗效率并不是很高，并且日本的自動移植機都在中國申請了專利保護。 1.2.5蔬菜缽苗移栽機發(fā)展方向 蔬菜育苗移栽機械化是一個系統(tǒng)工程，應加強從育苗到移栽整個系統(tǒng)的研究，進一步完善與移栽配套的育苗設施及相應的配套技術，使育苗過程實現(xiàn)機械化、工廠化和設施化。制定統(tǒng)一技術標準利評價方法，形成產品標準化、系列化和規(guī)格化。研究解決缽苗整缽、斷根、裝盤和運輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)工作過程的機械化自動化問題，使育苗和移栽有機的結合，研制出多種適合我國蔬菜農藝要求的全自動移栽機，實現(xiàn)我國蔬菜的育苗工廠化生產和移栽機械化作業(yè)的生產模式。提高我國蔬菜種植機械化水平，促進我國蔬菜生產的快速發(fā)展，改善人們生活水 平[18]。 目前國內外的蔬菜移栽機都是以沒有取苗機構的半自動的為主，從已有的取苗機構來看，這些機器的取苗機構要么結構復雜，設計制造成本高，要么工作可靠性差，最關鍵的是，日本的取苗機構在中國都申請了專利保護。目前在我國，蔬菜取苗機構的應用還處于空白，而針對蔬菜取苗機構的研究才剛剛起步，未見系統(tǒng)的理論研究，這將制約我國具有自主知識產權的蔬菜取苗機構的開發(fā)。而且，實現(xiàn)蔬菜缽苗順利并可靠的自動取苗是一項系統(tǒng)工程，建立適宜的系統(tǒng)化蔬菜缽苗自動取苗技術體系，將涉及多個研究領域，如園藝、植保、農學、機械設計與制造、自動控制等，這就需要進行多學科的聯(lián)合攻關。從我國國情及農村狀況考慮，要形成我國特有的蔬菜缽苗取苗技術體系，需要將農機與農藝、栽植機械與育苗技術相結合，應對蔬菜缽苗栽培工藝的規(guī)范化、標準化，深入研究取苗機構工作原理及與蔬菜缽苗相適應性的關系，而不能僅限于仿制國外引進的取苗機械。我們應該積極發(fā)展全自動蔬菜移植器械，同時走專用的蔬菜缽苗取苗機械與通用的蔬菜缽苗取苗機械相結合的發(fā)展道路，以通用蔬菜缽苗取苗機械為主，并向標準化、系列化、規(guī)格化方向發(fā)展，同時機構結構簡單、成本低廉、秧苗栽植質量可靠[19]。 實現(xiàn)取苗作業(yè)機械化已成為我國蔬菜種植迫切需要解決的問題。蔬菜育苗取苗機械化是推廣普及蔬菜育苗移栽技術，提高蔬菜產量和季節(jié)性供應蔬菜，以及提高蔬菜經濟作物經濟效益和社會效益的必要途徑。通過提高種植技術的機械化水平，達到進一步完善與取苗機械相配套的育苗設施及相應的配套技術，使育苗和取苗有機的結合，就可以降低種植成本，達到增加產量，提高經濟效益的目 的[20]。因此，從長遠看，蔬菜取苗機械具有良好的發(fā)展趨勢和廣闊的發(fā)展前景。 1.3國內取苗機構存在的主要問題和發(fā)展方向 1.3.1國內取苗機構發(fā)展存在的主要問題 1）我國農業(yè)機械化水平還不夠，取苗機構的研究還未引起相關農機專家的足夠重視，制約了我國蔬菜缽苗取苗機構的推廣[21]。 2）育苗未標準化，即蔬菜缽苗的培育方式在我國不同的省份存在很大的差異，這對蔬菜缽苗取苗機構的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。 3）取苗機械與育苗技術脫節(jié)，取苗機構與所取秧苗不配套，即在我國大部分地區(qū)蔬菜的育苗仍然采用育苗床或營養(yǎng)土方式進行，使得所育的秧苗不適合機械化取苗。 4）由于露天蔬菜受氣候的限制，一般只能種植特定蔬菜，且戶均種植規(guī)模小，人們不愿意采用取苗機構用于生產。 5）能實現(xiàn)蔬菜缽苗取苗的機械一般結構復雜，成本高，且功能單一，限制了取苗機構的應用與推廣。 6）對取苗機構的工作原理和工作特性研究還不是很充分，還學進一步的研究。 7）農民的經濟條件限制了取苗機構的推廣。 1.3.2國內蔬菜取苗機構的發(fā)展方向 目前國內外的蔬菜移栽機都是以沒有取苗機構的半自動的為主，從已有的取苗機構來看，這些機器的取苗機構要么結構復雜，設計制造成本高，要么工作可靠性差，最關鍵的是，日本的取苗機構在中國都申請了專利保護。目前在我國，蔬菜取苗機構的應用還處于空白，而針對蔬菜取苗機構的研究才剛剛起步，未見系統(tǒng)的理論研究，這將制約我國具有自主知識產權的蔬菜取苗機構的開發(fā)。而且，實現(xiàn)蔬菜缽苗順利并可靠的自動取苗是一項系統(tǒng)工程，建立適宜的系統(tǒng)化蔬菜缽苗自動取苗技術體系，將涉及多個研究領域，如園藝、植保、農學、機械設計與制造、自動控制等，這就需要進行多學科的聯(lián)合攻關。從我國國情及農村狀況考慮，要形成我國特有的蔬菜缽苗取苗技術體系，需要將農機與農藝、栽植機械與育苗技術相結合，應對蔬菜缽苗栽培工藝的規(guī)范化、標準化，深入研究取苗機構工作原理及與蔬菜缽苗相適應性的關系，而不能僅限于仿制國外引進的取苗機械。我們應該積極發(fā)展全自動蔬菜移植器械，同時走專用的蔬菜缽苗取苗機械與通用的蔬菜缽苗取苗機械相結合的發(fā)展道路，以通用蔬菜缽苗取苗機械為主，并向標準化、系列化、規(guī)格化方向發(fā)展，同時機構結構簡單、成本低廉、秧苗栽植質量可靠。 實現(xiàn)取苗作業(yè)機械化已成為我國蔬菜種植迫切需要解決的問題。蔬菜育苗取苗機械化是推廣普及蔬菜育苗移栽技術，提高蔬菜產量和季節(jié)性供應蔬菜，以及提高蔬菜經濟作物經濟效益和社會效益的必要途徑。通過提高種植技術的機械化水平，達到進一步完善與取苗機械相配套的育苗設施及相應的配套技術，使育苗和取苗有機的結合，就可以降低種植成本，達到增加產量，提高經濟效益目的[23]。因此，從長遠看，蔬菜取苗機械具有良好的發(fā)展趨勢和廣闊的發(fā)展前景。 1.4本文的研究目標 針對目前半自動移栽機構需人工取苗、工作效率低等缺點，以及日韓等發(fā)達國家的取苗機構的復雜結構、高制造成本和效率不高、以及在我國申請了專利保護等問題。本文展開一種結構簡單、效率更高的蔬菜缽苗取苗機構的工作原理與創(chuàng)新設計方法的研究，通過深入研究蔬菜機械化取苗的工作機理，模擬人工移取蔬菜缽苗的動作、軌跡和姿態(tài)要求，對取苗機構進行機構創(chuàng)新，發(fā)明旋轉式取苗機構，能夠實現(xiàn)自動抓取和釋放蔬菜缽苗，并進行理論分析、建模、參數(shù)優(yōu)化和動態(tài)仿真，確定一組最優(yōu)的結構參數(shù)進行取苗機構的結構設計，設計出的取苗機構能夠很好的滿足機械化取苗的工作要求，又能使機構簡單高效。最后構建蔬菜取苗機構的測試試驗平臺，進行取苗機構的高速攝像試驗。通過取苗試驗完善取苗臂的結構設計，測試了取苗機構的運動學特性。 1.5本文的主要工作及內容安排 在對本領域國內外研究現(xiàn)狀分析的基礎上，本文開展了如下的研究工作： 第一章闡述了單行蔬菜缽體苗自動移栽機的蔬菜缽苗取苗機構的工作原理及特點，給出了單行蔬菜缽體苗自動移栽機的蔬菜缽苗取苗機構的運動學模型。 第二章詳細論述了單行蔬菜缽體苗自動移栽機參數(shù)優(yōu)化。以第二章建立的理論模型為基礎，在VB6.0環(huán)境下開發(fā)了用于機構分析和參數(shù)優(yōu)化的軟件。 第三章研究了單行蔬菜缽體苗自動移栽機的蔬菜缽苗取苗機構的結構實現(xiàn)與制造，按照優(yōu)化出的參數(shù)進行取苗機構的機構設計，對設計所必須考慮的問題作了闡述。 第四章闡述了蔬菜缽苗取苗機構CAD、Proe系統(tǒng)的開發(fā)應用環(huán)境、系統(tǒng)總體結構和特點，實現(xiàn)取苗機構的實體建模制圖。 第五章是全文的總結及展望。 1.6本章小結 1）分析了進行蔬菜缽苗取苗機構研究的重要意義。 2）概述了國內外蔬菜取苗機構的發(fā)展現(xiàn)況及及存在問題，闡述了國內蔬菜取苗機構存在的主要問題和發(fā)展方向。 3）給出了本論文主要工作及內容安排。 第2章 蔬菜缽苗取苗機構的運動學分析 對于蔬菜移栽機的設計，要根據實際的使用要求對其的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。 其設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。設計的努力目標是：在各種限定的條件(如材料、加工能力、理論知識和計算手段等)下設計出最好的機械，即做出優(yōu)化設計。優(yōu)化設計需要綜合地考慮許多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環(huán)境污染。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。設計者的任務是按具體情況權衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設計的機械有最優(yōu)的綜合技術經濟效果。過去，設計的優(yōu)化主要依靠設計者的知識、經驗和遠見。隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統(tǒng)分析等新學科的發(fā)展，制造和使用的技術經濟數(shù)據資料的積累,以及計算機的推廣應用,優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學計算。從實際出發(fā)根據一些限定條件進行運動學設計和分析。 2.1取苗爪工作要求的實現(xiàn) 自動移栽機要求取苗機構模擬人手從缽苗盤中把缽苗取出，然后在某個位置釋放，使缽苗落入植苗器中，以便植苗器栽植，接著取苗機構重復上述動作。通過分析現(xiàn)有取苗機構的軌跡特點，為了順利從缽苗盤中夾取缽苗，取苗片進入缽苗盤的軌跡段和退出缽苗盤的軌跡段的夾角不能太大，并且進入和退出缽苗盤的取苗軌跡要盡量的靠近。當取苗機構的處于取苗階段時，取苗片進入缽苗盤前完全張開，當?shù)嚼徝绫P底部時，取苗片完全夾緊缽苗，然后缽苗隨著取苗片一起往缽苗盤外運動，實現(xiàn)取苗；取苗結束后，取苗機構處于持苗階段，即取苗片夾持缽苗運動；持苗一段時間后，取苗機構進入放苗階段，即取苗片完全張開，推廟爪將缽苗推出，缽苗落入植苗器中，實現(xiàn)放苗動作；放苗結束后，取苗片一直保持張開狀態(tài)，直至下一次取苗開始。 通過對蔬菜缽苗取苗機械的技術特點和農藝要求的分析，要滿足模擬人工取苗的軌跡、動作和姿態(tài)要求，設計合理的非勻速傳動機構是實現(xiàn)蔬菜缽苗取苗機械手自動取苗的核心技術。要實現(xiàn)非勻速傳動的機構很多，但要考慮取苗機械手尺寸大小，并同時滿足取苗機械手的運動和結構要求，基于這種要求，本文考慮用橢圓齒輪行星輪系機構來實現(xiàn)非勻速傳動。并通過實際的考慮和大量的調試，最終通過選擇合理的結構參數(shù)，使得取苗臂上的取苗片尖點在工作時形成所要求的取苗軌跡。 本文設計的橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機械手是一種新型的取苗機構。該機構傳動平穩(wěn)、取苗效率高、工作性能可靠。本章著重分析取苗機械手的工作原理和運動學特性，介紹了該取苗機械手的工作原理和工作過程，并建立其運動學模型。 2.2蔬菜缽苗取苗機械手的機構組成與工作原理 1.下行星輪軸，2. 下行星橢圓齒輪，3. 下中間軸，4. 下中間橢圓齒輪，5.中心軸，6.中心橢圓齒輪，7.齒輪箱，8.上中間軸，9. 上中間橢圓齒輪，10. 上行星輪軸，11. 上行星橢圓齒輪，12. 上取苗臂部件，13. 下取苗臂部件，14.中心鏈輪，15.鏈條，16.傳動軸，17.主動鏈輪，18.鏈輪箱，19.法蘭，20.取苗片，21.推苗桿，22.推苗彈簧，23. 凸輪，24. 撥叉，25. 殼體，26. 推苗爪，27. 轉動片，28 缽苗盤 圖2.1橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機械手機構簡圖 如圖2.1所示，在鏈輪箱18內固接在傳動軸16上的主動鏈輪17經鏈條15與固接在中心軸5上的中心鏈輪14連接，中心軸5伸出鏈輪箱18外的一端與齒輪箱7固接；齒輪箱7內安裝有上、下對稱結構的行星輪系機構，伸出齒輪箱7外的上行星輪軸10、下行星輪軸1上分別裝有結構相同的上取苗臂部件12和下取苗臂部件13。在齒輪箱7內的中心橢圓齒輪6通過法蘭19固定在鏈輪箱18的一側，中心橢圓齒輪6分別與固接在上中間軸8上的上中間橢圓齒輪9和固接在下中間軸3上的下中間橢圓齒輪4相嚙合，上中間橢圓齒輪9與固接在上行星輪軸10上的上行星橢圓齒輪11相嚙合，下中間橢圓齒輪4與固接在下行星輪軸1上的下行星橢圓齒輪2相嚙合。 圖2.1中，中心軸5轉動，帶動齒輪箱7轉動，上取苗臂部件12和下取苗臂部件13隨著上行星橢圓齒輪11和下行星橢圓齒輪2相對齒輪箱7作不等速轉動，并隨上行星輪軸10和下行星輪軸1繞中心軸5作非勻速圓周運動。通過參數(shù)優(yōu)化，使得取苗片尖的工作軌跡滿足蔬菜苗自動取苗的要求。 2、11行星橢圓齒輪 4、9中間橢圓齒輪 6中間橢圓齒輪 12、13取苗臂 28缽苗盤 圖2.2 橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機械手示意圖 如圖2.2所示，齒輪箱內的上行星橢圓齒輪11、上中間橢圓齒輪9、中心橢圓齒輪6、下中間橢圓齒輪4和下行星橢圓齒輪2的長軸在初始安裝位置位于同一直線上，并且其橢圓齒輪的偏心率，即短長軸之比大于0.99，且五個橢圓齒輪的幾何參數(shù)均相等。當齒輪箱7繞著中心軸5（即取苗臂驅動軸）逆時針方向回轉一周時，上行星輪軸10和下行星輪軸1相對齒輪箱7以反方向(即順時針方向)回轉1周。當取苗片運動到A1位置時，取苗片20間的角度逐漸變小，開始進入缽苗盤28夾持苗； 當取苗片運動至A2點時，取苗片20逐漸張開，開始放苗。 蔬菜缽苗取苗機械手由取苗機鏈輪箱主動鏈輪17傳遞到中心鏈輪14，中心鏈輪與中心軸5用鍵連接。穴盤苗自動取苗機構各組件連接關系：中心橢圓齒輪6通過襯套安裝在中心軸5上，中心軸5軸端由花鍵或方鍵與左齒輪箱7固接，中心橢圓齒輪6依靠牙嵌式法蘭盤19固定，中心橢圓齒輪6的兩側設置上中間橢圓齒輪9和下中間橢圓齒輪4，上中間橢圓齒輪9和下中間橢圓齒輪4各自通過上中間軸8和下中間軸3固接，再分別與上行星橢圓齒輪11和下行星橢圓齒輪2嚙合，上行星橢圓齒輪11和下行星橢圓齒輪2分別與上行星輪軸10和下行星輪軸1依靠花鍵聯(lián)結，上行星輪軸10和下行星輪軸1伸出齒輪箱的一端分別與上取苗臂部件12和下取苗臂部件13通過鍵或方軸固接。行星輪旋轉中心與取苗片尖點的連線與行星架的夾角為。 a) 初始位置 b）某時刻的位置 圖2.3 橢圓齒輪節(jié)曲線 2.3 橢圓齒輪傳動的運動分析 2.3.1 橢圓齒輪的嚙合特性及優(yōu)點 要對橢圓齒輪行星系進行運動學分析，首先要分析橢圓齒輪的嚙合特性 橢圓齒輪轉動中心為橢圓的焦點，如圖2.3中的O1和O2分別為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ的焦點，均為橢圓齒輪軸心，兩齒輪初始相位相同（如圖2.3- a) ，輪Ⅰ和輪Ⅱ長軸共線）。 設為兩軸心O1O2距離，為橢圓齒輪Ⅰ上的另一焦點，P0為起始位置的嚙合點，則有：，，所以。由橢圓的性質可知，也為橢圓兩焦點到圓周上任意一點的距離之和。在任意位置，設嚙合點為，。 從圖2.3- a)位置轉到圖2.3-b)位置，兩齒輪嚙合齒數(shù)相等，故， 所以。因此O1Pi和O2Pi共線，為任意嚙合點。即嚙合點位置處于的連線上，所以兩齒輪在任意位置嚙合時，既不會分離也不會切入，傳動平穩(wěn)，這是橢圓齒輪嚙合的最大優(yōu)點。 由上分析可知橢圓齒輪傳動有3個特點： a、 橢圓齒輪節(jié)點在兩橢圓齒輪軸心的連線上； b、 嚙合點到兩橢圓齒輪軸心距離之和保持不變，說明橢圓齒輪嚙合沒有齒側間隙變化，故傳動平穩(wěn)； c、 由于嚙合點在O1O2連線上變化，故傳動比隨著齒輪Ⅰ角位移的變化而變化。 2.3.2 橢圓齒輪的角位移、角速度和傳動比分析 圖2.4 橢圓齒輪嚙合初始位置 圖2.4所示為兩個完全相同的橢圓齒輪，長半軸為a，短半軸為b，輪1和輪2各繞其一焦點轉動，并且正確安裝，即兩橢圓齒輪的中心距等于橢圓的長軸2a。這樣一對橢圓就能夠滿足純滾動的條件。 當橢圓齒輪傳動的主動輪1勻速順時針轉動時，從動輪2作逆時針變速轉動。設主動輪1轉過角（以中心線為始邊，沿著逆時針方向轉動），從動輪2轉過角（中心線為始邊，沿著順時針方向轉動），這時兩橢圓瞬心線在、接觸（重合）。經推導得： (在0~之間變化) (2-1) 式(2.1)中為橢圓的短長軸之比，；c為橢圓半焦矩，。 (在0~之間變化) (2-2) 由橢圓齒輪的傳動特性得： (2-3) 故有： (2-4) 即： (2-5) 由式(2.5)可確定從動輪角位移與主動輪角位移之間的關系。傳動比為： (2-6) 因此，橢圓齒輪2的角速度為： (2-7) 當時，即兩輪在圖2.2位置嚙合時，值最大： 當時，即兩輪在、置嚙合時，值最?。? 橢圓齒輪2的角位移、角速度和傳動比的計算程序框圖如圖2.5。圖2.6為主動輪轉角與傳動比的關系（只與k的大小有關）。 輸入a、 b、 For to 360 圖2.7 角位移、角速度和傳動比的求解圖 圖2.6 主動輪轉角與傳動比的關系 2.4蔬菜缽苗取苗機械手運動學模型的建立 2.4.1運動學分析符合的說明 為方便分析，將運動學分析所涉及到的相關變量和常量列表于2.1。 表2.1 運動學分析符號說明 符號 意義 備 注 符號 意義 備 注 橢圓的長半軸 已知常量 橢圓的短長軸之比 已知常量 某一時刻行星架轉過的角位移(<0) 已知常量 行星架的轉速（勻速） 已知常量 行星架(即齒輪盒)的初始角位移(>0) 已知常量 B點與E點連線對BD線的角位移(>0) 已知常量 B點與行星輪(包括取苗臂)質心C連線對BD線的角位移(>0) 已知常量 行星架中心連線與行星輪軸心與取苗片尖點D連線的初始夾角(<0) 已知常量 S 行星輪中心到取苗片尖D點的距離 已知常量 H 缽苗的株距 已知常量 中間齒輪質心到旋轉中心的距離 已知常量 取苗臂上D點到C點的距離 已知常量 行星輪旋轉中心B點到撥叉旋轉中心E點的距離 已知常量 取苗臂上D點到E點的距離 已知常量 行星輪和取苗臂質心C到旋轉中心的距離 已知常量 B點到過D點且與推苗桿軸線平行的直線的垂直距離 已知常量 太陽輪軸心到與中間輪嚙合點P的距離 變量 中間輪軸心到與太陽輪嚙合點P的距離 變量 中間輪軸心到與行星輪嚙合點Q的距離 變量 行星輪軸心到與中間輪嚙合點Q的距離 變量 行星架相對中間輪的角位移(>0) 變量 行星架相對行星輪的角位移(<0) 變量 2.4.2蔬菜缽苗取苗機械手位移分析 a)初始位置 b)行星架轉過一角度后的位置 圖2.7橢圓齒輪行星系取苗機械手示意圖 橢圓齒輪行星輪系取苗機械手的初始安裝位置如圖2.7。齒輪長半軸為，短半軸為，為太陽輪轉動中心，也是行星架轉動中心，為齒輪Ⅱ（中間輪）轉動中心。和分別為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ的焦點，和分別為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ對應的另一焦點。中心輪Ⅰ（太陽輪）固定于機架，在工作中保持靜止。設長軸作為行星架轉動初始邊，與x軸角度為（初始安裝角），行星架轉角為，相對于初始邊逆時針轉動時為正，順時針轉動時為負。 以為行星架的始邊，行星架順時針轉動，用極坐標方程表示橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ嚙合位置，則： ，，此時 ，，，P為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ的嚙合點。 以為行星架的始邊，行星架相對輪Ⅱ長軸轉過，則有： ， 當在0～之間時，在0～之間；當在～之間時，在～之間?？筛鶕颍?確定的唯一角。 ，， 以為行星架的始邊，行星架相對輪Ⅲ長軸轉過，則有： ， 當在0～之間時，在0～之間；當在～之間時，在～之間。同樣可根據或＜0確定的唯一角。 從上分析可知，取苗機械手旋轉1周，其中間輪和行星輪相對行星架的轉角可以唯一確定。 2.4.3機械手上各點位移方程和各構件角位移方程 對機械手進行運動學和動力學分析，首先要求出各點的位移、速度和加速度及和各構件的角位移、角速度和角加速度方程。 圖2.8為橢圓齒輪行星系取苗機械手簡圖，建立如圖所示的直角坐標系，各點的位移方程為（由于取苗機械手是對稱的，故只分析單邊，另一邊相差180°）： 令： 太陽輪和中間輪嚙合點P： (2-8) 行星輪與中間輪嚙合點Q： (2-9) 中間輪軸心A： (2-10) 圖2.8 橢圓行星系取苗機械手的簡圖(在B’處省略了對稱的另外一個取苗臂) 行星輪軸心B： （2-11） 由于齒輪盒旋轉1周取苗2次，蔬菜缽苗移栽機前進2個株距，故行星輪軸心的絕對運動方程為： (2-12) 令： 中間輪質心： (2-13) 令： 取苗臂質心C(包含與其固結的行星輪軸和行星輪)： (2-14) 令： 取苗片尖D點的相對運動方程為： (2-15) 取苗片尖D點的絕對運動方程為： (2-16) 令： 撥叉旋轉中心E： (2-17) 其中： ， 2.4.4 機構上各點的速度方程和各構件角速度方程 根據各點的運動方程，可得其運動速度的參數(shù)方程和轉動角速度方程: 太陽輪和中間輪嚙合點P： (2-18) 行星輪與中間輪嚙合點Q： (2-19) 中間輪軸心A： (2-20) 行星輪軸心B： (2-21) 由于齒輪盒旋轉1周取苗2次，蔬菜缽苗移栽機前進2個株距，故行星輪軸心的絕對速度方程為： (2-22) 令： 中間輪質心： (2-23) 令： 取苗臂質心C(包含與其固結的行星輪軸和行星輪)： (2-24) 取苗片尖D點的相對運動速度： (2-25) 取苗片尖D點的絕對運動速度： (2-26) 撥叉旋轉中心E： (2-27) 下面計算行星架相對中間輪Ⅱ的角速度，由反轉法可得：，由于橢圓齒輪Ⅰ固定，所以, 則：