旋转式水稻钵苗移栽机构的设计（含全套CAD图纸）

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1、 本科毕业设计（论文）题 目： 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 学 院： 机械与自动控制学院 专业班级： 机械制造及其自动化（4）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位

2、论文作者完全了解浙江理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)摘 要水稻钵苗移栽是一种利用钵盘育秧的水稻移栽技术，是水稻种植过程中的重要环节。水稻的钵盘育秧充分保留了秧苗生长的营养土质，植伤轻、返苗快，使作物提早成熟，且增产增收；移栽充分利用了光热资源，对水稻秧苗有气候的补偿作用，同时有使作物生育提早的综合效益，因此水稻的钵苗移栽可以产生非常可观的经济效益和社会效益。但与其他国家和

3、地区相比，我国水稻种植机械化程度较低，与国内水稻生产的其它环节相比，机械化程度也是最低的。因此研究一种新的水稻钵苗移载机构，对水稻的机械化种植与高产高收具有非常重要的意义。本文通过对国内外的水稻钵苗移栽机构进行对比分析，提出了一种高效率的水稻钵苗移栽机构为旋转式水稻钵苗移栽机构。该水稻钵苗移栽机构由驱动部分与移栽臂两部分构成，其中驱动部分由非匀速间歇传动机构与非匀速传动机构串联组成，移栽臂用于完成机构的取秧、推秧。 本文的研究内容如下：1.根据水稻钵苗移栽的农艺特性与工作轨迹的要求，确定了以椭圆不完全非圆齿轮行星轮系为传动机构的设计方案，该旋转式传动机构平稳性好、效率高。2.分析了该水稻钵苗移

4、栽机构的工作原理，并对机构进行运动学建模与传动特性分析。3通过水稻钵苗移栽机构的辅助分析与优化软件，对该机构进行参数优化，最后得到一组较优的结构参数：a=23.069mm，k=0.994，=291，=6，=29，0=-39，S=152mm.4.根据机构优化后的结构参数，在CAD2008软件中对水稻钵苗移栽机构进行整体的结构设计与各零部件的二维设计。5.在ug8.0三维实体建模软件中完成各零部件的建模与机构的装配。关键词：水稻钵苗移栽；行星系移栽机构；椭圆不完全非圆齿轮；参数优化；设计；Parameter Optimization and Design of Rotary Rice Bowl S

5、eedling Transplanting Mechanism AbstractRice 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 see

6、dlings 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 c

7、an 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

8、 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 transp

9、lanting mechanism with which the transplanter can achieve high efficient transplantingrice 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 transplanti

10、ng 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.

11、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 mechan

12、ism 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

13、 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， = 291， = 6 ， = 29 ， 0 = -39 ， S = 152mm.4.According to the optimized structure parameters of the mechanism， design the

14、 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

15、 gear train; ellipse gears- incomplete non-circular gear;parameter optimization;design目 录摘 要2Abstract2第一章 绪论71.1 本文研究目的与意义71.2 水稻钵苗移栽机构的发展概况81.2.1 国外发展概况81.2.2 国内发展概况101.3 研究目标与方案实现131.3.1 研究目标141.3.2 实现方案141.4 本文的工作安排161.5本章小结17第二章 旋转式水稻钵苗移栽机构的运动学分析182.1 旋转式水稻钵苗移栽机构的工作原理182.2 运动学分析符号及相关说明192.3 椭圆齿轮

16、不完全非圆齿轮传动特性分析202.3.1 椭圆齿轮不完全非圆齿轮节曲线模型建立202.3.2 传动比分析242.4 椭圆齿轮传动特性分析272.4.1 椭圆齿轮节曲线模型建立272.4.2 传动比分析282.5 椭圆-不完全非圆齿轮行星轮系移栽机构运动学模型的建立292.5.1 位移方程292.5.2 速度分析312.5.3 加速度分析322.6 本章小结32第三章 旋转式水稻钵苗移栽机构辅助分析与优化软件的运用343.1 优化软件的运用思路343.2 旋转式水稻钵苗移栽机构的优化软件界面353.3 数据处理363.4 本章小结37第四章 旋转式水稻钵苗移栽机构的结构设计384.1旋转式水稻钵

17、苗移栽机构的整体结构设计384.2 驱动部分设计404.2.1 非匀速间歇传动机构的设计404.2.2 非匀速传动机构的设计414.3 移栽臂组成零件的设计414.3.1拨叉的设计424.3.2推秧爪与弹簧片的设计434.4 本章小结44第五章 旋转式水稻钵苗移栽机构的三维建模455.1椭圆齿轮与非圆齿轮的实体建模455.1.1椭圆齿轮的三维建模455.1.2非圆齿轮的三维建模465.2 其他零部件的三维建模475.3本章小结47第六章 总结486.1 总结48参考文献4951第一章 绪论1.1 本文研究目的与意义水稻是我国第一大粮食作物，在粮食安全中占有非常重要的地位，在全国范围内将近有60

18、%的人口以水稻为主食。我国水稻的常年种植面积约占全国谷物种植面积的30%，占世界水稻种植面积的20%，面积约为3000万公顷；稻谷每年的总产量近20000万吨，其重量占世界稻谷总产的35%，占全国粮食总产的40%.但是在主要粮食作物生产中，水稻的移栽劳动强度较大，水稻种植机械化水平最低1。水稻的移栽是种植过程中的重要环节，移栽充分利用了光热资源，对秧苗有气候的补偿作用，同时有使作物生育提早的综合效益，因此，水稻移栽产生的经济效益和社会效益非常可观。与其他国家和地区相比，我国水稻种植机械化程度较低，绝大部分是移栽作业；与国内水稻生产的其他工艺流程相比，机械化程度也是最低的（收获机械化50%以上，

19、种植机械化约12%）2。目前，水稻移栽机械主要有水稻抛秧机、插秧机、钵苗栽植机，相应的移栽技术分别为抛秧、插秧和钵苗栽植。其中，水稻抛秧技术栽植浅、植伤轻、返苗快、分蘖早、分蘖节位低、浅层根分布广，提早成熟，且增产增收3，但是抛秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影响缓苗，进而影响产量；与抛秧技术相比，水稻插秧方式可以保证栽植秧苗有较好直立性，但与抛秧移栽采用钵盘育秧不同，插秧技术采用毯状秧苗，毯状苗几乎不能保留秧苗的成长土质及营养物质，插秧时秧苗断根多，缓苗期较长，要10天左右；而水稻钵苗栽植技术也采用钵盘育秧，综合了以上两种水稻移栽方式的所有优点，克服了不利的因素，钵苗栽植直立性好，无缓苗期，增

20、产明显，成为当今水稻机械化移栽技术的研究重点。另外，目前超级稻种植都是采用手工移栽，要求每穴种植1到2株秧苗，用现有的毯状苗插秧种植方式根本无法满足此精准移栽要求；用水稻抛秧移栽技术，难以保证移栽秧苗的直立性，影响产量；而用本课题提出的水稻钵苗移栽技术，即可以解决超级稻机械化种植需要每穴1到2株苗，又可以保证移栽秧苗的直立性要求，有利于超级稻种植的推广。水稻钵苗移栽是一种高产的水稻移栽技术。具有壮苗浅栽、缓苗快、分蘖早、分蘖节位低、有效分蘖多、根系发达、提早成熟增产增收等优点，一直以来深受农民欢迎。水稻钵苗移栽在保证移栽钵苗的直立度后（与水平面夹角不低于60度），钵苗移栽方式较插秧方式增产10

21、%-15%，因此增产效果明显。日本研究出的水稻钵苗移栽机（又称水稻钵苗摆栽机）价格昂贵、结构复杂，而且又是采用半硬塑胶穴盘，成本高，育苗要求也高，使想迫切改变手工劳作并提高稻谷产量的广大农村农民望而却步，黑龙江垦区五年前曾引进日本的两种水稻钵苗摆栽机进行试验，到现在一直也没有推广，不适合中国国情。近几年来，我国吉林省有几家企业一直在研究水稻钵苗移栽机，并进行了小规模的应用推广，基本能够保证移栽钵苗有较好的直立度。其移栽机构采用多杆式移栽机构，移栽效率低，单行效率只有80株/分钟左右，由于多杆式机构的结构限制，移栽效率很难再提高了。其移栽效率远远低于步行式插秧机的插秧效率，更不用说与高速插秧机相

22、比。为了实现我国水稻钵苗移栽技术的发展与应用，满足广大农民的对水稻钵苗移栽机械化的需求，研究出一种新型高速水稻钵苗移栽机，具有非常重大的科学意义与经济价值。具有取苗与移栽苗功能的移栽机构，作为水稻钵苗移栽机的核心工作部件，已经成为制约高速水稻钵苗移栽机械发展的“瓶颈”问题，开展该移栽机构理论与创新设计研究已迫在眉捷48。本课题通过开展水稻钵苗移栽机构的工作机理分析，依托课题组多年研究水稻种植机械的研究平台，对水稻钵苗移栽机构进行创新研究与优化设计，发明一种新型的高速水稻钵苗移栽机构，并建立相应的设计理论与方法，将促进我国水稻钵苗移栽技术的发展与应用。该水稻钵苗移栽机构的研究能够为高速水稻钵苗移

23、栽机的研究、开发提供理论基础和设计参考，将直接指导水稻钵苗有序移栽机构的设计，特别是水稻钵苗移栽方式非常适合于超级稻的机械化种植，有利于促进超级稻种植的推广，提高我国农业机械的研究水平。因此，开展本课题研究，不仅具有重要的科学意义，也具有重大的实际应用价值。1.2 水稻钵苗移栽机构的发展概况自水稻抛秧或摆秧技术的应用以来，国内外的很多专家学者开始对有关水稻钵苗移栽机械展开了研究，其中从事这方面研究的主要国家是日本和中国。1.2.1 国外发展概况日本是水稻移栽机械化方面程度最高的国家，在工业化的完成进程中，日本逐步实现了机械化的水稻种植912。根据有关资料显示，黑龙江省曾分别引进日本井关农机公司

24、和实产业株式会社生产的水稻钵苗摆栽机，如图1.1（a）所示，该摆栽机一次可栽6行，采用半硬塑胶钵盘育秧苗，钵盘中的每个钵穴是上粗下细的圆锥杯，杯的底部有一小孔。采用的取苗方式为从半硬塑胶钵盘底部将秧苗顶出，其工作过程示意如图1.1（b）所示。顶杆对准小孔有两种形式：一种是顶杆平移，另一种是钵秧盘平移。从结构发明的角度看，机构作用于土钵，土钵是固体，个体差异小，工作可靠，但是机构的运动是直线间歇运动。需要一套完成精确移动定位的机构，加工精度要求高，机构磨损后容易顶偏，造成塑料秧盘损坏，有时钵苗的秧根挂住钵盘，造成秧苗脱离不成功，这对育秧要求比较高。通过分秧供秧机构，将顶出的钵苗水平分送至两侧的旋

25、转分插部件，然后由旋转分插部件将水平放置的钵苗转换成垂直的方式入土，完成钵苗的田间摆栽作业。该摆栽机能够成行摆栽带钵秧苗，具有株距准确、均匀性好、作业质量高等优点。但摆栽机的结构复杂、成本高、对整地和育秧的质量要求较高，同时半硬塑胶穴盘成本也高，从国内引进试验来看，并不适合我国国情。1.秧盘移动 2.秧盘静，启动顶杆 3.顶杆推出钵秧（b）机构顶秧过程图1.1 日本的水稻钵苗摆栽机 如图1.2所示为日本洋马农机株式会社的竹山智洋发明的另 一种钵苗移栽机（专利号为：ZL200480007602.4）13，该移栽机由驱动装 置和两个移栽爪组成。该移栽机构的驱动装置由两套行星轮系机构串联组成， 其中

26、回 转箱相当于行星架，第一回转箱内包含9个齿轮（其中有2个是扇形齿轮） 和一 套摆动凸轮机构，第二回转箱有5个齿轮。第二回转箱与第一回转箱中的行星轮固接，由第二回转箱内的行星轴输出运动，通过驱动移栽爪来实现取苗和移栽苗动作。该水稻钵苗移栽机构的结构很复杂，设计制造成本比较高，而且可靠性不高，所以该水稻钵苗移栽机构未能得到实际应用。 图1.2钵苗移栽机构1.2.2 国内发展概况我国在90年代后期，水稻钵体育秧技术有了较大的发展，中国农业大学、吉林大学、江苏大学、八一农垦大学等院校都开始进行钵体育秧技术与移栽技术研究。我国目前的有序钵苗移栽机构有较 多种方式，现介绍几种如下：1)对辊式拔秧机构中国

27、农业大学工学院研制了一种型为2ZPYH530的水稻钵苗行栽机，该行栽机采用对辊式拔秧机构，实现水稻穴盘育苗的自动拔秧，机构如图1.3所示。该机构的输秧拔秧装置 要由输秧辊4、压秧板6、上拔秧辊8和下拔秧辊9等组成。其工作原理是：1.机架 2.托盘 3.拨杆 4.输秧辊 5.秧苗6.压盘板 7.支座 8.上拔秧辊 9.下拔秧辊图1.3对辊式拔秧机构钵苗通过人工放在托板上，然后喂入到输秧辊4上，按一定传动比拔秧辊带动输秧辊4转动，当上下拔秧辊8、9的夹秧板对接时，通过夹秧板外缘弹性材料的变形产生夹紧力，夹持上下拔秧辊中间的钵苗并带动其一起运动，最后使得钵苗与钵盘脱离；上下拔秧辊转过一定角度后，夹秧

28、扳松开、钵苗落入导苗管，完成拔秧工作。试验结果表明，培育秧苗时钵盘的湿度对拔秧力影响较大，而且钵苗在拔秧辊释放钵苗后沿导苗管滑落入水田中，很难控制移栽秧苗的直立度，秧苗容易倒伏，会影响缓苗作业，并且效率低。 2)机械手式抛秧机构1.秧钳 2.压缩弹簧 3.压缩杆 4.秧钳固定套 5.固定凸轮 6.滚筒 7.开闭凸轮 8、9.挡铁 10.秧盘图1.4 机械手式抛秧机构如图1.4所示为八一农垦大学设计的机械手式抛秧机构 17。其工作原理：秧钳的固定套4与滚筒6为刚性联接，固定套随筒回转，滚筒内的凸轮5固定不动，其最大突变点离秧盘最近且对应于取秧位置；当挡铁8撞击开闭凸轮7，秧钳闭合夹秧，伸缩杆3在

29、弹簧2的作用下快速缩到凸轮的凹处，将秧苗从秧盘中拔出；秧钳随滚筒6回转过程中，伸缩杆3的端斜面与凸轮5的外轮廓接触并受其作用向外逐渐伸长；当滚筒转过180时，开闭凸轮7的撞杆受到挡铁9的撞击，使其转过90后将秧钳撑开，在秧钳回转惯性力及重力作用下，秧苗抛向地面，抛出秧苗后秧钳一直保持张开状态，直到取苗位置时又开始重复上面所述的动作。该机械手抓取秧苗的准确度和伤秧是该机构要解决的关键问题。该机构在栽植苗时，由秧钳通过回转惯性力和重力作用将秧苗抛向地面，是一种抛秧移栽作业方式，因此，秧苗移栽的直立度也很难保证，将影响缓苗。3)空间连杆移栽机构图1.5 空间连杆移栽机构简图在空间连杆机构的基础上，中

30、国农业大学研究开发了一种水稻钵苗精准栽植机械手机构18，与拨杆式夹钳配合使用该机构与传统的农业机械完全不同，它属于空间闭式链机构。图1.5所示为栽植机械手机构的结构示意图，该机构由可控变杆长RRRSR机构和拨杆式夹钳装置两大部分组成。而可控变杆长机构是由机架、主动件、连杆、工作杆和摆杆组成，并选取主动件杆1为杆长变化杆，且将杆1分解为凸轮、滚子从动件和曲柄三部分，源动力通过链条链轮传递动力给与机架运动副连接的曲柄，再由曲柄传递动力给滚子从动件，使滚子沿凸轮表面做圆周运动，来实现杆长变化滚子从动件传递动力给其它杆件3、4，使其作连续运动，同时使得与杆2连接的工作杆7和夹钳一起运动，从而完成夹秧、

31、取秧，移秧、栽秧等一系列动作。此机构在设计过程中需要检测杆之间的干涉问题，能保证各杆工作的连续性，该移栽机构结构太复杂，工作效率低。图1.6 七杆移栽机构及移栽轨迹4)七杆移栽机构2007年，吉林省延吉市光华机械厂公开了一种水稻钵苗移栽机构(如图1.6)。这种移栽机构包括有动力传送齿轮箱10、移栽四轩机构和移栽稳定三连杆机构。其中移栽四杆机构是由上曲柄7、栽植臂连杆6、栽植臂杆23、锁臂摇杆14依次铰接组成，在栽植臂杆上设有夹秧装置；移栽稳定三连杆机构是由下曲柄19、稳定连杆18和上述的锁臂摇杆14依次铰接组成，移栽四杆机构和移栽稳定三连杆机构共同完成取秧、移秧、栽秧的运动轨迹。该发明机构移栽

32、运行轨迹稳定，取秧栽植过程中取秧爪开闭准时准确，基于钵盘育秧，保证了完整的根系，不伤苗，减少了秧苗的缓苏周期，增产效果显著。但是多杆机构工作配合复杂，要快速提高移栽的速度，将是一个巨大的挑战19。该移栽机构已有样机在田间试验，但是工作效率低，振动大，单行移栽效率只有80次/min左右，机构的结构本身限制了该机构无法再提高移栽效率。5)五杆移栽机构专利号为200820072816.5的发明中提出了一种能直接栽插软塑体钵盘秧苗的钵苗水稻插秧机20，如图1.7（a）所示。该水稻钵苗插秧机的核心工作部件五杆水稻钵苗移栽机构，如图1.7（b）所示。该机构采用双曲柄67、66分别作正、反向转动驱动，是一个

33、双自由度机构，栽植臂10往复直插式控制取秧夹61按特定曲线轨迹进行取秧与栽插秧苗作业，栽植臂10内有夹紧与释放苗装置，包括凸轮68、拨叉70、弹簧63和控制杆71，控制杆71相对栽植臂10作往复移动，控制取秧夹61张开与闭合。曲柄旋转一周，取秧夹61夹取钵苗插秧一次，移栽效率单行为80次/min左右，该机构能实现水稻钵苗有序移栽，但工作效率也较低，振动也大。 (a)钵苗移栽机 （b）钵苗移栽机构图1.7 五杆水稻钵苗移栽机1.3 研究目标与方案实现通过以上分析可知，国内外虽然对水稻钵苗有序移栽技术及移栽机构已做了较多的分析与研究，并有部分样机投入试验或应用。目前的移栽方式分为二种：抛秧方式和栽

34、植苗方式。抛秧方式很难保证栽植秧苗的直立度，影响缓苗，进而影响水稻产量，到目前为止，一直未能推广应用；栽植苗方式移栽钵苗能有效地保证栽植秧苗的直立度，无缓苗期，但现有的钵苗移栽机构，工作效率太低（只有80株/分钟/行），机构工作时振动大。但是上述的钵苗移栽机构所采用的夹取式取苗方式可以为本课题研究提供参考。1.3.1 研究目标近年来，本课题组对水稻钵苗有序移栽的工作机理与机构创新进行了详细研究，本研究采用的移栽秧苗为塑料钵盘苗，如图1.8所示，钵盘育苗采用呈阵列式穴口的钵盘，各穴口相互独立，钵盘为1429穴（横向14穴，纵向29穴）。利用钵盘育秧进行移栽能够保留秧苗的营养土质，且秧苗间相互独立

35、易机械移栽，并用育秧的塑料钵盘可重复使用。本取秧方式采用两片取秧爪夹住水稻钵苗的茎杆根部，夹紧茎杆，将钵苗从钵穴中拨出，完成取秧动作，取秧后夹持秧至推秧位置，推秧爪张开，释放钵苗并推苗入田，完成移栽动作。为了实现该水稻钵苗的有序移栽方式，同时考虑机构工作效率和平稳性。本论文提出了一种旋转式有序移栽机构5，在旋转箱体上呈120布置三个移栽臂，提高了工作平稳性，旋转一周移栽三次，移栽效率高，移栽效率将不低于200株/分钟/行，其移栽效率远远高于现正在应用的有序移栽机构，本论文研究的旋转式有序移栽机构是一种高速水稻钵苗移栽机构。1.3.2 实现方案1）水稻钵苗移栽机构的设计要求通过了解水稻钵苗移栽的

36、农艺要求，提出如图1.9的移栽轨迹，该机构的取秧方式为弹簧片夹取式取秧，为了避免取秧时弹簧片与秧苗的干涉，移栽轨迹在取秧部分为“环扣状”。即由两个弹簧片运行到土钵表面时，弹簧片从钵苗的下方D运行到钵苗茎部开始取秧，夹紧秧苗的茎杆根部，在图中的E位置从穴盘中取出带土钵苗，再沿FAB夹持钵苗至图中的B位置，在推秧杆的作用下，弹簧片松开，释放并推出钵苗，植入水田中，然后弹簧片经图中C位置，为重新下次取秧做准备，完成一次移栽周期。2）机构的实现方案(a) 移栽机构简图(b)移栽臂结构简图图1.8水稻钵苗移栽机构根据移栽轨迹要求，设计出一种旋转式椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构21，在一个旋转

37、箱体上对称布置了三套移栽臂，旋转一周移栽两次。如图1.10(a）所示为旋转式椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构传动简图（图示为机构的初始安装位置），该机构由驱动部分和移栽臂两部分组成，驱动部分是一个非匀速间歇传动行星轮系机构，由4个椭圆齿轮、1个不完全非圆齿轮、2个凹锁止弧、1个凸锁止弧组成，行星架顺时针转动作为输入运动构件，行星轮为输出运动构件；移栽臂与行星轴固接，通过凸轮带动拨叉摆动实现推秧杆往复移动，再带动两弹簧片闭合、张开实现取秧、推秧，移栽臂的设计方案如图1.10(b）所示，其中拨叉与凸轮的作用是弹簧片实现移栽过程的关键。1.4 本文的工作安排 1）根据水稻移栽的农艺特点与轨

38、迹要求，提出了一种新型水稻钵苗移栽机构，使水稻移栽达到高效率、低振动的工作要求。本文采用的是椭圆齿轮不完全非圆齿轮行星轮系作为传动部件，设计出一种新的水稻钵苗移栽机构椭圆齿轮不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构。2）对该水稻移栽机构的运动学特性进行分析，包括椭圆齿轮-不完全非圆齿轮的传动特性分析、椭圆-椭圆齿轮的传动特性分析、中间椭圆齿轮与行星椭圆齿轮的相对角位移、角速度分析、移栽臂秧针尖点的相对位移、速度和加速度分析。3）根据己建立的移栽机构运动学模型，开发水稻钵苗移栽机构的辅助分析与优化软件，进行软件各模块的功能介绍。4）利用优化软件进行移栽机构的结构参数优化，分析该结构参数对工作轨迹的

39、影响，找到一组能满足移栽轨迹要求的较优结构参数。5）以优化后的结构参数作为初始参数，对移栽机构进行整体设计。利用VB6.0导出齿轮的点，在CAD2008、CAXA2011中绘出二维图，导入到UG7.0中进行建模生成三维图，再进行整体的装配。为了减小机构的冲击振动，对机构添加了缓冲装置，并与未加缓冲装置的轨迹进行比较。对该移栽机构设计出3套消除齿隙装置，提高了机构取苗的成功率。1.5本章小结1）阐述了水稻钵苗移栽机构的研究目的与意义；2）介绍了水稻钵苗移栽机构国内外发展概况；3）确定了椭圆不完全非圆齿轮行星轮系的水稻钵苗移栽方案；4）介绍了本文的工作安排。第二章 旋转式水稻钵苗移栽机构的运动学分

40、析2.1 旋转式水稻钵苗移栽机构的工作原理图2.1 椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构传动简图椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构由两部分组成驱动部分和移栽臂，如图2.1所示为移栽机构的传动简图。驱动部分是一个非匀速间歇传动行星轮系机构，该机构由4个全等的椭圆齿轮（1、2、4、5）、1个不完全非圆齿轮（3）、1个凸锁住弧（8）和2个凹锁住弧（7、9）组成，其中不完全非圆齿轮3与凸锁住弧8固接，中间椭圆齿轮2与凹锁止弧9固接，中间椭圆齿轮4与凹锁止弧7固接。不完全非圆齿轮的旋转中心为O，2个中间椭圆齿轮（2、4）的旋转中心分别为M1和M2，2个行星椭圆齿轮（1、5）的旋转中心分别为

41、O1、O2。驱动部分工作时，不完全非圆齿轮3（即太阳轮）固定不动，行星架6顺时针绕O点转动，中间椭圆齿轮4（以一侧齿轮结构为例）随行星架6一起运动，绕M2点旋转与不完全非圆齿轮3啮合，实现非匀速传动，行星椭圆齿轮5（简称行星轮）与中间椭圆齿轮4啮合，实现非匀速传动。中间椭圆齿轮4转到不完全非圆齿轮3的无齿部分时，则由固接在不完全非圆齿轮3上的凸锁住弧8与固接在中间椭圆齿轮4上的凹锁住弧7配合，锁止弧配合期间中间椭圆齿轮4、行星椭圆齿轮5相对齿轮盒（即行星架6）静止，实现机构的间歇传动。行星轴的一端伸出齿轮盒外，通过固定销与一对移栽臂（10、11）固结，移栽臂随行星轮一起作非匀速间歇转动。移栽臂

42、的结构简图如图2.2所示，凸轮1固定在齿轮盒上，移栽臂内弹簧座4、推秧杆5、推秧爪7固接。通过凸轮1的推程曲线带动拨叉2向上摆动，拨叉2推动弹簧座压紧弹簧3，推秧杆带动推秧爪上移收紧一对弹簧片6，弹簧片闭合实现取秧；到达推秧点时，凸轮1与拨叉2脱离，弹簧3推动弹簧座4带动推1.凸轮 2.拨叉 3.弹簧 4.弹簧座 5.推秧杆 6. 弹簧片 7.推秧爪图2.2 移栽臂工作原理图秧杆5下移，推秧爪7松开弹簧片6实现推秧。移栽臂弹簧片尖点H在机构做间歇运动时形成轨迹FAB，做非匀速运动形成BCDEF段工作轨迹。从图2.1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：DE段为

43、秧爪夹取钵苗的运动轨迹，EFAB段为秧爪持苗轨迹，到达B点推秧，BCDE段轨迹为回程阶段，即秧爪在释放钵苗后保持张开的状态，准备下一次取苗；以上三段轨迹组成水稻钵苗移栽所要求的整个取苗与推秧工作轨迹。2.2 运动学分析符号及相关说明表2.1 运动学分析符号说明符号意 义备 注符号意 义备 注椭圆齿轮长半轴已知常量不完全非圆齿轮旋转中心到啮合点的距离变量椭圆齿轮短半轴已知常量中间椭圆齿轮旋转中心到啮合点的距离变量椭圆齿轮半焦距已知常量中间椭圆齿轮旋转中心到啮合点的距离变量椭圆齿轮短长轴之比已知常量行星椭圆齿轮旋转中心到啮合点的距离变量行星架与的夹角已知常量某一时刻行星架转过的角位移()已知变量行

44、星架(即齿轮盒)的初始角位移（）已知常量行星椭圆齿轮中心和秧爪尖点 之间的连线与行星椭圆长轴间的夹角已知常量不完全非圆齿轮有齿部分节曲线所对应的圆心角已知变量中间轮相对行星架角位移()变量行星椭圆齿轮旋转中心O1到秧针尖点的距离已知常量行星椭圆齿轮相对行星架角位移()变量1）为了方便下面运动学的分析，将机构涉及到的相关变量和常量列于表2.122.2）本文椭圆不完全非圆齿轮运动学分析的相关规则说明坐标方向的设定：采用右手坐标系。在三角函数计算过程中，根据右手坐标系建立各三角函数之间关系以及判断各运动参数的矢量方向。角位移的设定：角位移规定以轴为起始边，逆时针方向为正，顺时针为负。2.3 椭圆齿轮

45、不完全非圆齿轮传动特性分析2.3.1 椭圆齿轮不完全非圆齿轮节曲线模型建立椭圆齿轮与不完全非圆齿轮啮合实现的非匀速间歇传动是移栽机构轨迹形成的关键组成部分23-27。图2.3为椭圆齿轮与不完全非圆齿轮啮合关系图，其中椭圆齿轮1与凹锁住弧2固接在一起，不完全非圆齿轮4与凸锁住弧3固接，假定不完全非圆齿轮4固定不动，椭圆齿轮1围绕不完全非圆齿轮4顺时针旋转实现啮合传动，J为椭圆齿轮1与不完全非圆齿轮4的啮合点。不完全非圆齿轮4的节圆半径为R1，椭圆齿轮1的节圆半径为R2，凸锁住弧3的半径为Rt、圆心角为2-.不完全非圆齿轮4有齿部分的节圆曲线对应的圆心角为. (a)初始位置 （b）行星架顺时针转角

46、=2- （c）行星架顺时针转角2-1.椭圆齿轮2.凹锁住弧3.凸锁住弧4.不完全非圆齿轮图2.3 椭圆齿轮与不完全非圆齿轮节曲线啮合从图2.3（a）的初始位置开始，椭圆齿轮开始运动，当椭圆齿轮1围绕不完全非圆齿轮4顺时针转过的的角度小于等于2-时（图2.3（b）为等于2-时的状态），椭圆齿轮1相对行星架5转过的角度.当行星架5顺时针转过的角度大于2-时（如图2.2（c），椭圆齿轮1相对行星架5开始转动。设椭圆齿轮1与不完全非圆齿轮4的啮合点 J 到椭圆齿轮1旋转中心M1的距离为，可得出如下公式：2(1)式中的变化范围为从0到-2. 由椭圆齿轮1与不完全非圆齿轮4啮合关系可知，当行星架5转过时，

47、椭圆齿轮1相对行星架5转过，即可得出如下关系式： 2(2)2(3)式中 不完全非圆齿轮与椭圆齿轮的中心距 变化范围为从到 把式(3)代入式(2)中，可得： 2(4)由椭圆齿轮与不完全非圆齿轮的啮合关系可知，椭圆齿轮1的节圆曲线弧长与不完全非圆齿轮4有齿部分的节圆曲线弧长相等，椭圆齿轮1相对行星架5顺时针转过角度时，不完全非圆齿轮4相对行星架逆时针转过，即： 利用数值积分分可求出L， 求解的程序框图如图2.4所示21：Read a; ; ，For l= 2a to 2.5a step 0.0002Ts=0For = 0 to 360 step 0.5， N Y图2.4 L求解的程序框图把式(1)

48、代入式(4)中：式中 ，利用反三角函数可求得： 2(5) 把式（5）代入式（3）中，可求得关于的表达式： 式中从变化到.如图2.2（a）的椭圆齿轮1与不完全非圆齿轮4的初始位置，利用几何关系方程，可求出凹锁住弧2所对的圆心角为： 2(6)式中 凸锁止弧的半径凹锁止弧的最长边的长度为： 2.3.2 传动比分析如图2.3所示，不完全非圆齿轮4有齿部分为非圆节曲线，椭圆齿轮1为与不完全非圆齿轮4共轭的椭圆节曲线。不完全非圆齿轮4固定，行星架5的角位移，瞬时角速度为；椭圆齿轮1为从动轮，相对行星架的转角为，瞬时角速度为。初始位置时，。J为主动轮不完全非圆齿轮4与从动轮椭圆齿轮1的啮合点。设两齿轮传动的

49、传动比为，由传动规律可知：由初始位置开始，不完全非圆齿轮4与椭圆齿轮1的传动比可表示为： 当及时，传动比达到最小值：当时，传动比达到最大值：(a) L对的影响(b) a对的影响(c) k对的影响图2.5 由的表达式可知，是关于以为周期的周期函数。影响的参数为，和，下面分别改变其中一个参数，分析其对的影响。1） 分析对的影响取，的变化范围为从到，如图2.5（a）所示。当时，传动比比较大，非匀速传动比较明显，随着的增加，传动比整体减小，且随的周期变化变得平缓。2） 分析对的影响取，的变化范围为从到，如图2.5（b）所示。当时，传动比比较小，随着的增加，传动比整体增大，且随的变化的传动比的周期变化变

50、得陡峭，非匀速传动明显。3） 分析对的影响取，的变化范围为从到，如图2.5（c）所示。当时，传动比比较大，周期变化比较陡峭，非匀速传动明显，随着的增加，传动比整体减小，且随的变化的传动比的周期变化变得平缓，当时，传动比成了一条直线，变成了两个圆柱齿轮的匀速传动。2.4 椭圆齿轮传动特性分析在椭圆不完全非圆齿轮机构的传动过程中，椭圆齿轮之间的非匀速啮合传动是形成移栽轨迹的关键所在，因此，引用了椭圆齿轮间的啮合特性 28-29。2.4.1 椭圆齿轮节曲线模型建立如图2.6所示，齿轮1与齿轮2是一对参数完全一致的椭圆齿轮，分别以本身的焦点为中心相互啮合转动。椭圆齿轮1与椭圆齿轮2的转动中心分别为节圆

51、的焦点、，即、均为椭圆齿轮轴心。在如图2.6（a）初始位置时，椭圆齿轮2和椭圆齿轮1长轴在同一直线上，椭圆齿轮2的半径达到最大值，同时，椭圆齿轮1的半径为最小值。 （a) 起始位置 （b) 转过一定角度后 图2.6 椭圆齿轮啮合特性分析椭圆齿轮2与椭圆齿轮1的啮合点P到中间轮椭圆齿轮2转动中心M1的距离： (在之间变化) 2(7)2(8)用极坐标方程表示R3，则有： (在之间变化) 2(9)2.4.2 传动比分析以水平线为始边，椭圆齿轮2（主动轮）以角速度顺时针绕转动，带动椭圆齿轮1（从动轮）以角速度逆时针绕转动实现非匀速传动。如图2.6（b）所示，当主动椭圆齿轮2转过角度时，则从动椭圆齿轮1

52、转过的角度为。令两齿轮的传动比为，由齿轮传动的知识可推导出： 把式（7）、式（8）代入上式中，可得： 如图2.7所示，的变化范围为从到。当时，传动比比较大，周期变化比较陡峭，非匀速传动明显，随着的增加，传动比整体减小，且随的变化的传动比的周期变化变得平缓，当时，传动比成了一条直线，变成了全等两个圆柱齿轮的匀速传动。图2.7 k对传动比的影响图2.5 椭圆-不完全非圆齿轮行星轮系移栽机构运动学模型的建立2.5.1 位移方程(a）初始安装位置 (b) 行星架转过1.不完全非圆齿轮2.中间椭圆齿轮 3.行星椭圆齿轮 4.凸锁住弧 5.凹锁住弧 6.行星架7.移栽臂图2.8 椭圆齿轮-不完全非圆齿轮行

53、星轮系运动示意图本论文的椭圆齿轮不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构是对称结构，其工作过程包括四个阶段：取秧、持秧、推秧、回程。现以一侧为例进行运动学模型的建立，如图2.8所示，该侧机构包括1个不完全非圆齿轮、2个全等的椭圆齿轮、1个凸锁住弧、1个凹锁住弧以及1个移栽臂，以不完全非圆齿轮3的中心为坐标原点O，建立坐标XOY.移栽机构的已知常量为、；已知变量为行星架角位移为.如图2.8(a)所示为机构的初始位置， 在图2.8(b)行星架6从初始位置开始转过角度时（其相对于初始边顺时针转动为负），机构的运动位置状态。设机构初始位置时方向轴OM1为行星架转初始边，不完全非圆齿轮1固定不动，行星架6

54、从初始位置开始绕O点做顺时针匀速转动。因为行星架6在点处有一个弯折角，根据式（8）中的表达式，可求出图2.8(a)初始位置的表达式为：(在之间变化) 用极坐标方程表示R3，则有： (在之间变化)2(11)把式（11）中表示R3的代数式代入式（10）中： 2(12)式中，在初始位置时，即，时，可求出.中间椭圆齿轮2旋转中心的位移为：2(13)行星椭圆齿轮3旋转中心位移为：2(14)秧爪尖点H的位移： 2(15) 2.5.2 速度分析已知机构的行星架6顺时针匀速转动，即角速度为常数。由不完全非圆齿轮与椭圆齿轮的传动比表达式，及齿轮传动中半径与速度的关系，可求出图2.7移栽机构中间椭圆齿轮2相对行星

55、架6的角速度表达式：2(16)同理，由半径和速度的关系可得行星椭圆齿轮3相对行星架的角速度:2(17)由式（13）对时间求导得中间椭圆齿轮2旋转中心的速度方程为：2(18)由式（14）对时间求导得行星椭圆齿轮3旋转中心的速度方程为： 2(19) 由式（15）对时间求导得秧针尖点H的速度方程为:2(20)2.5.3 加速度分析加速度是单位时间内速度的增量，用来表示速度变化的快慢。要求解加速度，可以通过在速度的基础上对时间求导数。通过式（17），对时间求导得行星椭圆齿轮3相对行星架的角加速度:2(21)通过式（18），在速度的基础上对时间求导数，得到中间椭圆齿轮2旋转中心的加速度方程：2(22)通

56、过式（19），在速度的基础上对时间求导数，得到行星椭圆齿轮3旋转中心的加速度方程：2(23) 通过式（20），在速度的基础上对时间求导数，得到取苗针尖点的加速度方程：2(24) 2.6 本章小结1）对椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的工作原理进行了介绍，对机构中涉及的运动学分析参数进行了说明；2）分析了椭圆与不完全非圆齿轮、椭圆齿轮与椭圆齿轮的传动特性，并分析了相关参数对传动比的影响；3）建立了机构的位移、速度，加速度模型，为VB软件的开发奠定了基础。第三章 旋转式水稻钵苗移栽机构辅助分析与优化软件的运用根据第二章建立的椭圆不完全非圆齿轮运动学模型，可知该移栽机构的非匀速间歇传动的运

57、动学优化是一个复杂多目标优化问题，且各个优化目标之间具有非线性、强耦合性和模糊性等特点。普通的多目标优化方法不能很好的解决该移栽机构的运动学优化问题，即无法找出移栽机构各结构参数的合理组合，达到机构的工作要求。本文应用Visual Basic 6.0编程平台，把已经建立的运动学方程编成程序代码，开发了椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的辅助分析与优化软件，利用VB6.0的可视化功能使移栽机构的运动直观实时的显示，通过改变机构的结构参数，移栽轨迹能够得到相应的调整，为移栽机构的参数优化奠定了基础。3.1 优化软件的运用思路椭圆不完全非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的多目标参数优化具有非线

58、性、交互性、模糊性等特点，如果要对比较复杂的问题进行优化，通常可选择运用惩罚函数的方法进行求解分析。在惩罚函数的方程式中惩罚因子的确定是关键，由于在水稻钵苗移栽机构应用中，惩罚因子不能确定，如果取值过大会使函数过早收敛于非极值点，但取值过小则函数收敛性较差。当然还有其他的一些解决复杂优化问题的方法，例如：遗传算法30、模拟退火、神经网络算法等，但这些方法都具有一定程度的局限性，特别是各个目标的加权值很难确定。因此，需要寻找一种符合水稻移栽机构这种复杂问题的优化方法。人机交互优化方法有效的结合了人的定性判断与计算机定量分析的功能，把人对事物的认识辨别能力与计算机精确的计算能力结合在一起，两者相辅

59、相成，解决复杂问题的参数优化。为了使人与计算机之间能够进行比较好的数据传递与沟通，需要选择一个可视化的软件平台，其中VB与VC编程软件都具有强大的可视化功能，是人机交互优化的最佳平台。本文选取VB软件作为开发水稻钵苗移栽机构优化软件的平台，通过把机构的运动学方程译成代码，编写水稻钵苗移栽机构的优化软件31-36，软件完成后，通过手动输入优化变量，软件界面可以实时显示对应的运动轨迹、判断优化结果。通过调整优化变量，能够找出一组符合水稻钵苗移栽轨迹要求的结构参数。如图3.1为移栽机构优化软件的设计思路图，在VB平台中编写移栽机构的程序，使之顺利实现机构的参数优化。在该优化软件运行后，通过在可视化界

60、面手动输入已知参数，通过经验及软件的判断，判定当前组的参数是否满足要求。若结果超出参数的界定值，界面会跳出提示，操作者可以通过手动调整输入参数，直到得出一组符合水稻钵苗移栽的参数组合。手动改变已知参数计算、输出目标参数并进行可视化运动学仿真满足优化目标?输出优化结果优化完成否是图3.1 水稻钵苗移栽机构软件的设计思路3.2 旋转式水稻钵苗移栽机构的优化软件界面图3.2 水稻钵苗移栽机构运动轨迹3.3 数据处理图3.3 椭圆齿轮参数计算模块 1）椭圆齿轮参数计算模块单击菜单栏参数计算椭圆齿轮参数确定，通过输入已知参数，用数值计算的方法来计算椭圆齿轮的各个参数。需要输入的已知参数有：计算精度e 、椭圆长半轴、椭圆短长轴之比、齿轮模数等参数，点击Calculate按钮，可以求得计算结果有：椭圆齿轮模数、齿数、椭圆齿轮长半轴、椭圆齿轮短半轴、椭圆齿轮半焦距及椭圆齿轮节曲线长度等参数（如图3.7所示），在此计算模块中还具有保存计算结果以及打开已保存结