多用种苗移送机设计含SW三维及8张CAD图
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一、选题依据1、研究领域本题目涉及农业机械、机械结构设计等多方面的知识。2、论文(设计)工作的理论意义和应用价值目前,移栽方式基本以人工移栽和半自动移栽机为主:人工移栽,劳动强度大、效率低;半自动移栽机移栽方式是以人工辅助取苗投苗完成的,移栽机作业需要人工较多,而且受人工取苗投苗速度有限,移栽机作业效率不高,机械化效益不明显。此外种植面积广的地区,基本条田种植都应用了滴灌技术,其需一次性快速完成整地的滴灌,这就要求速度更快、作业效率更高的移栽机械。全自动移栽机能够很好地解决这些问题,同时被国内外普遍认为是移栽机的最终发展方向。国外已有一定数量的全自动移栽机,而国内还未见有推广使用。几十年来农艺专家的试验研究证明, 移栽可以大幅度提高粮食的产量和品质, 移栽装备可以提高移栽作业质量和降低成本; 移栽可以充分利用中国有限的土地资源增加复种指数,因此本研究具有一定的现实意义及必要性,选题的内容符合机制专业的培养要求,设计方向明确,难易度适中。设计工作在现有的研究基础上展开,具备理论基础和技术可行性。学生已掌握设计所需的相关知识,在软硬件方面及查献等方面有切实保障。同时,指导教师具备相关设计背景,学生有充裕的时间开展工作。3、目前研究的概况和发展趋势我国最早对移栽机的研究始于 20 世纪 50 年代,当时主要是试验研究棉花育苗移栽机和甘薯穴盘苗栽植机。到了 20 世纪 70 年代,我国开始研究裸根苗移栽机,主要是甜菜移栽。在 80 年代,成功研制了半自动蔬菜移栽机,在这期间,也引进了国外先进的移栽机械,但由于育苗技术和移栽配套性技术的局限性,未得到国内市场的认可。目前国内已成功研制出多种类型的移栽机械,其中,根据栽植机构特点,移栽机可以分为:钳夹式移栽机、链夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、导管苗式移栽机。皮带式移栽机、吊篮式移栽机。目前,国内对全自动移栽机械的研究有了一定的成果, 并有部分移栽机已经在农业生产中使用,如:山东宁津县金利达机械制造有限公司生产的田耐尔自动穴盘苗移栽机。该机采用的是吊杯式栽植机构,适用于种植辣椒、番茄等农作物,其移栽效率为 800010000 株/h,移栽速度较快,机械化及自动化程度较高。农业大学赵晓伟等人设计的全自动移栽机,在半自动吊杯式移栽机的基础上,增加了自动供苗装置、分苗装置和合理的 PLC 控制装置,适用于种植辣椒等作物, 其移栽效率达 4620 株/h,栽植合格率达到 95.31%。中国农业大学、中国农机研究院、吉林大学、山东大学、湖南农业大学等高校和科研院所都成功研制出了多种类型的移栽机械,中国农业大学研制了 2ZDF 型导苗管式移栽机、黑龙江农垦科学院研制了 2Z-2 型玉米钵苗移栽机、山东泰安研制了 2ZM- 2 型和 2ZM- ZAI 型棉花移栽机、黑龙江省农业机械工程学院研制了 2ZX- 2 型悬挂式秧苗移栽机和 2YZ- 1 型烟草移栽机、四川省研制了 2ZYS- 4 油菜移栽机等。未来的移栽机械将是集取苗、铺膜、施肥、除草等多种功能于一体的多机型、多系列的标准化产品,通过更换、调整局部零部件,能方便的实现不同作物及同一作物不同移栽苗的移栽,一机多用。由于栽培技术的不同,许多作物的栽植要求比较特殊, 需要开发许多专用移栽机。移栽机械的研究开发应当以全自动化型为主,移栽机械的取苗部件决定着栽植质量、工作可靠性和移栽效率,也决定了移栽机的整体水平和竞争力。因此,取苗部件的研制将是移栽机械发展的一个重要方向,也是实现移栽机械全自动化的一个关键所在。7二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题(1)移送机的传动方式的选择;(2)机械手的设计;(3)设计参数的合适选择。2.拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路)(1)移送机的原理及结构确认;(2)移送机总结构设计;(3)机械手的设计;(4)传动方式的选择与参数确定;(5)装箱机构的设计。3.本论文(设计)预期取得的成果结合具体的设计要求,通过学习及查阅相关方面的资料,全面的了解和掌握移送机的工作原理和结构,完成移送机总体结构设计及相关功能部件的设计,对关键部件的强度进行有限元分析。最终完成论文、移送机的 3D 模型、2D 工程图(装配图、零件图)、有限元分析报告、外文文献翻译。三、论文(设计)工作安排1.拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);第一,采用 Top-down 设计方法,进行整机功能划分;第二,利用 3D 设计方法, 逐一进行各机构、部件的设计,确定零件尺寸及进行干涉检查;第三,有限元分析法,利用有限元分析模块对关键部件进行强度分析。2.论文(设计)进度计划第 1 周:查阅相关文献,收集资料,了解设计内容;第 2 周:完成外文文献的翻译;第 3 周:分析归纳文献,撰写文献综述,确定研究方法,撰写开题报告;第 4 周:整理开题报告、文献综述,开题报告答辩;第 5 周:展开总体方案设计;第 6 周:进行抓取机械手的设计;第 7 周:整理已开展的工作,中期检查;第 8 周:进行带传送机构设计;第 9 周:进行装箱机构设计;第 10 周:进行环保喷涂机构设计;第 11 周:进行关键零部件的有限元分析;第 12 周:系统整合,进行总装配;生成、完善 2D 和 3D 图纸; 第 13 周:修改完善设计说明书、图纸;第 14 周:做好答辩 PPT,提交论文,准备答辩。四、需要阅读的参考文献1倪有亮,金诚谦,刘基.全自动移栽机取送苗系统的设计与试验J.农业工程学报,2015,31(23):10-19.2周福君,芦杰,杜佳兴.玉米钵苗移栽机圆盘式栽植机构参数优化及试验J.农业工程学报,2014,30(01):18-24.3叶秉良,李丽,俞高红,刘安,蔡迪.蔬菜钵苗移栽机取苗臂凸轮机构的设计与试验J.农业工程学报,2014,30(08):21-29.4 石铁 . 全 自 动 玉 米 秧 苗 移 栽 机 的 研 制 与 试 验 J. 农业工程学报,2015,31(03):23-30.5冯青春,王秀,姜凯,周建军,张睿,马伟.花卉幼苗自动移栽机关键部件设计与试验J.农业工程学报,2013,29(06):21-27.6 严宵月等 . 整 排 取 苗 间 隔 放 苗 移 栽 机 设 计 与 试 验 J. 农业机械学报,2013,44(S1):7-13.7吴俭敏,颜华,金鑫,郭钰辉,陈科,董哲.移栽机送盘装置与定位控制系统研究J.农业机械学报,2013,44(S1):14-18.8杨传华,方宪法,杨学军,王崇,刘忠军,孙星.基于PLC 的蔬菜钵苗移栽机自动输送装置J.农业机械学报,2013,44(S1):19-23+18.9于晓旭,赵匀,陈宝成,周脉乐等.移栽机械发展现状与展望J.农业机械学报, 2014,45(S1):44-53.10岳建魁,郭俊先,梁佳,梁生明,张晨,刘亚,刘明涛.国内外移栽机械发展现状J.农机化,2016,05(S1):30-36.11 吴畏, 孙松林, 肖明涛. 我国移栽机械的现状与发展趋势J. 农业技术与装备,2013,06(S1):07-10.12 Su BoTian,Li ChunQiu.Design on Plug Seedling Automatic Transplanter in Greenhouse J.AdvancedMaterialsResearch,2011,(317):1380-1385.13 Da QingYin,Jin WuWang,Yun Zhao. Automatic Corn Potted-Seedling Transplanterof Cycloid Gear Trains J.Applied Mechanics and Materials,2014,(530):3047-3052.14 Kai Zhang,Ye Tao,Kuan Gao. Research Advances and Characteristics in Transplanting Mechanism of High-Speed Transplanter J. Advanced Materials Research,2014,(834):1516-1522.15周开勤. 机械零件手册(第四版)M.北京:高等教育出版社,2014.附:文献综述文献综述机械移栽是目前移载领域的研究热点,研究表明,在适宜的时间采用机械移栽,可以使农作物的产量提高 20%-25%,而且还能提高作物品质。机械化移栽可以提高劳动效率,降低劳动强度,劳动成本不到人工的 1/2。由此可见,采用机械移栽,能达到节约成本,增产增收的目的。移栽机械主要分为半自动和全自动,按照其作业对象分,可分为水稻和旱田移栽机构。水稻移栽装备主要是插秧机、 钵苗移栽机和育秧系统。插秧机用于毯状苗移栽; 钵苗移栽机用于钵苗移栽。旱田移栽主要是钵苗移栽。根据栽植机构特点,移栽机可以分为:钳夹式移栽机、链夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、导管苗式移栽机。皮带式移栽机、吊篮式移栽机。移栽装备的核心机构是移栽机构,移栽机构的发展过程代表了移栽装备水平的提高过程。一、国外移栽机械研究现状国外移栽机械发展较早,20 世纪 20 年代,欧洲的一些发达国家便开始研制用于蔬菜生产的手工喂苗移栽机具,30 年代末,移栽机构已经取代了手工喂苗移栽机具的人工动作,50 至 60 年代,已经研制出了多种半自动移栽机,到 80 年代,半自动移栽机在农业中得到广泛应用。目前欧洲国家在自动移栽机上的技术水平已经达到较高标准, 美国在蔬菜移栽机械上的发展水平更为领先,应用也更为普遍,蔬菜的育苗机械化程度达到 70%以上。日本方面研制的移栽机械自动化程度更高,而且移栽机的专用性更强,一般只适用于一种作物。美国生产的 Sonoyo 系列高速全自动移栽,适用于西红柿、西兰花、卷心菜等穴盘苗的移栽,效率最高可达 8000 株/行/h。意大利的法拉利公司的 FPC 型全自动膜上移栽机,澳大利亚威廉姆斯有限公司生产的移栽机,Transplant Systems 公司生产的 HD144系列的穴盘苗全自动移栽机,日本井关公司研制的 PVHR2-E18 型号移栽机都是国外比较典型的自动移栽机。二、国内移栽机发展现状我国对移栽机的最早开始于上世纪 50 年代,最开始研究的是穴盘式移栽机,70 年代时开始研究裸根苗移栽机,80 年代成功研制出了半自动蔬菜移栽机。目前国内在全自动移栽机械的领域有了新成果,并且部分移栽机已经投入使用,例如:东北农业大学与鑫华裕农机装备有限公司联合研制的双曲柄五杆机构钵苗移栽机,是国际上唯一进入市场的轻简化钵苗移栽机;东北农业大学和浙江理工大学联合研制的回转式钵苗移栽机;富来威农机公司所开发的半自动钵苗移栽机已进入市场,用于蔬菜、烟草和油菜的移栽。三、移栽机构的需求与发展前景多年来农业专家的研究试验证明,移栽可以提高农作物的产量和质量,移栽机械可以提高移栽作业的质量和降低成本;移栽可以充分利用中国的土地资源增加粮食产量。未来的移栽机构将进一步提高自动化水平,会增进专用移栽机和通用移栽机相结合研究,农机和农艺会结合在一起。四、移栽机花卉幼苗移栽机由支撑架、移栽定位机构、幼苗夹持手爪、幼苗视觉识别相机、穴盘和花盆传送皮带以及花盆上料推杆构成。作业过程中花盆通过上料推杆推送至花盆传送带。幼苗穴盘放置于穴盘传送带,穴盘和花盆分别随各自传动带运动。控制器通过幼苗识别相机对适宜移栽的优质幼苗穴孔进行定位。移栽机采用夹持手爪进行移栽, 手爪受移栽定位机构驱动,将幼苗从穴盘夹起后,提升至花盆高度,彼此间距调整至与花盆等间距后,传送至花盆上方后将幼苗插入花盆,最后返回至穴盘上方,完成一次移栽作业循环。该移送机的关键是手爪的设计,由于花卉幼苗柔嫩子叶方向交错且相互叠加,为防止对幼苗茎叶损伤,采用夹持根部基质操作方式进行移栽。但是随着自身湿度和种苗根系生长状况不同,根部基质硬度和黏结性也有差异,因此要采用柔性可调夹持力度的移栽手爪以保证操作的可靠性。夹持原理:移栽夹持手爪由伸缩气缸驱动 2 个钎形手指插入幼苗根部基质。钎形手指可随夹持气缸伸缩而上下移动。其向上运动,在弹簧拉力作用下两指并拢,夹紧幼苗根部;其向下运动则将 2 指撑开, 释放幼苗。采用弹性主动夹持方式,既可以保证对幼苗根部充分的夹持力度,又可以防止刚性夹持损伤幼苗根部。采用 Basler SCA1000 型彩色相机作为幼苗生长信息获取元件,可以对适合移栽的优质幼苗进行识别和定位,为移栽定位部件提供准确坐标数据。控制系统采用基于 PC 机的多级控制模式。全自动移栽机取送苗系统该系统主要由钵苗盘移位机构、集排式顶苗机构、取苗机构、机架 和落苗机构、接苗机构、输苗机构 等部分构成。作业过程包括钵苗盘固定、钵苗盘横向和纵向移位、顶苗、夹苗、接苗、输送苗和落苗等。系统工作时,钵苗盘固定在苗盘固定架上,苗盘大支撑座和小支撑座托住苗盘,苗夹转向架转动将苗夹转至平行于钵苗的状态;集排式顶苗机构在气缸作用下向前驱动顶苗杆并将钵苗成排顶 出,苗夹夹片开合气缸驱动苗夹夹片相向转动夹住钵体;苗夹转向架反向转动将苗夹转至竖直状态,接苗机构向上运动,苗夹释放钵苗,接苗杯接住钵苗;接苗机构向下运动至输苗桶上方,同时底端挡板打开,拨苗机构拨动钵体苗,钵体苗落入输苗桶中; 输苗桶在链传动的作用下不断回转输送钵体苗,当输苗桶运动到落苗机构上方时,落苗机构开合板打开,钵体苗在重力作用下落入栽植器中,完成一次取送苗作业。取送苗系统所有部件运动均由 PLC 控制液压马达和气缸完成,空气压缩机为气动动力源, 液压泵为液压动力源。钵苗盘自动送盘装置及定位系统有如下几种:(1) 采用曲柄杠杆机构、或间隙转盘齿条机构、或不完全齿轮机构等机械驱动及定位方式,实现钵苗盘的间隙纵向移动, 该方式设计简单,定位准确,但移动距离调整困难,只能适应特殊规格的钵苗盘。(2) 采用直流电动机或步进电动机驱动送盘机构,光电开关定位方式 ,该方式定位精确,间距变化灵活,特别适合工厂化移栽,但由于电功耗大,成本高,不适合大田作业,尤其是不适合大田的多行移栽。(3) 采用视觉系统定位的移栽装置,可对钵苗盘进行平面二维定位,具有特定的功能, 但对移栽装置的振动较敏感,且价格昂贵,无法应用于大田作业。苗盘输送装置的设计原则是: 将钵苗盘逐行移动到顶苗器的位置,由多杆顶苗器完成顶苗。在两次顶苗之间,由横向气缸驱动,使钵苗盘与顶苗器之间横向移动一个穴距, 以完成整行钵苗的顶出。控制器为控制系统的核心部件,既要求具有精确的控制能力,又要求具有高可靠性, 且价廉物美,适合大田作业机具的需要。目前市场上成熟的主流控制器有单片机和 PLC 控制器。目前市场上常见的旱地移栽机主要有 3 种形式:钳夹式移栽机、链夹式移栽机、导苗管式移栽机,其中钳夹式和链夹式移栽机株距调节困难,且钳夹和链夹易伤苗;导苗管移栽机结构相对复杂,成本较高,容易受前进速度的影响。圆盘式栽植机构精度高, 株距调节方便,挠性圆盘采用高密度聚乙烯板代替了传统橡胶材料,提高了圆盘的使用寿命,减少伤苗,结构简单,操作方面,易于维修,成本低廉,经济实用容易使农民接受。圆盘式移栽机:主要工作部件按机组纵向对称线左右布置分布,一次完成 2 行作业。其工作原理是:作业时,拖拉机悬挂移栽机前进,动力经移栽机地轮传到栽植机构。操作人员将秧苗依次放入水平供苗输送带上的秧槽内,在供苗输送带的带动下,秧苗由水平运动转为竖直向下运动,秧苗被挠性圆盘和金属圆盘夹住,同时脱离输送带的夹持,秧苗的运动由水平运动变为绕圆盘中心的回转运动,进入开沟器开出的栽植沟内。当秧苗转到底部时,栽植机构将秧苗释放,秧苗在重力作用下落到开沟器内,经开沟器回土和回土铲的覆土作用将秧苗直立在栽植沟内,后经虑水以保证秧苗的生长需求。整排取苗间隔放苗自动移栽机:由整排取苗间隔放苗末端执行器、旋转升降机构、旋转接苗杯装置、栽植器、穴盘苗输送装置和底盘等部分组成。其中,穴盘的进给方向设计为与机器的前进方向垂直,并通过链传动和棘轮传动实现单向间歇进给; 取苗机构安装在穴盘输送装置与接苗杯装置之间,以便取苗机构从穴盘中夹取一排钵苗后, 旋转 90即可投放到接苗杯中。各部件间通过运动协调以实现整排取苗、旋转送苗、间隔投苗、连续植苗和钵苗间歇进给等一系列工序。整排取苗间隔放苗机构由旋转升降机构和取苗末端执行器两部分组成。其中,旋转升降机构由凸轮升降机构、旋转升降主轴、凸轮旋转机构、空间连杆机构和驱动轴组成。动力从驱动轴输入,通过凸轮升降机构驱动主轴升降; 与此同时,凸轮旋转机构驱动空间连杆机构进而驱动主轴旋转。机构间通过各自的凸轮实现彼此的运动协调,进而控制主轴及时且准确地升降与旋转运动。
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