本科畢業設計（論文） 題 目： 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 學 院： 機械與自動控制學院 專業班級： 機械制造及其自動化（ 4）班 姓 名： 劉曉冕 學 號： B09300418 指導教師： 俞高紅 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 浙江理工大學學位論文獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得浙江理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 浙江理工大學本科畢業設計（論文） I 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解 浙江理工大學 有權保留并向國家有關部門或機構送交本論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權 浙江理工大學 可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索和傳播，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 (保密的學位論文在解密后適用本授權書 ) 學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 導師簽名： 簽字日期： 年 月 日 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 2 摘 要 水稻缽苗移栽是一種利用缽盤育秧的水稻移栽技術，是水稻種植過程中的重要環節。水稻的缽盤育秧充分保留了秧苗生長的營養土質，植傷輕、返苗快，使作物提早成熟，且增產增收；移栽充分 利用了光熱資源，對水稻秧苗有氣候的補償作用，同時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生非常可觀的經濟效益和社會效益。但 與其他國家和地區相比，我國水稻種植機械化程度較低，與國內水稻生產的其它環節相比，機械化程度也是最低的。因此研究一種新的水稻缽苗移載機構，對水稻的機械化種植與高產高收具有非 常重要的意義。 本文通過對國內外的 水稻 缽苗移栽機構進行對比分析，提出了一種高效率的水稻缽苗移栽機構 為旋轉式 水稻缽苗移栽機構。 該水稻缽苗移栽機構由驅動部分與移栽臂兩部分構成，其中驅動部分由非勻速間歇傳動機構與非勻速傳動機構串聯組成，移栽臂用于完成機構的取秧、推秧。 本文的研究內容如下： 1.根據水稻缽苗移栽的農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機構的設計方案，該旋轉式傳動機構平穩性好、效率高。 2.分析了該水稻缽苗移栽機構的工作原理，并對機構進行運動學建模與傳動特性分析。 3 通過水稻缽苗移栽機構的輔助分析與優化軟件，對該機構進行參數優化，最后得到一組較優的結構參數： a=23.069mm， k=0.994， =291， =6， =29，0=-39， S=152mm. 4.根據機構優化后的結構參數，在 CAD2008 軟件中對水稻缽苗移栽機構進行整體的結構設計與各零部件的二維設計。 5.在 ug8.0 三維實體建模軟件中完成各零部件的建模與機構的裝配 。 關鍵詞 ：水稻缽苗移栽；行星系移栽機構；橢圓不完全非圓齒輪；參數優化；設計 ； 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 3 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 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 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 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 4 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， = 291， = 6 ， = 29 ， 0 = -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 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 5 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 6 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 7 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 水稻缽苗移栽機構的發展概況 . 8 1.2.1 國外發展概況 . 8 1.2.2 國內發展概況 . 10 1.3 研究目標與方案實現 . 13 1.3.1 研究目標 . 14 1.3.2 實現方案 . 14 1.4 本文的工作安排 . 16 1.5 本章小結 . 19 第二章 旋轉式水稻缽苗移栽機構的運動學分析 . 18 2.1 旋轉式水稻缽苗移栽機構的工作原理 . 18 2.2 運動學分析符號及相關說明 . 19 2.3 橢圓齒輪不完全非圓齒輪傳動特性分析 . 20 2.3.1 橢圓齒輪不完全非圓齒輪節曲線模型建立 . 20 2.3.2 傳動比分 析 . 24 2.4 橢圓齒輪傳動特性分析 . 27 2.4.1 橢圓齒輪節曲線模型建立 . 29 2.4.2 傳動比分析 . 28 2.5 橢圓 -不完全非圓齒輪行星輪系移栽機構運動學模型的建立 . 29 2.5.1 位移方程 . 29 2.5.2 速度分析 . 33 2.5.3 加速度分析 . 32 2.6 本章小結 . 32 第三章 旋轉式水稻 缽苗移栽機構輔助分析與優化軟件的運用 . 34 3.1 優化軟件的運用思路 . 34 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 8 3.2 旋轉式水稻缽苗移栽機構的優化軟件界面 . 35 3.3 數據處理 . 37 3.4 本章小結 . 38 第四章 旋轉式水稻缽苗移栽機構的結構設計 . 38 4.1 旋轉式水稻缽苗移栽機構的整體結構設計 . 38 4.2 驅動部分設計 . 40 4.2.1 非勻速間歇傳動機構的設計 . 40 4.2.2 非勻速傳動機構的設計 . 41 4.3 移栽臂組成零件的設計 . 41 4.3.1 撥叉的設計 . 42 4.3.2 推秧爪與彈簧片的設計 . 43 4.4 本章小結 . 44 第五章 旋轉式水稻缽苗移栽機構的三維建模 . 45 5.1 橢圓齒輪與非圓齒輪的實體建模 . 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 . 47 第六章 總結 . 48 6.1 總結 . 48 參考文獻 . 49 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 9 第一章 緒論 1.1 本文研究目的與意義 水稻是我國第一大糧食作物，在糧食安全中占有非常重要的地位，在全國范圍內將近有 60%的人口以水稻為主食。我國水稻的常年種植面積約占全國谷物種植面積的 30%，占世界水稻種植面積的 20%，面積約為 3000 萬公頃；稻谷每年的總產量近 20000 萬噸，其重量占世界稻谷總產的 35%，占全國糧食總產的 40%.但是在主要糧食作物生產中，水稻的移栽勞動強度較大，水稻種植機械化水平最低 1。 水稻的移栽是種植過程中的重要環節，移栽充分 利用了光熱資源，對秧苗有氣候的補償作用，同時有使作物生育提早的綜合效益，因此，水稻移栽產生的經濟效益和社會效益非常可觀。 與其他國家和地區相比，我國水稻種植機械化程度較低，絕大部分是移栽作業；與國內水稻生產 的 其他工藝流程相比，機械化程度也是最低的（ 收獲機械化 50%以上，種植機械化約 12%） 2。 目前，水稻移栽機械主要有水稻拋秧機、插秧機、缽苗栽植機，相應的移栽技術分別為拋秧、插秧和缽苗栽植。其中，水稻拋秧技術栽植淺、植傷輕、返苗快、分蘗早、分蘗節位低、淺層根分布廣，提早成熟，且增產增收 3，但是拋秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影響緩苗，進而影響產量；與拋秧技術相比，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，插秧技術采用毯狀秧苗，毯狀苗幾乎不能保留秧苗的成長土質及營養物質，插秧時秧苗斷根多，緩苗期較長，要 10 天左右； 而水稻缽苗栽植技術也采用缽盤育秧，綜合了以上兩種水稻移栽方式的所有優點，克服了不利的因素，缽苗栽植直立性好，無緩苗期，增產明顯，成為當今水稻機械化移栽技術的研究重點。 另外，目前超級稻種植都是采用手工移栽，要求每穴種植 1 到 2 株秧苗，用現有的毯狀苗插秧種植方式根本無法滿足此精準移栽要求；用水稻拋秧移栽技術，難以保證移栽秧苗的直立性，影響產量；而用本課題提出的水稻缽苗移栽技術，即可以解決超級稻機械化種植需要每穴 1 到 2 株苗，又可以保證移栽秧苗的直立性要求，有利于超級稻種植的推廣。 水稻缽苗移栽是一種高產的水稻移栽 技術。具有壯苗淺栽、緩苗快、分蘗 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 10 早、分蘗節位低、有效分蘗多、根系發達、提早成熟增產增收等優點，一直以來深受農民歡迎。 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 10%-15%，因此增產效果明顯。 日本研究出的水稻缽苗移栽機（又稱水稻缽苗擺栽機）價格昂貴、結構復雜，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量的廣大農村農民望而卻步， 黑龍江墾區五年前 曾引進日本的兩種水稻缽苗擺栽機進行試驗，到現在一直也沒有推廣，不適合中國國情。近 幾年來，我國吉林省有幾家企業一直在研究水稻缽苗移栽機，并進行了小規模的應用推廣，基本能夠保證移栽缽苗有較好的直立度。其移栽機構采用多桿式移栽機構，移栽效率低，單行效率只有 80株 /分鐘左右，由于多桿式機構的結構限制，移栽效率很難再提高了。其移栽效率遠遠低于步行式插秧機的插秧效率，更不用說與高速插秧機相比。為了實現我國水稻缽苗移栽技術的發展與應用，滿足廣大農民的對水稻缽苗移栽機械化的需求，研究出一種新型高速水稻缽苗移栽機，具有非常重大的科學意義與經濟價值。 具有取苗與移栽苗功能的移栽機構，作為水稻缽苗移栽機的核心 工作部件，已經成為制約高速水稻缽苗移栽機械發展的 “ 瓶頸 ” 問題，開展該移栽機構理論與創新設計研究已迫在眉捷 4 8。 本課題通過開展水稻缽苗移栽機構的工作機理分析，依托課題組多年研究水稻種植機械的研究平臺，對水稻缽苗移栽機構進行創新研究與優化設計，發明一種新型的高速水稻缽苗移栽機構，并建立相應的設計理論與方法，將促進我國水稻缽苗移栽技術的發展與應用。該水稻缽苗移 栽 機構的研究能夠為高速水稻缽苗移栽機的研究、開發提供理論基礎和設計參考，將直接指導水稻缽苗有序移栽機構的設計 ， 特別是水稻缽苗移栽方式非常適合于超級稻 的機械化種植，有利于促進超級稻種植的推廣，提高我國農業機械的研究水平。因此，開展本課題研究，不僅具有重要的科學意義，也具有重大的實際應用價值。 1.2 水稻缽苗移栽機構的發展概況 自水稻拋秧或擺秧技術的應用以來，國內外的很多專家學者開始對有關水稻缽苗移栽機械展開了研究，其中從事這方面研究的主要國家是日本和中國。 1.2.1 國外發展概況 日本是水稻移栽機械化方面程度最高的國家，在工業化的完成進程中，日本逐 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 11 步實現了機械化的水稻種植 9 12。 根據有關資料顯示，黑龍江省曾分別引進日本井關農機公司和實產業株式會 社生產的水稻缽苗擺栽機，如圖 1.1（ a） 所示，該擺栽機一次 可栽 6 行，采用半硬塑膠缽盤育秧苗 ，缽盤中的每個缽穴是上粗下細的圓錐杯，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， 其工作過程示意如圖 1.1（ b） 所示。頂桿對準小孔有兩種形式：一種是頂桿平移，另一種是缽秧盤平移。從結構發明的角度看，機構作用于土缽，土缽是固體，個體差異小，工作可靠，但是機構的運動是直線間歇運動。需要一套完成精確移動定位的機構，加工精度要求高，機構磨損后容易頂偏，造成塑料秧盤損壞，有時缽苗的秧根掛住缽盤，造成秧苗脫離不 成功，這對育秧要求比較高。 通過分秧供秧機構，將 頂出的缽苗 水平分送至兩側的旋轉分插部件，然后由旋轉分插部件將水平放置的缽苗轉換成垂直的方式入土，完成缽苗的田間擺栽作業。該擺栽機能夠成行擺栽帶缽秧苗，具有株距準確、均勻性好、作業質量高等優點。但擺栽機的結構復雜、成本高、對整地和育秧的質量要求較高，同時半硬塑膠穴盤成本也高，從國內引進試驗來看，并不適合我國國情。 1.秧盤移動 2.秧盤靜，啟動頂桿 3.頂桿推出缽秧 （ b） 機構頂秧過程 圖 1.1 日本的水稻缽苗擺栽機 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 12 如圖 1.2所示為 日本洋馬農機株式會社的竹山智洋發明 的 另 一種缽苗移栽 機 （專利號為： ZL200480007602.4） 13，該移栽機由驅動裝 置和兩個移栽爪組成。該 移栽機構的驅動裝置由兩套行星輪系機構串聯組成， 其中回 轉箱相當于行星架，第一回轉箱內包含 9 個齒輪（其中有 2 個是扇形齒輪） 和一 套擺動凸輪機構，第二回轉箱有 5 個齒輪。第二回轉箱與第一回轉箱中的行星輪固接，由第二回轉箱內的行星軸輸出運動，通過驅動移栽爪來實現取 苗和移栽苗動作。 該水稻缽苗移栽機構的結構很復雜，設計制造成本比較高，而且可靠性不高，所以該水稻缽苗移栽機構未能得到實際應用。 圖 1.2 缽苗移栽機構 1.2.2 國內發展概況 我國在 90 年代后期，水稻缽體育秧技術有了較大的發展，中國農業大學、吉林大學、江蘇大學、八一農墾大學等院校都開始進行缽體育秧技術與移栽技術研究。 我國目前的有序缽苗移栽機構有較 多種方式， 現介紹幾種如下： 1)對輥式拔秧機構 中國農業大學工學院研制了一種型為 2ZPYH530的水稻缽苗行栽機 ，該行栽機采用對輥式拔秧機構，實現水稻穴盤育苗的自動拔秧，機構如圖 1.3所示。該機構的輸秧拔秧裝置 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： 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 13 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 機械手式拋秧機構 1.機架 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 對輥式拔秧機構 缽苗通過人工放在托板上，然后喂入到輸秧輥 4上，按一定傳動比拔秧輥帶動輸秧輥 4轉動，當上下拔秧輥 8、 9的夾秧板對接時，通過夾秧板外緣彈性材料的變形產生夾緊力，夾持上下拔秧輥中間的缽苗并帶動其一起運動，最后使 得缽苗與缽盤脫離；上下拔秧輥轉過一定角度后，夾秧扳松開、缽苗落入導苗管，完成拔秧工作。試驗結果表明，培育秧苗時缽盤的濕度對拔秧力影響較大，而且缽苗在拔秧輥釋放缽苗后沿導苗管滑落入水田中，很難控制移栽秧苗的直立度，秧苗容易倒伏，會影響緩苗作業，并且效率低。 2)機械手式拋秧機構 如圖 1.4所示為八一農墾大學設計的機械手式拋秧機構 17。其工作原理：秧鉗的固定套 4與滾筒 6為剛性聯接， 固定套 隨筒回轉，滾筒內的凸輪 5固定不動，其最大突變點離秧盤最近且對應于取秧位置；當擋鐵 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回轉過程中，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；當滾筒轉過 180時，開閉凸輪 7的撞桿受到擋鐵 9的撞擊，使其轉過 90后將秧鉗撐開，在秧鉗回轉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，直到取苗位置時又開始重復上面所 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 14 圖 1.5 空間連桿移栽機構簡圖 圖 1.6 七桿移栽機構及移栽軌跡 述的動作。該機械手抓取秧苗的準確度和傷秧是該機構要解決的關鍵問題。該機構在栽植苗時，由秧鉗通過回轉慣性力和重力作用將秧苗拋向地面，是一種拋秧移栽作業方式，因此，秧苗移栽的直立度也 很難保證，將影響緩苗。 3)空間連桿移栽機構 在空間連桿機構的基礎上，中國農業大學研究開發了一種水稻缽苗精準栽植機械手機構 18，與撥桿式夾鉗配合使用該機構與傳統的農業機械完全不同，它屬于空間閉式鏈機構。圖 1.5 所示為栽植機械手機構的結構示意圖，該機構由可控變桿長 RRRSR 機構和撥桿式夾鉗裝置兩大部分組成。而可控變桿長機構是由機架、主動件、連桿、工作桿和擺桿組成，并選取主動件桿 1 為桿長變化桿，且將桿 1 分解為凸輪、滾子從動件和曲柄三部分，源動力通過鏈條鏈輪傳遞動力給與機架運動副連接的曲柄，再由曲柄傳遞動力給滾子從動件，使滾子沿凸輪表面做圓周運動，來實現桿長變化滾子從動件傳遞動力給其它桿件 3、 4，使其作連續運動，同時使得與桿 2 連接的工作桿 7 和夾鉗一起運動，從而完成夾秧、取秧，移秧、栽秧等一系列動作。此機構在設計過程中需要檢測桿之間的干涉問題，能保證各桿工作的連續性，該移栽機構結構太復雜，工作效率低。 4)七桿移栽機構 2007 年，吉林省延吉市光華機械廠公開了一種水稻缽苗移栽機構(如圖 1.6)。這種移栽機構包括有動力傳送齒輪箱 10、移栽四軒機構和移栽穩定三連桿機構。其中移栽四桿機構是由上曲柄 7、栽植臂連桿6、栽植臂桿 23、鎖臂搖桿 14 依次鉸接組成，在栽植臂桿上設有夾秧 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 15 裝置；移栽穩定三連桿機構是由下曲柄 19、穩定連桿 18 和上述的鎖臂搖桿 14依次鉸接組成，移栽四桿機構和移栽穩定三連桿機構共同完成取秧、移秧、栽秧的運動軌跡。該發明機構移栽運行軌跡穩定，取秧栽植過程中取秧爪開閉準時準確，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，增產效果顯著。但是多桿機構工作配合復雜，要快速提高移栽的速度，將是一個巨大的挑戰 19。該移栽機構已有樣機在田間試驗，但是工作效率低，振動大，單行移栽效率只有 80 次 /min 左右，機構的結構本身限制了該機構無法再提高移栽效率。 5)五桿移栽機構 專利號 為 200820072816.5的發明中提出 了一種能直接栽插軟塑體缽盤秧苗的缽苗水稻插秧機 20，如圖 1.7（ a） 所示 。該 水稻缽苗插秧機的核心工作部件五桿水稻缽苗移栽機構，如圖 1.7（ b） 所示。該機構采用雙曲柄 67、 66分別作正、反向轉動驅動，是一個雙自由度機構，栽植臂 10 往復直插式控制取秧夾 61 按特定曲線軌跡進行取秧與栽插秧苗作業，栽植臂 10 內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 相對栽植臂10 作往復移動，控制取秧夾 61 張開與閉合。曲柄旋轉一周，取秧夾 61 夾取缽苗插秧一次，移栽效率單行為 80 次 /min 左右，該機構能實現水稻缽苗有序移栽，但工作效率也較低，振動也大。 (a)缽苗 移栽機 （ b）缽苗移栽機構 圖 1.7 五 桿水稻缽苗移栽機 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 16 1.3 研究目標與方案實現 通過以上分析可知，國內外雖然對水稻缽苗有序移栽技術及移栽機構已做了較多的分析與研究，并有部分樣機投入試驗或應用。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，進而影響水稻產量，到目前為止，一直未能推廣應用；栽植苗方式移栽缽苗能有效地保證栽植秧苗的直立度，無緩苗期，但現有的缽苗移栽機構，工作效率太低（只有 80株 /分鐘 /行），機構工作時振動大。但是上述的缽苗移栽機構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 近年來，本課題組對水稻缽苗有序移栽的工作機理與機構創新進行了詳細研究，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，各穴口相互獨立，缽盤為 1429 穴（橫向 14 穴，縱向 29穴）。利用缽盤育秧進行移栽能夠保留秧苗的營養土質，且秧苗間相互獨立易機械移栽，并用育秧的塑料缽盤可重復使用。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 ，完成移栽動作 。 為了實現該水稻缽苗的有序移栽方式，同時考慮機構工作效率和平穩性。本論文提出了一種旋轉式有序移栽機構 5，在旋轉箱體上 呈 120 布置 三 個移栽臂，提高了工作平穩性，旋轉一周移栽 三 次，移栽效率高，移栽效率將不低于 200 株 /分鐘 /行，其移栽效率遠遠高于現正在應用的有序移栽機構，本論文研究的旋轉式有序移栽機構是一種高速水稻缽苗移栽機構。 1.3.2 實現方案 1）水稻缽苗移栽機構的設計要求 通過了解水稻缽苗移栽的農藝要求，提出如圖 1.9 的移栽軌跡，該機構的取秧方式為彈簧片夾取式取秧，為了避免取秧時彈簧片與秧苗的 干涉，移栽軌跡在取秧部分為 “ 環扣狀 ” 。即由兩個彈簧片運行到土缽表面時，彈簧片從缽苗的下方 D 運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，在推秧桿的作用 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 17 下，彈簧片松開，釋放并推出缽苗，植入水田中，然后彈簧片經圖中 C 位置，為重新下次取秧做準備，完成一次移栽周期。 2）機構的實現方案 (a) 移栽機構簡圖 (b)移栽臂結構簡圖 圖 1.8 水稻缽苗移栽機構 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 18 根據移栽軌跡要求，設計出一種旋轉式橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構 21， 在一個旋轉箱體上對稱布置了 三 套移栽臂，旋轉一周移栽兩次。如圖 1.10(a）所示為旋轉式橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構傳動簡圖（圖示為機構的初始安裝位置），該機構由驅動部分和移栽臂兩部分組成，驅動部分是一個非勻速間歇傳動行星輪系機構 ，由 4 個橢圓齒輪、1 個不完全非圓齒輪、 2 個凹鎖止弧、 1 個凸鎖止弧組成 ，行星架順時針轉動作為輸入運動構件，行星輪為輸出運動構件；移栽臂與行星軸固接，通過凸輪帶動撥叉擺動實現推秧桿往復移動，再帶動兩彈簧片 閉合、張開 實現取秧 、 推秧，移栽臂的設計方案如圖 1.10(b） 所示， 其 中撥叉與凸輪的作用是彈簧片實現移栽過程的關鍵。 1.4 本文的工作安排 1）根據水稻移栽的農藝特點與軌跡要求， 提 出 了 一種新型水稻缽苗移栽機構，使 水稻移栽 達到高效率、低振動的工作要求。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部件，設計出一種新的水稻缽苗移栽機構 橢圓齒輪不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構。 2） 對該水稻移栽機構的運動學特性進行分析，包括橢圓齒輪 -不完全非圓齒輪的傳動特性分析、橢圓 -橢圓齒輪的傳動特性分析、中間橢圓齒輪與行星橢圓齒輪的相對角位移、角速度分析、移栽臂秧針尖點的 相對位移、速度和加速度分析。 3）根據己建立的移栽機構運動學模型，開發水稻缽苗移栽機構的輔助分析與優化軟件，進行軟件各模塊的功能介紹。 4）利用優化軟件進行移栽機構的結構參數優化，分析該結構參數對工作軌跡的影響，找到一組能滿足移栽軌跡要求的較優結構參數。 5）以優化后的結構參數作為初始參數，對 移栽 機構進行整體設計。利用VB6.0 導出齒輪的點，在 CAD2008、 CAXA2011 中繪出二維圖，導入到 UG7.0中進行建模生成三維圖 ，再進行整體的裝配。為了減小機構的沖擊振動，對機構添加了緩沖裝置，并與未加緩沖裝置的 軌跡進行比較。對該移栽機構設計出3 套消除齒隙裝置，提高 了 機構取苗的成功率。 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 19 1.5 本章小結 1）闡述了水稻缽苗移栽機構的研究目的與意義； 2）介紹了水稻缽苗移栽機構國內外發展概況； 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。 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 20 圖 2.1 橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構傳動簡圖 第二章 旋轉式 水稻缽苗移栽機構的運動學分析 2.1 旋轉式 水稻缽苗移栽機構的工作原理 橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構 由兩部分組成 驅動部分和移栽臂，如圖 2.1 所示為移栽機構的傳動簡圖 。驅動部分是一個非勻速間歇傳動行星輪系機 構 ， 該機構 由 4 個全等的橢圓齒輪（ 1、 2、 4、 5）、 1 個不完全非圓齒輪（ 3）、 1 個凸鎖住弧（ 8）和 2 個凹鎖住弧（ 7、 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 中心為 O， 2 個中間橢圓齒輪（ 2、 4）的旋轉中心分別為 M1 和 M2， 2 個行星橢圓齒輪（ 1、 5）的旋轉中心分別為 O1、 O2。驅動部分工作時，不完全非圓齒輪 3（即太陽輪）固定不動，行星架 6 順時針繞 O 點轉動，中間橢圓齒輪 4（以一側齒輪結構為例）隨行星架 6 一起運動， 繞 M2 點旋轉 與不完全非圓齒輪 3 嚙合，實現非勻速傳動，行星橢圓齒輪 5（簡稱行星輪）與中間橢圓齒輪 4 嚙合，實現非勻速傳動。中間橢圓齒輪 4 轉到不完全非圓齒輪 3 的無齒部分時，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 相對齒輪盒（即行星架 6）靜止，實現機構的間歇傳動。 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 21 1.凸輪 2.撥叉 3.彈簧 4.彈簧座 5.推秧桿 6. 彈簧片 7.推秧爪 圖 2.2 移栽臂工作原理圖 行星軸的一端伸出齒輪盒外，通過固定銷與一對移栽臂（ 10、 11）固結，移栽臂隨行星輪一起作非勻速間歇轉動。移 栽 臂的結構簡圖如圖 2.2 所示，凸輪 1固定在齒輪盒上，移栽臂內彈簧座 4、推秧 桿 5、推秧爪 7 固接。通過凸輪 1的推程曲線帶動撥叉 2 向上擺動，撥叉 2 推動彈簧座壓緊彈簧 3，推秧桿帶動推秧爪上移收緊一對彈簧片 6，彈簧片閉合實現取秧；到達推秧點時，凸輪 1 與撥叉 2 脫離，彈簧 3 推動彈簧座 4 帶動推 秧桿 5 下移，推秧爪 7 松開彈簧片 6 實現推秧。移栽臂彈簧片尖點 H 在機構做間歇運動時形成軌跡 FAB，做非勻速運動 形成 BCDEF 段工作軌跡。 從圖 2.1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： DE段為秧爪夾取缽苗的運動軌跡， EFAB段為秧爪持苗軌跡，到達 B點推秧 ， 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，準備下一次取苗；以上 三 段軌跡組成 水稻缽苗移栽所要求的整個取苗與推秧工作軌跡。 2.2 運動學分析符號及相關說明 表 2.1 運動學分析符號說明 符號 意 義 備 注 符號 意 義 備 注 a 橢圓齒輪長半軸 已知常量 1R 不完全非圓齒輪旋轉中心 O 到嚙合點 J 的距離 變量 b 橢圓齒輪短半軸 已知常量 2R 中間橢圓齒輪旋轉中心 1M 到嚙合點 J 的距離 變量 c 橢圓齒輪半焦距 已知常量 2R 中間橢圓齒輪旋轉中心 1M 到嚙合點 P的距離 變量 k 橢圓齒輪短長軸之比 已知常量 3R 行星橢圓齒輪旋轉中心 1O 到嚙合點 P的距離 變量 行星架11MO與1MO的夾角 已知常量 1 某一時刻行星架轉過的角位移( 01 ) 已知變量 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 22 0 行星架 (即齒輪盒 )的初始角位移（ 0 0 ） 已知常量 行星橢圓齒輪中心1O和秧爪尖點 H 之間的連線 HO1與行星橢圓長軸間的夾角 已知常量 不完全非圓齒輪有齒部分節曲線所對應的圓心角 已知變量 2 中間輪相對行星架角位移 ( 2 0 ) 變量 S 行星橢圓齒輪旋轉中心 O1 到 秧針 尖點 H 的距離 已知常量 3 行星橢圓齒輪相對行星架角位移( 3 0 ) 變量 1）為了方便下面運動學的分析，將機構涉及到的相關變量和常量列于表2.122. 2）本文橢圓 不完全非圓齒輪運動學分析的相關規則說明 坐標方向的設定：采用右手坐標系。在三角函數計算過程中，根據右手坐標系建立各三角函數之間關系以及判斷各運動參數的矢量方向。 角位移的設定：角位移規定以 x 軸為起始邊，逆時針方向為正， 順時針為負。 2.3 橢圓齒 輪不完全非圓齒輪傳動特性分析 2.3.1 橢圓齒輪不完全非圓齒輪節曲線模型建立 橢圓齒輪與不完全非圓齒輪嚙合實現的非勻速間歇傳動是移栽機構軌跡形成的關鍵組成部分 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，橢圓齒輪 1 圍繞不完全非圓齒輪 4 順時針旋轉實現嚙合傳動， J 為橢圓齒輪 1 與不完全非圓齒輪 4 的嚙合點。不完全非圓齒輪 4 的節圓半徑為 R1，橢圓齒輪 1 的節圓半徑為 R2，凸鎖住弧 3 的半徑為Rt、圓 心角為 2-.不完全非圓齒輪 4 有齒部分的節圓曲線對應的圓心角為 . 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 23 從圖 2.3（ a） 的初始位置開始，橢圓齒輪開始運動，當橢圓齒輪 1 圍繞不完全非圓齒輪 4 順時針轉過的 的角度小于等于 2- 時（圖 2.3（ b）為等于 2-時的狀態），橢圓齒輪 1 相對行星架 5 轉過的角度 02 0 .當行星架 5 順時針轉過的角度大于 2- 時（如圖 2.2（ c） ），橢圓齒輪 1 相對行星架 5 開始轉動。 設橢圓齒輪 1 與不完全非圓齒輪 4 的嚙合點 J 到 橢圓 齒輪 1 旋轉中心 M1的距離為22()R ，可得出如下公式： 222 2() c o sbRac 2 (1) 式中 2 的變化范圍為從 0到 -2. 由橢圓齒輪 1 與 不完全非圓齒輪 4 嚙合關系可知， 當行星架 5 轉過 1d 時，橢圓齒輪 1 相對行星架 5 轉過 2d ，即可得出如下關系式： 222111 )()( dRdR )()()()(212211 dRRd 2 (2) LRR )()( 2211 )()( 2211 RLR 2 (3) 式中 L 不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的中心距 (a)初始位置 （ b） 行星架順時針 轉 角 =2- （ c） 行星架順時針 轉角 2- 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曲線嚙合 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 24 1變化范圍為從 ）（ 2 到 2 把式 (3)代入式 (2)中，可得： )()( )()( 222221 dRL Rd 20 222 221 )()( )(2 dRL R 2 (4) 由橢圓齒輪與不完全非圓齒輪的嚙合關系可知，橢圓齒輪 1 的節圓曲線弧長與不完全非圓齒輪 4 有齒部分的節圓曲線弧長相等，橢圓齒輪 1 相對行星架5 順時針轉過 2 角度時，不完全非圓齒輪 4 相對行星架逆時針轉過 ， 即： 20 222 22 )()( )( dRL R 20 22222)(c o sc o s dcabLcab 利用數值積 分 分可求出 L， 求解的程序框圖如圖 2.4 所示 21： Read a； b ； 1 / 360dfai ， 0.002ep For l= 2a to 2.5a step 0.0002 Ts=0 For = 0 to 360 step 0.5 1 * / 180 21 21c o sbt l a l c b ， 22 21c o s ( 0 . 5 )bt l a l c b 12 1 2( ) / 2t t t 1 1 2 2 1 2( ) * 1 / 4 ( ) * 1 / 4sst t t t d f a i t t d f a i N |st ep Y Ll 圖 2.4 L 求解的程序框圖 把式 (1)代入式 (4)中： 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 25 2c o s1 2c o s1 2c o sc o s2202222202222201222dBAdbLcbbLadcabLcab 2)2t a na r c t a n (2 2 BA BABA BABA 式中 22b bLaA ，2bLcB 利用反三角函數可 求 得 ： )2)2()22t a n (a r c t a n 2)2(0(01112之間變化在）（之間變化在BABABABABA 2 (5) 把式（ 5）代入式（ 3）中，可求得 )( 11 R 關于 1 的表達式： ) ) 22t an (ar c t an 2 )()(122211（BABABABABARLRLR 式中 1 從 )2( 變化到 2 . 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，利用幾何關系方程，可求出凹鎖住弧 2 所對的圓心角為： s i n ( 2 ) / 2 2 a r c t a nc o s ( 2 ) / 2 ttRlR 2 (6) 式中 tR凸鎖止弧的半徑 凹鎖止弧的最長邊 MO2 的長度 1L 為： 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 26 )2/s in (/2/)2s in (31 RL 2.3.2 傳動比分析 如圖 2.3 所示，不完全非圓齒輪 4 有齒部分為非圓節曲線，橢圓齒輪 1 為與不完全非圓齒輪 4 共軛的橢圓節曲線。不完全非圓齒輪 4 固定， 行星架 5 的角位移1，瞬時角速度為1；橢圓齒輪 1 為從動輪，相對行星架的轉角為2，瞬時角速度為2。初始位置時，1 0，2 0 。 J 為主動輪不完全非圓齒輪 4 與從動輪橢圓齒輪 1 的嚙合點。 設 兩齒輪傳動的傳動比為 12Hi ，由傳動規律可知： )()(/112221212112 RRdddtd dtdwwi H 2222222222212c o s1 c o s c o sc o sakkLLakbLcLabcabLcabiH 由初始位置開始，不完全非圓齒輪 4與橢圓齒輪 1的傳動比可表示為： )2)2(c o s1)2(0( 012222112 之間變化在之間變化在akkLLaki H 當 02 及 22 時，傳動比達到最小值： 222m in12 1 akkLLaki H 當 2 時，傳動比達到最大值： 22m a x12 akLaki H 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 27 (b) a 對 Hi12的影響 (a) L 對 Hi12的影響 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 28 由 Hi12的表達式 可知， Hi12是關于 2 以 2 為周期的周期函數。影響Hi12 的參數為 L ， a 和 k ，下面分別改變其中一個參數，分析其對 Hi12 的影響。 1） 分析 L 對 Hi12的影響 取 23a ， 994.0k ， 2 的變化范圍為從 0 到 2 ，如圖 2.5（ a）所示。當 35L 時， 傳動比比較大，非勻速傳動比較明顯，隨著 L 的增加，傳動比整體減小，且隨 2 的周期變化變得平緩。 2） 分析 a 對 Hi12的影響 取 50L ， 994.0k ， 2 的變化范圍為從 0 到 2 ，如圖 2.5（ b）所示 。當 15a 時， 傳動比比較小，隨著 a 的增加，傳動比整體增大，且隨 2 的變化的傳動比的周期變化變得陡峭，非勻速傳動明顯。 3） 分析 k 對 Hi12的影響 取 50L ， 23a ， 2 的變化范圍為從 0 到 2 ，如圖 2.5（ c）所示 。 當75.0k 時， (c) k 對 Hi12的影響 圖 2.5 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 29 傳動比比較大， 周期變化比較陡峭，非勻速傳動明顯， 隨著 k 的增加，傳動比整體減小，且隨2的變化的傳動比的周期變化變得平緩，當 1k 時，傳動比成了一條直線，變成了兩個圓柱齒輪的勻速傳動。 2.4 橢圓齒輪傳動特性分析 在橢圓不完全非圓齒輪機構的傳動過程中，橢圓齒輪之間的非勻速嚙合傳動是形成移栽軌跡的關鍵所在，因此， 引用了 橢圓 齒輪間的嚙合特性 28-29。 2.4.1 橢圓齒輪節曲線模型建立 如圖 2.6 所示， 齒輪 1 與齒輪 2 是 一對 參數完全一致的橢圓齒輪，分別以本身的焦點為中心相互嚙合轉動。橢圓齒輪 1 與橢圓齒輪 2 的轉動中心分別為節圓的焦點 1O 、 1M ，即 1O 、 1M 均為橢圓齒輪軸心。在如圖 2.6（ a）初始位置時， 橢圓齒輪 2 和橢圓齒輪 1 長軸在同一直線上， 橢圓齒輪 2 的半徑 )( 22 R 達到最大值，同時，橢圓齒輪 1 的半徑 )(33 R為最小值。 橢圓齒輪 2 與橢圓齒輪 1 的嚙合點 P 到中間輪 橢圓齒輪 2 轉動中心 M1 的距離： )c os ()( 2222 cabR ( 2 在 20 之間變化 ) 2 (7) 32 2R R a 22 23222 2 c o s ( )2c o s ( )a b a cR a Rac 2 (8) （ a) 起始位置 （ b) 轉過一定角度后 圖 2.6 橢圓齒輪嚙合特性分析 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 30 用極坐標方程表示 R3，則有： 3 231 1 c o s ( )bkRk ( 3 在 20 之間變化 ) 2 (9) 2.4.2 傳動比分析 以水平線11OM為始邊，橢圓齒輪 2（主動輪）以角速度2順時針繞 1O 轉動，帶動橢圓齒輪 1（從動輪）以角速度3逆時針繞1M轉動實現非勻速傳動。如圖 2.6（ b）所示，當主動橢圓齒輪 2 轉過角度 2 時，則從動橢圓齒輪 1 轉過的角度為 3 。令兩齒輪的傳動比為23i，由齒輪傳動的知識可推導出： )()(/223332323223 R Rdddtd dtdwwi 把式（ 7）、式（ 8）代入上式中，可得： )c o s ()c o s (2222223cabcabai 2222 c o s22b baca 2222 co s122kkk 如圖 2.7 所示， 2 的變化范圍為從 0 到 2 。 當 9.0k 時， 傳動比比較大，周期變化 比較陡峭，非勻速傳動明顯， 隨著 k 的增加，傳動比整體減小，且隨 2的變化的傳動比的周期變化變得平緩，當 1k 時，傳動比成了一條直線，變成了 全等 兩個圓柱齒輪的勻速傳動。 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 31 2.5 橢圓 -不完全非圓齒輪行星輪系移栽機構運動學模型的建立 2.5.1 位移方程 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構是對稱結構 ， 其工作過程包括四個階段：取秧、持秧、推秧、回程。現以一側為例進行運動學模型的建立，如圖 2.8 所示 ， 該側機構包括 1 個不完全非圓齒輪、 2 個全等的橢圓齒 輪、 1 個凸鎖住弧、 1 個凹鎖住弧以及 1 個移栽臂，以不完全非圓齒輪 3 的中心為坐標原點 O，建立坐標 XOY.移栽機構的已知常量為 a 、 b 、 c 、 k 、 、 S 、 0 、 、 、 1 ；已知變量 為 行星架角位移為 1 . 圖 2.7 k 對傳動比的影響圖 (a）初始安裝 位置 (b) 行星架轉過 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動示意圖 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 32 如圖 2.8(a)所示為機構的初始位置， 在圖 2.8(b)行星架 6 從初始位置開始轉過角度1時（其相對于初始邊順時針 轉動 為負），機構的運動位置狀態。設機構初始位置時 方向軸 OM1 為行星架轉初始邊， 不完全非圓齒輪 1 固定不動，行星架 6 從初始位置開始繞 O 點做順時 針勻速轉動。因為 行星架 6 在1M點處有一個彎折角 ，根據式（ 8）中 2R 的表達式，可求出圖 2.8(a)初始位置 2R 的表達式為： )c os ()( 2222 cabR ( 2 在 20 之間變化 ) 用極坐標方程表示 R3，則有： 3 23 3 01 1 c o s ( )bkRk ( 3 在 20 之間變化 ) 2 (11) 把式（ 11）中表示 R3的代數式代入式（ 10）中： 3 0 123 3 0 21222c o s ( 0 2 )c o s ( ) c o s ( ) ( 2 2 2 2 c o s ( ) b a c ac a a c b c 在 （ ） 之 間 變 化在 （ ） 之 間 變 化 ） 2 (12) 式中， 在初始位置時， 即1 0，2 0時，可求出30. 中間橢圓齒輪 2 旋轉中心 1M 的位移為： 10c o s ( )s i n ( )MMXLYL 2 (13) 行星橢圓齒輪 3 旋轉中心 1O 位移為： 1 1 0 1 01 1 0 1 0c o s ( ) 2 c o s ( )s i n ( ) 2 s i n ( )OOX L aY L a 2 (14) 秧爪尖點 H 的位移： )s i n ()s i n (2)s i n ()c o s ()c o s (2)c o s (013030101013030101SaLYSaLXHH 2 (15) 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 33 2.5.2 速度分析 已知機構的行星架 6順時針勻速轉動，即角速度 為常數。由不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的傳動比表達式，及齒輪傳動中半徑與速度的關系，可求出圖2.7移栽機構中間橢圓齒輪 2相對行星架 6的角速度2表達式： 1 2 112 1 1H R L RiRR 2 11111 0 ( 0 2 ) ( 2 2 )RLR 在 （ ） 之 間 變 化在 （ ） 之 間 變 化 2 (16) 同理，由半徑和速度的關系可得行星橢圓齒輪 3 相對行星架的角速度3: 331 2 1133 1 1 32 2H RRR L RiR R a RR 13 311113 0 ( 0 2 )2 ( 2 2 )aRRL R R 在 （ ） 之 間 變 化在 （ ） 之 間 變 化 2 (17) 由式（ 13）對時間 t 求導得中間橢 圓齒輪 2 旋轉中心 1M 的速度方程 為： )c o s ()s in (01110111LYLXMM 2 (18) 由式（ 14）對時間 t 求導得行星橢圓齒輪 3 旋轉中心 1O 的速度方程為： )c o s (2)c o s ()s i n (2)s i n (01101110110111aLYaLXOO 2 (19) 由式（ 15）對時間 t 求導得 秧 針尖點 H 的速度方程為 : 1 1 0 1 1 0 1 3 3 3 0 1 01 1 0 1 1 0 1 3 3 3 0 1 0s i n ( ) 2 s i n ( ) ( ) s i n ( )c o s ( ) 2 c o s ( ) ( ) c o s ( )HHX L a SY L a S 2 (20) 2.5.3 加速度分析 加速度是單位時間內速度的增量，用來表示速度變化的快慢。要求解加速度，可以通過在速度的基礎上對時間求導數。 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 34 通過 式（ 17） ， 對時間 t 求導得行 星橢圓齒輪 3 相對行星架的角加速度3: 12123313 )(2 RLRRaL R 2 (21) 通過 式（ 18） ， 在速度的基礎上對時間求導數 ， 得 到 中間橢圓齒輪 2 旋轉中心1M的加速度方程： )s in ()co s (0121101211LYLXMM 2 (22) 通過 式（ 19） ， 在速度的基礎上對時間求導數 ，得到 行星橢圓齒輪 3 旋轉中心 2M 的加速度方程： )s i n (2)s i n ()co s (2)co s (012101211012101211aLYaLXOO 2 (23) 通過 式（ 20） ， 在速度的基礎上對時間求導數 ，得到 取苗針尖點 H 的加速度方程： 1 3 3 3 0 1 021 3 3 3 0 1 01 3 3 3 0 1 021 3 3 3 0 1 0s i n ( )( ) c o s ( )c o s ( )( ) s i n ( )HOHOX X SSY Y SS 2 (24) 2.6 本章小結 1）對橢圓 不完全非圓齒輪行星 輪系水稻缽苗移栽機構的工作原理進行了介紹，對機構中涉及的運動學分析參數進行了說明； 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特性，并分析了相關參數對傳動比的影響； 3）建立了機構的位移、速度，加速度模型，為 VB 軟件的開發 奠定了 基礎。 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 35 第三章 旋轉式 水稻缽苗移栽機構輔助分析與優化軟件 的運用 根據 第二章建立的橢圓 不完全非圓齒輪運動學模型，可知該移栽機構的非勻速間歇傳動的運動學優化是一個復雜多目標優化問題，且各個優化目標之間具有非線性、強耦合性和模糊性等特點。普通的多目標優化方法不能很好的解決 該移栽機構的運動學優化問題，即無法找出移栽機構各結構參數的合理組合，達到機構的工作要求。本文應用 Visual Basic 6.0 編程平臺，把已經建立的運動學方程編成程序代碼，開發了橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構的輔助分析與優化軟件， 利用 VB6.0 的可視化 功能 使移栽機構的運動直觀實時的顯示， 通過 改變機構的結構參數，移栽軌跡能夠得到相應的調整，為移栽機構的參數優化奠定了基礎。 3.1 優化軟件的 運用 思路 橢圓 不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構的多目標參數優化具有非線性、交互性、模糊性等特點 ， 如果要對比較復雜的問題進行優化，通常可選擇運用懲罰函數的方法進行求解分析 。 在懲罰函數的方程式中懲罰因子的確定是關鍵 ， 由于在水稻缽苗移栽機構應用中，懲罰因子不能確定，如果取值過大會使函數過早收斂于非極值點，但取值過小則函數收斂性較差。當然還有其他的一些解決復雜優化問題的方法，例如：遺傳算法 30、模擬退火、神經網絡算法等，但這些方法都具有一定程度的局限性，特別是各個目標的加權值很難確定。因此，需要尋找一種符合水稻移栽機構這種復雜問題的優化方法。 人機交互優化方法有效的結合了人的定性判斷與計算機定量分析的功能 ，把人對事物的認識辨別能力與計算機精確的計算能力結合在一起，兩者相輔相成，解決復雜問題的參數優化。為了使人與計算機之間能夠進行比較好的數據傳遞與溝通，需要選擇一個可視化的軟件平臺，其中 VB 與 VC 編程軟件都具有強大的可視化功能，是人機交互優化的最佳平臺。 本文選取 VB 軟件作為開發水稻缽苗移栽機構優化軟件的平臺，通過把機構的運動學方程譯成代碼，編寫水稻缽苗移栽機構的優化軟件 31-36，軟件完成后， 通過手動輸入優化變量，軟件界面可以實時顯示對應的運動軌跡、判斷優化結果。通過調整優化變量，能夠找出一組符合水稻缽 苗移栽軌跡要求的結構 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 36 參數。 如 圖 3.1 為移栽機構優化軟件的設計思路圖，在 VB 平臺中編寫移栽機構的程序，使之順利實現機構的參數優化。在該優化軟件運行后，通過在可視化界面手動輸入已知參數，通過經驗及軟件的判斷，判定當前組的參數是否滿足要求。若結果超出參數的界定值，界面會跳出提示，操作者可以通過手動調整輸入參數，直到得出一組符合水稻缽苗移栽的參數組合。 圖 3.1 水稻缽苗移栽機構軟件的設計思路 3.2 旋轉式 水稻缽苗移栽機構的優化軟件界面 圖 3.2 水稻 缽苗移栽機構運動軌跡 手動改變已知參數 計算、輸出目標參數并進行可視化運動學仿真 滿足優化目標 ? 輸出優化結果 優化完成 否 是 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 37 3.3 數據處理 1）橢圓齒輪參數計算模塊 單擊菜單欄 參數計算 橢圓齒輪參數確定 ， 通過輸入已知參數，用數值計算的方法來計算橢圓齒輪的各個參數。需要輸入的已知參數有：計算精度 e 、橢圓長半軸 a 、橢圓短長軸之比 k 、齒輪模數 m 等參數 ，點擊 Calculate按鈕，可以求得計算結果有：橢圓齒輪模數 m 、齒數z 、橢圓齒輪長半軸 a 、橢圓齒輪短半軸 b 、橢圓齒輪半焦距 c 及橢圓齒輪節曲線長度L 等參數（如圖 3.7 所示），在此計算模塊中還具有保存計算結果以及打開已保存結果的功能。 2） 移栽爪相對速度曲線 在 功能選項 秧爪尖相對速度曲線 下，有三個選項， x(水平 )方向速度變化曲線 、 y(垂直 )方向速度變化曲線 和 x和 y方向合成速度變化曲線 ， 點相應的選項的可分別得到對應的速度曲線，如圖 3.4所示。 （ a） x 方向速度變化曲線 圖 3.3 橢圓齒 輪參數計算模塊 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 38 （ b） y 方向速度變化曲線 圖 3.4 速度曲線的輸出 3）保存秧尖點的靜軌跡曲線 單擊 功能選項 保存秧尖點 D1的靜軌跡曲線（ *dxf） ， 可在 AutoCAD中打開和處理。 4） 保存四個角度及中心距參數 單擊 功能選項 保存四個角度及中心距參數 ，可保存 4個橢圓齒輪的相對轉角與中心距 l （ l 為 太陽輪與中間橢圓齒輪的中心距 ） 。 3.4 本章小結 1） 根據第二章建立的運動學模型，以 VB6.0 為平臺，編寫了橢圓 不完全非圓齒輪行星 系水稻缽苗移栽機構輔助分析與優化軟件； 2） 介紹了該軟件的界面，詳細講解了各分析模塊與數據處理模塊的操作。 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 39 第 四 章 旋轉式 水稻缽苗移栽機構的結構設計 通過橢圓不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構的輔助分析與優化軟件，找到了一組符合水稻缽苗移栽的結構參數，根據優化后的結構參數，對該 旋轉式 水稻缽苗移栽機構進行結構設計，為該機構的加工制造提供基礎。本章以 CAXA2011、 CAD2008 為平臺，對水稻缽苗移栽機構的整體結構以及零件進行二維設計。 4.1 旋轉式 水稻缽苗移栽機構的整體結構設計 (a) 移栽機構 裝配圖 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 40 (b)齒輪盒內結構 圖 4.1 移栽臂結構圖 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 41 4.2 驅動部分設計 齒輪盒內的嚙合運動是水稻缽苗移栽機構實現非勻速間歇傳動的關鍵，包括不完全非圓齒輪與橢圓齒輪的非勻速間歇傳動、橢圓齒輪與橢圓齒輪的非勻速傳動 。 4.2.1 非勻速間歇傳動機構的設計 間歇傳動是移栽機構在取秧后到推秧這段軌跡形成的關鍵部分，傳統的方法是用不完全圓齒輪機構來實現間歇運動，在停歇期間通過鎖止弧定位。普通的不完全圓齒輪機構是由普通的漸開線齒輪機構演變而來，變成一種間歇運動機構，根據運動時間與停歇時間的要求，在 從動輪上做出與主動輪輪齒相嚙合的輪齒。當主動輪作連續回轉運動時，從動輪作間歇回轉運動。在從動輪停歇期內，兩輪輪緣各有鎖止弧起定位作用，以防止從動輪的游動。非勻速運動是機構推秧后到下一次取秧的軌跡形成關鍵，而要達到非勻速機械輸出的要求，傳統的做法是在不完全圓齒輪機構的從動齒輪上同軸固接一個橢圓齒輪或一個非圓齒輪，這樣機構就變成雙排，三個齒輪，機構復雜，傳動效率低。 本文選取的從動輪是橢圓齒輪，橢圓齒輪不能直接和不完全圓齒輪嚙合，因此主動輪用不完全非圓齒輪，這樣不僅能夠實現機構的間歇運動，也能達到機構的非勻速傳 動要求。本文采用的間歇傳動機構是由不完全非圓齒輪、橢圓齒輪、凸鎖止弧以及凹鎖止弧四個零件組成，兩個齒輪單級傳動，機構簡單 、傳動效率高。凸鎖止弧安裝在不完全非圓齒輪的無齒部分，如圖 5.4 所示 ； 凹鎖止弧安裝在橢圓齒輪上，如圖 5.5 所示。不完全非圓齒 輪尺寸結構是由與之共軛的橢圓齒輪及不完全非圓齒輪有齒部分所對應的圓心角大小共同確定，不完全非圓齒輪有齒部分的節曲線長度與橢圓齒輪節曲線周 1. 不完全非圓齒輪 2.凸鎖止弧 1.中間橢圓齒輪 2.凹鎖止弧 圖 5.4 太陽輪與凸鎖止弧裝配圖 圖 5.5 中間輪與凹鎖止弧裝配圖 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 42 長相等。在不完全非圓齒輪的有齒部分，不完全非圓齒輪與中間橢圓齒輪為共軛嚙合 ；在不完全非圓齒輪的無齒部分，則由凸鎖止弧與凹鎖止弧配合傳動，防止中間橢圓齒輪相對齒輪箱的轉動。當不完全非圓齒輪作為為主動輪勻速轉動時，與之嚙合的從動中間橢圓齒輪作非勻速運動，當不完全非圓齒輪轉到無齒部分時，兩個齒輪脫離嚙合，此時凸鎖止弧和凹鎖止弧相配合，鎖住中間橢圓齒輪，即中間橢圓齒輪不轉動，而此時不完全非圓齒輪繼續勻速轉動，當不完全非圓齒輪再次與中間橢圓齒輪嚙合時，凸鎖止弧和凹鎖止弧脫離，中間橢圓齒輪又實現非勻速轉動，實現了機構的非勻速間歇傳動。 間歇傳動機構的設計是要確定其各零件的幾何參數，通過第 三、四章的優化軟件可以得出相關的參數。主要包括齒輪的模數、齒數以及凸鎖止弧的半徑及圓心角等。齒輪與鎖止弧通過定位銷連為一體，保證間歇傳動的工作平穩。同時要確保在兩齒輪嚙合傳動過度到鎖止弧配合傳動的過程中凹凸鎖止弧和兩齒輪齒頂不能發生干涉。 4.2.2 非勻速傳動機構的設計 橢圓不完全非圓齒輪組成的非勻速間歇傳動機構把動力傳到中間橢圓齒輪后，再通過橢圓齒輪與橢圓齒輪嚙合的方式實現機構的非勻速傳動。該橢圓齒輪橢圓齒輪的傳動機構由兩個分度圓曲線、模數和齒數完全相同的橢圓齒輪組成。橢圓齒輪的參數可以通過第三 章介紹優化軟件中的橢圓齒輪計算模塊得到，根據橢圓齒輪的優化參數，可用課題組內開發的 橢圓齒廓生成程序（ Matlab 軟件平臺）繪制橢圓節曲線。 4.3 移栽臂組成零件的設計 移栽臂要實現取秧、推秧的動作，保證彈簧片的閉合、張開，需要有一套機構來實現，其中凸輪與撥叉的配合運動是關鍵。 凸輪通過螺栓與齒輪盒固接，隨齒輪盒一起逆時針作圓周運動，撥叉圍繞撥叉軸擺動，撥叉軸固接在移栽臂上。凸輪與撥叉作用工作過程為：通過凸輪輪廓線的變化，帶動撥叉繞撥叉軸擺動，使推秧桿帶動推秧爪實現取秧和推秧的動作，在凸輪與撥叉的配合過 程中，需滿足以下設計要求： 1） 取秧時，彈簧片在推秧爪的作用下能夠緩慢夾緊缽苗，到達缽苗的莖桿根部之后，彈簧片有個快速夾緊缽苗的動作； 浙江理工大學本科畢業設計（論文） 43 圖 4.4 撥叉零件圖 1.彈簧座 2.撥叉 3.凸輪 圖 4.3 撥叉的圓心角設計 2） 在取秧后到推秧前，彈簧片保持夾緊缽苗，推秧桿相對移栽臂不運動； 3） 推秧時刻，推秧爪可以快速推出缽苗； 4）推秧后，到下一次取秧之前，保證彈簧片成張開姿態，為下一次的取秧準備； 5）推秧桿的工作行程為 20mm，即撥叉上下擺動的距離為 20mm，圖中 雙點劃線部分表示取秧前齒輪與撥叉的相對位置，實線部分表示取秧后凸輪與撥叉的相對位置； 6）撥叉旋轉中心到凸輪旋轉中心滿足 2 0 , 2 0x m m y m m 。 從左往右方向觀看（如圖 4.1），左側的齒輪盒工作時為逆時針方向旋轉運動。凸輪通過螺栓固接在齒輪盒外壁上，與行星軸同軸，隨齒輪盒一起做逆時針的旋轉運動；行星軸的一端伸出齒輪盒外，與移栽臂固接，移栽臂由行星軸帶動相對齒輪盒做順時針轉動。齒輪盒旋轉一周，移栽兩次，單個移栽臂完成移栽作業一次，即齒輪盒回轉一周，撥叉相對凸輪正好回轉一周。撥叉通過撥叉軸安裝在移栽臂殼體內，撥叉相對凸輪順時針方向轉動。 4.3.1 撥叉的設計 撥叉通過