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安陽工學(xué)院本科畢業(yè)論文
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………3
1.1 國內(nèi)外移栽機(jī)的歷史和發(fā)展?fàn)顩r……………………………………………3
1.1.1國外移栽機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r……………………………………………………3
1.1.2國內(nèi)移栽機(jī)械的發(fā)展概況…………………………………………………4
1.1.3國內(nèi)移栽機(jī)械的主要問題…………………………………………………4
1.2發(fā)展旱地缽苗移栽機(jī)械的必要性……………………………………………5
1.3 移栽機(jī)的分類及特點(diǎn)…………………………………………………………7
1.4 機(jī)械化移栽目前存在的主要問題…………………………………………10
1.5 選題分析（科學(xué)性、可行性論證）和內(nèi)容……………………………………11
第二章 總體方案…………………………………………………………13
2.1 秧苗移栽的基本農(nóng)藝要求…………………………………………………13
2.2 主要技術(shù)參數(shù)………………………………………………………………13
2.3 移栽機(jī)作業(yè)的技術(shù)要求……………………………………………………14
2.3.1 性能評定指標(biāo)與檢測方法………………………………………………14
2.3.2 缽苗栽植狀態(tài)指標(biāo)………………………………………………………16
2.3.3 生產(chǎn)率性能指標(biāo)…………………………………………………………18
2.3.4 移栽機(jī)適應(yīng)性指標(biāo)………………………………………………………18
2.3.5 自動化程度指標(biāo)…………………………………………………………19
2.4 結(jié)構(gòu)特征與工作原理………………………………………………………19
第三章 關(guān)鍵技術(shù)解決辦法………………………………………………23
3.1 設(shè)計(jì)方法選擇………………………………………………………………23
3.2 方案選擇……………………………………………………………………24
第四章 載插機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算…………………………………………25
4.1 移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………………25
4.2 具體設(shè)計(jì)過程………………………………………………………………25
4.2.1 方法學(xué)……………………………………………………………………25
4.2.2 種植機(jī)械的輸出運(yùn)動需求………………………………………………26
4.2.3 連接參數(shù)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………26
4.2.4 連接部件的分析…………………………………………………………27
4.2.5 連桿尺寸的確定…………………………………………………………29
4.3 連桿的運(yùn)動軌跡分析………………………………………………………31
4.3.1 運(yùn)動分析…………………………………………………………………31
4.3.2 確定最佳運(yùn)動軌跡………………………………………………………32
4.4 機(jī)械設(shè)計(jì)的初步研究………………………………………………………34
4.5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動的三維仿真………………………………………………………36
4.5.1 計(jì)算機(jī)分析的基本思想…………………………………………………36
4.5.2 三維設(shè)計(jì)軟件Inventor介紹…………………………………………36
4.5.3 機(jī)構(gòu)的三維圖……………………………………………………………37
4.6 主要工作情況………………………………………………………………37
結(jié) 論………………………………………………………………………39
致 謝………………………………………………………………………41
附錄A………………………………………………………………………42
附錄B………………………………………………………………………45
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………47
12
安陽工學(xué)院本科畢業(yè)論文
第一章 緒 論
1.1 國內(nèi)外移栽機(jī)的歷史和發(fā)展?fàn)顩r
1.1.1國外移栽機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
國外移栽機(jī)的發(fā)展有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)[2][3]:
1. 國外發(fā)達(dá)國家缽苗移栽技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較早,栽植技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展都很快。
二十世紀(jì)三十年代國外就出現(xiàn)了手工喂苗的移栽機(jī);五十年代,研制出多種不同結(jié)構(gòu)形式的半自動移栽機(jī)和簡易制缽機(jī);到八十年代,半自動移栽機(jī)已在生產(chǎn)中推廣使用,制缽機(jī)已成系列。近十幾年來,由于育苗過程逐步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、工廠化和設(shè)施化,移栽機(jī)械發(fā)展迅速,一些定型的作物專用移栽機(jī)已先后投入市場,各種作物的移栽基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,并研制出了各種全自動移栽機(jī)。
2. 國外移栽機(jī)的各類較多,栽植器型式不同,所適合栽植的作物也有區(qū)別,但一般形式栽植器的通用性都比較強(qiáng)。
二十世紀(jì)九十年代,鉗夾式移栽機(jī)以意大利Checcchi&Magli公司生產(chǎn)的OTMA移栽機(jī)和荷蘭Michigan公司生產(chǎn)的MT移栽機(jī)為多見,因這類移栽機(jī)秧夾易傷苗且工作效率低,近幾年這類移栽機(jī)在國外應(yīng)用較少,且有淘汰的趨勢;撓性圓盤式移栽機(jī)主要有日本豐收產(chǎn)業(yè)公司研制的OP290和OP210型全自動白蔥移栽機(jī),主要用于白蔥的盤育缽苗栽植作業(yè),此移栽機(jī)通用性差;吊杯式移栽機(jī)以意大利Checcchi&Magli公司生產(chǎn)的Wolf移栽機(jī)和Edwards農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的PERDU移栽機(jī)為主,多為偏心式結(jié)構(gòu),目前國外半自動吊杯式移栽機(jī)的發(fā)展己趨成熟，為了提高吊杯式移栽機(jī)的頻率，美國學(xué)者對全自動吊杯式移栽機(jī)進(jìn)行了研究;導(dǎo)苗管式移栽機(jī)按落苗方式分為推落苗式、指帶落苗式和直落苗式三種，這三種機(jī)型的典型代表依次是:荷蘭Michigan公司生產(chǎn)的 Mode14000型移栽機(jī)，芬蘭 Lannen公司生產(chǎn)的 RT-2型移栽機(jī)和意大利Checchi&Magli公司生產(chǎn)的TEX2型移栽機(jī)。以上移栽機(jī)大多適合移栽多種作物。
3. 國外注重將移栽作業(yè)作為一個(gè)系統(tǒng)來研究，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相適應(yīng)，加強(qiáng)從育苗到移栽整個(gè)系統(tǒng)的研究，使育苗和移栽有機(jī)地結(jié)合。生產(chǎn)的各個(gè)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化、工廠化和設(shè)施化，使其作物的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了商品化、系列化。
4. 國外的移栽機(jī)向多功能聯(lián)合作業(yè)機(jī)方向發(fā)展，這樣大大縮減了勞動時(shí)間，減少機(jī)器進(jìn)地的次數(shù),降低了生產(chǎn)成本。例如美國鮑威爾系列移栽機(jī)，可一次完成移栽、覆土、澆水、施肥、鎮(zhèn)壓、噴藥等工序，意大利研制的一種多功能聯(lián)合移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)了膜上移栽，可開溝、注水、覆土、覆膜、移栽一次完成。
國外各國的情況不同，研制的移栽機(jī)特點(diǎn)也不盡相同，歐美等國家的移栽機(jī)適應(yīng)性較強(qiáng)，而日本的移栽機(jī)一般只適用于一種作物，專用性強(qiáng)。但綜上所述，到目前為止，國外移栽機(jī)械已十分成熟，多系列多品種，性能穩(wěn)定,可靠性高,通用性好。
1.1.2國內(nèi)移栽機(jī)械的發(fā)展概況
我國在旱地移栽機(jī)械方面的研究開發(fā)工作開始于二十世紀(jì)六十年代,到目前為止,已研究成功了多種類型的移栽機(jī)械,部分機(jī)型已申請了專利,可用于移栽多種作物,部分機(jī)型投入了小批量生產(chǎn)。
20世紀(jì)70年代開始，我國研制裸根苗移栽機(jī)，最早用于甜菜移栽上；80年代研制成功了半自動蔬菜移栽機(jī)；同時(shí)，也從國外引進(jìn)了多種用于移栽蔬菜煙葉甜菜等經(jīng)濟(jì)作物的移栽機(jī)械，但均因育苗技術(shù)落后、配套性能差以及機(jī)具本身性能不穩(wěn)定和生產(chǎn)率低等原因，都未能得到推廣使用。近幾年來，隨著育苗技術(shù)的發(fā)展，以及勞動力成本的上升，推動了移栽機(jī)械的研制開發(fā)工作。目前，國內(nèi)已經(jīng)研制開發(fā)的缽苗移栽機(jī)主要以半自動為主；而全自動移栽機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，尚處在研究起步階段。
國內(nèi)的現(xiàn)有移栽機(jī)具在發(fā)展過程中,機(jī)型較多主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2ZDF型導(dǎo)苗管式移栽機(jī)[4]、黑龍東農(nóng)墾科學(xué)院研制的2Z-2型玉米缽苗移栽機(jī)[7]、山東泰安研制的2ZM-2型和2ZM-ZA1型棉花移栽機(jī)、黑龍江農(nóng)業(yè)機(jī)械工程學(xué)院研制的2ZX懸掛式秧苗移栽機(jī)和2YZ-1型煙苗移栽機(jī)[10]及四川研制的2ZYS-4型油菜移栽機(jī)等[11]。
1.1.3 國內(nèi)移栽機(jī)械的主要問題
（1）移栽機(jī)具型式各異，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，“三化”程度低，缽型也不一樣，不利于育苗移栽技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)機(jī)型和技術(shù)都不夠成熟。
（2）作業(yè)時(shí)要求喂入手精力高度集中，否則造成漏苗、缺苗，栽植手勞動強(qiáng)度大。
（3）作業(yè)速度滿足不了農(nóng)藝的要求。
（4）可靠性差，育苗、配水系統(tǒng)等措施不配套，制約了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。
（5）國內(nèi)對移栽機(jī)械的研究和開發(fā)屬于仿造，沒有重大的改進(jìn)和技術(shù)上的突破。幾乎所有的缽苗移栽機(jī)械都采用人工喂苗。
（6）整機(jī)的作業(yè)速度受操作者喂缽速度的限制，作業(yè)效率較低。目前國內(nèi)所有的機(jī)型均未超過每秒1株的極限速度。另外占用的人力較多，所有的機(jī)型幾乎都是1人1行，機(jī)具作業(yè)成本偏高。
（7）移植機(jī)具結(jié)構(gòu)復(fù)雜?，F(xiàn)有的移栽機(jī)一般均采用地輪驅(qū)動，用鏈條、齒輪、桿件等完成喂入盤復(fù)雜運(yùn)動，機(jī)具的造價(jià)較高，不適合我國的國情。
1.1.4 國內(nèi)移栽機(jī)械的未來發(fā)展趨勢
育苗移栽機(jī)械化是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)加強(qiáng)從育苗到移栽整個(gè)系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步地完善與移栽配套的育苗設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù)，使育苗過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、工廠化和設(shè)施化，研究解決缽苗整缽、斷根、裝盤和運(yùn)輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)工作過程的機(jī)械化自動化問題，使育苗和移栽有機(jī)地結(jié)合，研制出多種自動、半自動移栽機(jī)，真正地實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)作物的育苗工廠化和移栽機(jī)械化。
1.2發(fā)展旱地缽苗移栽機(jī)械的必要性
(1)減輕勞動強(qiáng)度的基本要求
我國旱地作物(糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物或蔬菜)的移栽有著悠久的歷史,長期以來,人們對作物的移栽主要依靠人工,從制缽工序開始一直到缽苗入土,其中所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)如從土壤篩選、運(yùn)輸、制缽成型到缽上播種、施肥、澆水到缽苗的搬運(yùn)以及到移栽機(jī)上的分苗等,幾乎全部由手工完成,勞動強(qiáng)度大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)、效率低下.況且其中的很多環(huán)節(jié)又與關(guān)鍵的農(nóng)時(shí)相沖突,此時(shí)勞動力緊張,稍有疏忽,極易貽誤農(nóng)時(shí)。因此,研究和開發(fā)適合旱地移栽作業(yè)的機(jī)具,對于減輕移栽作業(yè)的勞動強(qiáng)度和提高移栽質(zhì)量具有重要的意義。
(2)提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑
隨著我國糧食生產(chǎn)水平的不斷提高和經(jīng)營方式的轉(zhuǎn)變以及勞動力價(jià)格的上升,機(jī)械化育苗栽植技術(shù)必將越來越受到人們的重視,并逐漸在適宜的地區(qū)和適宜的作物上推廣應(yīng)用.在農(nóng)業(yè)種植業(yè)生產(chǎn)上,特別是蔬菜、花卉及一些經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)上,為了使產(chǎn)品提前上市以獲得較得較高的售價(jià)和較高的經(jīng)濟(jì)效益,或者是在植物生長期較短的北方地區(qū),為提高作物復(fù)種指數(shù)而提高單產(chǎn),通常采用的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)工世是在保護(hù)地條件下(大多數(shù)在日光溫室內(nèi)),對植物首先進(jìn)行缽體育苗,告誡缽苗生長到一定階段并且外界的自然光照、溫度條件適合于植物生長時(shí),將植物缽體苗移栽到外界自然條件下的田間土壤上。
這樣可以獲得以下幾方面的經(jīng)濟(jì)效益:
1.早春提前育苗后移栽,可使植物的成熟期提前,從而提前產(chǎn)品的上市期,比在自然條件下生長的作物在價(jià)格上具有相對優(yōu)勢。
2.通過集中育苗后移栽,使作物在自然條件下的生長期相對縮短,從而可以提高復(fù)種指數(shù),進(jìn)而提高土地的利用率和提高單位面積的產(chǎn)量。在我國東北地區(qū),如果種植玉米采用移栽方式,可以使一年兩熟成為可能,從而提高玉米的單位面積產(chǎn)量,這對增加農(nóng)民收入和提高作物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益無疑會產(chǎn)生重要的影響。
3.與作物全程溫室生長相比,移栽作物只是在育苗期生長在溫室,而大部分生長期是在自然條件下。這樣,可以充分利用育苗溫室的環(huán)境調(diào)節(jié)功能,并且降低作物整個(gè)生長期在溫室內(nèi)的生產(chǎn)費(fèi)用,從而達(dá)到降低作物全程生產(chǎn)過程中的費(fèi)用,提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。
(3)保證移栽作業(yè)質(zhì)量
人工移栽株距不能夠保證均勻,成穴大小深淺很難一致,因而難以保證移栽速度一致.施肥后覆土少則易燒苗,施肥澆水也難以控制勻量.機(jī)械移栽能保證移栽質(zhì)量,保苗率高,栽植均勻度高,栽植致性好。移栽的實(shí)際比較證明機(jī)械移栽在各個(gè)方面都要優(yōu)于人工作業(yè)。
(3)機(jī)型的定位與農(nóng)民的購買力相脫節(jié).我國目前移栽機(jī)械的機(jī)型大多始于國外的機(jī)型,結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜且造價(jià)較高.總的來說,機(jī)型定位與農(nóng)民的實(shí)際購買力具有一定的差距。
(4)由于旱地移栽作物的品種、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,對移栽機(jī)械的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。
(5)作物缽苗的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(jī)械化移栽,移栽機(jī)械與育苗技術(shù)脫節(jié),移栽機(jī)與秧苗不配套。
(6)機(jī)具成本高,功能單一,不適合多種作物移栽。
(7)戶均種植規(guī)模小,不利于移栽機(jī)械的發(fā)展。
(8)對不同各類移栽機(jī)械與作物缽苗適應(yīng)性的代作進(jìn)行的不充分,對移栽機(jī)械工作原理以及機(jī)械與作物生長要求相適應(yīng)性研究不足。
1.5 選題分析（科學(xué)性、可行性論證）和內(nèi)容
題目：小型煙苗移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助分析
目前，我國旱地主要作物的栽培還是以播種方式為主。但是采用育苗栽植的面積也相當(dāng)大。
雖然栽植比直播費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，但是卻有著直播無可比擬的優(yōu)勢。在西北和東北地區(qū)，無霜期短，溫度變化率大，春播采用直接播種方式時(shí)，由于低溫造成爛種，影響出苗，并對幼苗造成冷害。而在作物生長后期，又常常受到早霜的危害。采用保護(hù)地育苗，棉花可提前播種育苗，玉米可提前 15～25天播種，待氣溫升高并穩(wěn)定后再移栽到大田，有效防止凍害。在華北地區(qū)和長江以南地區(qū)，雖不存在無霜期短的問題，但采用一年兩熟的平作方式，積溫不足，各季節(jié)的接茬矛盾突出。采用育苗栽植方式可將播種期提前，延長棉花生育期，獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。
本課題通過計(jì)算機(jī)輔助分析的方法來研究此移栽機(jī)的栽植過程,找到影響此移栽機(jī)栽植質(zhì)量的主要原因,解決使用中的問題,為同類型移栽機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),對移栽機(jī)的制造生產(chǎn)和使用有指導(dǎo)意義;利用計(jì)算機(jī)輔助分析的方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械的分析設(shè)計(jì)與直接試驗(yàn)驗(yàn)證的方法相比,可以大大減少昂貴的物理樣機(jī)制造及試驗(yàn)次數(shù),縮短開發(fā)周期,降低成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,對機(jī)械設(shè)計(jì)提供了一種嶄新的設(shè)計(jì)方法。
本課題主要進(jìn)行以下幾方面的工作：
1、對移栽機(jī)的栽植過程進(jìn)行理論分析,分析各基本參數(shù)之間的關(guān)系；
2、應(yīng)用三維繪圖軟件INVENTOR建立移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)的模型,并對栽植運(yùn)動中的栽植器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析；
3、找出合理的秧爪運(yùn)動軌跡,即在保證秧苗栽植質(zhì)量的前提下,確定特征參數(shù)y和秧爪開啟規(guī)律的最優(yōu)設(shè)計(jì)組合；
4、根據(jù)合理的秧爪運(yùn)動軌跡改進(jìn)設(shè)計(jì)相關(guān)零部件。
安陽工學(xué)院本科畢業(yè)論文
第二章 總體方案
2.1 秧苗移栽的基本農(nóng)藝要求
秧苗移栽機(jī)的核心是載插機(jī)構(gòu)—栽植器.栽植器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理才是最能夠反映移栽機(jī)的牲和決定移栽速度的主要因素,以及決定移栽機(jī)的適用范圍等.對于不同的移栽作物采用不同的栽植器,秧苗移栽的工世過程主要包括開溝(或挖溝)、送秧入溝、扶正、壓實(shí)、澆水等工序。同時(shí)移栽機(jī)械是幾個(gè)工序協(xié)調(diào)來共同完成工作的.最后達(dá)到秧苗栽植成活、不傷苗,保證秧苗成活率的目的。旱地缽苗移栽機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是保證缽苗不倒扶、投苗工作部件工作穩(wěn)定可靠不擁堵、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠自動喂苗以此來提高移栽機(jī)的作業(yè)速度。
對于秧苗移栽的基本農(nóng)業(yè)技術(shù)要求(農(nóng)藝)有:
1)被栽植秧苗的嘗試要求應(yīng)均等一致,深淺符合作物種植要求,且應(yīng)保持直立散落狀態(tài),避免前后彎曲,大量缺苗漏苗現(xiàn)象的發(fā)生。
2)移栽秧苗的株距應(yīng)均勻一致,地上莖桿應(yīng)盡量保持直立狀態(tài),前后傾斜角度不應(yīng)超過30°。
3)定植時(shí)的覆土板的覆土量和鎮(zhèn)壓輪的壓實(shí)程度應(yīng)滿足作物栽培的基本農(nóng)藝要求。
4)定植后應(yīng)及時(shí)灌水,藻水量適中,不應(yīng)沖漂被移栽的秧苗根系。
5)栽植過程中應(yīng)避免機(jī)械操作秧苗,防止夾秧、壓秧、壓折秧苗等損害秧苗的現(xiàn)象發(fā)生。
2.2 主要技術(shù)參數(shù)
1.所設(shè)計(jì)的煙苗移栽機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有:
(1) 工作方式 單體獨(dú)立式
(2) 掛接方式 拖拉機(jī)后懸掛
(3) 配套動力 各種拖拉機(jī)
(4) 傳動裝置的形式 鏈輪、齒輪傳動
(5) 株距 10厘米,可調(diào)
(6) 移栽深度 8-10厘米,可調(diào)
(7) 株距變異系數(shù) <1%
(8) 漏栽率 <2%
(9) 傷苗率 <3%
2.仿形機(jī)構(gòu)、機(jī)架
為了保證播種深度的一致性，播種機(jī)必需有仿形機(jī)構(gòu)。對仿形機(jī)構(gòu)的要求是：
（1）、能夠滿足所要求的仿形范圍，并有一定的限位機(jī)構(gòu)；
（2）、工作可靠、穩(wěn)定；
（3）、結(jié)構(gòu)緊湊有足夠的強(qiáng)度和剛度。
一般仿形機(jī)構(gòu)的類型主要有整機(jī)仿形和單體仿形兩種形式。整機(jī)仿形時(shí)，工作部件與機(jī)架采用剛性連接。作業(yè)時(shí)工作部件與整機(jī)一起以地輪為仿形輪實(shí)現(xiàn)仿形；單體仿形時(shí)，工作部件與機(jī)架采用銷連接。作業(yè)時(shí)，工作部件可以相對于整機(jī)隨地面起伏完成仿形。單體仿形主要有單點(diǎn)鉸接和平行四桿機(jī)構(gòu)兩種。
由于本設(shè)計(jì)中地輪在壟的兩側(cè)的溝底行走，而成穴器要在壟上作業(yè)。這兩部分的地表情況是完全不同的。故不能用整機(jī)仿形。在單體仿形中平行四桿機(jī)構(gòu)的仿形效果更好。
這里選擇平行四桿機(jī)構(gòu)仿形。為了避免工作過程中四桿機(jī)構(gòu)的橫向擺動，仿形輪的軸向尺寸加大成為仿形輥。仿形量根據(jù)播前的整地情況而定，通常上下仿形量都取8—12cm。為使工作穩(wěn)定，牽引角的變化量越小越好。因此上下拉桿長一些較好。但拉桿太長，使結(jié)構(gòu)不緊湊。機(jī)架用來支撐播種機(jī)的各部分，具體結(jié)構(gòu)視各部件的結(jié)構(gòu)而定。
2.3移栽機(jī)作業(yè)的技術(shù)要求
2.3.1 性能評定指標(biāo)與檢測方法
缽苗栽植均勻度是衡量被栽植作物田間分布質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標(biāo)。從農(nóng)藝角度來看，缽苗栽植的越均勻，作物單株的營養(yǎng)面積、光照、通風(fēng)等生長條件也就越均勻，這對促進(jìn)單株生長健壯，群體生長發(fā)育一致非常重要。缽苗栽植均勻度可由株距合格率、重栽率、漏栽率和行間均勻性來評價(jià)。這4個(gè)指標(biāo)相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，分別反映出移栽機(jī)在不同方面的性能差異。
(1) 株距合格率
合格的株距定義為
式中: —設(shè)計(jì)株距,mm; —實(shí)測株距,mm。
即實(shí)際株距在[0.5,1.5]范圍內(nèi)時(shí),認(rèn)為株距是合格的.株距合格率A計(jì)算公式為
式中: N—測定范圍內(nèi)的理論間隔數(shù),為設(shè)計(jì)株距的整數(shù)倍;
—在理論間隔數(shù)N內(nèi)的合格株距數(shù)。
(2) 重栽率
重栽是指移栽機(jī)在一定距離內(nèi)的栽植株數(shù)超過了設(shè)計(jì)株數(shù)，使單株栽植成為雙株或多株栽植.移栽機(jī)的栽植結(jié)構(gòu)、缽苗狀況等因素都可能成為缽苗重栽的原因。重栽的定義為:
即實(shí)際株距小于或等于設(shè)計(jì)株距的0.5倍時(shí)為重栽。重栽率D計(jì)算公式為
式中: — 在理論間隔數(shù)N內(nèi)的重栽株數(shù)。
(3)漏栽率缽苗移栽機(jī)研究現(xiàn)狀
漏栽是指移栽機(jī)在一定距離內(nèi)的栽植株數(shù)少于設(shè)計(jì)株數(shù)。機(jī)組前進(jìn)速度過快、地輪打滑嚴(yán)重、人為操作失誤等都可能造成漏栽。漏栽的定義為
即實(shí)際株距大于設(shè)計(jì)株距的1.5倍時(shí)為漏栽。漏栽率M計(jì)算公式為
式中: — 在理論間隔數(shù)N內(nèi)的漏栽株數(shù)。
(4) 行間均勻性
行間均勻性是指多行移栽機(jī)中各行栽植數(shù)量間的不一致性。理論上，移栽機(jī)的每一行在單位時(shí)間內(nèi)栽植的數(shù)量應(yīng)相等。但是，地面情況、缽苗狀況及機(jī)具結(jié)構(gòu)等原因都可能影響每一行的栽植數(shù)量。行間均勻性是對移栽機(jī)整體的栽植均勻度進(jìn)行評價(jià)，通常用各行栽植數(shù)量的變異系數(shù)來表示，即
式中: S—各行栽植數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)離差; u—各行栽植數(shù)量的平均值。
2.3.2缽苗栽植狀態(tài)指標(biāo)
缽苗栽植與單位精密播種的最大區(qū)別在于作業(yè)對象不同，缽苗在形狀、體積和特性等方面與種子有很大差異，應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來描述缽苗栽植后的狀態(tài)，這是移栽機(jī)栽植性能的一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)。將缽苗直立度、埋苗率、露苗率、栽植深度變化率和傷苗率等指標(biāo)統(tǒng)稱為缽苗栽植狀態(tài)指標(biāo)，用這些指標(biāo)可以從不同的方面反應(yīng)出移栽機(jī)的栽植質(zhì)量和栽植性能。
(1)缽苗直立度
缽苗直立度是指缽苗栽植后的直立狀態(tài)(圖2-1)，用缽苗莖桿與地面的夾角來評價(jià)。一般地，q角越接近90°越好，可以將缽苗的直立狀態(tài)大體分為倒伏、合格和優(yōu)良三種狀態(tài)。根據(jù)有關(guān)農(nóng)學(xué)專家的建議，對于玉米和棉花缽苗的栽植，為倒伏，定為合格，視為優(yōu)良，而對于蔬菜、煙葉和甜菜缽苗的栽植， 為倒伏，定為合格，視為優(yōu)良。相應(yīng)地，可以用倒伏率、直立度合格率和直立度優(yōu)良率來評價(jià)秧苗直立度，即
倒伏率
直立度 合格率
直立度 優(yōu)良率
缽苗移栽直立度
式中 — 倒伏株數(shù):
— 合格株數(shù);
— 優(yōu)良株數(shù);
— 測定總株數(shù)。
(2) 埋苗率
埋苗是指缽苗整體或缽苗苗芯被覆土埋沒，已不能生長的栽植狀態(tài)。栽植深度過深、覆土性能差、缽苗弱小等因素都可能造成埋苗。埋苗率B計(jì)算公式為
式中: —埋苗株數(shù)。
圖2-1 直立度示意圖
(3) 露苗率
露苗是指缽苗栽植后，覆土量嚴(yán)重不足，缽苗根系或缽體裸露在地表的栽植狀態(tài)。造成露苗的原因包括栽植深度不夠、覆土量不足、缽苗落在已覆土上等。露苗率L計(jì)算公式為
式中: —露苗株數(shù)。
(4) 栽植深度均勻性
缽苗栽植深度是指從缽苗主莖根部 (或缽苗的缽底底部)到表土的距離。顯然，缽苗栽植深度對缽苗的生長、緩苗過程等有很大影響。從農(nóng)藝的角度看，栽植深度越一致缽苗移栽機(jī)研究現(xiàn)狀越好。影響栽植深度的主要因素有兩個(gè):開溝器的深度調(diào)節(jié)和移栽機(jī)仿形機(jī)構(gòu)的特性。栽植深度均勻性可用栽植深度的變異系數(shù)C，來表示，計(jì)算公式為
式中: S— 栽植深度的標(biāo)準(zhǔn)離差; — 栽植深度的平均值.
(5) 傷苗率
傷苗是指缽苗在栽植的過程中被移栽機(jī)的工作部件如栽植器、鎮(zhèn)壓輪、扶苗器等損傷。傷苗率的大小體現(xiàn)了移栽機(jī)有效生產(chǎn)率的高低，計(jì)算公式為
式中: —傷苗株數(shù)。
2.3.3 生產(chǎn)率性能指標(biāo)
移栽機(jī)的性能指標(biāo)除了栽植質(zhì)量外，還包括單位時(shí)間內(nèi)栽植的缽苗數(shù)量指標(biāo)，即生
產(chǎn)率性能指標(biāo)。習(xí)慣上，單位時(shí)間內(nèi)的作業(yè)面積常作為農(nóng)機(jī)具生產(chǎn)率性能的評價(jià)指標(biāo)。
對于移栽機(jī)而言，用單位時(shí)間內(nèi)作業(yè)面積來確定其生產(chǎn)率是不適宜的，因?yàn)橐欢〞r(shí)間內(nèi)
的栽植面積與栽植作物的行距和株距有關(guān)。因此，用單位時(shí)間內(nèi)的栽植株數(shù)來確定移栽
機(jī)的生產(chǎn)性能，將其稱之為栽植頻率.很顯然，栽植頻率對于不同類型的移栽機(jī)具有可
比性。
2.3.4移栽機(jī)適應(yīng)性指標(biāo)
移栽機(jī)的性能除了取決于移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)外，還受到其他外界因素的影響，主要是受土壤和缽苗狀態(tài)的影響。
(1)對土壤的適應(yīng)性
影響移栽機(jī)栽植性能的土壤狀態(tài)參數(shù)包括土壤種類、土壤含水量和土壤耕整地狀況等，要嚴(yán)格地區(qū)分不同移栽機(jī)對不同土壤的適應(yīng)性是困難的。但移栽機(jī)對土壤的適應(yīng)性大致可分為適合耕整良好的土地、免耕地和免耕覆蓋地三種。
(2)對缽苗的適應(yīng)性
缽苗種類、苗齡、高度、冠部大小、育苗方式、取苗方式等因素不僅影響移栽機(jī)的栽植速度，也影響栽植的質(zhì)量。在評價(jià)移栽機(jī)對缽苗的適應(yīng)性時(shí)，應(yīng)當(dāng)指出這些因素的范圍或大小?？蓪⒁圃詸C(jī)對缽苗的適應(yīng)性描述為適合于缽苗、裸苗或缽苗和裸苗三種?！ ?
2.3.5自動化程度指標(biāo)
不同的移栽機(jī)由于缽苗喂入方式和栽植部件的結(jié)構(gòu)不同，因而對人工的需求量不同。有的移栽機(jī)每人栽植一行，而有的移栽機(jī)卻要求兩人栽植一行。自動化程度較高的移栽機(jī)一人可以同時(shí)為幾行供給缽苗甚至全自動供苗。因此，建議用栽植一行需要多少人工來評價(jià)移栽機(jī)的自動化程度。
投苗裝置也稱栽植裝置，是移栽機(jī)的核心。移栽過程中對投苗裝置的技術(shù)要求如下:夾苗器必須夾緊缽苗，將苗秧投到栽植溝的過程中不能傷苗。向栽植溝投苗的瞬間以及覆土過程中，缽苗應(yīng)保持直立狀態(tài)，根系舒展。缽苗在栽植溝內(nèi)栽植的過程中，對于地面不應(yīng)有垂直或水平的位移，即保持缽苗對地面的相對速度為零，否則將引起苗秧根系曲折，甚至拉斷缽苗根系。保證一定的埋苗深度，株距能調(diào)節(jié)。
移栽時(shí)秧苗一般四葉一心左右，苗高15-20cm,夏季移栽苗高可達(dá)25cm以上。苗莖要粗壯并有韌性。根部帶土，呈圓臺體，四葉期鮮重根莖比，這種幼苗機(jī)械移栽效果好?！ ?
2.4 結(jié)構(gòu)特征與工作原理
所選方案的結(jié)構(gòu)簡圖：
圖2-2 缽苗移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)簡圖
該載插機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)是采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)成穴，成穴后穴坑內(nèi)定量施肥、注水，成穴與投苗機(jī)構(gòu)分離，投苗機(jī)構(gòu)按預(yù)定軌跡進(jìn)行取苗、運(yùn)苗、零速投苗的同時(shí)覆土固苗、缽苗固定后鴨嘴開啟撤離投苗區(qū)避免了缽苗在覆土過程中出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象。投苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡及所采用的敞開式鴨嘴開啟機(jī)構(gòu)避免了成穴器雍堵而影響移栽作業(yè)的可靠性與穩(wěn)定 。同時(shí)該機(jī)具采用半自動化缽苗喂入系統(tǒng)、提高了作業(yè)效率同時(shí)降低了汛苗率。
所設(shè)想的整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如下：
圖2-3 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖
缽苗移栽機(jī)工作原理：
本機(jī)具通過牽引銷2與拖拉機(jī)相聯(lián)接，在拖拉機(jī)的牽引下、平土開溝器3完成壟面的平整和開溝。在機(jī)具前進(jìn)過程中由地輪4產(chǎn)生的驅(qū)動力通過傳動機(jī)構(gòu)5、驅(qū)動成穴機(jī)構(gòu)6完成成穴工作。成穴機(jī)構(gòu)6的結(jié)構(gòu)見圖4，其要作原理是傳動機(jī)構(gòu)5通過鏈輪帶動曲柄回轉(zhuǎn)，并通過連桿驅(qū)動固定在成穴體上的成穴鏟按搖桿控制的軌跡作垂直壟面的往復(fù)運(yùn)動，該運(yùn)動與機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動的合成形成了穴坑。
機(jī)具在運(yùn)動時(shí)裝在肥箱20內(nèi)的化肥經(jīng)排肥管落入穴坑，肥量通過排肥器控制。裝在主水箱18內(nèi)的水經(jīng)過排水管流入副水箱7，副水箱的出水孔距穴坑很近、在水量控制開關(guān)的控制下（控制閥門的開啟時(shí)間）水閥開啟時(shí)可迅速將要求的水量注入穴坑。隨后投苗機(jī)構(gòu)9運(yùn)動至穴坑位置，其主要工作原理是傳動機(jī)構(gòu)5驅(qū)動鏈輪回轉(zhuǎn)，帶動由原動桿、連桿、從動桿構(gòu)成的四桿機(jī)構(gòu)拖動投苗體按運(yùn)動軌跡運(yùn)動。附加四桿機(jī)構(gòu)從動桿、搖桿、連桿用于保證投苗體始終沿運(yùn)動軌跡垂直于壟面運(yùn)動。
投苗機(jī)構(gòu)9運(yùn)動至穴坑位置時(shí)、敞開式鴨嘴含著缽苗到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，覆土器10培土將相對地面零速運(yùn)動的投苗機(jī)構(gòu)中的敞開式鴨嘴部分培土包絡(luò)起，以起固苗防止缽苗倒伏的作用，而后投苗體垂直抬起的同時(shí)鴨嘴控制機(jī)構(gòu)觸點(diǎn)被壓縮，敞開式鴨嘴開啟、缽苗落入穴坑中，當(dāng)投苗機(jī)構(gòu)9繼續(xù)運(yùn)行使投苗體運(yùn)行至自動喂苗機(jī)構(gòu)17處時(shí)進(jìn)行取苗，進(jìn)入循環(huán)移栽工作狀態(tài)。稱栽后開溝器11開溝、置于膜架12上的地膜在壓膜輪13作用下，膜的兩邊緣展開并進(jìn)入由開溝器11開出的溝內(nèi)，地膜覆土器14覆土完成覆膜作業(yè)。自此完成整個(gè)成穴、注水、施肥、移栽、覆膜作業(yè)環(huán)節(jié)。
成穴機(jī)構(gòu)6、投苗機(jī)構(gòu)9、自動喂苗機(jī)構(gòu)17安裝于副機(jī)架16上，由擺桿15與機(jī)架8連接在一起。并通過調(diào)整桿1來調(diào)整成穴機(jī)構(gòu)投苗機(jī)構(gòu)9的入土深度，以保證最佳的工作狀態(tài)。
本著在設(shè)計(jì)上力求達(dá)到使整機(jī)的重量較輕、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低謙、機(jī)動性能好、適合性強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定可靠、操作調(diào)整方便等目的.在設(shè)計(jì)階段盡量減少不必要的功能附加,如灌水設(shè)備等,多處使用可調(diào)節(jié)連接使得機(jī)器的適用范圍較廣,極大的增加了機(jī)器的工作效率.總體來說整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,適應(yīng)性較強(qiáng)等。
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安陽工學(xué)院本科畢業(yè)論文
第三章 關(guān)鍵技術(shù)解決辦法
3.1 設(shè)計(jì)方法選擇
投苗機(jī)構(gòu)以相對于地面零速投苗，是保證秧苗直立的重要因素，因此，這也是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。要解決此問題要借助數(shù)學(xué)和計(jì)算軟件MATLAB，用該軟件描繪出投苗機(jī)構(gòu)載插點(diǎn)的運(yùn)動速度的軌跡，并通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)插秧爪在進(jìn)入土壤中時(shí)是以相對地面為零的速度，并且在插秧爪返回初始位置時(shí)要沿著與它先前路徑不同的軌跡運(yùn)動，這是為了防止載插機(jī)構(gòu)傷到剛剛種下的秧苗。
投苗機(jī)構(gòu)選擇了曲柄連桿機(jī)構(gòu)成穴。連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械中廣泛使用的一種機(jī)構(gòu),其中鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)雖是最簡單的連桿機(jī)構(gòu),卻能夠方便地實(shí)現(xiàn)已知的運(yùn)動規(guī)律及再現(xiàn)已知的運(yùn)動軌跡,因而在各種機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛,如挖掘機(jī)的動臂及裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)等。
實(shí)現(xiàn)已知的運(yùn)動規(guī)律,就是當(dāng)原動件的運(yùn)動規(guī)律已知時(shí),從動件能按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動；實(shí)現(xiàn)已知的運(yùn)動軌跡，就是要求機(jī)構(gòu)中做平面運(yùn)動的構(gòu)件上的某點(diǎn)能沿著給定軌跡運(yùn)動。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及實(shí)物模擬，由于計(jì)算推導(dǎo)復(fù)雜，實(shí)物模擬工作量大，限制了四桿機(jī)構(gòu)的精確應(yīng)用,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)軟件載體的強(qiáng)大功能，大大拓展了傳統(tǒng)的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的精確應(yīng)用范圍。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動綜合必須推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)在主動件處于不同位置時(shí)，從動件的位置、速度、加速度以及作平面運(yùn)動的構(gòu)件上某點(diǎn)的運(yùn)動軌跡,以便借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真。對機(jī)構(gòu)作運(yùn)動仿真的基礎(chǔ)是推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度方程的解析解,采用復(fù)數(shù)向量法可方便地推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方程,再借助計(jì)算機(jī)和MATLAB語言可方便地對機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
對所設(shè)計(jì)的小型煙苗移栽機(jī)得用MATLAB6.5進(jìn)行了數(shù)值分析和簡單的運(yùn)動模擬[20][21][20],利用三維仿真軟件INVENTOR,對所設(shè)計(jì)的煙苗移栽機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)的分析,進(jìn)行了簡單的機(jī)械系統(tǒng)性能預(yù)測等工作[23]。
3.2 方案選擇
國外的移栽機(jī)重點(diǎn)應(yīng)用于蔬菜的移栽，適用于缽苗移栽的類型有鉗夾式、導(dǎo)苗管式和吊籃式，國內(nèi)的移栽機(jī)都可以應(yīng)用于缽苗移栽，但其特點(diǎn)不同，其中鉗夾式、鏈夾式及撓性圓盤式(主要應(yīng)用于無土廠莖作物移栽)在工作過程中都是利用夾持力移動缽苗，這種工作方式容易對缽苗造成損傷，舍棄不用。帶式栽植機(jī)和滑道式移栽機(jī)利用輸送帶或滑道傳送，栽植速度高，但是對缽苗的穩(wěn)定性要求高，即缽苗的重心要盡可能降低，而本課題所應(yīng)用的缽體為圓柱形，重心較高，穩(wěn)定性差，立苗率不能保證，不適于應(yīng)用這兩種類型的移栽機(jī)。吊籃式移栽機(jī)工作穩(wěn)定，立苗率高，但是栽植速度低，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不是最佳方案。導(dǎo)苗管式移栽機(jī)與其他移栽機(jī)相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于缽苗在導(dǎo)苗管式移栽機(jī)中的運(yùn)動是自由的，不是強(qiáng)制性的，因此不易傷苗。這一點(diǎn)對棉花的移栽極為有利，但是目前國內(nèi)外的導(dǎo)苗管式移栽機(jī)都是由人工喂入，有資料表明:當(dāng)人工喂入速度超過60株/分時(shí)，就會使人感到緊張，容易出現(xiàn)漏苗現(xiàn)象，勞動強(qiáng)度大，增加喂苗嘴的數(shù)量雖然可以在一定程度上減少漏苗現(xiàn)象但是卻無法減小人的勞動強(qiáng)度，也就決定了不能提高栽植速度。另外的一點(diǎn)是如何保證立苗率。
總結(jié)國內(nèi)外的幾種導(dǎo)苗管式移栽機(jī)為保證立苗率采取的措施主要有以下幾種:
(1)傾斜導(dǎo)苗管，使導(dǎo)苗管向后傾斜一個(gè)角度，秧苗能夠扶正的原理是由于導(dǎo)苗管
的作用使缽體秧苗在進(jìn)入開溝器開出的苗溝的瞬間是向后傾斜的。而機(jī)組有一個(gè)向前的速度，兩個(gè)速度的疊加使秧苗垂直于地面。導(dǎo)苗管的傾斜角度根據(jù)機(jī)組的前進(jìn)速度可調(diào)。例如意大利切克基.馬格利公司(Checchi&Magli)生產(chǎn)的TEX2型栽植機(jī)就采用了這種方式，這種機(jī)構(gòu)可以用于帶缽苗的移栽。
(2)利用零速栽植理論，增加輔助機(jī)構(gòu)使缽苗在落下時(shí)相對于地面的速度為零從而保證缽苗落下后不會翻倒，保證立苗率。這種方式根據(jù)具體的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)決定其適用范圍，如荷蘭米啟根公司(Michigan)生產(chǎn)的Mode14000型栽植機(jī)只適用于帶缽移栽，而中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的導(dǎo)苗管式移栽機(jī)較適合于無土苗的移栽。
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第四章 載插機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
4.1 移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
移栽機(jī)械的投苗機(jī)構(gòu)主要是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。秧苗從喂入機(jī)構(gòu)上下來進(jìn)入到載插機(jī)構(gòu)中，并由秧爪夾持著插入土壤中。秧爪運(yùn)動的曲線軌跡對缽苗載插的穩(wěn)定性和直立性是有影響的。對種植機(jī)械的運(yùn)動學(xué)分析對于它的操作和進(jìn)一步的改進(jìn)是非常重要的。
4.2 具體設(shè)計(jì)過程
大多數(shù)機(jī)械的工作需要將單一輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閱我惠敵觥?因此，單一自由度的機(jī)械是最常被應(yīng)用的形式。自由度數(shù)目與連結(jié)的數(shù)目和運(yùn)動副的數(shù)目有關(guān)。分析技術(shù)能用來代替昂貴和費(fèi)時(shí)的建立并測試一個(gè)試驗(yàn)性的設(shè)計(jì)過程。分析技術(shù)通常是一個(gè)綜合方法的基礎(chǔ)部份。四桿連結(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)該是在首先被考慮的解決方法，因?yàn)樗芤宰钌俚牟考砜上瓤康貙?shí)現(xiàn)工作目的并且是能耗資最少的解決辦法。如果連桿機(jī)構(gòu)中的一根比其它三根都長時(shí)，一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)是不可能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的。一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)最簡單的實(shí)現(xiàn)方法可以通過倒置來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)曲柄- 搖桿的機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)固定的的最短的連桿組成。
4.2.1 方法學(xué)
在移栽機(jī)中投苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循一個(gè)特殊的運(yùn)動軌跡。就像四桿連結(jié)機(jī)構(gòu)被選擇那樣簡單，一個(gè)機(jī)械包含那些部件能夠輕易實(shí)現(xiàn)制造上的少投入資金。輸入運(yùn)動應(yīng)選擇曲柄，可以使運(yùn)動連續(xù)的和往復(fù)的。輸出運(yùn)動為了要符合需求并沿著一條適當(dāng)?shù)穆窂揭浦?，這將在下面的設(shè)計(jì)中確定。 機(jī)械應(yīng)該有一個(gè)自由度以便于可以循環(huán)地運(yùn)動。 秧爪指將會連接在連桿的端點(diǎn)處。
4.2.2 種植機(jī)械的輸出運(yùn)動需求
(1)秧苗是從自動喂苗器中進(jìn)入投苗機(jī)構(gòu)。在向下的運(yùn)動的時(shí)候, 秧爪夾持著秧苗并將其插在土壤中。
(2)秧苗接著被載插在需要的深度。
(3)秧苗是在一個(gè)幾乎直立的位置被種植。偏離一個(gè)大約30°的角度也是被允許的。
(4)秧爪是在種植操作之后回到最初的位置。在回返運(yùn)動的時(shí)候它不破壞秧苗是種植秧苗所必要。在種植結(jié)束的時(shí)候秧爪的速度方向的一個(gè)翻轉(zhuǎn)對實(shí)現(xiàn)這是有幫助的。
(5)在回到初始位置的時(shí)候，秧爪是必須不需要干擾秧盤就經(jīng)過一條路徑通過。這是避免任何在秧盤中安置的秧苗可能受到擾亂。因此，向前運(yùn)動的路徑和回返運(yùn)動的路徑將必然是不同的 。
(6)秧爪在它的運(yùn)動期間不能干擾其他機(jī)械的部件。
(7)機(jī)械的部件為了要將在這些部份上的土壤積聚減到最少,一定有適當(dāng)?shù)那宄?取苗點(diǎn)必須位于來自水平的適當(dāng)高度，以便育秧盤能有來水平方向的適當(dāng)清除。
(8) 當(dāng)機(jī)械以穩(wěn)定的速度前進(jìn)時(shí)種植的過程應(yīng)是連續(xù)的。
四個(gè)連桿的尺寸、固定的聯(lián)接的方位、連桿延長的長度和連桿延長的定方位角度要在設(shè)計(jì)中確定下來。上述的參數(shù)在任意的固定范圍內(nèi)可以做調(diào)整。在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)時(shí)候大約三百多種設(shè)計(jì)被分析研究。連桿尺寸的選擇是遵循一個(gè)分析和選擇的方法。連結(jié)的尺寸依據(jù)上述的規(guī)定必將是多種多樣的。在每次的連結(jié)部件尺寸的試驗(yàn)數(shù)值中，秧爪的運(yùn)動軌跡顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。為了要更進(jìn)一步分析連桿的設(shè)計(jì)并找出更好的運(yùn)動軌跡，小尺寸的連桿被應(yīng)用了。
最初移栽機(jī)的向前運(yùn)動速度被忽略。連桿延長的角度也假定為零。最后，連桿延長部分的形狀也被設(shè)計(jì)出來，并確定它和其他機(jī)器的運(yùn)動部件在運(yùn)動時(shí)不產(chǎn)生沖突。 連結(jié)部件的參數(shù)在下面被列出來。
4.2.3.連接參數(shù)的設(shè)計(jì)
連接參數(shù)如下：
1. 曲柄長度,
2. 連桿的長度，。
3. 搖桿的長度，。
4. 機(jī)架的長度，。
5. 連桿延長的長度，。
6. 連桿延長的角度，。
7. 連接部件的真實(shí)尺寸。
8. 機(jī)架與水平線的夾角。
9. 前進(jìn)的速度。
4.2.4 連接部件的分析
一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)如圖4-1。
(1)
其中是主動曲柄 AB 的長度, 是連桿BC的長度, 是搖桿CD的長度, 為機(jī)架AD的長度, 是曲柄的轉(zhuǎn)角, 是連桿與x軸的夾角，是搖桿的轉(zhuǎn)角。
和的定義式如下：
(2)
這是一組含有兩個(gè)未知數(shù)的二元非一次方程組；因此,迭代的方程可以用牛頓–拉夫遜的方法進(jìn)行擴(kuò)展。
圖4-1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)
圖4-2 分析所用的三角形構(gòu)造
(3)
在上標(biāo)字母 k 和 k + 1 指示重復(fù)的次序地方。
這里需要、的初始解；計(jì)算在重復(fù)地進(jìn)行著，直到計(jì)算出來的結(jié)果沒有超過預(yù)期的錯(cuò)誤數(shù)值。、初始解的需求；依下列各項(xiàng)逐步得到符合要求的數(shù)值。 因此，下列的等式可適用:
(4)
是連桿和曲柄延長的一段桿之間被包括的角度，p是數(shù)學(xué)常數(shù)。
(5)
(6)
在計(jì)算出一組精確的[,]的值, 接下去每增加一度確定一個(gè)的值。反復(fù)的相等然后用來計(jì)算比較正確的價(jià)值。現(xiàn)在再一次被增量，同進(jìn)程序重復(fù)進(jìn)行。如此曲柄的完全旋轉(zhuǎn)就完成了。
(7)
獲得連桿角度之后,連結(jié)點(diǎn)的位置將由下列式子計(jì)算出來，其中表示橫座標(biāo)，表示縱座標(biāo)。
(8)
表示連結(jié)點(diǎn)F在橫座標(biāo)上的座標(biāo)值，表示連結(jié)點(diǎn)F在縱座標(biāo)y上的座標(biāo)值。連桿延長的長度，是在連桿和連桿延長之間包括的角度。
4.2.5 連桿尺寸的確定
假定最長的連桿長度不應(yīng)該是比最短的連桿長50 倍。 當(dāng)被假定為 1.00 單位長的時(shí)候，因?yàn)檫B桿的長度比在決定連桿運(yùn)動曲線方面很重要，最短的連桿假定為1個(gè)單位長。和的長度可以在 1.00 – 50.00的范圍內(nèi)取。最大值根據(jù)下列的二種情況確定:
(9)
連桿的長度范圍是從 1.00 到 100.00，連桿角度是從 0 到 360度。符合這一標(biāo)準(zhǔn)的連結(jié)數(shù)目在第一階段被確定為84 。在第一階段被確定的連桿延長的五個(gè)值和連桿延長角度的 12 個(gè)值。這些根據(jù)上面所述的程序進(jìn)行分析，每個(gè)運(yùn)動的路徑也被確定下來。將近七個(gè)可能是正確的設(shè)計(jì)也在這一階段被確定下來。第二個(gè)階段由表 4-1 所顯示的尺寸范圍開始。 一些設(shè)計(jì)是在更近的研究時(shí)被放棄。這一個(gè)階段的分析將產(chǎn)生最有可能是正確的設(shè)計(jì)。同樣地，第三和第四個(gè)階段接著完成了。 在這一個(gè)階段結(jié)束的時(shí)候連結(jié)點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)在表 4-2 中列出來了。
在這一階段結(jié)束的時(shí)候秧爪的運(yùn)動路徑在勾4-4中顯示出來。一個(gè)附加的特征是秧爪在移栽后以大約180度的角度返回初始位置。這非常有用并且由于秧苗自身的慣性將會在秧爪的回返運(yùn)動期間讓未受破壞的秧苗插栽植到土壤中。
表4-1 各個(gè)連桿的尺寸范圍
組數(shù)
尺寸范圍（單位長度）
分析
次數(shù)
L1
L2
L3
L4
LF
(deg)
1
1
1.00
0.00-1.00
1.00-5.00
1.00-5.00
1.00-100.00
0-360
20
1
1.00
1.00-3.99
1.00-7.07
1.00-7.07
3.16-31.62
180-360
45
2
1.00
5.41-7.62
1.00-7.07
2.66-18.80
1.00-31.62
270-360,0-120
35
3
1.00
17.14-21.00
1.00-7.07
7.07-50.00
3.16-100.00
300-360,0-120
44
2
4
1.00
48.34-50.00
1.00-7.07
18.80-50.00
10.00-100.00
330-360,0-120
20
5
1.00
3.89-15.14
2.66-18.80
2.66-18.80
1.00-31.62
240-360,0-30
21
6
1.00
12.73-18.50
2.66-18.80
7.07-50
3.16-100.00
30-150
32
7
1.00
1.00-6.21
7.07-50.00
7.07-50.00
1.00-10.00
300-360,0-120
36
3
1
1.00
1.17-1.59
1.92-2.96
1.92-2.96
4.08-6.81
300-340
55
4
1
1.00
1.34-1.44
2.22-2.44
2.22-2.44
4.57-5.42
310-330
30
合計(jì)
338
表4-2 初步確定的連桿尺寸
名稱
符號
尺寸
1
曲柄的長度
L1（單位長度）
1.00
2
連桿的長度
L2（單位長度）
1.65
3
搖桿的長度
L3（單位長度）
2.30
4
機(jī)架的長度
L4（單位長度）
2.50
5
搖桿延長桿尺寸
LF（單位長度）
5.00
6
延長桿和搖桿的夾角
45°
4.3 連桿的運(yùn)動軌跡分析
4.3.1 運(yùn)動分析
1.種植點(diǎn)位于F ( 圖 4-3 ) 在該點(diǎn)上秧爪到土壤的需要的深度而且在那里迅速的折回。 因此，秧苗以相對地面接近為零的速度被插入土壤中, 使秧苗保持良好的直立度。
2. 如果秧爪從 K 到 F向下運(yùn)動 ，然后秧爪的回返運(yùn)動在路徑的右側(cè)，并將秧苗種植在左側(cè)。秧苗在F點(diǎn)種下后不受秧爪的破壞，這正是我們想要達(dá)到的效果。
3. 秧爪在向下運(yùn)動時(shí)，秧苗在K點(diǎn)進(jìn)入投苗機(jī)構(gòu)。
4. 秧爪在種植點(diǎn)和取苗點(diǎn)之間時(shí)，在返程運(yùn)動是有個(gè)分離的運(yùn)動軌跡的。
表4-3 最終確定的連桿尺寸
名稱
符號
尺寸
1
曲柄的長度
L1（單位長度）
1.00
2
連桿的長度
L2（單位長度）
1.65
3
搖桿的長度
L3（單位長度）
2.30
4
機(jī)架的長度
L4（單位長度）
2.50
5
搖桿延長桿尺寸
LF（單位長度）
5.00
6
延長桿和搖桿的夾角
42.5°
4.4 機(jī)械設(shè)計(jì)的初步研究
1. 在上面所說的機(jī)械裝置，10 cm 至 1.00個(gè)單位的尺寸將會依據(jù)水稻秧苗的具體尺寸。這就需要育苗盤到種植點(diǎn)處有一個(gè)35cm的垂直距離。
2. 曲柄在轉(zhuǎn)動時(shí)曲柄銷經(jīng)過它運(yùn)動的最低點(diǎn)F。從動件繞固定點(diǎn)D做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。如果我們可以將機(jī)器安置地使這兩個(gè)點(diǎn)在距地面的同一水平高度，則可能得到機(jī)器距離地面的最大間隙。固定連結(jié)的夾角計(jì)算出為－20°。因此，固定連結(jié)的夾角應(yīng)該選擇為接近這個(gè)數(shù)值。
3. 機(jī)器可以被設(shè)計(jì)為在K點(diǎn)取秧苗在F點(diǎn)將秧苗插入土中。在秧苗插入土中后，秧爪將從另一個(gè)路徑回到初始位置。應(yīng)該的是秧爪在回程的途中不應(yīng)該損壞已經(jīng)種下的秧苗。曲柄的旋轉(zhuǎn)方向也根據(jù)這點(diǎn)被確定下來為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
4. 秧爪在前進(jìn)過程中產(chǎn)生的速度疊加將會產(chǎn)生如圖4-4的一個(gè)運(yùn)動軌跡。秧爪的運(yùn)動路徑會對秧苗的移栽質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響。在機(jī)器的前進(jìn)過程中，秧爪在插完秧后應(yīng)該有一個(gè)旋轉(zhuǎn)或一個(gè)曲線路徑回到初始位置，而不是直接以180°的角度迅速回轉(zhuǎn)。
5. 在連桿延長的長度方面或連桿的角度的大小改變被證明可以調(diào)整插秧點(diǎn)的位置。因此，這些參數(shù)的改變可以得到一個(gè)急劇回程的路徑。
圖4-6 最終確定的載插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡
表4-4 不同的y角和b角時(shí)機(jī)器前進(jìn)速度的最佳值
S1.No.
連桿延長角度()
不同的β值時(shí)的最佳前進(jìn)速度，單位是
距離/轉(zhuǎn)
β＝－20.0°
β＝－24.5°
β＝－29.0°
1
35
－1.0
－1.0
－1.0
2
40
－0.4
－0.2
－0.4
3
45
0.4
0.5
0.4
4
50
1.4
1.5
1.6
5
55
2.2
2.4
2.6
6
60
3.4
4.1
4.2
基于上述的初步研究得出的結(jié)論,連結(jié)部件有尺寸在第 4.2.5 節(jié)到第 4.3.2 節(jié)中保持不變。連桿延長聯(lián)編的角度從 45°降低到 42.5°。固定聯(lián)桿的三個(gè)角度被選擇為 －20°,－24.5°和－29°。機(jī)器的前進(jìn)速度在分析中也被考慮進(jìn)去。當(dāng)給出了φ和β的值之后，前進(jìn)速度在表4-4中被列出了。
根據(jù)第二個(gè)階段的分析最終確定β＝20°。角度φ被改變?yōu)?42.5°。設(shè)計(jì)前進(jìn)的速度將會是每種植周期 14 cm 。設(shè)計(jì)數(shù)值在表4-3中列出。秧爪的最終確定下來的運(yùn)動軌跡在圖4-6中表示出來了。
4.5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動的三維仿真
4.5.1 計(jì)算機(jī)分析的基本思想
小型煙苗移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡是一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動和秧爪的開合運(yùn)動的合成,是一個(gè)比較復(fù)雜的運(yùn)動過程。傳統(tǒng)的解析計(jì)算和作圖分析方法存在工作量大,效率低等問題,且不能直觀地觀察到其相對運(yùn)動過程。
本文是將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助分析方法用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)分析的一次實(shí)踐, 利用三維設(shè)計(jì)軟件INVENTOR建立移栽機(jī)載插機(jī)構(gòu)的模型,并對此模型進(jìn)行栽植過程的運(yùn)動學(xué)分析,獲得相關(guān)運(yùn)動模型,并分析最佳運(yùn)動軌跡,改進(jìn)設(shè)計(jì)相關(guān)零部件;改變模型的參數(shù),進(jìn)而比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的栽植情況。
4.5.2 三維設(shè)計(jì)軟件Inventor介紹
Autodesk Inventor是美國Autodesk公司于1999年底推出的中端三維參數(shù)化實(shí)體模擬軟件,能夠完成從二維設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。Inventor建立在ACIS三維實(shí)體模擬核心之上,摒棄許多不必要的操作而保留最常用的基于特征的模擬功能,因其易用性和強(qiáng)大的功能,在機(jī)械、汽車、建筑等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
Inventor軟件的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:
1. 得用交互式圖形環(huán)境和零件、約束建立機(jī)械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型;
2. 分析類型包括運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和靜力學(xué)分析;
3. 仿真結(jié)果顯示為動畫和曲線圖形。
Inventor軟件已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械中[23]。
有差別的,需要實(shí)踐的進(jìn)一步的驗(yàn)證。由于條件限制,實(shí)踐方面有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)、分析、再設(shè)計(jì),使所設(shè)計(jì)的移栽機(jī)械達(dá)到較好的工作性能指標(biāo)和工作可靠性的要求,但最為重要的是一定要滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求—農(nóng)藝的要求。
對所設(shè)計(jì)的小型煙苗移栽機(jī)得用MATLAB6.5進(jìn)行了數(shù)值分析和簡單的運(yùn)動模擬,得用三維仿真軟件INVENTOR,對所設(shè)計(jì)的煙苗移栽機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)的分析,進(jìn)行了簡單的機(jī)械系統(tǒng)性能預(yù)測等工作。
安陽工學(xué)院本科畢業(yè)論文
結(jié) 論
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我知道其實(shí)要做一項(xiàng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并不簡單，要把它做好就更不易了，從中我也感到自己的知識面其實(shí)是很狹隘的。在理論知識的貫穿上和用理論解決實(shí)際問題的能力上也亟待提高，可以說這次的設(shè)計(jì)就像是一面鏡子，照出了我的不足之處。但也因此而小小地鍛煉了一下自己，為自己將來的工作做了一個(gè)準(zhǔn)備。
在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，不僅讓我重新溫習(xí)了《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》等書，還認(rèn)真地學(xué)習(xí)了Matlab，Inventor等軟件，反復(fù)計(jì)算，設(shè)計(jì)方案，繪制草圖……當(dāng)然，在這期間還得到周圍同學(xué)的細(xì)心提點(diǎn)與耐心指導(dǎo)。
一個(gè)人在不太長的時(shí)間里完成整個(gè)載插機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算并不太容易，然而，我卻從這段時(shí)間內(nèi)學(xué)到了許多以前都沒來得及好好學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容，而且在實(shí)踐中運(yùn)用，更是令我印象深刻，深切體會到機(jī)械這門課程并非以前所想像的那樣紙上談兵。所有理論、公式都是為實(shí)踐操作而誕生的。
慶幸自己終于認(rèn)真獨(dú)立地做了一次全面的機(jī)械設(shè)計(jì)，真的，從中學(xué)到了很多很容易被忽視的問題、知識點(diǎn)，甚至還培養(yǎng)了自己的耐心細(xì)心用心的性格。從一頁頁復(fù)習(xí)課本，一次次計(jì)算數(shù)據(jù)，一遍遍修改草圖，一遍遍打印裝配圖，這些都是我從來未曾獨(dú)立做過的。
在為畢業(yè)設(shè)計(jì)寫說明書時(shí)，為了讓說明書內(nèi)容更充實(shí)，使自己的書面語言更趨向于專業(yè)化，我到圖書館去借了相關(guān)的書籍來翻閱。在查找資料、閱讀資料的同時(shí)，我還知道了更多以前課本上沒有學(xué)到過的知識（尤其在為“計(jì)算公式”