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目錄 Abstract 6 第 1 章 緒論 9 1 1 前言 9 1 2 國內(nèi)外蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的發(fā)展概述 11 1 2 1我國蔬菜缽苗移栽機械化發(fā)展概況 11 1 2 2我國蔬菜缽苗移栽機存在的問題 12 1 2 3我國蔬菜缽苗移栽機存在問題解決途徑分析 12 1 2 4國外蔬菜缽苗自動移栽機的發(fā)展和研究成果 13 1 2 5蔬菜缽苗移栽機發(fā)展方向 14 1 3 國內(nèi)取苗機構(gòu)存在的主要問題和發(fā)展方向 15 1 3 1國內(nèi)取苗機構(gòu)發(fā)展存在的主要問題 15 1 3 2國內(nèi)蔬菜取苗機構(gòu)的發(fā)展方向 15 1 4 本文的研究目標(biāo) 16 1 5 本文的主要工作及內(nèi)容安排 17 1 6 本章小結(jié) 17 第 2 章 蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的運動學(xué)分析 18 2 1 取苗爪工作要求 的實現(xiàn) 18 2 2 蔬菜缽苗取苗機械手的機構(gòu)組成與工作原理 19 2 3 橢圓齒輪傳動的運動分析 21 2 3 1 橢圓齒輪的嚙合特性及優(yōu)點 21 2 3 2 橢圓齒輪的角位移 角速度和傳動比分析 22 2 4 蔬菜缽苗取苗機械手運動學(xué)模型的建立 24 2 4 1運動學(xué)分析符合的說明 24 2 4 2蔬菜缽苗取苗機械手位移分析 25 2 4 3機械手上各點位移方程和各構(gòu)件角位移方程 26 2 4 4 機構(gòu)上各點的速度方程和各構(gòu)件角速度方程 28 2 4 5 機械手上各點的加度方程和各構(gòu)件角加速度方程 29 2 5 本章小結(jié) 31 第 3 章 蔬菜缽體苗自動移栽機取苗機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化 32 3 1 優(yōu)化目標(biāo)與變量 32 3 2 輔助分析優(yōu)化軟件 32 3 2 1人機交互簡介 33 3 2 2本課題人機交互軟件介紹 34 3 2 3橢圓齒輪參數(shù)計算 35 3 2 4取苗機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化步驟 35 3 2 5取苗爪尖點的速度分析 36 3 3 本章小結(jié) 38 第 4 章 蔬菜缽苗自動移栽機 取苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 38 4 1 蔬菜缽體自動移栽機取苗機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 38 4 2 取苗臂機構(gòu)設(shè)計 40 4 3 CAD 軟件介紹 41 4 3 1 CAD二維取苗機構(gòu)零件圖 41 1 4 4 Proe 軟件介紹 43 4 4 1 三維 Proe取苗機構(gòu)零件圖 44 4 5 總裝配圖 45 4 6 本章小結(jié) 46 第 5 章 總結(jié)與展望 47 5 1 總結(jié) 47 5 2 進(jìn)一步的展望 48 致 謝 49 參考文獻(xiàn) 50 附錄 52 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 2 摘 要 移栽是蔬菜生產(chǎn)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使 作物生育提早的綜合效益 可以充分利用光熱資源 其經(jīng)濟效益和社會效益均 非?？捎^ 目前 國內(nèi)正在應(yīng)用的移栽機械多為半自動移植機 半自動移栽機 靠手工送苗 效率低 勞動強度大 而國內(nèi)自動移栽機的研究剛剛起步 自動 移栽機從取苗到植苗都由機械自動完成 效率高 國外雖有一些自動移栽機應(yīng) 用于生產(chǎn) 但還處于不斷研究與推廣階段 而取苗機構(gòu)是制約自動移栽機發(fā)展 的 瓶頸 也是制約蔬菜大規(guī)模種植的關(guān)鍵問題之一 因此設(shè)計一種新型的取 苗機構(gòu)替代手工取苗 已成為我國蔬菜種植業(yè)發(fā)展的迫切需要 本文總結(jié)吸收了國內(nèi)外各種取苗機構(gòu)的優(yōu)缺點 在實驗室已有研究成果的 基礎(chǔ)上 設(shè)計了一種新型蔬菜缽苗取苗機構(gòu) 該機構(gòu)可以單獨作為取苗機構(gòu) 實現(xiàn)自動取苗 或通過改進(jìn)部分結(jié)構(gòu)參數(shù) 可以集栽取功能于一體 即取苗和 栽植苗動作都由該套機構(gòu)完成 該蔬菜缽苗取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 取 苗效率高 本文主要的研究內(nèi)容如下 1 根據(jù)蔬菜缽苗取苗的技術(shù)特點和農(nóng)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(gòu) 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(gòu)工作效率高 并且工作平穩(wěn) 2 論述了該取苗機構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點 建立取苗機構(gòu)的運動學(xué)模型 3 以建立的運動學(xué)模型為基礎(chǔ) 基于可視化開發(fā)平臺 VB6 0 通過其軟件 分析蔬菜缽苗取苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件 軟件登記號 2011SR030044 介 紹了該軟件的人機交互界面及功能 基于該軟件 解決了該機構(gòu)運動學(xué)多目標(biāo) 優(yōu)化的難點 4 根據(jù)蔬菜取苗農(nóng)藝要求 提出蔬菜缽苗取苗機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)和優(yōu)化 方法 分析各參數(shù)變化對取苗機構(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 滿足蔬菜缽苗取苗的工作 要求 5 按照優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)參數(shù) 進(jìn)行蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的總體設(shè)計 討論了 設(shè)計中應(yīng)該注意的問題 最后在 ProE CAD 下完成裝配圖和各零件的設(shè)計 6 建立取苗機構(gòu)的三維實體模型 對其進(jìn)行虛擬裝配 關(guān)鍵詞 蔬菜缽苗 取苗機構(gòu) 工作機理 參數(shù)優(yōu)化 試驗研究 3 Optimal and Design of Vegetable Plug Seedling Pick up Mechanism of Planetary Gear Train with Ellipse Gears and Incomplete Non circular Gear Abstract Transplanting is an important process of vegetable procreating which has the function of compensating varying climate and shifting the procreating of plants to an earlier time 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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 4 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 5 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 目錄 Abstract 6 第 1 章 緒論 9 1 1 前言 9 1 2 國內(nèi)外蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的發(fā)展概述 11 1 2 1我國蔬菜缽苗移栽機械化發(fā)展概況 11 1 2 2我國蔬菜缽苗移栽機存在的問題 12 1 2 3我國蔬菜缽苗移栽機存在問題解決途徑分析 12 1 2 4國外蔬菜缽苗自動移栽機的發(fā)展和研究成果 13 1 2 5蔬菜缽苗移栽機發(fā)展方向 14 1 3 國內(nèi)取苗機構(gòu)存在的主要問題和發(fā)展方向 15 1 3 1國內(nèi)取苗機構(gòu)發(fā)展存在的主要問題 15 1 3 2國內(nèi)蔬菜取苗機構(gòu)的發(fā)展方向 15 1 4 本文的研究目標(biāo) 16 1 5 本文的主要工作及內(nèi)容安排 17 1 6 本章小結(jié) 17 第 2 章 蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的運動學(xué)分析 18 2 1 取苗爪工作要求 的實現(xiàn) 18 2 2 蔬菜缽苗取苗機械手的機構(gòu)組成與工作原理 19 2 3 橢圓齒輪傳動的運動分析 21 2 3 1 橢圓齒輪的嚙合特性及優(yōu)點 21 2 3 2 橢圓齒輪的角位移 角速度和傳動比分析 22 2 4 蔬菜缽苗取苗機械手運動學(xué)模型的建立 24 2 4 1運動學(xué)分析符合的說明 24 2 4 2蔬菜缽苗取苗機械手位移分析 25 2 4 3機械手上各點位移方程和各構(gòu)件角位移方程 26 2 4 4 機構(gòu)上各點的速度方程和各構(gòu)件角速度方程 28 2 4 5 機械手上各點的加度方程和各構(gòu)件角加速度方程 29 2 5 本章小結(jié) 31 第 3 章 蔬菜缽體苗自動移栽機取苗機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化 32 3 1 優(yōu)化目標(biāo)與變量 32 3 2 輔助分析優(yōu)化軟件 32 3 2 1人機交互簡介 33 3 2 2本課題人機交互軟件介紹 34 3 2 3橢圓齒輪參數(shù)計算 35 3 2 4取苗機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化步驟 35 3 2 5取苗爪尖點的速度分析 36 3 3 本章小結(jié) 38 第 4 章 蔬菜缽苗自動移栽機 取苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 38 4 1 蔬菜缽體自動移栽機取苗機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 38 4 2 取苗臂機構(gòu)設(shè)計 40 4 3 CAD 軟件介紹 41 4 3 1 CAD二維取苗機構(gòu)零件圖 41 1 4 4 Proe 軟件介紹 43 4 4 1 三維 Proe取苗機構(gòu)零件圖 44 4 5 總裝配圖 45 4 6 本章小結(jié) 46 第 5 章 總結(jié)與展望 47 5 1 總結(jié) 47 5 2 進(jìn)一步的展望 48 致 謝 49 參考文獻(xiàn) 50 附錄 52 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 2 摘 要 移栽是蔬菜生產(chǎn)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使 作物生育提早的綜合效益 可以充分利用光熱資源 其經(jīng)濟效益和社會效益均 非?？捎^ 目前 國內(nèi)正在應(yīng)用的移栽機械多為半自動移植機 半自動移栽機 靠手工送苗 效率低 勞動強度大 而國內(nèi)自動移栽機的研究剛剛起步 自動 移栽機從取苗到植苗都由機械自動完成 效率高 國外雖有一些自動移栽機應(yīng) 用于生產(chǎn) 但還處于不斷研究與推廣階段 而取苗機構(gòu)是制約自動移栽機發(fā)展 的 瓶頸 也是制約蔬菜大規(guī)模種植的關(guān)鍵問題之一 因此設(shè)計一種新型的取 苗機構(gòu)替代手工取苗 已成為我國蔬菜種植業(yè)發(fā)展的迫切需要 本文總結(jié)吸收了國內(nèi)外各種取苗機構(gòu)的優(yōu)缺點 在實驗室已有研究成果的 基礎(chǔ)上 設(shè)計了一種新型蔬菜缽苗取苗機構(gòu) 該機構(gòu)可以單獨作為取苗機構(gòu) 實現(xiàn)自動取苗 或通過改進(jìn)部分結(jié)構(gòu)參數(shù) 可以集栽取功能于一體 即取苗和 栽植苗動作都由該套機構(gòu)完成 該蔬菜缽苗取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 取 苗效率高 本文主要的研究內(nèi)容如下 1 根據(jù)蔬菜缽苗取苗的技術(shù)特點和農(nóng)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(gòu) 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(gòu)工作效率高 并且工作平穩(wěn) 2 論述了該取苗機構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點 建立取苗機構(gòu)的運動學(xué)模型 3 以建立的運動學(xué)模型為基礎(chǔ) 基于可視化開發(fā)平臺 VB6 0 通過其軟件 分析蔬菜缽苗取苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件 軟件登記號 2011SR030044 介 紹了該軟件的人機交互界面及功能 基于該軟件 解決了該機構(gòu)運動學(xué)多目標(biāo) 優(yōu)化的難點 4 根據(jù)蔬菜取苗農(nóng)藝要求 提出蔬菜缽苗取苗機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)和優(yōu)化 方法 分析各參數(shù)變化對取苗機構(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 滿足蔬菜缽苗取苗的工作 要求 5 按照優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)參數(shù) 進(jìn)行蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的總體設(shè)計 討論了 設(shè)計中應(yīng)該注意的問題 最后在 ProE CAD 下完成裝配圖和各零件的設(shè)計 6 建立取苗機構(gòu)的三維實體模型 對其進(jìn)行虛擬裝配 關(guān)鍵詞 蔬菜缽苗 取苗機構(gòu) 工作機理 參數(shù)優(yōu)化 試驗研究 3 Optimal and Design of Vegetable Plug Seedling Pick up Mechanism of Planetary Gear Train with Ellipse Gears and Incomplete Non circular Gear Abstract Transplanting is an important process of vegetable procreating which has the function of compensating varying climate and shifting the procreating of plants to an earlier time 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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 4 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 5 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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 6 第 1 章 緒論 1 1 前言 據(jù) FAO 統(tǒng)計 2006 年中國已成為世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國 蔬菜產(chǎn)量約占 世界總產(chǎn)量的 49 6 1 改革開放以來 我國蔬菜產(chǎn)量每年呈持續(xù)增長的勢頭 發(fā)展迅猛 據(jù)中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料顯示 我國蔬菜播種面積在上世紀(jì) 80 年代年均 增長近 10 90 年代年均增長 14 5 本世紀(jì)前 7 年平均增長 1 9 到 2007 年 達(dá)到 2 94 億畝 總產(chǎn)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(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)中僅次于糧食的第二重要農(nóng)產(chǎn)品 近年 來 浙江省在種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和效益農(nóng)業(yè)的發(fā)展上取得了顯著成效 蔬菜生產(chǎn) 面積 總產(chǎn)量 總產(chǎn)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(chǎn)基地 基本培育形成沿杭州灣兩岸及沿海設(shè)施出口蔬菜產(chǎn)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(nóng)村經(jīng)濟的重要組成部分 2 實現(xiàn)蔬菜順利移栽是蔬菜生產(chǎn)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(jìn)作物生育提早的綜合效益 還可以充分利用光熱資源 其經(jīng)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(nóng)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(chǎn)效率低 而且 移栽質(zhì)量低 生產(chǎn)成本高 難以實現(xiàn)大面積移栽 從而限制了生產(chǎn)規(guī)模的擴大 和生產(chǎn)效益的提高 制約了我國蔬菜生產(chǎn)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(chǎn)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(gòu)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 7 來 自動蔬菜移栽機的研究在國內(nèi)外已引起農(nóng)機專家和相關(guān)企業(yè)的重視 自動移 栽機構(gòu)一般由取苗機構(gòu)和植苗機構(gòu)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(gòu)現(xiàn) 已比較成熟 有現(xiàn)成的應(yīng)用 而取苗機構(gòu)是制約自動移植機發(fā)展的 瓶頸 問題 在國內(nèi) 研究剛剛起步 在國外也處在不斷的研究與發(fā)展的階段 從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初 日本的井關(guān) 久保田 洋馬 野馬等幾大主要農(nóng) 機公司都進(jìn)行了取苗機構(gòu)的研究和開發(fā) 8 也研制出了多種樣機 并進(jìn)行了田 間取苗試驗 效果良好 現(xiàn)已在日本國內(nèi)推廣使用 但是這些機器的取苗機構(gòu) 存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜 設(shè)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(yīng)用研究方面還處于空白 其研究 工作剛剛起步 國內(nèi)針對取苗機構(gòu)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(shè)計則較為簡單 目前針對野外惡劣工作環(huán)境的取苗機構(gòu)的 研究還處于實驗室階段 此外 我國在 十二五 農(nóng)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(shù)難題 而由于取苗機構(gòu)是制約移 植機械發(fā)展的 瓶頸 問題 本文研究的取苗機構(gòu) 除可用于蔬菜缽苗取苗外 經(jīng)改進(jìn)也可用于油菜 煙草等其他經(jīng)濟作物的取苗 因此 開展本文的蔬菜缽苗 取苗機構(gòu)的機理研究 并進(jìn)行機構(gòu)創(chuàng)新 理論建模與試驗研究 將為今后蔬菜 缽苗取苗機構(gòu)的研發(fā)提供重要理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù) 不僅具有重要的理論研究 意義 而且具有重大的實際應(yīng)用價值 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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 8 1 2 國內(nèi)外蔬菜缽苗取苗機構(gòu)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(jì)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(jì)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(jìn)了多種適合于移栽蔬菜煙 葉甜菜等經(jīng)濟什物的移栽機械 但均因育苗技術(shù)落后 配套性能差 以及機具 本身性能不穩(wěn)定和生產(chǎn)率低等原因 都未得到推廣使用 9 但隨著育苗技術(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(chǎn) 目前 國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi) 秧苗隨圓盤轉(zhuǎn)動 當(dāng)達(dá)到垂直狀態(tài)時進(jìn)行栽植 由于不受 秧夾數(shù)量的限制 它對株距的適應(yīng)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(jìn)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(dá)而且易破的缽苗移栽 缺點 是整地較為復(fù)雜 喂苗速度不能過高 否則漏栽率將增加 生產(chǎn)率較低 5 導(dǎo)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(dǎo)苗管 秧苗在導(dǎo)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(diào)整導(dǎo)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(jié)構(gòu)比 9 較復(fù)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(gòu)簡單 但在工作可靠性方面需要進(jìn)一步改進(jìn) 7 空氣整根營養(yǎng)缽育苗移栽機 吉林工業(yè)大學(xué)孫廷琮等應(yīng)用美國B K Huan9發(fā) 明的空氣整根育苗技術(shù)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(chǔ)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(shù)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(jìn)展 并逐 步轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù)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(chǎn)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(dǎo)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(yīng)性的研究工作進(jìn)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(yīng)性研究不足 6 機器的性能和成本及農(nóng)民的經(jīng)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(shè)計適合我國蔬菜移栽農(nóng)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(yīng)對措施 主要做好以下幾 個方面 13 15 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 10 1 建立育苗移栽技術(shù)體系 生產(chǎn)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(shù)體系 涉及到品種選育 土壤肥料 作物栽培 機械 設(shè)計與制造和自動控制等領(lǐng)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(shù)等方面 使農(nóng)機和農(nóng)藝相適應(yīng) 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(jié)合 生產(chǎn)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(shè)施化 使其作物的生產(chǎn)實現(xiàn) 了商品化 系列化 2 制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評價方法 形成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化 系列化和規(guī)格化 我 國沒有制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 各種移栽機難以標(biāo)準(zhǔn)化 不利于其發(fā)展 應(yīng)該由 國家制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 形成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(shè)計專門的切盤機構(gòu) 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(jù)某些作物移栽的特殊要求 設(shè)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(nèi)缺乏適合這些特殊要求的栽植機 可以為它們單獨設(shè)計性能卓越的栽植機 5 農(nóng)機部門適時引導(dǎo) 國家政策宏觀調(diào)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(jīng)濟性已得到了論證 但是 農(nóng)民的認(rèn)識水平畢竟 有一定的局限性 對于移栽機械的推廣和應(yīng)用不可能很快地全面接受 所以 農(nóng)機部門要適時對其進(jìn)行引導(dǎo) 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(jì)初期 歐洲一些國家開始大最種植蔬菜和經(jīng)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(fù)屈伸 的繁重勞動 到20世紀(jì)30年代后期 出現(xiàn)了栽植機構(gòu)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(jì)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(chǎn)技術(shù)研究 研制出多種不同結(jié)構(gòu)型式的半自動移栽 11 機和制缽機 至20世紀(jì)70年代 前蘇聯(lián)蔬菜栽植機械化水平為58 國營農(nóng)場 已達(dá)67 到20世紀(jì)80年代 半自動移栽機已在曲方國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)的自動化移栽設(shè)備在技術(shù)上基本達(dá)到了完善 亦廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn) 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(chǎn)和幾乎全部的大地花卉生產(chǎn)都采用育苗移栽生產(chǎn)工藝 16 從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初 日本的井關(guān) 久保田 洋馬 野馬等幾大主要農(nóng) 機公司都進(jìn)行了取苗機構(gòu)的研究和開發(fā) 17 也研制出了多種樣機 并進(jìn)行了田 間取苗試驗 效果良好 現(xiàn)已在日本國內(nèi)推廣使用 但是這些機器的取苗機構(gòu) 存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜 設(shè)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(yīng)加強從育苗到移栽整個系統(tǒng)的研 究 進(jìn)一步完善與移栽配套的育苗設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù) 使育苗過程實現(xiàn)機 械化 工廠化和設(shè)施化 制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)利評價方法 形成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合 研制出多種適合我國蔬菜農(nóng)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(chǎn)和移栽機械化作業(yè)的生 產(chǎn)模式 提高我國蔬菜種植機械化水平 促進(jìn)我國蔬菜生產(chǎn)的快速發(fā)展 改善 人們生活水 平 18 目前國內(nèi)外的蔬菜移栽機都是以沒有取苗機構(gòu)的半自動的為主 從已有的 取苗機構(gòu)來看 這些機器的取苗機構(gòu)要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜 設(shè)計制造成本高 要么工 作可靠性差 最關(guān)鍵的是 日本的取苗機構(gòu)在中國都申請了專利保護 目前在 我國 蔬菜取苗機構(gòu)的應(yīng)用還處于空白 而針對蔬菜取苗機構(gòu)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(chǎn)權(quán)的蔬菜取苗機構(gòu)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(shù)體系 將涉及多個研究領(lǐng)域 如園藝 植保 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 12 農(nóng)學(xué) 機械設(shè)計與制造 自動控制等 這就需要進(jìn)行多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān) 從我 國國情及農(nóng)村狀況考慮 要形成我國特有的蔬菜缽苗取苗技術(shù)體系 需要將農(nóng) 機與農(nóng)藝 栽植機械與育苗技術(shù)相結(jié)合 應(yīng)對蔬菜缽苗栽培工藝的規(guī)范化 標(biāo) 準(zhǔn)化 深入研究取苗機構(gòu)工作原理及與蔬菜缽苗相適應(yīng)性的關(guān)系 而不能僅限 于仿制國外引進(jìn)的取苗機械 我們應(yīng)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(jié)合的發(fā)展道路 以通 用蔬菜缽苗取苗機械為主 并向標(biāo)準(zhǔn)化 系列化 規(guī)格化方向發(fā)展 同時機構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單 成本低廉 秧苗栽植質(zhì)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(shù) 提高蔬菜產(chǎn)量和季節(jié)性供應(yīng)蔬菜 以及提高蔬菜經(jīng)濟作物經(jīng)濟效益和社會效益的必要途徑 通過提高種植技術(shù)的 機械化水平 達(dá)到進(jìn)一步完善與取苗機械相配套的育苗設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù) 使育苗和取苗有機的結(jié)合 就可以降低種植成本 達(dá)到增加產(chǎn)量 提高經(jīng)濟效 益的目 的 20 因此 從長遠(yuǎn)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(nèi)取苗機構(gòu)存在的主要問題和發(fā)展方向 1 3 1 國內(nèi)取苗機構(gòu)發(fā)展存在的主要問題 1 我國農(nóng)業(yè)機械化水平還不夠 取苗機構(gòu)的研究還未引起相關(guān)農(nóng)機專家的 足夠重視 制約了我國蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的推廣 21 2 育苗未標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)的開發(fā)提出了挑戰(zhàn) 3 取苗機械與育苗技術(shù)脫節(jié) 取苗機構(gòu)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(jìn)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(gòu)用于生產(chǎn) 5 能實現(xiàn)蔬菜缽苗取苗的機械一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜 成本高 且功能單一 限制 了取苗機構(gòu)的應(yīng)用與推廣 13 6 對取苗機構(gòu)的工作原理和工作特性研究還不是很充分 還學(xué)進(jìn)一步的研 究 7 農(nóng)民的經(jīng)濟條件限制了取苗機構(gòu)的推廣 1 3 2 國內(nèi)蔬菜取苗機構(gòu)的發(fā)展方向 目前國內(nèi)外的蔬菜移栽機都是以沒有取苗機構(gòu)的半自動的為主 從已有的 取苗機構(gòu)來看 這些機器的取苗機構(gòu)要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜 設(shè)計制造成本高 要么工 作可靠性差 最關(guān)鍵的是 日本的取苗機構(gòu)在中國都申請了專利保護 目前在 我國 蔬菜取苗機構(gòu)的應(yīng)用還處于空白 而針對蔬菜取苗機構(gòu)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(chǎn)權(quán)的蔬菜取苗機構(gòu)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(shù)體系 將涉及多個研究領(lǐng)域 如園藝 植保 農(nóng)學(xué) 機械設(shè)計與制造 自動控制等 這就需要進(jìn)行多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān) 從我 國國情及農(nóng)村狀況考慮 要形成我國特有的蔬菜缽苗取苗技術(shù)體系 需要將農(nóng) 機與農(nóng)藝 栽植機械與育苗技術(shù)相結(jié)合 應(yīng)對蔬菜缽苗栽培工藝的規(guī)范化 標(biāo) 準(zhǔn)化 深入研究取苗機構(gòu)工作原理及與蔬菜缽苗相適應(yīng)性的關(guān)系 而不能僅限 于仿制國外引進(jìn)的取苗機械 我們應(yīng)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(jié)合的發(fā)展道路 以通 用蔬菜缽苗取苗機械為主 并向標(biāo)準(zhǔn)化 系列化 規(guī)格化方向發(fā)展 同時機構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單 成本低廉 秧苗栽植質(zhì)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(shù) 提高蔬菜產(chǎn)量和季節(jié)性供應(yīng)蔬菜 以及提高蔬菜經(jīng)濟作物經(jīng)濟效益和社會效益的必要途徑 通過提高種植技術(shù)的 機械化水平 達(dá)到進(jìn)一步完善與取苗機械相配套的育苗設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù) 使育苗和取苗有機的結(jié)合 就可以降低種植成本 達(dá)到增加產(chǎn)量 提高經(jīng)濟效 益目的 23 因此 從長遠(yuǎn)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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 14 1 4 本文的研究目標(biāo) 針對目前半自動移栽機構(gòu)需人工取苗 工作效率低等缺點 以及日韓等發(fā) 達(dá)國家的取苗機構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)簡單 效率更高的蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的工作 原理與創(chuàng)新設(shè)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(gòu)進(jìn)行機構(gòu)創(chuàng)新 發(fā)明 旋轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu) 能夠?qū)崿F(xiàn)自動抓取和釋放蔬菜缽苗 并進(jìn)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(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行取苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè) 計出的取苗機構(gòu)能夠很好的滿足機械化取苗的工作要求 又能使機構(gòu)簡單高效 最后構(gòu)建蔬菜取苗機構(gòu)的測試試驗平臺 進(jìn)行取苗機構(gòu)的高速攝像試驗 通過 取苗試驗完善取苗臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 測試了取苗機構(gòu)的運動學(xué)特性 1 5 本文的主要工作及內(nèi)容安排 在對本領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)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(gòu)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(gòu)的運動學(xué)模型 第二章詳細(xì)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(chǔ) 在 VB6 0 環(huán)境下開發(fā)了用于機構(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 與制造 按照優(yōu)化出的參數(shù)進(jìn)行取苗機構(gòu)的機構(gòu)設(shè)計 對設(shè)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(gòu) CAD Proe 系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用環(huán)境 系統(tǒng)總 體結(jié)構(gòu)和特點 實現(xiàn)取苗機構(gòu)的實體建模制圖 第五章是全文的總結(jié)及展望 1 6 本章小結(jié) 1 分析了進(jìn)行蔬菜缽苗取苗機構(gòu)研究的重要意義 2 概述了國內(nèi)外蔬菜取苗機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)況及及存在問題 闡述了國內(nèi)蔬菜 15 取苗機構(gòu)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(nèi)容安排 第 2 章 蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的運動學(xué)分析 對于蔬菜移栽機的設(shè)計 要根據(jù)實際的使用要求對其的工作原理 結(jié)構(gòu) 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(jìn) 行構(gòu)思 分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程 其 設(shè)計是機械工程的重要組成部分 是機械生產(chǎn)的第一步 是決定機械性能的最 主要的因素 設(shè)計的努力目標(biāo)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(shè)計出最好的機械 即做出優(yōu)化設(shè)計 優(yōu)化設(shè)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(shè)計者的任務(wù)是按具體 情況權(quán)衡輕重 統(tǒng)籌兼顧 使設(shè)計的機械有最優(yōu)的綜合技術(shù)經(jīng)濟效果 過去 設(shè)計的優(yōu)化主要依靠設(shè)計者的知識 經(jīng)驗和遠(yuǎn)見 隨著機械工程基礎(chǔ)理論和價 值工程 系統(tǒng)分析等新學(xué)科的發(fā)展 制造和使用的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)資料的積累 以 及計算機的推廣應(yīng)用 優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學(xué)計算 從實際出發(fā)根據(jù) 一些限定條件進(jìn)行運動學(xué)設(shè)計和分析 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 16 2 1 取苗爪工作要求的實現(xiàn) 自動移栽機要求取苗機構(gòu)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(gòu)重復(fù)上述動作 通過分析現(xiàn)有取苗機構(gòu)的軌跡特點 為了順利從缽苗盤中夾取缽苗 取苗片進(jìn) 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(jìn)入和退出缽 苗盤的取苗軌跡要盡量的靠近 當(dāng)取苗機構(gòu)的處于取苗階段時 取苗片進(jìn)入缽 苗盤前完全張開 當(dāng)?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(jié)束后 取苗機構(gòu)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(gòu)進(jìn)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(jié)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(shù)特點和農(nóng)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(shè)計合理的非勻速傳動機構(gòu)是實現(xiàn)蔬菜缽苗取 苗機械手自動取苗的核心技術(shù) 要實現(xiàn)非勻速傳動的機構(gòu)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(jié)構(gòu)要求 基于這種要求 本文考慮用橢圓齒輪行星輪系機構(gòu)來實現(xiàn)非勻速傳動 并通過實際的考慮和大 量的調(diào)試 最終通過選擇合理的結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu) 該機構(gòu)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(xué)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(xué)模型 17 2 2 蔬菜缽苗取苗機械手的機構(gòu)組成與工作原理 如圖 2 1 所示 在鏈輪箱 18 內(nèi)固接在傳動軸 16 上的主動 鏈輪 17 經(jīng)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(nèi)安 裝有上 下對稱結(jié)構(gòu)的行星輪系 機構(gòu) 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(jié)構(gòu)相同的上取苗臂部件 12 和下取苗臂部件 13 在齒輪箱 7 內(nèi)的中心橢圓齒輪 6 通過法蘭 19 固定在鏈輪箱 18 的一側(cè) 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(zhuǎn)動 帶動齒輪箱 7 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 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(zhuǎn)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(gòu)簡圖 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 18 如圖 2 2 所示 齒輪箱內(nèi)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(dāng)齒輪箱 7 繞著中心軸 5 即取苗臂驅(qū)動軸 逆時 針方向回轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 1 周 當(dāng)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(jìn)入缽苗盤 28 夾持苗 當(dāng)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(gòu)各組件連接 關(guān)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(cè)設(shè)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(jié) 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(zhuǎn)中 心與取苗片尖點的連線與行星架的夾角為 0 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 19 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(jìn)行運動 學(xué)分析 首先要分析橢圓齒輪的嚙 合特性 橢圓齒輪轉(zhuǎn)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 和 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 和輪 長軸 共線 設(shè) 為兩軸心 O1O2 距離 C為橢圓齒輪 上的另一焦點 P0 為起始位置的0L 嚙合點 則有 所以 由00P 02O aOL210 橢圓的性質(zhì)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(shè)嚙合點為 i aLiii21 從圖 2 3 a 位置轉(zhuǎn)到圖 2 3 b 位置 兩齒輪嚙合齒數(shù)相等 故 CPOi 2 所以 因此 O1Pi 和 O2Pi 共線 i為任意嚙合點 即嚙合點POLiii21 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(cè)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 角位移 的變化1 而變化 a 初始位置 b 某時刻的位置 圖 2 3 橢圓齒輪節(jié)曲線 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 20 2 3 2 橢圓齒輪的角位移 角速度和傳動比分析 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(zhuǎn)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(dāng)橢圓齒輪傳動的主動輪 1 勻速順時針轉(zhuǎn)動時 從動輪 2 作逆時針變速轉(zhuǎn) 動 設(shè)主動輪 1 轉(zhuǎn)過角 以中心線 為始邊 沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動 從 21O 動輪 2 轉(zhuǎn)過角 中心線 為始邊 沿著順時針方向轉(zhuǎn)動 這時兩橢圓瞬212 心線在 接觸 重合 經(jīng)推導(dǎo)得 1B 在 0 之間變化 2 1 1 212coscos abkbr 2 式 2 1 中 為橢圓的短長軸之比 c 為橢圓半焦矩 ak 22bac 在 0 之間變化 2 2 222 coscos1 abkbr 2 由橢圓齒輪的傳動特性得 2 3 1 2212cosabr 故有 2 4 2221scoscobbaa 圖 2 4 橢圓齒輪嚙合初始位置 21 輸入 a b 1 2c For to 3600 18cbacCS os2 21 r2 211i2 圖 2 7 角位移 角速度和傳動比的求解圖 即 2 5 cos2 cos212 ba 由式 2 5 可確定從動輪角位移 與主動輪角位移 之間的關(guān)系 傳動比21 為 12i 2 6 221121cosrabik 因此 橢圓齒輪 2 的角速度 為 2 2 7 12 i 當(dāng) 時 即兩輪在圖 2 2 位置嚙合時 值最大 10 12i 2212maxcbaci 當(dāng) 時 即兩輪在 置嚙合時 值最小 1 1D212i 212minacbac 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(zhuǎn)角與傳動比的關(guān)系 只與 k 的大小有關(guān) 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 22 圖 2 6 主動輪轉(zhuǎn)角與傳動比的關(guān)系 2 4 蔬菜缽苗取苗機械手運動學(xué)模型的建立 2 4 1 運動學(xué)分析符合的說明 為方便分析 將運動學(xué)分析所涉及到的相關(guān)變量和常量列表于 2 1 表 2 1 運動學(xué)分析符號說明 符號 意義 備 注 符號 意義 備 注a 橢圓的長半軸 已知常量 k橢圓的短長軸之比 已知常量 某一時刻行星架轉(zhuǎn)過 的角位移 0 已知常量 2 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(zhì)心 C 連線對 BD 線的角位移 0 已知常量 0 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 變量 1 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 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 ab 為太陽輪轉(zhuǎn)動中心 也是行星架轉(zhuǎn)動中心 1O 為齒輪 中間輪 轉(zhuǎn)動中心 和 分2 1O2 別為橢圓齒輪 和 的焦點 和 分別為 橢圓齒輪 和 對應(yīng)的另一焦點 中心輪 太陽輪 固定于機架 在工作中保持靜止 設(shè)長軸 作為行星架轉(zhuǎn)動初始邊 與 x1O 1O 軸角度為 初始安裝角 行星架轉(zhuǎn)角為 0 相對于初始邊逆時針轉(zhuǎn)動時 為正 順時針轉(zhuǎn) 動時 為負(fù) 以 為行星架 的始邊 行星架順時1O 12 針轉(zhuǎn)動 用極坐標(biāo)方程表示橢圓齒輪 和 嚙 合位置 則 此時 P 為橢圓12cosbkr ab 0 1rO 21ra 齒輪 和 的嚙合點 a 初始位置 b 行星架轉(zhuǎn)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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 24 以 為行星架 的始邊 行星架相對輪 長軸轉(zhuǎn)過 則有 2O 12 21 0 2211cosbkr 221bkr 當(dāng) 在 0 之間時 在 0 之間 當(dāng) 在 之間時 在 2 221 之間 可根據(jù) 或 0 確定 的唯一角 21cs 21 2211obkr 32ra 以 為行星架 的始邊 行星架相對輪 長軸轉(zhuǎn)過 則有 3O 3 31 0 32311cosbkr 3312bkr 當(dāng) 在 0 之間時 在 0 之間 當(dāng) 在 之間時 在 231 之間 同樣可根據(jù) 或 0 確定 的唯一角 231cs 31 從上分析可知 取苗機械手旋轉(zhuǎn) 1 周 其中間輪和行星輪相對行星架的轉(zhuǎn) 角可以唯一確定 2 4 3 機械手上各點位移方程和各構(gòu)件角位移方程 對機械手進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析 首先要求出各點的位移 速度和加速 度及和各構(gòu)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(biāo)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0 xoy 相差 180 令 10 太陽輪和中間輪嚙合點 P 2 8 1cosinxry 25 行星輪與中間輪嚙合點 Q 2 9 21cosinxary 中間輪軸心 A 2 10 12cosinxay 行星輪軸心 B 2 11 14sia 由于齒輪盒旋轉(zhuǎn) 1 周取苗 2 次 蔬菜缽苗移栽機前進(jìn) 2 個株距 故行星輪 軸心的絕對運動方程為 2 12 80BjxHy 令 2021 中間輪質(zhì)心 2 13 22cosinAxLy 令 30031C 取苗臂質(zhì)心 C 包含與其固結(jié)的行星輪軸和行星輪 2 14 33cosinBCxLy 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 蔬菜缽體苗自動移栽機 取苗裝置設(shè)計 26 令 0031D 取苗片尖 D 點的相對運動方程為 2 15 cosinDBDxSy 取苗片尖 D 點的絕對運動方程為 2 16 180jDH 令 00312E 撥叉旋轉(zhuǎn)中心 E 2 17 cosinBExLy 其中 22cosBDES 223sBDCSL 2 4 4 機構(gòu)上各點的速度方程和各構(gòu)件角速度方程 根據(jù)各點的運動方程 可得其運動速度的參數(shù)方程和轉(zhuǎn)動角速度方程 太陽輪和中間輪嚙合點 P 2 18 11cosinisxry 行星輪與中間輪嚙合點 Q 2 19 2121 isincosrary 中間輪軸心 A 2 20 1i2cosxay 行星輪軸心 B 2 21 14ina 由于齒輪盒旋轉(zhuǎn) 1 周取苗 2 次 蔬菜缽苗移栽機前進(jìn) 2 個株距 故行星輪 軸心的絕對速度方程為 2 22 80BjxHy 令 221 中間輪質(zhì)心 2 23 222sincoAxLy 27 令 331 取苗臂質(zhì)心 C 包含與其固結(jié)的行星輪軸和行星輪 333sincoBCxLy 2 24 取苗片尖 D 點的相對運動速度 2 25 3sincoDBDxSy 取苗片尖 D 點的絕對運動速度 2 26 180jDH 撥叉旋轉(zhuǎn)中心 E 2 27 3sincoBExLy 下面計算行星架相對中間輪 的角速度 由反轉(zhuǎn)法可得 21 212r 由于橢圓齒輪 固定 所以 10 則 2 28 122ra 式 2 28 中 12cosbkr 同理 計算行星架相對行星輪 的角速度 由反轉(zhuǎn)法可得 31 312r 則 2 29 2131ra 式 2 29 中 221c