非圆齿轮行星轮系全自动水稻钵苗移栽机核心机构设计与优化

摘要

水稻在我国的粮食作物中，其栽植面积最大、亩产量高、总产最多，在粮食安全中占有极其重要的地位。我国2011年水稻总产量占全国粮食总产量的35.15％，黑龙江省2012年水稻种植面积为5300万公亩，五年内增长了47％，种植面积居首位。目前，全国耕地不断减少，人口规模不断扩大，提高水稻生产能力，特别是提高亩产，是保障我国粮食安全的长期战略目标。而我国人口的不断增加导致对粮食需求的增长，粮食供给更加困难。所以在有限劳动力及耕种面积约束下，提高水稻生产机械化整体水平就显得及其关键。我国现阶段农业综合机械化水平还很低，其中以水稻机械化插秧水平最为薄弱。快速提高水稻生产机械化使用率，降低水稻生产的劳动强度，提高劳动生产率，增大产能，降低生产成本，增加收益，是提高水稻综合生产能力，保障我国粮食供应安全的重要举措。 随着我国近年来工厂化机械育秧技术的逐步发展与完善，在我国水稻种植中水稻钵苗移栽机的应用将会得到更进一步推广。因此，研发一种机构简单、性能可靠的钵苗移栽机构，来满足广大农民的需求。这种移栽机构应满足我国的发展国情，拥有广泛的适用性，能够实现超级稻种植的推广，对于我国水稻机械化栽植整体水平的提高具有重大意义。 本文基于非均匀B样条曲线拟合理论发明了一种新型回转式非圆齿轮行星系全自动水稻钵苗移栽机构。该机构可以形成水稻钵苗移栽的“8”字形特殊轨迹，成功地用一套机构完成取苗、输送和栽植三个动作，具有结构简单、成本低、振动小、效率高等优点。具体研究内容如下: 1)通过对现有国内外水稻钵苗移栽机械的工作特点及其结构原理深入的进行了分析和探讨，总结出了水稻钵苗移栽作业的要求及现有移栽机构存在的多种问题。研发出了一种结构简单、性能可靠、高效率，低成本的回转式水稻钵苗移栽机构。 2)详细说明B样条非圆齿轮水稻钵苗移栽机构的工作机理及特点，通过将非圆齿轮行星轮系自身所形成的复合运动，使得移栽臂形成了特殊的“8字形”工作静轨迹。建立B样条非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的数学模型，并进行了机构的运动学分析。针对回转式移栽机构的优化特点，即目标优化数目多，可变参数种类多，相互之间联系复杂;基于MATLAB7.0 GUI软件开发平台，开发出“非圆齿轮水稻钵苗移栽机构计算机辅助分析与优化软件”（软件登记号为:2013SR071209），并制定参数优化目标，并将其量化。通过人与机器之间相互交流的优化方法，可以对移栽机构的参数进行优化，逐步调整优化参数，使其符合移栽机构的目标要求，为机构的参数优化指明了方向，并求得出一组最佳的设计参数。 3)通过优化软件优化出来的参数，在AutoCAD2008环境下绘制完成了机构的装配图以及各零部件图，并利用UG8.0对优化并绘制好的二维图纸进行建模，并生成三维图和三维整体的装配。 4)建立移栽机构的虚拟样机模型，并在ADAMS2010中进行虚拟样机动态仿真试验。通过对移栽机构动态仿真得出的运动轨迹比对分析，以此来验证理论数学模型建立的正确性，并根据分析出的结果对结构进行更进一步优化设计。 5)根据最优的优化结果，对本文提出的回转式非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构进行样机试制，结合虚拟样机的仿真结果，通过田间试验，发现问题、解决问题，积累相关经验，为下一步对移栽机构的完善做好准备。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 本课题研究的目的和意义

1．2 水稻钵苗移栽机的国内外现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 水稻钵苗移栽机的发展趋势

1．4 本文研究的主要内容和技术路线

1．4．1 研究的主要内容

1．4．2 研究的技术路线

2 反算控制点的三次非均匀B样条非圆齿轮节曲线设计

2．1 三次非均匀有理B样条的简介

2．2 反算控制点三次非均匀有理B样条闭曲线

2．2．1 三次B样条曲线基函数

2．2．2 反算三次非均匀有理B样条插值曲线的控制顶点

2．2．3 三次非均匀有理B样条插值闭曲线上点的计算

2．3 非圆齿轮节曲线的生成

2．4 本章小结

3 回转式非圆齿轮行星系水稻钵苗移栽机构的运动学分析

3．1 移栽机构工作原理

3．2 三次非均匀有理B样条非圆齿轮副的节曲线模型

3．3 非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的轨迹与姿态

3．4 水稻钵苗移栽机构的运动学模型建立

3．4．1 移栽机构的(角)位移分析

3．4．2 移栽机构的(角)速度分析

3．4．3 移栽机构的(角)加速度分析

3．5 本章小结

4 回转式非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构CAA系统的开发与实现

4．1 优化软件开发概述

4．1．1 优化软件的开发与应用环境

4．1．2 优化软件的设计思想

4．2 优化软件系统简介

4．2．1 优化软件操作界面

4．2．2 优化软件系统机构

4．3 参数目标优化

4．3．1 确定优化目标

4．3．2 量化优化目标

4．4 主要输入参数对移栽机构运动轨迹和姿态的影响

4．5 本章小结

5 回转式非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计

5．1 非圆齿轮行星系水稻钵苗移栽机构的二维整体结构

5．2 非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构各分部的结构设计

5．2．1 移栽臂的二维结构设计

5．2．2 移栽机构夹持装置的设计

5．2．3 非圆齿轮行星轮系的二维结构设计

5．3 非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构初始安装位置的确定

5．4 本章小结

6 回转式非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的三维建模与虚拟样机仿真

6．1 软件系统的环境介绍

6．1．1 三维建模软件UG(Unigraphics NX8．0)简介

6．1．2 虚拟样机仿真软件Adams／view2010简介

6．2 虚拟样机建模与仿真流程简介

6．3 虚拟样机三维模型的建立

6．3．1 非圆齿轮的三维建模

6．3．2 移栽机构各零部件的三维建模

6．3．3 移栽机构装配体的三维模型建立

6．3．4 移栽机构三维建模的干涉检查

6．4 虚拟样机三维模型的动态仿真

6．4．1 虚拟样机三维模型的导入

6．4．2 虚拟样机三维模型在Adams／view2010中的预处理

6．4．3 虚拟样机三维模型在Adams／view2010中运动副的添加

6．4．4 虚拟样机三维模型动态脚本仿真

6．5 虚拟样机动态仿真结果分析

6．5．1 移栽机构虚拟仿真相对运动轨迹

6．5．2 移栽机构虚拟仿真绝对运动轨迹

6．6 虚拟样机Adams／PostProcess2010动态仿真后处理

6．6．1 夹秧片尖点虚拟仿真位移曲线

6．6．2 夹秧片尖点虚拟仿真速度曲线

6．6．3 非圆齿轮虚拟仿真速度曲线

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 下一步工作建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文