共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构机理分析与优化设计

摘要

水稻为我国主要粮食作物，种植面积常年维持在3000万公顷左右，占我国谷物种植总面积的30％，稻谷总产量约20000万吨，占我国粮食总产量的40％。全国近60％的人口以稻米为主食，水稻在我国粮食生产中的作用不可替代，在粮食安全问题上也举足轻重，而我国水稻种植机械化总体水平不高。在有限劳动力及耕种面积约束下，水稻种植机械化是提高粮食产量的必经之路。
　　 钵苗移栽是水稻主要机械种植方式之一。钵苗移栽可充分利用光热资源，提高作物复种指数，具有对气候的补偿作用和延长作物生育期的综合效益，能有效地提高单产和作物的品质，节约成本效果明显，具有其他种植方式不可比拟的优势。移栽机构作为水稻钵苗移栽机的核心工作部件，其性能优劣直接决定了移栽机的整体水平。现有移栽机构工作机理和结构复杂，加工困难，作业质量得不到保证，成为限制移栽机应用和推广的主要原因。如果能发明一种结构简单、作业质量好、工作可靠、效率高的移栽机构，这将解决水稻钵苗移栽机研制和推广的难题，为我国水稻种植机械化水平的提高创造有利条件。
　　 本文突破传统结构，成功设计了一种“共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构”，具有独立的自主知识产权，主要研究内容如下:
　　 (1)通过对现有水稻钵苗移栽机构的工作机理和运动特性分析，指出旋转式水稻钵苗移栽机构研究面临的关键问题，即在实现取苗的同时实现栽植动作，并针对旋转式水稻钵苗移栽机构需要的工作轨迹进行了探讨。
　　 (2)针对旋转式水稻钵苗移栽机构所需满足的工作轨迹复杂、折点多及突变大的特点，而单靠非圆齿轮传动难以实现的问题，本文提出了一种“共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构”（专利申号:201210421617.1），将非圆行星轮系的牵引运动与共轭凸轮形成的摆动合理的叠加在一起，促使移栽机构形成类似企鹅形的静工作轨迹。取秧段轨迹细长如鸟喙，能够保证移栽臂将钵苗从钵盘中取出，栽植阶段轨迹如同企鹅的身体，保证移栽臂有足够行程将钵苗以一定姿态植入地里，从而实现钵苗移栽。机构集取苗及植苗于一体，工作过程中传动连续、平稳，没有刚性冲击，同时具有结构简单，重量轻，振动小，制造成本低等优点。
　　 (3)对机构工作机理及特点进行了详细论述，建立了共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构的数学学模型，其中主要包括两方面:非圆行星轮系牵引机构数学模型及摆动共轭凸轮机构数学模型，并对机构运动学进行了分析。
　　 (4)以机构数学模型为基础，自主开发了移栽机构计算机辅助分析与优化软件系统（软件登记号:2012R11L093174），详细介绍各子软件界面、功能模块及特点。基于该软件，成功解决了移栽机构的优化、共轭凸轮结构设计及非圆齿轮加工问题。
　　 (5)根据水稻钵苗移栽的农艺要求，制定了机构运动学优化目标，并对机构结构提出要求。对机构优化方法进行了探讨，并分析参数变化对移栽机构运动特性及结构性能的影响，为机构优化指明方向。利用自主开发的分析与优化软件系统，优化出移栽机构结构参数，较好地满足水稻钵苗移栽农艺要求及结构要求。
　　 (6)根据优化得到的结构参数，利用自主开发软件，完成了移栽机构的整体结构及零部件的设计，并讨论了设计中应该注意的问题，最后在AutoCAD2008下完成机构装配图和各零部件设计。
　　 (7)借助UG软件对移栽机构零部件进行三维建模及和虚拟装配，并将三维模型导入到ADAMS中进行了虚拟样机仿真。将虚拟样机实验结果与自主开发的优化软件分析结果进行了对比，两者的机构工作轨迹、速度及加速度曲线高度一致。验证了理论计算的正确性，并为后续移栽机构样机加工提供有力保障。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水稻钵苗移栽机构研究的背景及意义

1．2 水稻机械种植概述

1．3 水稻钵苗移栽机构国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 移栽机构的发展趋势

1．5 本文的主要工作及内容安排

1．6 本章小结

第二章 共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构的数学模型

2．1 机构的工作过程及原理

2．2 非圆行星轮系传动特性分析

2．2．1 主、从动齿轮节曲线分析

2．2．2 传动比分析

2．3 非圆行星轮系牵引机构运动分析

2．3．1 行星轮系角位移分析

2．3．2 角速度分析

2．3．3 角加速度分析

2．4 摆动式共轭凸轮机构分析

2．4．1 凸轮运动规律

2．4．2 主凸轮轮廓曲线计算

2．4．3 副凸轮轮廓曲线计算

2．5 移栽臂相对转角分析

2．6 移栽机构相对运动分析

2．6．1 相对位移分析

2．6．2 相对速度分析

2．6．3 相对加速度分析

2．7 移栽机构绝对运动分析

2．7．1 绝对位移分析

2．7．2 绝对速度分析

2．8 本章小结

第三章 共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构CAA系统开发与实现

3．1 优化软件概述

3．1．1 软件开发的背景及意义

3．1．2 软件开发及应用环境

3．1．3 移栽机构软件系统的结构及特点

3．2 移栽机构计算机辅助分析与优化软件系统主要功能介绍

3．2．1 移栽机构运动分析软件的开发

3．2．2 共轭凸轮机构分析与设计软件开发

3．2．3 变性椭圆齿轮齿廓生成软件

3．3 本章小结

第四章 共轭凸轮非圆行星系水稻钵苗移栽机构参数优化

4．1 移栽机构参数优化的目标要求

4．1．1 优化目标的定制

4．1．2 结构参数优化的方法

4．2 参数变化对分插机构运动特性的影响

4．2．1 移栽机构参数影响分析步骤

4．2．2 移栽机构参数变化的影响

4．3 移栽机构各参数的优化

4．2．1 移栽机构优化参数的确定

4．2．3 移栽机构参数优化的结果

4．4 共轭凸轮摆动机构传动特性分析

4．4．1 共轭凸轮压力角分析

4．4．2 主凸轮曲率半径分析

4．5 本章小结

第五章 共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计

5．1 移栽机构的整体结构设计

5．2 移栽机构结构设计

5．2．1 非圆行星轮系牵引机构的设计和安装

5．2．2 共轭凸轮摆动机构的设计和安装

5．2．3 移栽臂的设计

5．2．4 移栽机构初始安装位置

5．3 部件设计的注意事项

5．4 本章小结

第六章 共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构三维建模及虚拟样机仿真

6．1 系统环境介绍

6．2 变性椭圆齿轮的实体建模

6．3 移栽机构虚拟样机三维建模的实现

6．4 移栽机构总装配体的干涉检查

6．5 基于ADAMS移栽机构虚拟样机动态仿真

6．5．1 虚拟样机三维模型的导入

6．5．2 机构模型的简化

6．5．3 施加约束和驱动及载荷

6．6 样机仿真分析与结果

6．6．1 秧针尖点运动轨迹分析

6．6．2 后处理分析

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 进一步工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果