椭圆齿轮行星系大株距植苗机构的设计（含全套CAD图纸）.doc

Z S T UZhejiang Sci-Tech University学 士 学 位 论 文BACHELORS THESIS论文题目: 椭圆齿轮行星系大株距植苗机构的设计 作者姓名： 指导教师： 浙 江 理 工 大 学机械与自动控制学院毕业设计诚信声明我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。摘要移植是蔬菜生产过程中的重要环节之一，移植具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益，可以充分的利用光热资源，其经济效益和社会效益都非常可观。当前，国内正在应用的移植机械大多为半自动移植机，半自动移栽机靠手工送苗，效率低，劳动强度大，而国内自动移栽机的研究才刚刚起步，自动移栽机从取苗到植苗都由机械自动完成，效率高。国外虽有一些自动移栽机应用于生产，但还处于不断研究与推广阶段。植苗机构是将秧苗植入大田的最终机构，是旱田移栽机的核心工作部件。因此，植苗机构的设计对自动移栽机的发展至关重要。 本文主要的研究内容如下：1.根据植苗的技术特点和农艺要求，设计非圆齿轮行星系大株距植苗机构，满足机械植苗特殊的工作轨迹要求。2. 论述了该植苗机构的工作原理以及结构特点。3. 以建立的运动学模型为基础，基于可视化开发平台VB6.0，借用植苗机构辅助分析与优化软件，介绍了该软件的人机交互界面及功能，基于该软件，解决了该机构运动学分析难点。 4.进行植苗机构的总体设计，讨论了设计中应该注意的问题，最后在CAD2008下完成装配图和各零件的设计。5.建立植苗机构的三维实体模型，对其进行虚拟装配。关键词：大株距；椭圆齿轮；行星轮系植苗机构；工作机理；设计Design of Large Spacing Transplanting Mechanism with Oval Gear for Planetary GearsAbstractTransplanting 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. Transplanting mechanism is the ultimate mechanism to transplant seedlings into the field and the nuclear working component of dry farmland transplanter. Therefore, design of transplanting mechanism is important for the development of automatic transplanting machine.The major research contents of this paper are as follows:1. According to the technological characteristics and agricultural requirements, design of large spacing transplanting mechanism with Non-circular gear for planetary gears, which can satisfy the special working trajectory requirements of fetching and pick up plug seedlings automatically.2. The working principle and structural features of this automatic vegetable plug seedling pick-up mechanism has been discussed.3. Based on the established kinematic mathematical model and Visual Basic 6.0, develop the kinematic aided analytical of the transplanting mechanism. 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. 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 CAD2008. 5. Establish the solid model of all parts of this vegetable plug seedling pick-up mechanism in Proe5.0 and then carry out the virtual assemble.Keywords: Large spacing; Oval gear；Planetary gears transplanting mechanism; Work principle; Design目 录摘 要Abstract第1章 绪论1.1 论文的研究背景及意义.1 1.2 我国移栽机发展概况.1 1.2.1我国蔬菜钵苗移栽机存在的问题.2 1.2.2我国蔬菜钵苗移栽机存在问题解决途径分析.2 1.2.3蔬菜钵苗移栽机发展方向.3 1.3 国内外植苗机构研究现状及分析.4 1.3.1 旋转式机构.4 1.3.2 滑道式机构.7 1.4 本文的研究目标.8 1.5 本文的主要工作及内容安排.8 1.6 本章小结.9第2章 椭圆齿轮行星系大株距植苗机构的总体设计及分析 2.1 椭圆齿轮行星系大株距植苗机构工作原理.10 2.2 椭圆齿轮行星系大株距植苗机构的运动学分析.11 2.2.1 椭圆齿轮的啮合特性及优点的分析.11 2.2.2 椭圆齿轮的角位移、角速度和传动比的分析.12 2.2.3运动学分析符合的说明.14 2.2.4 植苗机构栽植嘴位移分析.15 2.2.5 栽植嘴上各点位移方程和各构件角位移方程.17 2.2.6 机构上各点的速度方程和各构件角速度方程.19 2.2.7 栽植嘴上各点的速度方程和各构件角加速度方程.20 2.3 本章小结.21第3章 基于VB6.0的行星系大株距植苗机构运动学分析 3.1 运动学仿真与优化软件开发语言选择.22 3.2 人机交互简介.22 3.3 运动学仿真与优化软件的功能.23 3.3.1椭圆齿轮参数计算.24 3.3.2植苗机构参数确定.24 3.3.3 速度分析.25 3.4 本章小结.26第4章 重要零件的设计 4.1 椭圆齿轮的设计 .27 4.1.1 椭圆齿轮的选择.27 4.1.2 椭圆齿轮的参数设计.27 4.2 箱体的设计.29 4.3 其他零件的二维图及三维图.30 4.4 重要零件的连接情况.32 4.4.1 凸轮与摆动齿轮(左)的连接情况.32 4.4.2 摆动齿轮（左）和摆动齿轮（右）的连接.34 4.4.3 椭圆齿轮的啮合情况.34 4.5 本章小结.35第5章 总结与展望 5.1 总结 .365.2 展望.37致 谢.38参考文献.39附录一.41第1章 绪论1.1 论文的研究背景及意义据FAO统计，2006年中国已成为世界上最大的蔬菜生产国，蔬菜产量约占世界总产量的49.61。20世纪80年代中期以来，随着蔬菜产销体制改革和种植业结构调整步伐的加快，全国蔬菜生产规模不断扩大，到2010年播种面积达到2.3亿亩，总产量5亿吨，人均占有量370千克，常年生产的蔬菜达14大类150多个品种2。蔬菜也是我国主要出口创汇商品之一，2011年我国蔬菜出口量973.4万吨，与2001年相比增长近1.5倍，年均增长9.4%；贸易顺差114.2亿美元，与2001年相比增长4.1倍，年均增长17.6%3。蔬菜已经成为我国农业中仅次于粮食的第二重要农产品。同时，蔬菜种植业也逐步成为发展我国农村经济的重要组成部分。旱地移栽机是一种将达到秧龄的秧苗移栽到大田中的机器。不管是半自动移栽机（人工取苗并将其喂入栽植嘴，植苗机构将栽植嘴内的秧苗植入大田）还是全自动移栽机（取苗和植苗分别由取苗机构和植苗机构完成）都有一套植苗机构，它是将秧苗植入大田的最终机构，直接影响移栽后秧苗的立苗率和伤苗率，从而影响成活率和产量，因此植苗机构的性能直接影响整台移栽机的作业性能和竞争力。1.2 我国移栽机发展概况 我国的旱地栽植机械的研究开始于 20世纪60年代，但农机和农艺明显脱节，忽略了综合经济效益，更没有科学地分析育苗移栽机械化过程的种种技术难题，从而使这一技术搁浅。近年来，栽植机械伴随着旱地育苗移栽技术的研究和推广而发展起来，已成为科研和生产部门关注的问题之一，又有多种新型栽植机械出现。但总体来讲，我国研制使用的栽植机械目前仍处于起步阶段，以半自动为主。 目前，移栽机按栽植器型式可分为钳夹式、链夹式、吊杯式、导苗管式及挠性圆盘式移栽机。不同型式的移栽机有其各自的特点，适合不同作物移栽的要求。目前国内已有的移栽机主要适用于秧苗株高小于30 cm，株距大于大于20 cm的玉米、甜菜和烟草等作物的移栽。 1.2.1我国蔬菜钵苗移栽机存在的问题我国栽植机械的研究开发方面虽然已有四十年的历史，并随着育苗技术的发展，以及劳动力成本的上升，在移栽机的研制方面取得了较大的进展，并逐步转向自动移栽机方面的研究，但目前仍然处于起步阶段，研制的移栽机都没有得到大面积推广应用11。蔬菜移栽机械研究刚起步，主要体现在以下几方面12。1、蔬菜移栽的品种、育苗方式、苗龄、行距、株距、种植密度及深度等方面在我国各地区存在很大的差异，对蔬菜栽植机械的开发提出了挑战。2、蔬菜育苗仍然以育苗床或营养土方式为主，所育秧苗不适合机械化移栽，栽植机械与育苗技术脱节，移栽机与秧苗不配套。3、蔬菜的温室种植面积逐步增加，露地种植面积在减小，产均种植规模小，不利于蔬菜栽植机械的发展。4、日前蔬菜移栽机以半自动为主，采用手工喂苗的方式，栽植频率受限于工人的喂苗能力，一般栽植频率不能超过40株分，导致移栽机作业效率低。5、对不同种类栽植机械与作物钵苗相适应性的研究工作进行得不充分，对栽植机械工作原理以及机械与作物生长要求相适应性研究不足。6、机器的性能和成本及农民的经济条件限制移栽机的推广。1.2.2我国蔬菜钵苗移栽机存在问题解决途径分析设计适合我国蔬菜移栽农艺要求，开提高移栽机自动化程度和机具性能。针对我国蔬菜移栽机存在的问题，找出解决问题的应对措施。主要做好以下几个方面13-15。1、建立育苗移栽技术体系，生产各环节形成一套规范化管理。建立适宜机械化作业的育苗移栽技术体系，涉及到品种选育、土壤肥料、作物栽培、机械设计与制造和自动控制等领域，还将涉及到病虫害防治、塑料工业、太阳能利用、温室技术等方面。使农机和农艺相适应，加强从育苗到移栽整个系统的研究，使育苗和移栽有机地结合。生产的各个环节都建立了一整套的规范化的操作管理制度，使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化，使其作物的生产实现了商品化、系列化。2、制定统一技术标准和评价方法，形成产品标准化、系列化和规格化。我国没有制定统一的技术标准，各种移栽机难以标准化，不利于其发展。应该由国家制定统一的技术标准，形成产品标准化、系列化和规格化。目前没有形成统一的评价方法，如何科学地评价栽植机的性能，是目前亟待解决的一个重要问题。3、改变单钵输送方式，提高移栽机自动化程度。目前，栽植机械的喂入方式主要以人工喂入为主，工作效益低下。这就需要改变以往以人工喂入单钵的方式，采用成盘钵苗的输送方式，设计专门的切盘机构，在机器上把钵苗盘切成单钵再投钵，提高其工作效率，实现全自动化。4、根据某些作物移栽的特殊要求，设计特色机型。某些作物对移栽有特殊的要求，如大葱和韭菜需要较小的株距：有些蔬菜需要较窄的行距。但目前国内缺乏适合这些特殊要求的栽植机，可以为它们单独设计性能卓越的栽植机。5、农机部门适时引导，国家政策宏观调控。虽然移栽机械使种植方式发生了重大的变化，其可行性和经济性已得到了论证，但是，农民的认识水平毕竟有一定的局限性，对于移栽机械的推广和应用不可能很快地全面接受。所以，农机部门要适时对其进行引导。1.2.3蔬菜钵苗移栽机发展方向蔬菜育苗移栽机械化是一个系统工程，应加强从育苗到移栽整个系统的研究，进一步完善与移栽配套的育苗设施及相应的配套技术，使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化。制定统一技术标准利评价方法，形成产品标准化、系列化和规格化。研究解决钵苗整钵、断根、装盘和运输等中间环节工作过程的机械化自动化问题，使育苗和移栽有机的结合，研制出多种适合我国蔬菜农艺要求的全自动移栽机，实现我国蔬菜的育苗工厂化生产和移栽机械化作业的生产模式。提高我国蔬菜种植机械化水平，促进我国蔬菜生产的快速发展，改善人们生活水 平18。目前国内外的蔬菜移栽机都是以没有取苗机构的半自动的为主，从已有的取苗机构来看，这些机器的取苗机构要么结构复杂，设计制造成本高，要么工作可靠性差，最关键的是，日本的取苗机构在中国都申请了专利保护。目前在我国，蔬菜取苗机构的应用还处于空白，而针对蔬菜取苗机构的研究才刚刚起步，未见系统的理论研究，这将制约我国具有自主知识产权的蔬菜取苗机构的开发。而且，实现蔬菜钵苗顺利并可靠的自动取苗是一项系统工程，建立适宜的系统化蔬菜钵苗自动取苗技术体系，将涉及多个研究领域，如园艺、植保、农学、机械设计与制造、自动控制等，这就需要进行多学科的联合攻关。从我国国情及农村状况考虑，要形成我国特有的蔬菜钵苗取苗技术体系，需要将农机与农艺、栽植机械与育苗技术相结合，应对蔬菜钵苗栽培工艺的规范化、标准化，深入研究取苗机构工作原理及与蔬菜钵苗相适应性的关系，而不能仅限于仿制国外引进的取苗机械。我们应该积极发展全自动蔬菜移植器械，同时走专用的蔬菜钵苗取苗机械与通用的蔬菜钵苗取苗机械相结合的发展道路，以通用蔬菜钵苗取苗机械为主，并向标准化、系列化、规格化方向发展，同时机构结构简单、成本低廉、秧苗栽植质量可靠19。实现取苗作业机械化已成为我国蔬菜种植迫切需要解决的问题。蔬菜育苗取苗机械化是推广普及蔬菜育苗移栽技术，提高蔬菜产量和季节性供应蔬菜，以及提高蔬菜经济作物经济效益和社会效益的必要途径。通过提高种植技术的机械化水平，达到进一步完善与取苗机械相配套的育苗设施及相应的配套技术，使育苗和取苗有机的结合，就可以降低种植成本，达到增加产量，提高经济效益的目 的20。因此，从长远看，蔬菜取苗机械具有良好的发展趋势和广阔的发展前景。1.3 国内外植苗机构研究现状及分析 植苗机构一个作业循环可以分为接苗、运苗、植苗和回程4个阶段。植苗机构根据能否在膜上打孔实现铺膜移栽，分膜下移栽（不能在塑料薄膜上打孔移栽，开沟器事先开沟，秧苗被栽植嘴植入沟中并由后续的覆土镇压轮定植，栽植嘴主要有钳夹、链夹、挠性圆盘和导苗管）和膜上移栽（可在事先铺好的塑料薄膜上打孔移栽，无需开沟器，秧苗被植入穴口（栽植嘴从进入到退出垄面过程中在垄面以下包络出来的凹坑）中，栽植嘴通常为对开的鸭嘴）。根据作业方式还可分为旋转式机构（包括钳夹式、链夹式、挠性圆盘式和吊杯式植苗机构）、往复式机构（七杆式和多杆式植苗机构）和滑道式机构（四连杆滑道式和行星轮滑道式植苗机构）。1.3.1 旋转式机构1、钳夹式植苗机构：如图1.1，由人工将秧苗放入转动的钳夹上，随栽植盘转动，到达苗沟时，钳夹在滑道开关控制下打开，秧苗因自身重落入苗沟，然后镇压轮覆土，完成移栽。该植苗机构，株距调节困难，钳夹容易伤苗，高速时漏苗增加。 1.横向输送链 2.钳夹 3.机架 4.栽植盘 5.镇压轮 6.开沟器图1.1 钳夹式植苗机构2、链夹式植苗机构：如图1.2，钳夹安装在环形链上，随环形链转动到上方水平位置时，人工将秧苗放入钳夹内；转入滑道后受力夹紧秧苗；到达苗床时恰好垂直于地面，此时钳夹脱离滑道控制自动打开，秧苗落人苗沟中，然后完成覆土、镇压。该植苗机构移栽稳定，但效率低，易漏苗、伤苗。 1.开沟器2.机架3.滑道 4.秧苗5.环形链 6.钳夹7.地轮 8.传动链 9.镇压轮 图1.2 链夹式植苗机构3、挠性圆盘式植苗机构：如图1.3，人工将秧苗放入输送带的槽内，输送带将秧苗喂入可以开启的挠性圆盘内，秧苗随着圆盘转动，达到垂直状态时进行栽植。该植苗机构不受秧夹数量的限制，对株距的适应性好，但挠盘的材料选择难度大，容易老化，寿命较短，栽植的秧苗易倾倒，立苗率低。学者们对挠性圆盘式植苗机构的运动轨迹、特征参数及钵苗运动进行分析，以提高立苗率，但把钵苗当刚体来分析。1.秧苗 2.输送带 3.开沟器 4.挠性圆盘 5.覆土镇压轮图1.3 挠性圆盘式植苗机构4、吊杯式植苗机构：如图1.4，也称吊篮式植苗机构，由栽植圆盘、驱动圆盘、吊杯和开启凸轮等工作部件组成。驱动圆盘驱动栽植圆盘转动，吊杯随栽植圆盘转动，并始终垂直于地面。当吊杯转到最高位置时，人工将秧苗放入吊杯中；转到最低位置时，开启凸轮将吊杯鸭嘴打开，秧苗自由落人开沟器开出的沟内，随后覆土，镇压完成栽植。中国农大、沈阳农大和石河子大学等的学者对该植苗机构轨迹和姿态进行分析：栽植嘴在作业过程中始终直立向下，静轨迹是圆，动轨迹是类摆线（包括余摆线、摆线和短摆线，钳夹式、链夹式、挠性圆盘式植苗机构栽植嘴的动轨迹也是类摆线），如图1.4。该动轨迹回程过于前倾导致栽植嘴容易与植入穴中的钵苗干涉，甚至会回带钵苗，影响直立度并损伤钵苗。如果用于膜上移栽，摆线或短摆线的轨迹还会导致栽植嘴挖出的穴口太大，影响直立度 1.栽植圆盘 2.吊杯 3.驱动圆盘 4.开启凸轮图1.4 吊杯式植苗机构 1.3.2 滑道式机构1、四连杆滑道式植苗机构：如图1.5，工作时由人工将秧苗放在苗夹上，在四连杆机构和滑道的共同作用下，将秧苗按设计的轨迹和姿态植入到开沟器开出的苗沟内。四杆机构作业惯性力大，滑道磨损厉害且不便加工。 1.苗夹 2.四连杆机构 3.滑道 图1.5 四连杆滑道式植苗机构2、 行星轮滑道式植苗机构：如图1.6，由行星轮系1、连杆2和3、滑道4和栽植嘴5组成，栽植嘴的轨迹和姿态由行星轮系1和滑道4共同控制，用于洋马公司的步行式单行全自动蔬菜移栽机。该植苗机构滑道易磨损，存在振动，轨迹不连续（如图1.6）；且只有单个栽植嘴，作业效率低，每分钟60次左右。 图1.6 行星轮滑道式植苗机构的机构简图对以上各种不同类型的植苗机构的介绍和分析,是我们对植苗机构有了更深的认识,对各自的优缺点得以了解,给我以下要进行的设计提供了参考方案和显示出了要注意的细节。1.4 本文的研究目标针对目前植苗机构工作效率低、立苗率低等缺点，以及日韩等发达国家的植苗机构的复杂结构、高制造成本、以及在我国申请了专利保护等问题。本文将在对现有植苗机构的分析研究基础上设计一种稳定性高、效率高的植苗机构，以满足大株距植苗的机械自动化。本文将设计拥有三个栽植嘴的椭圆齿轮行星系大株距植苗机构，相对于两个栽植嘴的植苗机构而言，本文设计的植苗机构在不提高转速的情况下将极大的增加工作效率。1.5 本文的主要工作及内容安排第一章论述了国内外钵苗移栽机植苗机构的研究现状，分析了各植苗机构的优缺点。第二章论述了椭圆齿轮植苗机构的工作原理和整体结构分析，对机构进行运动学分析。第三章利用VB6.0对机构进行分析，得到机构栽植嘴的运动轨迹及速度变化曲线。第四章论述对重要零件的设计，应用CAD2008和Proe5.0分别画零件的二维图和三维图。1.6 本章小结1、介绍了论文的研究背景及意义；2、论述了国内外钵苗移栽机植苗机构的研究现状，分析了各植苗机构的优缺点； 3、指出本文的研究目标；4、介绍了论文的主要工作及内容安排。第2章 椭圆齿轮行星系大株距植苗机构的总体设计及分析基于对各种植苗机构的优缺点分析,提出非圆齿轮行星系大株距植苗机构的设计方案,并利用VB平台编写该植苗机构的运动学仿真,以确保植苗特殊的轨迹要求。2.1 椭圆齿轮行星系大株距植苗机构工作原理图2.1 为非圆齿轮行星系大株距植苗机构二维装配图。作业时太阳齿轮16固定不动，中心轴1带动右箱体13匀速转动。通过太阳齿轮16、中间轮6 和行星轮3 的啮合，使得行星轮轴2相对右箱体13做反方向非匀速转动，由于鸭嘴型栽植器固定在左、右摆动齿轮上，左、右摆动齿轮连接在右定位法兰(左)8上，右定位法兰(左)8通过右定位法兰(右)9以及行星轴定位销5固定在行星轮轴2上,所以就形成了鸭嘴型栽植器的随箱体转动的特殊植苗轨迹。行星轮轴2相对右箱体13做反方向非匀速转动,行星轮轴2和右箱体13的相对运动,使得固定在右箱体13上的凸轮14挤压摆动齿轮(左)17使其摆动,由于摆动齿轮(左)17摆动齿轮(右)18啮合, 鸭嘴型栽植器固定在左