共轭凸轮-正圆齿轮水稻钵苗移栽机构的结构设计--毕业论文设计.doc

共轭凸轮-正圆齿轮水稻钵苗移栽机构的结构设计 摘要摘 要我国水稻栽种面积常年维持在3000万公顷左右，遍及大陆30个省，占我国稻谷总种植面积的30，占世界谷物总种植面积的20，水稻总产量约20000万吨，占我国粮食产量的40，占世界谷物产量的35%，居世界第一位。提高水稻的生产能力及产量，是保障我国粮食安全的长期战略目标。随着我国城镇化进程的推进，可耕种面积逐年缩少，从事农业劳动人口数量逐年下降，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的约束下，提高水稻生产机械化水平显得尤为重要。 为提高水稻产量，农艺专家经多年比较试种证明，水稻钵苗移栽技术由于不伤秧根、无缓苗期、秧苗低节位分蘖多，对于提高水稻产量具有明显优势（相对于插秧可以提高产量10%-20%），而且可以实现省种、节肥、节水、节约成本、提高品质和增加粮食产量的目的，并且可以提高复种指数。本文突破移栽机构的传统结构，成功设计出了一种“共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构”，主要研究内容如下：1）根据移栽机构运动分析及优化软件获得的结果，利用AutoCAD2010软件，完成了共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计，为后续的样机试制提供基础性文件。2）对共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构各部件设计时所要考虑的因素进行了讨论，并详述了非圆行星轮系牵引机构、摆动共轭凸轮机构及移栽臂的结构设计、安装及可能问题3）为了装配方便，首先将移栽机构转90作为初始安装位置，根据机构的传动关系确定了机构中共轭凸轮的初始安装角度为20。关键词：钵苗移栽机构；共轭凸轮；正圆齿轮行星轮系；结构设计- 25 -AbstractStructural Design of Transplanting Mechanism with Non-Circular Gear for Rice Pot SeedlingAbstract Rice planting area in China perennial maintain at about 30 million hectares, throughout the mainland 30 provinces, accounting for 30% of the total rice planting area of China, accounting for 20% of the total cultivated area of world grain, rice total output of about 20000 tons, accounting for 40% of Chinas grain output, accounting for 35% of world cereal production, ranking first in the world.engaged in agricultural labor population decreased year by year, and the population of our country is increasing demand for grain growth, So in the limited cultivated area and labor constraints, improve the level of mechanization of rice production is particularly important. In order to improve the yield of rice, agronomic experts after years of comparative plant experimentally demonstrated that rice pot seedling transplanting technology due to not to hurt the seedling root, no slow at seedling stage, low seedling tillering, for improving the rice yield has obvious advantages (compared with transplanting can improve the yield of 10% - 20%), and to achieve provincial, fertilizer saving, water saving, cost saving, improve quality and increase food production, and the increase of the multiple crop index. This paper breakthrough the traditional structure of the transplanting mechanism, designed a kind of conjugate cam - eccentric gear planetary gear train for rice pot seedling transplanting mechanism, the main research contents are as follows: 1) according to the results obtained by transplanting mechanism motion analysis and optimization software using autocad2010 software, completed the structural design of conjugate cam eccentric gear planetary gear train for rice pot seedling transplanting mechanism, provide the basic documents for subsequent prototype. 2) of conjugate cam non circular planetary gear train for rice pot seedling transplanting mechanism of each component design should consider the factors are discussed, and details of Non-circular Planetary gear train traction mechanism, a swing of conjugate cam mechanism and transplanting arm structure design, installation and possible problems 3) for ease of assembly. First of all, the transplanting mechanism turn 90 degrees as the initial installation position, according to the mechanism of the transmission relationship determine the conjugate cam mechanism in the initial installation angle of 20 degree.Keywords: pot seedling transplanting mechanism, conjugate cam, circular gear planetary gear train, structural design目录目 录摘要IAbstractII1 前言- 1 -1.1 水稻移栽机研究的背景及意义- 1 -1.2 国内外研究现状- 2 -1.2.1 国外研究情况- 2 -1.2.2 国内研究情况- 3 -1.3 水稻钵苗移栽机的发展趋势- 6 -1.4 研究内容- 7 -2 机构的工作过程及原理- 8 -3 共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计- 9 -3.1 移栽机构的整体结构布局- 9 -3.2 移栽机构各组成部分的结构设计- 10 -3.2.1 正圆齿轮行星轮系牵引机构的结构设计- 10 -3.2.2 摆动式共轭凸轮机构的结构设计及安装- 11 -3.2.3 移栽臂机构的结构设计及安装- 12 -3.3 移栽机构的初始安装位置确定- 17 -3.4 部件设计的注意事项- 18 -4 结论- 20 -参考文献- 21 -致谢- 24 -前言1 前言1.1 水稻移栽机研究的背景及意义 我国水稻种植历史悠久，河南的贾湖、浙江的河姆渡等地的炭化谷物表明，至少为七千年1，到目前为止，我国的口粮消费量约占粮食消费总量的55%，在口粮消费中水稻约占60%。据统计，我国水稻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，遍及大陆30个省（区、市），占世界水稻种植总面积的20，水稻总产量约20000万吨，占我国粮食总产量的40，占世界稻谷总产量的35%，居世界第一位。因此，水稻在我国口粮和粮食安全的问题上拥有极其重要的地位2-3。但是，随着我国城市化进程的推进，青壮年劳动力大量涌入城市，造成农村人口老龄化加剧，从事农业劳动人口的绝对数量下降，并且耕地面积逐年减少，这就会对农业生产造成一定的负担。因此，在有限的耕地面积及劳动力减少的条件下，利用机械来种植水稻是提升工作效率及增加产量的一条必经之路。近年来，国家逐渐发现农业生产机械化的重要性，并相应出台了多项政策，其中农业部为了大力推进水稻机械化生产，颁布了全国水稻生产机械化十年发展规划（2006-2015），规划指出：在5-10年内大力发展我国水稻优势产区，并将其作为重点，以水稻种植过程中的育秧、插秧、收获三个主要过程为发展其机械化的核心着力点，进而带动在田间耕整地、田间管理、烘干等过程的全面机械化，实现水稻生产主要环节的机械化水平达到70以上。力争在2020年之前，全国基本实现全程机械化的水稻生产模式4。目前水稻的种植机械按照不同的农业要求及实现形式大致分为两种，分别是直播机和移栽机。其中，采用机械直播水稻技术可以缩短育苗时间、减少移栽作业工序、降低作业成本、提高生产效率，有利于机械作业，适用于大面积种植水稻，但容易出现草害、倒伏等问题。此外与水稻移栽方式相比，直播方式的用种量大（约为移栽用种量的8-10倍），对水稻种植的地域、生长期、稻种品质、灌溉技术、整地质量等都有较严格的要求，而其产量优势并不明显5。所以我国水稻机械化种植还主要采用移栽技术。水稻移栽分为两种形式：插秧和钵苗移栽。插秧采用毯状苗和半钵毯状苗，从秧盘中取出毯状苗置于秧箱上，工作中分插机构从毯状苗上撕下一块秧苗，输送并栽植到地面，这种方式会对秧苗根部造成一定伤害，移栽后需要7-10天的缓苗期，对秧苗的健康发育造成不利影响，从而会影响产量；钵苗移栽将育有秧苗的穴孔型塑料秧盘与秧苗一起置于秧箱上，工作中栽植机构从秧盘上取出钵土苗，输送后栽植到地面。水稻农艺专家经多年比较试种证明，钵苗移栽由于不伤秧根而无缓苗期，有利于秧苗低节位的有效分蘖，可实现省种、节肥、节水、节约成本、提高品质、增加粮食产量的目的6，并可以提高复种指数，水稻钵苗移栽技术对水稻的产量提高具有明显优势，相对于插秧可以提高产量10%-20%7。与此同时，我国的人口数量以每年1600万的进度持续增长，对粮食的需求也在逐年增加，给我国粮食的供应及安全带来了极大的挑战。我国从九十年代初就开始从国外引进先进的移栽设备，其中包括水稻钵苗行抛机、水稻行栽机、水稻摆栽机等8。但是由于这些机器结构复杂、效率低且可靠性差等原因，市场没有适应中国农艺要求的低价高效的钵苗移栽机，该项农艺一直未能得到大面积推广，因此研究出适用于我国国情的轻简化、稳定、高效、价格低廉的水稻钵苗移栽机迫在眉睫，并具有深远的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究情况欧美、澳大利亚等一些发达国家通常是采用直播技术，对水稻钵苗移栽机的研究较少。亚洲是水稻的主产区及主要消费区，而日本一直是对水稻钵苗移栽技术研究最早的，也是领先的国家，因此仅对市场上出现的日本钵苗移栽机型进行介绍9-11。早在上世纪60年代，日本率先以纸筒育苗为基础，对纸制钵盘育苗方法进行研究，用来解决其在北方地区水稻插秧时秧苗抵抗寒冷和低温的问题，并解决了水稻秧苗育秧中的根部缠绕粘连问题，使纸质钵盘在技术上得到了突破。人们在此基础上利用其育苗，培育出的秧苗具有根系完整独立的特点，通过借助秧苗的运动学特性，进行人工抛秧，使水稻种植户从弯腰插秧传统方式，变为直立抛秧，经实践证明，此方法在一定程度上提高了产量。但是由于纸盘加工较复杂，且纸质钵盘使用一次不经济，未得到农户的认可12。到了1975年，日本研制出塑料秧盘，用来进行水稻钵苗育秧，为了配合这种秧盘，研究出了一种水稻钵苗移栽机，该机采用顶杆间歇工作的方法，将秧苗从钵盘下面顶出。由于要求定位机构具有一定的准确度，顶杆磨损严重，造成钵苗不能成功脱离钵盘，因此失败。接着日本洋马农机株式会社研制出了一种顶出式水稻钵苗移栽机构，该移栽机构是由顶出式分秧机构和旋转式栽植机构组成13，顶出式分秧机构的工作过程如图1-1所示，当钵盘运动到分秧位置时，顶杆快速伸入小孔，将秧苗顶出后，并迅速退出钵盘，在整个过程中，钵盘处于运动状态，这就要求整个机构协同度高。但在顶针的运动中，自身承受的冲击载荷大，对机构精度要求高，长期工作磨损后，整个机构协同度下降，常出现顶偏，损坏塑料秧盘，顶出时挂住秧苗的现象，且对整地和育秧质量有较高要求14。1.钵盘下移 2.顶杆运功 3.顶杆顶出秧苗图1.1 日本有序抛秧机构顶秧过程示意图Fig.1-1 Seeding ejection process sketch of Japanese transplanter2004年，日本研制出了旋转式栽植机构，其核心部件是由两个行星轮机构串联而成，如图1-2所示。其齿轮箱相当于行星架，第一齿轮箱由9个齿轮（其中2个扇形齿轮）和一套摆动凸轮机构构成；第二齿轮箱内装有五个齿轮，并与第一齿轮箱内的行星轮固连。作业过程中，顶出的钵苗通过水平输送带分别送至两侧旋转机构上15，通过旋转机构将钵苗植入地里，完成钵苗的移栽，实现带钵秧苗的成行移栽。该机可实现均匀移栽，且作业质量较好。但由于是两套机构完成移栽过程，且轨迹和机构较为复杂，可靠性低，设计和制造成本较高，所以该机器未能得到应用。如图1-4，是日本井关农机株式会社生产的一台有序水稻钵苗移栽机16。该机器具有不伤秧和栽植精度较高的特点，但其分秧、输送、栽植分别是由三套不同的机构完成，结构复杂，加工精度高、需要专配钵盘，整机价格昂贵（26万左右）。图1-2 钵苗移栽机构图1-3 日制水稻钵苗有序移栽机Fig.1-2 Seedling transplanting mechanismFig.1-3 The rice seedling orderly transplanting machine1.2.2 国内研究情况1990年代以来，我国的科研工作者们也逐渐开始了对水稻钵苗移栽机械的研究，在吸收国内外先进技术的基础上，中国农业大学、南京农业机械研究所、浙江大学、浙江理工大学、东北农业大学和黑龙江省八一农垦大学等国内各大高校、科研院所、企事业单位中的许多专家学者都相继开始了对钵苗育秧技术与移栽技术的研究17，并陆续研制出了一些移栽机器及模型。其中较为典型的机型如下：黑龙江八一农垦大学在1992年研制出的2SP-4型水稻抛秧机18，如图1-4（a）所示。该机器是由机械手滚筒机构与纵向、横向进给机构等组成。其核心部件的工作原理为：如图1-4（b）所示，套筒4固定在滚筒6上，随滚筒6旋转，伸缩凸轮5置于滚筒6内，固定不动，用来控制伸缩杆3的伸缩，伸缩杆3位于套筒4内，其一端伸入滚筒6内与伸缩凸轮5接触，另一端伸出套筒4并装有秧钳。在滚筒6运动至取秧位置前，由于伸缩凸轮5的作用，伸缩杆3逐渐伸出，当机构运动至取秧位置时，伸缩杆3达到最大行程，使秧钳1能够夹到钵苗，与此同时，套筒4上夹秧凸轮7刚好触碰到机架上的取秧挡铁，从而控制秧钳1的夹紧，在完成夹秧动作后，伸缩杆3由伸缩凸轮5的最高点运动至最低点，并通过压缩弹簧2的作用，伸缩杆3立即收回，从而将秧苗拔出钵盘。滚筒转过180后，机构运动至推秧位置，夹秧凸轮7触碰机架上的推秧挡铁8，使秧钳1张开，将钵苗抛入地里，从而实现水稻的移栽。且在滚筒6上可装多个套筒4，机器旋转一周可实现多次移栽。 (a)整体结构 (b)核心工作部件图1-4 2SP-4型机械手式水稻抛秧机总体结构图Fig.1-4 2SP - 4 type manipulator rice seedlings machine overall structure1. 机架 2.托盘 3.拨杆 4.输秧辊 5.秧苗 6.压盘板 7.支座 8.上拔秧辊 9.下拔秧辊图1-5对辊式拔秧机构Fig.1-5 The roller pulling seedling 该机构在取秧时，通过凸轮控制夹秧苗茎部，秧爪的预留间距和秧苗的粗细相互矛盾，会有漏秧、伤秧的情况发生，在栽秧时由秧钳通过机构回转产生的惯性力和秧苗本身的重力共同作用将秧苗抛向地面。但由于秧苗的个体大小不同，导致脱离钳口的时间很难控制，即很难实现精确移栽，并且秧苗直立度差，很容易出现倒伏及漂秧现象，没有得到大面积推广。图1-6 气吸式有序移栽机整机总体配置示意图Fig.1-6 Gas suction orderly transplanting machine machine overall configuration diagram2002年中国农业大学在2ZPY系列旋转锥盘式水稻抛秧机19-20的基础上，研制出2ZPY-H530型水稻钵苗行栽机21-24，如图1-5所示。该机器的移栽部分主要由输秧辊4、压秧板6、上拔秧辊8和下拔秧辊9组成。采用双辊式的拔秧方式，人为的将秧盘放到托板上并将其喂入输秧辊4，通过上下拔秧辊8、9沿相反方向旋转，使其上的夹秧板逐渐将钵苗从钵盘中拔出。两夹秧板随着拔秧辊的转动而脱开，秧苗在通过重力的作用进入导苗管并落入田中。该机构构思巧妙、结构简单，接近产业化，但由于钵苗依靠重力通过管道落入田中，株距的均匀性难以保证。2003年沈阳农业大学通过空气整根气吸方法研究出了一套水稻钵苗空气整根气吸式移栽机25，如图1-6所示，该机构利用了水稻钵苗空气整根育秧、气吸取苗、投苗的有序移栽方法。其工作原理为：当钵苗秧盘大口向下时，机器自动将其由移箱机构输送至吸气口上端，与此同时吸气阀门开启，钵苗在负压作用下脱盘并加速下落；当抵达至空气室时，落苗阀门打开，吸气阀门关闭，钵苗落入田地，完成移栽。该机构的限制在于只有4个投苗机构，机构通过间歇运动完成送秧、吸苗、落苗的移栽过程，限制了作业速度。图1-8 顶出式水稻钵苗移栽机样机Fig.1-8 Ejection type rice pot seedling transplanting machine prototype图1-7 七杆移栽机构及移栽轨迹Fig.1-7 Seven-link transplanting mechanism and transplantation trace2007年，延吉光华机械厂发明了一种水稻钵苗移栽机构26，并进行了试验应用。如图1-7所示，该机构是由动力传送齿轮箱10、移栽四轩机构和稳定三连杆机构组成。其中移栽四杆机构是由上驱动曲柄7、移栽臂连杆6、移栽臂杆23、摇杆14顺次铰接而成，在移栽臂杆23上装有夹秧装置；稳定三连杆机构是由摇杆14、稳定连杆18和下曲柄19依次铰链行成，通过移栽四杆机构和稳定三连杆机构共同作用完成取、送、栽的运动过程。该移栽机构在工作转速较低（约80r/min）时运行较稳定，取秧移栽过程中取秧爪11开闭准时准确，通过取秧爪11夹紧钵苗茎杆根部将秧苗拔出。通过田间试验发现，由于多杆机构配合复杂、惯性力大，造成振动大、工作效率低（单行移栽效率只有80次/min左右）。图1-9 旋转“探出式”水稻钵苗分秧机构Fig.1-9 Rotary elicition rice pot seedling transplanting mechanism2008年由浙江理工大学研制出顶出式移栽机（如图1-8所示）27，该机器设计巧妙，把水稻的人工无序抛秧转换成有序抛秧。其工作原理是:发动机的动力通过万向节传递到差速传动系统，通过差速传动系统驱动顶杆顶出机构和自动送秧机构，再通过自动输送机构驱动钵盘，当钵苗移动至顶杆处时，顶杆顶出机构就会从秧盘底部穴口将钵苗顶出，利用钵苗自使其进入导秧装置并落入田中，由底盘行走速度确定株距，进而实现水稻钵苗的有序移栽。该机构将无序抛秧转换成有序抛秧，但株距的均匀性和工作可靠性不高。由浙江理工大学研发的回转“探出式”水稻钵苗分秧机构28-29。如图1-9所示，实现了水稻钵苗的自动分秧。该机构利用了回转式分插机构的工作原理，通过变性卵形齿轮实现非匀速传动，促使移栽机构形成类似带尖嘴的三角形静轨迹，通过秧针的探出扎取秧苗。移栽臂尖点沿三角形轨迹逆时针运动，当移栽臂尖点运动至靠近秧箱的三角形尖点时，通过推秧凸轮作用，秧针迅速探出，扎入秧盘，将钵苗从钵盘内取出。该机构通过秧针扎入钵苗根部的方式取苗，秧针的探出是受弹簧力作用，长时间工作可能出现动作迟缓，扎入力度不够等问题，其可靠性有待考证，而且只能用于钵苗的取秧动作，需要配置栽植机构完成整个移栽过程。2013年东北农业大学与吉林鑫华裕农业装备有限公司合作研制出了乘坐式双曲柄式水稻钵苗移栽机30-32， 如图1-10所示。该机器通过核心部件双曲柄机构移栽机构，将钵苗先取出，再输送，最后栽入田中，实现用一个机构依次完成取秧、输送和栽植三个钵苗移栽动作，在黑龙江省和吉林省一定范围内进行了推广应用，是国内唯一形成批量并进入市场的水稻全自动钵苗移栽机。但由于杆机构的自身特点，机器振动大、效率低。（a）双曲柄水稻钵苗移栽机核心部件（b）整机式样图1-10 吉林鑫华裕双曲柄式水稻钵苗移栽机Fig.1-10 Jilin XinHuyu double crank rice pot seedling transplanting mechanism1.3 水稻钵苗移栽机的发展趋势纵观插秧机的发展史，其核心部件分插机构经历了滑道机构杆机构回转机构的进化过程。插秧机核心部件分插机构的发展史代表了插秧机由低级到高级的发展史：其核心部件由复杂到简单；造价由高到低；效率由低到高。一般来说，滑道机构结构复杂，造价高，由于自身动力学性能限制，只能用于低速的工作环境，工作效率低；回转机构结构简单，造价低，相对滑道和杆机构惯性力小，可以用于中、高速工作环境，工作效率高；杆机构居中。但是回转式钵苗移栽机构（回转机构）相对分插机构（杆机构）优化设计难度大，因为高速插秧机分插机构的轨迹为“腰子”形，轨迹圆滑过渡，没有突变，而取秧式回转钵苗移栽机构采用“8字”形轨迹，取土式为“鹰嘴”形，除了轨迹复杂外，取秧、输送和栽植过程中的目标和参数更多、耦合性更强，且对栽植臂的姿态要求更高。综上所述，回转式钵苗移栽机构优化设计难度大大超过了分插机构。因此一种可以通过一套机构完成钵苗移栽三个关键动作的高效、轻简化、回转式钵苗移栽机构是未来的发展趋势。1.4 研究内容 1）通过对现有水稻钵苗移栽机构的工作原理及特点进行了深入的分析和探讨，总结出水稻钵苗移栽的作业要求及现有移栽机构存在的问题，为移栽机构的研究指明方向，即研发一种高效、可靠、结构简单、成本低的回转式水稻钵苗移栽机构。本课题结合水稻钵苗移栽时所需要的农艺与运动轨迹的要求，采用共轭凸轮正圆齿轮行星轮系机构作为主要传动部件，设计出一种新的水稻钵苗移栽机构来满足水稻移栽机的要求。2）AUTOCAD2010平台上完成机构的零件图及装备图。机构的工作过程及原理2 机构的工作过程及原理如图2-1为共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的机构简图及工作轨迹，其中静轨迹呈“8字形”。行星轮系旋转360为一工作周期，完成取苗、输送、栽植三个动作。该机构由匀速转动的正圆齿轮行星轮系机构1、共轭凸轮摆动机构2和移栽臂3装配构成，其中正圆齿轮行星轮系机构的结构为：在太阳轮5上可转动地配装行星架7，中心轴4可转动地插配在太阳齿轮5中心孔内，并通过一端部与行星架7固接，在行星架7内可转动地配装中间齿轮6、行星齿轮8，中间轮6分别与太阳轮5和行星轮8啮合，行星轴9的内侧插装在行星轮8中心孔内，其端部与行星架7固接；共轭凸轮摆动机构2是由凸轮箱10、共轭凸轮11、摆杆12、不完全齿轮13和齿轮14构成，凸轮箱10可摆动地套装在行星轴9上，且凸轮箱10的一侧部插入在行星架7内与行星轮8固连，在凸轮箱10内装有共轭凸轮11、摆杆12、不完全齿轮13和齿轮14，其中共轭凸轮11固装在行星轴9上，齿轮14空套在行星轴9上，两根摆杆12与不完全齿轮13为一体，且可摆动地安装在凸轮箱10内，所述的两根摆杆12与共轭凸轮11接触配合，不完全齿轮13与齿轮14啮合，在齿轮14外端面上设牙嵌；移栽臂3是由壳体15及配装在壳体15内的拨叉16和推秧凸轮17构成，壳体15空套在行星轴9上，壳体15设有牙嵌的一端插入凸轮箱10内与齿轮14外端面上的牙嵌接触配合，推秧凸轮17固装在行星轴9外侧部上，且与拨叉16相配合。所述的太阳轮5、中间轮6和行星轮8为标准圆柱齿轮33。 （a）主视图及静轨迹图 （b）结构简图1、正圆齿轮行星轮系机构 2、共轭凸轮摆动机构 3、移栽臂 4、中心轴 5、太阳轮 6、中间轮 7、行星架 8、行星轮 9、行星轴 10、凸轮箱 11、共轭凸轮 12、摆杆 13、不完全齿轮 14、齿轮 15、壳体 16、拨叉 17、推秧凸轮 共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计3 共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计机构的结构设计是将理论模型转化为实际产品的关键桥梁，结构是否合理是整机加工的重要基础。根据第四章的优化结果，利用AutoCAD2010软件，完成移栽机构的各加工零件图纸及整机装配图，保证其结构的紧凑性、合理性、轻简性、稳定性及可加工性。3.1 移栽机构的整体结构布局1、 太阳轮 2、中间轮 3、中间轴 4、行星轮 5、行星轴焊接件 6、左壳体 7、右壳体 8、凸轮盒 9、副凸轮 10、主凸轮 11、摆杆 12、小齿轮 13、凸轮盖 14、定位板 15、下壳体 16、推秧凸轮 17、橡胶盖 18、拨叉轴 19、拨叉 20、推秧杆 21、弹簧座 22、移栽臂壳体图3-1 移栽机构整体结构图Fig.3-1 Transplanting mechanism entirety structure chart如图3-1所示，为共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的整体结构图，其结构设计的具体实施方案为：本机构主要由三个部分组成，分别为正圆齿轮行星轮系牵引机构，摆动式共轭凸轮机构及移栽臂机构，行星轮系上的两移栽臂机构相对太阳轮1回转中心对称分布。在正圆齿轮行星轮系牵引机构中：行星架由左壳体6、右壳体7组成，两者通过螺栓连接，并通过定位销与主传动轴固定，随主传动轴而转动；太阳轮1套装在主传动轴上，并通过牙嵌与主传动箱固定；中间轮2与太阳轮1啮合，并可转动的套装在中间轴3上；中间轴3可转动的镶嵌在行星架内，并通过轴承限位支撑，行星轮4与中间轮2啮合，可转动的套装在行星轴焊接件5上；行星轴焊接件5与行星架体通过螺栓固定。在摆动式共轭凸轮机构中：凸轮箱由凸轮盒8、凸轮盖13组成，两者由螺栓连接，并通过凸轮盒8一端的牙嵌与行星轮4相固定随其转动，并可转动的套装在行星轴焊接件5上，期内装有主凸轮11、副凸轮10、摆杆11、小齿轮12；主凸轮10、副凸轮9通过花键与行星轴焊接件5固连；摆杆11是由主、副摆杆与内齿轮组成，并可转动的套装在凸轮盖13上，其中内齿轮与小齿轮12啮合，主、副摆杆分别与主、副凸轮接触配合；小齿轮12可转动的套装在行星轴焊接件5上。移栽臂机构中包括定位板14、下壳体15、推秧凸轮16、橡胶盖17、拨叉轴18、拨叉19、推秧杆20、弹簧座 21、移栽臂壳体 22及夹秧片、后盖（图5-1中未显示），定位板14通过牙嵌与小齿轮12固连；移栽臂壳体22通过螺栓与定位板14固连；推秧凸轮16置于移栽臂壳体22内，通过花键与行星轴焊接件固连；拨叉19置于移栽臂壳体22内，可转动的套装在拨叉轴18上，上端与弹簧座21接触配合，下端与推秧凸轮16接触配合；拨叉轴18一端设有螺纹，以此与移栽臂壳体22固连；弹簧座21内设有内螺纹，与推秧杆20固连；推秧杆20置于移栽臂壳体22内，可在其中沿轴线做往复直线运动；下壳体15、夹秧片及后盖通过螺栓与移栽臂壳体22固连；橡胶盖17可安装在移栽臂壳体22上。由于每组行星轮系上装有两个移栽臂，所以机构在回转一个周期内完成两次水稻钵苗移栽。根据水稻移栽所需的行距，确定本机构的相邻两组行星轮系上移栽臂中心线的距离为。3.2 移栽机构各组成部分的结构设计3.2.1 正圆齿轮行星轮系牵引机构的结构设计 如图3-2所示，正圆齿轮行星轮系牵引机构主要由五个相同模数和齿数的标准圆柱齿轮及齿轮箱构成，是完成整个移栽机构绕主轴旋转的关键。根据第三章提到的优化软件中得到的正圆齿轮分度圆半径，及初始安装位置。在本机构的五个正圆齿轮中中间轮起连接作用，只负责在太阳轮与行星轮之间传递动力，所以其初始安装位置可调。太阳轮、行星轮带有牙嵌，与其它部件接触连接，应有固定的初始位置。其初始位置决定机构能否形成特定的轨迹。在移栽机构运动分析及优化软件中，机构在初始位置时移栽臂在取秧状态，但为了装配方便，本文将采用将整机转90的位置为初始安装位置。通过正圆齿轮完成机构的牵引运动是本机构的优势所在，正圆齿轮每个齿的力学性能都相同，传动比稳定，且容易加工。图3-2 正圆齿轮行星轮系牵引机构Fig.3-2 Circular gear planetary gear train drawing mechanism3.2.2 摆动式共轭凸轮机构的结构设计及安装摆动式共轭凸轮机构包括：凸轮盒与凸轮盖组成的凸轮箱，其内装有主、副凸轮，小齿轮及摆杆齿轮。其中凸轮盒与凸轮盖通过螺栓连接，主、副凸轮通过花键与行星轴焊接件固连，摆杆齿轮与小齿轮啮合，主、副摆杆分别与主、副凸轮接触配合，小齿轮与凸轮箱空套在行星轴焊接件上，并通过凸轮盒带有牙嵌的一端与行星轮配合，如图3-3（a）所示。摆动式共轭凸轮的运动规律是移栽机构形成“8字形”工作轨迹的关键，所以其结构设计是否合理直接决定移栽机构的工作性能及设计是否可行。根据在移栽机构运动分析及优化设计软件与共轭凸轮设计分析软件中所得到的参数，可得到主、副凸轮及摆杆的初始安装角，由于在前文提到的为了装配方便将整个机构在软件所得到参数的基础上，顺时针转90，所以在安装主、副凸轮时，通过计算应将其相对应顺时针转20，如图3-3（b）所示。由于在机构运动过程中，每回转一个周期主、副凸轮的每点都要与摆杆相接处。（a）共轭凸轮机构装配图 （b）共轭凸轮机构相对位置 图3-3 摆动是共轭凸轮机构Fig.3-3 Swing conjugate cam mechanism 主、副凸轮在单件加工时可采用线切割的方法，如需要大批生产可做模具或粉末冶金，并做相应的热处理保证强度及表面硬度，摆杆与小齿轮采用标准模数，其中对摆杆的热处理应主要强化其韧性及耐磨性，保证工作稳定，不易损坏，小齿轮通过牙嵌将动力及运动规律传递给移栽臂，应保证其初始位置的正确性及传动的平稳性，进而保证移栽机构的工作性能。3.2.3 移栽臂机构的结构设计及安装移栽臂机构为移栽机构的执行部件，其中包括移栽臂壳体定位板，推秧凸轮，拨叉，拨叉轴，弹簧座，推秧杆及夹秧片等零件。移栽臂壳体与定位板通过螺栓固连，相接处分别设有可调位置的小孔，方便调整移栽臂的角度，二者共同空套在行星轴上，且在定位板的一端设有牙嵌，与凸轮箱中的小齿轮固连，用来传递机构的运动规律。推秧凸轮、拨叉、弹簧座及推秧杆共同作用夹片的开合来完成模拟人手的抓住秧苗、拔出秧苗、带到地面、摁入地里及返回去抓下一个秧苗的过程，从而实现移栽机构的取秧、输送栽植及回程动作。通过移栽机构运动分析及优化软件可得到移栽臂的两直角边长度及其初始安装角度，通过所得的参数可对移栽臂壳体进行建模，在通过结构优化及设计经验可得出移栽臂的结构设计模型，如图3-4所示。由图可看出，移栽臂内部结构复杂，零件较多，且安装位置需要明确，下面将对各零件的设计方法及作用予以阐述：图3-4 移栽臂机构Fig.3-4 Transplanting arm mechanism1）移栽臂壳体设计及安装移栽臂壳体的作用相当于内部零件的容器，并起着与其它零件配合的作用。在其与定位板接触的平面设有七个小孔，用来对其位置进行微调，下方采用开放式设计，通过与移栽臂下盖的配合进行密封，有利于拨叉及推秧凸轮的安装及初始位置的确定，零件在加工的过程中进行拔模，左侧同样采用开放式设计，与后盖进行密封配合，有利于推秧杆及弹簧座的安装和零件在加工过程中在后方的拔模。在推秧杆运动的方向上设有两个孔，分别在其内装置铜套、橡胶缓冲垫及密封塞，用于对推秧杆起支撑作用，并能起缓冲及密封防尘的作用。移栽臂上方设有螺纹孔，用来固定两夹秧片。2）推秧凸轮、拨叉的设计及安装推秧凸轮及拨叉的工作原理为：移栽机构在工作的过程中，由于其机构本身的传递特性会使移栽臂与行星轴产生相对旋转角度，从而可导致通过花键固定在行星轴上的推秧凸轮及可转动的安装在移栽臂内的拨叉产生相对的滑动，再通过拨叉控制与其顶端接触的弹簧座及推秧杆，并依靠后盖与弹簧座间安装的弹簧压迫推秧杆，来实现推秧杆沿其轴线做往复摆动，即拨叉的一端与推秧凸轮接触配合，随着机构的转动使其沿着推秧凸轮的轮廓线滑动，与压紧弹簧共同控制推秧杆的伸缩。图3-5 推秧凸轮设计原理Fig.3-5 The design principle of detrusion seeding cam在移栽机构回转的过程当中，根据夹秧片与水稻钵苗的相对关系，两夹秧片尖点的相对位置关系可分为四种：将要夹紧状态、夹紧状态、推秧状态和自然状态，因而推秧凸轮轮廓线也应按照此四种状态设计，在每个阶段的交接处采取圆角过度，推秧凸轮个阶段所对应的凸轮轮廓