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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 蔬菜缽體苗自動(dòng)移栽機(jī)——取苗裝置設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
專(zhuān)業(yè)班級(jí) 09機(jī)械4班
姓 名 李宇通 學(xué) 號(hào) B09300414
指導(dǎo)教師 俞高紅
系 主 任 胡明 學(xué)院院長(zhǎng) 胡旭東
二O 一三 年 五 月 十六 日
浙 江 理 工 大 學(xué)
機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信聲明
我謹(jǐn)在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)與圖紙均由本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。
聲明人（簽名）：
年 月 日
目錄
Abstract 6
第1章 緒論 9
1.1前言 9
1.2國(guó)內(nèi)外蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的發(fā)展概述 11
1.2.1我國(guó)蔬菜缽苗移栽機(jī)械化發(fā)展概況 11
1.2.2我國(guó)蔬菜缽苗移栽機(jī)存在的問(wèn)題 12
1.2.3我國(guó)蔬菜缽苗移栽機(jī)存在問(wèn)題解決途徑分析 12
1.2.4國(guó)外蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展和研究成果 13
1.2.5蔬菜缽苗移栽機(jī)發(fā)展方向 14
1.3國(guó)內(nèi)取苗機(jī)構(gòu)存在的主要問(wèn)題和發(fā)展方向 15
1.3.1國(guó)內(nèi)取苗機(jī)構(gòu)發(fā)展存在的主要問(wèn)題 15
1.3.2國(guó)內(nèi)蔬菜取苗機(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 18
2.1取苗爪工作要求的實(shí)現(xiàn) 18
2.2蔬菜缽苗取苗機(jī)械手的機(jī)構(gòu)組成與工作原理 19
2.3 橢圓齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析 21
2.3.1 橢圓齒輪的嚙合特性及優(yōu)點(diǎn) 21
2.3.2 橢圓齒輪的角位移、角速度和傳動(dòng)比分析 22
2.4蔬菜缽苗取苗機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立 24
2.4.1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符合的說(shuō)明 24
2.4.2蔬菜缽苗取苗機(jī)械手位移分析 25
2.4.3機(jī)械手上各點(diǎn)位移方程和各構(gòu)件角位移方程 26
2.4.4 機(jī)構(gòu)上各點(diǎn)的速度方程和各構(gòu)件角速度方程 28
2.4.5 機(jī)械手上各點(diǎn)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(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)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(jī)交互簡(jiǎn)介 33
3.2.2本課題人機(jī)交互軟件介紹 34
3.2.3橢圓齒輪參數(shù)計(jì)算 35
3.2.4取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化步驟 35
3.2.5取苗爪尖點(diǎn)的速度分析 36
3.3本章小結(jié) 38
第4章 蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
4.1蔬菜缽體自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
4.2取苗臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 40
4.3 CAD軟件介紹 41
4.3.1 CAD二維取苗機(jī)構(gòu)零件圖 41
4.4 Proe軟件介紹 43
4.4.1 三維Proe取苗機(jī)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
摘 要
移栽是蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，移栽具有對(duì)氣候的補(bǔ)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(jì)效益和社會(huì)效益均非常可觀。目前，國(guó)內(nèi)正在應(yīng)用的移栽機(jī)械多為半自動(dòng)移植機(jī)，半自動(dòng)移栽機(jī)靠手工送苗，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而國(guó)內(nèi)自動(dòng)移栽機(jī)的研究剛剛起步，自動(dòng)移栽機(jī)從取苗到植苗都由機(jī)械自動(dòng)完成，效率高。國(guó)外雖有一些自動(dòng)移栽機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)，但還處于不斷研究與推廣階段。而取苗機(jī)構(gòu)是制約自動(dòng)移栽機(jī)發(fā)展的“瓶頸”，也是制約蔬菜大規(guī)模種植的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此設(shè)計(jì)一種新型的取苗機(jī)構(gòu)替代手工取苗，已成為我國(guó)蔬菜種植業(yè)發(fā)展的迫切需要。
本文總結(jié)吸收了國(guó)內(nèi)外各種取苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室已有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)作為取苗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗；或通過(guò)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(dòng)作都由該套機(jī)構(gòu)完成。該蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，取苗效率高。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下：
1.根據(jù)蔬菜缽苗取苗的技術(shù)特點(diǎn)和農(nóng)藝要求，模擬人工取苗的軌跡、動(dòng)作和姿態(tài)要求，發(fā)明蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足機(jī)械取苗特殊的工作軌跡要求，比現(xiàn)有的蔬菜取苗機(jī)構(gòu)工作效率高，并且工作平穩(wěn)。
2. 論述了該取苗機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
3. 以建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，基于可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái)VB6.0，通過(guò)其軟件分析蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件（軟件登記號(hào)：2011SR030044），介紹了該軟件的人機(jī)交互界面及功能，基于該軟件，解決了該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)多目標(biāo)優(yōu)化的難點(diǎn)。
4.根據(jù)蔬菜取苗農(nóng)藝要求，提出蔬菜缽苗取苗機(jī)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(duì)取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響，利用自主開(kāi)發(fā)軟件，采用人機(jī)交互的優(yōu)化方法，優(yōu)化出取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿(mǎn)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(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，討論了設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題，最后在ProE、CAD下完成裝配圖和各零件的設(shè)計(jì)。
6.建立取苗機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配。
關(guān)鍵詞：蔬菜缽苗；取苗機(jī)構(gòu)；工作機(jī)理；參數(shù)優(yōu)化；試驗(yàn)研究
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 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.
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
第1章 緒論
1.1前言
據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，2006年中國(guó)已成為世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)，蔬菜產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的49.6％[1]。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)蔬菜產(chǎn)量每年呈持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭，發(fā)展迅猛。據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)蔬菜播種面積在上世紀(jì)80年代年均增長(zhǎng)近10%，90年代年均增長(zhǎng)14.5%，本世紀(jì)前7年平均增長(zhǎng)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(guó)農(nóng)業(yè)中僅次于糧食的第二重要農(nóng)產(chǎn)品，近年來(lái)，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(zhǎng)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(shí)，蔬菜種植業(yè)也逐步成為發(fā)展我國(guó)和我省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分[2]。
實(shí)現(xiàn)蔬菜順利移栽是蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，移栽具有對(duì)氣候的補(bǔ)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(jì)效益和社會(huì)效益均十分可觀。目前，我國(guó)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(guó)蔬菜栽植機(jī)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(gè)工序的勞動(dòng)強(qiáng)度來(lái)看，手工移栽蔬菜是僅次于收獲作業(yè)的一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度非常大的農(nóng)事活動(dòng)，它占作物從種植到收獲所需總勞動(dòng)量的20％左右。不僅勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)大面積移栽，從而限制了生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)效益的提高，制約了我國(guó)蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)蔬菜移栽機(jī)械化已成為我國(guó)蔬菜生產(chǎn)的迫切需要[5-7]。另一方面，在我國(guó)使用的絕大部分蔬菜移栽為半自動(dòng)移植機(jī)，半自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)需要手工實(shí)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。近年來(lái),自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)的研究在國(guó)內(nèi)外已引起農(nóng)機(jī)專(zhuān)家和相關(guān)企業(yè)的重視。自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)一般由取苗機(jī)構(gòu)和植苗機(jī)構(gòu)組成，從分苗、取苗到植苗操作都是由機(jī)械自動(dòng)完成，不僅工作效率高,而且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前植苗機(jī)構(gòu)現(xiàn)已比較成熟,有現(xiàn)成的應(yīng)用，而取苗機(jī)構(gòu)是制約自動(dòng)移植機(jī)發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)，研究剛剛起步，在國(guó)外也處在不斷的研究與發(fā)展的階段。
a) 半自動(dòng)移栽機(jī) b) 全自動(dòng)移栽機(jī)
圖1.1 半自動(dòng)移栽機(jī)和自動(dòng)移栽機(jī)
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(jī)公司都進(jìn)行了取苗機(jī)構(gòu)的研究和開(kāi)發(fā)[8]，也研制出了多種樣機(jī)，并進(jìn)行了田間取苗試驗(yàn)，效果良好，現(xiàn)已在日本國(guó)內(nèi)推廣使用。但是這些機(jī)器的取苗機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造成本較高，且單行移植效率只有60～70株/分鐘，相對(duì)于自動(dòng)移栽機(jī)而言，其取苗效率并不是很高，并且日本的自動(dòng)移植機(jī)都在中國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)。而我國(guó)在自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)應(yīng)用研究方面還處于空白，其研究工作剛剛起步。國(guó)內(nèi)針對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的研究主要是針對(duì)溫室棚里的取苗，這樣可以用到伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)則較為簡(jiǎn)單，目前針對(duì)野外惡劣工作環(huán)境的取苗機(jī)構(gòu)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。此外，我國(guó)在“十二五”農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃中指出，旱地高速移植機(jī)械已被列入要重點(diǎn)解決的技術(shù)難題，而由于取苗機(jī)構(gòu)是制約移植機(jī)械發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題。本文研究的取苗機(jī)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(jì)作物的取苗。因此,開(kāi)展本文的蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的機(jī)理研究，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新、理論建模與試驗(yàn)研究，將為今后蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供重要理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)，不僅具有重要的理論研究意義，而且具有重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
1.2國(guó)內(nèi)外蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的發(fā)展概述
1.2.1我國(guó)蔬菜缽苗移栽機(jī)械化發(fā)展概況
我國(guó)最早出現(xiàn)的移栽機(jī)主要用于移栽棉花和甘薯。栽植機(jī)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(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽和甘薯秧苗栽植機(jī)的試驗(yàn)研究。20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制裸根苗移栽機(jī)械，主要用于甜菜移栽。80年代研制成半自動(dòng)化蔬菜栽植機(jī)，同時(shí)也從國(guó)外引進(jìn)了多種適合于移栽蔬菜煙葉甜菜等經(jīng)濟(jì)什物的移栽機(jī)械，但均因育苗技術(shù)落后，配套性能差，以及機(jī)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(dòng)力成本的上升，推動(dòng)了移栽機(jī)械的研制開(kāi)發(fā)工作。到目前為止，已研究成功了多種類(lèi)別的移栽機(jī)械，部分機(jī)型已申請(qǐng)了專(zhuān)利，部分機(jī)型投入了小批量生產(chǎn)。
目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的移栽機(jī)主要有以下幾種形式[10]：
1)鉗夾式移栽機(jī)：這種移栽機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，株距和栽植深度穩(wěn)定，最大的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的應(yīng)用較少，有被淘汰的趨勢(shì)。
2)鏈夾式移栽機(jī)：工作過(guò)程與鉗夾式基本相同，性能與鉗夾式移栽機(jī)相似。其優(yōu)點(diǎn)是移栽穩(wěn)定，但效率低，易漏苗、缺苗。
3)撓性圓盤(pán)式移栽機(jī)：這種移栽機(jī)是由人工或機(jī)械將秧苗放置到兩片可以變形的撓性圓盤(pán)內(nèi)，秧苗隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到垂直狀態(tài)時(shí)進(jìn)行栽植。由于不受秧夾數(shù)量的限制，它對(duì)株距的適應(yīng)性較好，但圓盤(pán)壽命較短，栽植深度不穩(wěn)定。
4)吊杯式移栽機(jī)：具有可以進(jìn)行膜上打孔移栽的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且秧苗在移栽過(guò)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(diǎn)是整地較為復(fù)雜，喂苗速度不能過(guò)高，否則漏栽率將增加，生產(chǎn)率較低。
5)導(dǎo)苗管式移栽機(jī)：這種移栽機(jī)有一個(gè)水平喂苗盤(pán)和一個(gè)垂直或傾斜的將缽苗送入開(kāi)溝器的導(dǎo)苗管。秧苗在導(dǎo)苗管中的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
6)輸送帶式移栽機(jī)：帶式移栽機(jī)由水平輸送帶和傾斜輸送帶組成，兩帶的運(yùn)動(dòng)速度不同，這種栽植機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽機(jī)：吉林工業(yè)大學(xué)孫廷琮等應(yīng)用美國(guó)B．K．Huan9發(fā)明的空氣整根育苗技術(shù)研究開(kāi)發(fā)了空氣整根營(yíng)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(dòng)移栽機(jī)。該機(jī)實(shí)現(xiàn)移栽全自動(dòng)化，大大提高了移栽機(jī)作業(yè)效率。
1.2.2我國(guó)蔬菜缽苗移栽機(jī)存在的問(wèn)題
我國(guó)栽植機(jī)械的研究開(kāi)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(dòng)力成本的上升，在移栽機(jī)的研制方面取得了較大的進(jìn)展，并逐步轉(zhuǎn)向自動(dòng)移栽機(jī)方面的研究，但目前仍然處于起步階段，研制的移栽機(jī)都沒(méi)有得到大面積推廣應(yīng)用[11]。
蔬菜移栽機(jī)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(guó)各地區(qū)存在很大的差異，對(duì)蔬菜栽植機(jī)械的開(kāi)發(fā)提出了挑戰(zhàn)。
2)蔬菜育苗仍然以育苗床或營(yíng)養(yǎng)土方式為主，所育秧苗不適合機(jī)械化移栽，栽植機(jī)械與育苗技術(shù)脫節(jié)，移栽機(jī)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(jī)械的發(fā)展。
4)日前蔬菜移栽機(jī)以半自動(dòng)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(guò)40株／分，導(dǎo)致移栽機(jī)作業(yè)效率低。
5)對(duì)不同種類(lèi)栽植機(jī)械與作物缽苗相適應(yīng)性的研究工作進(jìn)行得不充分，對(duì)栽植機(jī)械工作原理以及機(jī)械與作物生長(zhǎng)要求相適應(yīng)性研究不足。
6)機(jī)器的性能和成本及農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)條件限制移栽機(jī)的推廣。
1.2.3我國(guó)蔬菜缽苗移栽機(jī)存在問(wèn)題解決途徑分析
設(shè)計(jì)適合我國(guó)蔬菜移栽農(nóng)藝要求，開(kāi)提高移栽機(jī)自動(dòng)化程度和機(jī)具性能。針對(duì)我國(guó)蔬菜移栽機(jī)存在的問(wèn)題，找出解決問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施。主要做好以下幾個(gè)方面[13-15]。
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(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造和自動(dòng)控制等領(lǐng)域，還將涉及到病蟲(chóng)害防治、塑料工業(yè)、太陽(yáng)能利用、溫室技術(shù)等方面。使農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相適應(yīng)，加強(qiáng)從育苗到移栽整個(gè)系統(tǒng)的研究，使育苗和移栽有機(jī)地結(jié)合。生產(chǎn)的各個(gè)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(guò)程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、工廠化和設(shè)施化，使其作物的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了商品化、系列化。
2)制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，形成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和規(guī)格化。我國(guó)沒(méi)有制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各種移栽機(jī)難以標(biāo)準(zhǔn)化，不利于其發(fā)展。應(yīng)該由國(guó)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(méi)有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，如何科學(xué)地評(píng)價(jià)栽植機(jī)的性能，是目前亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。
3)改變單缽輸送方式，提高移栽機(jī)自動(dòng)化程度。目前，栽植機(jī)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(pán)缽苗的輸送方式，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的切盤(pán)機(jī)構(gòu)，在機(jī)器上把缽苗盤(pán)切成單缽再投缽，提高其工作效率，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。
4)根據(jù)某些作物移栽的特殊要求，設(shè)計(jì)特色機(jī)型。某些作物對(duì)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(guó)內(nèi)缺乏適合這些特殊要求的栽植機(jī)，可以為它們單獨(dú)設(shè)計(jì)性能卓越的栽植機(jī)。
5)農(nóng)機(jī)部門(mén)適時(shí)引導(dǎo)，國(guó)家政策宏觀調(diào)控。雖然移栽機(jī)械使種植方式發(fā)生了重大的變化，其可行性和經(jīng)濟(jì)性已得到了論證，但是，農(nóng)民的認(rèn)識(shí)水平畢竟有一定的局限性，對(duì)于移栽機(jī)械的推廣和應(yīng)用不可能很快地全面接受。所以，農(nóng)機(jī)部門(mén)要適時(shí)對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)。
1.2.4國(guó)外蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展和研究成果
20世紀(jì)初期，歐洲一些國(guó)家開(kāi)始大最種植蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物，出現(xiàn)了早期的近代秧苗栽植機(jī)具。這些機(jī)具仍為手動(dòng)栽植，只是減輕了栽秧者肢體反復(fù)屈伸的繁重勞動(dòng)：到20世紀(jì)30年代后期，出現(xiàn)了栽植機(jī)構(gòu)或栽核器代替人上直接栽秧，使送秧入溝過(guò)程實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，歐洲國(guó)家開(kāi)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(dòng)移栽機(jī)和制缽機(jī)；至20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)蔬菜栽植機(jī)械化水平為58％，國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)已達(dá)67％；到20世紀(jì)80年代，半自動(dòng)移栽機(jī)已在曲方國(guó)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(jī)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(dòng)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(shí)際生產(chǎn)。歐洲的幾個(gè)主要國(guó)家(如法國(guó)、德國(guó)、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(jī)公司都進(jìn)行了取苗機(jī)構(gòu)的研究和開(kāi)發(fā)[17]，也研制出了多種樣機(jī)，并進(jìn)行了田間取苗試驗(yàn)，效果良好，現(xiàn)已在日本國(guó)內(nèi)推廣使用。但是這些機(jī)器的取苗機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造成本較高，且單行移植效率只有60～70株/分鐘，相對(duì)于自動(dòng)移栽機(jī)而言，其取苗效率并不是很高，并且日本的自動(dòng)移植機(jī)都在中國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)。
1.2.5蔬菜缽苗移栽機(jī)發(fā)展方向
蔬菜育苗移栽機(jī)械化是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)加強(qiáng)從育苗到移栽整個(gè)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(guò)程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、工廠化和設(shè)施化。制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)利評(píng)價(jià)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(pán)和運(yùn)輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)工作過(guò)程的機(jī)械化自動(dòng)化問(wèn)題，使育苗和移栽有機(jī)的結(jié)合，研制出多種適合我國(guó)蔬菜農(nóng)藝要求的全自動(dòng)移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)蔬菜的育苗工廠化生產(chǎn)和移栽機(jī)械化作業(yè)的生產(chǎn)模式。提高我國(guó)蔬菜種植機(jī)械化水平，促進(jìn)我國(guó)蔬菜生產(chǎn)的快速發(fā)展，改善人們生活水 平[18]。
目前國(guó)內(nèi)外的蔬菜移栽機(jī)都是以沒(méi)有取苗機(jī)構(gòu)的半自動(dòng)的為主，從已有的取苗機(jī)構(gòu)來(lái)看，這些機(jī)器的取苗機(jī)構(gòu)要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)在中國(guó)都申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)。目前在我國(guó)，蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的應(yīng)用還處于空白，而針對(duì)蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的研究才剛剛起步，未見(jiàn)系統(tǒng)的理論研究，這將制約我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)。而且，實(shí)現(xiàn)蔬菜缽苗順利并可靠的自動(dòng)取苗是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，建立適宜的系統(tǒng)化蔬菜缽苗自動(dòng)取苗技術(shù)體系，將涉及多個(gè)研究領(lǐng)域，如園藝、植保、農(nóng)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、自動(dòng)控制等，這就需要進(jìn)行多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)。從我國(guó)國(guó)情及農(nóng)村狀況考慮，要形成我國(guó)特有的蔬菜缽苗取苗技術(shù)體系，需要將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝、栽植機(jī)械與育苗技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)對(duì)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(jī)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(guó)外引進(jìn)的取苗機(jī)械。我們應(yīng)該積極發(fā)展全自動(dòng)蔬菜移植器械，同時(shí)走專(zhuān)用的蔬菜缽苗取苗機(jī)械與通用的蔬菜缽苗取苗機(jī)械相結(jié)合的發(fā)展道路，以通用蔬菜缽苗取苗機(jī)械為主，并向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)格化方向發(fā)展，同時(shí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、秧苗栽植質(zhì)量可靠[19]。
實(shí)現(xiàn)取苗作業(yè)機(jī)械化已成為我國(guó)蔬菜種植迫切需要解決的問(wèn)題。蔬菜育苗取苗機(jī)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(jì)作物經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的必要途徑。通過(guò)提高種植技術(shù)的機(jī)械化水平，達(dá)到進(jìn)一步完善與取苗機(jī)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(jī)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(jì)效益的目 的[20]。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，蔬菜取苗機(jī)械具有良好的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。
1.3國(guó)內(nèi)取苗機(jī)構(gòu)存在的主要問(wèn)題和發(fā)展方向
1.3.1國(guó)內(nèi)取苗機(jī)構(gòu)發(fā)展存在的主要問(wèn)題
1）我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平還不夠，取苗機(jī)構(gòu)的研究還未引起相關(guān)農(nóng)機(jī)專(zhuān)家的足夠重視，制約了我國(guó)蔬菜缽苗取苗機(jī)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(guó)不同的省份存在很大的差異，這對(duì)蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)提出了挑戰(zhàn)。
3）取苗機(jī)械與育苗技術(shù)脫節(jié)，取苗機(jī)構(gòu)與所取秧苗不配套，即在我國(guó)大部分地區(qū)蔬菜的育苗仍然采用育苗床或營(yíng)養(yǎng)土方式進(jìn)行，使得所育的秧苗不適合機(jī)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(hù)均種植規(guī)模小，人們不愿意采用取苗機(jī)構(gòu)用于生產(chǎn)。
5）能實(shí)現(xiàn)蔬菜缽苗取苗的機(jī)械一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且功能單一，限制了取苗機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與推廣。
6）對(duì)取苗機(jī)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(jì)條件限制了取苗機(jī)構(gòu)的推廣。
1.3.2國(guó)內(nèi)蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向
目前國(guó)內(nèi)外的蔬菜移栽機(jī)都是以沒(méi)有取苗機(jī)構(gòu)的半自動(dòng)的為主，從已有的取苗機(jī)構(gòu)來(lái)看，這些機(jī)器的取苗機(jī)構(gòu)要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)在中國(guó)都申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)。目前在我國(guó)，蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的應(yīng)用還處于空白，而針對(duì)蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的研究才剛剛起步，未見(jiàn)系統(tǒng)的理論研究，這將制約我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)。而且，實(shí)現(xiàn)蔬菜缽苗順利并可靠的自動(dòng)取苗是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，建立適宜的系統(tǒng)化蔬菜缽苗自動(dòng)取苗技術(shù)體系，將涉及多個(gè)研究領(lǐng)域，如園藝、植保、農(nóng)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、自動(dòng)控制等，這就需要進(jìn)行多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)。從我國(guó)國(guó)情及農(nóng)村狀況考慮，要形成我國(guó)特有的蔬菜缽苗取苗技術(shù)體系，需要將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝、栽植機(jī)械與育苗技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)對(duì)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(jī)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(guó)外引進(jìn)的取苗機(jī)械。我們應(yīng)該積極發(fā)展全自動(dòng)蔬菜移植器械，同時(shí)走專(zhuān)用的蔬菜缽苗取苗機(jī)械與通用的蔬菜缽苗取苗機(jī)械相結(jié)合的發(fā)展道路，以通用蔬菜缽苗取苗機(jī)械為主，并向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)格化方向發(fā)展，同時(shí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、秧苗栽植質(zhì)量可靠。
實(shí)現(xiàn)取苗作業(yè)機(jī)械化已成為我國(guó)蔬菜種植迫切需要解決的問(wèn)題。蔬菜育苗取苗機(jī)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(jì)作物經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的必要途徑。通過(guò)提高種植技術(shù)的機(jī)械化水平，達(dá)到進(jìn)一步完善與取苗機(jī)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(jī)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(jì)效益目的[23]。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，蔬菜取苗機(jī)械具有良好的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。
1.4本文的研究目標(biāo)
針對(duì)目前半自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)需人工取苗、工作效率低等缺點(diǎn)，以及日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家的取苗機(jī)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(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)等問(wèn)題。本文展開(kāi)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率更高的蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的工作原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的研究，通過(guò)深入研究蔬菜機(jī)械化取苗的工作機(jī)理，模擬人工移取蔬菜缽苗的動(dòng)作、軌跡和姿態(tài)要求，對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，發(fā)明旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的取苗機(jī)構(gòu)能夠很好的滿(mǎn)足機(jī)械化取苗的工作要求，又能使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單高效。最后構(gòu)建蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行取苗機(jī)構(gòu)的高速攝像試驗(yàn)。通過(guò)取苗試驗(yàn)完善取苗臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試了取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。
1.5本文的主要工作及內(nèi)容安排
在對(duì)本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，本文開(kāi)展了如下的研究工作：
第一章闡述了單行蔬菜缽體苗自動(dòng)移栽機(jī)的蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的工作原理及特點(diǎn)，給出了單行蔬菜缽體苗自動(dòng)移栽機(jī)的蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
第二章詳細(xì)論述了單行蔬菜缽體苗自動(dòng)移栽機(jī)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(kāi)發(fā)了用于機(jī)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(dòng)移栽機(jī)的蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與制造，按照優(yōu)化出的參數(shù)進(jìn)行取苗機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)所必須考慮的問(wèn)題作了闡述。
第四章闡述了蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)CAD、Proe系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)構(gòu)的實(shí)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(jī)構(gòu)研究的重要意義。
2）概述了國(guó)內(nèi)外蔬菜取苗機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)況及及存在問(wèn)題，闡述了國(guó)內(nèi)蔬菜取苗機(jī)構(gòu)存在的主要問(wèn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
對(duì)于蔬菜移栽機(jī)的設(shè)計(jì)，要根據(jù)實(shí)際的使用要求對(duì)其的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、潤(rùn)滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)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(guò)程。 其設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械性能的最主要的因素。設(shè)計(jì)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(shí)和計(jì)算手段等)下設(shè)計(jì)出最好的機(jī)械，即做出優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)重要性因機(jī)械種類(lèi)和用途的不同而異。設(shè)計(jì)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(jì)的機(jī)械有最優(yōu)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。過(guò)去，設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要依靠設(shè)計(jì)者的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和遠(yuǎn)見(jiàn)。隨著機(jī)械工程基礎(chǔ)理論和價(jià)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(jì)數(shù)據(jù)資料的積累,以及計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用,優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學(xué)計(jì)算。從實(shí)際出發(fā)根據(jù)一些限定條件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和分析。
2.1取苗爪工作要求的實(shí)現(xiàn)
自動(dòng)移栽機(jī)要求取苗機(jī)構(gòu)模擬人手從缽苗盤(pán)中把缽苗取出，然后在某個(gè)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(jī)構(gòu)重復(fù)上述動(dòng)作。通過(guò)分析現(xiàn)有取苗機(jī)構(gòu)的軌跡特點(diǎn)，為了順利從缽苗盤(pán)中夾取缽苗，取苗片進(jìn)入缽苗盤(pán)的軌跡段和退出缽苗盤(pán)的軌跡段的夾角不能太大，并且進(jìn)入和退出缽苗盤(pán)的取苗軌跡要盡量的靠近。當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)的處于取苗階段時(shí)，取苗片進(jìn)入缽苗盤(pán)前完全張開(kāi)，當(dāng)?shù)嚼徝绫P(pán)底部時(shí)，取苗片完全夾緊缽苗，然后缽苗隨著取苗片一起往缽苗盤(pán)外運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取苗；取苗結(jié)束后，取苗機(jī)構(gòu)處于持苗階段，即取苗片夾持缽苗運(yùn)動(dòng)；持苗一段時(shí)間后，取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)入放苗階段，即取苗片完全張開(kāi)，推廟爪將缽苗推出，缽苗落入植苗器中，實(shí)現(xiàn)放苗動(dòng)作；放苗結(jié)束后，取苗片一直保持張開(kāi)狀態(tài)，直至下一次取苗開(kāi)始。
通過(guò)對(duì)蔬菜缽苗取苗機(jī)械的技術(shù)特點(diǎn)和農(nóng)藝要求的分析，要滿(mǎn)足模擬人工取苗的軌跡、動(dòng)作和姿態(tài)要求，設(shè)計(jì)合理的非勻速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)蔬菜缽苗取苗機(jī)械手自動(dòng)取苗的核心技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)很多，但要考慮取苗機(jī)械手尺寸大小，并同時(shí)滿(mǎn)足取苗機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)。并通過(guò)實(shí)際的考慮和大量的調(diào)試，最終通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得取苗臂上的取苗片尖點(diǎn)在工作時(shí)形成所要求的取苗軌跡。
本文設(shè)計(jì)的橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機(jī)械手是一種新型的取苗機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、取苗效率高、工作性能可靠。本章著重分析取苗機(jī)械手的工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，介紹了該取苗機(jī)械手的工作原理和工作過(guò)程，并建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
2.2蔬菜缽苗取苗機(jī)械手的機(jī)構(gòu)組成與工作原理
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(dòng)軸，17.主動(dòng)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(dòng)片，28 缽苗盤(pán)
圖2.1橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
如圖2.1所示，在鏈輪箱18內(nèi)固接在傳動(dòng)軸16上的主動(dòng)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的行星輪系機(jī)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(guò)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(dòng)，帶動(dòng)齒輪箱7轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)齒輪箱7作不等速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，使得取苗片尖的工作軌跡滿(mǎn)足蔬菜苗自動(dòng)取苗的要求。
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(pán)
圖2.2 橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機(jī)械手示意圖
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(zhǎng)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(zhǎng)軸之比大于0.99，且五個(gè)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(dòng)軸）逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)一周時(shí)，上行星輪軸10和下行星輪軸1相對(duì)齒輪箱7以反方向(即順時(shí)針?lè)较?回轉(zhuǎn)1周。當(dāng)取苗片運(yùn)動(dòng)到A1位置時(shí)，取苗片20間的角度逐漸變小，開(kāi)始進(jìn)入缽苗盤(pán)28夾持苗； 當(dāng)取苗片運(yùn)動(dòng)至A2點(diǎn)時(shí)，取苗片20逐漸張開(kāi)，開(kāi)始放苗。
蔬菜缽苗取苗機(jī)械手由取苗機(jī)鏈輪箱主動(dòng)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(pán)苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)各組件連接關(guān)系：中心橢圓齒輪6通過(guò)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(pán)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(guò)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(guò)鍵或方軸固接。行星輪旋轉(zhuǎn)中心與取苗片尖點(diǎn)的連線與行星架的夾角為。
a) 初始位置 b）某時(shí)刻的位置
圖2.3 橢圓齒輪節(jié)曲線
2.3 橢圓齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.3.1 橢圓齒輪的嚙合特性及優(yōu)點(diǎn)
要對(duì)橢圓齒輪行星系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)中心為橢圓的焦點(diǎn)，如圖2.3中的O1和O2分別為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ的焦點(diǎn)，均為橢圓齒輪軸心，兩齒輪初始相位相同（如圖2.3- a) ，輪Ⅰ和輪Ⅱ長(zhǎng)軸共線）。
設(shè)為兩軸心O1O2距離，為橢圓齒輪Ⅰ上的另一焦點(diǎn)，P0為起始位置的嚙合點(diǎn)，則有：，，所以。由橢圓的性質(zhì)可知，也為橢圓兩焦點(diǎn)到圓周上任意一點(diǎn)的距離之和。在任意位置，設(shè)嚙合點(diǎn)為，。
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， 所以。因此O1Pi和O2Pi共線，為任意嚙合點(diǎn)。即嚙合點(diǎn)位置處于的連線上，所以?xún)升X輪在任意位置嚙合時(shí)，既不會(huì)分離也不會(huì)切入，傳動(dòng)平穩(wěn)，這是橢圓齒輪嚙合的最大優(yōu)點(diǎn)。
由上分析可知橢圓齒輪傳動(dòng)有3個(gè)特點(diǎn)：
a、 橢圓齒輪節(jié)點(diǎn)在兩橢圓齒輪軸心的連線上；
b、 嚙合點(diǎn)到兩橢圓齒輪軸心距離之和保持不變，說(shuō)明橢圓齒輪嚙合沒(méi)有齒側(cè)間隙變化，故傳動(dòng)平穩(wěn)；
c、 由于嚙合點(diǎn)在O1O2連線上變化，故傳動(dòng)比隨著齒輪Ⅰ角位移的變化而變化。
2.3.2 橢圓齒輪的角位移、角速度和傳動(dòng)比分析
圖2.4 橢圓齒輪嚙合初始位置
圖2.4所示為兩個(gè)完全相同的橢圓齒輪，長(zhǎng)半軸為a，短半軸為b，輪1和輪2各繞其一焦點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且正確安裝，即兩橢圓齒輪的中心距等于橢圓的長(zhǎng)軸2a。這樣一對(duì)橢圓就能夠滿(mǎn)足純滾動(dòng)的條件。
當(dāng)橢圓齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)輪1勻速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪2作逆時(shí)針變速轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)主動(dòng)輪1轉(zhuǎn)過(guò)角（以中心線為始邊，沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)），從動(dòng)輪2轉(zhuǎn)過(guò)角（中心線為始邊，沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)），這時(shí)兩橢圓瞬心線在、接觸（重合）。經(jīng)推導(dǎo)得：
(在0~之間變化) (2-1)
式(2.1)中為橢圓的短長(zhǎng)軸之比，；c為橢圓半焦矩，。
(在0~之間變化) (2-2)
由橢圓齒輪的傳動(dòng)特性得：
(2-3)
故有：
(2-4)
即： (2-5)
由式(2.5)可確定從動(dòng)輪角位移與主動(dòng)輪角位移之間的關(guān)系。傳動(dòng)比為：
(2-6)
因此，橢圓齒輪2的角速度為：
(2-7)
當(dāng)時(shí)，即兩輪在圖2.2位置嚙合時(shí)，值最大：
當(dāng)時(shí)，即兩輪在、置嚙合時(shí)，值最?。?
橢圓齒輪2的角位移、角速度和傳動(dòng)比的計(jì)算程序框圖如圖2.5。圖2.6為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角與傳動(dòng)比的關(guān)系（只與k的大小有關(guān)）。
輸入a、 b、
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圖2.7 角位移、角速度和傳動(dòng)比的求解圖
圖2.6 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角與傳動(dòng)比的關(guān)系
2.4蔬菜缽苗取苗機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立
2.4.1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析符合的說(shuō)明
為方便分析，將運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析符號(hào)說(shuō)明
符號(hào)
意義
備 注
符號(hào)
意義
備 注
橢圓的長(zhǎng)半軸
已知常量
橢圓的短長(zhǎng)軸之比
已知常量
某一時(shí)刻行星架轉(zhuǎn)過(guò)的角位移(<0)
已知常量
行星架的轉(zhuǎn)速（勻速）
已知常量
行星架(即齒輪盒)的初始角位移(>0)
已知常量
B點(diǎn)與E點(diǎn)連線對(duì)BD線的角位移(>0)
已知常量
B點(diǎn)與行星輪(包括取苗臂)質(zhì)心C連線對(duì)BD線的角位移(>0)
已知常量
行星架中心連線與行星輪軸心與取苗片尖點(diǎn)D連線的初始夾角(<0)
已知常量
S
行星輪中心到取苗片尖D點(diǎn)的距離
已知常量
H
缽苗的株距
已知常量
中間齒輪質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心的距離
已知常量
取苗臂上D點(diǎn)到C點(diǎn)的距離
已知常量
行星輪旋轉(zhuǎn)中心B點(diǎn)到撥叉旋轉(zhuǎn)中心E點(diǎn)的距離
已知常量
取苗臂上D點(diǎn)到E點(diǎn)的距離
已知常量
行星輪和取苗臂質(zhì)心C到旋轉(zhuǎn)中心的距離
已知常量
B點(diǎn)到過(guò)D點(diǎn)且與推苗桿軸線平行的直線的垂直距離
已知常量
太陽(yáng)輪軸心到與中間輪嚙合點(diǎn)P的距離
變量
中間輪軸心到與太陽(yáng)輪嚙合點(diǎn)P的距離
變量
中間輪軸心到與行星輪嚙合點(diǎn)Q的距離
變量
行星輪軸心到與中間輪嚙合點(diǎn)Q的距離
變量
行星架相對(duì)中間輪的角位移(>0)
變量
行星架相對(duì)行星輪的角位移(<0)
變量
2.4.2蔬菜缽苗取苗機(jī)械手位移分析
a)初始位置
b)行星架轉(zhuǎn)過(guò)一角度后的位置
圖2.7橢圓齒輪行星系取苗機(jī)械手示意圖
橢圓齒輪行星輪系取苗機(jī)械手的初始安裝位置如圖2.7。齒輪長(zhǎng)半軸為，短半軸為，為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心，也是行星架轉(zhuǎn)動(dòng)中心，為齒輪Ⅱ（中間輪）轉(zhuǎn)動(dòng)中心。和分別為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ的焦點(diǎn)，和分別為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ?qū)?yīng)的另一焦點(diǎn)。中心輪Ⅰ（太陽(yáng)輪）固定于機(jī)架，在工作中保持靜止。設(shè)長(zhǎng)軸作為行星架轉(zhuǎn)動(dòng)初始邊，與x軸角度為（初始安裝角），行星架轉(zhuǎn)角為，相對(duì)于初始邊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為負(fù)。
以為行星架的始邊，行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，用極坐標(biāo)方程表示橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ嚙合位置，則：
，，此時(shí) ，，，P為橢圓齒輪Ⅰ和Ⅱ的嚙合點(diǎn)。
以為行星架的始邊，行星架相對(duì)輪Ⅱ長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)過(guò)，則有：
，
當(dāng)在0～之間時(shí)，在0～之間；當(dāng)在～之間時(shí)，在～之間?？筛鶕?jù)或＜0確定的唯一角。
，，
以為行星架的始邊，行星架相對(duì)輪Ⅲ長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)過(guò)，則有：
，
當(dāng)在0～之間時(shí)，在0～之間；當(dāng)在～之間時(shí)，在～之間。同樣可根據(jù)或＜0確定的唯一角。
從上分析可知，取苗機(jī)械手旋轉(zhuǎn)1周，其中間輪和行星輪相對(duì)行星架的轉(zhuǎn)角可以唯一確定。
2.4.3機(jī)械手上各點(diǎn)位移方程和各構(gòu)件角位移方程
對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，首先要求出各點(diǎn)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(jī)械手簡(jiǎn)圖，建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，各點(diǎn)的位移方程為（由于取苗機(jī)械手是對(duì)稱(chēng)的，故只分析單邊，另一邊相差180°）：
令：
太陽(yáng)輪和中間輪嚙合點(diǎn)P： (2-8)
行星輪與中間輪嚙合點(diǎn)Q： (2-9)
中間輪軸心A： (2-10)
圖2.8 橢圓行星系取苗機(jī)械手的簡(jiǎn)圖(在B’處省略了對(duì)稱(chēng)的另外一個(gè)取苗臂)
行星輪軸心B： （2-11）
由于齒輪盒旋轉(zhuǎn)1周取苗2次，蔬菜缽苗移栽機(jī)前進(jìn)2個(gè)株距，故行星輪軸心的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方程為：
(2-12)
令：
中間輪質(zhì)心： (2-13)
令：
取苗臂質(zhì)心C(包含與其固結(jié)的行星輪軸和行星輪)：
(2-1