面向弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息集成管理系统

为了更有效地支持弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息交互与集成运行,实现整个网络化制造过程信息数据的集成化管理与控制。该文结合弧齿锥齿轮生产制造过程特点,从信息集成与网络化管理层面,提出了一种面向弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息集成管理系统体系结构,建立了弧齿锥齿轮网络化制造的集成运行模式,构建了制造过程信息描述与集成框架和信息集成管理系统的功能模型,开发了信息集成管理系统的原型系统,实现了弧齿锥齿轮网络化制造过程信息的集成统一管理。实际应用结果表明:该文提出的面向弧齿锥齿轮网络化制造过程信息集成管理系统体系架构和实现方法可行实用,可有效提高整个弧齿锥齿轮网络化制造过程的运行和管理效率。以该文企业应用试验的弧齿锥齿轮网络化制造过程为例,相对于该企业传统分散式的生产制造和信息管理模式,生产率提高了约8%,管理效率提高了25%左右,生产成本降低了3%以上。该研究可为开展弧齿锥齿轮网络化制造模式的深入研究和应用实施提供参考。     

球面圆弧锥齿轮接触点轨迹方程

为了提高农业机械等领域的中央传动系统中齿轮的承载能力,减小中央传动的总体尺寸,降低机构的离地间隙,研究了一类理想状态下的球面圆弧锥齿轮。该文根据圆弧锥齿轮的啮合原理、坐标转换以及球面三角几何的方法,确定了球面圆弧锥齿轮接触点轨迹方程和齿轮副圆弧齿廓齿面方程,进一步完善了球面圆弧锥齿轮的设计理论,并根据研究出的方程,进行了齿轮的三维造型,为正确的设计和加工大端面呈理想球面且螺旋齿形端面为圆弧齿廓的球面圆弧螺旋锥齿轮提供了理论基础,也为后续的球面圆弧锥齿轮的参数化设计和数字化加工提供了研究基础。     

基于网络集成的弧齿锥齿轮数字化闭环制造技术

为突破弧齿锥齿轮数字化闭环制造过程信息继承性与集成性低的局限,实现弧齿锥齿轮齿面数字化闭环过程的集成运行和齿面制造信息的集成管理,该文提出了一种弧齿锥齿轮的网络化闭环制造模型,建立了网络化闭环制造的运行机制,采用基于TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol,传输控制/网络通讯协定)的分布式集成控制模式构建网络化闭环制造模型的通信网络,利用Web服务应用集成方法建立闭环制造过程信息集成机制,并通过设计开发闭环制造集成系统实现网络化闭环制造信息的集成统一管理。应用结果表明:该模型及其实现技术可行实用,实现了齿面制造过程的数字化和集成化运行,使齿轮副的齿面精度和啮合性能都得到明显提高。以该文的准双曲面齿轮副滚动检测试验为例,辐射噪声降低约7%,振动加速度幅值降低约15%。该研究为弧齿锥齿轮的网络化和集成化制造提供参考。     

轮腿混合四足机器人六自由度并联机械腿设计

为了设计一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合农业四足机器人,提出了一种基于3-UPS机构的六自由度并联机械腿,选取结构参数并给出设计方案。首先,通过矢量回路法推导出机构的位置反解方程,并建立机构的速度映射模型;采用搜索法对机构的工作空间进行分析,并绘制出工作空间三维分布图,揭示出机构结构参数和工作空间之间的关系;基于速度映射模型绘制出雅可比矩阵条件数在工作空间内的三维分布图。接着,定义了一组运动灵活性评价指标,对机械腿的机构进行运动灵活性分析,并绘制出结构参数与运动灵活性评价指标关系曲线,揭示出结构参数对机构运动灵活性的影响规律。然后,基于工作空间特性和运动灵活性评价指标,采用蒙特卡罗法进行结构参数设计,通过建立各结构参数的概率模型空间选取了一组综合性能较好的结构参数:机械腿固定平台万向副分布直角边长为230 mm,运动平台球面副分布直角边长为70 mm,支链最大直径为60 mm,各支链套筒和伸缩杆长度均为500 mm。最后,采用选取的结构参数设计出机械腿及轮腿混合四足机器人整体的虚拟样机,并对虚拟样机进行迈步运动仿真,结果表明:机械腿的各驱动参数变化非常平稳且峰值均在合理范围之内,证明机械腿的设计方案和结构参数较为合理。该研究为拓展轮腿混合四足机器人在农业工程领域的应用提供了参考。     

虚拟样机技术在小型农用装载机设计中的应用

文章分析了虚拟样机技术的主要特点及其对小型装载机设计的重要性，阐述了小型农用装载机的设计原理，详细介绍了利用SolidWorks设计装载机虚拟样机的过程，其中包括虚拟样机的三维建模、虚拟装配、图形渲染、运动仿真、干涉检测、二维工程图的转换等，并展示了根据虚拟样机技术制造的物理样机图像。结果表明，应用虚拟样机技术可以提高小型装载机的设计效率及质量。     

干腌火腿揉制加工腿坯运动受力分析与仿真

针对干腌火腿传统手工揉制加工生产率低、含盐量高、品质不稳定等问题,提出了一种机械式揉制加工方法。以HTRZJ500型火腿揉制机为研究对象,进行了火腿揉制加工中腿坯运动和受力的分析与仿真:首先以干腌火腿为研究对象建立其腿坯的空间力学模型,绘制出腿坯在稳定揉制状态下的7个关键工位图谱;然后结合工位图谱与火腿揉制机揉制装置的结构尺寸,计算出腿坯全程被凸轮顶揉次数约36次,总时间约12 s,揉制力出现的两次峰值大小分别为609 N和973N;最后运用Solid Works软件创建了揉制装置虚拟样机,并通过Solid Works Motion仿真研究了腿坯揉制加工过程中的运动和受力规律。运动仿真结果表明:腿坯在整个揉制过程中持续振动,在4 s的仿真时间中出现了两次揉制力峰值,大小分别为677 N和994 N,与工位图谱对应位置的揉制力计算值的相对误差分别为10%和2.1%,仿真模型较为合理。该文结合工位图谱分析法和虚拟仿真技术揭示了干腌火腿的揉制加工运动机理和揉制力的变化规律,为火腿揉制机结构的设计与优化提供了理论参考。     

玉米秸秆皮穰分离机械运行参数优化试验

为有效适应各季节玉米秸秆的皮穰分离加工及确定玉米秸秆皮穰分离机的运行参数,该文针对作者所设计的玉米秸秆皮穰分离机,在已经结构参数优化的基础上,又对除叶机构与剥穰机构进行了运行试验研究。通过多因素正交旋转组合试验确定除叶机构与剥穰机构的关键运行参数,结果表明：影响除叶率的显著因素是U型齿板底宽和秸秆喂入速度,齿辊转速有影响但不显著;影响剥穰率的主要因素及其顺序为秸秆喂入速度、剥穰辊转速、剥穰刀与支撑板间距。并通过综合已有研究及样机试验结果,确定主要运行参数为秸秆喂入速度1.2～1.3 m/s,除叶齿辊旋转线速度大于5 m/s,剥穰辊旋转线速度大于5.8 m/s时,该分离机对各季节玉米秸秆进行皮穰分离加工的适用性较好,且其生产率大于0.5 t/h,除叶率大于97.6%,剥穰率大于95.7%。     

虚拟花卉植物在可变风场中的运动行为仿真

花卉植物茎、枝、叶和花瓣结构复杂,运动行为仿真成为目前虚拟植物的研究热点之一。该文基于花卉植株的高精度的建模,将动力学理论和弹簧-质点模型应用到虚拟花卉植物跟风力的交互运动仿真中,提出一种实时模拟花卉植物与风场交互的方法。运用多层次反向动力学原理和布料模拟系统原理分别实现了单株花卉植物在风场中自身运动和群落花卉在风场中的整体运动的模拟。可以模拟在球形风场和平面风场中,随风力和风速实时变化的单株或群落花卉植物的运动行为特征,模拟效果逼真自然,具有较强的真实感。该研究可为虚拟植物运动仿真提供参考。     

基于D-H变换矩阵的宽窄行分插机构运动特性分析与设计

为满足水稻插秧机宽窄行插秧的需要,以高速插秧机的行星系分插机构为研究基础,根据宽窄行空间插秧轨迹的要求,提出了一种斜齿椭圆齿轮交错啮合传动的行星轮系分插机构。确定了分插机构空间插秧轨迹的关键参数,利用D-H变换矩阵建立了机构的轨迹模型,分析了关键参数对插秧轨迹的影响,并进行了机构的运动特性研究。利用编写的机构优化程序,通过人机交互的方式优化出一组满足空间插秧要求的机构参数,并根据参数完成了机构的设计。最后,通过虚拟仿真验证斜齿椭圆齿轮交错啮合传动的分插机构可以满足水稻宽窄行插秧的要求。     

油葵收获机拨禾板式割台装置研制

针对目前油葵机械化收获存在缺少专用机械设备、籽粒损失率和破损率均较高、收获设备工作性能不可靠等问题,该研究设计了油葵联合收获机拨禾板式割台装置并介绍其结构与工作原理,建立拨禾齿的运动模型,分析拨禾机构运动特性并获取拨禾齿端点的运动轨迹。通过对拨禾齿端点运动轨迹仿真,分析拨禾板转速、机具前进速度与拨禾板圆周数量之间的变化关系;利用MATLAB软件编写程序,仿真获取相邻两拨禾齿端点的运动轨迹曲线,解决拨禾齿运动参数不合理、籽粒碰撞损失较高的难题。割台性能试验结果表明,当割台倾斜角度25°、绞龙转速150r/min、拨禾板与导板距离170 mm时,油葵花盘损失率为2.04%。进一步通过田间油葵收获正交试验和参数优化,分析油葵收获机前进速度、拨禾板转速、茎秆留茬高度的不同组合对油葵籽粒损失率及破损率的影响,利用Design-Expert获取最优参数组合。结果表明,当油葵收获机前进速度1.2 m/s、拨禾板转速240 r/min、茎秆留茬高度570 mm时,油葵籽粒损失率与破损率分别为1.90%和0.65%。研究结果可为提高油葵联合收获机的作业性能、油葵收获机的结构设计和参数优化提供参考。     

斜齿交错-非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构设计与优化

为获取一般性的空间行星轮系传动比,以达到直取秧和小穴口的插秧要求,在斜齿交错椭圆锥行星轮系分插机构的基础上,引入非圆锥齿轮,得到一种斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构,并应用于高速宽窄行插秧机当中。建立了非圆锥齿轮副节曲线的数学表达式和机构的运动学模型;基于Matlab开发平台开发了机构参数优化软件,利用该软件分析了节曲线形状、行星架初始安装角、斜齿轮螺旋角和非圆锥齿轮锥距对理想轨迹姿态、直取秧特征和穴口大小的影响,并以理想轨迹姿态、直取秧、小穴口等要求为目标,通过人机交互方式优选机构参数;与斜齿交错-椭圆锥行星轮系分插机构形成的总传动比及其轨迹进行对比,并得出了斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构轨迹在改进直取秧姿态、降低伤苗率等方面作业性能更优的结论。利用仿真软件Adams进行了机构的运动学仿真,加工分插机构实物,利用通用分插机构试验台完成机构插秧轨迹测试,得出斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构可以更好的满足水稻宽窄行插秧的要求,从而验证了非圆锥齿轮在宽窄行分插机构中应用的优越性。     

非圆锥齿轮球面齿廓数值计算方法

非圆锥齿轮传动是宽窄行分插机构实现空间插秧轨迹的重要组成部分,而满足不同机型的宽窄行分插机构需要设计不同参数的非圆锥齿轮。针对目前设计不同非圆锥齿轮需建立不同齿廓计算模型的问题,该文开展了基于样条曲线拟合封闭球面曲线的非圆锥齿轮大端齿廓数值计算方法研究,利用三次Nurbs曲线拟合方法建立了球面节曲线的统一表达式;根据齿形法线法和球面三角形性质建立了大端齿廓和齿根过渡曲线的数值计算模型,编写了基于Matlab的非圆锥齿轮大端齿廓计算程序;以一种步行式宽窄行分插机构的传动齿轮为例,当节点数取720时,齿槽齿厚差值可达到0.0037 mm,可以满足加工要求;并在ADAMS软件中采用齿间加载接触力的方式得到了与理论计算结果相吻合的齿轮传动比,验证了该齿廓计算方法的正确性,从而实现了非圆锥齿轮的通用化设计,为行星轮系式的宽窄行分插机构、取苗机构、植苗机构等种植机械关键部件实现期望运动轨迹提供技术支持。     

基于球面曲线的空间非匀速行星轮系分插机构逆向设计

针对目前非圆锥齿轮行星系分插机构运动轨迹、姿态设计中存在的对机构参数选择和参数对设计目标影响的不确定性问题,提出一种基于球面曲线的空间行星轮系机构逆向设计方法。在利用样条曲线描述光滑、连续、封闭理想平面插秧轨迹的基础上,采用保测地曲率投影方式将平面轨迹映射到给定球面获得目标球面轨迹;由二杆三自由度空间开式机构复演球面轨迹,并根据杆件的空间几何关系建立行星轮系机构的总传动比反求模型;通过在杆件上依附非圆锥齿轮、非圆齿轮,实现基于给定运动要求的各级传动比分配和齿轮节曲线再现;利用Matlab编写反求程序,并在高速水稻宽窄行分插机构的设计中,实现非圆齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构的参数反求。最后,通过设计并加工机构实物进行台架试验,由高速摄像技术测试并得到了与给定球面轨迹一致的插秧轨迹,验证了方法的可行性,为宽窄行分插机构设计提供了新的方法。     

差速水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构设计

针对水稻钵苗宽窄行Z字形移栽农艺要求,提出了一种差速式水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构,利用差速轮系的不等速传动和空间传动,以空间轨迹实现水稻钵苗Z字形宽窄行移栽.将非均匀B样条曲线理论应用于非圆齿轮节曲线的拟合,并采用坐标变换方法建立了机构齿轮箱轮系的数学模型.将水稻钵苗Z字形宽窄行移栽的轨迹和姿态要求参数化为9个具体的运动学优化目标,编写了基于机构数学模型的可视化参数优化界面,利用该软件界面分析了传动箱非圆齿轮节曲线和齿轮箱非圆齿轮节曲线对轨迹形状的影响,以及斜齿轮螺旋角和取秧夹片长度与轨迹偏移量的关系.通过优化得到取秧段偏移量为3.9mm,取秧段轨迹有效长度为45.6mm,移栽机构离地高度为32.6mm,夹片离从动非圆齿轮牙嵌轴距离6.7mm的大环扣式移栽轨迹.完成了移栽机构的虚拟仿真与样机试制,利用自制试验台架、工业相机和图像处理软件对机构移栽臂运动轨迹和姿态进了分析,结果与理论数据吻合,验证了移栽机构方案的可行性和结构的合理性.     

B样条非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的设计与优化

钵苗移栽可以提高产量,对中国粮食安全具有重要意义。在分析水稻钵苗移栽机构最新研究进展的基础上,该文作者发明了基于三次非均匀有理B样条曲线的非圆齿轮行星轮系钵苗移栽机构。选取非圆齿轮节曲线上的13个型值点来控制和表达非圆齿轮的节曲线形状,通过该移栽机构的运动学分析,在确定优化目标的基础上,建立了夹秧片姿态和尖点轨迹的目标函数,将目标函数转化为优化数学模型。利用MATLAB GU平台,开发出该移栽机构的计算机辅助分析与优化软件,通过人机对话调整型值点,优化夹秧片姿态和尖点轨迹,从而获得了一组满足水稻钵苗移栽要求的结构参数。建立三维模型,并利用Admas进行虚拟样机仿真,验证了该移栽机构数学模型的正确性。     

定轴轮系的旋轮线及其应用

建立了定轴轮系的旋轮线的公式，并指出其在车削平面中的应用。首先应用坐标变换的方法推导出了简单定轴轮系的旋轮线的方程，并利用计算机画出了一些典型图形，研究了旋轮线的性质、形状与传动比、尺度参数和初始角的关系。再根据定轴轮系的传动性质，建立了一般定轴轮系的旋轮线方程。然后根据上述知识，利用点的速度合成定理推导出车削平面传动比的方程。最后，利用一个例子对车削平面传动比的方程进行了仿真，所得结果验证了公式。     

反转式共轭凸轮蔬菜钵苗移栽机构的设计与仿真

国内外蔬菜移栽机核心工作部件均由不同功能的机构组合而成,以完成取苗、送苗和投苗等栽植动作。为简化机构提高移栽效率,该文提出一种以变性椭圆齿轮、正圆齿轮和共轭凸轮为传动机构的反转式蔬菜钵苗移栽机构,实现了用一套机构完成多个动作的要求。使蔬菜移栽机械达到自动、高效率(每行移栽效率可达到120株/min)的移栽水平。首先,在分析该移栽机构工作原理的基础上,建立该机构的运动学模型。然后基于Visual Basic6.0可视化编程软件,建立该机构的辅助分析与优化软件。最后,通过人机交互的优化方法,获得一组符合蔬菜钵苗移栽要求的结构参数,进行二维图纸绘制,三维模型建立,并导入ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)软件中做虚拟仿真,与优化软件得到的结果进行对比分析验证理论的可行性,该研究可为蔬菜钵苗移栽机构的设计提供参考。