非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构优化设计与试验

针对现有水稻钵苗移栽机构结构复杂、成本高或工作效率低、振动大等问题,提出一种由1个不完全非圆齿轮、6个非圆齿轮和2个移栽臂组成的非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构。分析了该移栽机构的工作机理,采用一种基于人机交互的参数优化方法,编制移栽机构的优化设计软件,得到一组实现水稻钵苗移栽较优工作轨迹和姿态的机构参数。建立移栽机构虚拟样机,研制移栽机构物理样机,开展虚拟样机运动仿真分析和物理样机高速摄影运动学试验,得到机构移栽臂的秧针尖点静轨迹和姿态。理论计算和实际测量得到的推秧角与取秧角角度差分别为53.52°与52.53°,误差为1.45%;仿真分析、试验测试结果与理论分析结果基本一致,验证了移栽机构设计方法和结果的正确性,以及机构应用于实际机器的可行性。     

夹钵式水稻钵苗移栽机构设计与试验

针对夹苗式水稻钵苗移栽机构取苗易失败,以及推秧爪推秧不充分影响钵苗直立度等问题,根据水稻钵苗移栽机构的工作要求,提出了一种夹钵式水稻钵苗移栽机构。基于Visual Basic 6. 0开发了移栽机构辅助分析优化软件,分析了主要参数对移栽轨迹的影响,通过人机交互方式得到了一组满足移栽工作要求的机构参数。根据得到的机构参数,完成移栽机构的结构设计,进行了移栽机构的虚拟仿真分析,验证了移栽机构理论设计的正确性。设计了水稻钵苗移栽试验台并进行了移栽机构取苗试验,移栽机构回转速度设定为50 r/min时,平均取苗成功率为93. 06%,当转速为80 r/min时,平均取苗成功率为88. 89%,取苗成功率随着转速的提高而降低。研究表明,该机构具有较高的取苗效率和取苗成功率,可应用于水稻钵苗移栽机。     

三臂回转式水稻钵苗移栽机构反求设计与试验

针对前期正向设计得到的三移栽臂水稻钵苗移栽机构应用中存在绝对运动轨迹回程段前倾造成秧苗回带,以及推苗角偏小造成推苗直立度差的问题,提出一种基于局部运动轨迹的反求设计方法完成三臂回转式水稻钵苗移栽机构设计。首先,分析机构绝对运动轨迹和相对运动轨迹之间关系,结合原机构存在的问题预设局部较理想绝对运动轨迹回程段轨迹、取推苗角,确定移栽机构局部相对运动轨迹关键位置点,应用三次非均匀B样条曲线拟合生成相对运动轨迹;然后,建立基于相对运动轨迹的移栽机构反求设计模型,开发了基于Matlab的反求设计辅助分析软件,优化获得满足设计目标的移栽轨迹和机构参数;最后,对三臂回转式水稻钵苗移栽机构进行了结构设计、虚拟仿真与样机试验,结果表明：仿真轨迹、样机试验轨迹与理论计算轨迹基本一致,且移栽臂推秧角较原机构增大了9.08°以上、绝对运动轨迹回程高度大于120 mm、取推苗角度差与秧箱实际安装角误差控制在±2°以内,满足水稻钵苗高直立度移栽要求,验证了所提出方法和三臂回转式水稻钵苗移栽机构设计的正确性。     

变行距水稻钵苗移栽机移栽装置设计与试验

针对现有水稻钵苗移栽机移栽行距固定、不能适应南方双季稻区不同行距移栽农艺要求的问题,在歩距式水稻插秧机基础上,设计了一种取苗轨迹简单、实用及性能可靠的变行距钵苗移栽装置。根据钵苗最佳拔取角度与取、投苗位置要求,确定取苗运动轨迹,设计取苗连杆机构,建立运动学模型,并应用Matlab对机构模型进行优化设计;根据取苗连杆机构运动参数与钵苗下落姿态的要求,设计苗夹开合与旋转运动控制凸轮,并进行取苗连杆机构与苗夹机构之间运动同步性的运动仿真分析;为满足钵苗经过输苗筒后下落至水田时刻的一致,以保证移栽时钵苗株距均匀性,对输苗筒的关键结构进行了理论分析及设计;进行不同取苗速度、不同行距的移栽试验,平均取苗成功率达到89.96%,平均倒苗率3.45%,表明该装置具有较好的移栽效果,可应用于水稻钵苗变行距移栽作业。     

步行式水稻钵苗膜上开孔移栽机构优化设计与试验

为了实现将水稻钵苗移栽和膜上栽植农艺技术相结合,设计了相应的步行式水稻钵苗膜上开孔移栽机构,用一套回转机构一次性依次完成取苗、输送、膜上开孔和配合栽植。根据移栽机构的工作原理,建立了运动学理论模型并设定数字化优化目标,基于Visual Basic 6. 0开发了机构的计算机辅助分析优化设计软件,通过优化获得一组满足移栽要求的机构参数。对机构进行了结构设计、三维建模和装配,并通过ADAMS软件完成了虚拟样机仿真,应用3D打印技术制作了物理样机。利用高速摄像技术在所搭建的试验台架上对样机进行了轨迹与姿态验证试验,通过对比分析得到理论轨迹、虚拟仿真轨迹和物理样机轨迹基本一致,验证了机构设计的合理性与正确性。在试验台架上完成了取苗试验、膜上开孔试验以及栽植试验,结果表明取苗成功率为90. 4%,秸秆纤维地膜和塑料地膜栽植成功率分别为87. 5%和82. 5%,所开膜孔的长度与宽度效果良好,满足步行式水稻钵苗膜上开孔移栽的要求。     

水稻钵苗膜上移栽机构优化设计与试验

膜上栽植技术可以有效防止水土流失、有利于有机水稻种植,钵苗移栽可以提高产量。为了将两种农艺相结合,提出一种膜上开孔并实现水稻钵苗栽植的移栽机构,能有效避免因破膜与水稻栽植不同步而造成的秧苗损伤。分析了移栽机构的工作机理,建立了运动学分析模型,开发了计算机辅助分析优化设计软件,并得到一组满足膜上移栽要求的结构参数。建立三维模型,并利用ADAMS软件完成虚拟样机仿真。设计物理样机,进行高速摄影运动试验。样机试验结果与理论分析所得轨迹基本一致,验证了移栽机构设计的合理性与正确性。在试验台架上完成了取苗试验与膜上栽植试验,取苗成功率为92.8%,膜上栽植的合格率为90%,满足膜上移栽的作业要求,验证了水稻钵苗膜上移栽机构的可行性。     

探入式番茄钵苗移栽机构设计与试验

为了避免移栽机构在夹取秧苗过程中对秧苗茎秆造成损伤,针对夹取土钵的取苗方式,提出了一种探入式番茄钵苗移栽机构。依据结构特性和工作原理,建立了机构运动学理论模型,根据设定的优化目标开发了移栽机构优化设计软件,通过优化得到一组符合番茄钵苗移栽要求的结构参数。对栽植臂绝对转角和移栽机构绝对运动轨迹进行分析,验证了机构的合理性和可行性。建立了探入式番茄钵苗移栽机构的三维模型并虚拟仿真,对物理样机进行了高速摄影试验验证,通过对移栽机构实际工作轨迹与理论及仿真轨迹进行对比分析,验证了机构设计的正确性。对机构进行性能台架试验,取苗成功率为92. 8%,移栽成功率为89. 7%,栽植合格率为86. 4%,栽植优良率为59. 4%,符合移栽要求,验证了机构的实用性。     

全自动滑道式旱地钵苗移栽机构设计与试验

针对目前移栽机构取苗速度快导致钵苗易损伤和栽植器在栽植过程中水平方向与地面存在相对运动导致钵苗栽植直立度低等问题,设计了一种全自动滑道式旱地钵苗移栽机构,该机构通过滑道控制栽植臂实现取苗、送苗、栽植和复位功能,使取苗和栽植运动轨迹和运动速度达到最优状态。通过对移栽机构的理论分析,建立运动学模型。基于VB开发了计算机辅助优化设计软件,优化出一组满足理想移栽轨迹要求的机构参数,根据此参数对移栽机构进行整体设计,完成三维建模。应用ADAMS软件对移栽机构进行运动学仿真分析,验证了设计的合理性。在物理样机上利用高速摄像系统进行了轨迹验证试验,通过对比可知理论轨迹、仿真轨迹与样机工作轨迹基本一致,验证了机构设计的正确性。在栽植频率为62株/min工况下进行了机构性能试验,结果表明平均取苗成功率为95%、秧苗平均栽植直立度为82°、秧苗平均直立度合格率为93.4%,满足钵苗移栽要求。     

全自动草莓钵苗移栽机构优化设计与试验

为了实现草莓钵苗机械化移栽,根据草莓种植农艺要求,提出了一种Hermite插值非圆齿轮行星轮系全自动草莓钵苗移栽机构,用一套回转机构依次完成取苗、输送、挖穴与栽植4个移栽工序,满足了草莓钵苗移栽所需的轨迹与姿态要求,保证了所取秧苗和所挖穴口的精准配合。根据移栽机构的工作原理,建立了运动学理论模型,并结合设定的优化目标,基于Visual Basic 6. 0设计了计算机辅助分析优化设计软件,通过优化得到了一组满足移栽要求的机构参数。根据优化的参数对机构进行了二维设计、三维建模,通过ADAMS软件完成了虚拟样机仿真,应用3D打印技术制作了物理样机。在所搭建的草莓钵苗移栽试验台架上,利用高速摄像技术对物理样机进行了轨迹与姿态验证试验,通过对比分析得到理论轨迹、虚拟仿真轨迹和台架试验轨迹基本一致,验证了机构设计的正确性。并进行了机构的性能试验,结果表明取苗成功率为92%,栽植成功率为85%,平均栽植株距为172. 9 mm,所挖穴口深度、长度和宽度效果良好,满足草莓钵苗移栽要求。     

番茄钵苗移栽探出式取钵机构设计与试验

为了降低番茄钵苗移栽过程取钵机构对秧苗钵土根系的损伤,同时避免机械式钵苗移栽机构设计特殊取苗轨迹与姿态的优化难题,提出了一种可与系列移栽机构配合使用的番茄钵苗探出式取钵机构,实现取苗各关键位置机构秧针以固定角度完成探出入钵、移动送苗及收回推秧工序。根据钵苗移栽取钵过程分析与设计要求,建立了探出式取钵机构力学分析模型,并获得影响秧针扎入钵土时驱动杆受最小驱动力的因素。基于Matlab App Designer平台开发了取钵机构计算机辅助分析设计软件,获得满足番茄钵苗移栽要求的取钵机构设计参数集。采用三因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法,以驱动杆斜杆夹角、钵体含水率、入钵深度为试验因素,以钵体完整率和取苗成功率为评价指标,试制样机并搭建台架实施参数组合优化及验证试验,结果表明：探出式取钵机构可有效地配合取苗机构完成各项性能工作要求,在参数组合为驱动斜杆间夹角112°、钵体含水率57.5%、入钵深度28.4mm时作业效果最佳,钵体完整率为96.44%,取苗成功率为97.06%,满足钵苗移栽作业性能。     

行星轮系水稻钵苗移栽机构正反求设计方法研究

为了解决现有行星轮系水稻钵苗移栽机构较难同时具备理想的移栽轨迹和姿态的问题,提出了正向设计与局部轨迹微调的反求设计相结合的设计方法。以非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的设计为例,阐述该方法的实现过程。建立行星轮系水稻钵苗移栽机构设计要求,并分析其工作原理,在前期正向设计的基础上,局部调整其移栽静轨迹,通过反求设计进一步优化设计移栽机构。进行局部反求设计的运动学分析和运动学建模,基于Matlab平台开发计算机辅助设计软件,通过人机交互的方式得到移栽机构的机构参数,使其不仅满足移栽臂移栽的姿态要求,同时获得更理想的移栽工作轨迹。根据最终得到的机构参数设计移栽机构结构,完成三维建模、虚拟仿真试验,加工、装配移栽机构物理样机,完成了高速摄像运动学试验。将移栽机构理论计算、虚拟仿真、样机试验得到的移栽静轨迹比较,同时逐一将轨迹相关参数、取秧角、推秧角、角度差等设计目标参数与相应数值化目标进行对比,结果显示,均满足要求,验证了设计方法的正确性。与以往单一的正向设计、反求设计方法相比,该方法设计的移栽机构不仅具有更优的移栽工作轨迹,也可满足较好的移栽姿态要求。     

面向立柱栽培的移栽机器人设计与协调运动仿真

针对新型螺旋栽培立柱结构进行了配套移栽机器人系统的设计。通过几何与静力学分析,确定了插针式末端执行器的驱动电磁铁选型与机构参数。通过立柱的穴盘苗机器人移栽协调运动仿真,确定了机械手结构参数与系统优化布局,得到了多执行元件协调运动时序关系并建立了移栽协调运动流程。样机试验结果表明,机械手平均水平与竖直定位误差分别为2.24 m和0.63 m,移栽成功率为94.7%。立柱1.2 m高度范围的移栽作业效率为750株/h,末端执行器取苗时间仅为0.2 s,能够满足立柱自动化移栽作业的要求。     

非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构分析与优化

针对现有宽窄行分插机构存在斜取秧和大穴口问题,提出一种由椭圆锥齿轮-交错圆柱齿轮混合传动的空间行星轮系宽窄行分插机构.分析了椭圆锥齿轮的传动特性,建立了机构的运动学模型.通过分析插秧轨迹的横向线位移、横向插秧穴口边长与传动齿轮交错角的关系,得出椭圆锥齿轮-交错圆柱齿轮混合传动方式可以兼顾斜置式和齿轮交错传动式的小穴口、直取秧的优点.开发了宽窄行分插机构参数优化软件,进行了机构的运动特征分析,并通过人机交互方式优化了一组满足宽窄行插秧机的机构参数.利用仿真软件ADAMS实现了椭圆锥齿轮齿廓的设计,并结合三维建模软件进行了分插机构的仿真.加工了分插机构实物模型,进行了试验台测试,得出椭圆锥齿轮-交错圆柱齿轮混合传动分插机构可以满足水稻宽窄行插秧的要求.     

蔬菜钵苗密植移栽机多行取苗机构设计与试验

为实现蔬菜钵苗密植自动移栽,提出一种能够降低因齿轮间的齿侧间隙引起的传动误差进而提高运动准确性的大重合度非圆齿轮传动机构,根据小青菜钵苗密植移栽农艺要求,设计了密植移栽取苗轨迹和一种基于该传动机构的非圆齿轮行星轮系八行同步取苗机构。开展了取苗机构的逆向设计,并对其进行了运动学分析,自主开发了密植移栽取苗机构反求设计软件。为降低传动误差,该行星轮系取苗机构一级齿轮传动采用大重合度非圆齿轮传动,二级齿轮传动采用斜齿轮传动,每级齿轮传动的重合度均接近2。基于虚拟样机技术和高速摄像技术对取苗机构进行轨迹测试试验,得到试验和仿真取苗轨迹,并对比理论计算轨迹,三者轨迹基本一致,验证了密植移栽取苗机构设计的可行性。对密植移栽取苗机构进行取苗试验,取苗机构的取苗成功率为95%左右,检验了机构样机性能。     

非圆齿轮行星轮系分插机构运动分析

为提高插秧机作业效率和质量,对非圆齿轮行星轮系分插机构的运动特性进行了研究。建立了机构运动数学模型,对该机构进行了位移和速度分析,求出了机构参数对分插机构秧爪的绝对运动轨迹和速度的影响规律,为采用非圆齿轮行星轮系分插机构的高速插秧机的设计提供了理论依据。     

水稻钵苗有序移栽试验装置的研究

为了研究水稻钵苗有序移栽的可行性,给水稻钵苗有序移栽机的研制提供工艺参数,以YP450C水稻插秧机为机体,确定了钵苗移栽工作部件及其传动系统,研制了水稻钵苗有序移栽试验装置.借鉴国内外钵盘育秧技术,在室内模拟水田实际工况,采用气吸式取苗原理移栽空气整根盘育乳苗,进行育苗和移栽试验.试验结果表明,利用气吸式原理移栽空气整根钵体乳苗所需要的真空度范围为400～900Pa;移栽后钵苗排列有序,钵苗入土直立度高.