偏心齿轮行星系水稻分插机构的分析研究

为研制高速插秧机，研究证明了偏心齿轮行星系传动的３个重要性质，用解析方法建立了偏心齿轮行星系分插机构的运动学模型，对该机构进行了位移、速度和角速度分析，并求出了各结构参数变化而引起的分插机构秧爪的相对运动速度和绝对运动轨迹的变化，为采用偏心齿轮行星系分插机构的高速插秧机的设计提供了理论依据。     

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。     

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。     

偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系在后插旋转式分插机构中的应用

针对步行式水稻插秧机的工作要求,将偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系应用于水稻插秧机后插式分插机构的设计中,研制出偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构。分析了偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系的运动学特性,建立运动学模型,并自主开发了分插机构辅助分析与优化软件,通过人机交互优化方式对该分插机构进行参数优化,完成了该分插机构的二维和三维设计,并进行了虚拟样机试验,试验结果表明：该分插机构可以形成“海豚形”插秧静轨迹,满足步行式水稻插秧机的工作要求。     

椭圆齿轮行星系分插机构推秧装置的动力学模型的建立及验证

为了建立高速水稻插秧机椭圆齿轮行星系分插机构的动力学模型，必须分析推秧装置对该机构的作用。该文采用作者推导的解析形式刚体复合运动微分方程对该机构的推秧装置进行动力学分析，推导出推秧装置的动力学模型。通过编程计算得到：①推秧和碰撞过程行星架转角与拨叉转角及推秧杆位置的关系，并由高速录像验证；②在推秧和碰撞过程拨叉转动中心受力、推秧杆对栽植臂作用力和弹簧作用力与行星架转角的关系，为分析整个分插机构的动力学特性奠定基础。     

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。     

钵苗移栽机椭圆齿轮行星系植苗机构运动学建模与分析

为了分析该文提出的钵苗移栽机椭圆齿轮行星系植苗机构的作业性能,建立了该机构的运动学模型,推导了栽植嘴的(角)位移、(角)速度和(角)加速度方程。在此基础上,采用Visual Basic 6.0编写了该机构的运动学仿真与优化软件,并利用该软件分析几个主要参数对该机构作业性能的影响,这些主要参数包括椭圆齿轮长半轴、椭圆齿轮短长轴之比、行星架初始安装角和株距,作业性能包括穴口大小、栽植嘴的轨迹姿态及其直立性和机构作业的稳定性等。由参数影响分析结果,得到一组较优的机构参数,其对应的栽植嘴轨迹和姿态等作业性能满足蔬菜钵苗移栽农艺要求,且与往复式的植苗机构相比具有较小的速度和加速度波动。     

基于运动学目标函数的插秧机分插机构参数优化

分插机构优化属于多目标、多参数优化问题。该文为了简化与加快参数优化的过程,提高分插机构的优化效率,在原来"试凑法"的基础上,提出了基于现代目标函数的参数优化方法,即在数学建模的基础上,对分插机构的运动学约束条件进行数字化设计与分析,建立了11个运动学目标函数,求解出目标函数的取值范围分别为:Y1-2 mm,Y290 mm,|Y3|4 mm,40 mmY480 mm,55°Y560°,Y6260 mm,Y730 mm,-10°Y820°,65°Y980°,Y102.5,Y1120 mm。在分插机构辅助分析设计平台中,给定初始参数:椭圆齿轮长半轴a=16.65 mm,椭圆短轴与长轴之比k=0.98,栽植臂相对行星架初始安装角α0=-100°,行星架的初始安装角φ0=24°,行星架拐角δ0=7°,秧针尖点与行星轮转动中心的距离S=176 mm,株距H=150 mm,中心轴的角速度W=200 rad/s。利用目标函数的取值要求进行机构参数优化,得到了满足插秧要求的机构参数:a=22.65 mm,k=0.987,α0=-52°,φ0=27°,δ0=16°,S=181 mm,H=130 mm,W=200 rad/s。经比较分析验证本方法可有效提高分插机构参数优化精度与效率,对其他农业机械参数优化问题具有一定的借鉴意义。     

双控制分插机构的运动特性和优化分析

叙述了一种高速插秧机分插机构——双控制分插机构的结构原理，其传动由曲柄摇杆机构和行星齿轮系组成，完成插秧所需的运动轨迹。同时建立了机构的运动学模型，利用VB平台优化结构参数，使其可适应南方早稻和北方小苗插秧，所研制的分插机构的工作轨迹、取秧角和插秧角与理论分析和优化的结果完全一致。     

基于无函数表达节曲线的非圆齿轮分插机构设计与试验

针对行星轮系分插机构的非圆齿轮节曲线形状复杂、反求时难以用函数对非圆齿轮节曲线拟合的问题,把非圆齿轮的节曲线用数值点形式表示,提出了无函数表达非圆齿轮节曲线的设计方法。应用数值分析方法,对分插机构的秧针进行运动学分析;编写了人机交互设计和优化软件,研究设计变量对秧针运动轨迹和运动姿态的影响,对反求得到的无函数表达节曲线的非圆齿轮系进行检验和修正,完成了对行星架初始安装角等分插机构参数的优化。结果显示:非圆齿轮中心距为40.7 mm,齿轮齿数为19,行星架初始安装角为35°,栽植臂初始安装角为42°,秧针长度为142 mm,取秧角为12°,推秧角为75°为满足农业要求的分插机构的结构参数。秧针相对运动轨迹的高速摄影分析和田间插秧试验说明,求得的旋转式分插机构能够很好地满足插秧要求。该研究结果为高速插秧机核心工作部件的研发提供参考。     

基于MATLAB仿真的非规则齿轮行星系扎穴机构的优化设计

为更好地满足深施型液态施肥机喷肥针入土垂直度及穴口较小的农艺要求,采用MATLAB GUI开发平台,编写了非规则齿轮行星系扎穴机构的反求设计与运动学分析仿真软件。该软件避免了正求方法试凑参数的盲目性,通过改变静轨迹上若干型值点的坐标,控制喷肥针尖姿态,直观动态地显示出反求过程、结果以及机构仿真运动过程,优化出最佳参数:穴口宽度为28 mm,静轨迹的高度为252 mm、宽度为182 mm。为了验证扎穴轨迹的正确性进行高速摄像试验,观察和分析了实际作业过程中喷肥针尖的相对运动轨迹、关键点姿态。试验结果表明:喷肥针尖轨迹高度246 mm、宽度188 mm,在试验误差允许范围内,轨迹的高度和宽度与理论仿真软件优化结果基本一致,充分验证反求设计分析的准确性和可行性。该研究为扎穴机构的反求设计提供了参考。     

高速插秧机差速分插机构的工作原理及其CAD/CAE

分插机构的创新是插秧机产品更新换代的关键技术之一，该文介绍了一种新型高速插秧机分插机构—差速分插机构的结构与工作原理，通过建立其数学模型，应用CAD/CAE技术进行辅助分析与设计，分别优化适于南方双季稻种植和北方插小苗要求的分插机构结构参数，并与日本高速插秧机分插机构的性能进行对比分析。实验台试验表明该分插机构运转平稳，验证了方案构思正确、可行，理论分析与试验情况一致。     

三移栽臂水稻钵苗移栽机构设计与试验

为了实现水稻钵苗的高效、稳定的移栽,在分析现有水稻钵苗移栽机构的研究现状基础上,该文设计了一种应用于水稻钵苗自动移栽机的三移栽臂非圆齿轮行星系水稻钵苗移栽机构。构建了一种非圆齿轮节曲线方程,建立了非圆-不完全非圆齿轮机构的运动学理论模型。开发了该水稻钵苗移栽机构的计算机辅助分析与优化软件,通过人机交互的方式得到一组较优的满足水稻钵苗移栽机构工作要求的参数,然后进行虚拟仿真及物理样机试验,通过对比分析虚拟仿真得到的工作轨迹与物理样机试验得到的工作轨迹基本一致;理论计算得到的角度差为45.18°,实际测量得到的角度差为45.77°,误差为1.31%,在误差范围以内,验证了该移栽机构设计的正确性。该机构的提出解决了秧苗倒伏、低移栽成功率的问题,提高了移栽效率。     

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。     

钵苗移栽机非圆齿轮行星轮系栽植机构参数分析与反求

为了更好地满足旱地钵苗移栽农艺要求,本文提出非圆齿轮行星轮系栽植机构。选取栽植机构栽植嘴运动轨迹上的若干点作为型值点,利用三次非均匀B样条曲线来控制和表达整条轨迹,并建立以轨迹为目标的该机构参数反求模型,推导栽植嘴的（角）位移、（角）速度和（角）加速度方程。基于MATLAB GUI开发平台,编写了该栽植机构的参数反求设计软件,利用该软件分析了若干型值点对该机构栽植嘴轨迹姿态及穴口形状等性能的影响。在型值点影响分析的基础上,以栽植机构栽植嘴理想轨迹姿态及穴口形状等要求为目标,通过软件的人机对话功能调整型值点,优选机构参数,提高立苗率和降低伤苗率。与七杆式栽植机构、多杆式栽植机构和椭圆齿轮行星轮系栽植机构相比,本栽植机构具有较优的作业性能和运动学特性。