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。     

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。     

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。     

步行式偏心-变位齿轮行星轮系宽窄行分插机构运动分析

为实现水稻宽窄行插秧,该文将偏心-变位齿轮行星轮系应用于步行式水稻插秧机分插机构中,并设计专用传动箱以满足水稻宽窄行插秧时秧针轨迹和姿态要求。分析了其结构特点和工作原理,建立了该机构运动学分析模型,编写了计算机辅助分析、仿真及优化程序,得到一组满足步行式宽窄行插秧的机构参数,建立了三维虚拟仿真模型,并在ADAMS中进行了虚拟试验,同时研制了样机并进行田间试验。试验结果表明宽行行距为403mm,窄行行距为197mm。虚拟试验和田间试验表明该分插机构满足步行式水稻插秧机宽窄行插秧的农艺要求。     

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。     

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。     

水稻钵苗“D形”静轨迹移栽机构逆向设计与分析

通过对夹取式水稻钵苗移栽作业农艺要求的分析,得出具有"D形"静轨迹的取苗爪更便于从秧箱中夹取水稻钵苗进行移栽。为了实现"D形"静轨迹,采用封闭节曲线拟合技术,通过给定型值点确定机构作业要求的运动轨迹,建立机构逆运动学模型,求解出非圆齿轮非匀速传动比函数,从而设计出非圆齿轮节曲线。计算实例验证了该逆向设计方法的可行性,通过该方法可方便获得更为复杂要求的运动规律,实现轨迹的再现和取苗段姿态的控制,可为移栽机的设计提供一种新方法。     

斜齿外啮倾斜式宽窄行插秧机分插机构的设计

依据水稻宽窄行种植农艺要求,利用交错轴斜齿轮传动机构,设计了一种倾斜式宽窄行分插机构;在保证育秧方式和秧箱不变的前提下,实现了宽窄行插秧。针对倾斜式分插机构取秧时存在的问题,提出了直取式栽植臂方案。对分插机构进行了机理分析,采用矩阵法对秧针位姿改变带来的一系列变动进行理论分析,完成了交错轴斜齿轮倾斜式宽窄行分插机构的相关计算,得到机构最优倾斜角γ=9.89°;栽植臂水平调整角度δ1=6.79°;秧针平面与水平面的夹角δ2=γ=9.89°;利用虚拟试验验证了方案的正确性和可行性。     

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。     

同步膜上开孔插秧装置运动学仿真与参数优化试验

为解决秸秆基纤维地膜敷设后直接插秧造成的秧苗根系损伤的问题,设计了一种同步膜上开孔插秧装置,并对装置进行运动学仿真分析及试验研究。根据秧针尖点与纵向开孔刀尖点轨迹方程,通过数学模型推导计算,从理论上分析装置设计的可行性,应用ADAMS进行了运动仿真,得到秧针及纵向开口刀关键点的运动轨迹,应用三因素三水平虚拟正交试验方法,以分插机构旋转速度、纵向开孔刀长度、纵向开孔刀与秧针夹角为影响因子,以膜孔长度、膜孔与秧针偏差为响应函数,对纵向开孔刀的结构参数进行优化试验研究及试验台验证。结果表明:当作业速度≤1.4 m/s,在120、140和160 mm 3种株距条件下,纵向开孔刀长为65 mm、纵向开孔刀与秧针夹角为0°时,所开膜孔长度为31.8~42 mm,膜孔与穴口偏差0.21~0.78 mm,膜孔合格率达92%以上。研究结果为水稻秸秆基纤维地膜敷设插秧机同步膜上开孔装置的设计提供了参考。     

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.     

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。     

非圆齿轮-连杆组合传动式蔬菜钵苗移栽机构设计

针对现有的单行星架轮系机构无法实现取栽一体式蔬菜移栽机构所需的作业轨迹和姿态问题,该文基于曲柄摇杆机构的变速摆动和非圆齿轮的不等速传动特性相结合的思想,提出一种双行星架非圆齿轮与连杆机构组合传动的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构。该机构的副行星架相对主行星架作变速摆动,移栽臂相对副行星架作回转运动。采用三次非均匀B样条拟合非圆齿轮节曲线建立移栽机构运动学模型。结合西芹移栽株距220 mm、苗高100～150 mm和穴钵深度40 mm的移栽农艺要求,优选出一组适合西芹钵苗取栽一体作业的尖嘴形轨迹和姿态。轨迹取苗段长度33 mm,植苗点距离行星架壳体运动最低点距地面高度55 mm,取苗角23°,取苗过程变化角16°,推苗角65°,轨迹整体高度355 mm,动轨迹环口高度125 mm。通过对比分析仿真轨迹、试验轨迹与理论分析的轨迹基本一致,验证了移栽机构作业轨迹的正确性和设计方案的可行性,该研究可为实现兼顾轨迹高度、取苗深度和作业姿态的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构设计提供技术参考。     

混合驱动五杆花卉盘栽机构的优化设计与试验

为实现盘栽机构的轻简化和运动设计的灵活性,该文以一种混合驱动五杆机构来实现花卉穴盘苗盘栽运动。根据工作要求拟定机构轨迹,以变速电机最小角速度波动为目标,基于遗传算法优化得到机构中机架位置为(0,-150)和(-267.20,61.87),五杆机构的杆长分别为152.80、324.55、336.56、100.40、302.60、341.00 mm。建立花卉盘栽机构三维模型,利用ADAMS进行了机构运动仿真,验证了机构优化设计结果的正确性。对混合驱动五杆花卉盘栽机构控制系统进行了设计,试制样机并开展了花卉盘栽试验。通过进行花卉移栽试验,测试得到花卉移栽轨迹高度为265 mm,取苗倾角为140°,取苗时入钵摆角为6.92°、出钵摆角为6.27°,取苗环扣宽度小于3 mm,植苗倾角为90°,植苗时入盘摆角为13.19°、出盘摆角为4.19°,植苗段垂直轨迹大于40 mm。花卉移栽的平均成功率为87.16%,表明混合驱动五杆花卉盘栽机构可以实现花卉盘栽工作。研究拓展了混合驱动的应用领域,可为全自动花卉盘栽装备的研发提供参考。     

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。     

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。     

拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构的机理分析与试验

钵苗移栽具有提高产量,增大精品粮种植面积等优点,该文作者基于双曲柄五杆水稻钵苗移栽机的结构形式,针对重要传动部件进行改进,开发了基于B样条拟合曲线的轻简化水稻钵苗移栽机构——拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构。对该机构进行拟合齿轮节曲线传动分析,建立移栽机构运动学模型,运用matrix laboratory(MATLAB)中GUI平台开发出了水稻钵苗移栽机构辅助分析与参数优化软件,通过软件优化得出一组能够满足钵苗移栽要求的结构参数。建立三维模型,并通过automatic dynamic analysis of mechanical systems(ADAMS)进行虚拟样机仿真,初步验证机构的合理性。加工移栽机构核心部件,装配并在试验台架上进行试验研究。通过对移栽机构的试验台架试验,验证了移栽机构参数的合理性和有效性。以秧夹开口开度、秧夹夹持力、取秧频率为因素,以伤秧率和漏秧率为评价指标,选取二次回归正交旋转组合试验的方案,运用Design-Expert 7.0软件进行分析,得到的分析结果进一步验证了拟合齿轮五杆移栽机构的合理性。