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。     

基于满意度原理的旋转式分插机构多目标优化设计

针对旋转式行星轮系分插机构运动学优化过程中的多目标、非线性、模糊性等问题,建立了基于满意度原理的运动学多目标优化设计模型。运用模糊数学中的模糊综合评价,对若干组分插机构运动学性能予以量化,并用上述样本对BP网络进行训练,求得满意度映射关系,获得满意度函数,利用精英保留策略的实数编码遗传算法进行优化求解及评价,优化结果为:椭圆齿轮长轴半径a为18.10mm,椭圆齿轮短长轴之比k为0.988,栽植臂初始安装角α0为-42.56°,行星轮初始安装角δ0为11.56°,机架初始安装角φ0为31.02°,行星轮轴心与秧针尖点连线的距离S为153.79mm,满意度93.11。优化设计结果表明:该方法不仅提高了设计效率和质量,而且更能反映设计人员和用户的需求。     

椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化

该文通过理论推导,阐述了椭圆齿轮行星系分插机构的传动特性,建立了运动学分析模型和框图。在VB平台上编制了机构参数优化程序,可以方便快捷地按照设计者要求找出一组最佳参数。利用该软件,针对原日本分插机构在中国南方插大苗时,由于插秧后工作轨迹过于前倾,可能推倒秧苗。设计了适合南、北方不同栽植模式的两种分插机构,通过重新优化出的结构参数,对椭圆齿轮行星系、偏心齿轮行星系和曲柄摇杆式三种分插机构性能进行了比较     

水稻插秧机分插机构的研究进展

分插机构是水稻插秧机的主要工作部件，其性能决定其插秧质量、工作可靠性和单位时间的插次。该文总结了目前2种主要类型的分插机构(曲柄摇杆分插机构和行星轮系分插机构)的研究进展，分析比较了这2种机构的优缺点，并提出进一步研究的方向。     

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。     

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。     

傅立叶节曲线非圆齿轮系分插机构运动学分析

为了提高插秧机作业质量,减少作业中产生的“推秧”、“漂秧”、“倒秧”以及“搭桥”等现象,该文提出了一种新型傅立叶节曲线非圆齿轮系旋转式分插机构。建立其运动学模型,借助计算机分析与优化软件,分析了该分插机构的运动学规律和该分插机构的变量参数对秧爪运动轨迹和插秧效果的影响。从该分插机构的运动仿真结果得出,运动轨迹呈“腰子形”,取秧角、插秧角、轨迹高度、插秧穴口等均满足插秧要求,同时该分插机构具有节曲线形状变化灵活、传动比变化范围大等特点。     

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。     

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。     

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。     

吊杯式栽植器的优化设计及试验

针对目前吊杯式移栽机在移栽过程中出现的膜上穴口尺寸过大、栽植器容易撕膜、刮膜等问题,从栽植器的结构参数和分析特征系数入手,对于膜上穴口尺寸进行了研究。通过Pro/E建立栽植器的三维模型并进行优化设计与制造,对8 cm×8 cm和6 cm×6 cm口径的2种栽植器进行了田间对比试验,分析了其对膜上穴口尺寸的影响程度。然后通过变换传动比改变运动特征系数来研究运动特征系数对膜上穴口尺寸的影响规律。试验表明通过改进栽植器的结构,膜上横向尺寸较改进前平均降低了约45.3%;膜上纵向尺寸较改进前平均降低了17.9%。当运动特征系数从小变大时,膜上穴口平均值表现为先减小后增大,在运动特征系数为1.238时膜上穴口尺寸最小,说明运动特征系数存在最优值。改进栽植器机构后的试验结果为:株距的平均值维持在40 cm左右,漏苗率为1.07%,伤苗率为0.71%,直立度合格率为92.6%。当运动特征系数为1.238时,穴口纵向尺寸平均值为71 mm,横向尺寸平均值为18.5 mm,均为最小值。故对于2ZP型移栽机,运动特征系数取1.238为宜。该研究为吊杯式移栽机改进设计和性能优化提供参考。     

切割厚度可调甜菜切顶机构的分析与参数优化

针对现有甜菜切顶机构在切顶过程中切割厚度不能随甜菜青顶大小自动调节问题,提出一种新的切顶机构。对其工作原理进行分析,建立其运动学模型,推导机构各关键点的（角）位移、（角）速度和（角）加速度方程。基于Visual Basic 6.0编写机构的运动学仿真与优化软件,利用该软件分析链轮传动比、齿轮节圆半径、摆臂长度、仿形轮半径等主要参数对切刀切顶轨迹和甜菜青顶切割厚度的影响,并通过人机交互优化方法得到一组较优的机构参数,其对应的切顶轨迹曲线能满足甜菜切顶的农艺要求。基于Matlab语言编程,采用遗传算法对仿形轮线速度和牵引速度进行了分析与优化,优化结果优于经验值。最后,根据优化所得机构参数建立了切顶机构三维模型,通过ADAMS虚拟样机进行试验验证,虚拟试验结果与理论分析结果一致。