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浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 班 級 09機械4班 姓 名 李宇通 課題名稱 單行蔬菜缽體苗自動移栽機的設計—取苗裝置設計 開題報告 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2 蔬菜移栽機研究意義 2 研究的基本內容與擬解決的主要問題 2.1 基本內容 2.2 擬解決的主要問題 3 研究方案、可行性分析及預期研究成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 預期研究成果 4 研究工作計劃 參考文獻 （開題報告全文附后） 成績： 答 辯 意 見 （從選題、任務工作量、質量預期、可行性等幾個方面） 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 單行水稻缽體苗自動移栽機的設計—取苗裝置設計 李宇通 (機械設計制造及其自動化09級(4)班 B09300414) 1 選題的背景與意義 據(jù)FAO統(tǒng)計，2006年中國已成為世界上最大的蔬菜生產國，蔬菜產量約占世界總產量的49.6％[1]。改革開放以來，我國蔬菜產量每年呈持續(xù)增長的勢頭，發(fā)展迅猛。據(jù)中國農業(yè)統(tǒng)計資料顯示，我國蔬菜播種面積在上世紀80年代年均增長近10%，90年代年均增長14.5%，本世紀前7年平均增長1.9%，到2007年達到2.94億畝，總產量6.41億噸。其中，蔬菜2.6億畝，5.65億噸，人均占有量427公斤。蔬菜已經成為我國農業(yè)中僅次于糧食的第二重要農產品，近年來，浙江省在種植業(yè)結構調整和效益農業(yè)的發(fā)展上取得了顯著成效，蔬菜生產面積、總產量、總產值逐年增加。浙江省已成為長江三角洲地區(qū)重要的蔬菜生產基地，基本培育形成沿杭州灣兩岸及沿海設施出口蔬菜產業(yè)帶。同時，蔬菜種植業(yè)也逐步成為發(fā)展我國和我省農村經濟的重要組成部分[2]。 1.1 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展概述 1.1.1自動移栽機研究現(xiàn)狀 在發(fā)達國家移栽機發(fā)展起步較早，早在20世紀30年代，國外就出現(xiàn)手工喂苗的移栽機具，在一定程度上減輕了人工移栽的勞動強度。上世紀50年代開始，歐洲國家研制出不同結構形式的半自動移栽機和制缽機。到了上世紀70年代和80年代，半自動移栽機在歐美、前蘇聯(lián)等農業(yè)較發(fā)達的國家和地區(qū)得到廣泛應用。到90年代，研究人員對從育苗帶栽植整個系統(tǒng)進行了研究，使育苗盒栽植有機地結合，研制出多種全自動移栽機。目前，國外的自動移栽技術已經走向成熟階段，而我國目前正處於起步階段，以半自動為主[3]。 1.1.2 自動移栽機的構造 插秧機的工作過程，因結構不同而各有差異，但基本流程大致相同。其“群體逐次分格取秧直接栽插”原理為：秧苗以群體狀態(tài)整齊放入秧箱，隨秧箱作橫向移動，使取秧器逐次分格取走一定數(shù)量的秧苗，在插秧軌跡控制機構作用下，按農藝要求將秧苗插入泥土中，取秧器再按一定軌跡回至秧箱取秧。各種插秧機栽插部分的組成基本相同：人力插秧機由秧箱、分插秧機構、機架和浮體(船板)等組成，自走式機動插秧機還設有動力驅動、行走裝置、送秧機構等部分[4]。 1.1.3蔬菜自動移栽極研究趨勢 為了克服漏插、漂秧和鉤傷秧等缺陷,今后將通過對送秧、分秧、插秧等工作機構的改進與創(chuàng)新，繼續(xù)提高插秧質量和對各種秧苗的適應性，同時要研制適用于每穴一株雜交水稻秧苗的新型插秧機；研究提高工作裝置的自動化程度，如實現(xiàn)自動裝秧及故障自動停機等的途徑；進一步完善包括育秧在內的水稻全套種植機械化體系，提高非插秧季節(jié)水稻插秧機的綜合利用程度。 1.2 蔬菜移栽機研究意義 目前，我國生產的自動移栽機，大都屬于半自動化機器，秧苗仍需要人工供給，不僅勞動強度打，而且作業(yè)質量難以保證。因此，要實現(xiàn)移栽的自動化，必須要解決秧苗的供給問題。本課題是對蔬菜缽體自動移栽—取苗裝置的設計研究。 2 研究的基本內容與擬解決的主要問題 2.1 基本內容 本次畢業(yè)設計中主要完成的內容包括： 1）根據(jù)蔬菜缽苗取苗的技術特點和農藝要求，模擬人工取苗的軌跡、動作和姿態(tài)要求，發(fā)明蔬菜缽苗取苗機構，滿足機械取苗特殊的工作軌跡要求，比現(xiàn)有的蔬菜取苗機構工作效率高，并且工作平穩(wěn)。 2）論述了該取苗機構的工作原理和結構特點，建立取苗機構的運動學模型 3）根據(jù)蔬菜取苗農藝要求，提出蔬菜缽苗取苗機構參數(shù)優(yōu)化的目標和優(yōu)化方法，分析各參數(shù)變化對取苗機構運動特性的影響，利用自主開發(fā)軟件，采用人機交互的優(yōu)化方法，優(yōu)化出取苗機構的結構參數(shù)，滿足蔬菜缽苗取苗的工作要求。 4）建立取苗機構的三維實體模型，對其進行虛擬裝配。 2.2 擬解決的主要問題 移植是蔬菜生產過程中的重要環(huán)節(jié)之一，移植具有對氣候的補償作用和使作物生育提早的綜合效益，可以充分利用光熱資源，其經濟效益和社會效益均非?？捎^。目前，國內正在應用的移植機械多為半自動移植機，半自動移植機靠手工送苗，效率低。本課題的立意旨在減輕勞動力，加快栽植勞動速度，獲取更大經濟利益。 3 研究思路方案、可行性分析及預期成果 本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在國內外移栽機的基礎上，通過三維建模組裝，并對其進行初步的運動學分析。 3.1 研究思路方案 3.1.1 目前已有的移栽機取苗機構原理分析 取苗機構需要模擬人手從缽苗盤中把缽苗取出，然后在某個位置釋放，使缽苗落入植苗器中，以便植苗器栽植，接著取苗機構重復上述動作。通過分析現(xiàn)有取苗機構的軌跡特點，為了順利從缽苗盤中夾取缽苗，要求有一段尖嘴形的取苗軌跡，而且這段尖嘴形的取苗軌跡要有一定的長度，同時取苗爪進入缽苗盤的軌跡段和退出缽苗盤的軌跡段的夾角不能太大，并且進入和退出缽苗盤的取苗軌跡要盡量的平直。在取苗機構的取苗階段，取苗爪進入缽苗盤前取苗爪完全張開，當?shù)嚼徝绫P底部時，取苗爪完全夾緊缽苗，然后缽苗隨著取苗爪一起往缽苗盤外運動，實現(xiàn)取苗。同時要求取苗機構有持苗和推苗階段，持苗即取苗爪夾持缽苗運動；推苗階段，即取苗爪完全張開，推苗爪向下推苗，缽苗落入植苗器中，實現(xiàn)了推苗。另外還要求取苗爪的有回程階段，此階段要求取苗爪在推完苗后一直保持張開狀態(tài)，直到下一次取苗開始。 旋轉式行星輪系取苗機構，如圖所示，該機構包括傳動和取苗臂兩部分，其傳動部分由一個行星架（9）、一個不完全非圓齒輪（5），四個全等的橢圓齒輪（1、2、6、8）以及凸鎖止?。?）和凹鎖止弧（3、7）組成，不完全非圓齒輪的幾何中心為， 4個橢圓齒輪的旋轉中心分別為、、、。 該取苗機構工作時（以一側齒輪結構為例進行介紹），不完全非圓齒輪5（簡稱太陽輪）固定不動，中間橢圓齒輪2（簡稱中間輪）在行星架9的帶動下與太陽輪5嚙合，實現(xiàn)非勻速齒輪傳動，另外，行星橢圓齒輪1（簡稱行星輪）與中間橢圓輪2嚙合，也實現(xiàn)非勻速連續(xù)傳動，從而使得行星輪1相對行星架9作非勻速轉動，使得針尖形成段工作軌跡，如圖2.4所示。當中間輪2轉到太陽輪5的無齒部分時，太陽輪5和中間輪2脫離嚙合，此時固接在太陽輪5上的凸鎖止弧4與固接在中間輪2上的凹鎖止弧3配合，鎖止中間齒輪2，防止中間輪2相對行星架9轉動，此時行星輪1和行星架9一起繞點做勻速轉動，針尖P形成段圓弧軌跡。行星輪1的絕對運動為行星架9繞中心的勻速圓周轉動和行星輪1相對行星架9的非勻速間歇轉動的合成運動。通過行星輪軸與行星輪1固接的取苗爪11，一方面隨著行星架9作勻速圓周運動，另一方面隨著行星輪相對行星架作非勻速間歇轉動。在這兩種運動的共同作用下，取苗爪針尖按要求的姿態(tài)運動，通過確定合適的結構參數(shù)，形成蔬菜缽苗取苗的工作軌跡。 （a）取苗機構初始位置 （b） (b)行星架轉過角后取苗機構位置 1、8行星橢圓齒輪 2、6中間橢圓齒輪 3、7凹鎖止弧 4凸鎖止弧 5不完全非圓齒輪 9行星架 10、11取苗臂 12缽苗盤 圖3.1蔬菜缽苗取苗機構簡圖 從圖的機構初始安裝位置開始，當行星架轉過不同的角度時，形成不同的工作段軌跡： 段軌跡，即取苗爪進入缽苗盤的軌跡，其中在取苗爪到達點時，取苗爪完全夾緊缽苗；然后缽苗隨著取苗爪一起從缽盤內往外運動，形成段取苗軌跡。段軌跡為取苗爪持苗軌跡；段軌跡為推苗軌跡，即在取苗爪到達點之前時，在推苗爪的作用下，取苗爪張開，缽苗落入相對應的植苗器中，段軌跡為回程階段，即取苗爪在釋放缽苗后保持張開的狀態(tài)，準備下一次取苗；以上5段軌跡組成蔬菜缽苗取苗所要求的整個取苗與推苗工作軌跡[5-8]。 在完整的取苗過程中，包括取苗、推苗、復位三個過程，在滿足取苗軌跡的情況下，尚需一個能實現(xiàn)集取苗與推苗為一體的末端執(zhí)行器，要求取苗末端執(zhí)行器在取苗位置時取苗爪能夠夾緊缽苗并能將缽苗從缽苗盤中取出；在推苗位置時要求取苗爪張開，實現(xiàn)實現(xiàn)向下推出缽苗，使得缽苗落入相應的植苗器中；在復位過程中，要求推苗爪在推完苗后要繼續(xù)保持推苗時的位置，使得左右取苗針繼續(xù)保持張開，以便下一次的順利取苗，這需要在該機構中加一個鎖止弧裝置即可。而該取苗機構中必需有能實現(xiàn)夾緊缽苗與推出缽苗的裝置，本文考慮用取苗臂部件實現(xiàn)該功能，如圖所示，機構的上取苗臂12和下取苗臂18結構相同，均包括彈簧26、撥叉27、凸輪28、推苗桿29、左、右取苗針30、24、取苗臂殼體31、“V”形推苗爪32和彈簧座33；凸輪28固接在齒輪箱7的外側上，彈簧座33與推苗桿29固接，彈簧26套在在推苗桿29中，撥叉27安裝在取苗臂殼體31的軸上，撥叉27的一端壓在彈簧座33中，撥叉27的另一端能與凸輪28相接觸；推苗時，凸輪28撥動撥叉27轉動，彈簧26在撥叉27的作用下被彈簧座33壓縮，同時撥叉27也推動與彈簧座33固接的推苗桿29向下運動，彈簧座33帶動與推苗桿29固接的“V”形推苗爪32一起向下運動，使得左、右取苗針30、張開，實現(xiàn)落苗與推苗，同時為下一次取苗做準備；夾苗時，撥叉27和凸輪28脫離接觸，彈簧26復位，復位過程中彈簧26推動彈簧座33向上運動，此時與彈簧座33固接的推苗桿29也向上運動，彈簧座33帶動與推苗桿29固接的“V”形推苗爪32一起向上運動，使得左、右取苗針30、夾緊，實現(xiàn)夾苗。 1、11行星軸 2、10行星橢圓齒輪 3、9中間軸 4、8中間橢圓齒輪 5中心軸 6不完全非圓齒輪7右箱體 15凸鎖止弧 14、16凹鎖止弧 12、18取苗臂 17機架 19鏈輪 23缽苗盤 圖3.2 橢圓-不完全非圓齒輪傳動的蔬菜缽苗取苗機構裝配圖 26彈簧 27撥叉 28凸輪 29推苗桿 30、左右取苗針 31殼體 32推苗爪 33彈簧座 34頂蓋 35定位板 36密封塞 37取苗針軸 38撥叉軸 圖3.3 取苗臂結構圖 6彈簧 27撥叉 28凸輪 29推苗桿 30、左右取苗針 32推苗爪 33彈簧座 圖3.4 取苗臂機構簡圖 3.1.2 基于Pro/ E設計平臺的三維CAD設計 目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產品,是和實物完全相同的數(shù)字產品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。 運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的三指三關節(jié)的欠驅動三指手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成欠驅動三指手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。 ADAMS，是美國MDI公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。DAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。 3.1.3 基于Pro/ E設計平臺的運動學分析 運動仿真是機構設計的一個重要內容, 在Pro /E的Mechanism模塊中（ADAMS）,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E或ADAMS環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。 3.2 可行性分析 1）通過大學四年的基礎和專業(yè)課程的學習，已經掌握了較強的專業(yè)技能。 2）通過前期的論文寫作實踐，已經積累了一定的論文寫作經驗。 3）通過前一段時間的資料收集和查閱，已基本掌握了移栽機自動取苗裝置的內容以及設計方法。 4）學校圖書館的數(shù)據(jù)庫可提供大量豐富的相關文獻。 5）在經驗豐富的指導老師的幫助和指引下，有能力在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的任務。 3.3 預期研究成果 完成自動移栽機取苗機構的設計，完成三維建模，保證設計能較好的滿足設計要求。 ４ 研究工作計劃 起止時間 內容 2013.01.07~2013.01.12 調研、信息匯總，文獻查閱分析 2013.01.13~2013.01.30 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.31 ~2013.03.01 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.03.02~2013.03.08 開題答辯 2013.03.09~2013.03.16 蔬菜移栽機整體方案設計 2013.03.17~2013.03.30 取苗機構設計及零部件設計 2013.03.31~2013.04.11 三維CAD建模、裝配 2013.04.12~2013.04.24 三維運動學分析 2013.04.25~2013.05.02 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.05.03~2013.05.10 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.11~2013.05.24 整理材料準備答辯 2013.05.25~2013.05.29 論文答辯 參考文獻 [1] 我國蔬菜育苗移栽機械化的現(xiàn)狀與發(fā)展方向，http://news.jgny.net/2007/3-5/94922.htm [2] 陳殿奎.蔬菜機械化育苗的現(xiàn)狀與展望[J]．農業(yè)工程學報，1990,(12)：20~25． [3] G. 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