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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機械類（四）班 姓 名 劉曉冕 課題名稱 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機構(gòu)的設計 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2 多指手研究意義 2 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 2.1 基本內(nèi)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 答 辯 意 見 （從選題、任務工作量、質(zhì)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 旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機構(gòu)的設計 (機械類09(4)班 B09300418) 1.1本文研究目的與意義 水稻是我國第一大糧食作物，全國有近60%的人口以水稻為主食，在糧食安全中占有極其重要的地位。我國水稻常年種植面積約3000萬公頃，占全國谷物種植面積的30％，占世界水稻種植面積的20％；稻谷總產(chǎn)量近20000萬噸，占全國糧食總產(chǎn)的40％，占世界稻谷總產(chǎn)的35％；在主要糧食作物生產(chǎn)中，水稻種植機械化水平最低。 移栽是水稻種植過程中的重要環(huán)節(jié)，它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(jīng)濟效益和社會效益均非常可觀。與其他國家和地區(qū)相比，我國水稻種植機械化程度較低，絕大部分是移栽作業(yè)；與國內(nèi)的水稻生產(chǎn)其他工藝流程相比，機械化程度也是最低的（收獲機械化50%以上，種植機械化約12%）。 目前，水稻移栽機械主要有水稻拋秧機、插秧機、缽苗栽植機，相應的移栽技術(shù)分別為拋秧、插秧和缽苗栽植。其中，水稻拋秧技術(shù)栽植淺、植傷輕、返苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、淺層根分布廣，提早成熟，且增產(chǎn)增收，但是拋秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影響緩苗，進而影響產(chǎn)量；與拋秧技術(shù)相比，水稻插秧方式可以保證栽植秧苗有較好直立性，但與拋秧移栽采用缽盤育秧不同，插秧技術(shù)采用毯狀秧苗，毯狀苗幾乎不能保留秧苗的成長土質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)，插秧時秧苗斷根多，緩苗期較長，要10天左右；而水稻缽苗栽植技術(shù)也采用缽盤育秧，綜合了以上兩種水稻移栽方式的所有優(yōu)點，克服了不利的因素，缽苗栽植直立性好，無緩苗期，增產(chǎn)明顯，成為當今水稻機械化移栽技術(shù)的研究重點。 另外，目前超級稻種植都是采用手工移栽，要求每穴種植1到2株秧苗，用現(xiàn)有的毯狀苗插秧種植方式根本無法滿足此精準移栽要求；用水稻拋秧移栽技術(shù)，難以保證栽植秧苗的直立性，影響產(chǎn)量；而用本課題提出的水稻缽苗栽植技術(shù),即可以解決超級稻機械化種植需要每穴1到2株苗，又可以保證栽植秧苗的直立性要求，有利于超級稻種植的推廣。 水稻缽苗栽植是一種水稻高產(chǎn)的移栽技術(shù)。具有壯苗淺栽、緩苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、有效分蘗多、根系發(fā)達、提早成熟增產(chǎn)增收等優(yōu)點，一直以來深受農(nóng)民歡迎。水稻缽苗栽植在保證栽植缽苗的直立度后（與水平面夾角不低于60度），缽苗栽植方式較插秧方式增產(chǎn)10%-15%，因此增產(chǎn)效果明顯。日本研究出的水稻缽苗栽植機（又稱水稻缽苗擺栽機）價格昂貴、結(jié)構(gòu)復雜，而且又是采用半硬塑膠穴盤，成本高，育苗要求也高，使想迫切改變手工勞作并提高稻谷產(chǎn)量的廣大農(nóng)村農(nóng)民望而卻步，黑龍江墾區(qū)五年前曾引進日本的兩種水稻缽苗擺栽機進行試驗，到現(xiàn)在一直也沒有推廣，不適合中國國情。近幾年來，我國吉林省有幾家企業(yè)一直在研究水稻缽苗栽植機，并進行了小規(guī)模的應用推廣，基本能夠保證栽植缽苗有較好的直立度。其移栽機構(gòu)采用多桿式移栽機構(gòu)，移栽效率低，單行效率只有80株/分鐘左右，由于多桿式機構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，移栽效率很難再提高了。其移栽效率遠遠低于步行式插秧機的插秧效率，更不用說與高速插秧機相比。為了實現(xiàn)我國水稻缽苗栽植技術(shù)的發(fā)展與應用，滿足廣大農(nóng)民的對水稻缽苗栽植機械化的需求，研究出一種新型高速水稻缽苗栽植機，具有非常重大的科學意義與經(jīng)濟價值。具有取苗與栽植苗功能的移栽機構(gòu)，作為水稻缽苗栽植機的核心工作部件，已經(jīng)成為制約高速水稻缽苗栽植機械發(fā)展的“瓶頸”問題，開展該移栽機構(gòu)理論與創(chuàng)新設計研究已迫在眉捷。 本課題通過開展水稻缽苗移栽機構(gòu)的工作機理分析，依托課題組多年研究水稻種植機械的研究平臺，對水稻缽苗移栽機構(gòu)進行創(chuàng)新研究與優(yōu)化設計，發(fā)明一種新型的高速水稻缽苗移栽機構(gòu)，并建立相應的設計理論與方法，將促進我國水稻缽苗栽植技術(shù)的發(fā)展與應用。為今后高速水稻缽苗栽植機的研發(fā)提供重要理論基礎(chǔ)和設計依據(jù)，將直接指導水稻缽苗有序移栽機構(gòu)的設計,特別是水稻缽苗栽植方式非常適合于超級稻的機械化種植，有利于促進超級稻種植的推廣，提高我國農(nóng)業(yè)機械的研究水平。因此,開展本課題研究，不僅具有重要的科學意義，也具有重大的實際應。 1.2水稻缽苗移栽機構(gòu)的發(fā)展概況 自水稻拋秧或擺秧技術(shù)應用以來，國內(nèi)外不少專家學者開始對有關(guān)水稻缽苗移栽機械進行研究。據(jù)有關(guān)資料報道，從事這方面研究的國家主要是日本和中國。 1.2.1 國外發(fā)展概況 日本是水稻移栽機械化程度最高的國家，日本在完成工業(yè)化的進程中，逐步實現(xiàn)了水稻種植機械化。根據(jù)有關(guān)資料報道，黑龍江省曾分別引進日本井關(guān)農(nóng)機公司和實產(chǎn)業(yè)株式會社生產(chǎn)的水稻缽苗擺栽機，如圖1.1（a）所示，該擺栽機一次可栽6行，采用半硬塑膠缽盤育秧苗，缽盤中的每個缽穴是上粗下細的圓錐杯，杯的底部有一小孔。采用從半硬塑膠缽盤底部將秧苗頂出的取苗方式，其工作過程示意如圖1.1（b）所示。頂桿對準小孔有兩種形式：一種是頂桿平移，另一種是缽秧盤平移。從結(jié)構(gòu)發(fā)明的角度看，機構(gòu)作用于土缽，土缽是固體，個體差異小，工作可靠，但是機構(gòu)的運動是直線間歇運動。需要一套完成精確移動定位的機構(gòu)，加工精度要求高，機構(gòu)磨損后容易頂偏，造成塑料秧盤損壞，有時缽苗的秧根掛住缽盤，造成秧苗脫離不成功，這對育秧要求比較高。頂出的缽苗，通過分秧供秧機構(gòu)將秧苗水平分送到兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)分插部件，由旋轉(zhuǎn)分插部件將水平放置的秧苗轉(zhuǎn)換成垂直方式入土，完成秧苗的田間擺栽作業(yè)。具有可成行擺栽帶缽秧苗，株距準確，均勻性好，作業(yè)質(zhì)量高等優(yōu)點。但擺栽機具結(jié)構(gòu)復雜，成本高，對整地和育秧質(zhì)量要求均較高，同時半硬塑膠穴盤成本也高，從國內(nèi)引進試驗來看，并不適合我國國情。 再如日本洋馬農(nóng)機株式會社的竹山智洋發(fā)明了另一種缽苗移栽機（專利號為：ZL200480007602.4）,由驅(qū)動裝置和兩個栽植爪組成，如圖1.2示。該移栽機構(gòu)的驅(qū)動裝置由兩套行星輪系機構(gòu)串聯(lián)而成，回轉(zhuǎn)箱相當于行星架，第一回轉(zhuǎn)箱內(nèi)有9個齒輪（其中2個是扇形齒輪）和一套擺動凸輪機構(gòu)，第二回轉(zhuǎn)箱與第一回轉(zhuǎn)箱中的行星輪固接，內(nèi)有5個齒輪，由第二套行星輪的行星軸輸出運動驅(qū)動栽植爪實現(xiàn)取苗和栽植苗動作，該移栽軌跡較為復雜，如圖2所示。該缽苗移栽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)很復雜，可靠性不高，它的設計制造成本相對也比較高，所以該缽苗移栽機構(gòu)未能得到實際應用。 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展概況 我國在90年代后期,水稻缽體育秧技術(shù)有了較大的發(fā)展,中國農(nóng)業(yè)大學、吉林大學、江蘇大學、八一農(nóng)墾大學等院校都開始進行缽體育秧技術(shù)與移栽技術(shù)研究。我國目前的有序缽苗移栽機構(gòu)有較多種方式，現(xiàn)介紹幾種如下： (1) 對輥式拔秧機構(gòu) 1.機架 2.托盤 3.撥桿 4.輸秧輥 5.秧苗 6.壓盤板 7.支座 8.上拔秧輥 9.下拔秧輥 圖1.3　對輥式拔秧機構(gòu) 由中國農(nóng)業(yè)大學工學院研制的2ZPY—H530型水稻缽苗行栽機，采用對輥式拔秧機構(gòu)(如圖1.3)，實現(xiàn)了水稻穴盤育苗的自動拔秧。2ZPY—H530型水稻缽苗行栽機輸秧拔秧裝置主要由輸秧輥4、壓秧板6、上拔秧輥8和下拔秧輥9等組成。其工作原理是：缽盤苗通過人工放在托板上并喂入到輸秧輥4上，拔秧輥按一定傳動比帶動輸秧輥4轉(zhuǎn)動，當上下拔秧輥（8、9）的夾秧板對接時，靠夾秧板外緣彈性材料變形產(chǎn)生的夾緊力，將位于上下拔秧輥中間的缽苗夾持并帶動其一起運動，最后使得缽苗與缽盤脫離；當上下拔秧輥轉(zhuǎn)過一定角度后夾秧扳松開，缽苗落入導苗管，完成拔秧工作。但試驗結(jié)果表明，秧苗營養(yǎng)缽濕度對拔秧力影響較大，作業(yè)效率低，拔秧輥釋放缽苗后，缽苗沿導苗管滑落入水田中。該缽苗行栽機栽植苗方式是采用導苗管式，秧苗容易倒伏，很難控制栽植秧苗的直立度，將影響緩苗。 (2)機械手式拋秧機構(gòu) 黑龍江八一農(nóng)墾大學設計的機械手式拋秧機構(gòu)如圖1.4所示。其工作原理為：秧鉗的固定套4與滾筒6剛性聯(lián)接，隨筒回轉(zhuǎn)。滾筒內(nèi)是固定不動的凸輪5，它的最大突變點離秧盤最近，并對應于取秧位置。當擋鐵8撞擊開閉凸輪7使秧鉗閉合夾秧時，伸縮桿3在彈簧2的作用下迅速縮到凸輪的凹處，將秧苗的缽體從秧盤孔中拔出并離開盤面。秧鉗在隨滾筒6回轉(zhuǎn)過程中，伸縮桿3的端斜面與凸輪5的外輪廓接觸并受其作用向外逐漸伸長。當轉(zhuǎn)過180°時，開閉凸輪7的撞桿受擋鐵9的撞擊，使其轉(zhuǎn)過90°將秧鉗撐開，秧苗在秧 1.秧鉗 2.壓縮彈簧 3.壓縮桿 4.秧鉗固定套 5.固定凸輪 6.滾筒 7.開閉凸輪8.取秧擋鐵 10秧盤 圖1.4 機械手式拋秧機構(gòu) 鉗回轉(zhuǎn)慣性力及重力作用下拋向地面。秧鉗拋出秧苗后一直保持張開狀態(tài)，直至取苗位置后又開始重復上面所述的動作。 該機械手抓取秧苗的準確度和傷秧是該機構(gòu)要解決的關(guān)鍵問題。該機構(gòu)在栽植苗時，由秧鉗通過回轉(zhuǎn)慣性力和重力作用將秧苗拋向地面，是一種拋秧移栽作業(yè)方式，因此，秧苗移栽的直立度也很難保證，將影響緩苗。 圖1.5 空間連桿移栽機構(gòu)簡圖 (3)在空間連桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上，中國農(nóng)業(yè)大學研究開發(fā)了一種水稻缽苗精準栽植機械手機構(gòu)，與撥桿式夾鉗配合使用．該機構(gòu)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械完全不同，它屬于空間閉式鏈機構(gòu)。圖1.5所示為栽植機械手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，該機構(gòu)由可控變桿長RRRSR機構(gòu)和撥桿式夾鉗裝置兩大部分組成。而可控變桿長機構(gòu)是由機架、主動件、連桿、工作桿和擺桿組成，并選取主動件桿1為桿長變化桿，且將桿1分解為凸輪、滾子從動件和曲柄三部分，源動力通過鏈條鏈輪傳遞動力給與機架運動副連接的曲柄，再由曲柄傳遞動力給滾子從動件，使?jié)L子沿凸輪表面做圓周運動，來實現(xiàn)桿長變化．滾子從動件傳遞動力給其它桿件3、4，使其作連續(xù)運動，同時使得與桿2連接的工作桿7和夾鉗一起運動，從而完成夾秧、取秧，移秧、栽秧等一系列動作。此機構(gòu)在設計過程中需要檢測桿之間的干涉問題，能保證各桿工作的連續(xù)性，該移栽機構(gòu)結(jié)構(gòu)太復雜，工作效率低。 (4)2007年，吉林省延吉市光華機械廠公開了一種水稻缽苗移栽機構(gòu)(如圖1.6)。這種移栽機構(gòu)包括有動力傳送齒輪箱10、移栽四軒機構(gòu)和移栽穩(wěn)定三連桿機構(gòu)。其中移栽四桿機構(gòu)是由上曲柄7、栽植臂連桿6、栽植臂桿23、鎖臂搖桿14依次鉸接組成，在栽植臂桿上設有夾秧裝置；移栽穩(wěn)定三連桿機構(gòu)是由下曲柄19、穩(wěn)定連桿18和上述的鎖臂搖桿14依次鉸接組成，移栽四桿機構(gòu)和移栽穩(wěn)定三連桿機構(gòu)共同完成取秧、移秧、栽秧的運動 圖1.6 七桿移栽機構(gòu)及移栽軌跡 軌跡。該發(fā)明機構(gòu)移栽運行軌跡穩(wěn)定，取秧栽植過程中取秧爪開閉準時準確，基于缽盤育秧，保證了完整的根系，不傷苗，減少了秧苗的緩蘇周期，增產(chǎn)效果顯著。但是多桿機構(gòu)工作配合復雜，要快速提高移栽的速度，將是一個巨大的挑戰(zhàn)。該移栽機構(gòu)已有樣機在田間試驗，但是工作效率低，振動大，單行移栽效率只有80次/min左右，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)本身限制了該機構(gòu)無法再提高移栽效率。 (5) 專利號為200820072816.5的發(fā)明中提出了一種能直接栽插軟塑體缽盤秧苗的缽苗水稻插秧機，如圖1.7（a）所示。該水稻缽苗插秧機的核心工作部件——五桿水稻缽苗移栽機構(gòu)，如圖1.7（b）所示。該機構(gòu)采用雙曲柄67、66分別作正、反向轉(zhuǎn)動驅(qū)動，是一個雙自由度機構(gòu)，栽植臂10往復直插式控制取秧夾61按特定曲線軌跡進行取秧與栽插秧苗作業(yè)，栽植臂10內(nèi)有夾緊與釋放苗裝置，包括凸輪68、撥叉70、彈簧63和控制桿71，控制桿71相對栽植臂10作往復移動，控制取秧夾61張開與閉合。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，取秧夾61夾取缽苗插秧一次，移栽效率單行為80次/min左右，該機構(gòu)能實現(xiàn)水稻缽苗有序移栽，但工作效率也較低，振動也大。 (a)五桿水稻缽苗移栽機 （b）五桿水稻缽苗移栽機構(gòu) 圖1.7 2 研究的目的與實現(xiàn)方案 通過以上分析可知，國內(nèi)外雖然對水稻缽苗有序移栽技術(shù)及移栽機構(gòu)已做了較多的分析與研究，并有部分樣機投入試驗或應用。目前的移栽方式分為二種：拋秧方式和栽植苗方式。拋秧方式很難保證栽植秧苗的直立度，影響緩苗，進而影響水稻產(chǎn)量,到目前為止,一直未能推廣應用；栽植苗方式移栽缽苗能有效地保證栽植秧苗的直立度，無緩苗期，但現(xiàn)有的缽苗移栽機構(gòu)，工作效率太低（只有80株/分鐘/行），機構(gòu)工作時振動大。但是上述的缽苗移栽機構(gòu)所采用的夾取式取苗方式可以為本課題研究提供參考。 2.1 研究目標 1.靜軌跡 2.缽苗 3.缽盤 圖1.8 水稻缽苗移栽軌跡要求 近年來，本課題組對水稻缽苗有序移栽的工作機理與機構(gòu)創(chuàng)新進行了詳細研究，機械移栽秧苗為塑料缽盤苗，塑料缽盤可重復使用。本取苗方式采用兩片取苗爪夾住水稻缽苗的莖桿根部，夾緊莖桿，將缽苗從缽穴中撥出，完成取苗動作，取苗后夾持苗至推秧位置，取苗爪張開，釋放缽苗并推苗入土，完成栽植苗動作。為了實現(xiàn)該缽苗的有序移栽方式，同時考慮機構(gòu)工作效率和平穩(wěn)性。 本論文提出了一種旋轉(zhuǎn)式有序移栽機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)箱體上對稱布置三個移栽臂，提高了工作平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)一周移栽三次，移栽效率高，移栽效率將不低于300株/分鐘/行，其移栽效率遠遠高于現(xiàn)正在應用的有序移栽機構(gòu)，本論文研究的旋轉(zhuǎn)式有序移栽機構(gòu)是一種高速水稻缽苗移栽機構(gòu)。 2.2 方案實現(xiàn) 1.水稻缽苗移栽機構(gòu)的設計要求 通過了解水稻缽苗移栽的農(nóng)藝要求，提出如圖1.8的移栽軌跡，該機構(gòu)的取秧方式為彈簧片夾取式取秧，為了避免取秧時彈簧片與秧苗的干涉，移栽軌跡在取秧部分為“環(huán)扣狀”。即由兩個彈簧片運行到土缽表面時，彈簧片從缽苗的下方D運行到缽苗莖部開始取秧，夾緊秧苗的莖桿根部，在圖中的E位置從穴盤中取出帶土缽苗，再沿FAB夾持缽苗至圖中的B位置，在推秧桿的作用下，彈簧片松開，釋放并推出缽苗，植入水田中，然后彈簧片經(jīng)圖中C位置，為重新下次取秧做準備，完成一次移栽周期。 2.機構(gòu)的實現(xiàn)方案 根據(jù)移栽軌跡要求，設計出一種旋轉(zhuǎn)式橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構(gòu)，在一個旋轉(zhuǎn)箱體上對稱布置了兩套移栽臂，旋轉(zhuǎn)一周移栽兩次。如圖1.9所示為旋轉(zhuǎn)式橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構(gòu)傳動簡圖（圖示為機構(gòu)的初始安裝位置），該機構(gòu)由驅(qū)動部分和移栽臂兩部分組成，驅(qū)動部分是一個非勻速間歇傳動行星輪系機構(gòu)，由4個橢圓齒輪、1個不完全非圓齒輪、2個凹鎖止弧、1個凸鎖止弧組成，行星架作為輸入運動構(gòu)件順時針轉(zhuǎn)動，行星輪為輸出運動構(gòu)件，其運動形式是彈簧片尖點形成工作軌跡的關(guān)鍵。 3 本文的工作安排 1) 根據(jù)水稻移栽的農(nóng)藝特點與軌跡要求，研究出一種新型的水稻缽苗移栽機構(gòu)，使之達到高效率、低振動的工作要求。本文采用的是橢圓齒輪－不完全非圓齒輪行星輪系作為傳動部件，設計出一種新的水稻缽苗移栽機構(gòu)——橢圓齒輪-不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構(gòu)。 2) 對該移栽機構(gòu)的運動學特性進行分析，包括橢圓齒輪-不完全非圓齒輪的傳動特性分析、行星輪的相對角位移和角速度分析以及秧針尖點的相對位移、速度和加速度分析，并建立運動學模型。 3) 根據(jù)建立的移栽機構(gòu)運動學模型，自主開發(fā)移栽機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件。利用該軟件對移栽機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，分析該機構(gòu)參數(shù)對移栽工作軌跡的影響，找到一組較優(yōu)的能滿足移栽機構(gòu)軌跡要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 4.以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始參數(shù)，對移栽機構(gòu)進行整體設計。利用VB導出齒輪的點，在CAD中繪出二維圖，導入到UG中進行建模生成三維圖，再進行整體的裝配。為了減小機構(gòu)的沖擊振動，對機構(gòu)添加了緩沖裝置，并與未加緩沖裝置的軌跡進行比較。對該移栽機構(gòu)設計出2套消除齒隙裝置，消除齒隙，提高機構(gòu)取苗的成功率。 ４ 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012.11.15~2012.12.10 調(diào)研、信息匯總，文獻查閱分析 2012.12.10~2012.12.31 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(guān)知識 2013.01.01~2013.01.10 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.03.8 開題答辯 2013.03.8~2013.03.30 欠驅(qū)動多指手的整體方案設計 2013.03.30~2013.04.10 三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計及零部件設計 2013.04.10~2013.04.25 三維CAD建模 2013.04.25~2013.04.26 三維運動裝配 2013.04.26~2013.05.02 結(jié)構(gòu)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