單行蔬菜缽體苗自動移栽機(jī)的設(shè)計—取苗裝置設(shè)計[三維PROE]【含CAD高清圖紙和說明書】

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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 班 級 09機(jī)械4班 姓 名 李宇通 課題名稱 單行蔬菜缽體苗自動移栽機(jī)的設(shè)計—取苗裝置設(shè)計 開題報告 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 蔬菜移栽機(jī)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(yù)期研究成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 預(yù)期研究成果 4 研究工作計劃 參考文獻(xiàn) （開題報告全文附后） 成績： 答 辯 意 見 （從選題、任務(wù)工作量、質(zhì)量預(yù)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(jī)的設(shè)計—取苗裝置設(shè)計 李宇通 (機(jī)械設(shè)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(chǎn)國，蔬菜產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的49.6％[1]。改革開放以來，我國蔬菜產(chǎn)量每年呈持續(xù)增長的勢頭，發(fā)展迅猛。據(jù)中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料顯示，我國蔬菜播種面積在上世紀(jì)80年代年均增長近10%，90年代年均增長14.5%，本世紀(jì)前7年平均增長1.9%，到2007年達(dá)到2.94億畝，總產(chǎn)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(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)中僅次于糧食的第二重要農(nóng)產(chǎn)品，近年來，浙江省在種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和效益農(nóng)業(yè)的發(fā)展上取得了顯著成效，蔬菜生產(chǎn)面積、總產(chǎn)量、總產(chǎn)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(chǎn)基地，基本培育形成沿杭州灣兩岸及沿海設(shè)施出口蔬菜產(chǎn)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(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分[2]。 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展概述 1.1.1自動移栽機(jī)研究現(xiàn)狀 在發(fā)達(dá)國家移栽機(jī)發(fā)展起步較早，早在20世紀(jì)30年代，國外就出現(xiàn)手工喂苗的移栽機(jī)具，在一定程度上減輕了人工移栽的勞動強(qiáng)度。上世紀(jì)50年代開始，歐洲國家研制出不同結(jié)構(gòu)形式的半自動移栽機(jī)和制缽機(jī)。到了上世紀(jì)70年代和80年代，半自動移栽機(jī)在歐美、前蘇聯(lián)等農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。到90年代，研究人員對從育苗帶栽植整個系統(tǒng)進(jìn)行了研究，使育苗盒栽植有機(jī)地結(jié)合，研制出多種全自動移栽機(jī)。目前，國外的自動移栽技術(shù)已經(jīng)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(jī)的構(gòu)造 插秧機(jī)的工作過程，因結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)作用下，按農(nóng)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(jī)栽插部分的組成基本相同：人力插秧機(jī)由秧箱、分插秧機(jī)構(gòu)、機(jī)架和浮體(船板)等組成，自走式機(jī)動插秧機(jī)還設(shè)有動力驅(qū)動、行走裝置、送秧機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的改進(jìn)與創(chuàng)新，繼續(xù)提高插秧質(zhì)量和對各種秧苗的適應(yīng)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(jī)；研究提高工作裝置的自動化程度，如實(shí)現(xiàn)自動裝秧及故障自動停機(jī)等的途徑；進(jìn)一步完善包括育秧在內(nèi)的水稻全套種植機(jī)械化體系，提高非插秧季節(jié)水稻插秧機(jī)的綜合利用程度。 1.2 蔬菜移栽機(jī)研究意義 目前，我國生產(chǎn)的自動移栽機(jī)，大都屬于半自動化機(jī)器，秧苗仍需要人工供給，不僅勞動強(qiáng)度打，而且作業(yè)質(zhì)量難以保證。因此，要實(shí)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(shè)計研究。 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 本次畢業(yè)設(shè)計中主要完成的內(nèi)容包括： 1）根據(jù)蔬菜缽苗取苗的技術(shù)特點(diǎn)和農(nóng)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(jī)構(gòu)，滿足機(jī)械取苗特殊的工作軌跡要求，比現(xiàn)有的蔬菜取苗機(jī)構(gòu)工作效率高，并且工作平穩(wěn)。 2）論述了該取苗機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型 3）根據(jù)蔬菜取苗農(nóng)藝要求，提出蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)和優(yōu)化方法，分析各參數(shù)變化對取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性的影響，利用自主開發(fā)軟件，采用人機(jī)交互的優(yōu)化方法，優(yōu)化出取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足蔬菜缽苗取苗的工作要求。 4）建立取苗機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，對其進(jìn)行虛擬裝配。 2.2 擬解決的主要問題 移植是蔬菜生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，移植具有對氣候的補(bǔ)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(jì)效益和社會效益均非常可觀。目前，國內(nèi)正在應(yīng)用的移植機(jī)械多為半自動移植機(jī)，半自動移植機(jī)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(jīng)濟(jì)利益。 3 研究思路方案、可行性分析及預(yù)期成果 本設(shè)計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實(shí)驗的方法，在國內(nèi)外移栽機(jī)的基礎(chǔ)上，通過三維建模組裝，并對其進(jìn)行初步的運(yùn)動學(xué)分析。 3.1 研究思路方案 3.1.1 目前已有的移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)原理分析 取苗機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)重復(fù)上述動作。通過分析現(xiàn)有取苗機(jī)構(gòu)的軌跡特點(diǎn)，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(jìn)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(jìn)入和退出缽苗盤的取苗軌跡要盡量的平直。在取苗機(jī)構(gòu)的取苗階段，取苗爪進(jìn)入缽苗盤前取苗爪完全張開，當(dāng)?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(yùn)動，實(shí)現(xiàn)取苗。同時要求取苗機(jī)構(gòu)有持苗和推苗階段，持苗即取苗爪夾持缽苗運(yùn)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(shí)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(zhuǎn)式行星輪系取苗機(jī)構(gòu)，如圖所示，該機(jī)構(gòu)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）以及凸鎖止弧（4）和凹鎖止?。?、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(zhuǎn)中心分別為、、、。 該取苗機(jī)構(gòu)工作時（以一側(cè)齒輪結(jié)構(gòu)為例進(jìn)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(shí)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(shí)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(zhuǎn)動，使得針尖形成段工作軌跡，如圖2.4所示。當(dāng)中間輪2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，此時行星輪1和行星架9一起繞點(diǎn)做勻速轉(zhuǎn)動，針尖P形成段圓弧軌跡。行星輪1的絕對運(yùn)動為行星架9繞中心的勻速圓周轉(zhuǎn)動和行星輪1相對行星架9的非勻速間歇轉(zhuǎn)動的合成運(yùn)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(yùn)動，另一方面隨著行星輪相對行星架作非勻速間歇轉(zhuǎn)動。在這兩種運(yùn)動的共同作用下，取苗爪針尖按要求的姿態(tài)運(yùn)動，通過確定合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成蔬菜缽苗取苗的工作軌跡。 （a）取苗機(jī)構(gòu)初始位置 （b） (b)行星架轉(zhuǎn)過角后取苗機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)簡圖 從圖的機(jī)構(gòu)初始安裝位置開始，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)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(jìn)入缽苗盤的軌跡，其中在取苗爪到達(dá)點(diǎn)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(nèi)往外運(yùn)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(dá)點(diǎn)之前時，在推苗爪的作用下，取苗爪張開，缽苗落入相對應(yīng)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(zhǔn)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(fù)位三個過程，在滿足取苗軌跡的情況下，尚需一個能實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)向下推出缽苗，使得缽苗落入相應(yīng)的植苗器中；在復(fù)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(jī)構(gòu)中加一個鎖止弧裝置即可。而該取苗機(jī)構(gòu)中必需有能實(shí)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(shí)現(xiàn)該功能，如圖所示，機(jī)構(gòu)的上取苗臂12和下取苗臂18結(jié)構(gòu)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(cè)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(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)動，使得左、右取苗針30、張開，實(shí)現(xiàn)落苗與推苗，同時為下一次取苗做準(zhǔn)備；夾苗時，撥叉27和凸輪28脫離接觸，彈簧26復(fù)位，復(fù)位過程中彈簧26推動彈簧座33向上運(yùn)動，此時與彈簧座33固接的推苗桿29也向上運(yùn)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(yùn)動，使得左、右取苗針30、夾緊，實(shí)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(jī)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(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)簡圖 3.1.2 基于Pro/ E設(shè)計平臺的三維CAD設(shè)計 目前,隨著計算機(jī)輔助技術(shù)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(shè)計正逐漸被三維實(shí)體設(shè)計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng),是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化的三維實(shí)體模型(3DS)設(shè)計軟件,它不僅具有CAD 的強(qiáng)大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、模具設(shè)計、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、加工制造及關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理等領(lǐng)域。而且能同時支持針對同一產(chǎn)品進(jìn)行同步設(shè)計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關(guān)性、以特征為基礎(chǔ)的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)。采用三維CAD 設(shè)計的產(chǎn)品,是和實(shí)物完全相同的數(shù)字產(chǎn)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(shè)計階段[9]。 運(yùn)用Pro/ E三維設(shè)計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復(fù)雜編程,所開發(fā)設(shè)計出來的三指三關(guān)節(jié)的欠驅(qū)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(qū)動三指手實(shí)體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關(guān)分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設(shè)計構(gòu)思、減輕勞動強(qiáng)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(shè)計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運(yùn)動學(xué)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。 ADAMS，是美國MDI公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)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(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)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(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)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(shè)計平臺的運(yùn)動學(xué)分析 運(yùn)動仿真是機(jī)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中（ADAMS）,通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動副、驅(qū)動器使其運(yùn)動起來,來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。通過仿真技術(shù)可以在進(jìn)行整體設(shè)計和零件設(shè)計后, 對各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動, 從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是否達(dá)到設(shè)計的要求, 可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動中各種運(yùn)動構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與運(yùn)動軌跡校核。同時, 可直接分析各運(yùn)動副與構(gòu)件在某一時刻的位置、運(yùn)動量以及各運(yùn)動副之間的相互運(yùn)動關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況。在Pro /E或ADAMS環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、也不需要復(fù)雜的計算機(jī)語言編程,而是以實(shí)體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計與運(yùn)動分析于一體,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動情況。 3.2 可行性分析 1）通過大學(xué)四年的基礎(chǔ)和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了較強(qiáng)的專業(yè)技能。 2）通過前期的論文寫作實(shí)踐，已經(jīng)積累了一定的論文寫作經(jīng)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(jī)自動取苗裝置的內(nèi)容以及設(shè)計方法。 4）學(xué)校圖書館的數(shù)據(jù)庫可提供大量豐富的相關(guān)文獻(xiàn)。 5）在經(jīng)驗豐富的指導(dǎo)老師的幫助和指引下，有能力在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。 3.3 預(yù)期研究成果 完成自動移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計，完成三維建模，保證設(shè)計能較好的滿足設(shè)計要求。 ４ 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2013.01.07~2013.01.12 調(diào)研、信息匯總，文獻(xiàn)查閱分析 2013.01.13~2013.01.30 外文翻譯、文獻(xiàn)綜述、開題報告，并熟悉理論力學(xué)、機(jī)械原理等相關(guān)知識 2013.01.31 ~2013.03.01 提交開題報告、文獻(xiàn)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(jī)整體方案設(shè)計 2013.03.17~2013.03.30 取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計及零部件設(shè)計 2013.03.31~2013.04.11 三維CAD建模、裝配 2013.04.12~2013.04.24 三維運(yùn)動學(xué)分析 2013.04.25~2013.05.02 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)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(zhǔn)備答辯 2013.05.25~2013.05.29 論文答辯 參考文獻(xiàn) [1] 我國蔬菜育苗移栽機(jī)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(jī)械化育苗的現(xiàn)狀與展望[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1990,(12)：20~25． [3] G. 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