二次不等幅摆动特性的旋转式取苗机构机理分析与优化设计研究

Manpower seedling-feeding transplanter of unirrigated farmland is low efficiency at present, while Japan's automatic seedling pick up mechanism is characterized by complex structure as well as low efficiency. The working principle of existing seedling pick-up mechanism is analyzed, and it's found out that Olecranon-shaped trajectory formed by rotary seedling pick up mechanism possesses periodic quadratic unequal amplitude swinging characteristics. The project is intended to take the requirements of the trajectory, posture and mechanical properties of seedling pick-up mechanism into consideration. Seedling pick-up mechanism is constructed by two-level non-circular gear planetary system. Then optimize design of rotary seedling pick-up mechanism with quadratic unequal amplitude swinging characteristics is launched. Solving model of mechanism transmission ratio is established to explore the design criteria of the transmission ratio function and to research into posture control method constrained by output trajectory. Considering that rotary seedling pick-up mechanism with periodic quadratic unequal amplitude swinging characteristics has the optimization problem of multi-target and multi-parameter, parameters guided optimization methods are studied to achieve optimal seedling pick-up trajectory and posture. Seedling pick-up mechanism is designed on the basis of dynamic simulation analysis and virtual testing. Finally, through bench test seedling pick-up effect and relational parameters are analyzed to complete structural design, and to modify theoretical model..The successful implementation of this project will provide technical support for the development of China's dry land automatic transplanting machine with high efficiency. Parameters guided optimization methods and design methods for non-circular gear planetary system are targeted at implementing complex movement, which also provides reference to mechanical design under the exact requirements of movement trajectory.

目前旱地移栽机人工喂苗效率低，日本自动取苗机构结构复杂、效率不高，申请者分析现有取苗机构工作原理发现旋转式取苗机构形成"鹰嘴形"取苗轨迹是周期二次不等幅摆动规律，本项目拟针对取苗机构轨迹、姿态及力学性能要求，开展二次不等幅摆动特性的两级非圆齿轮行星系旋转式取苗机构优化设计研究。建立机构的传动比求解模型，探索传动比函数设计准则，研究输出轨迹约束下姿态控制方法。针对二次不等幅摆动特性的旋转式取苗机构复杂的多目标多参数优化问题，研究参数导引优化方法，实现最佳取苗轨迹和姿态。在机构动态仿真分析与虚拟试验基础上设计取苗机构，最后通过台架试验分析取苗效果与测试相关参数，完善结构设计，并修正理论模型。.本项目的成功实施，将为我国高效的旱地自动移栽机的研发提供技术支撑，针对具有复杂输出规律的非圆齿轮行星系传动的设计方法和多目标优化问题的参数导引优化方法对于具有较高运动要求的机构设计具有借鉴意义。

取苗机构是移栽机由半自动向全自动发展的关键环节，是当前农业机械研究的热点。传统的取苗机构的构型及性能不尽理想。项目基于课题组在非圆齿轮不等速传动研究成果，提出以“鹰嘴形”轨迹为研究目标的旋转式非圆齿轮行星轮系取苗机构的创新设计，通过分析行星轮系机构的轨迹形成规律，围绕形成“鹰嘴形”轨迹所需要的取苗臂周期二次不等幅摆动运动规律进行科学研究，主要研究工作如下：.1）提出非圆齿轮行星轮系旋转式取苗机构和“鹰嘴形”取苗轨迹，分析“鹰嘴形”取苗轨迹的形成机理，发现周期中取苗臂的二次不等幅摆动规律是形成“鹰嘴形”轨迹的原因。.2）机构运动学建模与参数优化：在非圆齿轮行星轮系机构逆向设计研究中提出了基于输出构件相对转角单调性的机构可再现轨迹判定准则，提出了兼顾非圆齿轮传动性能的轨迹规划方法；对取苗机构工作目标设定10个目标，量化取苗机构各目标的理想区间，基于参数导引优化方法开发自由二阶非圆齿轮行星轮取苗机构优化设计软件，优化得到机构传动比参数和机构的结构参数。.3）机构的结构设计与动力学分析：建立了机构的虚拟样机，仿真检查了机构的运动干涉情况，验证了凸轮安装位置确保取苗推苗动作的有序实现；建立机构的动力学模型，分析了各构件的力的波动特征，分析结果发现对于自由二阶非圆齿轮行星轮系传动机构，当行星架转速大于100r/min，中心轴支座力的波动的峰值显著增大，其合理的转速应控制在100r/min以下。.4）实验研究：对取苗机构中心轴支座力进行了实验测试，实验结果表明机构在80r/min以下转速力学特征平稳，测试结果表明自由二阶非圆齿轮行星轮系取苗机构支持9600株/h的取苗效率；以苗盘倾角、夹紧量、取苗深度开展三水平三因素实验，对60r/min转速进行全因素实验，确定最优组合为：取苗夹角90°、夹紧量15mm、取苗深度35mm，最高取苗成功率为94%；开展80r/min转速下L9（34）正交实验，通过离差分析确定优组合为：取苗夹角100°、夹紧量12mm、取苗深度35mm，最高取苗成功率为90%。. 项目首次开展了连续非圆齿轮传动的取苗机构的创新优化设计和实验研究，可为我国高效全自动移栽机的研发提供技术支持，自由二阶非圆齿轮行星轮系取苗机构获得了国家发明专利，与取苗机构相关部件已获得4项发明专利，发表学术论文6篇。