非圓齒輪行星系水稻缽苗移栽機構(gòu)齒輪副的反求設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非圓齒輪副設(shè)計方法，具體涉及一種非圓齒輪行星系水稻缽苗移栽機 構(gòu)齒輪副的反求設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水稻的移栽是種植過程中重要的環(huán)節(jié)，目前水稻移栽機械主要有插秧機、水稻拋 秧機和缽苗栽值機。插秧機采用毯狀苗，緩苗期較長，傷根；水稻拋秧機容易使秧苗倒伏、直 立性不好；而缽苗栽植直立性好，無緩苗期。
[0003] 水稻缽苗移栽機構(gòu)不僅要實現(xiàn)取秧，還要實現(xiàn)田間插秧，對動軌跡的直立性要求 較高，另外為了保證栽植秧苗的直立性，對移栽臂在取苗和推苗位置的姿態(tài)關(guān)系都有嚴(yán)格 要求，現(xiàn)有的水稻缽苗移栽機構(gòu)只采用一個特殊方程表達(dá)式作為其中一個齒輪節(jié)曲線求解 行星系齒輪副，數(shù)值優(yōu)化可調(diào)空間小，得到的移栽機構(gòu)取苗角和推秧角角度差不超過48°， 缽盤傾角為50 °，所以秧苗直立度差，同時移栽臂回程容易把秧苗回帶，制約了我國水稻移 栽的高速化發(fā)展。國外引進(jìn)的水稻缽苗移栽機構(gòu)價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、育苗要求高，不適合 我國水稻種植現(xiàn)狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種非圓齒輪行星系水稻缽苗移栽機 構(gòu)齒輪副的反求設(shè)計方法，該方法根據(jù)兩個中間非圓齒輪的節(jié)曲線方程，正向求解行星系 齒輪副，獲得一組"非劣解"，得到的移栽機構(gòu)在滿足農(nóng)藝要求條件下取苗角和推秧角的角 度差達(dá)52°，保證秧苗直立度；且該方法通過對正向設(shè)計的靜軌跡進(jìn)行局部微調(diào)，得到理 想靜軌跡后進(jìn)行"反求設(shè)計"，獲得一組參數(shù)，保證秧苗不回帶，因此，本發(fā)明使移栽機構(gòu)能 更好地滿足軌跡和姿態(tài)要求，即直立度好且不回帶秧苗。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] 步驟一、建立非圓齒輪行星系水稻缽苗移栽機構(gòu)的運動學(xué)模型，包括第一中間非 圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心、行星非圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心和移栽臂秧針尖點的位移、速度方程；其中，移栽 臂秧針尖點的位移曲線即為靜軌跡曲線。
[0007] 步驟二、正向求解非圓齒輪行星系齒輪副：建立第一中間非圓齒輪和第二中間非 圓齒輪的節(jié)曲線方程，求得太陽輪和行星非圓齒輪的節(jié)曲線方程；其中，第一中間非圓齒輪 與第二中間非圓齒輪固定?；诳梢暬疺B或Matlab開發(fā)優(yōu)化界面平臺，將靜軌跡曲線可 視化后作為優(yōu)化目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)數(shù)值離散化處理后的設(shè)計變量對靜軌跡曲線進(jìn)行優(yōu)化；設(shè) 計變量包括構(gòu)建太陽輪、第一中間非圓齒輪、第二中間非圓齒輪和行星非圓齒輪節(jié)曲線方 程的各個參數(shù)，行星架的安裝角參數(shù)，移栽臂的安裝角參數(shù)及株距。
[0008] 步驟三、移栽臂秧針尖點的理想靜軌跡曲線擬合。
[0009] 太陽輪為不完全非圓齒輪，其無齒部分處固定安裝有凸鎖止??；第一中間非圓齒 輪同軸固定有凹鎖止弧，凸鎖止弧與凹鎖止弧摩擦傳動；凸鎖止弧與凹鎖止弧工作時，移栽 臂處于靜軌跡的持苗段，持苗段軌跡呈以太陽輪回轉(zhuǎn)中心為圓心的圓?。怀置缍诬壽E不做 反求計算，對靜軌跡的非持苗段均做反求計算。將移栽臂秧針尖點的靜軌跡回程段往外側(cè) 調(diào)整，然后在靜軌跡的非持苗段按同一方向依次選取20個點Q 1 (i = 0, 1，…，19)作為三次 非均勻B樣條曲線的型值點，可唯一求解到22個控制頂點，進(jìn)而擬合出移栽臂秧針尖點的 理想靜軌跡曲線，再在理想靜軌跡曲線上每相鄰兩個擬合點之間插值生成19~22個插值 點。其中，q。確定靜軌跡的最高點，9。到q 7為確定取苗環(huán)扣大小的靜軌跡點，q19確定靜軌 跡的最低點，qls確定移栽臂推秧完成后回程角度的靜軌跡點，q 17到Q11是影響移栽臂靜軌 跡回程段的關(guān)鍵點；qs到是擬合靜軌跡曲線的輔助點。
[0010] 步驟四、傳動比的計算、分配及中心距的確定。
[0011] 將移栽機構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為兩個自由度的三桿機構(gòu)模型，三桿機構(gòu)包括曲柄和擺桿； 曲柄的角位移為φ 5，擺桿的角位移為φ7，移栽臂秧針尖點按照理想靜軌跡曲線的非持苗 段運動，移栽機構(gòu)的總傳動比為i = d Φ 5/d Φ 7，取第二級傳動比/」_= W.，則第一級傳 動比I1= i/i2;根據(jù)移栽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，給定第二中間非圓齒輪與行星非圓齒輪的中心距初 值，再根據(jù)節(jié)曲線封閉條件和嚙合條件，采用進(jìn)退法搜索獲得第二中間非圓齒輪與行星非 圓齒輪的中心距和行星非圓齒輪的向徑精確值，從而確定第二級傳動比和第一級傳動比的 精確值；給定第一中間非圓齒輪與太陽輪的中心距初值，再根據(jù)節(jié)曲線封閉條件和嚙合條 件，采用進(jìn)退法搜索獲得第一中間非圓齒輪與太陽輪的中心距和第一中間非圓齒輪的向徑 精確值。
[0012] 步驟五、齒輪節(jié)曲線的坐標(biāo)確定。
[0013] 根據(jù)第一級傳動比及第一中間非圓齒輪與太陽輪的中心距計算求得太陽輪有齒 部分的節(jié)曲線坐標(biāo)和第一中間非圓齒輪的節(jié)曲線坐標(biāo)；根據(jù)第二級傳動比及第二中間非圓 齒輪與行星非圓齒輪的中心距計算求得行星非圓齒輪和第二中間非圓齒輪的節(jié)曲線坐標(biāo)。
[0014] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果：
[0015] 1、本發(fā)明可作為非圓齒輪反求設(shè)計的系統(tǒng)總結(jié)，能夠應(yīng)用于所有非圓齒輪傳動機 構(gòu)，是非圓齒輪機構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計方法；
[0016] 2、本發(fā)明通過反求設(shè)計能增加機構(gòu)設(shè)計的靈活性，擴展了可利用的非勻速傳動規(guī) 律范圍，使得非圓齒輪行星系傳動機構(gòu)能實現(xiàn)更特殊的輸出運動軌跡要求，實現(xiàn)軌跡形狀 再現(xiàn)和夾取部分軌跡段姿態(tài)的控制。
[0017] 3、本發(fā)明根據(jù)理想的軌跡反求設(shè)計得到的移栽機構(gòu)能保證不帶苗，保證了移栽直 立度和成功率。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明實施例中移栽機構(gòu)的示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明實施例中移栽機構(gòu)的行星系傳動示意圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明實施例中移栽機構(gòu)的靜軌跡示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明實施例中移栽機構(gòu)的第一級非圓齒輪副的節(jié)曲線傳動示意圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明實施例中移栽機構(gòu)的第二級非圓齒輪副的節(jié)曲線傳動示意圖；
[0023] 圖6是本發(fā)明實施例中太陽輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖7是本發(fā)明實施例中第一中間非圓齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖8是本發(fā)明實施例中第二中間非圓齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖9是本發(fā)明實施例中行星非圓齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖10-1是本發(fā)明實施例中行星系的第一級傳動比曲線圖；
[0028] 圖10-2是本發(fā)明實施例中行星系的第二級傳動比曲線圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0030] 一種非圓齒輪行星系水稻缽苗移栽機構(gòu)齒輪副的反求設(shè)計方法，具體步驟如下 (這里僅對行星架一端的四個非圓齒輪進(jìn)行反求設(shè)計，另一端的四個非圓齒輪與各自對應(yīng) 位置的齒輪結(jié)構(gòu)完全一致）：
[0031] 步驟一、如圖1和2所示，建立移栽機構(gòu)的運動學(xué)模型。
[0032] 第一中間非圓齒輪4旋轉(zhuǎn)中心H點的位移方程：
[0033] xH= a !cos ( φ 5+ β )；
[0034] yH= a !sinQs+P );
[0035] 其中，xH為H點的橫坐標(biāo)，y H為H點的縱坐標(biāo)，a i為第一級非圓齒輪副（第一中間 非圓齒輪4與太陽輪3)的中心距，巾5為太陽輪3回轉(zhuǎn)中心、行星非圓齒輪7回轉(zhuǎn)中心的連 線與水平坐標(biāo)軸X的夾角，β為太陽輪3回轉(zhuǎn)中心、第一中間非圓齒輪4旋轉(zhuǎn)中心的連線 與太陽輪3回轉(zhuǎn)中心、行星非圓齒輪7回轉(zhuǎn)中心連線的夾角。
[0036] 行星非圓齒輪7的旋轉(zhuǎn)中心I點的位移方程：
[0037] X1= I jcos ( Φ5);
[0038] y!= I !Sin((J)5);
[0039] 其中，&為I點的橫坐標(biāo)，y :為I點的縱坐標(biāo)，1為太陽輪3回轉(zhuǎn)中心與行星非圓 齒輪7回轉(zhuǎn)中心連線的長度。
[0040] 移栽臂8的秧針尖點A位移方程，即靜軌跡曲線的方程：
[0041] xA= I3Cos (Φ4) = X^l2Cos ( Φ3)；
[0042] γΑ=138?η(Φ4) = Y^l2Sin (Φ3)；
[0043] 其中，xAS A點的橫坐標(biāo)，y &為A點的縱坐標(biāo)，1 3為太陽輪3回轉(zhuǎn)中心與秧針尖點 連線的長度，巾4為太陽輪3回轉(zhuǎn)中心、秧針尖點的連線與水平坐標(biāo)軸的夾角