1 項目名稱： *研制 學 院： *學院 課題成員： * * * * 完成時間： 2007 年 5 月 25 日 1 第一章 緒論 . 1 1 研究的目的和意義 . 1 2 目前國內外研究的現(xiàn)狀 . 2 柄搖桿分插機構 . 2 心齒輪行星式分插機構 . 3 圓齒輪行星系分插機構 . 3 速式分插機構 . 3 心鏈輪式分插機構 . 4 . 4 . 5 3本項目的技術難點 . 5 明一種新的旋轉式分插機構 . 5 線性、交互性、模糊性 . 6 4 研究的技術路線 . 7 5創(chuàng)新點 . 7 6本章小結 . 9 第二章 橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構運動學建模和 動力學分析 . 10 1 橢圓齒傳動旋轉后 插式分插機構的組成、工作原理和特點 . 10 圓齒傳動旋轉后插式分插機構的組成、工作原理 . 10 圓齒傳動旋轉后插式分插機構的特點 . 10 2運動學數值分析的基礎理論 . 11 . 11 程中角位移的設定 . 11 構示意圖和坐標原點的設置 . 11 三角函數唯一值求解方法 . 12 3橢圓齒輪嚙合傳動的運動分析 . 13 嚙合特性和優(yōu)點 . 13 速度和傳動比分析 . 14 4橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構運動學模型的建立 . 16 插機構的角位移分析 . 16 動學分析符號的說明 . 17 . 18 . 19 插機構上各點加速度方程和各構件角加速度方程 . 21 5 本章小結 . 22 第三章 橢圓齒輪分插機構運動學輔助分析軟件的 開發(fā)及參數的優(yōu)選 . 23 1 優(yōu)化軟件概述 . 23 件開發(fā)應用背景 . 23 件開發(fā)與應用環(huán)境 . 23 件系統(tǒng)總體結構 . 23 化軟件特點 . 23 2軟件主要功能介紹 . 25 . 25 2 圓齒輪齒廓曲線生成模塊 . 26 . 27 . 27 . 29 圓齒輪 角位移分析模塊 . 29 助功能模塊 . 30 3 參數變化對分插機構運動特性的影響 . 31 4 分插機構參數優(yōu)化 . 36 插機構參數優(yōu)化的目標要求 . 36 于可視化的人機交互優(yōu)化方法 . 37 5 本章小結 . 39 第四章 基于 . 40 1 虛擬樣機技術介紹 . 40 2 多體系統(tǒng)動力學及 . 43 . 43 3 . 47 . 48 義約束和運動 . 48 施加作用力 . 49 仿真分析與仿真結果后處理 . 49 4 分插機構虛擬樣機的實現(xiàn) . 50 文件導入 . 50 體定義（ . 50 型轉換 . 51 加約束及驗證自由度 . 51 . 52 . 53 5系統(tǒng)的仿真與分析 . 53 針速度分析 . 55 針加速度分析 . 55 6 本章結論 . 56 第五章 橢圓齒輪分插機構實驗驗證 . 57 1 運動學參數的高速攝像驗證 . 57 . 57 . 57 . 57 定參數的確定 . 57 圓齒輪旋轉后插式分插機構運動學參數測定與結果分析 . 58 柄搖桿式分插機構運動學參數測定與結果分析 . 60 2本章小結 . 61 第六章 結論與進一步研究的設想 . 62 1 結論 . 62 2 進一步研究展望 . 62 3 參考文獻 . 63 1 摘 要 水稻插秧機機械化是提高插秧效率、減輕農民勞動強度的主要措施之一。如果我國插秧機械化水平提高 1，每年就能增產糧食 前我國的機插率是 而浙江省水稻機械插秧面積占整個插秧面積的 遠落后于全國的機 械化水稻種植水平。并且在已有的插秧機中，絕大多數是高速水稻插秧機，雖然其工作效率高，勞動生產強度低，但是機器的價格高，廣大農民難以接受，該機器還不適應山區(qū)和小田塊地的作業(yè)。步行式插秧機，雖然價格低廉，但其核心部件 曲柄搖桿式分插機構在國內沒有自主知識產權，使得該機種的大面積推廣受到限制，另外曲柄搖桿式分插機構在工作時振動較大，這將影響插秧的質量和效率，因此研究一種適合于步行式插秧機的新型分插機構對我國、我省的農業(yè)機械化制造業(yè)和水稻種植機械化的發(fā)展具有重大意義。 本課題組研究了一種橢圓齒輪旋轉后插式分插機 構，分析了其運動學特性，建立了運動學模型，并對機構進行運動參數優(yōu)化和試驗驗證。主要的研究內容如下： 1） 研究國內外各種分插機構的結構及插秧軌跡形成原理，發(fā)明一種分插機構 橢圓齒輪旋轉后插式分插機構。 2） 對分插機構進行理論分析，并為機構建立運動學數學模型。 3） 基于 對機構進行參數優(yōu)化。 4） 對機構進行實體建模和虛擬裝配，并基于機械系統(tǒng)動力學軟件 4） 研制出橢圓齒輪旋轉后插式分插機構，基于實驗臺和高速攝像對其運動特性進行試驗 驗證 ，來驗證所建數學模型的正確性，為下一步的動力學優(yōu)化分析提供依據。 關鍵詞 ： 步行式插秧機 、 分插機構、 運動學分析 、 機構發(fā)明 、試驗 驗證 1 第一章 緒論 1 研究的目的和意義 水稻是我國單產最高、種植面積最大、總產量最多的糧食作物 , 在我國糧食生產中占有非常重要的地位 。常年種植面積和產量分別占全國糧食作物的 30% 和 40%， 全國 60%以上的人口以大米為食。近幾年，我國平均每年人口增長 1600萬，耕地面積卻減少 600萬畝，對全國糧食的有效供給帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。 但是我國水稻種植基本采用人工育秧、插秧、收獲的“三彎 腰”方式 , 勞動強度大 , 用工比較多 , 季節(jié)性強 。 我國雖在五六十年代就提出了水稻栽植機械化，但行動慢，步子小，進展不大，到 2005年 機械化插秧只有 水稻插秧機械化對于擴大水稻種植面積、提高水稻產量、減輕水稻種植強度、降低生產成本、增加農業(yè)效益起著非常重要的作用。因此，提高水稻插秧機械化水平對我們只擁有 7%的世界耕地卻要養(yǎng)活 22%世界人口的國家來說，具有重大的意義。 日本是世界上插秧機械化研究起步早、發(fā)展快、水平高的國家，在 1970年就實現(xiàn)了水稻插秧機械化，到目前為止， 99%以上的水稻都是機械插秧 。韓國雖然開始使用和生產水稻插秧機的時間較晚，但發(fā)展速度較快且水平也較高，令人矚目，在 1996年達到了 98%以上。 與日本、韓國相比，我國的機械化水平非常低，主要原因有： 1） 國產插秧機都是曲柄搖桿式的傳統(tǒng)插秧機，其可靠性低；但進口插秧機價格太高，作業(yè)成本大大高于人工插秧，從而限了推廣使用。 2） 進口插秧機對中國北方的單季稻小苗適應強，而對南方雙季稻的晚季大苗栽插適應差（因為這些插秧機秧針的運動軌跡高度相對大苗來說太小，同時還前傾），而我國水稻種植前五名均為雙季稻。 因此，為了保證全國糧食的有效供給，無 論從經濟上還是性能上都急需研究適合我國國情的水稻插秧機。 水稻插秧機是一個復雜的機械系統(tǒng)，其核心部件是分插機構，它是水稻插秧機從秧群中分取一定數量的秧苗插入土中的機構，其性能決定插秧質量、工作可靠性和插秧的效率，從而決定插秧機的整體水平和競爭力。因此，分插機構一直以來都是插秧機研究的重點內容之一。研究分插機構的目的主要有：如何保證插秧質量，即如何實現(xiàn)插秧時的秧爪軌跡和姿態(tài)（取秧角和插秧角），達到不傷秧、不鉤秧、不漂秧，立苗好和近青快；如何提高單位時間的插次。 2 圖 柄搖桿分插機構 2 目前國內外研究的現(xiàn)狀 目前，水稻插秧機分 為 3 分種類型，完全靠人工的手動插秧機、帶有機械動力的步行式插秧機和乘坐式高速水稻插秧機。手動插秧機沒有動力，操作人員的勞動強度大，工作效率最低；乘坐式是目前最先進的插秧機械，工作效率高，適合于大田作業(yè)；步行式插秧機性能介于兩者之間，特別是針對目前中國方塊田化程度較低的現(xiàn)狀，步行式插秧機具有廣闊的市場。 高速插秧機旋轉式分插機構的研制始于中國，是由曲柄搖桿機構與五個圓齒輪組成的行星輪系機構組合而成的一種組合機構，由曲柄搖桿機構中的搖桿驅動太陽輪擺動，只研制了樣機，未形成產品。日本在 80 年代開始進行插秧核心部件 分插機構的創(chuàng)新性研究，提出了應用在高速插秧機上的旋轉式分插機構，并在 80 年代末將其投入市場。日本的旋轉式分插機構有兩種類型，一種是偏心齒輪行星輪系，另一種是橢圓齒輪行星輪系，都在中國申報了專利。但日產水稻高速插秧機由于是分體船板（克服壅泥壅土）對南方地區(qū)早稻或單季稻有較好的適應能力，但對大苗插秧適應性不好；由于日本是單季稻生產，其旋轉式分插機構只適應于小苗插秧，秧針尖軌跡前傾，軌跡高度不夠，對于中苗，特別是大苗容易推倒和傷苗。 步行式插秧機是一種適合我省和我國目前農村自然經濟條件、價格較為低廉的插秧機 ，一般價格在 元左右，在政府補貼 40 50后，農民只要花上不足萬元就能買到一臺插秧機，結束“彎腰種稻”歷史。所謂步行就是手握機器手柄，步行前進操縱機器的描述。這種機器結構簡單、輕巧、操作靈便，使用安全，容易控制機插質量。目前我國步行式插秧機市場上主要以日本韓國的機型為主。如：洋馬、東洋、井關、久保田，其次是極少量的國內仿造國外的機器，如南通柴油機股份有限公司生產的“富來威”步行式插秧機。由于國內對這種步行式插秧機的工作機理和性能要求缺乏足夠的了解，機器在制作過程中出現(xiàn)的問題較多，如關鍵部位 分插機 構的插秧一致性較差。且目前國內外步行式插秧機上的分插機構都是采用曲柄搖桿式分插機構，在國內沒有自主知識產權，也使得該種機器的大面積推廣受到限制。 柄搖桿分插機構 曲柄搖桿分插機構結構簡圖如圖 示。此機構是我國使用最廣泛的水稻插秧機分插機構。代表的機型是235，是我國唯一大批量生產的定型水稻插秧機，插秧質量好，得到大面積推廣并取得了良好的效果。為適應于種 3 圖 心齒輪行星式分插機構 植雙季稻和三季稻的多熟制地區(qū)，浙江金華農機化所研制出了多熟制水稻插秧機，機器型號 2428。 圖 示的是 乘坐式水稻插秧機上使用的分插機構，其形成的靜軌跡為“腰子形”，而只要改變曲柄搖桿式分插機構搖桿的鉸鏈點位置就可以實現(xiàn)步行式插秧機所需的“海豚形”軌跡。 這也是曲柄搖桿式分插機構自從 60 年代取代曲柄滑道式以來被廣泛的應用的原因。但該分插機構的慣性比較大，尤其是在 高插次時產生的機架振動加劇，從而限制了插秧工作效率的提高。有時產生分秧不均、傷秧及栽插不穩(wěn)等缺陷。當插秧機前進速度過高時，壅泥壅水的問題不易解決。 所以日本從 80 年代起就開始研究一種旋轉式的分插機構來取代曲柄搖桿式，并在 80 年代末在乘坐式插秧機上取得了成功 ，左為高速插秧機進入市場，并很快取代了原先的曲柄搖桿式分插機構。 而步行式水稻插秧機由于其插秧軌跡的特殊性，再加上旋轉式分插機構結構的限制，近 30 年，國際上一直未能突破在步行式插秧機上用旋轉式分插機構來取代曲柄 搖桿式分插機構。 因此步行式插秧機使用的分插機構一直都是曲柄搖桿式分插機構。 心齒輪行星式分插機構 偏心齒輪行星式分插機構如圖 示。共 5 個偏心齒輪，半徑相同，其工作原理是太陽輪 (齒輪 I)固定不動，對稱兩邊分置兩對齒輪，靠近太陽輪的為中間輪 (齒輪 兩端齒輪為行星輪 (齒輪 其栽 植臂結構形式與曲柄搖桿式分插機構相近。由于栽植臂的兩端分別配置秧爪，驅動軸旋轉一周，插秧兩次。與曲柄搖桿式分插機構比較，振動小，在提高插機構單位時間插次方面，具有較大潛力。實測這種插秧機插秧速度比連桿式提高了 50% ,作業(yè)效率也提高了 32%。 圓齒輪行星系分插機構 與偏心齒輪行星系分插機構的原理基本相似。由于偏心齒輪行星式分插機構在運動周期內，互相嚙合的齒輪之間的間隙發(fā)生變化，在高速旋轉的條件下，也會引起較大的振動，影響插秧質量。于是日本洋馬公司又推出的 高速插秧機的分插機構，在原來 5 個偏 心齒輪的基礎上，又增加了 4 個鎖緊偏心齒輪，用于消除在偏心齒輪傳動過程中齒側間隙的變化，從而達到消除振動的目的 ,使用效果很好。 速式分插機構 差速式分插機構是一種高速插秧機分插機構是由浙江理工大學趙勻教授領導的課題組發(fā)明，其分插機構簡圖如圖 示。差速分插機構的輪系是自由度為 2 的差動輪系， 4 圖 心鏈輪式分插機構 圖 速式分插機構 圖 齒行星系分插機構 在此輪系中以橢圓齒輪嚙合形成所要求的非勻速傳動比及轉角關系。差速分插機構由 3 個全等的橢圓齒輪和2 個栽植臂總成組成， 3 個橢圓齒輪的回轉中心均在橢 圓 齒輪的焦點上，且初始相位相同，并支撐在齒輪箱上。工作時齒輪箱 (相當于行星架 )作為一個原動件繞中心軸的回轉中心 0 轉動，而中心輪作為另一個原動件以齒輪箱 2 倍的轉速同向轉動，與行星輪固結的一對栽植臂在齒輪箱的圓周運動和行星輪的往復轉動的復合運動下，秧爪按要求的姿態(tài) (角位移和軌跡 )運動，滿足插秧的工作軌跡、取秧角和插秧角。 心鏈輪式分插機構 分插機構示意圖如圖 示是由浙江理工大學趙勻教授領導的課題組發(fā)明。其突出的特點是采用剛性輪張緊的原理。該分插機構分別由鏈輪 1,2,3和鏈輪 1,4,5 組成兩組偏心鏈輪傳動機構，其中輪1 有兩組鏈輪齒。鏈輪組 1,4,5 相當于鏈輪 組 1,2,3繞 A 點轉過 180 所形成的。 由于鏈輪為偏心鏈輪，所以輪 2,3,4,5 的運動相當于是平動和擺動的合成。秧爪分別固定于輪2,4 上，隨輪 2,4 平動同時，時而順時針、時而逆時針擺動，選取合適的結構參數，能夠滿足取秧、插秧和行星架轉一周插兩次的要求。 齒行星系分插機構 其機構示意圖如圖 是由浙江理工大學趙勻教授領導的課題組發(fā)明 。它是由 4個全等正圓齒輪和 3個全等橢圓齒輪組成， 3個橢圓齒輪的回轉中心均在橢圓齒輪的焦點上，且初始相位相同。中心橢圓齒輪 3(也叫太陽輪 )固定不動，工作時行星架在中 心軸的帶動下，相當于一個原動件繞太陽輪的回轉中心 于是兩個橢圓齒輪 3和 4、 3和 2嚙合，引起傳動比的變化，因此對稱布置的 2個行星圓齒輪作往復擺動。通過鍵和行星輪軸與行星圓齒輪固結的一對栽植臂，一方面隨著齒輪盒作圓周運動，另一方面隨著行星圓齒輪作往復擺動，在這兩種運動的復合下，秧 5 圖 星輪曲柄搖桿分插機構 a 改變連桿位置角軌跡變化圖 b 前插作業(yè)到后插作業(yè)軌跡的變化 圖 柄搖桿式分插機構軌跡變化 爪按要求的姿態(tài) (角位移和軌跡 )運動，通過選擇合適的結構參數，就可找到滿足插秧要求的工作軌跡、取秧角和插秧角。 星輪曲柄搖桿分插機構 行星輪系曲柄搖桿分插機構的傳動圖和結構示意圖如圖 是由浙江理工大學趙勻教授 領導的課題組發(fā)明 它由行星齒輪系和曲柄搖桿機構 (搖桿轉動軸定位在行星輪上 )組成，栽植臂軸相對行星輪軸的絕對轉動 (相對機架 )作為曲柄傳動 ,連桿與栽植臂通過栽植臂軸固結 ,行星輪在行星齒輪系轉動時 ,相對機架無角位移。行星架上栽植臂軸心相對行星輪軸心轉動，形成了曲柄的轉動，栽植臂軸可看作曲柄和連桿的鉸鏈點，連桿的轉動和平動看作栽植臂上秧針的相對運動，行星架上行星輪軸的圓周運動是秧針的牽連運動。通過選取合適的參數，其合成運動能夠滿足秧爪工作軌跡和姿態(tài)的要求。 3、本項目的技術難點 明一種新的旋轉式分插機構 曲柄搖桿式分插機構自上世紀 60年代取代曲柄滑道式分插機構一直沿用至今，即適用于乘坐式，又適合于步行式插秧機。因為只要改變曲柄搖桿式分插機構的搖桿鉸鏈點位置，就可以形成“腰子形”或“海豚形”軌跡。 圖 效果等效于改變搖桿鉸鏈點 圖 示，當搖桿鉸鏈點 插機構秧針尖點的軌跡也從“腰子形”變化到“海豚形”。 但該分插機構存在慣性大的問題，所以日本從 80年代開始考慮使用轉動慣量小的旋轉式分插代替曲柄搖桿式分插機構， 80 年代末在乘坐式插秧機上取得了成功，作為 6 圖 子形后插式軌跡 高速插秧機進入市場，并很快取代了曲柄搖桿式分插機構。而步行式插秧機由于其軌跡的特殊性，以及旋轉式分插機構結構的限制，近 30年，國際上一直沒能突破用旋轉式分插機構來取代曲柄搖桿式分插機構，因此步行式插秧機上一直采用曲柄搖桿式分插機構。 就是因為 曲柄搖桿式 分插機構 慣性大， 隨著速度增大時，振動加劇，造成取秧時，秧針跳動大，致使取秧量不均。但直接對步行式插秧機采用旋轉式分插機構又存在問題：旋轉式分插機構， 80年代末用于乘坐式插秧機上，由于其運轉平穩(wěn)，慣性力小，單位插次提高到 400次 /分，很快取代了曲柄搖桿式分插機構，但是步行式插秧機仍然襲用曲柄搖桿式分插機構。乘坐式插秧機為了方便，人、秧箱、分插機構由前到后排序。插秧模式稱為“前插式”，其靜軌跡為“腰子形”（如圖 1所示）， 動軌跡插秧位置形成環(huán)扣，插 秧 穴口小，不易倒秧和漂秧。步行式插秧機人、秧箱和分插機構從后到前排序，稱為“后插式”，靜軌跡上圓下尖，類似 海豚 ，我們稱為“海豚形”軌跡（如圖 所示），這樣，其動軌跡形成的穴口才不至于過大。如果在步行機上插秧機分插機構定軌跡為“腰子形”，其動軌跡插秧穴口 將大大超過要求的 25到 80右（如圖 所示）會引起嚴重的漂秧和倒秧。目前市場上的各種旋轉式分插機構，由于其結構限制只能形成“腰子形”靜軌跡，不能形成“海豚形”靜軌跡。曲柄搖桿式分插機構可以改變曲柄轉動中心和插桿軸心相對位置而形成“腰子形”或“海豚形”靜軌跡。盡管旋轉式分插機構運轉平穩(wěn)、結構簡單、造價低（參考國內外同類技術和產品的生產分析），由于沒有克服這個難點，國際上直到現(xiàn)在依然沒有在步行式插秧機上應用旋轉式分插機構。 插機構參數優(yōu)化的多目標、非線性、交互性、模糊性 圖 腰子形”軌跡 圖 豚形”軌跡 7 本 次分插機構優(yōu)化參數的多目標、非線性、交互性、模糊性，現(xiàn)有的優(yōu)化方法難以實現(xiàn)參數的優(yōu)化，具體的優(yōu)化目標如下。 1)為保證插后秧苗的直立，秧針取秧時與水平線的夾角（取秧角） 0應在 5 20之間，而在推秧時與水平線的夾角（推秧角） 1應在 60 75之間； 2)軌跡的穴口長度要小于 2030大會導致所插秧苗倒伏或漂秧； 3)栽植臂的軸心（即行星輪軸心）軌跡不能與已插秧苗的中底部接觸，以免碰傷已插的秧苗； 4)在回程之前完成推秧動作； 5)栽植臂在取秧時秧針的支撐部位不能碰撞秧門； 6)推秧角與取秧 角的角度差為秧箱的傾斜角； 7)要求取秧量為 要求取秧軌跡幾乎與秧箱垂直。 4 研究的技術路線 對現(xiàn)有插秧機 分插機構 的結構和工作原理進行分析，將農機與農藝相結合，對分插機構進行機構創(chuàng)新，通過理論分析和試驗研究，設計新的分插機構，建立運動學和動力學模型，進行機構參數優(yōu)化。其研究技術路線如下圖所示： 5、創(chuàng)新點 一種新的旋轉后插式分插機構的實現(xiàn) 目前乘坐式高速水稻插秧機使用的分插機構都為曲柄搖桿式， 圖 旋轉式分插機構， 該分插機構由 9個偏心齒輪 （ 19） 和 2個窩卷彈簧 （ 10、 8 11） 組成，其中窩卷彈簧是起到消除齒側間隙的作用，結構比較復雜。圖為分插機構的初始安裝位置，并且軸心距 形成的插秧靜軌跡為“腰子形”，而要實現(xiàn)步行式插秧時所需的“海豚形”軌跡， 我們研究發(fā)現(xiàn)必須 改變 軸心距 起初我們考慮直接將該分插機構行星齒輪進行偏置處理來改變軸心距離 L，但是發(fā)現(xiàn)分插機構的結構還是比較復雜，最后我們考慮到橢圓齒輪的傳動性質與偏心齒輪相似，且是一種無齒側間隙變化的傳動，再加上目前橢 圓齒輪的加工技術越來越成熟，所以我們決定用橢圓齒輪來代替偏心齒輪，這樣使得分插機構的齒輪數目由原先的 5個減少到 3個，不但可以簡化結構，還可以降低成本。另外我們研究小組再通過優(yōu)化三個橢圓齒輪初始相位角，橢圓齒輪的長短軸之比等參數，發(fā)明出了一種新的橢圓齒輪旋轉后插式分插機構 ，（已經獲得發(fā)明專利申請?zhí)枺?及實用新型專利號： 如圖 實現(xiàn) “海豚形”軌跡。 分插機構參數優(yōu)化，一種新的優(yōu)化 在建立分插機構“非劣解”群求解模型 時，有 多 個運動學目標，最大的難點 在于 分插機構 參數 優(yōu)化 的 多目標、模糊性、交互性、非線性 ， 用現(xiàn)有的優(yōu)化方法難以實現(xiàn)優(yōu)化， 本圖 圓齒輪旋轉后插式分插機構及靜軌跡 圖 速插秧機偏心齒輪旋轉式分插機構及靜軌跡 9 課題組 基于 已經 獲得 軟件登記 號： 200717169)，通過人機交互的方式得出滿足工作要求的機構參數， 滿足步行式插秧機的插秧要求 。 6 本章小結 1）闡述了本項目研究的目的和意義。 2）綜述了分插機構的研究背景。 3）介紹了本項目的技術難點和創(chuàng)新點及采用的技術路線。 10 第二章 橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構運動學建模和動力學分析 1 橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構 的組成、工作原理和特點 圓齒傳動旋轉后插式分插機構的組成、工作原理 橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構簡 圖如圖 由三個全等的橢圓齒輪組成，三個橢圓齒輪的回轉中心均在橢圓齒輪的焦點上 ,1和 2初始相位相同，中心橢圓齒輪 1固定不動，工作時行星架在中心軸的帶動下，相動于一個原動件在繞中心輪的回轉中心轉動，由于是三個橢圓齒輪的嚙合，引起傳動比的變化，因此行星橢圓齒作往復擺動。通過鍵和行星輪軸與行星輪固結的栽植臂，一方面隨行星架（即齒輪盒）作圓周運動，另一方面隨著行星輪作往復擺動，在這兩種運動的復合下 ，秧爪按要求的姿態(tài)（角位移和軌跡）運動，通過選擇合適的結構參數就可以找到滿足插秧要求的工作軌跡、取秧角和插秧角。 圓齒傳動旋轉后插式分插機構的特點 橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構是一種旋轉式分插機構，機構主軸旋轉一周插秧 1 次，適用于步行式插秧機，與一些已發(fā)明的分插機構相比，具有以下一些特點： a、 由于步行式插秧機插秧速率低，單位時間插次約 180 次 /分，因此在分插機構傳動箱一側只要安裝一個栽植臂，分插機構主軸旋轉一周插秧一次，這就避免了高速插秧機上兩個栽植臂在傳動箱同一側需要考慮的互相干涉問題； b、 傳動箱內 的傳動系統(tǒng)簡單，由三個橢圓齒輪組成，由于沒有栽植臂之間的干涉問題，同時為了滿足后插式的插秧要求，要求角度 0 (見圖 大，使得行星輪中心 1B 點更靠近中心橢圓齒輪的焦點 1O ，結構就更加小巧、緊湊； c、 與偏心齒輪行星系分插機構相比較。由于偏心齒輪要實現(xiàn)插秧的軌跡和姿態(tài)必須要有較大的偏心量，這樣在傳動中齒隙變化幅度較大，引起傳動不平穩(wěn)，需加防振裝置，從而導致結構復雜。而橢圓齒輪傳動則不存在上述問題，因此 它傳動平穩(wěn)，結構簡單，可靠性好。 圖 圓齒傳動旋轉后插式分插機構簡圖 11 d、 與橢圓齒輪傳動的差速分插機構相比較。由于差速機構有兩個自由度，須要兩個輸入動力，這樣動力傳動系統(tǒng)就變得復雜，而橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構只有一個自由度，傳動系統(tǒng)簡單。 e、 與偏心鏈輪分插機構相比較。偏心鏈輪在一個傳動周期內實際需要的鏈條長度是變化的，而且鏈傳動存在運動不均勻性和動載荷，這樣在插秧過程中就帶來不可避免的沖擊和振動。 f、 目前在國內外步行式插秧機上采用的分插機構上都是曲柄搖桿式分插機構，而發(fā)明這種旋轉式步行插秧機分插機構在結構上是一種原始創(chuàng)新，與曲柄搖桿式分插機構相比 ，能有效避免分秧不均、傷秧及栽插不穩(wěn)等缺陷和提高工作效率，且結構小巧、緊湊，具有自主知識產權。 g、 橢圓齒輪的一個特殊要求是要求加工精度高，導致加工復雜，但隨著數控加工技術的發(fā)展，這已經不會成為限制橢圓齒輪應用的因素。如果用粉末冶金可大大提高加工質量和簡化加工工藝，但一次性的投入大。 2 運動學數值分析的基礎理論 標方向的設定 用解析方法建立運動學方程，首先要建立坐標系，確定坐標方向。其方法有兩種：右手坐標系和左手坐標系。目前廣泛使用右手坐標系，在三角函數中，角度和各三角函數之間的關系都是以右手 坐標系建立的，運動學各向量的解析形式，也是根據右手坐標系判定其正負方向。如果建立左手坐標系就會與三角函數、運動學的傳統(tǒng)規(guī)定相悖，也和下面所建立的規(guī)定相矛盾，給建立機構運動學方程帶來困難，特別是較為復雜機構的分析，往往容易出現(xiàn)正負號的錯誤。對于平面問題，右手坐標系是 x 軸逆時針轉動 90為 y 軸方向，角位移、角速度、角加速度以及力偶矩以逆時針轉動方向為正向。 程中角位移的設定 在列運動學和動力學方程時，角位移的設置一定以 x 軸為始邊，逆時針方向角度為正，反之為負。通常以兩鉸鏈點連線作為基本角位移，一般不采 用負角，這是因為：雖然每個角位移可以有正負兩種表示，在三角函數計算時會得到相同的結果，但是在以角度作為判斷條件語句時，容易發(fā)生混亂，使問題復雜化。桿件上其它點角位移可在鉸鏈點連線角位移基礎上加（逆時針）減（順時針）該點相對鉸鏈點連線的夾角。 構示意圖和坐標原點的設置 一般來說，坐標原點應該設在曲柄轉動中心，如果重力不可忽略，則 y 軸與機構鉛垂 12 0s N Y s 0 N Y 2)1( 21 s )1( 21 s 圖 已知 s 00 Y 232 0 BA N Y 2 圖 反正切求解框圖 在解位移方程時，常常通過反正弦或反余弦函數求角度，一般通過題意或機構形式可以確定角度在半周范圍內。反正弦和反余弦函數獲得唯一解的半周范圍不同，反余弦是在 上半周或下半周。因此，當不能直接求得正切函數值時，要根據題意或機構位置確定角度所在半周范圍，由其正弦值或余弦值求得其正切值，并根據正弦或余弦的正負，求得其反正切的唯一值，具體計算方法見圖 角度在 2、 3 象限（左半周），由正弦值 S 求角度 時，可以不借助條件語句，有唯一等式： tg s 1 13 圖 圓齒輪嚙合初始位置 3 橢圓齒輪嚙合傳動的運動分析 圓橢圓齒輪的 嚙合特性和優(yōu)點 要對橢圓齒傳動旋轉后插式分插機構進行運動學分析，首先要分析橢圓齒輪的嚙合特性。 橢圓齒輪轉動中心為橢圓的焦點，如圖 的 別為橢圓齒輪 和 的焦點，均為橢圓齒輪軸心，兩齒輪初始相位相同（如圖 輪 和輪 長軸共線）。 設01離， C 為橢圓齒輪 上的另一焦點， 起始位置的嚙合點，則有：02010 ，020 ，所以 0010 。由橢圓的性質可知， 0L 也為橢圓兩焦點到圓周上任意一點的距離之和。在任意位置，設嚙合點為21 。 從圖 置轉到圖 置，兩齒輪 嚙合齒數相等，故 2， 所以0=0 Y s 0 N Y 23)1( 21 s )1(2 21 s 圖 已知 s， 0 或 1 0 或 2 0 或 ) 已知常量 18 0行星架 (即齒輪盒 )的初始角位移 (00) 已知常量 2 B 點與 E 點連線對 的角位移 (0) 已知常量 21 行星架 11相對中間輪長軸的角位移 ( 21 0) 變量 22 行星架 11相對中間輪長軸 12 向 的 角 位 移( 22 0) 變量 31行星輪 長軸 21對行星架邊11 向的角位移 ( 31 0) 變量 0 方向軸 21 11夾 角 已知常 量 1 中心輪軸心到嚙合點 變量 2 中間輪軸心到嚙合點 P 的距離 變量 3中間輪軸心到嚙合點 Q 的距離 變量 4 行星輪軸心到嚙合點 變量 b 橢圓的短半軸 已知常 量 32 行星橢圓齒 12絕對角位移 變量 H 秧苗的 株距 已知常 量 12中間輪質心到旋轉中心的距離 已知常 量 13括與其固結的行星輪及行星輪軸）質心到 1B 點的距離 已知常量 0 行星架中心連線與行星輪軸心 1B 與秧針尖點 D 連線的初始夾角 (0) 變量 S 行星輪 中心到秧爪尖 已知常 量 2B 點與 E 點連線對 的角位移 (0) 已知常 量 行星輪旋轉中心 1B 點到撥叉旋轉中心 E 點的距離 已知常量 栽植臂上 D 點到 E 點的距離 變量 行星輪和栽植臂質心 已知常量 插機構上各點位移方程和各構件角位移方程 中心輪和中