椭圆―不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究

Study on Vegetable Plug Seedling Pick-up M echanism of Planetary GearTrain with Ellipse Gears and Incomplete Non-circular GearYU Gaohong CHEN Zhiwei ZHAO Yun SUN Liang YE Bingliang(Colege of Mechanical Engineering&Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 3 1 00 1 8)Abstract：A new type of rotary vegetable plug seedling pick-up mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incompletenon-circular gear，which is applied in automatic vegetable transplanting machine，is designed on the basis of analysis of recentadvances at home an d abroad.Work principle an d design requirements are analyzed，structural feature of the mechanism is introduced，then its kinematics model is established.Based on Visual Basic 6.0，computer aided analysis and optimization software for this rotaryplug seedlings pick-up mechanism are developed.By human-computer interaction，the structural parameters which meet the demandsof picking up seedlings，are optimized.Using these parameters，mechanism 3D model，simulation analysis and prototype test arecaried out.Results show that simulation an d prototype test accord with theoretical analysis.At the same time，prototype test resultshows this pick-up mechanism do well in picking-up，holding and seedling，verifying the correctness and feasibility of themechanismS theoretical mode1。

Key words：Vegetable plug seedling Pick·-up mechanism Elipse gears Incomplete non·-circular gearParameters optimization。

0 前言蔬菜移栽机的核心工作部件主要由取苗机构和植苗机构组成，分半自动移栽机和自动移栽机。半自动移栽机需要手工实现取苗，植苗操作由植苗器完成，手工取苗不仅工作效率低，而且漏苗率高；国家自然科学基金(51175477)、浙江省自然科学基金(Y1110691)II浙江省现代农业装备与设施产业创新团队(2009R50001)资助项 目。

20111012收到初稿，20120507收到修改稿自动移栽机从取苗到植苗操作都是由机械 自动完成，提高了工作效率，降低了漏苗率J J。而取苗机构是自动蔬菜移栽机的标志，是制约自动移栽机发展的 瓶颈”。

针对取苗机构的研究，国内外均投入了-定的人力和物力，也成功研制了-些样机。在国外，日本的农业机械化程度高，有取苗机构应用于生产。

如日本井关农机株式会社 生产的取苗机构，它由行星轮系机构、滑道机构和取苗爪等组成，行星架旋转-周取苗-次，是目前投入应用的-种取苗机构，但是该机构存在结构较复杂、滑道易磨损、取机 械 工 程 学 报 第 48卷第 13期间椭圆齿轮2(简称中间轮)在行星架9的带动下与太阳轮 5啮合，实现非匀速间歇齿轮传动，另外，行星椭圆齿轮 1(简称行星轮)与中间轮 2啮合，实现非匀速连续传动，从而使得行星轮 1相对行星架 9作非匀速间歇转动，使得针尖p形成 、 、C、D、E段工作轨迹，如图 2所示。当中间轮 2转到太阳轮 5的无齿部分时，太阳轮 5和中间轮 2脱离啮合，此时固接在太阳轮 5上的凸锁止弧 4与固接在中间轮 2上的凹锁止弧 3配合，锁止中间齿轮 2，防止中间轮 2相对行星架 9转动，此时行星轮 1和行星架 9-起绕 D点做匀速转动，针尖P形成 E、F、段圆弧轨迹。行星轮 1的绝对运动为行星架 9绕中心 D的匀速圆周转动和行星轮 1相对行星架 9的非匀速间歇转动的合成运动。通过行星轮轴与行星轮1固接的取苗爪 11，-方面随着行星架 9作匀速圆周运动，另-方面随着行星轮相对行星架作非匀速间歇转动。在这两种运动的共同作用下，取苗爪针尖P按要求的姿态运动，通过确定合适的结构参数，形成蔬菜钵苗取苗的工作轨迹。

从图2的机构初始安装位置开始，当行星架转过不同的角度时，形成不同的工作段轨迹： 、 段轨迹，即取苗爪进入钵苗盘的轨迹，其中在取苗爪到达 点时，取苗爪完全夹紧钵苗；然后钵苗随着取苗爪-起从钵盘内往外运动，形成 、C段取苗轨迹。C、D段轨迹为取苗爪持苗轨迹；D、E段轨迹为推苗轨迹，即在取苗爪到达E点之前时，在推苗爪的作用下，取苗爪张开，钵苗落入相对应的植苗器中，E、F、 段轨迹为回程阶段，即取苗爪在释放钵苗后保持张开的状态，准备下-次取苗；以上 5段轨迹组成蔬菜钵苗取苗所要求的整个取苗与推苗工作轨迹。

2 取苗机构的运动特性分析取苗机构是以行星架为主动件，其设计转速为100 r/min，在建立该取苗机构运动学模型时，假设如下。

(2)不考虑各转动副的转动间隙和凸、凹锁止弧的配合间隙，以及齿轮啮合的侧隙。

(3)在进行速度分析时，不考虑机构启动和停止的过渡阶段，假设行星架角速度 为常数。

2.1 取苗机构的位移模型如图3所示，建立直角坐标系 Oxy，行星架从初始位置(图 3中双点画线表示的图形)，开始逆时针转过角度仍时(图 3中粗实线表示的图形)，行星架相对初始位置逆时针转为正，顺时针转为负，以- 侧机构为例分析取苗机构的位移模型。

图3 椭圆-不完全非圆行星轮系运动示意图1.行星椭圆齿轮 2.中间椭圆齿轮 3.凸锁止弧4.凹锁止弧 5.不完全非圆齿轮 9.行星架图 3中， 完全非圆齿轮有齿部分节曲线所对应的圆心角，仍为中间椭圆齿轮 2相对行星架D 逆时针转过的角位移，d为不完全非圆齿轮与中间椭圆齿轮的中心距，k为椭圆齿轮短轴与长轴比值，即6/a， 。为初始位置时行星轮 1长轴相对行星架 q顺时针转过的角位移，仍为行星轮 1相对行星架 0顺时针转过的角位移， 为行星架初始角位移，r4为凸锁止弧的半径， 为行星架OM1段与行星架 q段之间的夹角。

不完全非圆齿轮与共轭的中间椭圆齿轮啮合实现非匀速间歇传动，是取苗轨迹形成的关键。不完全非圆齿轮有齿部分的半径为 ，其无齿部分用-条直线连接即可(图3中虚线所示)。

由于中间椭圆齿轮 2的节圆曲线周长与不完全非圆齿轮 5有齿部分的节圆曲线周长相等，则有疗 2)d I r2(o2)d(02·疗 'I (d- (仍)d I r2 )dq2 (1)中间轮 2与太阳轮 5间的啮合点，到中间轮 2旋转中心 的距离62(仍)--～ 0≤仍≤2x (2)a 十 CCOS式中，a、b、C分别为椭圆齿轮半长轴、半短轴2012年7月 俞高红等：椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究 35和半焦距。

当 和椭越程r2(o2)确定后，利用数值积分，中心距 d便可由式(1)求得。

当行星架转过d 时，中间轮转过dR，因为( )d r2(###2)d###2可得fd-r2(rP2)d###r2(fo)do2仍dR (3)将式(2)代入式(3)，得b2 ±! !- 垒：a CCOSdR d Jo - Q十Jf - d仍o ABCOS ～AB. -B f.I ABarctan tan J (4) - f-- 1f-- I IJ2B当已知行星架 9逆时针匀速转过 时，则中间椭圆齿轮 2相对行星架 OM 逆时针转过的角位移仍 2 [ tan( ]00≤rPl<≤ ≤2兀(5)不完全非圆齿轮有齿部分的节 曲线方程如式(6)所示( )d- ( ) 0≤ ≤ (6)凸锁止弧所对应的圆心角为2兀- ，凹锁住4对应的中心角arc2 n-fl中间轮 2与行星轮 l的啮合点 到中间轮 2转动中心M。的距离-a - ccos-(go2-6) (8)中间轮 2与行星轮 1的啮合点 到行星轮 1转动中心Ol的距离2口- 二a c二c o s ( o(9)- 纸 - I用极坐标方程表示 ，则有61 4 1-k2 c os(foo - -仍n)将式(9)代入式0o)，得-cos(3-仍o)6 [口-ccos(o2- ) ac[2a -2accos(foz- )-b ] C0≤ <0 ≤ ≤2尢(1 1)当fo30时，根据式(11)可以求得仍o；当仍。确定后，根据式(11)可以求得 。

取苗爪尖点尸相对机架的位移Pdcos(q‰)2acos(‰ ) ：d sicn。(fso 12a sin(‰fo1： rP 0 )(12) ‰) Ssin(ao 十 )2.2 取苗机构的速度模型已知行星架逆时针匀速转动，速度为 ，所以行星椭圆齿轮 2相对行星架 9的角速度：南d等 o≤ (13) -l 0 ≤ <27c对式(12)求导得取苗爪尖点尸相对太阳轮中心0的运动速度为vex- sin(仍 )-2aoh sin(J fOo)-( co3)sin(5 ‰ o ) cos( )2口 cos( 十 rPo)( )cos( 仍 Ofo仍)(14)取苗爪尖点P相对太阳轮中心D的合速度vP4-Vpx2-Vpy2 (15)3 取苗机构的参数优化3.1 优化目标和变量要得到-组满足蔬菜钵苗取苗工作要求的结构参数，实质上是寻求-组满足多目标优化的非劣解，2012年 7月 俞高红等：椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究 39LI Ge， ZHAO Yun， YU Gaohong.Theoretical analysisand parameters optimizing of separating-plantingmechanism with planetary ellirltic gears[J].Transactionsof the Chinese Society for Agricultural Engineering，2000，l6(4)：78-81。

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作者简介：俞高红(通信作者)，男，1975年出生，博士，教授，硕士研究生导师。主要从事农业种植机械设计与机构学的研究。

E-mail yu###zstu.edu.cn陈志威，男，1985年出生。主要从事农业种植机械设计与机构学的研究。

E-mail：CZW-01985###163.tom赵匀，男，1943年出生，教授，博士研究生导师。主要从事农机和机构学计算机辅助分析设计的研究。

E-mail.zhaoyun###zstu.edu.cn孙良，男，1981年出生，讲师。主要从事农业种植机械设计与机构学的研究。

E-mail：liangsun###zstu.edu.cn叶秉良，男，1972年出生，副教授。主要从事农业种植机械设计与机构学的研究。 、E-mail：zist ybl###zstu.edu.cn