1.大移栽位移量的双行星架式穴盆苗取栽机构的设计方法,其特征在于:该方法采用的大移栽位移量的双行星架式穴盆苗取栽机构,包括第一机架、输入轴、第一机架第二轴、第一机架第三轴、第一太阳轮、第一中间轮、第二太阳轮、第二中间轮、第二机架、移栽臂壳体、取苗针固定座和取苗针;第一太阳轮与支座固定;第二太阳轮与第一太阳轮固定;输入轴通过轴承支承在支座上,并与第一机架固定;第一机架第二轴和第一机架第三轴均通过轴承支承在第一机架内;其特征在于:还包括小齿轮、大齿轮、中型齿轮一、中型齿轮二、移栽臂凸轮、拉线凸轮、移栽臂摆杆、拉线摆杆、拉线摆动块、移栽臂齿轮和拉线;所述的第一中间轮、小齿轮、第二中间轮和中型齿轮一均固定在第一机架第二轴上,大齿轮固定在第一机架第三轴上;所述的中型齿轮二空套在第一机架第三轴上;第一太阳轮和第二太阳轮都是不完全齿轮,第一太阳轮与第一中间轮相啮合或第二太阳轮与第二中间轮相啮合;所述的小齿轮与大齿轮相啮合,中型齿轮一与中型齿轮二相啮合;所述的小齿轮、大齿轮、中型齿轮一和中型齿轮二都是圆齿轮;所述小齿轮与大齿轮的传动比是2:1;中型齿轮一和中型齿轮二的传动比是1:1;所述的第二机架与中型齿轮二通过空套在第一机架第三轴上的连接套固定,且第二机架通过轴承支承在第一机架第三轴伸出第一机架外的一端;所述的移栽臂凸轮和拉线凸轮均固定在第一机架第三轴上;第二机架第二轴和第二机架第三轴均通过轴承支承在第二机架内;移栽臂摆杆一端铰接的滚子与移栽臂凸轮构成凸轮副,中部与第二机架轴二构成转动副,另一端固定设有端部齿轮;端部齿轮与固定在第二机架第三轴上的移栽臂齿轮相啮合;所述拉线摆杆的一端固定在第二机架第二轴上,另一端铰接的滚子与拉线凸轮构成凸轮副;第二机架第二轴伸出第二机架外的一端固定有拉线摆动块;第二机架第三轴伸出第二机架外的一端与移栽臂壳体固定;推杆与拉线摆动块通过拉线连接,并与移栽臂壳体构成滑动副;弹簧设置在移栽臂壳体内,一端与移栽臂壳体固定,另一端与推杆固定;取苗针固定座与推杆固定;两根取苗针呈10~30°夹角布置,尾部均与取苗针固定座铰接,中部均与移栽臂壳体上的滑道构成滑动副;
该方法具体如下:
步骤一、求解单行星架式杆组的参数解和传动比,具体如下:①将第二机架和移栽臂壳体视为固定在一起的一根连杆,第二机架和移栽臂壳体的夹角为0°,然后将连杆视为一端与第一机架铰接,另一端与取苗针固定,形成单行星架式杆组;在与输入轴垂直的一个平面内设置坐标系XOY,设输入轴的中心轴线在坐标系XOY的投影点Q0坐标为(x0,y0),给连杆与取苗针固定的那端端点预设轨迹,当连杆与取苗针固定的那端端点从预设轨迹上预设的位置点P1(x1,y1)运动到预设的位置点Pi(xi,yi),i=2或3时,连杆与第一机架的动铰链点从位置点Qc1(xc1,yc1)运动到位置点Qci(xci,yci),Qci(xci,yci)与Qc1(xc1,yc1)的坐标变换存在以下关系: 其中:位移变换矩阵
位移变换矩阵中各元素:D11i=cosθ1i,D12i=‑sinθ1i,D13i=xi‑x1cosθ1i+y1sinθ1i,D21i=sinθ1i,D22i=cosθ1i,D23i=yi‑x1sinθ1i‑y1cosθ1i,D31i=0,D32i=0,D33i=1;θ1i=θi‑θ1;θ1i为θi与θ1的角度差;θi为连杆与取苗针固定的那端端点在位置点Pi时取苗针的方位角,是预先设定的已知量;θ1为连杆与取苗针固定的那端端点在位置点P1时取苗针的方位角,是预先设定的已知量;T为转置符号;方位角定义为顺时针转到X轴正方向的转角;
T T
根据第一机架杆长不变的条件,有:[Qci‑Q0][Qci‑Q0]=[Qc1‑Q0][Qc1‑Q0];
结合第一机架杆长不变的条件和位移变换矩阵方程,得:Ai1(x0xc1+y0yc1)+Ai2(y0xc1‑x0yc1)+Ai3x0+Ai4y0+Ai5xc1+Ai6yc1+Ai7=0 (1)其中
Ai1=1‑D11i,Ai2=D12i,Ai3=‑D13i,Ai4=‑D23iAi5=D11iD13i+D21iD23i,Ai6=D12iD13i+D22iD23i,预设轨迹上三个位置点P1,P2和P3对应的取苗针方位角分别设为θ1,θ2和θ3,则由式(1)得:
其中
G20=A21x0+A22y0+A25,K20=A21y0‑A22x0+A26N20=A23x0‑A24y0+A27,G30=A31x0+A32y0+A35K30=A31y0‑A32x0+A36,N30=A33x0+A34y0+A37设定连杆和第一机架的铰接轴与输入轴中心轴线的距离为r,则有关系式:
2 2 2
(xc1‑x0) +(yc1‑y0) =r (3)从而得到Q0的解曲线:
②将x0限定在预设范围内,并以预设步长对x0取值,通过式(4)求对应的y0值,得(x0,y0)的解曲线;然后将(x0,y0)代入式(2)和(3),得Qc1(xc1,yc1)的解曲线;
③将r限定预设范围,并按预设步长对r取值,r的预设步长小于0.05;针对每个r值,重复步骤②,从而得到多组布尔梅斯特曲线,获得(x0,y0)以及(xc1,yc1)的解域面;
④对于每个(x0,y0)以及(xc1,yc1)解,进行如下计算:l为连杆的长度, 为连杆与取苗针固定的那端端点在位置点P1时第一机架的方位角,为连杆与取苗针固定的那端端点在位置点P1时连杆的方位角,ψ为推杆完全推出状态下取苗针头部尖点和移栽臂壳体转动中心的连线与推杆的夹角;
由于第一机架和连杆的杆长不变,任一组(x0,y0)以及对应的(xc1,yc1)解均满足下式:连杆与取苗针固定的那端端点在位置点Pi时第一机架的方位角,以及连杆与取苗针固定的那端端点在位置点Pi时连杆的方位角由式(5)计算得到:将获得的每组 以及 进行三次样条拟合,从而得到 与 的转角关系式, 为连杆的方位角函数表达, 为第一机架的方位角函数表达;
⑤根据180mm<l<240mm,100mm<r<140mm,以及 与 转角关系曲线的单调性,选取l、r、 ψ的一个较优解,以及较优解对应的(x0,y0)、(xc1,yc1)和 与 的转角关系式;
通过式(6)得连杆与取苗针固定的那端端点P(xp,yp)的完整运动轨迹:至此,求解出单行星架式杆组的参数解,单行星架式杆组的参数解包括连杆和第一机架的铰接轴与输入轴中心轴线的距离r、连杆的长度l、取苗针与移栽臂壳体的夹角ψ、第一机架的方位角 连杆的方位角
⑥利用 与 的转角关系式,得到 的函数式,则由 函数式求一次导数再求倒数后,便得到第一机架与连杆的传动比 函数式;
然后对传动比曲线进行重构:
在传动比曲线上寻找两个分隔点,将传动比曲线分隔成曲线段I、II和III,接着将曲线段I平移拼接至曲线段III,并将拼接后的传动比曲线移至从太阳轮组件转角为零开始,重构后的传动比i0曲线中太阳轮组件转角为0~(α2‑α1)对应的曲线段为第一太阳轮与第一中间轮的传动比关系曲线,太阳轮组件转角为(α2‑α1)~360°对应的曲线段为第二太阳轮与第二中间轮的传动比关系曲线;其中,太阳轮组件由第一太阳轮和第二太阳轮组成;两个分隔点对应的太阳轮组件转角α分别为α1和α2,两个分隔点对应的传动比i值相同,且步骤二、根据移栽臂壳体在实际移栽作业时偏转角度最大值和移栽臂摆杆在实际移栽作业时偏转角度的最大值求解角度放大系数k,k的值等于移栽臂摆杆上的端部齿轮与移栽臂齿轮的传动比;在连杆与取苗针固定的那端端点P(xp,yp)的完整运动轨迹上选取多个角度控制点Pt,针对每个控制点Pt计算 和 的值,确定第二机架的角度值,然后根据移栽臂壳体在实际移栽作业时与每个控制点对应位置处要求的角度值和角度放大系数k求解移栽臂摆杆在实际移栽作业时与每个控制点对应位置处的偏转角度εt;将移栽臂摆杆相对第二机架的各偏转角度离散值利用样条拟合得到移栽臂摆杆的偏转角度εt函数;设定为第二机架相对第一机架的转角,则移栽臂凸轮的转动角度为 移栽臂凸轮的转动角度和移栽臂摆杆的偏转角度均求得后,建立移栽臂凸轮的转动角度和移栽臂摆杆的偏转角度的函数关系式 其中,ε0为移栽臂摆杆的初始偏转角度;接着,给定移栽臂凸轮的基圆半径、移栽臂摆杆长度和固定在移栽臂摆杆上的滚子的半径,建立移栽臂凸轮的数学模型,并确定由移栽臂摆杆和移栽臂凸轮组成的凸轮副的中心距;求解移栽臂壳体的实际偏转角度
根据角度放大系数k来设计移栽臂摆杆上的端部齿轮及移栽臂齿轮的齿数、模数,以及端部齿轮和移栽臂齿轮的中心距;然后,将由移栽臂摆杆和移栽臂凸轮组成的凸轮副的中心距与端部齿轮和移栽臂齿轮的中心距求和,得到第二机架的长度b,推杆完全推出状态下取苗针头部尖点到移栽臂壳体转动中心的距离d=l‑b;
由式 获得移栽臂壳体与第二机架铰接轴在坐标系XOY的投影点p′(xp′,yp′)轨迹;将拉线凸轮视为不起作用时,由式 获得取苗针与取苗针固定座的铰接点在坐标系XOY的投影点m(xm,ym)的轨迹;
设拉线摆杆的最大偏转角度为Δηmax,根据余弦定理,由式 确定拉线摆动块的长度Rl;其中,lwymax为取苗针位移量的最大值;
选取实际移栽作业时取苗针开始前伸、完全前伸、开始回缩及完全回缩的位置点作为移栽轨迹上的关键点,确定对应的拉线摆杆的偏转角度Δη,并读取对应的拉线凸轮的转动角度 然后利用样条拟合获得拉线凸轮的转动角度与拉线摆杆的偏转角度函数关系式给定拉线凸轮的基圆半径、拉线摆杆长度和固定在拉线摆杆上的滚子的半径,建立拉线凸轮的模型;
取苗针的位移量lwy由式 求得,然后由式求得取苗针前端尖点mz(xmz,ymz)的坐标。
2.根据权利要求1所述大移栽位移量的双行星架式穴盆苗取栽机构的设计方法,其特征在于:所述的拉线套置在拉线线管内。
3.根据权利要求1所述大移栽位移量的双行星架式穴盆苗取栽机构的设计方法,其特征在于:第一太阳轮的极径与第一中间轮的极径关系、第二太阳轮的极径与第二中间轮的极径关系、第一中间轮相对第一太阳轮转过的角度以及第二中间轮相对第二太阳轮的角度通过式 获得,其中,i1为中型齿轮一与中型齿轮二的传动比,a为第一中间轮和第一太阳轮以及第二中间轮相对第二太阳轮的中心距,r1为第一太阳轮或第二太阳轮的极径,r2为第一中间轮或第二中间轮的极径,β为第一中间轮相对第一太阳轮转过的角度或第二中间轮相对第二太阳轮的角度;均匀取多个α值,分别获得对应的r1、r2和β值;在极坐标系下依次连接各(α,r1)点和(β,r2)点,获得第一太阳轮、第二太阳轮、第一中间轮和第二中间轮的节曲线。
4.根据权利要求3所述大移栽位移量的双行星架式穴盆苗取栽机构的设计方法,其特征在于:求解得第一太阳轮、第二太阳轮、第一中间轮和第二中间轮的齿廓。