机械毕业设计359白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计.docx
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机械毕业设计359白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计
学士学位毕业论文
白菜移栽机栽植臂造型与仿真设计
学生姓名:
指导教师:
所在学院:
工程学院
专业:
机械设计制及其自动化
摘要
在研究了国内外蔬菜移栽机械的发展状况和我国蔬菜移栽机械存在的问题的基础上,根据白菜栽植作业对插秧机的要求,提出了发展白菜移栽机械的理论。
理论分析插秧机构的分插秧原理和机械插秧时秧针的运动轨迹,确定了机械插秧工作时秧针在取秧、送秧、插秧、回转、避让和回程过程中机器前进速度与秧针速度之间应有的关系。
对分插机构进行设计。
采用曲柄摇杆机构,分插机构由曲柄、栽植臂和摆杆等组成。
曲柄、栽植臂、摆杆和链箱后盖组成一曲柄摇杆机构。
利用Pro/E对部件进行实体设计,主要是对分插机构部分进行设计。
白菜移栽机的研究与设计是以水稻插秧机为原型的。
水稻插秧机的的特点是结构比较简单,操作相对比较容易,只需对操作者进行简单的培训,即可操纵此插秧机。
根据本次毕业设计的要求,由于水稻插秧机工作形式与本次设计的目的相似,故将以水稻插秧机为原型进行。
关键词:
白菜栽植机;栽植臂;分插秧原理;分插秧机构
Abstrat
Instudiedthedomesticandforeignvegetablestotransplantthemachinerythedevelopmentconditionandourcountryvegetablestransplantsinthequestionfoundationwhichthemachineryexisted,transplantedtheworkaccordingtothecabbagetothericetransplanterrequest,proposedthedevelopmentcabbagetransplantedthemachinerythetheory.Thetheoreticalanalysistransplantsriceseedlingstheorganizationtodividetransplantsriceseedlingstheprincipleandthemachinerytransplantriceseedlingswhenthericeshootneedlepath,haddeterminedthemachinerytransplantsriceseedlingswhentheworkthericeshootneedleintakesthericeshoot,deliversthericeshoot,transplantsriceseedlings,therotation,giveswaytotraffictherelationswhichthemachinerateofprogressionandbetweenthericeshootneedlespeedshouldhavewiththereturntripprocessin.Thehalfinsertstheorganizationtocarryonthedesign.Usesthecrankrockerorganization,dividesinsertstheorganizationbythecrank,transplantsthearmandtheswinglinkandsooniscomposed.Thecrank,transplantsthearm,theswinglinkandthechainboxtopplatecomposesacrankrockerorganization
CarriesontheentitydesignusingPro/Etothepart,mainlyisthehalfinsertstheorganizationparttocarryonthedesign
Cabbagetransplantingmachineisbasedonresearchanddesignfortheprototypericetransplanter.Ricetransplanterischaracterizedbytherelativelysimplestructure,relativelyeasyoperation,theoperatoronlysimpletraining,youcanmanipulatethetransplanter.GraduationProjectinaccordancewiththerequirementsoftheformasaresultoftheworkofRiceTransplanterwiththepurposeofthisdesignissimilar,itwillbefortheprototypericetransplanter.
Keywords:
Thecabbagetransplanter;Transplantsthearm;Dividestransplantsriceseedlingstheprinciple;Dividestransplantsriceseedlingstheorganization
前言
中国是世界最大的蔬菜生产国,蔬菜产量占世界总产量的60%左右。
改革开放以来,我国蔬菜生产发展迅猛,每年呈持续增长的势头。
大白菜原产我国,栽培历史悠久,分布的地区又广,是人们常食用的蔬菜之一,尤其在北方地区,其栽培面积之大,食用普遍,供应期又长,在蔬菜的供应中发挥了重要的作用。
大白菜生产投资少,栽培技术简单,在生产季节自然灾害较少,生产的风险小。
移栽是蔬菜生产过程中的重要环节之一,栽具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益,可以充分利用光热资源,其经济效益和社会效益均非常可观。
作物在育成秧苗后,将其移植到田问的机械称作栽植机械或者称为移栽机械。
栽植机械以作业的土地分为两类:
旱地栽植机械和水田栽植机械。
水田栽植机械主要是水稻插秧机,旱地栽植机械栽植的作物主要包括甜菜、烟草、玉米、棉花、蔬菜等。
栽植机械还可以按其栽植的秧苗形式分为裸苗和带土苗两种。
白菜移栽机械,相对于手工插秧,机械栽植既省时又省力,可以提高生产效率。
现在的白菜栽植主要是直播种植,首先通过选用优良的品种进行育种,育种后在适宜的播种期进行播种,然后通过合理的田间管理和肥水管理使白菜进行健康的生长,期间要进行菜田覆盖和病虫害的防治。
由于水稻插秧机工作形式与本次设计的目的相似,故将以水稻插秧机为原型进行白菜移栽机的研究与设计。
主要的研究内容何分析的结论如下:
1研究了国内外蔬菜移栽机械的发展状况,分析了我国蔬菜移栽机械存在的问题;论述了白菜栽植作业对插秧机的要求;提出了发展白菜移栽机械的重要意义。
2分析了插秧机构的分插秧原理。
根据农业插秧的基本要求,分析了机械插秧时秧针的运动轨迹,提出了机械插秧工作时秧针在取秧、送秧、插秧、回转、避让和回程过程中机器前进速度与秧针速度之间应有的关系。
3对分插机构进行设计。
采用曲柄摇杆机构,分插机构由曲柄、栽植臂和摆杆等组成。
曲柄、栽植臂、摆杆和链箱后盖组成一曲柄摇杆机构。
由曲柄匀速旋转带动铰接四杆机构,使分离针形成一平面的栽插运动轨迹,完成分秧和入土插秧等功能。
当分离针入土的同时推秧器推出使秧苗脱离分离针植入田地。
推秧器的动作依靠推秧凸轮、拨叉和弹簧来实现。
1概述
1.1课题研究的目的
白菜,又称为“结球白菜”、“黄芽菜”或“窝心白菜”等,是我国的原产和特产蔬菜,全国各地普遍栽培,以华北地区为主要产区。
大白菜以其细嫩甘脆、汁白如乳的品质,易种植、耐储藏的特性,在我国的蔬菜生产和消费中占有重要的地位,是人们秋冬季节餐桌上的美味佳蔬。
在北方,大白菜被称为“当家菜”、“半年菜”,现已先后引种世界各地。
在日本,大白菜叫做“唐人菜”、“山东菜”;在欧美,有人把大白菜叫做“中国甘蓝”。
据调查,在黄河以北地区,秋冬大白菜的种植面积占秋菜种植面积的50%左右,东北地区可达60%左右。
大白菜生长期较短,生产成本低、产量高,且价格低,尤其在秋冬大白菜的收获季节,其价格是所有蔬菜中最低的。
因此,它适合于城镇中低收入水平的家庭和广大农民的要求。
所以白菜生产的机械化与自动化也是农业机械化与自动化的一项发展目标。
尤其是在东北,白菜需求量是很大,因为在东北储备白菜是很多家庭的传统与习惯,而且每家的储备量不小,再加之白菜的价格低廉,更是百姓储备过冬菜品的最佳选择。
这样就给白菜带来了巨大的市场需求量,所以对于白菜的生产机械化与自动化将会给白菜的带来很大的经济效益和生产收益。
利用插秧机种植水稻是水稻机械化最普遍的栽植方式,机插秧因具有秧苗分孽早、分孽多、行距和株距均匀、通风和透光性好、单位面积增产效果显著和生产效率高等特点而受到农民的欢迎。
因此仿照水稻的栽植机械进行白菜移栽机的设计。
在我国,机械化种植是蔬菜机械化生产过程中最薄弱环节和最大难点,有的地区甚至还是空白,一直没有得到迅速推广。
我国与先进的国家相比还有以下原因:
一是白菜产区传统农业和机械化生产方式不适应,特别是与机械插秧配套的相关技术不过关,机械本身的高效率难以发挥,造成投入多、成本高和效益差;二是白菜生产机械化技术与农艺技术缺乏有机结合,农艺规范、经营管理模式与机械化技术不相适应;三是农民对白菜生产机械化的认识还不够;四是机手不能熟练掌握机械性能和操作技术。
我国栽植机械的研究开发方面虽然已有四十年的历史,并随着育苗技术的发展,以及劳动力成本的上升,在移栽机的研制方面取得了较大的进展,并逐步转向自动移栽机方面的研究,但目前仍然处于起步阶段,研制的移栽机都没有得到大面积推广应用。
近年来由于农业生产的发展,新技术、新工艺的出现,为移栽机具的发展提供了很好的发展前景,20世纪80年代以后近年来由于农业生产的发展,移栽机具发展迅速,从不到1000台上升到将近8000台。
东北等大型农场多采用工厂化营养钵苗和机械化栽植技术,总体水平相对较高。
设施农业机械是设施农业的重要组成部分,设施农业机械应用信息技术和人工智能技术,开发研制并应用专家系统,将促使我国设施农业上台阶、上档次。
设施农业技术体系的升级应包含设施农业机械的发展优化,否则就制约设施农业技术层次的提高。
1.2国外蔬菜栽植机械发展现状
20世纪初期,欧洲一些国家开始大量种植蔬菜和经济作物,出现了早期的近代秧苗栽植机具。
这些机具仍为手动栽植,只是减轻了栽秧者肢体反复屈伸的繁重劳动,移栽机主要用来移栽蔬菜、甜菜、烟叶等;到20世纪30年代后期,出现了栽植机构或栽核器代替人工直接栽秧,使送秧入沟过程实现了机械化;自20世纪50年代开始,欧洲国家开展作物压缩土钵育苗及移栽的生产技术研究,研制出多种不同结构型式的半自动移栽机和制钵机;至20世纪70年代,前苏联蔬菜栽植机械化水平为58%,国营农场已达67%;到20世纪80年代,半自动移栽机已在西方国家的农业生产中广泛使用,制钵;育苗和移栽已形成完整的机械作业系统,实现了各种机见配套使用。
70年代末B.K.Huang等发明了适合于自动移栽的空气整根育苗技术,并以此为基础提出了钵苗移栽的系统方案,设计了精密苗盘播种机和自动移栽机。
这种移栽机能移栽包括辣椒在内的多种农作物,具有通用性好的特点;缺点是体积大、成本高。
2O世纪8O年代初,美国出现了自动移栽机,H.L.Brewer等人经过多年来的研究、改进,设计出箱式移栽机。
日本移栽机械化程度很高,广泛研制和使用了全自动移栽机。
在进行机械插秧的方面,日韩两国的技术处于世界的领先地位。
蔬菜移栽机械的研究主要是在日本、韩国和中国。
日本在移栽机械的研究处于世界前沿,其生产己高度现代化,中国从80年代才刚开始起步,目前主要手扶是机动插秧机是主要是国内生产,但是很多品牌还是日本和韩国的投资企业。
到目前为止,作物压缩土钵成型、钵上单粒精密播种和相应的自动化移栽设备在技术上基本达到了完善,亦广泛应用于实际生产。
欧洲的几个主要国家(如法国、德国、荷兰、西班牙、丹麦等)大部分的蔬菜生产和几乎全部的大地花卉生产都采用育苗移栽生产工艺。
国外使用较多的带土栽植机是纸筒栽植机和土钵栽植机。
纸筒栽植机尤为普遍,用于甜菜、蔬菜、棉花等,自动化程度高。
其配套作业机具是纸筒播种机,具有碎土、播种、覆土功能。
我国吉林省已研制并推广使用的土钵栽植机,兼有控穴、送苗、浇水、覆土和压实功能,主要用于烟草、玉米、蔬菜等。
其配套机具为土钵成型机。
一次完成土钵成型、播种、覆土、压实等功能。
1.3国内白菜移栽机械现状、发展及存在的问题
1.3.1国内白菜移栽机械现状
我国最早出现的移栽机主要用于移栽棉花和甘薯。
栽植机械的研究始于20世纪50年代末60年代初,起步较早,且农机和农艺明显脱节,忽略了综合经济效益,更没有科学地分析育苗移栽机械化过程的种种技术难题。
最早出现的是棉花营养钵育苗移栽和甘薯秧苗栽植机的试验研究。
20世纪70年代开始研制裸根苗移栽机械,主要用于甜菜移栽。
80年代研制成半自动化蔬菜栽植机,同时也从国外引进了多种适合于移栽蔬菜烟叶甜菜等经济什物的移栽机械,但均因育苗技术落后,配套性能差,以及机具本身性能不稳定和生产率低等原因,都未得到推广使用。
但随着育苗技术的发展,以及劳动力成本的上升,推动了移栽机械的研制开发工作。
到目前为止,国内已经研制开发的钵苗移栽机主要以半自动为主;而全自动移栽机因结构复杂,成本高,尚处在研究起步阶段。
现已研究成功了多种类别的移栽机械,部分机型已申请了专利,部分机型投入了小批量生产。
在国内,有许多从事包括辣椒作物在内的移栽机研究开发的机构,主要是各农林院校,农业机械研究所,农业机械企业和农业技术推广机构,比如中国农业大学、石河子大学、新疆农科院农业机械化研究所、北京易润佳灌溉设备有限公司、重庆北卡科技有限公司等。
1.3.2目前主要研究成果
目前,国内常见的移栽机主要有以下几种形式:
1)钳夹式移栽机:
这种移栽机结构简单,成本低,株距和栽植深度稳定,最大的优点是移栽平稳,种苗直立度较高,工作效率在较低速的情况下,可以保证不漏苗:
在高速的情况下,由于是人工喂苗,工作效率大大下降,漏苗、缺苗率大大增加。
这种移栽机的应用较少,有被淘汰的趋势。
现有机型有法国生产的UT一2型移栽机;吉林工大研制的2ZT型移栽机:
黑龙江八五二耕作机械厂研制的2~Z型移栽机;黑龙江农垦科学院研制的2z一2型移栽机等。
2)链夹式移栽机:
工作过程与钳夹式基本相同,性能与钳夹式移栽机相似。
其优点是移栽稳定,但效率低,易漏苗、缺苗。
现有机型有意大利切克基•马格利公司生产的奥特玛栽植机;意大利生产的NADRI玉米钵苗移栽机;荷兰米启根公司生产的MT栽植机;安徽徐州农机研究所研制的2ZY-2型油菜移栽机;唐山农机研究所研制的2ZB一2型移栽机;黑龙江农垦科学院研制的2z一2型多用钵苗移栽机。
3)挠性圆盘式移栽机:
这种移栽机是由人工或机械将秧苗放置到两片可以变形的挠性圆盘内,秧苗随圆盘转动,当达到垂直状态时进行栽植。
由于不受秧夹数量的限制,它对株距的适应性较好,但圆盘寿命较短,栽植深度不稳定。
现有机型有日本丰收产业公司研制0P290的和OP2100型全自动白葱移栽机;日本研制的CT-4S型甜菜移栽机;日本久保田公司生产的KN—P6半自动大葱移栽机;黑龙江红兴隆管理局研制2ZT一2型甜菜纸简移栽机。
4)吊杯式移栽机:
具有可以进行膜上打孔移栽的独特优点,而且秧苗在移栽过程中不受任何冲击,特别适合于根系不很发达而且易破的钵苗移栽,缺点是整地较为复杂,喂苗速度不能过高,否则漏栽率将增加,生产率较低。
5)导苗管式移栽机:
这种移栽机有一个水平喂苗盘和一个垂直或倾斜的将钵苗送入开沟器的导苗管。
秧苗在导苗管中的运动是自由的,不易伤苗。
秧苗靠重力落到苗沟中,在调整导苗管倾角和增加扶苗装置的情况下,可以保证较好的秧苗直立度、株距均匀性和深度稳定性,且作业速度较高。
缺点是结构比较复杂。
现有机型有荷兰米启根公司生产的Mode14000型栽植机;芬兰劳尼思公司生产的RT一2型栽植机;意大利切克基•马格利生产的TEX2型栽植机;黑龙江农垦科学院研制的2ZB-4型杯式钵苗移栽机;中国农大研制的2ZDF型半自动导苗管式移栽机;东泰安国泰拖拉机总厂生产的2ZM一2和2ZM—AI型棉花移栽机;东泰安与吉林工大合作研制的2Z~一200型移栽机;吉林工业大学研制的2zY一2型玉米钵苗移栽机;山东工程学院研制的2ZG-2型带喂入式钵苗移栽机。
6)输送带式移栽机:
带式移栽机由水平输送带和倾斜输送带组成,两带的运动速度不同,这种栽植机机构简单。
但在工作可靠性方面需要进一步改进。
7)空气整根营养钵育苗移栽机:
吉林工业大学孙廷琮等应用美国B.K.Huan9发明的空气整根育苗技术研究开发了空气整根营养钵育苗移栽系统,在此基础上研制了空气整根钵苗全自动移栽机。
该机实现移栽全自动化,大大提高了移栽机作业效率。
1.3.3国内水稻插秧机械存在的问题
我国插秧机械化停滞不前,除其他原因外,插秧机本身也存在许多问题,主要表现在以下几点:
蔬菜移栽机械研究刚起步,主要体现在以下几方面。
1)移栽机具型式各异,没有统一的标准,“三化”程度低,钵型也不一样,不利于育苗移栽技术的发展,同时机型和技术都不够成熟。
2)作业时要求喂人手精力高度集中,否则造成漏苗、缺苗,栽植手劳动强度大。
3)作业速度满足不了农艺的要求。
4)可靠性差,育苗、配水系统等措施不配套,制约了该项技术的发展。
5)国内对移栽机械的研究和开发属于仿造,没有重大的改进和技术上的突破。
几乎所有的钵(育)苗移栽机械都采用人工喂苗。
6)整机的作业速度受操作者喂钵速度的限制,作业效率较低。
目前国内所有机型均未超过每秒1株的极限速度。
另外占用的人力较多,所有的机型几乎都是1人1行,机具作业成本偏高。
7)栽植机具结构复杂。
现有的移栽机一般均采用地轮驱动,用链条、齿轮、杆件等完成喂入盘复杂运动,机具的造价较高,不适合我国的国情。
机器的性能和成本及农民的经济条件限制移栽机的推广。
1.4白菜栽植机的研究和发展
从现在的发展趋势来看,将来的白菜移栽机的发展必定是占领白菜栽植机市场,但从最近10至15年内来看,由于国内对白菜移栽机的研究理论还不太成熟,国家农业的投资还不够,也使我国广大的白菜种植户没有购买的能力,所以白菜栽植机还是非常受欢迎的,能够促进农业生产的机械化,减轻劳动强度,提高农业的生产效率,促进农业的增产增收。
白菜育苗移栽机械化是一个系统工程,应加强从育苗到移栽整个系统的研究,进一步完善与移栽配套的育苗设施及相应的配套技术,使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化。
制定统一技术标准利评价方法,形成产品标准化、系列化和规格化。
研究解决钵苗整钵、断根、装盘和运输等中间环节工作过程的机械化自动化问题,使育苗和移栽有机的结合,研制出多种适合我国白菜农艺要求的全自动移栽机,实现我国白菜的育苗工厂化生产和移栽机械化作业的生产模式。
提高我国白菜种植机械化水平,促进我国白菜生产的快速发展,改善人们生活水平。
1.5白菜移栽机栽植臂涉及内容和方法
白菜栽植机栽植臂设计涉及到的内容有以下几个方面:
1分插原理
2分插机构的设计;
3秧爪排的设计
4曲柄连杆的设计
5栽植臂各部件的设计
2PRO/E模块简介
2.1Pro/Engineer功能及特点
Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件,是新一代的产品造型系统,是一个参数化、基于特征的实体造型系统,并且具有单一数据库功能。
1、参数化设计和特征功能
Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统,工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,您可以随意勾画草图,轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
2、单一数据库
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上,不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库,就是工程中的资料全部来自一个库,使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作,不管他是哪一个部门的。
换言之,在整个设计过程的任何一处发生改动,亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如,一旦工程详图有改变,NC(数控)工具路径也会自动更新;组装工程图如有任何变动,也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合,使得一件产品的设计结合起来。
这一优点,使得设计更优化,成品质量更高,产品能更好地推向市场,价格也更便宜。
2.1.1Pro/Engineer
Pro/Engineer是软件包,并非模块,它是该系统的基本部分,其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型,三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图(三维造型还可移动,放大或缩小和旋转)。
Pro/Engineer是一个功能定义系统,即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现,其中包括:
筋(Ribs)、槽(Slots)、倒角(Chamfers)和抽空(Shells)等,采用这种手段来建立形体,对于工程师来说是更自然,更直观,无需采用复杂的几何设计方式。
这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸,不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体,这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系,任何一个参数改变,其也相关的特征也会自动修正。
这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。
造型不单可以在屏幕上显示,还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。
Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件,诸如有限元分析及后置处理等,这都是通过标准数据交换格式来实现,用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程,以增强软件的功能。
它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力,组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI,ISO,DIN或JIS标准),并且支持符合工业标准的绘图仪(HP,HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。
Pro/Engineer功能如下:
(1)特征驱动(例如:
凸台、槽、倒角、腔、壳等);
(2)参数化(参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等);
(3)通过零件的特征值之间,载荷/边界条件与特征参数之间(如表面积等)的关系来进行设计。
(4)支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件,交替排列,Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。
(5)贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。
其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。
2.1.2Pro/ASSEMBLY
Pro/ASSEMBLY是一个参数化组装管理系统,能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。
Pro/ASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块,只能在Pro/Engineer环境下运行,它具有如下功能:
(1)在组合件内自动零件替换(交替式)
(2)规则排列
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