CN106105521A - 一种凹凸共轭‑傅里叶齿轮行星轮系取苗机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凹凸共轭‑傅里叶齿轮行星轮系取苗机构。现有取苗机构采用锁止弧达到取苗轨迹的传动比大范围改变，传动冲击大。本发明的中心轴与行星架固定，内凹太阳齿轮与机架固定，空套在中心轴上；第一中间外凸齿轮套在第一中间轴上，第一中间傅里叶齿轮与第一中间外凸齿轮固定；第二中间外凸齿轮套在第二中间轴上，第二中间傅里叶齿轮与第二中间外凸齿轮固定；第一行星齿轮与第一行星轴通过花键连接，第二行星齿轮与第二行星轴通过花键连接；第一消除齿隙凸轮与第一行星轴通过花键连接，第二消除齿隙凸轮与第二行星轴通过花键连接；第一行星轴和第二行星轴的一端伸出行星架外分别与一个移栽臂的壳体固定。本发明结构简单、传动平稳。

Description

一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构

技术领域

本发明属于农业机械领域，涉及取苗机构，具体涉及一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构。

背景技术

我国是世界上最大的蔬菜生产和消费国，随着全国农业结构调整步伐的加快和人民生活水平的提高，蔬菜产业发展迅速，生产规模不断扩大，成效显著。蔬菜生产属于劳动密集型产业，约占60％的蔬菜品种是通过育苗移植方式种植的，秧苗手工移植劳动强度大、生产效率低、移植质量差。

目前我国各大高校和单位相继研制出了半自动蔬菜移栽机，在一定程度上减轻了劳动强度，提高了工作效率。但是半自动移植机要求人工将苗送入栽植器中，作业效率受到人工喂苗的限制，作业强度较大，漏苗现象时有发生，还是满足不了人们的栽植需要。少数单位也已研制出全自动蔬菜移栽机，取苗机构作为其核心部件，需要完成取苗、持苗、推苗和回程的动作，由于目前的取苗机构存在结构复杂，制造成本高，高速运转下振动大等缺点，未能得到应用和推广。因此，取苗机构的研制是目前实现全自动蔬菜移栽的迫切需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，能实现取苗、持苗、推苗和回程的工作要求，且该取苗机构结构紧凑、传动平稳。

本发明包括齿轮传动装置、消除齿隙装置和移栽臂。所述的齿轮传动装置包括中心轴、行星架、牙嵌式法兰、内凹太阳齿轮、第一中间轴、第二中间轴、第一中间外凸齿轮、第二中间外凸齿轮、第一中间傅里叶齿轮、第二中间傅里叶齿轮、第一行星轴、第二行星轴、第一行星齿轮和第二行星齿轮。所述的中心轴一端与动力装置连接，另一端与行星架固定；所述的行星架包括通过螺栓连接的箱体和箱盖；牙嵌式法兰一端与移栽机机架固定，另一端与内凹太阳齿轮牙嵌式配合；牙嵌式法兰和内凹太阳齿轮均空套在中心轴上；第一中间轴与第二中间轴对称设置在中心轴两侧，且均与箱体和箱盖通过轴承连接；第一中间外凸齿轮和第一中间傅里叶齿轮通过两个圆柱销固定，且均固定在第一中间轴上；第二中间外凸齿轮和第二中间傅里叶齿轮通过两个圆柱销固定，且均固定在第二中间轴上；第一行星轴与第二行星轴对称设置在行星架两端，且都与行星架通过轴承连接；所述的第一行星齿轮与第一行星轴通过花键连接，第二行星齿轮与第二行星轴通过花键连接；第一行星轴和第二行星轴的一端伸出行星架外分别与一个移栽臂固定。所述的内凹太阳齿轮两侧分别与第一中间外凸齿轮及第二中间外凸齿轮通过齿轮副连接；第一中间傅里叶齿轮与第一行星齿轮通过齿轮副连接；第二中间傅里叶齿轮与第二行星齿轮通过齿轮副连接。

所述第一中间外凸齿轮和第二中间外凸齿轮的节曲线参数相同；第一中间傅里叶齿轮与第二中间傅里叶齿轮的节曲线参数相同；第一行星齿轮与第二行星齿轮的节曲线参数相同。

所述的消除齿隙装置设置在箱体内；消除齿隙装置包括第一消除齿隙凸轮、第二消除齿隙凸轮、第一消除齿隙拨叉、第二消除齿隙拨叉、第一消除齿隙拨叉轴、第二消除齿隙拨叉轴、第一消除齿隙弹簧和第二消除齿隙弹簧；所述的第一消除齿隙凸轮与第一行星轴通过花键连接，第二消除齿隙凸轮与第二行星轴通过花键连接；所述的第一消除齿隙拨叉一端通过第一消除齿隙拨叉轴与箱体铰接，另一端与第一消除齿隙凸轮构成凸轮副；第二消除齿隙拨叉一端通过第二消除齿隙拨叉轴与箱体铰接，另一端与第二消除齿隙凸轮构成凸轮副；第一消除齿隙弹簧一端由箱体限位，另一端顶住第一消除齿隙拨叉中部；第二消除齿隙弹簧一端由箱体限位，另一端顶住第二消除齿隙拨叉中部。

所述的移栽臂包括移栽臂凸轮、移栽臂壳体、移栽臂壳体定位板、壳体盖、移栽臂拨叉、移栽臂拨叉轴、弹簧座、移栽臂弹簧、推苗杆、推苗爪、秧针定位板、第一秧针转动片、第二秧针转动片、第一秧针和第二秧针。所述的移栽臂凸轮与箱盖通过螺栓固定；移栽臂壳体定位板与移栽臂壳体通过螺栓固定，并与第一行星轴或第二行星轴通过平键连接；移栽臂拨叉中部通过移栽臂拨叉轴与移栽臂壳体铰接，一端与移栽臂凸轮构成凸轮副，另一端套在弹簧座构成滑动副；所述的推苗杆一端与弹簧座通过螺纹连接，另一端与推苗爪焊接；秧针定位板与移栽臂壳体固定；第一秧针转动片的两端分别与秧针定位板和第一秧针的尾部通过插销固定，第二秧针转动片的两端分别与秧针定位板和第二秧针的尾部通过插销固定；所述的移栽臂弹簧空套在推苗杆上，一端由弹簧座限位，另一端由移栽臂壳体限位；壳体盖固定在移栽臂壳体上，对弹簧座限位；第一秧针和第二秧针的头部均嵌入推苗爪开设的安装孔内。

所述的内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮组成的齿轮副三维建模方法，具体如下：

步骤一、节曲线计算与优化。确定内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮的中心距L，建立第一中间外凸齿轮的节曲线方程：

r₂＝L-r₁ (1)

其中，r₁为内凹太阳齿轮的极径，为内凹太阳齿轮的角位移，r₂为第一中间外凸齿轮的极径，为第一中间外凸齿轮的角位移，内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮的传动比进一步计算第一中间傅里叶齿轮和第一行星齿轮的节曲线方程，以及移栽臂上第一秧针的头部尖点运动方程。

选定内凹太阳齿轮的中心点，初定内凹太阳齿轮节曲线上的四个数据点作为型值点，并根据四个型值点极坐标唯一求解到B样条曲线的六个控制点极坐标，其中，相邻型值点与中心点连线之间的中心角间隔90°；再插值生成720个拟合点极坐标其中，按0～2π均分720份后由小至大依次取值；基于MATLAB编程软件，根据720个拟合点极坐标可视化绘制出一条封闭的B样条曲线作为内凹太阳齿轮的初选节曲线；在径向方向上调整型值点位置优化移栽臂上第一秧针的头部尖点运动曲线，得到符合取苗特点和要求的内凹太阳齿轮节曲线。

步骤二、生成内凹太阳齿轮的外凸齿廓。内凹太阳齿轮的节曲线包括外凸部分和内凹部分。根据非圆齿轮副齿廓算法求解内凹太阳齿轮的外凸部分节曲线对应的外凸齿廓。

步骤三、生成内凹太阳齿轮的初始单齿内凹齿廓。由于内凹部分节曲线无法生成正常的渐开线齿廓，因此将内凹部分节曲线坐标导入CAD绘图软件中优化，优化后的内凹部分节曲线直接作为初始单齿内凹齿廓，初始单齿内凹齿廓和步骤二中求解的外凸齿廓组成内凹太阳齿轮初始齿廓。

步骤四、生成第一中间外凸齿轮初始齿廓。Pro/e软件中的“切除”操作可实现去除毛坯中刀具与毛坯的重合部分，与此同时，结合展成法生成齿廓的原理，可生成第一中间外凸齿轮初始齿廓，具体步骤如下：

1)改变内凹太阳齿轮外凸部分的齿顶圆直径和齿根圆直径，内凹部分不变，使内凹太阳齿轮成为刀具齿轮；刀具齿轮的齿顶圆直径d_a和齿根圆直径d_f分别为：

d_a＝(z+2h_a ^*+2c^*)m

d_f＝(z-2h_a ^*)m

其中，z为内凹太阳齿轮的齿数，m为内凹太阳齿轮的模数，h_a ^*为内凹太阳齿轮的齿顶高系数，取值为1；c^*为内凹太阳齿轮的顶隙系数，取值为0.25。

2)计算刀具齿轮的公转角θ₁和自转角θ₂：

其中，根据离散化后的和式(2)离散化为720份。

3)打开Pro/e软件，新建第一个零件格式文件，导入刀具齿轮齿廓坐标数据，拉伸得到刀具齿轮零件文件；新建第二个零件格式文件，绘制圆柱体作为第一中间外凸齿轮的毛坯零件文件。

4)新建组件格式文件，将刀具齿轮零件文件和毛坯零件文件按r₁、r₂、的初始值以及中心距L的取值进行装配。

5)在组件中，对刀具齿轮进行“表阵列”，在“表阵列”操作中导入θ₁和θ₂除初始值外的719组值，得到齿轮传动节曲线纯滚动下的720个刀具齿轮零件。

6)启动“编辑”里面“元件操作”里的“切除”操作，提示选择一个或多个刀具，选定初始值时的刀具齿轮零件并“确定”；要求选择毛坯时选定毛坯零件并“确定”；提示是否完成操作，选择“完成”；提示“是否支持特征的相关放置”时，选择“是”，则毛坯零件与初始值位置的刀具齿轮零件的重合部分已被去除。

7)将步骤6)“切除”操作中选定刀具与毛坯的鼠标操作存入映射键“F1”，将“完成”和“是”的鼠标操作存入映射键“F2”，得到程序文件。

8)程序文件中，“#DONE；是；”表示当依次出现提示窗口“是否完成操作”时选择“完成”，出现提示窗口“是否支持特征的相关放置”时选择“是”。因此在程序文件中，“#DONE；是；”后面再添加718个“#DONE；是；”即可实现自动选择719个“完成”和“是”的操作，然后保存程序文件。

9)保存并重启组件格式文件，按下“F1”键，启动“切除”操作，选中剩余719个刀具齿轮零件并确定，再选中毛坯零件并确定，会跳出719组最终的需要点击“完成”和“是”的窗口，此时按下“F2”键，即可使自动完成点击命令，等待毛坯零件切除完成，再次保存组件格式文件。

步骤五、在Pro/e软件中，新建第三个零件格式文件，导入内凹太阳齿轮的初始齿廓坐标数据，拉伸得到内凹太阳齿轮零件文件；将内凹太阳齿轮零件文件导入组件格式文件中按r₁、r₂、的初始值以及中心距L的取值进行装配，并隐藏组件格式文件中所有刀具齿轮零件后，对内凹太阳齿轮零件和切除完成后的毛坯零件进行啮合仿真。

步骤六、若内凹太阳齿轮的内凹部分与毛坯零件啮合正确，即完成内凹太阳齿轮和第一中间外凸齿轮的最终齿廓设计；若啮合不正确，则重复步骤三、四和五。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明可实现不等速传动，移栽臂尖点能输出满足农艺要求的取苗轨迹。

2、本发明齿轮传动装置采用七个齿轮传动的方式，第一级凹凸共轭非圆齿轮传动，可输出二次不等幅传动比，第二级非圆齿轮采用的是傅里叶函数的节曲线。齿轮传动稳定可靠，避免了高速运转下凹凸锁止弧等辅助零件带来的刚性冲击。

3、本发明中内凹太阳齿轮和外凸齿轮的齿廓基于MATLAB和Pro/e仿真设计，可由内凹太阳齿轮的齿廓生成准确啮合的外凸齿轮齿廓，结合消除齿隙装置，保证机构稳定，减小振动。

4、本发明结构简单、紧凑、安全可靠、制造成本低。

5、本发明采用两个移栽臂对称布置方案，行星架旋转一周，取苗两次，工作效率高。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明的工作原理示意图；

图3为本发明中齿轮传动装置的结构示意图；

图4为本发明中消除齿隙装置的结构示意图；

图5-1为本发明中移栽臂的装配示意图；

图5-2为本发明中移栽臂的外部结构示意图；

图6为本发明中内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮的传动比曲线图；

图7为本发明中内凹太阳齿轮的节曲线及齿廓示意图；

图8为本发明中第一中间外凸齿轮的齿廓生成原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，包括齿轮传动装置1、消除齿隙装置2和移栽臂3。

如图1、2和3所示，齿轮传动装置1包括中心轴4、行星架5、牙嵌式法兰6、内凹太阳齿轮7、第一中间轴8、第二中间轴9、第一中间外凸齿轮10、第二中间外凸齿轮11、第一中间傅里叶齿轮12、第二中间傅里叶齿轮13、第一行星轴14、第二行星轴15、第一行星齿轮16和第二行星齿轮17。中心轴4一端与动力装置(可采用电机和减速器传递动力)连接，另一端与行星架5固定；行星架5包括通过螺栓连接的箱体5-1和箱盖5-2；牙嵌式法兰6一端与移栽机机架固定，另一端与内凹太阳齿轮7牙嵌式配合；牙嵌式法兰6和内凹太阳齿轮7均空套在中心轴上；第一中间轴8与第二中间轴9对称设置在中心轴两侧，且均与箱体5-1和箱盖5-2通过轴承连接；第一中间外凸齿轮10和第一中间傅里叶齿轮12通过两个圆柱销固定，且均固定在第一中间轴8上；第二中间外凸齿轮11和第二中间傅里叶齿轮13通过两个圆柱销固定，且均固定在第二中间轴9上；第一行星轴14与第二行星轴15对称设置在行星架5两端，且都与行星架5通过轴承连接；第一行星齿轮16与第一行星轴14通过花键连接，第二行星齿轮17与第二行星轴15通过花键连接；第一行星轴14和第二行星轴15的一端伸出行星架5外分别与一个移栽臂3固定。内凹太阳齿轮7两侧分别与第一中间外凸齿轮10及第二中间外凸齿轮11通过齿轮副连接；第一中间傅里叶齿轮12与第一行星齿轮16通过齿轮副连接；第二中间傅里叶齿轮13与第二行星齿轮17通过齿轮副连接。

第一中间外凸齿轮10和第二中间外凸齿轮11的节曲线参数相同；第一中间傅里叶齿轮12与第二中间傅里叶齿轮13的节曲线参数相同；第一行星齿轮16与第二行星齿轮17的节曲线参数相同。

如图2所示，行星架5逆时针转动，通过凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系的不等速传动，移栽臂3的秧针尖点形成了取苗轨迹18，取苗轨迹设有环扣，从头部尖点至钵盘19顶部为取苗段，取苗段深度可达35mm，保证了能够顺利的垂直夹出钵苗，且不损伤砵盘19。

如图4所示，消除齿隙装置2设置在箱体5-1内；消除齿隙装置2包括第一消除齿隙凸轮20、第二消除齿隙凸轮21、第一消除齿隙拨叉22、第二消除齿隙拨叉23、第一消除齿隙拨叉轴24、第二消除齿隙拨叉轴25、第一消除齿隙弹簧26和第二消除齿隙弹簧27；第一消除齿隙凸轮20与第一行星轴14通过花键连接，第二消除齿隙凸轮21与第二行星轴15通过花键连接；第一消除齿隙拨叉22一端通过第一消除齿隙拨叉轴24与箱体5-1铰接，另一端与第一消除齿隙凸轮20构成凸轮副；第二消除齿隙拨叉23一端通过第二消除齿隙拨叉轴25与箱体5-1铰接，另一端与第二消除齿隙凸轮21构成凸轮副；第一消除齿隙弹簧26一端由箱体5-1限位，另一端顶住第一消除齿隙拨叉22中部；第二消除齿隙弹簧27一端由箱体5-1限位，另一端顶住第二消除齿隙拨叉23中部。

如图5-1和5-2所示，移栽臂3包括移栽臂凸轮28、移栽臂壳体29、移栽臂壳体定位板30、壳体盖31、移栽臂拨叉32、移栽臂拨叉轴33、弹簧座34、移栽臂弹簧35、推苗杆36、推苗爪37、秧针定位板38、第一秧针转动片39、第二秧针转动片40、第一秧针41和第二秧针42。移栽臂凸轮28与箱盖5-2通过螺栓固定；移栽臂壳体定位板30与移栽臂壳体29通过螺栓固定，并与第一行星轴14或第二行星轴15通过平键连接；移栽臂拨叉32中部通过移栽臂拨叉轴33与移栽臂壳体29铰接，一端与移栽臂凸轮28构成凸轮副，另一端套在弹簧座34构成滑动副；推苗杆36一端与弹簧座34通过螺纹连接，另一端与推苗爪37焊接；秧针定位板38与移栽臂壳体29固定；第一秧针转动片39的两端分别与秧针定位板38和第一秧针41的尾部通过插销固定，第二秧针转动片40的两端分别与秧针定位板38和第二秧针42的尾部通过插销固定；移栽臂弹簧35空套在推苗杆36上，一端由弹簧座34限位，另一端由移栽臂壳体29限位；壳体盖31固定在移栽臂壳体29上，对弹簧座34限位；第一秧针41和第二秧针42的头部均嵌入推苗爪37开设的安装孔内。

如图6所示，为行星架5相对内凹太阳齿轮7逆时针转过的角位移，i₁₂为内凹太阳齿轮7与第一中间外凸齿轮10的传动比。从图中可以看出，在90°～180°区间内，传动比经过一次较小的波动，在270°～360°区间内，传动比经过一次较大的波动。第一级齿轮副传动齿轮(内凹太阳齿轮7与第一中间外凸齿轮10或第二中间外凸齿轮11)具有明显的内凹和外凸的特征，可输出变化较大的传动比，从而满足机构所要达到的设计要求。

如果独立生成内凹太阳齿轮7、第一中间外凸齿轮10及第二中间外凸齿轮11的齿廓，内凹太阳齿轮7与第一中间外凸齿轮10或第二中间外凸齿轮11很难准确啮合；本发明采用内凹太阳齿轮7的齿廓包络生成第一中间外凸齿轮10或第二中间外凸齿轮11的齿廓，进而进行三维建模的方法构造内凹与外凸齿轮副，使它们准确啮合。

如图7和8所示，内凹太阳齿轮7与第一中间外凸齿轮10组成的齿轮副三维建模方法，具体如下(内凹太阳齿轮7与第二中间外凸齿轮11组成的齿轮副三维建模方法类似)：

步骤一、节曲线计算与优化。确定内凹太阳齿轮7与第一中间外凸齿轮10的中心距L，建立第一中间外凸齿轮10的节曲线方程：

r₂＝L-r₁ (1)

其中，r₁为内凹太阳齿轮7的极径，为内凹太阳齿轮7的角位移，r₂为第一中间外凸齿轮10的极径，为第一中间外凸齿轮10的角位移，内凹太阳齿轮7与第一中间外凸齿轮10的传动比进一步计算第一中间傅里叶齿轮12和第一行星齿轮16的节曲线方程，以及移栽臂3上第一秧针41的头部尖点运动方程，具体计算参照硕士论文《廖振飘.非圆-傅立叶齿轮行星轮系取苗机构的机理分析与参数优化.杭州：浙江理工大学，2016》。

选定内凹太阳齿轮7的中心点，初定内凹太阳齿轮7节曲线上的四个数据点作为型值点，并根据四个型值点极坐标唯一求解到B样条曲线的六个控制点极坐标，其中，相邻型值点与中心点连线之间的中心角间隔90°；再插值生成720个拟合点极坐标其中，按0～2π均分720份后由小至大依次取值；基于MATLAB编程软件，根据720个拟合点极坐标可视化绘制出一条封闭的B样条曲线作为内凹太阳齿轮7的初选节曲线；在径向方向上调整型值点位置优化移栽臂3上第一秧针41的头部尖点运动曲线，得到符合取苗特点和要求的内凹太阳齿轮7节曲线，见如图7所示的细实线部分。

步骤二、生成内凹太阳齿轮7的外凸齿廓。如图7所示，内凹太阳齿轮7的节曲线包括外凸部分ABC和内凹部分CDA。根据非圆齿轮副齿廓算法求解内凹太阳齿轮7的外凸部分节曲线对应的外凸齿廓，非圆齿轮副齿廓算法参见《方明辉，李革，赵匀等.基于MATLAB的非圆齿轮副齿廓算法研究.农机化研究.2010，32(8)：57-60》。

步骤三、生成内凹太阳齿轮7的初始单齿内凹齿廓。由于内凹部分节曲线无法生成正常的渐开线齿廓，因此将内凹部分节曲线坐标导入CAD绘图软件中优化，优化后的内凹部分节曲线直接作为初始单齿内凹齿廓，初始单齿内凹齿廓和步骤二中求解的外凸齿廓组成内凹太阳齿轮初始齿廓，如图7中粗实线部分所示。

步骤四、生成第一中间外凸齿轮10初始齿廓。Pro/e软件中的“切除”操作可实现去除毛坯中刀具与毛坯的重合部分，与此同时，结合展成法生成齿廓的原理，可生成第一中间外凸齿轮10初始齿廓，具体步骤如下：

1)改变内凹太阳齿轮7外凸部分的齿顶圆直径和齿根圆直径，内凹部分不变，使内凹太阳齿轮7成为刀具齿轮43；刀具齿轮的齿顶圆直径d_a和齿根圆直径d_f分别为：

d_a＝(z+2h_a ^*+2c^*)m

d_f＝(z-2h_a ^*)m

其中，z为内凹太阳齿轮7的齿数，m为内凹太阳齿轮7的模数，h_a ^*为内凹太阳齿轮7的齿顶高系数，取值为1；c^*为内凹太阳齿轮7的顶隙系数，取值为0.25。

2)计算刀具齿轮43的公转角θ₁和自转角θ₂：

其中，根据离散化后的和式(2)离散化为720份。如图8所示，刀具齿轮43绕着第一中间外凸齿轮10毛坯啮合过程中，刀具齿轮43作顺时针公转，又作顺时针自转。

3)打开Pro/e软件，新建第一个零件格式文件，导入刀具齿轮43齿廓坐标数据，拉伸得到刀具齿轮零件文件；新建第二个零件格式文件，绘制圆柱体作为第一中间外凸齿轮10的毛坯零件文件。

4)新建组件格式文件，将刀具齿轮零件文件和毛坯零件文件按r₁、r₂、的初始值以及中心距L的取值进行装配。

5)在组件中，对刀具齿轮进行“表阵列”，在“表阵列”操作中导入θ₁和θ₂除初始值外的719组值，得到齿轮传动节曲线纯滚动下的720个刀具齿轮零件。

6)启动“编辑”里面“元件操作”里的“切除”操作，提示选择一个或多个刀具，选定初始值时的刀具齿轮零件并“确定”；要求选择毛坯时选定毛坯零件并“确定”；提示是否完成操作，选择“完成”；提示“是否支持特征的相关放置”时，选择“是”，则毛坯零件与初始值位置的刀具齿轮零件的重合部分已被去除。

7)由于其余719个位置的刀具齿轮43需重复步骤6)，操作繁琐。因此，选择制定“映射键”的方式简化操作步骤。将步骤6)“切除”操作中选定刀具与毛坯的鼠标操作存入映射键“F1”，将“完成”和“是”的鼠标操作存入映射键“F2”，得到程序文件。

8)程序文件中，“#DONE；是；”表示当依次出现提示窗口“是否完成操作”时，选择“完成”，出现提示窗口“是否支持特征的相关放置”时，选择“是”。因此在程序文件中，“#DONE；是；”后面再添加718个“#DONE；是；”即可实现自动选择719个“完成”和“是”的操作，然后保存程序文件。

9)保存并重启组件格式文件，按下“F1”键，启动“切除”操作，选中剩余719个刀具齿轮零件43并确定，再选中毛坯零件并确定。此时会跳出719组最终的需要点击“完成”和“是”的窗口，此时按下“F2”键，即可使自动完成点击命令，等待毛坯零件切除完成，再次保存组件格式文件即可。

步骤五、在Pro/e软件中，新建第三个零件格式文件，导入内凹太阳齿轮7的初始齿廓坐标数据，拉伸得到内凹太阳齿轮零件文件；将内凹太阳齿轮零件文件导入组件格式文件中按r₁、r₂、的初始值以及中心距L的取值进行装配，并隐藏组件格式文件中所有刀具齿轮零件后，对内凹太阳齿轮零件和切除完成后的毛坯零件进行啮合仿真。

步骤六、若内凹太阳齿轮的内凹部分与毛坯零件啮合正确，即完成内凹太阳齿轮和第一中间外凸齿轮10的最终齿廓设计；若啮合不正确，则重复步骤三、四和五。

该凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构的工作原理：

动力经中心轴4传给行星架5，带动行星架5转动；牙嵌式法兰6与内凹太阳轮7固定连接，空套在中心轴4上，并与机架固定连接；内凹太阳齿轮7的两侧分别与第一外凸中间齿轮10及第二外凸中间齿轮11啮合，第一傅里叶中间齿轮12与第一行星齿轮16啮合，第二傅里叶中间齿轮13与第二行星齿轮17啮合；行星架5转动带动第一外凸中间齿轮10、第二外凸中间齿轮11、第一傅里叶中间齿轮12、第二傅里叶中间齿轮13、第一行星齿轮16和第二行星齿轮17公转，从而实现了移栽臂3的不等速传动。

当移栽臂3秧针尖点运动到刚要进入砵盘进行取苗时，消除齿隙装置2开始处于工作状态，第一消除齿隙拨叉22给第一消除齿隙凸轮20力矩，或第二消除齿隙拨叉23给第二消除齿隙凸轮21力矩，使各齿轮之间的齿隙得以消除，移栽臂3能够以稳定的姿态进入砵盘19进行取苗，防止了取苗时移栽臂位置的晃动给苗带来损伤。

当行星架转动到推苗位置时，移栽臂中的移栽臂拨叉32受到移栽臂凸轮28的推动，使移栽臂拨叉32旋转，带动弹簧座34及推苗杆36向推苗爪37的头部运动，第一秧针41和第二秧针42在推苗爪37的作用下张开，钵苗脱落，推苗爪37完成推苗动作。当行星架转动到取苗位置时，移栽臂拨叉32处于移栽臂凸轮8的近休止段，两者之间没有接触，在移栽臂弹簧35的作用下，弹簧座34、推苗杆36及推苗爪37恢复到初始位置，第一秧针41与第二秧针42在推苗爪37的作用下夹紧钵苗，完成取苗动作并为下一次推苗做准备。

Claims (5)

1.一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，包括齿轮传动装置、消除齿隙装置和移栽臂；所述的齿轮传动装置包括中心轴、行星架、牙嵌式法兰、内凹太阳齿轮、第一中间轴、第二中间轴、第一中间外凸齿轮、第二中间外凸齿轮、第一中间傅里叶齿轮、第二中间傅里叶齿轮、第一行星轴、第二行星轴、第一行星齿轮和第二行星齿轮，其特征在于：所述的中心轴一端与动力装置连接，另一端与行星架固定；所述的行星架包括通过螺栓连接的箱体和箱盖；牙嵌式法兰一端与移栽机机架固定，另一端与内凹太阳齿轮牙嵌式配合；牙嵌式法兰和内凹太阳齿轮均空套在中心轴上；第一中间轴与第二中间轴对称设置在中心轴两侧，且均与箱体和箱盖通过轴承连接；第一中间外凸齿轮和第一中间傅里叶齿轮通过两个圆柱销固定，且均固定在第一中间轴上；第二中间外凸齿轮和第二中间傅里叶齿轮通过两个圆柱销固定，且均固定在第二中间轴上；第一行星轴与第二行星轴对称设置在行星架两端，且都与行星架通过轴承连接；所述的第一行星齿轮与第一行星轴通过花键连接，第二行星齿轮与第二行星轴通过花键连接；第一行星轴和第二行星轴的一端伸出行星架外分别与一个移栽臂固定；所述的内凹太阳齿轮两侧分别与第一中间外凸齿轮及第二中间外凸齿轮通过齿轮副连接；第一中间傅里叶齿轮与第一行星齿轮通过齿轮副连接；第二中间傅里叶齿轮与第二行星齿轮通过齿轮副连接。

2.根据权利要求1所述的一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，其特征在于：所述第一中间外凸齿轮和第二中间外凸齿轮的节曲线参数相同；第一中间傅里叶齿轮与第二中间傅里叶齿轮的节曲线参数相同；第一行星齿轮与第二行星齿轮的节曲线参数相同。

3.根据权利要求1所述的一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，其特征在于：所述的消除齿隙装置设置在箱体内；消除齿隙装置包括第一消除齿隙凸轮、第二消除齿隙凸轮、第一消除齿隙拨叉、第二消除齿隙拨叉、第一消除齿隙拨叉轴、第二消除齿隙拨叉轴、第一消除齿隙弹簧和第二消除齿隙弹簧；所述的第一消除齿隙凸轮与第一行星轴通过花键连接，第二消除齿隙凸轮与第二行星轴通过花键连接；所述的第一消除齿隙拨叉一端通过第一消除齿隙拨叉轴与箱体铰接，另一端与第一消除齿隙凸轮构成凸轮副；第二消除齿隙拨叉一端通过第二消除齿隙拨叉轴与箱体铰接，另一端与第二消除齿隙凸轮构成凸轮副；第一消除齿隙弹簧一端由箱体限位，另一端顶住第一消除齿隙拨叉中部；第二消除齿隙弹簧一端由箱体限位，另一端顶住第二消除齿隙拨叉中部。

4.根据权利要求1所述的一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，其特征在于：所述的移栽臂包括移栽臂凸轮、移栽臂壳体、移栽臂壳体定位板、壳体盖、移栽臂拨叉、移栽臂拨叉轴、弹簧座、移栽臂弹簧、推苗杆、推苗爪、秧针定位板、第一秧针转动片、第二秧针转动片、第一秧针和第二秧针；所述的移栽臂凸轮与箱盖通过螺栓固定；移栽臂壳体定位板与移栽臂壳体通过螺栓固定，并与第一行星轴或第二行星轴通过平键连接；移栽臂拨叉中部通过移栽臂拨叉轴与移栽臂壳体铰接，一端与移栽臂凸轮构成凸轮副，另一端套在弹簧座构成滑动副；所述的推苗杆一端与弹簧座通过螺纹连接，另一端与推苗爪焊接；秧针定位板与移栽臂壳体固定；第一秧针转动片的两端分别与秧针定位板和第一秧针的尾部通过插销固定，第二秧针转动片的两端分别与秧针定位板和第二秧针的尾部通过插销固定；所述的移栽臂弹簧空套在推苗杆上，一端由弹簧座限位，另一端由移栽臂壳体限位；壳体盖固定在移栽臂壳体上，对弹簧座限位；第一秧针和第二秧针的头部均嵌入推苗爪开设的安装孔内。

5.根据权利要求1所述的一种凹凸共轭-傅里叶齿轮行星轮系取苗机构，其特征在于：所述的内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮组成的齿轮副三维建模方法，具体如下：

步骤一、节曲线计算与优化；确定内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮的中心距L，建立第一中间外凸齿轮的节曲线方程：

r₂＝L-r₁ (1)

其中，r₁为内凹太阳齿轮的极径，为内凹太阳齿轮的角位移，r₂为第一中间外凸齿轮的极径，为第一中间外凸齿轮的角位移，内凹太阳齿轮与第一中间外凸齿轮的传动比进一步计算第一中间傅里叶齿轮和第一行星齿轮的节曲线方程，以及移栽臂上第一秧针的头部尖点运动方程；

选定内凹太阳齿轮的中心点，初定内凹太阳齿轮节曲线上的四个数据点作为型值点，并根据四个型值点极坐标唯一求解到B样条曲线的六个控制点极坐标，其中，相邻型值点与中心点连线之间的中心角间隔90°；再插值生成720个拟合点极坐标其中，按0～2π均分720份后由小至大依次取值；基于MATLAB编程软件，根据720个拟合点极坐标可视化绘制出一条封闭的B样条曲线作为内凹太阳齿轮的初选节曲线；在径向方向上调整型值点位置优化移栽臂上第一秧针的头部尖点运动曲线，得到符合取苗特点和要求的内凹太阳齿轮节曲线；

步骤二、生成内凹太阳齿轮的外凸齿廓；内凹太阳齿轮的节曲线包括外凸部分和内凹部分；根据非圆齿轮副齿廓算法求解内凹太阳齿轮的外凸部分节曲线对应的外凸齿廓；

步骤三、生成内凹太阳齿轮的初始单齿内凹齿廓；由于内凹部分节曲线无法生成正常的渐开线齿廓，因此将内凹部分节曲线坐标导入CAD绘图软件中优化，优化后的内凹部分节曲线直接作为初始单齿内凹齿廓，初始单齿内凹齿廓和步骤二中求解的外凸齿廓组成内凹太阳齿轮初始齿廓；

步骤四、生成第一中间外凸齿轮初始齿廓；Pro/e软件中的“切除”操作可实现去除毛坯中刀具与毛坯的重合部分，与此同时，结合展成法生成齿廓的原理，可生成第一中间外凸齿轮初始齿廓，具体步骤如下：

1)改变内凹太阳齿轮外凸部分的齿顶圆直径和齿根圆直径，内凹部分不变，使内凹太阳齿轮成为刀具齿轮；刀具齿轮的齿顶圆直径d_a和齿根圆直径d_f分别为：

d_a＝(z+2h_a ^*+2c^*)m

d_f＝(z-2h_a ^*)m

其中，z为内凹太阳齿轮的齿数，m为内凹太阳齿轮的模数，h_a ^*为内凹太阳齿轮的齿顶高系数，取值为1；c^*为内凹太阳齿轮的顶隙系数，取值为0.25；

2)计算刀具齿轮的公转角θ₁和自转角θ₂：

其中，根据离散化后的和式(2)离散化为720份；

3)打开Pro/e软件，新建第一个零件格式文件，导入刀具齿轮齿廓坐标数据，拉伸得到刀具齿轮零件文件；新建第二个零件格式文件，绘制圆柱体作为第一中间外凸齿轮的毛坯零件文件；

4)新建组件格式文件，将刀具齿轮零件文件和毛坯零件文件按r₁、r₂、的初始值以及中心距L的取值进行装配；

5)在组件中，对刀具齿轮进行“表阵列”，在“表阵列”操作中导入θ₁和θ₂除初始值外的719组值，得到齿轮传动节曲线纯滚动下的720个刀具齿轮零件；

6)启动“编辑”里面“元件操作”里的“切除”操作，提示选择一个或多个刀具，选定初始值时的刀具齿轮零件并“确定”；要求选择毛坯时选定毛坯零件并“确定”；提示是否完成操作，选择“完成”；提示“是否支持特征的相关放置”时，选择“是”，则毛坯零件与初始值位置的刀具齿轮零件的重合部分已被去除；

7)将步骤6)“切除”操作中选定刀具与毛坯的鼠标操作存入映射键“F1”，将“完成”和“是”的鼠标操作存入映射键“F2”，得到程序文件；

8)程序文件中，“#DONE；是；”表示当依次出现提示窗口“是否完成操作”时选择“完成”，出现提示窗口“是否支持特征的相关放置”时选择“是”；因此在程序文件中，“#DONE；是；”后面再添加718个“#DONE；是；”即可实现自动选择719个“完成”和“是”的操作，然后保存程序文件；

9)保存并重启组件格式文件，按下“F1”键，启动“切除”操作，选中剩余719个刀具齿轮零件并确定，再选中毛坯零件并确定，会跳出719组最终的需要点击“完成”和“是”的窗口，此时按下“F2”键，即可使自动完成点击命令，等待毛坯零件切除完成，再次保存组件格式文件；

步骤五、在Pro/e软件中，新建第三个零件格式文件，导入内凹太阳齿轮的初始齿廓坐标数据，拉伸得到内凹太阳齿轮零件文件；将内凹太阳齿轮零件文件导入组件格式文件中按r₁、r₂、的初始值以及中心距L的取值进行装配，并隐藏组件格式文件中所有刀具齿轮零件后，对内凹太阳齿轮零件和切除完成后的毛坯零件进行啮合仿真；

步骤六、若内凹太阳齿轮的内凹部分与毛坯零件啮合正确，即完成内凹太阳齿轮和第一中间外凸齿轮的最终齿廓设计；若啮合不正确，则重复步骤三、四和五。