共轭凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构及其设计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于农业机械领域，涉及花卉移栽方法，具体涉及一种共辄凸轮曲柄摇杆 组合花卉移栽机构及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 花卉移栽技术可以减少作物的生长周期，保持作物的品质统一，达到增产增收的 目的，已成为现代温室盆栽花卉生产中主要的种植措施。发展自动化盆栽花卉移栽技术是 顺应盆栽花卉生产高增长率的趋势，解决现有的低生产率和推进我过农业现代化的重要举 措。随着我国花卉生产和设施农业技术发展，目前已具备了大力发展自动化盆栽花卉移栽 技术的基础和条件。
[0003] 现有的单自由度间歇齿轮行星轮系和连续非圆齿轮行星轮系移栽机构受齿轮传 动比的限制所能实现轨迹的灵活性受限，欲利用一套机构实现穴盘取苗和往花盘中植苗工 作机构设计的难度大;混合驱动机构虽然由于存在两个自由度，轨迹设计的灵活性大，但机 器的控制系统不易设计。杆机构的轨迹设计较灵活，若通过机构参数的优化，利用一套多杆 机构实现从穴盘取苗和植入花盘功能则能大大简化机械结构。为了设计既可以完成植苗、 取苗动作的机构，从而需要在花卉移栽轨迹上进行改进，双环扣轨迹的杆机构设计和调节 参数较困难，往往需要双自由度或复杂的传递机构，然而可以通过改变取苗轨迹的方向（取 苗机构由顺时针运动改为逆时针运动)和形状设计新的机构，也能很好地完成花卉植苗、取 苗动作。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽 机构及其设计方法，该共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构采用共辄凸轮连杆组合的方 式，通过改变机构参数来控制摇杆的运动规律，并且摇杆满足在花卉移栽周期内单次摆动， 实现单环扣轨迹，从而实现取苗和植苗动作，使得机构轨迹更利于机构实现，并且可以实现 其他瓜果、蔬菜、花卉等作物的全自动移栽。该共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构设计方 法首先构建共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构，建立第二连杆的端点形成单环扣轨迹的 数学模型；然后通过所建立的单环扣轨迹数学模型反求出叉形摆杆的角位移;共辄凸轮反 求模型的建立;校验共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构是否满足杆长条件。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0006] 本发明的共辄凸轮曲柄摇杆组合花丼移栽机构，包括凸轮轴、第一连杆、第二连 杆、曲柄、叉形摆杆、第一滚子、第二滚子、第一共辄凸轮和第二共辄凸轮;所述的凸轮轴铰 接在机架上，并由电机驱动;所述的第一共辄凸轮、第二共辄凸轮及曲柄的一端均与凸轮轴 固接；曲柄的另一端与第二连杆的中部铰接;所述的叉形摆杆包括底端焊接在一起的摆动 杆、第一凸轮摆杆和第二凸轮摆杆;叉形摆杆的底端铰接于机架;所述的第一滚子与第一凸 轮摆杆的顶端铰接，并与第一共辄凸轮构成凸轮副;所述的第二滚子与第二凸轮摆杆的顶 端铰接，并与第二共辄凸轮构成凸轮副;所述摆动杆的顶端与第一连杆的一端铰接;所述第 一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接;所述第二连杆的另一端自由设置并形成单环扣轨 迹。
[0007] 所述的单环扣轨迹为封闭且带有单环扣的平面圆滑曲线，包括依次顺序首尾连接 的入钵段、取苗段、运苗段、植苗段和回复段;所述取苗段的起始点和结束点均为单环扣的 开始点，其结束段为平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为lmm/10mm的直线段;所述植苗段的 起始点为植苗开始点，其起始段为竖直设置且直线度为lmm/10mm的直线段;所述的入钵段 为取苗段的过渡段。
[0008] 本发明的共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构设计方法，具体步骤如下：
[0009] 步骤一、构建共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构。
[0010] 电机的动力传给铰接在机架上的凸轮轴，第一共辄凸轮、第二共辄凸轮及曲柄的 一端均与凸轮轴固接；曲柄的另一端与第二连杆的中部铰接;叉形摆杆包括底端焊接在一 起的摆动杆、第一凸轮摆杆和第二凸轮摆杆;叉形摆杆的底端铰接于机架;第一滚子与第一 凸轮摆杆的顶端铰接，并与第一共辄凸轮构成凸轮副；第二滚子与第二凸轮摆杆的顶端铰 接，并与第二共辄凸轮构成凸轮副;摆动杆的顶端与第一连杆的一端铰接;第一连杆的另一 端与第二连杆的一端铰接;第二连杆的另一端自由设置。
[0011] 步骤二、基于三次非均匀B样条曲线建立第二连杆的自由端端点所形成的单环扣 轨迹数学模型。
[0012]选取η个数据点作为三次非均匀B样条曲线的型值点，可唯一求解到n+2个控制顶 点，其中，η 2 11;再选取步长为0.005~0.02中的一个值插值生成拟合点坐标，进而拟合出 单环扣轨迹;建立第二连杆的自由端端点在坐标系Χ0Υ中所形成的位移方程为Φ f(t)，其 中，凸轮轴轴心为坐标系原点〇 ; Φ f ( t )在X和Y轴方向的位移分别为Φ fX( t )和Φ fy ( t )，t为沿 取苗轨迹运动方向依次编号的拟合点序号，t = l时，第二连杆的自由端端点处于初始位置。 [0013]步骤三、通过所建立的单环扣轨迹数学模型反求出摆动杆的角位移么，具体为：由 步骤二中拟合出的Φ fx(t)、Φ fy(t)，并设定L3、Xa、ya的值，通过下式求得Ll、L2、L4、L5、jl、J_2、 J_3、j4。构造函数如下：
[0015]式（1)中，Li为摆动杆的杆长，L2为第一连杆的杆长，L3为第一连杆与第二连杆的铰 接点至第二连杆与曲柄铰接点的距尚，Ut为曲柄的杆长，L5为第二连杆与曲柄的铰接点至第 二连杆自由端端点的距离，Xa、y a分别为叉形摆杆与机架铰接点的横坐标和纵坐标，ji为摆 动杆的角位移，j2为第一连杆的角位移，j3为曲柄的角位移，j4为第二连杆的角位移。
[0016] 步骤四、共辄凸轮反求模型的建立。
[0017] ①设定摆动杆与第一凸轮摆杆之间的夹角α以及摆动杆与第二凸轮摆杆之间的夹 角β，由摆动杆的角位移h求得第一凸轮摆杆的摆角Φ :和第二凸轮摆杆的摆角Φ 2,如下式：
[0019]②设定1^、1^丄8，通过下式求得第一共辄凸轮的理论轮廓坐标^、71和第二共辄凸 轮的理论轮廓坐标X2、y2。
[0022]式(3)和(4)中，L6为机架的杆长，L?为第一凸轮摆杆的杆长，L8为第二凸轮摆杆的 杆长；Φ 3为叉形摆杆相对或曲柄的角位移，其值与曲柄的角位移j3相等。
[0023]③求得第一共辄凸轮和第二共辄凸轮的工作廓线坐标。因为凸轮工作廓线与理论 廓线在法线上的距离等于滚子半径，故已知凸轮理论廓线上点的坐标，实际廓线坐标只要 沿理论廓线在该点的法线方向取距离为滚子半径即可。
[0024]步骤五、校验共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构是否满足杆长条件，如下式：
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] 1、本发明的共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构实现单环扣状轨迹，在轨迹的取 苗段设计一个环扣状轨迹来满足取苗要求，在轨迹的植苗段设计一段竖直线来保证穴盘苗 垂直植入花盘，植苗直立度有了很大的提升，保证花卉植苗合适的角度、速度、植苗的直立 度，更好地满足花卉移栽的农艺要求。
[0028] 2、本发明实现的单环扣状轨迹满足钵苗移栽机平入钵、直拔苗、稳植苗的移栽农 艺要求;通过改变共辄凸轮的轮廓来控制摇杆的运动规律，实现单环扣轨迹，机构简单，易 于控制，使得取苗和植苗的动作更加灵活，柔度高，为实现其他农作物的移栽机械通用化取 得了突破，从而实现花卉、瓜果、蔬菜等作物的全自动移栽。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明在初始位置的机构原理图。
[0030] 图2为本发明的移栽轨迹示意图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032] 如图1和2所示，共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构，包括凸轮轴、第一连杆2、第 二连杆3、曲柄4、叉形摆杆、第一滚子6、第二滚子7、第一共辄凸轮8和第二共辄凸轮9;凸轮 轴铰接在机架5上，并由电机Ml驱动;第一共辄凸轮8、第二共辄凸轮9及曲柄4的一端均与凸 轮轴固接；曲柄4的另一端与第二连杆3的中部铰接;叉形摆杆包括底端焊接在一起的摆动 杆1、第一凸轮摆杆和第二凸轮摆杆;叉形摆杆的底端铰接于机架5;第一滚子6与第一凸轮 摆杆的顶端铰接，并与第一共辄凸轮8构成凸轮副;第二滚子7与第二凸轮摆杆的顶端铰接， 并与第二共辄凸轮9构成凸轮副；摆动杆1的顶端与第一连杆2的一端铰接;第一连杆2的另 一端与第二连杆3的一端铰接;第二连杆3的另一端自由设置并形成单环扣轨迹。
[0033] 该共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构的设计方法，具体步骤如下：
[0034] 步骤一、构建共辄凸轮曲柄摇杆组合花卉移栽机构。
[0035] 电机Ml的动力传给铰接在机架5上的凸轮轴，第一共辄凸轮8、第二共辄凸轮9及曲 柄4的一端均与凸轮轴固接；曲柄4的另一端与第二连杆3的中部铰接;叉形摆杆包括底端焊 接在一起的摆动杆1、第一凸轮摆杆和第二凸轮摆杆;叉形摆杆的底端铰接于机架5;第一滚 子6与第一凸轮摆杆的顶端铰接，并与第一共辄凸轮8构成凸轮副;第二滚子7与第二凸轮摆 杆的顶端铰接，并与第二共辄凸轮9构成凸轮副;摆动杆1的顶端与第一连杆2的一端铰接； 第一连杆2的另一端与第二连杆3的一端铰接;第二连杆3的另一端自由设置。
[003