基于Pro/E的插秧機三維設計及性能分析

摘 要：文章提出了基于Pro/E軟件的水稻插秧機三維設計解決方案，用pro/e建立了分插機構、送秧機構中移箱機構的三維模型及分插機構與移箱機構的整體三維模型，介紹了分插機構和送秧機構的聯系，并重點進行了分插機構的運動模擬仿真，從而提高設計速度、縮短設計周期，提高工作效率，減少設計成本。

關鍵詞：水稻插秧機；Pro/E；三維建模；運動仿真

1 研究背景

水稻機械化插秧技術是繼品種和栽培技術更新之后進一步提高水稻勞動生產率的又一次技術革命。插秧機可以說是水稻生產環節中不可或缺的工具，隨著農民對其需求的改變，其現有的工作模式需要發生變化，只有這樣才能提高工作效率，改善人們的生活水平[2]。作為糧食生產中極為重要的工具， 發展提高插秧機的技術和性能， 不僅可以提高工作效率、減輕勞動強度， 還能保證糧食質量、降低生產成本、提高經濟效益、增加糧食產量， 解決目前的糧食危機。

2 三維建模及運動仿真

Pro/e是美國PTC引公司旗下的產品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產品。用Pro/E進行機構運動仿真，方便快捷、過程簡便[3]。

2.1 分插機構的三維建模及運動仿真

分插機構是水稻插秧機的最核心部分，其性能的高低直接決定了插秧效率的高低，曲柄搖桿式分插機構依然是目前應用最廣泛的水稻秧苗移栽機構。對于手扶步進式插秧機而言，分插機構是形成“海豚”形軌跡的核心要素，也是實現推秧的核心工作部件。

2.1.1 曲柄搖桿式分插機構的組成與工作原理

文章研究的是曲柄搖桿式分插機構。曲柄搖桿式分插機構由曲柄、栽植臂（連桿）、搖桿和機架固定桿組成四連桿機構。曲柄固定在傳動軸上做圓周運動，搖桿相對其擺動中心做往復運動，而分離針（秧爪）固定栽植臂，栽植臂及連桿做平面復雜運動，其秧爪的運動軌跡及連桿曲線的一種。這種分插機構屬于往復直插式的工作原理，可以達到分秧與插秧要求。適用于帶土苗插秧，結構簡單，運轉平穩，密封性好，廣泛應用于國內外插秧機上。

2.1.2 分插機構的三維建模及運動軌跡

根據分插機構的裝配要求，利用Pro /E對分插機構的零部件進行虛擬裝配。根據實際要求，選擇合適的約束對零部件進行裝配[4]。零部件裝配成的分插機構的三維圖如下圖1所示。

圖1 分插機構三維圖 圖2 秧針尖端軌跡

然后對模型進行添加銷釘約束，通過伺服馬達驅動軸轉動，相繼帶動搖桿轉動，接著凸輪轉動帶動撥叉運動，當凸輪不接觸撥叉時，彈簧推動推秧器向下移動，就這樣，反復運動，就形成了插秧的軌跡如圖2所示。

2.2 送秧機構的三維建模

送秧機構包括縱向送秧機構和橫向送秧機構，每橫向取完一排秧苗，縱向送秧一次，將秧苗推向下方，為取下一排秧苗做準備。其作用是按時、定量地把秧苗送到秧門處，使秧爪每次獲得需要的秧苗。送秧機構中移箱機構是極其關鍵的部分，文章以東洋水稻插秧機為例說明凸輪式移箱機構的構造及工作原理，并進行相關的建模。

凸輪式移箱機構主要由雙螺旋軸、傳動軸、縱向送秧軸和橫向送秧軸組成。其設計的優點是工作穩定、強度較好、動作準確到位、抗振性能強等。該插秧機的變速箱輸出的動力通過移箱機構中的鏈輪帶動動力輸入軸，然后直接驅動曲柄搖桿式分插機構工作，這樣可以避免傳遞級數過多而導致的傳動效率降低，同時也可以使分插機構的取秧、插秧及自身的旋轉所需的動力得到保證。在該結構中設有滑套縱跨橫向送秧軸、雙螺旋軸和縱向送秧軸等三軸，這樣能夠增加機構的強度和穩定性[6]。移箱機構的建模如圖3所示。

圖3 移箱機構

2.3 分插機構和移箱機構整體三維建模

2.3.1 分插機構推秧裝置和送秧機構的聯系

分插機構旋轉一周，進行一次插秧，移箱機構同時配合分插機構準確地實現橫向和縱向送秧工作。分插機構和送秧機構聯系的研究直接關系到送秧、取秧、插秧等一系列的重要工作，將兩者當做一個整體來研究是非常有必要的。

2.3.2 分插機構和移箱機構整體三維建模

分插機構和送秧機構在整體裝配時，由于零件數目比較多，應先將相關零件組裝成子組件，然后把所有的子組件再裝配成總裝配體。整體裝配由移箱機構子組件、鏈輪箱子組件、分插機構子組件組成。（1）移箱機構子組件。移箱機構子組件由橫向送秧軸子裝配、縱向送秧軸子裝配、動力軸子裝配組成，由子裝配體間的裝配關系建立相關的裝配約束，最后得移箱機構子組件。（2）鏈輪箱子組件。鏈輪箱子組件由鏈輪、鏈輪軸、鏈條及鏈輪箱殼體等組成。（3）分插機構子組件。插秧機分插機構子組件由左右兩個對稱的分插機構組成。（4）總裝配。總裝配（見圖 4）由移箱機構子組件、鏈輪箱子組件、分插機構子組件等組成。

3 結束語

通過在計算機軟件上建立插秧機虛擬的裝配模型， 并對其運動機構進行仿真，可以實現利用數字化試驗形式代替傳統的實物實驗，這樣可以大大地簡化機械產品的設計開發過程，縮短產品的研發周期，降低成本，并提高產品的系統性能， 獲得有創新意義的及最優化的設計產品。

參考文獻

[1]魏陽，王書義.基于Pro/E的機械系統運動仿真分析[J].計算機應用，2004（05）： 55-56.

[2]路陽.插秧機的研究現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2009（7）：250-252.

[3]陳霖，張云彪，孫偉，等.基于Pro/E的水稻插秧機分插機構運動仿真與分析[J].西南大學學報，2012，34（7）：104-106.

[4]楊申.雜交稻母本插秧機分插機構優化設計與仿真分析[D].合肥：安徽農業大學，2013.

[5]佚名.水稻插秧機的原理和構造[J].湖南農機，2012（6）：29-30.

[6]黃節泵.水稻插秧機核心工作部件的動力學分析與改進研究[D].杭州：浙江理工大學，2011.