趙　勻，朱慧軒，辛　亮，周脈樂，馮　江，張　敏（.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱50030；.東北農業(yè)大學電氣學院，哈爾濱50030）

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擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構的機理分析與試驗

趙勻1，朱慧軒1，辛亮1，周脈樂1，馮江2，張敏1
（1.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030；2.東北農業(yè)大學電氣學院，哈爾濱150030）

摘要：缽苗移栽具有提高產量，增大精品糧種植面積等優(yōu)點，該文作者基于雙曲柄五桿水稻缽苗移栽機的結構形式，針對重要傳動部件進行改進,開發(fā)了基于B樣條擬合曲線的輕簡化水稻缽苗移栽機構——擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構。對該機構進行擬合齒輪節(jié)曲線傳動分析，建立移栽機構運動學模型，運用matrix laboratory（MATLAB）中GUI平臺開發(fā)出了水稻缽苗移栽機構輔助分析與參數(shù)優(yōu)化軟件，通過軟件優(yōu)化得出一組能夠滿足缽苗移栽要求的結構參數(shù)。建立三維模型，并通過automatic dynamic analysis of mechanical systems（ADAMS）進行虛擬樣機仿真，初步驗證機構的合理性。加工移栽機構核心部件，裝配并在試驗臺架上進行試驗研究。通過對移栽機構的試驗臺架試驗，驗證了移栽機構參數(shù)的合理性和有效性。以秧夾開口開度、秧夾夾持力、取秧頻率為因素，以傷秧率和漏秧率為評價指標，選取二次回歸正交旋轉組合試驗的方案，運用Design-Expert 7.0軟件進行分析，得到的分析結果進一步驗證了擬合齒輪五桿移栽機構的合理性。

關鍵詞：農業(yè)機械；移栽；優(yōu)化；水稻缽苗；擬合齒輪五桿機構；參數(shù)優(yōu)化；虛擬仿真；臺架試驗

趙勻，朱慧軒，辛亮，周脈樂，馮江，張敏.擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構的機理分析與試驗[J].農業(yè)工程學報，2016，32（01）：12-21.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.002 http://www.tcsae.org

Zhao Yun, Zhu Huixuan, Xin Liang, Zhou Maile, Feng Jiang, Zhang Min.Mechanism analysis and experiment of transplanting mechanism with fitting gear five-bar for rice pot seedling[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 12－21.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.002 http://www.tcsae.org

0　引言

水稻缽苗移栽具有緩苗期短、返青快、對氣候具有補償作用等特點，可以有效地實現(xiàn)省種、增產增收、提高稻米品質等目的。因而，水稻缽苗移栽在未來將有很好發(fā)展前景，但目前我國推廣應用的水稻缽苗移栽機型較少[1-8]。在國際上，日本在90年代開發(fā)水稻缽苗移栽裝備時，完全借鑒了歐共體的旱田移栽機的結構形式和技術，依靠3套裝置分別完成取秧，輸送和栽植3個動作。其中取秧裝置采用桿機構，是由機械手、電磁閥、單片機、氣泵等系列機電一體化部件組成，結構復雜，成本高，其秧盤的價格在生產費用中甚至超過了缽苗移栽機裝備本身，核心工作部件仍處于桿機構的初級階段[9-12]。國內亞美柯公司引進了這項技術，通過消化吸收國產化，大大降低了成本，其可靠性也達到了生產要求，已經在中國批量生產，但是成本依舊是困擾其推廣的因素。本課題組與鑫華裕公司合作，開發(fā)了雙曲柄五桿機構水稻缽苗移栽機，已形成較大批量的生產，其優(yōu)點是用一個雙曲柄五桿機構完成取秧，輸送和栽植3個動作，其核心工作部件屬于桿機構的高級階段。該機構的結構簡單，成本低，但由于機構中的正圓齒輪傳動比固定，變化范圍非常有限，使其軌跡和姿態(tài)仍未達到理想狀態(tài)[13-15]。本文作者在此基礎上為了進一步提高水稻缽苗移栽取秧和栽植的質量，將雙曲柄中的傳動齒輪由正圓齒輪改為B樣條擬合非圓齒輪，由于非圓齒輪的瞬時傳動比按一定規(guī)律發(fā)生周期性變化，可以實現(xiàn)不等速傳動，因此通過優(yōu)化后，移栽機構比使用正圓齒輪傳動更容易達到理想的軌跡和姿態(tài)。

本文結合農業(yè)生產的實際需要，基于B樣條擬合曲線，開發(fā)了一種輕簡化缽苗移栽機構——擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構，通過對機構的運動學分析，開發(fā)計算機輔助優(yōu)化軟件，automatic dynamic analysis of mechanical systems（ADAMS）三維仿真和臺架試驗等一系列工作，確定了較為理想的機構參數(shù)，確保了機構能一次性完成水稻缽苗的移栽工作，滿足農藝要求。

1　移栽機構組成及工作原理

擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構，它由獨特設計的擬合齒輪傳動副結合連桿機構組成，機構示意圖如圖1所示，具體的實施方案為：在傳動箱體1內相互平行地配裝前軸2和后軸3，鏈輪5固裝在前軸2上，傳動鏈條4套裝在鏈輪5上，在前軸2和后軸3的左、右兩側分別固裝前轉臂8和后轉臂9，前轉臂8和后轉臂9同時與移栽機構10鉸鏈，在前軸2和后軸3上分別固裝第一擬合齒輪6與第二擬合齒輪7，所述第一擬合齒輪6與第二擬合齒輪7的相互嚙合傳動的中心距固定，以水平線為基準，其第一擬合齒輪6的初始安裝角度為a1，第二擬合齒輪7的回轉中心和第一擬合齒輪6的回轉中心連線與水平線夾角為a2，第一擬合齒輪6逆時針方向轉動角度為12個可調節(jié)型值點橫坐標時，第一擬合齒輪6與第二擬合齒輪7嚙合點處的傳動比為相對應可調節(jié)型值點縱坐標。

圖1　缽苗移栽機構結構示意圖Fig.1 Pot seedling transplanting mechanism structure diagram

作業(yè)過程為配套安裝在鏈輪5上的鏈條4運動，帶動前軸2轉動，前軸2上固定安裝的第一擬合齒輪6與固裝在后軸3上的第二擬合齒輪7互相嚙合傳動，前軸2與后軸3按一定規(guī)律轉動，進而帶動前轉臂8與后轉臂9轉動，移栽機構10在前轉臂8和后轉臂9的綜合作用下可實現(xiàn)“8”型軌跡，精確實現(xiàn)取秧與插秧過程，完成把缽苗11從缽盤12中拔出并移栽到田間的過程。

2　移栽機構運動學分析

為使缽苗移栽機構可以一次性完成移栽過程中取苗、輸送和栽植3個動作，移栽機構的運動軌跡和姿態(tài)就必須同時滿足這3個過程的優(yōu)化目標。本文針對缽苗移栽的農藝要求，對齒輪與連桿組合機構進行創(chuàng)新優(yōu)化設計，并對該機構進行運動學分析，其分析如下：

2.1擬合齒輪節(jié)圓曲線計算

1）選取型值點

建立以O點為原點，水平方向為角度值，垂直方向為傳動比的坐標系，在該特殊坐標系中，按照度數(shù)從0°～360°增大的方向選取12個以角度值和傳動比為坐標值的型值點取q12=q0（首末點重合）。

經轉換，在直角坐標系中型值點位置如下圖所示：

圖2　型值點Fig.2 Data point

2）由型值點分布趨勢構造非均勻節(jié)點矢量

節(jié)點矢量的求解方法主要有：①均勻參數(shù)化法，②相信參數(shù)化法，③積累弦長參數(shù)化法，由于在反算控制點的過程中，選取不同方法，最后求得控制點有差別，而積累弦長參數(shù)化法能夠如實反映數(shù)據(jù)點按弦長的分布情況[16-17]，因此本文選取積累弦長參數(shù)化法來計算節(jié)點矢量，進而求解15個控制點

積累弦長參數(shù)化法下非均勻節(jié)點矢量計算公式如下：

3）構造B樣條基函數(shù)及控制點線性方程組

增加兩個邊界條件給定附加方程，則求解三次B樣條插值曲線未知控制點的線性方程組矩陣形式為[18]：

式中含有ai，bi，ci元素的矩陣構成B樣條基函數(shù)矩陣，每個元素只與節(jié)點值有關，e為關于數(shù)據(jù)已知點即型值點的函數(shù)。具體為：

其中，i=2，12由此可求得控制點值，并且有d0=q0，d14=q12，所有控制點值已經全部求出。

4）由控制點計算擬合曲線

由控制點中的連續(xù)四點di-3，di-2，di-1，di和一個u∈[ui，ui+1]，都可以唯一確定新的比例因子α和頂點d3i-3，即擬合出（角度值，傳動比）的一點軌跡值，在計算過程中，再插值成步長足夠小的點坐標[19-24]，本文程序中選取200等分區(qū)間[ui，ui+1]的值為u，這樣就確定了12×200=2 400個插值點，這2 400個插值點構成了擬合曲線。

其中，d3i-3的計算如下圖所示：

圖3　插值點計算Fig.3　 The calculation of interpolation points

比例因子α滿足：

插值點滿足：

2.2旋轉非圓齒輪運動學分析

建立以O點為坐標原點，水平方向為X軸，垂直方向為Y軸的直角坐標系。

圖4　旋轉擬合齒輪運動學分析Fig.4 Fitting gear rotating kinematics analysis

1）第一擬合齒輪和第二擬合齒輪半徑計算

2）第一擬合齒輪和第二擬合齒輪轉角函數(shù)計算

定義加初始角α1、α2后擬合齒輪2轉角值

則第一擬合齒輪和第二擬合齒輪旋轉轉角函數(shù)為：

3）第一擬合齒輪和第二擬合齒輪坐標計算

未加初始角第一和第二擬合齒輪坐標：

加初始角并將第一和第二擬合齒輪旋轉各個時刻齒輪坐標計算：

其中，（xd，yd）為擬合齒輪2的旋轉中心，

2.3旋轉五桿機構運動學分析

設五桿機構桿長為OA=l1，AB=l21，AC=l22，BC=l3，CD=l4，利用矢量法對桿件進行計算[25]。

1）初始位置未加旋轉角A、C坐標計算

2）加初始角的旋轉A、C坐標計算

3）計算θab

3　計算機輔助優(yōu)化軟件的開發(fā)

根據(jù)直角坐標系下擬合齒輪五桿機構的數(shù)學模型，運用Matrix Laboratory軟件中GUI平臺，開發(fā)人機對話的可視化軟件進行參數(shù)優(yōu)化[26-30]，如圖5所示。

圖5　擬合齒輪五桿缽苗移栽機構計算機輔助分析與優(yōu)化軟件Fig.5　 Fitting gear five linkage pot seedling transplanting optimization software

移栽機構是實現(xiàn)水稻缽苗移栽的核心。結合農藝要求，確定了水稻移栽過程中的優(yōu)化目標，分別為：要求夾片夾苗點能夠充分接觸缽苗莖下部位，減少對缽苗的損傷；環(huán)扣沿垂直秧苗方向寬度應介于15～25 mm之間；秧苗插秧后傾角度大于80°；取苗后軌跡與秧箱秧盤卷曲最外側距離應大于25 mm；要求軌跡寬度盡可能大且推秧后上升階段接近豎直線；栽植臂取苗與推秧之間角度差在（50± 5）°；取苗過程中秧夾轉過角度小于15°等17個目標函數(shù)。本文擬合齒輪節(jié)曲線生成采用三階B樣條曲線擬合算法，利用MATLAB軟件編寫擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構參數(shù)優(yōu)化程序，針對實際優(yōu)化目標建立優(yōu)化算法，完成優(yōu)化實現(xiàn)軌跡姿態(tài)，滿足一次性完成缽苗取苗與栽苗的優(yōu)化目標與農藝要求。

良好的輿論氛圍，為青海省全面、深入實施水土保持國策宣傳教育行動，落實生態(tài)立省戰(zhàn)略、促進生態(tài)文明建設奠定了基礎。不難想見，隨著全社會水土保持、生態(tài)保護觀念的不斷凝聚，“中華水塔”之源將在我們的精心呵護下永續(xù)長流。

經運動學分析，通過已知可輸入12個型值點坐標，擬合出非圓齒輪相關數(shù)據(jù)，并由旋轉角計算出五桿旋轉過程中的點坐標，得出秧針尖點運動軌跡。軟件將運動學分析目標數(shù)值化，建立目標函數(shù)，程序首先通過計算當前參數(shù)組合下各個參數(shù)與理想目標函數(shù)之間的差值，然后調節(jié)該組參數(shù)中影響較大參數(shù),逐漸優(yōu)化達到優(yōu)化目標，使移栽機構達到理想的軌跡和姿態(tài)。

在菜單欄中將優(yōu)化好的參數(shù)及擬合齒輪坐標進行數(shù)據(jù)導出，進而生成移栽機構的二維、三維圖，第一、第二擬合齒輪三維模型如圖6所示。

圖6　擬合齒輪三維模型Fig.6 Non-circular gear 3D model

通過參數(shù)變量優(yōu)化，綜合各參數(shù)影響，優(yōu)化過程中選定株距為180 mm，找出滿足優(yōu)化目標的一組結構參數(shù)。優(yōu)化后主要參數(shù)為：型值點（0，1．15），（25，1．45），（64，1．45），（100，1．75），（131，1．5），（150，1．42），（185，1），（210，1．1），（236，1．3），（284，1．44），（300，1．35），（330，1．1）；OA=47 mm，AB=90 mm，BC=100 mm，CD=62 mm，AE=240 mm，〈OA，OF〉=123°，〈DC，GD〉=286°，α1=68°，α2=17°，θ=160°。優(yōu)化后軌跡如圖5所示。

4　移栽機構虛擬仿真

運用ADAMS軟件對擬合齒輪5桿移栽機構進行虛擬樣機仿真，并在后處理模塊進行數(shù)據(jù)分析。分析結果如圖7所示。

圖7　仿真結果后處理分析Fig.7 Simulation results post-processing analysis

圖7中下排兩個窗口分別顯示出一個周期內秧針尖點軌跡曲線沿著X、Y方向的速度變化規(guī)律曲線，分析上圖可知，X方向的寬度為173.2 mm；Y方向的高度為247.6 mm，由參數(shù)分析可知，該軌跡高度滿足機器田間作業(yè)要求，并且仿真軌跡與計算機輔助分析與優(yōu)化軟件中優(yōu)化的軌跡一致，初步驗證了機構的合理性。

5　移栽機構性能試驗

本試驗采用（14×29缽）缽盤育秧，每穴秧苗株數(shù)為5～6株，水稻育秧缽盤長586 mm，寬283 mm，穴深17 mm，橫排14穴，縱排29穴，共406穴。試驗中所用的試驗設備主要為：變頻器，電機，缽苗移栽機構試驗臺。根據(jù)二維圖紙，加工制造零部件，在試驗臺上進行擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構性能試驗。試驗前將水稻缽苗移栽機構安裝在試驗臺架上，該臺架主要由取苗機構、送苗支架、動力部分和支撐臺架4部分組成，其中送秧支架可以實現(xiàn)秧盤水平和縱向移動，達到秧盤逐行逐株送苗的效果，通過調節(jié)變頻器來調節(jié)移栽頻率，安裝好移栽機構的試驗臺架如圖8所示。

圖8　試驗臺架總裝Fig.8 Test-bed assembly

5.1試驗方案和結果

缽苗移栽時，移栽頻率過大會造成秧苗損傷、折斷或秧苗被甩出，過小影響作業(yè)效率，因而選取合適的移栽頻率，在缽苗移栽過程中具有重要意義。試驗中，實驗以水稻傷秧率和漏秧率為考核指標，以秧夾開口開度、取秧頻率、缽苗拔取力為影響因素進行試驗。本試驗采用二次回歸正交旋轉組合試驗進行試驗研究，利用Design-Expert 7.0軟件進行分析，得到試驗因子性能指標的影響結果?？側毖砺实扔趥砺逝c漏秧率之和，本試驗采用的試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1　試驗因素水平編碼表Table 1　 Test factor level coding table

圖9　移栽機構取苗試驗Fig.9 Transplanting mechanism taking out seedling test

表2　響應曲面分析方案及試驗結果Tab.2 Response surface analysis method and test results

5.2各因素對傷秧率的影響

應用Design-Expert 7.0軟件，得出各參數(shù)對傷秧率的回歸模型如下：

式中Y1為傷秧率，%；X1為秧夾開口開度，mm；X2為秧夾夾持力，N；X3為取苗頻率，次/s。

1）秧夾開口開度和秧夾夾持力對傷秧率響應曲面分析

為分析秧夾開口開度和秧夾夾持力對傷秧率的影響，將取苗頻率設定為零水平，即取苗頻率為170次/s，秧夾開口開度和秧夾夾持力的交互作用對傷秧率的影響如圖10a所示。

圖10　秧夾開口開度、秧夾夾持力和取秧頻率對傷秧率的影響Fig.10 Mouth opening size, clamping force effect and taking seedling frequency effect on injury rate of seedling

由此可以得到這樣的結論：①在秧夾開口開度處于低水平（18 mm）時，秧夾夾持力對傷秧率的影響顯著；②在秧夾開口開度大于18 mm后，對傷秧率影響非常顯著；③在試驗水平下，秧夾開口開度對傷秧率的影響比秧夾夾持力顯著。

2）秧夾開口開度和取秧頻率對傷秧率響應曲面分析

為分析秧夾開口開度和取秧頻率對傷秧率的影響，將秧夾夾持力設定為零水平，即秧夾夾持力為10 N，秧夾開口開度和取秧頻率的交互作用對傷秧率的影響如圖10b所示。

由此可以得到這樣的結論：①在秧夾開口開度低于18 mm時，取秧頻率對傷秧率的影響非常顯著；②在秧夾開口開度大于18 mm后，對傷秧率影響逐漸變?。虎墼谠囼炈较?，秧夾開口開度和取秧頻率對傷秧率的影響均極顯著。

3）秧夾夾持力和取秧頻率對傷秧率響應曲面分析

為分析秧夾夾持力和取秧頻率對傷秧率的影響，將秧夾開口開度設定為零水平，即秧夾開口開度為18 mm，秧夾夾持力和取秧頻率的交互作用對傷秧率的影響如圖10c所示。

由此可以得到這樣的結論：①在取秧頻率處于低水平時，秧夾夾持力對傷秧率的影響不顯著；②在試驗水平下，當取秧頻率和秧夾夾持力均處于高水平時，二者對傷秧率影響十分顯著；③取秧頻率對傷秧率的影響比秧夾夾持力更顯著。

5.3各因素對漏秧率的影響

應用Design-Expert 7.0軟件，得出各參數(shù)對漏秧率的回歸模型如下：

1）秧夾開口開度和秧夾夾持力對傷秧率響應曲面分析

為分析秧夾開口開度和秧夾夾持力對傷秧率的影響，將取苗頻率設定為零水平，即取苗頻率為170次/s,秧夾開口開度和秧夾夾持力的交互作用對漏秧率的影響如圖11a所示。

由此可以得到這樣的結論：①在秧夾夾持力位于10 N附近時，秧夾開口開度對漏秧率的影響顯著；②在秧夾開口開度小于18 mm后，對漏秧率影響非常顯著；③在試驗水平下，秧夾開口開度對漏秧率的影響比秧夾夾持力顯著。

2）秧夾開口開度和取秧頻率對漏秧率響應曲面分析

為分析秧夾開口開度和取秧頻率對漏秧率的影響，將秧夾夾持力設定為零水平，即秧夾夾持力為10 N,秧夾開口開度和取秧頻率的交互作用對漏秧率的影響如圖11b所示。

由此可以得到這樣的結論：①秧夾開口開度和取秧頻率對漏秧率的影響均非常顯著；②在秧夾開口開度大于18 mm、取秧頻率低于170次/s情況下，均可獲理想效果；③在試驗水平下，取秧頻率對漏秧率的影響比秧夾開口開度顯著。

3）秧夾夾持力和取秧頻率對漏秧率響應曲面分析

為分析秧夾夾持力和取秧頻率對漏秧率的影響，將秧夾開口開度設定為零水平，即秧夾開口開度為18 mm，秧夾夾持力和取秧頻率的交互作用對漏秧率的影響如圖11c所示。

由此可以得到這樣的結論：①秧夾夾持力對漏秧率的影響為緩降但不顯著；②在試驗水平下，取秧頻率對漏秧率的影響是隨著取秧頻率的增加先緩降而后上升，最小值位于取秧頻率170次附近；③取秧頻率對漏秧率的影響比秧夾夾持力更顯著。

圖11　秧夾開口開度、秧夾夾持力和取秧頻率對漏秧率的影響Fig.11 Mouth opening size, clamping force effect and taking seedling frequency effect on on leakage rate of seedling

5.4優(yōu)化結果

根據(jù)機器的實際情況，建立了各因子對考核指標的數(shù)學模型，運用Design Expert 7.0軟件優(yōu)化出較優(yōu)組合。即：在秧夾開口開度18 mm、秧夾夾持力8 N、取秧頻率170次/s-1情況下，傷秧率0.25%，漏秧率0.24%，總缺秧率為0.49%。

6　結論

1）提出了一種純非圓的擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構，利用B樣條曲線擬合非圓齒輪轉動角及傳動比曲線，進一步在坐標系下計算非圓齒輪節(jié)曲線坐標，建立了五桿機構及非圓齒輪在旋轉過程中的運動學模型。

2）基于MATLAB軟件GUI平臺開發(fā)了擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構輔助分析與優(yōu)化軟件，并利用軟件進行了參數(shù)優(yōu)化，得到能夠滿足缽苗移栽要求的結構參數(shù)。

3）根據(jù)優(yōu)化得到的參數(shù)進行三維建模，利用Adams軟件進行虛擬樣機實驗，通過虛擬樣機仿真實驗得到移栽機構軌跡高度為247.6 mm。滿足移栽軌跡高度大于230 mm的軌跡要求，缽苗取出時不與缽盤發(fā)生干涉，可以精準地按照預先設定的軌跡完成缽苗移栽，分析結果初步驗證了該機構設計的合理性。

4）對移栽機構進行臺架試驗，通過試驗效果進一步驗證了移栽機構設計的合理性。建立了各因子對考核指標的數(shù)學模型，優(yōu)化出較優(yōu)組合。即：在秧夾開口開度18 mm、秧夾夾持力8 N、取秧頻率170次/s情況下，傷秧率0.25%，漏秧率0.24%，總缺秧率為0.49%。

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Mechanism analysis and experiment of transplanting mechanism with fitting gear five-bar for rice pot seedling

Zhao Yun1, Zhu Huixuan1, Xin Liang1，Zhou Maile1, Feng Jiang2, Zhang Min1
（1.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2.College of Electric, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China）

Abstract:Pot seedling transplanting has the advantages of increasing the production, enhancing the fine grain planting area, and so on.The rice pot seedling transplanting will have a good prospect in the future, but at present the application of rice pot seedling transplanting machine is less in China.Since Japan invented the first transplanter for rice pot seeding in 1900s, large agricultural machinery companies have produced their own models in succession, such as Yanmar and Iseki.The materials and manufacture technologies have been improved through about 40 years' development, but the basic structure and working principle are still kept at the same level.All the transplanting machines use 3 sets of mechanism to complete 3 kinds of movements i.e.picking, transporting and planting.The existing machines have the disadvantages of complex structure, high cost and low efficiency.In order to further improve the rice seedling transplanting quality, the transmission changes with the B spline fitting noncircular gears instead of the eccentric gears.Because the instantaneous transmission ratio of the noncircular gear periodically changes according to a certain rule, the mechanism can achieve constant transmission.Therefore, after the optimization, it is much easier to achieve the ideal trajectory and attitude than the eccentric gear transmission mechanism.Based on the structure of the rice seedling transplanter with double-crank five-bar mechanism, aimed at the important driving part, this study has developed the simple transplanting mechanism for rice pot seedling based on B spline fitting curve, i.e.transplanting mechanism with fitting gear five-bar for rice pot seedling.Transmission analysis for fitting gear pitch curves of the mechanism is carried out and the kinematic model of transplanting mechanism is established.A computer-aided analysis and optimization software of the transplanting mechanism with fitting gear five-bar for rice pot seedling is developed on the Matrix Laboratory GUI platform.Through tuning the data points by man-machine interaction, the pitch curve of noncircular gear is optimized and the structural parameters are obtained, which can meet the demand of track and attitude in the transplanting process for rice pot seedling.In entity modeling module, the three-dimensional（3D）model of transplanting mechanism parts is built, the components are assembled, and the interference checking of 3D model assembly is finished.Then, the two-dimensional（2D）engineering drawings are generated.The virtual prototype simulation is carried out by the automatic dynamic analysis of mechanical systems, and the simulation results initially showed the design of mechanism is rational.The core component of transplanting mechanism is machined, and then fit together and used for experimental study on the test shelf.Through the bench test, the rationality and effectiveness of the parameters of transplanting mechanism are validated.In the process of pot seedling transplanting, the excessive transplanting frequency will make the seedling damaged, broken or thrown out, and on the contrary it will affect the operation efficiency.Therefore the selection of suitable transplanting frequency plays an important role in the process of pot seedling transplanting.Taking the pincette opening span, the grasping force of pincette and the pinching frequency as factors, the damaged seedling rate and the missed seedling rate in hill as evaluation indices, the quadric regression orthogonal revolving combination experiment is conducted.By using the Design-Expert 7.0 software, the analysis results further verify the design of transplanting mechanism with fitting gear five-bar is reasonable.

Keywords:agricultural machinery; transplants；optimization; rice pot seedling; mechanism with fitting gear five-bar; parameter optimization; virtual simulation；bench experiment

作者簡介：趙勻（1943-），男，教授，博導，主要從事農業(yè)機械設計和理論分析與機構動力學和優(yōu)化方面研究。哈爾濱東北農業(yè)大學工程學院，150030。Email：zhaoyun@neau.com

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（51405077）；國家科技支撐計劃課題（2014BAD06B01－04）；哈爾濱市科技局科技成果轉化項目（2014DB4AN036）；東北農業(yè)大學研究生科技創(chuàng)新項目（yjscx14023）

收稿日期：2015-07-28

修訂日期：2015-11-02

中圖分類號：S223.1

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0012-10

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.002