一种用于田间铺盘作业的放盘装置的制作方法

本发明属于农业辅助机械技术领域，具体涉及一种用于田间铺盘作业的放盘装置。

背景技术：

水稻育秧是水稻种植的重要生产环节，育秧时要完成播种、覆土、铺盘等过程。随着我国农业生产机械化的发展，水稻育秧现多采用精量播种自动化生产线，以此提高幼苗质量。先经过自动化育苗流水线，在育秧盘里完成覆土、播种、覆土。播种后需要通过人工将秧盘一个一个有序地摆放到炼苗大棚或秧田中进行育苗，该过程劳动强度大，对劳动力需求大，急需一台机械设备代替人工完成铺盘工作。

目前市场上已经出现一些铺盘设备，但大多数是将自动化育秧生产线同铺盘相结合的育秧机。这种铺盘机先是通过人工将一个个育秧盘摆入育秧机进料口，经过有斜度的传送带和传送带上方三个料斗完成水稻的播种，最后随着育秧机在田间的行走，将播种好的育秧盘摆放到秧田中。已有的铺盘设备虽然可以完成育秧铺盘作业，但还是需要人工一个个上盘，不能完成对一整垛的秧盘的放盘工作。

发明专利一种田间铺盘机(专利申请号201910007933.6)中的放盘机构虽然可以完成整垛秧盘的放盘工作，但其托板卡爪的放松完全依靠重力，装置的运动不精准，稳定性不好。且由于联动条处的力臂较短，零件的受力较大，相对所需的驱动力较大，整体受力条件不好。所以，仍需一种可以完成对一整垛秧盘进行自动摆放的放盘装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于田间铺盘作业的放盘装置，完成对一整垛秧盘的自动摆放，操作简单，节省人力。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明包括整机机架、卡盘组件、托盘组件和驱动组件。所述的整机机架包括框架一、框架二和中间框架。框架一和框架二的内侧与中间框架的两端分别固定。所述的驱动组件包括减速电机、链轮组件和凸轮驱动轴。所述的链轮组件包括主动链轮、从动链轮和链条；主动链轮固定在减速电机的输出轴上，且与两个从动链轮通过链条连接；两个从动链轮固定在两根凸轮驱动轴上；其中一根凸轮驱动轴通过石墨轴承支承在框架一上，另一根凸轮驱动轴通过石墨轴承支承在框架二上；减速电机的底座固定在中间框架上。框架一内的卡盘组件和框架二内的卡盘组件对称布置在中间框架的两端，框架一内的托盘组件和框架二内的托盘组件对称布置在中间框架的两端。

所述的卡盘组件包括上限位板、卡盘从动件、卡盘凸轮和下限位板；所述的卡盘从动件设有一体成型的卡板；卡盘从动件设有n个，n≥4；每个卡盘从动件与套置于该卡盘从动件内的一个卡盘凸轮构成凸轮副；每两个卡盘从动件为一组，每组的两个卡盘从动件顶面与一块上限位板构成滑动摩擦副，底面与一块下限位板构成滑动摩擦副；框架一内卡盘组件的上限位板和下限位板均与框架一固定，框架二内卡盘组件的上限位板和下限位板均与框架二固定；框架一内卡盘组件的卡盘凸轮均与框架一上的凸轮驱动轴固定，框架二内卡盘组件的卡盘凸轮均与框架二上的凸轮驱动轴固定。

所述的托盘组件包括摆动杆组、摆动凸轮、托板固定轴和托板。所述的托板与托板固定轴固定；所述的摆动杆组由沿托板固定轴轴向贴紧且成一夹角的两根摆动杆组成；摆动杆组的两根摆动杆均固定在托板固定轴上；所述的摆动凸轮由主凸轮和回凸轮组成；主、回凸轮与摆动杆组的两根摆动杆分别构成凸轮副；一个托盘组件共设有m个摆动凸轮及与m个摆动凸轮位置对应的m个摆动杆组，m≥3。所述框架一内托盘组件的托板固定轴通过石墨轴承支承在框架一上，框架二内托盘组件的托板固定轴通过石墨轴承支承在框架二上；框架一内托盘组件的摆动凸轮均与框架一上的凸轮驱动轴固定，框架二内托盘组件的摆动凸轮均与框架二上的凸轮驱动轴固定。

所述框架一和框架二的内侧均开设有托板伸出孔，框架一和框架二的内侧还均开设有n个卡盘从动件伸出孔或n/2个卡盘从动件伸出孔；框架一和框架二的内侧均开设n个卡盘从动件伸出孔时，框架一的n个卡盘从动件伸出孔与n个卡盘从动件位置一一对应，框架二的n个卡盘从动件伸出孔与n个卡盘从动件位置一一对应；框架一和框架二的内侧均开设n/2个卡盘从动件伸出孔时，框架一上每组的两个卡盘从动件与一个卡盘从动件伸出孔位置对应，框架二上每组的两个卡盘从动件与一个卡盘从动件伸出孔位置对应；托板伸出孔用于托板的伸出。

框架二上托板和卡盘从动件相对框架二上凸轮驱动轴的运动关系与框架一上托板和卡盘从动件相对框架一上凸轮驱动轴的运动关系完全一致；框架一上托板和卡盘从动件相对框架一上凸轮驱动轴的运动关系设计如下：

首先，将卡盘凸轮的运动规律设计成正弦加速度运动规律，则凸轮驱动轴相对初始位置的转角δ与卡盘从动件相对框架一内侧壁的伸出量s的关系如下：

其中，凸轮驱动轴初始位置时，卡盘从动件处于完全回缩状态，而托板处于水平状态；h为卡盘从动件相对框架一内侧壁的伸出量最大值，δ0为卡盘凸轮的推程运动角。

而伸出量s的最大值smax满足不等式：

smax＝h≥6mm

然后，将摆动凸轮的运动规律设计成三次多项式运动规律，则凸轮驱动轴相对初始位置的转角δ与托板当前位置相对最低位置的摆角θ的关系如下：

其中，θmax为摆角θ的最大值；c0,c1,c2,c3为摆动凸轮推程段的三次多项式系数，c′0,c′1,c′2,c′3为摆动凸轮回程段的三次多项式系数。

而托板完全支承时为水平状态，完全下放时摆过的角度设为θmax。以托板在最低位置为零点，则水平时达到最大角度θmax。设托板固定轴的中心轴线与托板的距离为a，托板远离框架一那端的端面与托板固定轴中心轴线的距离为b，框架一内侧壁与托板固定轴中心轴线的距离为c，则由直角三角形几何关系得到托板伸出框架一内侧壁部分的水平投影长度t与托板当前位置相对最低位置的摆角θ的关系为：

其中，t的最大值tmax满足：

tmax＝b-c≥6mm

另外，设定限制条件：

a≤6mm

b＜40mm

c＜35mm

接着，由于卡盘从动件回缩至伸出量s为1mm时刻，松开秧盘，因此，设定边界条件s＝1时，t＞1mm，实现托板顺利承托秧盘。而由于托板伸出框架一内侧壁部分的水平投影长度t为1mm时，松开秧盘，因此，设定边界条件t＝1时，s＞1mm，实现卡盘从动件顺利承托秧盘。

最后，将δ与s的关系以及δ与θ的关系所需满足的各项约束关系列出如下：

优选地，所述的框架一和框架二对称布置在中间框架的两端，两根凸轮驱动轴对称布置在中间框架的两端。

优选地，满足δ与s的关系、δ与θ的关系以及各项约束关系的一个特解如下：

a＝5.5mm,b＝36mm,c＝29mm

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过卡盘从动件与托板的有序运动，完成对整垛秧盘一个一个有序地铺放工作，避免一次铺放多个秧盘。

2、本发明通过凸轮来驱动卡盘从动件和托板，结构简单，运动可靠，大大提高了铺盘的可靠性。

3、本发明的时序控制通过凸轮完成，电机只需要输出一个转动，不需要对运动进行额外的控制，装置控制简单。

4、本发明的摆动凸轮是共轭凸轮，始终与摆动杆保持接触，保证了摆动杆运动精准，提高了装置的稳定性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中驱动组件的示意图；

图3是本发明中托盘组件承托秧盘状态下托盘组件和卡盘组件的位置示意图；

图4是本发明中托盘组件下放秧盘状态下托盘组件和卡盘组件的位置示意图；

图5是本发明中摆动杆组与摆动凸轮的装配示意图；

图6是本发明在托盘组件承托秧盘时的示意图；

图7是本发明在托盘组件下放秧盘时的示意图；

图8是本发明中卡盘从动件与托板的运动时序图；

图9是本发明中托板水平和下摆到最低位置的两种状态示意图；

图10是本发明中托板伸出框架一或框架二部分在水平面上的投影长度计算解析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种用于田间铺盘作业的放盘装置，包括整机机架、卡盘组件、托盘组件和驱动组件。

整机机架包括框架一4、框架二1和中间框架2。框架一4和框架二1的内侧与中间框架2的两端分别固定，且框架一4和框架二1之间的间距设计为比秧盘的宽度大2毫米；框架一4和框架二1上均安装有石墨轴承9，用以支承凸轮驱动轴10和托板固定轴11。

如图1、2和3所示，驱动组件包括减速电机3、链轮组件和凸轮驱动轴10。链轮组件包括主动链轮、从动链轮8和链条7；主动链轮固定在减速电机3的输出轴上，且与两个从动链轮8通过链条7连接；两个从动链轮8固定在两根凸轮驱动轴10上，驱动两根凸轮驱动轴10进行转动；其中一根凸轮驱动轴10通过石墨轴承9支承在框架一4上，另一根凸轮驱动轴10通过石墨轴承9支承在框架二1上；减速电机3的底座固定在中间框架2上，为整个装置提供动力。

框架一4和框架二1对称布置在中间框架2的两端，两根凸轮驱动轴10对称布置在中间框架2的两端，框架一4内的卡盘组件和框架二1内的卡盘组件对称布置在中间框架2的两端，框架一4内的托盘组件和框架二1内的托盘组件对称布置在中间框架2的两端，以保证中间框架2两端放盘动作的对称性。由于两个卡盘组件和两个托盘组件的运动均由同一个减速电机3驱动，其同步性较好，只需要保证初始安装位置正确，就可以很好的完成装置的放盘动作。

如图3和4所示，卡盘组件包括上限位板15、卡盘从动件6、卡盘凸轮12和下限位板16；卡盘从动件6设有一体成型的卡板，用于卡住或松开秧盘17；卡盘从动件6设有n个，n≥4(作为优选实施例n＝4)；每个卡盘从动件6与套置于该卡盘从动件6内的一个卡盘凸轮12构成凸轮副；每两个卡盘从动件6为一组，每组的两个卡盘从动件6顶面与一块上限位板15构成滑动摩擦副，底面与一块下限位板16构成滑动摩擦副；框架一4内卡盘组件的上限位板15和下限位板16均与框架一4固定，框架二1内卡盘组件的上限位板15和下限位板16均与框架二1固定，上限位板15和下限位板16对卡盘从动件6起到限位作用；卡盘从动件6可以在上限位板15和下限位板16之间的空间内做直线运动；框架一4内卡盘组件的卡盘凸轮均与框架一4上的凸轮驱动轴10固定，框架二1内卡盘组件的卡盘凸轮均与框架二1上的凸轮驱动轴10固定；卡盘凸轮可随凸轮驱动轴10一起转动，在转动过程中推动卡盘从动件6完成伸出与回缩动作，实现卡盘功能。

如图4和5所示，托盘组件包括摆动杆组、摆动凸轮5、托板固定轴11和托板13。托板13与托板固定轴11通过螺钉固定连接，随托板固定轴11一起转动；摆动杆组由沿托板固定轴11轴向贴紧且成一夹角的两根摆动杆14组成；摆动杆组的两根摆动杆14均固定在托板固定轴11上，带动托板固定轴11一起转动；摆动凸轮5为共轭凸轮，由主凸轮和回凸轮组成；主、回凸轮与摆动杆组的两根摆动杆14分别构成凸轮副，在转动过程中推动摆动杆组进行摆动，托板13在随托板固定轴11的摆动中完成对秧盘17的支承与下放；一个托盘组件共设有m个摆动凸轮5及与m个摆动凸轮5位置对应的m个摆动杆组，m≥3(作为优选实施例m＝3)。摆动凸轮5之所以采用共轭凸轮，是为了在推程和回程过程中始终与摆动杆组保持接触，对摆动杆组的运动进行控制，保证整个运动的精准，装置的稳定性较好；框架一4内托盘组件的托板固定轴11通过石墨轴承9支承在框架一4上，框架二1内托盘组件的托板固定轴11通过石墨轴承9支承在框架二1上；框架一4内托盘组件的摆动凸轮5均与框架一4上的凸轮驱动轴10固定，框架二1内托盘组件的摆动凸轮5均与框架二1上的凸轮驱动轴10固定，摆动凸轮5可随凸轮驱动轴10一起转动。

如图1所示，框架一4和框架二1的内侧均开设有托板伸出孔，框架一4和框架二1的内侧还均开设有n个卡盘从动件伸出孔或n/2个卡盘从动件伸出孔；框架一4和框架二1的内侧均开设n个卡盘从动件伸出孔时，框架一4的n个卡盘从动件伸出孔与n个卡盘从动件6位置一一对应，框架二1的n个卡盘从动件伸出孔与n个卡盘从动件6位置一一对应；框架一4和框架二1的内侧均开设n/2个卡盘从动件伸出孔时，框架一4上每组的两个卡盘从动件6与一个卡盘从动件伸出孔位置对应，框架二1上每组的两个卡盘从动件6与一个卡盘从动件伸出孔位置对应；托板伸出孔用于托板的伸出。

如图3、4、9和10所示，框架二上托板13和卡盘从动件6相对框架二上凸轮驱动轴10的运动关系与框架一上托板13和卡盘从动件6相对框架一上凸轮驱动轴10的运动关系完全一致；框架一上托板13和卡盘从动件6相对框架一上凸轮驱动轴10的运动关系设计如下：

首先，不妨将卡盘凸轮的运动规律设计成正弦加速度运动规律，则凸轮驱动轴10相对初始位置的转角δ(也是卡盘凸轮的转角)与卡盘从动件6相对框架一内侧壁的伸出量s的关系如下：

其中，凸轮驱动轴10初始位置时，卡盘从动件6处于完全回缩状态，而托板13处于水平状态；h为卡盘从动件6相对框架一内侧壁的伸出量最大值，δ0为卡盘凸轮的推程运动角。在该运动规律下，运动过程中既无刚性冲击也无柔性冲击，机构运行十分稳定。在该关系下，卡盘凸轮经历近休止、推程、远休止、回程，控制卡盘从动件6达到预定位置，完成卡盘、放盘和间歇动作。

而对于卡盘凸轮，要求在卡盘凸轮的驱动下卡盘从动件6可以来回伸缩，且伸出量s的最大值smax可以承托住整个秧盘，同时卡盘从动件6的运动也需要比较平稳。此处由于设定秧盘与框架一存在1mm的间隙，为了承托比较可靠，伸出量s应满足不等式：

smax＝h≥6mm

然后，将摆动凸轮的运动规律设计成三次多项式运动规律，则凸轮驱动轴10相对初始位置的转角δ与托板13当前位置相对最低位置的摆角θ的关系如下：

其中，θmax为摆角θ的最大值；c0,c1,c2,c3为摆动凸轮推程段的三次多项式系数，c′0,c′1,c′2,c′3为摆动凸轮回程段的三次多项式系数，均可根据边界条件进行确定。在该运动规律下，运动的冲击为柔性冲击，引起冲击较小，机构运行比较稳定。在该关系下，摆动凸轮经历近休止、推程、远休止、回程，控制托板达到预定摆角，完成托盘、放盘和间歇动作。

而对于摆动凸轮，由于它并不是直接控制托板的伸出和回缩，而是靠控制托板的摆动达到支承秧盘的目的，所以牵涉到托板摆角与托板伸出框架一内侧壁部分的水平投影长度的函数关系，不妨设该投影长度设为t。由于托板完全支承时为水平状态，完全下放时摆过的角度为θmax。以托板在最低位置为零点，则水平时达到最大角度θmax。设托板固定轴的中心轴线与托板的距离为a，托板远离框架一那端的端面与托板固定轴中心轴线的距离为b，框架一内侧壁与托板固定轴中心轴线的距离为c，则由直角三角形几何关系得到托板伸出框架一内侧壁部分的水平投影长度t与托板13当前位置相对最低位置的摆角θ的关系为：

其中，t的最大值tmax也应满足：

tmax＝b-c≥6mm

另外，对θ的设计中，不希望托板的摆动幅度过大，所以限制条件：

同时，托板固定轴不需要太粗，托板尺寸不宜太大，框架一也不能太宽，否则装置总体尺寸太大，所以约束a,b,c的大小，有：

a≤6mm

b＜40mm

c＜35mm

接着，考虑到托板与卡盘从动件6在接替秧盘时的情况，分为卡盘从动件6刚刚要松开秧盘转为托板承托秧盘的情况和托盘刚刚松开秧盘转为卡盘从动件6卡住秧盘的情况，且秧盘与框架一之间留有1mm的间隙；那么，先针对卡盘从动件6刚刚要松开秧盘转为托板承托秧盘的情况：由于卡盘从动件6回缩至伸出量s为1mm时刻，会松开秧盘，因此，设定边界条件s＝1时，t＞1mm，便可以实现托板顺利承托秧盘。

而针对托盘刚刚松开秧盘转为卡盘从动件6卡住秧盘的情况：由于托板13伸出框架一内侧壁部分的水平投影长度t为1mm时，会松开秧盘，因此，设定边界条件t＝1时，s＞1mm，便可以实现卡盘从动件6顺利承托秧盘。

最后，将δ与s的关系以及δ与θ的关系所需满足的各项约束关系列出如下：

作为优选实施例，现给出满足δ与s的关系、δ与θ的关系以及各项约束关系的一个特解如下：

a＝5.5mm,b＝36mm,c＝29mm

如图3、4、6、7和8所示，本发明的工作原理如下：

步骤一、本发明初始位置时，卡盘从动件6处于完全回缩状态，而托板13处于水平状态；将一整垛秧盘置于两个托盘组件的托板13上，启动减速电机3。

步骤二、驱动组件驱动凸轮驱动轴10转动，凸轮驱动轴10带动卡盘凸轮12和摆动凸轮5转动，卡盘凸轮12推动套置在卡盘凸轮12外的卡盘从动件6向外伸出，摆动杆14和托板固定轴11先是静止不动，随后才在摆动凸轮5推动下摆动，使得托板13向下摆动；两个托盘组件的托板13同步向下摆动到脱离最下方的秧盘时，除最下方秧盘以外的秧盘已经被两个卡盘组件中卡盘从动件6的卡板卡住；当两个卡盘组件的卡盘从动件6完全伸出后，两个托盘组件的托板13继续向下摆动到最低位置。步骤二的过程为卡盘及放盘阶段。

步骤三、凸轮驱动轴10带动卡盘凸轮12和摆动凸轮5继续转动，卡盘从动件6和托板13均静止不动；步骤三的过程为间歇段一。

步骤四、凸轮驱动轴10带动卡盘凸轮12和摆动凸轮5继续转动，卡盘凸轮12推动套置在卡盘凸轮12外的卡盘从动件6回缩，摆动杆14和托板固定轴11先是静止不动，随后才在摆动凸轮5推动下摆动，使得托板13向上摆动；两个卡盘组件的卡盘从动件6回缩到脱离剩余秧盘时，剩余秧盘下落并被两个托盘组件的托板13托住；当两个卡盘组件的卡盘从动件6完全回缩后，两个托盘组件的托板13继续向上摆动直到水平状态。步骤四的过程为托盘阶段。

步骤五、凸轮驱动轴10带动卡盘凸轮12和摆动凸轮5继续转动，卡盘从动件6和托板13均静止不动；步骤五的过程为间歇段二。

步骤六、重复步骤二至步骤五，秧盘就一个个下放到田里，直到完成所有秧盘的放盘工作。