基于藍牙技術的高空氣動修枝剪的設計

蔡 軍，鄧本貴，侯義龍

（1.大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622；2.大連大學 生命科學與技術學院 生命科學工作室，遼寧 大連 116622）

目前，國內外對樹木整枝修剪的機械有手持背負式、車載式和自動式等多種形式。其中，以手持背負式整枝機為主要工具，手持背負式有無動力和有動力兩種類型。有動力的整枝機配套的動力有氣動、液壓傳動、電動、小型汽油機和小型柴油機等外加動力。車載式整枝機是在拖拉機上安裝液壓折疊臂，折疊臂端配有可以往復運動的液壓剪，用于大面積修剪樹冠、灌木叢或地面雜草，還有通過車載自動升降臺，將人送往不同高度位置進行人工整枝修剪。目前自動立木整枝機已實現了遙控整枝修剪作業[1]。現有的修枝剪具有能大面積的修剪、工作能力強、修剪樹枝直徑和高度不受限制等優點；也存在較多不足，如機構復雜，重量大，制作成本高；對操作者的身體素質要求高、安全沒有保障；動力源還有采用汽油機的，對環境影響較大。

針對樹木修枝剪的上述不足，我們開展了基于藍牙技術的高空氣動修枝剪的設計，該修枝剪具有以下特點。結構方面：采用氣缸和省力輪式修枝剪配合，用伸縮桿調節剪枝高度，結構簡單，操作方便；控制方面：運用藍牙無線遙控技術控制，在7米以下的高空中能實現點動間歇式的剪枝，修剪靈活；能源方面：用塑料高壓瓶給氣缸提供動力源，高壓瓶的高壓源可用便攜式高壓打氣筒手動充壓，實現了無碳修剪。隨著中國科技力量的進步，對修枝剪的研究制作的發展趨勢總的為：操作安全系數高；機械化甚至智能化程度高且結構簡單、輕便、合理，刀具經久耐用；作業范圍大、生產效率高且勞動強度小；有較高性價比；采用小型化、序列化、模塊化設計，提高環境適用性與結構上的互換性，降低使用、維修與保養的費用；環保（降低噪音等)[2]。該修枝剪符合國內的發展趨勢，具有較好的發展前景。

1 設計思路

曾經在街頭看到園藝工為了修剪出符合城市特點的綠化造型植物，費很大的力氣才能完成，而對一些較高的樹則沒法實現修剪的目的，為此，他們花了大量的人力物力去為城市造型。在校園里也看到類似的情景，生命科學技術學院的學生和老師們，需要采集較高的樹枝作為標本和科研材料，但對于他們來說，想要取到枝頭的樹枝是較大的難題，諸如此類。為了幫助他們解決這些繁瑣的難題，便想到設計一個結構簡便，操作簡單的且使用效果明顯的高空修枝剪。

2 工作原理

如圖1為該修枝剪主要工作部分，運用軟件SolidWorks繪制的簡易模擬圖。利用軟件自身同軸心、重合、平行、齒輪等標準和非標準配合關系就能達到把實物的模擬圖表達清楚的效果。

該修枝剪采用人工調節伸縮桿使剪刀部分調節至操作者想要的高度，然后經手動控制藍牙開關，藍牙模塊改變電磁閥開關（型號3V 210-08，進出氣接口反接）的通斷來控制單作用氣缸的推程，單作用氣缸是氣缸中較為基礎的元件，它只有一個方向的運動是靠氣壓傳動，活塞的復位是靠彈簧力或自重或其他外力[3]。動力由連接頭傳至剪刀的旋轉柄，實現對樹枝的修剪。當電磁閥開關通電時，氣缸的推程接口與高壓瓶接通，剪刀口處的樹枝被剪斷。當電池閥開關斷電時，氣缸推程接口與大氣相通而處于常壓，再由回拉彈簧將氣缸推桿以及連接頭（見圖2）一同拉回到工作前的狀態。

圖1 剪刀頭模擬圖

圖2 連接頭結構示意圖

連接頭由桿端軸承、薄壁軸承、法蘭軸套、軸和調距片等組成；軸端的軸承與軸焊接，其中一薄壁軸承的外圈在剪刀自由柄的槽內滑移，兩外圈間距大于剪刀槽底厚，利用桿端軸承的三個旋轉方向，將氣缸的直動轉換成剪刀自由柄的定軸轉動。

3 設計效果分析

在對試驗樣品試驗中,我們發現雙作用氣缸行程和推桿直徑較大，造成氣壓源的浪費，電磁閥開關的氣密性效果不佳，在氣缸的回程設計上存在問題。有文獻報道氣動修枝剪作為一個手動控制的氣動工具，要求操作簡單方便，如果使用雙作用氣缸，則需要兩根進氣管，會增加操作麻煩。事實上，修剪作業只是在剪切時需要較大的力量，在回位時不需要多大的力量，因此，單作用氣缸完全能夠滿足要求[4]。在對現有的問題進行改進和對樣品進行分析后，決定改用M16×75的單作用氣缸，DC12V的學生電源，12 V二位三通電磁閥開關，省力輪式修枝剪剪刀等主要原件制作該修枝剪；采用容積為2 L，壓強為8 Kpa的雪碧瓶作為氣壓源，且電磁閥開關進出氣口反接，則改進后的修枝剪能實施有效剪枝30次左右，剪切直徑≤15 mm，按照藍牙有效工作范圍計算，能對10 m以內高空的樹枝實施修剪。

4 結論

通過對基于藍牙技術的高空氣動修枝剪的設計與前期試驗，得到以下結論：

（1）該修枝剪采用新型的藍牙技術制動；

（2）伸縮桿解決了高空剪枝繁瑣的問題；

（3）采用氣缸和高壓瓶組合作為動力源，單作用氣缸工作穩定，而高壓瓶可用便攜式腳踏高壓打氣筒補充壓力源，具有良好的節能效果，在能源上做到了綠色無碳。

（4）該修枝剪的修剪高度可調節，為不同領域、不同需求的人們帶來方便，具有良好的應用前景。