林果業高枝修剪機械手的設計與試驗

武 欣,申耀武,楊和平,郭君潔,滕 菲

(1. 廣州南洋理工職業學院,廣州 510900;2.深圳市北林苑景觀及建筑規劃設計院,廣東 深圳 518000;3.黃淮學院,河南 駐馬店 463000;4.大連理工大學,遼寧 大連 116024)

0 引言

相關研究數據顯示,2017年我國林業總產值高達8.57萬億元,相較2016年增長了17.56%。林業建設的發展,能夠進一步增加我國的森林覆蓋面積,有利于改善當前國內的自然生態環境,促使林業實現可持續發展。

在森林的成長過程中,林木的修枝是重要的一環,通過科學的修枝技術,可以提升樹木的光合作用,修正歪斜的樹干外形,保證林木的健康成長;并且,適當的修枝,也可以優化林木生長的環境,進而提高防火與抵抗相關災害的能力。由于當前國內的森林面積較大,剪枝工作的任務繁重,傳統修枝方法費時、費力,尤其是高空剪枝作業危險系數較高,且相關設備缺失,修剪效果始終無法達到理想的水平。

本文設計的高枝修剪機械手,不僅具有操控便利性與智能性,還能保障作業安全,利用該設備,可以減少高空剪枝作業任務量,提升作業效率,有利于推動國內林果業修枝機械設備的技術研發,使森林資源獲得有效的保護。

1 高枝修剪機械手的總體設計

1.1 技術參數

筆者經過查看有關高空作業機械設計方面的研究論著與文獻以后,對林木之間距離、林木的高度及相應工作環境條件等因素加以分析,并結合高枝修剪機械手的具體需要狀況,明確所設計裝置的相關技術參數:①施工作業的高度區間5～20m;②最大的施工處理半徑5m;③最大的修枝直徑12cm;④處于運輸情形下整機的尺寸規格位4.5m×1.5m×3.5m;⑤最大的功率8kW;⑥相應工作制,超過連續5h;⑦自重<2 600kg;⑧運輸的方法為牽引式;⑨動力的原動力為交流發電機設備。

1.2 總體的設計方法

依據相關技術參數的規定,明確此次設計的高枝修剪機械手裝置涵蓋了機械結構與電控系統兩個主要部分。其中,機械結構由末端執行器裝置、臂架與回轉系統、升降和動態配重系統,以及動力系統等組成。鑒于此研究內容與電控系統無關,所以沒有進行討論[1]。

2 主要結構及參數設計

2.1 臂架系統設計

2.1.1 機械臂構造設計

目前,串聯機器人被很多工業現場運用,憑借較為簡單的構造、很低的經濟成本及管控便利與運作空間很大等諸多優勢,得到關注。此次臂架系統的設計參考了串聯機器人的設計方法[2],具體運作原理如圖1所示。

1.臂架系統底座 2.第1節機械臂 3.第2節機械臂 4.第3節機械臂 5.第5節機械臂

臂架系統包括底座和相應4節機械臂,底座和4節機械臂的首末連接:第1節機械臂圍繞底座俯仰,第2節機械臂可繞第1節的機械臂俯仰,第3節機械臂圍繞第2節的機械臂俯仰,第4節機械臂圍繞第3節的機械臂轉動[3]。

2.1.2 機械臂的規格尺寸設計

參考相關研究文獻后,明確選擇9m升降高度的平臺,處于運輸情況之下的高度1.5m。鑒于該裝置的工作高度是14m,相應的工作半徑為5m,經過對有關升降高度、臂架系統運作時的靈活度、可折疊度及相應的工作半徑等因素的考慮,明確臂架系統的機械臂規格尺寸為:底座是1 520mm,第1節機械臂的安裝尺寸是2 500mm,第2節是2 425.32mm,第3節是865mm,第4節是1 196.30mm。基于使機械強度增強的目的,選用具有高強度的結構鋼HG70為主要材料,相應的截面尺寸是30mm×50mm×4mm。其中,第1節機械臂主體為2 080mm,第2節為2 030mm,第3節為336mm。HG70相應的力學性能情況如表1所示。

表1 HG70的力學性能表

2.1.3 變幅機構設計概述

作為高空作業機械中常見的機構之一,變幅機構能使機械運作的范圍得以拓展,并對驅動部件的受力情況予以改進,使工作效率得以提升。以往的三點變幅機構如圖2所示。此類變幅機構不僅構造較簡單,且可靠度較高,常用在大型的起重機與挖掘機主臂等裝置中,但缺乏靈活性,無法達到運動構件圍繞靜止構件產生相應的轉動。同時,由于驅動缸的相應行程太長,需保證雙油缸的穩定。

(a) (b)

對于高空作業的機械而言,遇到載荷很小的狀況時,一般運用經過優化之后的三鉸點變幅機構,如圖2(b)所示。此類變幅機構依靠驅動缸進行動力的供應,通過對兩連桿的作用,使運動構件能夠圍繞靜止構件進行轉動。此構造的鉸點布設較緊密,相應的驅動缸行程得以減少,可讓兩個構件間產生大角度的旋轉作用,能夠實現超過180°的效果[4]。

2.1.4 變幅機構設計

為了發揮出所設計的高枝修剪機械手設備的相關性能,電動缸變幅機構的重要性不容忽視,具體的規格尺寸與相應電動缸具體的載荷情況密切關聯。將機械臂變幅機構作為例子,進行改進和優化。機械臂的變幅機構如圖3所示。機械臂經過O點和臂架系統的底座相連,連桿AC和底座在C點鉸接,而連桿AD和第1節的機械臂在D點鉸接,連桿AC、AD與電動缸的活塞桿在A點相連,相應缸筒與底座在B點鉸接。

1.臂架系統底座 2.電動缸 3.連桿 4.第1節機械臂

由圖3可知:變幅機構內的鉸點A、B、C、D部位對變幅機構相應的驅動載荷和驅動范圍產生很大的影響,將電動缸的變幅機構鉸點部位坐標當成設計變量,對電動缸載荷進行目標函數最小化處理,可完成變幅機構的優化任務。

1)有關設計變量。從圖3可見:僅O點坐標固定,其余鉸點的坐標均處于變化當中,帶給電動缸的載荷一定影響,所以實施A、B、C、D坐標參數化處理,選用合理坐標作為設計變量。由于被改進目標受到不同變量作用影響的相應敏感度存在差異,選用表2中的坐標當成設計變量進行計算。

表2 有關鉸點的坐標參數化情況

2)數據的優化結果。依據以上相關的設計變量,基于ADAMS下對設計變量予以設定,同時實施參數化處理。經過優化處理獲取3124組解,最佳一組的變量取值情況如表3所示。

表3 優化結果情況表

基于更加清晰體現出有關鉸點在優化之前后電動缸處于運動過程當中的載荷變動狀況,利用散點圖予以呈現,結果如圖4所示。

圖4 經優化前后鉸點的電動缸驅動力比較情況

圖4內的橫坐標是第1節的機械臂和X軸正方向之間的夾角,相應縱坐標是電動載荷的變化狀況。經分析獲悉,當第1節的機械臂圍繞O點轉過了90°后,電動缸載荷出現了方向的改變。通過比較可知:電動缸運動過程中的相應載荷均值從優化之前3 168.2N下降至1 968.2N,優化后電動缸形成的受力曲線變化較為穩定,最大值下降,載荷的波動降低,使變幅電動缸受力獲得改進。利用相同方式,對全部臂架系統中的不同部分規格參數予以明確,經優化處理的電動缸的變幅機構性能獲得顯著提升[5]。

2.2 末端執行器裝置設計

2.2.1 末端執行器的構造

林果業的高枝修剪護茬鋸由殼體、夾持、修枝及茬口養護等機構組成。

1)剪枝鋸的外觀取決于殼體機構,能對其內部構造予以包覆,使其安全性得以提升,具體的構造如圖5所示。其包括了有關殼體、相應鋸片維修蓋、攝像頭裝設支架及軸承的維修蓋等諸多構件,使攝像頭裝設更加便利,并有利于軸承與鋸片維修。此次在殼體的上面和儲藥的鋸片的另一側均安裝了兩排屑口,使修枝時形成木屑排出更便捷;殼體的前部是帶齒的虎口,擁有一定的導向作用[6]。

圖5 導向卡鎖型的修枝護茬鋸圖

2)夾持機構能對側枝進行夾持,使末端執行器運作過程中形成的振動影響降低,主要包括夾持爪與夾持彈簧及配套的夾持閘線與夾持推桿。運用夾持推桿對夾持閘線進行拽動處理,采用夾持彈簧讓相應夾持爪完成復位。

3)利用修枝機構可完成修枝任務,具體構造如圖6所示。

1.電機 2.錐齒輪 3.同軸齒輪 4.導板彈簧 5.連桿 6.導板 7.滑塊 8.扇形噴頭 9.儲藥鋸片 10.偏心輪 11.圓柱齒輪

4)運用茬口養護機構能實施茬口的養護處理,包括扇形噴頭、輸藥管及藥液箱。其中,扇形噴頭裝設到儲藥鋸片上邊,保證噴頭運作的時候,所噴出相應的藥液正好處于儲藥鋸片的上方,進而確保藥液的正常供應;儲藥鋸片進行往復運動則使藥液可以被均勻地涂抹到修枝茬口的上面;借助藥液箱中的高壓藥液,能依靠手動管控方式發揮出應有作用[7]。

2.2.2 運作機制和仿真試驗

1)運作機制和過程。準備工作:有關操控工作人員通過將養護茬口藥液放在相應的藥液箱內,將修枝護茬鋸與主體相連,裝設到機械臂的末端位置,同時予以固定處理;確定好作業目標后,把需要修剪的枝條卡在相應的齒虎口中;借助夾持推桿使線獲得相應的帶動作用,發揮出夾持爪夾的作用。

2)虛擬仿真試驗。從圖7中把剪枝鋸的模型準確導入至ADAMS內,并予以一定的約束處理,使電機獲得加載2 500r/min的相應旋轉速度,進而獲取儲藥鋸片朝著導板方向進行位移的時間曲線情況,如圖8所示。

圖7 基于ADAMS環境之下的三維模型圖

圖8 鋸片的位移曲線圖

由圖8可知:剪枝鋸的有效行程大概是25mm,滿足相關設計規定,相應運動過程當中的位移變動平穩,說明在此運動時沒有受到很大的沖擊作用。

2.3 升降系統的設計

升降系統可以使設備的運行高度獲得提高,結合設計參數16m的運行高度規定,明確升降系統應升降6m。升降系統包括底盤、行走系統、管控面板、支撐腿及牽引架等相關機構部分[8]。

結合具體的運作環境情況,升降系統采用了剪叉型的升降形式。這種升降形式憑借處于運輸情況下的體積較小且更加靈活的優勢特點,相較于桅柱型的升降形式,在穩定性方面表現更佳,相應的承載能力也更大[9]。通過計算臂架系統和回轉系統后,運用升降6m、承載600kg的SJY-0.5-6的剪叉型升降平臺,同時改進其底盤結構,具體的參數如表4所示。

表4 升降系統的相關參數表

3 高枝修剪機械手實際效果及創新點

3.1 高枝修剪機械手試驗

3.1.1 運動性能試驗

1)理論達到的空間說明。根據有關技術參數規定,明確該機械的工作高度為5～16m,工作半徑為5m。結合相關設計要求明確此機的末端執行器裝置相應的理論可達空間,具體的流程為:只對臂架系統因素予以考慮,由于前3節機械臂都是俯仰運動,第4節機械臂圍繞第3節機械臂形成35°的偏轉情況,帶給作業范圍的影響甚微,所以不進行考慮。當3節臂都處在豎直情形之下時,第3節臂圍繞第2節臂呈現出俯仰0°～160°的情況。末端執行器裝置的運動狀況以弧形的實線體現,如圖9(a)所示。第2節臂圍繞第1節臂呈現出90°～160°的俯仰角轉動情況,經弧形實線掃過的區域,以實線區域代表,如圖9(b)所示。第1節臂圍繞底部的相應俯仰90°～200°,以實線的區域代表[10],如圖9(c)所示。

圖9 臂架系統的作業區域圖

對升降系統的升降高度達至10m、相應回轉系統的360°旋轉、地面帶給作業區域的影響等因素的考慮之后,將有關回轉系統的旋轉軸線處于水平面的豎直方向之上的投影點當成原點,獲得該設備的作業區域情況如圖10所示。

圖10 高枝修剪機械手設備的作業區域圖

2)運動性能試驗分析。制作完高枝修剪機械手樣機之后,對其運動性能試驗分析。在此過程中,讓高枝修剪機械手形成相應的極限動作,如機械臂的水平伸直、第1節機械臂的后仰等動作,進而證明此高枝修剪機械手設備的運動性能非?？煽?。

3.1.2 修枝環節的試驗

運動性能試驗完畢后,實施修枝功能方面的試驗分析,具體的試驗如圖11所示。圖11中的右邊圖片是所修剪的相應側枝,通過進行該設備的試驗后,其修枝功能達到了相關的標準。

圖11 修枝試驗圖

3.2 研究的創新點

1)研制與設計出滿足高大樹木修枝需求的高枝修剪機械手設備,相應的修枝高度為16m,作業半徑則為5m,具體的修枝直徑為8cm,不僅可以進行修枝處理,還可以對茬口進行養護。

2)研制與設計出的動態配重系統能夠對臂架系統進行實時調平處理,也可讓該設備的總體穩定性得以提升。

4 結論

進行了高枝修剪機械手的總體設計,介紹了高枝修剪機械手的主要結構及參數設計計算方法,給出了高枝修剪機械手設備的實際效果及創新點,最終得到了研究結論。