基于軟軌行走的全自動采膠機設計與實現(xiàn)*

鄧祥豐，肖蘇偉，曹建華，吳思浩，張以山，金千里

(1.中國熱帶農業(yè)科學院橡膠研究所，海口市，571101；2.國家重要熱帶作物工程技術研究中心機械分中心，海口市，571101；3.江蘇馳騁精密部件有限公司，江蘇蘇州，215200)

0 引言

割膠作業(yè)投入的勞動力占比，達到整個生產作業(yè)過程的70%[1]。因此改變傳統(tǒng)的手工勞作模式，是解決天然橡膠產業(yè)面臨的難題的有效途徑之一[2]。同時，以割膠為主的生產方式也受到較多因素的限制，比如技術要求高、操作難度大、作業(yè)過程繁瑣、采膠環(huán)境較為艱苦等[3]。隨著信息技術與自動控制技術的廣泛應用，采膠裝備的研究也逐漸形成以智能化為主體的發(fā)展線路。

目前對于采膠裝備研究以固定式的自動化割膠為主[4-5]，如：艾哈邁德等[4]發(fā)明一種捆綁式全自動智能割膠機，該裝備由割膠裝置、刀頭部位、導軌部位與控制主板等五部分構成，基于固定架與導軌搭建作為割膠機的移動平臺，但其使用成本遠超過橡膠的收益，未能在生產上大面積推廣應用；張春龍等[6]針對固定方式割膠機，研制了一種能夠根據(jù)激光測距的方式來實現(xiàn)的割膠試驗平臺，該平臺采用不同路徑激光采點進行測距，以空間三維坐標作為平臺的聯(lián)動控制方式，實現(xiàn)割膠刀根據(jù)激光測定的空間曲線路徑進行運動，但該割膠實驗平臺仍舊困擾在樹干不規(guī)則帶來的安裝偏心問題；許振昆等[7-8]發(fā)明了一種固定式的一樹一機割膠裝備，能夠一定程度上替代人工，但該機器采用定值深度割膠，隨著樹干生長會造成刀片與樹皮表面的定位偏差，無法控制割膠精度。

為了解決傳統(tǒng)割膠方式以及固定式全自動割膠機存在的問題，以移動式平臺作為基礎并結合針刺采膠方式，創(chuàng)新性地提出與設計一種全自動采膠的作業(yè)模式[9-10]。

與傳統(tǒng)的割膠方式不同，針刺無需考慮割面的規(guī)劃，對采膠的技術要求也較為低，并且不受地形地勢影響；同時，將軟軌與固定架的復合搭建，作為采膠機的移動行走平臺，由此替代傳統(tǒng)硬軌從而節(jié)約了鋪設成本。

1 結構設計與工作原理

1.1 結構設計

移動式全自動采膠機的設計參數(shù)內容如下：整機質量為27.5 kg，采膠時間平均約為10 s/株，即每作業(yè)一次便進行兩針刺的采膠動作，刺入的平均深度耗皮量為1.4 mm。

移動式全自動采膠機依據(jù)功能模塊的實現(xiàn)，可在機械結構上將其分為行走模塊、升降模塊、抱緊模塊、旋轉模塊和針刺模塊等組成部分，如圖1所示。其中行走模塊通過沿著懸掛在橡膠樹上的鋼絲軟軌在z方向實現(xiàn)左右移動；升降模塊能夠沿著x軸方向進行上下的往復式移動；旋轉模塊能夠在xyz方向上實現(xiàn)多維度的轉動。因此，該結構的設計保障采膠機在多自由度上的作業(yè)效果，滿足不同的作業(yè)情況需求。

(a)側視圖

采膠機采用導輪與軟軌的配合方式實現(xiàn)滑動功能，能夠有效規(guī)避地形、樹位等復雜膠園工況環(huán)境對采膠機的影響，同時也大幅降低鋪設硬軌的成本，而且融合了運動傳感、自動控制等技術，實現(xiàn)了在采膠作業(yè)過程中，各運動部件位置與針刺采膠深度的精準定位，如圖2所示。

(a)側視圖

鋼絲軟軌穿過垂直固定輪和行走輪，由此能夠保障在懸掛采膠機時繃緊軟軌，并且在垂直固定輪的軸向作用下，讓軟軌進行舒展避免在行走時發(fā)生纏繞。如此設計，能夠較好地讓軟軌與行走輪貼合，再加上垂直固定輪的軸向配合作用，極大地保障了采膠機在運動過程中的穩(wěn)定性。

鋼絲軟軌的壽命會因采膠機的行走輪而產生交替變化的受力[11-13]。以鋼絲軟軌為主的采膠機行走平臺，是保障其正常作業(yè)的關鍵性裝置，PLC通過電機產生的脈沖信號來判定采膠機在鋼絲軟軌上的移動速度快慢，并由相關的控制程序進行實現(xiàn)。采膠機在鋼絲軟軌上的行進速度關系計算式[14-15]

υ=πDn/t

(1)

式中：υ——采膠機的行進速度；

D——行走輪直徑,D=10 cm；

t——運行總時間,t=50 s；

n——運行時間內的脈沖數(shù),n=200。

由式(1)可求得采膠機的行進速度為1.26 m/s。通過公式可得知采膠機的行進速度與電機的脈沖數(shù)有關。

鋼絲軟軌的繃緊程度與行走輪的直徑大小，直接影響采膠機的移動速度與攀爬固定架的能力，可通過建立接觸力學模型的方式，來解析兩者之間的接觸關系。將鋼絲軟軌視為彈性圓柱體，行走輪可視為剛性圓柱體，以R為行走輪的半徑，設旋轉中心為O；以接觸體公切面為xy平面，z軸為其公法線，建立直角坐標系；接觸體表面上距離公法線r的點為M，點M與公切面距離為Z，建立鋼絲軟軌與行走輪構件間的接觸模型，如圖3所示。由于采膠機運行過程中，鋼絲軟軌與行走輪相互接觸產生的力學特性較為復雜，僅依靠理論分析難以得出具體的設計參數(shù)，因此需要在實際的調試中，對張緊力與行走輪徑的大小來進行選擇，并驗證其可靠性。

圖3 鋼絲軟軌與行走輪的接觸模型Fig.3 Contact model of the steel wire soft rail and the traveling wheel

1.2 工作原理

移動式全自動采膠機以PLC控制器系統(tǒng)作為上位機，依靠電機、傳感器以及傳動結構的配合，來實現(xiàn)釆膠作業(yè)的位置限定。其工作方式可概述為：通過遙控面板或手機App來控制，讓采膠機來實現(xiàn)包括移動行走、姿態(tài)變換、位置確定、采膠作業(yè)等運動方式；當?shù)竭_指定采膠樹位時，由控制端向執(zhí)行機構傳遞指令，抱緊裝置將會以一定的壓力與樹干表面固定，當刺針刺入一定深度時，由于樹皮內部的壓力阻礙，將會啟動壓力傳感器讓刺針機構的運動停止并退出，刺針的刺入孔次可通過程序編寫來實現(xiàn)數(shù)量的確定。

在圖4中全自動采膠機的具體作業(yè)流程可分為3個階段。

1)位置調整：移動式針刺采膠機在初始位置A，在滑繩上通過行走電機移動到位置B；到達位置B后，通過水平旋轉電機將采膠機構移動到位置C；在位置C時由抱緊電機將夾緊裝置與樹干外表邊緣進行貼合，即采膠機處于位置D上；然后再通過垂直電機調整工作平面高度；最后通過環(huán)形電機調整具體位置。

2)開始工作：針刺裝置的刺針運動由蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)，當刺入樹皮一定深度位置時，會觸發(fā)壓力感應器的設定數(shù)值并讓機構的運動停止。

3)原點復位：當刺入工作完成后，根據(jù)控制指令讓刺針按照原先路徑退回，由位置D回復到位置C，抱緊電機做回程運動松開夾緊裝置并且回復到位置B。

(a)位置移動過程

2 全自動采膠機的控制系統(tǒng)設計

2.1 電機選型

采膠機的結構設計符合要求后，運動部件的作業(yè)動力與功能實現(xiàn)就需要電機來完成。各部件具體運動形式上包含有行走運動、松緊運動、翻轉運動和針刺運動等方面。因此，電機的類型選擇與扭矩的理論計算，對采膠機各運動部件的協(xié)調作業(yè)有著重要意義。查閱相關資料可知，選用電機的扭矩T為0.06 N·m。

2.2 橡膠樹樹皮針刺裝置設計

鑒于橡膠樹樹皮具有分層的特性，由外到內依次為粗皮、砂皮、黃皮、水囊皮與形成層，其中黃皮布滿流淌著膠乳的乳管，因此，需要刺穿其才能夠獲得膠乳，但又不能夠刺破水囊皮直達形成層，這也就意味著刺針徑向運動距離，需要較為精確的控制精度。已知橡膠樹的樹皮結構具有分層現(xiàn)象，且每層樹皮的密度、硬度、厚度等有所區(qū)別，利用直流電機帶動刺針對橡膠樹的樹皮進行勻速刺探，在刺探過程中，刺針受到的阻力大小與樹皮層的密度相關，外層樹皮的密度較小，刺針遇到的阻力較小，反之，越靠近外層的樹皮部分密度相對較大，則刺針遇到的阻力相應較大。

如圖5所示為刺針對橡膠樹樹皮的作用力簡圖，當刺入樹皮內層時，其周圍的樹皮同時施加相切于刺針表面的切向力Fτ。把切向力Fτ分解為水平方向的軸向力Fv和豎直方向的徑向力Fr，F(xiàn)v使鉆取下的木屑產生軸向位移并擠壓樹皮；Fr產生徑向位移，向皮層四周方向擠壓樹皮。最終在合力F的作用下，樹屑同時沿著軸向和徑向擠壓，使鉆孔成型并流出膠乳。

圖5 刺針對橡膠樹樹皮的作用力解析Fig.5 Analysis of the force of thorns on the bark of rubber trees

由于電機的電樞電流與負載轉矩為正比例關系，即樹皮的分層結構與密度有關。電機的轉速調節(jié)由PLC進行控制，利用壓力傳感器對電機的電樞電流進行監(jiān)測，通過電樞電流的變化曲線反映出，刺針在不同樹皮層之間的阻力分布情況，從而實現(xiàn)對樹皮深度的探測與控制。

針刺模塊通過運動電機在導軌上實現(xiàn)環(huán)向運動，當達到指定采膠點時針刺電機啟動，讓齒輪傳動組帶動刺針向樹干內部刺入，最終完成自動采膠的功能，當?shù)竭_樹皮內層指定的壓力位置點時，PLC便會對該點的電信號進行反饋，讓刺針電機停止運動并向后退出，從而完成該點的采膠作業(yè)。具體結構如圖6所示。

(a)后視圖

采膠機的自動控制系統(tǒng)硬件設計，主要包括PLC控制器以及相關的配套模塊。采膠機各運動部件產生的電信號由PLC進行采集、分類與回饋。在控制面板上選擇的運動指令，可通過串口連接將對應信號發(fā)送到PLC處理，最終再將控制信號傳送到電機驅動器，讓采膠機完成相關的運動形態(tài)調整。采膠機的執(zhí)行代碼名稱如表1所示。

表1 移動式全自動采膠機的執(zhí)行代碼名稱Tab.1 Execution code name of the mobile automatic rubber picking machine

PLC控制器的配置包括電源模塊、中央處理模塊、通信模塊、輸入輸出模塊等，其功能輸出的線路連接如圖7所示。步進電機走帶動刺針裝置在水平方向上移動，刺針每移動1 mm需要發(fā)送多個脈沖，而PLC控制器通過指令將接收到的數(shù)據(jù)對應所設定的參數(shù)，即可實現(xiàn)對刺針的運動速度進行準確控制，與此同時，刺針的實時進給速度通過A/D轉換模塊反饋給PLC控制器。

圖7 采膠機PLC配置Fig.7 PLC configuration of the rubber picker

采膠機的控制系統(tǒng)依據(jù)工作形式，可分為主控、輸入控制、輸出控制、信號輸入、警示以及顯示等6個模塊。PLC負責采膠機各項控制指令的接收、執(zhí)行及輸出等；輸入控制模塊包括手動控制、遠程遙控、參數(shù)設置等，分別執(zhí)行控制命令輸入、有效段鋼絲繩首尾端限位設定、故障保護等功能；信號輸入模塊包括位置傳感、紅外傳感、壓力傳感等，確保運動部件的穩(wěn)定性作業(yè)；輸出控制模塊包括電機驅動器及電機，能夠控制電機的正反轉、啟停以及調速等狀態(tài)。警示模塊包括警報燈及蜂鳴器，當采膠機出現(xiàn)過壓、欠壓或電流超出額定范圍內等異常情況時，警報燈就會立即響應，提示操作者系統(tǒng)出現(xiàn)的相關異常信息；顯示模塊以觸摸顯示屏為主，執(zhí)行各運動部件中的電機啟停和頻率調節(jié)、上下限位置和往返次數(shù)設置以及當前運行參數(shù)顯示等功能。控制系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 采膠機的控制系統(tǒng)原理Fig.8 Principle of the control system of the rubber picker

移動式全自動采膠機的作業(yè)定位實現(xiàn)，依據(jù)運動順序可分為樹位選取、針刺點鎖定以及針刺深度控制。當運動到固定架時，通過紅外線傳感器與固定架之間的感應造成電信號的波動，PLC接收到該處信號后，便控制電機實現(xiàn)停車，完成采膠機初步的定位。當采膠機完成初步定位后，升降模塊、抱緊模塊、針刺模塊依次運動，刺針點選擇、刺針進給量以及針刺孔數(shù)量等作業(yè)模式，是通過程序編寫所控制，因此，可在升降模塊與針刺模塊的有效運動行程下，選擇刺針的作業(yè)模式。在完成前兩步定位后，刺針便開始作業(yè)，與樹皮接觸時受到外力作用會產生彈性變形，拉力傳感器表面的電阻也將發(fā)生變化，從而完成將外力變換為電信號的過程。在刺針刺入時電信號會根據(jù)皮層的硬度進行變化，最終通過對力值范圍的判斷與選取，來確定刺針在樹皮內部停止的位置，由此實現(xiàn)采膠位置的準確定位目的。PLC會根據(jù)接收到針刺裝置反饋的電信號，進行樹皮的刺入力值、深度位置等參數(shù)的實時記錄與繪圖顯示。PLC控制系統(tǒng)采用外接電壓為24 V的鋰電池進行供電。主機的接線端口如圖9所示，由PLC控制器通過有線式連接多個驅動模塊來實現(xiàn)對應功能。傳感器將實時采集到的信息發(fā)送到PLC，與計算機建立遠程通信，將環(huán)境參數(shù)實時上傳至計算機中。

圖9 采膠機PLC主機的接線端口Fig.9 Wiring port of the PLC host of the rubber picker

2.3 人機交互界面設計

移動式采膠機系統(tǒng)的人機交互界面，包括手自動操作頁面與樹皮厚度測量頁面。可根據(jù)需求對采膠機的作業(yè)模式進行選擇，包括完成移動行走、姿態(tài)變換、位置確定、采膠作業(yè)等操作流程；當選擇手動操作模式后，依據(jù)左右兩側區(qū)域的功能選擇按鈕對測量頁面參數(shù)實現(xiàn)調整，并完成采膠機各項作業(yè)動作的調整與確認，同時根據(jù)數(shù)顯面板也能夠觀察與判斷各個工位的運行情況。數(shù)據(jù)值可通過傳感器采集與用戶輸入進行獲取，每次的作業(yè)數(shù)據(jù)以圖表的形式展示，便于后期對采膠參數(shù)的分析與研究。在樹皮厚度測量頁面中可根據(jù)刺入深度的實時情況，來設定刺針的最大行程，刺入過程中頁面上反饋出壓力、位置等參數(shù)的變化，是根據(jù)壓力傳感器傳送回來的信號進行實時調整所顯示的，如圖10所示。在24 V鋰電池提供電源保障的條件下，無線數(shù)據(jù)通訊模塊主要完成橡膠樹針刺測量系統(tǒng)與外界的通訊，可將針刺測量系統(tǒng)輸出的樹皮深度、阻力等信息，轉化成電流原始數(shù)據(jù)來輸出給上位機，最終在界面終端進行顯示。為了防止在作業(yè)過程中出現(xiàn)過載，通過程序的編寫與設定，讓工作部件在接近極限狀態(tài)時自動停止工作，來保證整個系統(tǒng)供電正常，并在系統(tǒng)工作電流超過閾值時進行系統(tǒng)保護。采膠機作業(yè)時具體的信號反饋流程如圖11所示。

圖10 數(shù)控面板的操作界面Fig.10 Operation interface of CNC panel

圖11 針刺深度控制系統(tǒng)架構Fig.11 Acupuncture depth control system architecture

3 試驗分析

3.1 試樣材料的準備

本次采膠的試驗樣品選擇為，中國熱科院橡膠所種植的已達到開割要求的橡膠樹，分別選取10株橡膠樹進行試驗，并每株樹對應1個試驗組別，每株樹的長勢良好，平均割齡為10年，樹徑在70～80 cm之間。

3.2 試驗方法與結果

共進行A、B兩組試驗，每組試驗重復4次。A組試驗為全自動采膠機來完成的采膠作業(yè)，B組則是由膠工操作傳統(tǒng)割膠刀進行的采膠作業(yè)。根據(jù)所設定的采膠次數(shù)、采膠耗時、出膠次數(shù)與出膠率，來對比分析采膠機與傳統(tǒng)的割膠作業(yè)之間差異性。具體的試驗對比結果如表2所示。

表2 采膠機與傳統(tǒng)割膠刀的試驗對比結果Tab.2 Test comparison results of rubber tapping machine and traditional rubber tapping knife

從A組與B組的采膠效果相比中能夠發(fā)現(xiàn)，在同樣的作業(yè)次數(shù)下，全自動采膠機的針刺速度要稍微快于傳統(tǒng)割膠刀的割膠速度。但由于該采膠結構只設計一處針孔，因此每次作業(yè)只能在樹干上刺入一針，并且針眼口徑的限制造成出膠量有限，需要后期配合乙烯利的刺激，以及適當?shù)財U充每次采膠作業(yè)的針孔數(shù)。雖然全自動采膠機的作業(yè)是通過系統(tǒng)編程進行控制，但由于每株樹存在生長的不一致性，導致抱緊裝置需要耗費一定的時間去適應，因此對于采膠時間上會出現(xiàn)不同的情況。在作業(yè)模式上，該采膠裝備的研發(fā)以及關鍵技術的突破，也為全自動采膠作業(yè)的實現(xiàn)提供可能性。

如圖12、圖13所示，在刺針刺入樹皮的過程中，先經過樹干外圍的粗皮與砂皮，因此前期受到的阻力會不斷增加，到達黃皮時阻力值保持穩(wěn)定；當穿過水囊皮后，由于該處的樹皮組織硬度較低，因此阻力值開始下降；達到形成層后由于其硬度較大，造成阻力值又再次增加，并且相比較刺入初期的上升速率會更快。

(a)滑軌移動

圖13 樹皮刺探的數(shù)值顯示Fig.13 Numerical display of bark probing

4 結論

1)針對膠園作業(yè)的復雜工況，將針刺采膠技術與全自動割膠機融合，解決了樹干不規(guī)則、樹皮厚度不均一對自動化裝備采膠的影響。應用鋼絲軟軌移動，有效規(guī)避了復雜的地形與樹位對采膠機的影響，大幅降低了鋪設硬軌成本。

2)采用智能傳感器與自動控制技術，突破了樹皮厚度探測、采膠深度自主調控，耗皮量的精準控制，采膠位置的精準定位，裝備在鋼絲軟軌上的行走與停車，采膠模塊刺針的自動作業(yè)與復位等關鍵技術，實現(xiàn)了采膠模塊在水平方向與豎直方向上的協(xié)同運動。

3)該全自動采膠裝備的結構緊湊、質量輕盈。具備采膠位置智能調節(jié)、識別與記憶，采膠深度記錄與顯示，故障報警等功能。整機質量為27.5 kg，采膠時間平均約為10 s/株，即每作業(yè)一次便進行兩針刺的采膠動作，刺入的平均深度耗皮量為1.4 mm。