沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備設計

劉智豪， 李會榮， 郭朝陽， 李 根， 吳昭鵬， 付斌利

（陜西國防工業職業技術學院智能制造學院，陜西 西安 710300）

0 引言

我國地域遼闊，西北地區干旱少雨，荒漠化不斷加劇，可使用土地面積逐年減少，對建筑、公路等基礎設施造成極大的損害[1-3]。沙漠植樹作為解決土地荒漠化的主要手段之一，目前種植方式多為人工和簡單機械、半自動化種植的方式，勞動強度大、效率低及成本高[4-5]。針對當前種植方式的現狀，各專業院校進行了大量的研究。馬浩欽等[6]采用以太陽能為能量來源，創新設計了沙漠自動植樹機器人，可實現分苗種植，種植完成后對樹苗進行噴水作業。關佳征[7]設計了一款戈壁沙漠植樹機器人，可實現在各類復雜地形中實現樹苗的轉運、樹坑挖掘、樹苗栽種和土壤夯實等一系列作業。兩項研究拓寬了種植機械設備的適用范圍，但種植效率有待進一步提升。蒙賀偉等[8]改進設計了一款可用于沙土地大面積作業的多功能植樹機，在已有種植機的基礎上增加液壓控制功能，可實現樹苗的自主栽種，可靠性超過85%。經過不斷設計改進，種植設備的適用范圍及效率有了一定的提升，但設備的成本也隨之增加。

對以上產品的研究分析，可以得出目前沙漠種植設備主要圍繞設備自主運動、樹坑挖掘、樹苗自動輸送及沙土固定等方面進行研究，但種植設備大、成本過高和功能不齊全等問題仍較為突出。基于此，本研究通過對機械機構設計、關鍵零部件有限元分析及控制系統設計，研發一款小型的沙漠自主植樹澆灌設備，可實現樹苗的運輸、澆灌、鋪膜和固土等功能，并在保證種植效率的基礎上，大大降低種植成本。

1 結構設計

根據實際生產可知，沙漠種植樹苗高度30～40 cm、直徑1.5～3.0 cm 及種植深度 10～20 cm，本研究介紹的沙漠自主植樹澆灌設備均以此為設計標準。沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備結構如圖1 所示，整體設備運動流程如圖2 所示。

圖1 沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備Fig.1 Integrated equipment for planting，watering and coating in desert

圖2 整體設備運動流程Fig.2 Overall equipment movement flow chart

1.1 鉆孔裝置

鉆孔裝置采用曲柄滑塊機構，連桿端連接鉆頭，鉆頭由電機驅動，在步進電機的帶動下鉆頭進行豎直方向往復運動，實現鉆孔作業。鉆孔裝置如圖3 所示。

圖3 鉆孔裝置Fig.3 Drilling device

1.2 旋轉羅盤輸苗裝置

旋轉羅盤輸苗裝置由樹苗存儲管、轉盤、齒輪和步進電機等，如圖4 所示。將輸苗存放在樹苗存儲管內，旋轉羅盤輸苗裝置，主動輪與步進電機連接，從動輪通過螺釘與轉盤固定連接；樹苗存儲在儲苗管內，轉盤為雙層結構，與下層有唯一開口，從動輪帶動上層儲苗管轉動，儲苗管與輸苗管同軸心時，此時，整體設備向前行駛一定距離，使得輸苗管與所鉆孔洞同軸心，樹苗滑落至打孔裝置的孔洞內。

圖4 旋轉羅盤輸苗裝置Fig.4 Rotating compass seedling delivery device

1.3 Y 型出水裝置

Y 型出水裝置由水囊、水箱、機械爪、注水口和支架組成，如圖5 所示。水箱內儲存清水，底部安裝兩個機械爪，機械爪中固定有水囊，水囊通過軟管與水箱連接，可提供清水。當樹苗落入孔洞，并且出水裝置到達樹苗上方時，機械爪閉合，通過擠壓使水囊中的水定量流出，水囊底部出水口呈一定角度，由樹苗兩側沖刷沙土，從而實現澆水及回填沙土作業。

圖5 Y 型出水裝置Fig.5 Y-type water outlet device

1.4 薄膜鋪裁裝置

薄膜鋪裁裝置位于車輛尾部，整體由薄膜固定部分、薄膜切割部分和覆土盤3 部分組成，如圖6 所示。

圖6 薄膜鋪裁裝置Fig.6 Film laying device

車體前進帶動薄膜滾動進行鋪設，待樹苗到達指定位置時，薄膜切割部分利用曲柄搖桿機構實現刀片的往復運動，從而對薄膜進行間歇式切割，樹苗套入切割孔內。后方覆土盤隨車體前進翻動兩側沙土覆蓋至薄膜上，從而固定薄膜，起到減少水分蒸發、提高樹苗成活率的作用。

2 關鍵零件仿真分析

在結構設計過程中，使用Adams 2016 軟件對薄膜鋪裁裝置中的薄膜切割部分進行運動仿真分析，以確定其最終設計尺寸[9]。薄膜切割部分利用曲柄搖桿原理進行往復式運動，其中LAB=53 mm、LBD=110 mm、LAC=125 mm 和LDC=90 mm，曲柄AB為主動件，連桿EC往復運動。曲柄搖桿機構結構如圖7 所示。

圖7 曲柄搖桿機構結構Fig.7 Structure of crank rocker mechanism

首先應滿足最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和，即LAB+LAC≤LBD+LDC，滿足設計要求。之后，使用Adams 軟件對結構模型進行設置分析，采用 Adams 軟件進行此機構模型的創建，確定機構在某一瞬時時刻各鉸接點的位置坐標，并對Simulation Control 界面進行設置，仿真時間為35 s，仿真步數為 720。最終得到曲柄搖桿的位移、速度和加速度的曲線圖，根據經驗分析可知設計滿足要求。曲柄搖桿機構運動分析如圖8 所示。

圖8 曲柄搖桿機構運動分析Fig.8 Motion analysis of crank rocker mechanism

各單元均分布在車架之上，施加不同的載荷，使用ANSYS workbench16.0 對車架進行靜力學分析，判斷受力均勻及分布均勻情況。取重力加速度g=10 m/s2，其中打孔裝置載荷為70 N，旋轉羅盤裝置載荷為45 N，Y 型出水裝置水箱空載時為10 N，水箱儲水量為15 L，滿載時Y 型出水裝置載荷為160 N。車架材料為鐵。分別對水箱空載時、滿載時進行靜力學分析，車架有限元分析如圖9 所示。

圖9 車架有限元分析Fig.9 Finite element analysis of frame

由圖9a 可知，滿載時最大形變集中在車架兩側的打孔裝置處與水箱處，最大形變量為0.003 77 mm；由圖9b 可知，滿載時最大等效應變值為2.517e-05，主要集中在打孔裝置處與水箱下端的連接處；由圖9c 可知，滿載時最大應力為5.035 MPa，應力僅集中在車架固定的打孔裝置處，并且小于材料鐵的許用應力（105 MPa）；由圖9 d 可知，空載時最大形變集中在車架前側打孔裝置處，最大形變量為0.003 78 mm；由圖9e 可知，空載時最大等效應變值為2.163e-05，主要集中在打孔裝置處；由圖9f 可知，空載時最大應力為4.327 MPa，應力僅集中在車架固定的打孔裝置處，并且小于材料鐵的許用應力（105 MPa）。

通過以上對比，空載或滿載時各裝置的分布都未使得車架發生太大的形變，滿足設計要求。

3 控制系統設計

整體設備控制系統主要由小車運動控制系統、曲柄滑塊運動系統、種植系統、自動供水系統和鉆頭控制模塊等部分組成。

選用STM32F103ZET6 作為系統的控制器，STM 32 控制器如圖10 所示。通過C 語言對各個系統的控制邏輯進行編寫，從而實現各個子系統的組合控制。小車運動控制系統采用步進電機+聯動軸+輪子的直驅模式，選用了A4988 步進電機驅動模塊，通過STM 32控制器輸出脈沖，從而驅動步進電機轉動。通過單片機發出控制使能、時鐘脈沖和方向3 個控制信號就可以實現步進電機的驅動。

圖10 STM 32 控制器Fig.10 STM32 controller

曲柄滑塊運動系統采用帶導軌的步進電機控制模塊，通過STM32 控制器實時檢測系統的運行狀態，通過控制鉆頭的上下運動，實現鉆孔的動作；鉆頭控制模塊采用直流電機帶動鉆頭進行鉆孔，當曲柄滑塊向下運動時，直流電機帶動鉆頭開始打孔；種植系統采用步進電機+轉盤的控制模式，當小車運動到預定目標時，控制器控制步進電機帶動轉盤轉動到指定位置進行栽種；自動供水系統通過控制器對機械爪的舵機進行控制，采用機械爪壓縮水囊進行供水。整體設備接線如圖11 所示。

圖11 整體設備接線Fig.11 Overall device wiring

通過整體機械結構設計、電氣控制設計及關鍵零件仿真分析，對各零件制作加工裝配，最終制成沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備樣機。實際操作后，測得該設備可對高度30～40 cm、直徑1.5～3.0 cm 的樹苗進行種植，種植效率可達65 棵/h。沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備產品如圖12 所示。

圖12 沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備Fig.12 Physical diagram of integrated equipment for independent planting，watering and film laying in desert

4 結束語

介紹了一款沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設備，主要由鉆孔裝置、旋轉羅盤輸苗裝置、Y 型出水裝置、薄膜鋪裁裝置和鏈傳動車體組成，利用曲柄滑塊、齒輪傳動、曲柄搖桿機構和鏈傳動等機構實現鉆孔、輸苗、灌溉、鋪膜和車體運動等功能。在此基礎上，對設備車體架進行有限元分析，連桿機構進行動態仿真分析，確保設計的合理性，并完成設備機械結構的搭建。同時，使用單片機對控制系統進行編程設計，并接線調試，最終完成沙漠自主植樹澆灌設備的整體設計。整體設備功能齊全、操作簡單、種植效率高和樹苗存活率高。