小型樹苗扦插機的設計*

王迎輝 ，孫浩然 ，解華臻 ，張 巖 ，盧振生

（綏化學院，黑龍江 綏化 152061）

0 引言

2020年7月21 日，聯合國糧農組織發布的《2020年全球森林資源評估》報告顯示，全球森林面積持續減少，自1990年以來，全球森林面積持續縮小，凈損失達1.78億hm2；但與此同時，一些國家通過造林和森林自然擴張不斷增加森林面積，近10年來我國森林面積增長率位居全球第一[1]。我國是世界上荒漠化面積最大、受影響人口最多、風沙危害最嚴重的國家之一。《2022年中國國土綠化狀況公報》顯示，目前，我國森林面積2.31億hm2，森林覆蓋率達24.02%。2022年全年完成人工造林120萬hm2[2]。近年來，我國推出了植樹造林、防風治沙、退耕還林等一系列政策，堅持治山、治水、治沙相配套，封山、育林、育草相結合，禁牧、休牧、輪牧相統一，積極推進荒漠化、石漠化防治[3]。而植樹造林、種草恢復植被是防治荒漠化的最有效手段。

我國為了治理土地荒漠化耗費了大量人力，工作環境十分惡劣，提高機械化種植水平是降低勞動力成本的重要手段。隨著當今機械自動化技術的不斷發展，其他各項技術也得到了完善，但在植樹機械領域，仍存在造價昂貴、操作復雜、負載較大等缺點。課題組旨在設計一種成本低、可代替人工的小型樹苗扦插機樣機，該裝置能夠實現儲存、進給、扦插樹苗等一系列功能，提高植樹作業效率。

1 扦插機結構設計

1.1 總體結構設計

扦插機主要由儲苗盒、齒輪齒條、曲柄滑塊、落苗筒、底盤板塊、步進電機等組成，通過SolidWorks繪制扦插機的各個零部件，并對其進行建模及裝配，便攜式扦插機三維模型如圖1所示。

圖1 便攜式扦插機三維模型

根據預期功能初步擬定工作過程為：接通電源，初始化完成后，給傳動機構提供動力使得頂部運動機構中的儲苗盒沿苗盒軸線方向移動一個苗筒的距離；苗筒中的樹苗借助重力下落到落苗機構，由扦插機構進行扦插工作；按壓塊將樹苗壓入土中，完成樹苗扦插；人工操縱控制器整車移動到下一扦插位置，進行下一次扦插作業，其架構邏輯如圖2所示。

圖2 架構邏輯圖

1.2 主要部件設計

1.2.1 頂部運動機構

儲苗盒是裝載樹苗的主要零件，儲苗盒的設計需要考慮如下因素：1）避免樹苗在運輸過程中受到損傷；2）方便樹苗的種植；3）保證樹苗的成活率?；谝陨峡紤]，頂部苗盒具體結構如圖3所示。

圖3 頂部運動機構圖

1.2.2 落苗機構

落苗機構結構如圖4所示，直筒式扦插裝置由直筒和斜筒相貫而成，樹苗從儲苗盒落入斜筒中，經過傾斜通道到達直筒；直筒上方設置按壓塊，工作時按壓塊上下往復運動，實現扦插樹苗的重復工作?？紤]到樹苗下落的通暢性，結合樹苗的形狀尺寸，對此部分進行運動學分析，對直筒與斜筒相貫時的軸線夾角進行設定，設定此夾角為12°。直筒中間有一通槽，為了使落苗機構與扦插機構聯動且互不干涉，此槽的長度為330 mm，寬度為10 mm。斜筒內壁均勻涂抹潤滑油，摩擦阻力忽略不計，故樹苗可以實現下落[4]。

圖4 落苗機構結構圖

1.2.3 傳動機構

傳動部分采用齒輪傳動和齒輪齒條傳動機構，傳動末尾齒條機構與儲苗盒連接運動，通過PLC一體機對步進電機編程，最終實現儲苗盒間歇運動[5]。齒輪傳動機構三維模型如圖5所示。

圖5 齒輪傳動機構結構圖

電機軸與中間傳動軸之間的軸距A1=60 mm，中間傳動軸與工作軸中心距A2=80 mm，參考齒輪的選型設計，計算所需齒輪參數。

輸出齒輪周長計算公式為：

式中，d為輸出齒輪直徑，mm；m為模數，取2 mm；z為齒數，取20齒。

儲苗盒運動一個周期，與工作齒輪嚙合的齒條移動8個齒，工作齒輪轉動角度α為：

工作一次，儲苗盒的運動距離為：

西方國家企業早已將財務管理提高到戰略地位。同時，他們還開發了平衡計分卡、戰略地圖等輔助財務分析工具。雖然近年來，我國經濟的快速發展，無論是管理能力和管理要求都有了很大的提高，我國的企業也采用了平衡計分卡的財務分析工具不斷提升內部管理水平和管理效率，逐步實現精細化管理模式。但大多數企業仍然停留在基層財務管理，以企業內部業務為中心，整體管理水平還比較低。在“互聯網+”發展背景下，社會經濟呈現信息的復雜局而，因此，企業需要不斷加強財務理念的組織創新和管理。

式中，α為工作齒輪的轉動角度，取72°；C為輸入齒輪周長，取251.2 mm。

1.2.4 扦插機構

扦插機構由曲柄滑塊機構組成，如圖6所示，曲柄滑塊機構是扦插系統的關鍵部分，能夠利用連桿實現較復雜的運動規律和運動軌跡，以實現遠距離控制。為了能夠配合落苗機構，用到了曲柄、連桿、按壓塊，將曲柄的旋轉運動轉化為按壓塊的直線往復運動，按壓塊向下按壓樹苗，實現了扦插的功能。

圖6 曲柄滑塊機構簡圖

根據實際設計要求，應盡可能地使按壓塊下落較快，使小樹苗深入土壤，保證扦插任務的完成。結合落苗機構中的苗筒尺寸考慮，按壓塊所在最高點與最低點兩個極位之間距離為300 mm，故按壓塊走過的行程H為300 mm。結合扦插機底盤尺寸考慮，曲柄軸心與按壓塊中心的垂直距離為200 mm.

因設計要求，曲柄滑塊機構具有急回特性，而行程速比系數K越大，急回特性越顯著，所以取K=1.5。極位夾角θ的計算公式為：

采用解析法[6]計算曲柄長度A與連桿長度B：

式中，H為行程，取300 mm；e為偏距，取200 mm；θ為極位夾角，計算得θ為36°。

2 控制系統設計

2.1 總體控制方案

控制器傳遞信號給STM32從而驅動直流電機實現底盤的移動，STM32反饋信號給PLC一體機，控制兩個步進驅動器分別調節儲苗盒電機和曲柄電機，施加植樹命令即可實現裝置自動扦插和移動的操作[7]。控制系統原理流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統原理流程圖

2.2 底盤系統工作原理

底盤運動的控制與實現是通過上位機與下位機通信來實現的，即控制器（PS2無線手柄）與STM32單片機之間的通信，先通過控制器向STM32發送指令，STM32再根據所接收的信息控制電機轉速來使底盤運動，通過改變底盤的目標速度來實現控制。目標速度經過運動學分析函數得出每個電機的實際輸出，最后通過PID速度控制函數來實現電機的速度控制[8]，底盤驅動控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 底盤驅動控制程序流程圖

2.3 儲苗機構和扦插機構系統工作流程

接通扦插機電源，儲苗機構和扦插機構分別進行初始化。苗盒電機反轉，使儲苗盒向后移動，接觸到原點接近開關后，苗盒電機停止轉動，儲苗盒處于原點位置。此過程中，曲柄電機也同步轉動，當接近開關感應到連桿轉動到初始位置時，曲柄電機停止轉動，此時的按壓塊處于初始位置，整個初始化過程完成。通過控制器對STM32發送工作指令，苗盒電機轉動，使苗盒進給相應的位移，曲柄電機轉動一周，通過按壓塊對樹苗施加壓力，使樹苗插入土中，完成扦插動作[9-10]。通過儲苗盒是否接觸終點接近開關來間接檢測儲苗盒是否有殘余樹苗，有殘余樹苗時會處于等待工作指令的狀態，沒有樹苗則進行初始化過程?？刂葡到y程序流程圖如圖9所示。

圖9 控制系統程序流程圖

3 結論

本研究以扦插機為主題，基于國內環境及土地荒漠化現狀，依據機械設計和相關理論設計了一種樹苗扦插機樣機，得出了相關創新研究結論，具體如下：

1）儲苗盒選擇由若干個小格子組裝而成的長方體結構較為合理；

2）落苗機構設計為兩個筒組合相貫而成的結構，可實現樹苗順利下落；

3）進給傳動機構研發采用齒輪、齒條傳動方案，可實現儲苗盒沿水平直線方向移動；

4）扦插機構研發采用曲柄滑塊機構，可實現自動化扦插。