基于PLC的橡膠樹皮非線性力學性能探測裝置設計與試驗

摘""要：為了獲取橡膠樹皮結構力學特性參數，解決機械化采膠裝備研發中采膠深度精準探測和耗皮厚度精準控制技術無可靠依據提供參考的問題，設計一種基于可編程序邏輯控制器（programmable"logic"controller，"PLC）的橡膠樹皮非線性力學性能測量的試驗裝置，實現橡膠樹皮力學特性的自動化連續探測和數據采集，以及樹皮厚度的高精低損測量。并應用于熱研7-33-97和PR107兩個品系的15齡、20齡、25齡橡膠樹上進行樹皮力學性能試驗研究，建立刺入過程中刺入力隨刺入深度變化的數學模型。結果表明：該裝置工作性能穩定，不同品系、不同樹齡的樹皮刺入力隨刺入深度的變化曲線形態相近，均呈高-低-高的趨勢變化，并與樹皮結構分層特性高度相關；相同樹齡下，熱研7-33-97和PR107兩個品系的刺入力情況差異不明顯，同品系的大樹齡比小樹齡刺入力更大，在1.0"mm針刺下，刺入力最大峰值可達48.5"N。該試驗裝置滿足橡膠樹皮結構力學特性參數的探測需求，并為機械化采膠裝備的研發提供理論基礎。

關鍵詞：橡膠樹皮；刺入力；力學性能；采膠深度中圖分類號：S776""""""文獻標志碼：A

Design"and"Test"of"Nonlinear"Mechanical"Properties"Detection"Device"of"Rubber"Bark"Based"on"PLC

CHEN"Warong1，2，"CAO"Jianhua1，2，"FAN"Bo1，2，"ZHANG"Yishan1，2*，"XIAO"Suwei1，2*，"DENG"Xiangfeng1，2

1."Rubber"Research"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"2."Mechanical"Sub-center"of"National"Important"Tropical"Crops"Engineering"Technology"Research"Center，"Haikou，"Hainan"571101，"China

Abstract："In"ordernbsp;to"obtain"the"structural"mechanical"property"parameters"of"rubber"bark"and"solve"the"problem"that"there"is"no"reliable"reference"for"accurate"detection"of"rubber"depth"and"accurate"control"of"skin"loss"thickness"in"the"research"and"development"of"mechanized"rubber"picking"equipment，"a"test"device"for"nonlinear"mechanical"property"measurement"of"rubber"bark"based"on"PLC"was"designed"to"realize"automatic"continuous"detection"and"data"collection"of"rubber"bark"mechanical"properties"with"high"precision"and"low"loss"measurement"of"bark"thickness."The"mechanical"properties"of"bark"of"15-，"20-"and"25-year-old"rubber"trees"of"Reyan"7-33-97"and"PR107"were"studied，"and"the"mathematical"model"of"piercing"force"with"piercing"depth"was"established."The"experimental"results"showed"that"the"performance"of"the"device"was"stable，"and"the"piercing"force"curves"of"different"strains"and"different"ages"were"similar，"showing"a"high-low-high"trend，"and"were"highly"correlated"with"the"layered"characteristics"of"the"bark"structure."Under"the"same"age，"the"piercing"force"of"two"strains"of"Reyan"7-33-97"and"PR107"was"not"significantly"different，"and"the"piercing"force"of"older"trees"of"the"same"strain"was"greater"than"that"of"younger"trees."The"maximum"piercing"force"reached"48.5"N."The"test"device"meets"the"requirement"of"detecting"structural"mechanical"parameters"of"rubber"bark"and"provides"theoretical"basis"for"the"research"and"development"of"mechanized"rubber"harvesting"equipment.

Keywords："rubber"tree"bark;"penetration"force;"mechanical"property;"tapping"depth

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2024.08.020

天然橡膠是重要的國防戰略物資和工業原料，廣泛應用于國防、航空航天、醫療衛生、國計民生等領域。我國現有橡膠樹種植面積約114.53萬hm2，分布在廣東、海南和云南，是熱區膠農的主要經濟來源[1]。采膠作業目前主要依賴人力，采膠成本占生產成本的70%以上。由于人工采膠技術要求高、勞動強度大、效率低等特點，加上國際橡膠價格多年來持續低迷，技術膠工大量流失、膠工老齡化嚴重，導致膠園大面積棄管棄割（據統計，2019年全國棄管面積達14.6萬hm2，棄割面積達6.5萬hm2）。我國年消費量約643萬t，而年產量約83萬t，自給率已不足13%，國防戰略物資的安全供給已受到嚴重威脅[2-3]。

生產的機械化、智能化、信息化是產業破解用工荒，有效降低人力成本，提高生產效益的有效手段。采膠是一項特殊的農作物收獲方式，割皮時行刀深度和耗皮厚度需要根據樹皮結構進行毫米級控制，以保證橡膠樹產膠量及采膠年限，否則，割皮過深傷及樹皮中的水囊皮層，將導致橡膠樹死皮而無法持續產膠，割皮過淺不及黃皮層指定位置則減少膠水產量。橡膠樹具有樹干輪廓生長不規則、樹皮厚度不均一的生物學特性，機械化采膠技術及裝備經過近半個世紀的探索，已取得一定進展，但未能在生產上大面積推廣應用[4-5]。因此，測定橡膠樹皮結構力學特性、采膠深度精準探測和耗皮厚度精確控制是保證采膠作業質量的關鍵技術。

目前，橡膠樹皮切割力學特性、樹皮組織結構與切割力相關性等研究尚缺，但在甘蔗、構樹、棗樹等作物的收獲裝備研發中，已有眾多成功案例。劉慶庭等[6]利用高速攝影對光刀片切削甘蔗莖稈的破壞進行了切削力試驗研究，得到了影響切削力的主要因素。李寧等[7]通過分析剪切角度、刀型與剪切速度對棗樹枝條剪切性能的影響規律，獲得枝條剪切力學特性參數，為設計棗樹枝條修剪、粉碎機械提供參考。李直等[8]研究了甘蔗纖維組分與力學性能的關系，發現植物纖維素與半纖維素含量對甘蔗力學性能具有積極作用，對不同部位處彈性模量影響明顯。劉天宏等[9]通過對雜交構樹不同部位的韌皮部和木質部進行剪切、壓縮、彎曲、扭轉和撕裂力學特性研究，發現其參數有顯著差異，為雜交構樹收割過程中的損傷問題及雜交構樹收獲機的研制提供參數依據。此外，方玨等[10]與米強等[11]通過對棗枝剪切特性研究，發現紅棗枝條剪切強度、組織破壞應力與直徑密切相關，對紅棗枝條，棗枝密度、抗剪強度之間均呈多項式函數正相關，含水率與抗剪強度之間呈冪函數負相關。由此可見，結合植物生長特性，通過應用適宜的試驗裝備對木本植物進行切割力學性能試驗研究可以很好地解析木本植物生物力學特性及其影響因素，為收獲裝備的研發提供基礎依據。

天然橡膠由切割橡膠樹皮而獲得，本研究針對橡膠樹皮結構特征，應用力學傳感器，設計一款橡膠樹皮非線性力學性能探測裝置，可應用于不同工況下橡膠樹皮力學特性采集與分析。采用該裝置進行天然橡膠樹皮結構力學特性研究試驗，獲取熱研7-33-97及PR107兩個品系、多個樹齡的樹皮切割力值及其變化規律，為采膠裝備的設計提供農藝數據基礎，助力機械采膠方法與采膠技術創新。

1""天然橡膠樹皮結構特征分析

天然橡膠采膠部位是樹干樹皮，主要包括粗皮、沙皮外層、沙皮內層、黃皮和水囊皮5個層次，其中水囊皮層包括有功能次生韌皮部及形成層[12-18]。在割膠作業中，應控制合理深度，避免損傷到水囊皮，水囊皮的損傷將影響橡膠樹的高產穩產。橡膠樹樹皮的厚度約7.0～14.0"mm[19]，其中，有疏導功能韌皮部（即水囊皮）的厚度為0.2～1.0"mm，在我國常規割膠規定中，割膠深度是保留形成層外1.0～1.5"mm的樹皮不割，因此，機械割膠需要達到毫米級控制，才能確保割膠深度和防止傷樹。天然橡膠采膠深度與樹皮結構關系如圖1所示。

安全的采膠深度由樹皮結構分層特性明確具體位置，樹皮結構分層特性基于其內含有乳管、石細胞、篩管等組織的數量[20]，有清晰的軟硬度之分，所以樹皮結構的不同層次有不同的切割特性。通過探測切割力變化大小，分辨樹皮分層情況，從而判斷采膠深度。此外，樹皮切割力特性直接影響采膠裝備的切割機構設計、動力設計，是裝備研發的關鍵設計因素。

2""裝置整體結構設計與原理

2.1""結構設計

基于機械設計原理，應用SolidWorks三維設計軟件進行裝備的數字建模與結構設計[21]，效果圖如圖2所示。該探測裝置主要由裝有力學傳感器的探測器、控制器、固定架三部分組成。探測器主要由探針、快速夾頭、聯軸器、力學傳感器、驅動電機、直線模組、連桿、夾緊座、固定板、加強板等零部件組成，探針通過快速夾頭連接于力學傳感器的輸出端，力學傳感器固定端通過聯軸器連接于直線模組的輸出軸。聯軸器設為剛性，以保證刺針與直線模組運動方向在同一直線上，提高測試精度；快速夾頭可以適應不同直徑刺針的快速裝夾應用；直線模組固定于固定板上，固定板通過連桿與夾緊座相連，并夾緊式地固定在固定裝置上，連桿穿過固定裝置的滑槽，可在滑槽里順暢滑動，方便裝置對不同樹皮位置的刺入力探測試驗操作。力學傳感器可為應變式力學傳感器，在外力作用下，傳感器內置的彈性體會發生彈性變形，使其表面粘貼的電阻應變計（轉換元件）也會隨著變形，應變計電阻的響應變化，再通過響應的測量電路將電阻變化轉換成電信號（電流或者電壓），從而實現將外力轉換成電信號進行采集的過程[22]，傳感器側面置有輸出數據

線，另一端接入控制器。控制器內設有PLC控制模塊、數據采集卡、人機界面（human"machine"interaction，"HMI）、高速采樣智能儀表、電源等；通過系統編程與連線，實現PLC對探測器直線模組的運動控制及采集卡對力學傳感器的數據采集與傳輸。固定架由上下對稱的環形軌道、多組萬向螺絲夾頭、支撐桿組成。測量時，將環形軌道環抱于樹干上，通過萬向螺絲夾頭組頂緊樹面進行裝備的固定，調整夾頭的伸出長度使環形軌道中心與樹干中心重合，萬向螺絲夾頭可適應樹干表面凹凸不平的特點，加強安裝穩固性。環形軌道上設有U形孔，使探測器可在軌道上繞樹周定向精確移動，完成樹干周向多點力學試驗。支撐螺桿將兩組環形軌道連接，使裝備結構更穩定，避免設備自身振動、滑移等因素影響測量結果的準確性。

2.2""工作原理

PLC具有功能豐富、可靠性高，能數據處理、數據通信、自動化控制等功能[23]。基于橡膠樹皮從外向里的分層生物生長特征，本研究設計基于PLC的橡膠樹皮非線性力學性能探測裝置，采用針刺方式使刺針以一定速度（v）依次穿透各樹皮層，結合精密力學傳感器及其數據采集技術、PLC控制技術，實現刺針穿透各樹皮層過程其阻力值（F）隨時間（t）、位移（x）變化特性的提取和分析，從而達到樹皮各分層結構力學特性探測的目的，為自動化采膠裝備獲取水囊皮層位置、樹皮厚度及采膠深度精準控制提供基礎支撐。針刺樹皮模型如圖3所示，其中，，式中，H為樹皮厚度（mm）；v為刺針速度（mm/s）；t為工作時間（s）。

工作原理：當設備啟動后，PLC控制直線驅動器啟動，將探測針以設定速度勻速推出并刺入到樹皮中，力學傳感器受樹皮阻力產生形變，電壓發生變化，力學高速采樣儀表采集到電壓變化數據并傳輸給PLC以及USB數據采集設備，PLC根據壓力變化值確定繼續刺入或者退針，數據采集卡則將采集到的壓力變化值傳輸給PC機，PC機數據分析軟件記錄數據。可通過移動探測器完成周向不同位置的樹皮探測試驗。

3""探測裝置控制系統設計

3.1""控制系統硬件設計

該測試裝置的控制系統主要由控制箱、電源開關、啟動按鈕、數據輸出端口、PLC控制器、HMI觸摸屏、高速采樣儀表、USB數據采集卡、

電源等組成。其中，高速采樣儀表型號為Y-300C，是針對測力應用開發的一款高速采樣智能儀表，采用TFT真彩液晶屏顯示，具有數字濾波、自動零位跟蹤功能，將刺入力值可視化，實驗員可以實時觀測到力值的變化情況；配置S型拉壓力傳感器，傳感器量程為50"N，輸出靈敏度為2.0±10%"mV/V，重復性0.1%"F.S，安全過載120%"F.S；采用NI-6002數據采集卡進行數據獲取與分析，其支持4通道差分輸入或8通道單段輸入，逐次逼近型ADC模擬采集分辨率為16位，最大采樣率為50"kS/s，數據采集卡與高速采樣儀表數據輸出端口連接，可將傳感器受到的刺入力進行連續采集并通過數據端口輸出，將電腦連接數據輸出端口即可觀測及記錄刺入力的變化波形圖；通過HMI觸摸屏可設置電機的速度、行進位移等參數，通過PLC控制直線模組的運動（圖4）。

3.2""控制系統軟件設計

控制系統設計要求可根據實時刺入力大小或刺入深度變化情況自主完成刺針的推入或退回操作，并記錄預設壓力到達時的探測最大深度及電機實時運行位。主程序控制流程如圖5所示，系統啟動后，先進行各功能模塊的初始化，檢查直線電機軸驅動是否正常，以保障探測精度。原點復位后開啟探測，依據采集到的壓力值是否到達以及設定的最大位移值實施刺入軸的伸出和收回：到達預設壓力值時退回刺針，否則繼續執行刺入操作。

3.3""軟件操作系統界面設計

刺入力探測裝置設計的PLC控制回路實現與HMI通訊、測力儀表控制、行動元驅動控制等功能，其操作系統界面主要包括運行監控界面、參數設定與控制界面、操作說明界面，設備通電即進入運行監控界面（圖6）。

在控制器的觸摸屏上，可以調節設定直線驅動器的運動速度、最大位移、到位延時時間等參數，可以適應不同樹齡、樹皮厚度的試驗條件需求，也可以實時看到探測的樹皮深度值，以及達到設定的阻力值時探針最終達到的最大深度值，進而使操作者輕松獲取樹皮厚度及切割力數據。

4""試制與試驗

4.1""試驗設計

研制基于PLC的橡膠樹皮非線性力學性能探測裝置，在熱研7-33-97及PR107兩個品系15齡、20齡、25齡3組不同樹齡橡膠樹上進行樹皮刺入力測試試驗。供試橡膠樹取自海南省海口市，選取無病害和損傷的原生皮樹干作為試驗對象，測試部位高度為離地1.2"m。以刺入力作為性能指標，品系和樹齡作為影響因子，設置兩因素和三水平，進行2×3試驗（表1），共6個組合，每組5個重復，測試及采集每組樹干樹皮刺入力情況。

4.2""試驗方法

如圖7所示，將裝置環形軌道環抱于指定位置的樹干上，并逐步擰緊各萬向螺絲夾頭頂住樹干表面，使裝備水平X向與樹干縱向Z垂直，且其環軌中心盡量與樹干中心對齊，保證探針垂直刺入樹干樹皮中。試驗中，選取探測針直徑1.0"mm，刺入速度設置恒定為3"mm/s，系統設定輸入電壓范圍為±10"V，刺入力與電壓變化成線性關系，計算公式為：

式中，F為刺入力（N）；F量程為傳感器量程50"N；U1為最大輸入電壓10"V；U2為當前輸出電壓（V）。

試驗后力學性能探測裝置將以一定頻率自動采集刺入力的數值，并以波形圖及Excel表格形式輸出。

4.3""數據處理

樹皮的力學特性試驗每組設置5個重復，利用National"Instruments"USB-6002型數據采集器系統NIDAQExpress軟件進行數據采集與分析[24]，利用Excel軟件對試驗數據進行整理和預處理，利用Origin軟件對試驗數據進行多項式擬合[25]。

4.4""試驗結果

采用測量裝置對熱研7-33-97和PR107的橡膠樹原生皮進行試驗數據采集，結果顯示，該裝置的工作性能穩定，數據采集順暢，每組波形的形態相似，探測器刺入樹皮過程的力學傳感器模擬量輸入電壓值隨時間的變化曲線均呈升-降-升的態勢，體現出刺入力的變化與樹皮結構特性高度相關（圖8）。

在采膠裝備的動力設計過程中，切割樹皮所需的切割力大小是設計的關鍵參數，為探明刺針刺入樹皮所需的外力，提取所有測試組在開始刺入外層粗皮時產生的最大峰值及刺入黃皮后產生的最小值進行數據分析，通過刺入力與電壓的線性關系公式可算出刺入力值，刺入力值采集結果如表2所示。結果顯示，在熱研7-33-97原生皮試驗中，15齡、20齡、25齡的最大刺入力均值分別為35.2、38.9、42.5"N；在PR107原生皮試驗中，15齡、20齡、25齡的最大刺入力均值分別為35.9、38.8、46.5"N。表明大樹齡的刺入力比小樹齡大，刺入力峰值可達48.5"N，波谷值為14.0"N；相同樹齡下，2個品系的樹皮刺入力無明顯差別。

5""數據分析

為進一步分析橡膠樹皮結構力學特性，選取其中一組數據采集結果的波形進行數據分析，如

圖9所示，在探針刺入樹皮過程中，刺針從接觸到樹皮外表層起，刺入力開始增大（a點），電壓增大，穿透樹皮外層時刺入阻力達到最大值（b

點），刺穿后進入砂皮內層及黃皮層，由于其石細胞較少，乳管逐漸增多，硬度逐漸降低，刺入阻力逐漸變小，電壓減小，當到達水囊皮層后，無石細胞，阻力達到最低點（c點），而后接觸木質部時迅速增大（d點）。結果驗證了樹皮各層結構中，從外向里石細胞逐漸減少使其硬度逐漸降低，切割阻力逐漸減少的特征，進而推斷出波形圖中各點對應的樹皮層位置以及樹皮厚度。如圖9中，刺針接觸外皮層時的a點坐標為（1.232，"0.014）；穿透樹皮外層時的b點坐標為（2.296，"8.672）；刺到水囊皮層時c點坐標為（4.048，"2.905）；最大刺入力為43.36"N，由于刺針為勻速運動，則樹皮厚度為8.448"mm。

測試裝置刺針的刺入速度設定為勻速，因此，由實測所得的刺入力隨時間變化曲線即可得出刺入力隨刺入深度的變化曲線，進一步推導出刺入力隨刺入深度變化的函數關系式。在DAQExpress系統中，將刺針穿透樹皮過程所采集到的數據進行捕捉（即圖9所示的a～d點數據），并進行交互性分析，實現曲線多項式擬合。選取最小二乘法及SVD求解算法進行最佳多項式擬合，建立樹皮刺入過程模擬量數值（Y）隨時間（X）變化的數學關系模型，即：Y刺入=?0.349+28.5X?34.5X2+"19.7X3?"5.96X4+0.743X5，殘差為0.069。

為進一步分析樹皮刺入過程的力學變化規律，將DAQExpress捕捉的數據導出并進行換算后作為原始數據導入至Origin系統中，進行刺入力與刺入深度關系多項式擬合，獲得函數關系式，并通過擬合系數的大小來判斷曲線吻合度。擬合結果表明，階數為5時，R2為0.98，接近1，預測值對試驗值的擬合程度最佳，為最佳擬合模型，即獲得的刺入力與刺入深度關系式為：y=intercept+"B1x+B2x2+B3x3+B4x4+B5x5，式中，因變量y為刺入力（N）；自變量x為刺入深度（mm）；intercept為截距，其值為?1.72293±0.03803；B1～B5為回歸系數，依次為47.63916±0.07773、?19.19303±"0.04872、3.65281±0.01250、?0.36809±0.00139、0.0153±5.60942E-5；殘差平方和（SSE）為68186.52575，R2為0.98497。擬合結果如圖10所示。

6""討論

本研究根據橡膠樹皮結構生長特性，提出基于PLC控制技術，結合力學傳感器監測、模擬量數據采集方法，研制橡膠樹皮非線性力學性能探測裝置，可實現不同工況下橡膠樹皮刺入過程力學特性的自動化連續探測和數據采集、記錄和分析，以及樹皮厚度的在線高精低損測量。與常規樹皮制樣力學性能試驗技術相比，該裝置采用樹皮樹干上在線自動化檢測的方式減少了樣品采樣、制樣、運輸、預處理等繁瑣過程，降低外界干擾，檢測結果更精密，對樹的傷害更小；橡膠樹膠乳產自樹皮，不同皮層的乳管數量不同，出膠量不同，采膠技術則以樹皮層中的水囊皮層為邊界確認其采膠深度，因此，在橡膠樹皮厚度方向上以刺入方式采集橡膠樹皮各皮層的力學性質，探索橡膠樹皮非線性結構力學特性，更貼近采膠機藝融合的研究要求，采用該方法的橡膠樹皮力學性質解釋對自動化采膠裝備與技術的研究更具有參考性。

通過應用研制的橡膠樹皮非線性力學性能探測裝置對熱研7-33-97及PR107兩個品系橡膠樹進行探測試驗，結果表明，橡膠樹皮的刺入力大小與樹皮組織結構分層特性息息相關，刺入力從開始刺入外皮到木質部過程的力學變化均呈升-降-升的規律變化，升降的斜率及幅度也接近。由于橡膠樹樹皮是由粗皮層、砂皮層、黃皮層、水囊皮層、形成層組成，筆者初步判斷，各皮層的刺入力大小及變化過程存在一定規律。若結合試驗研究及大數據分析，探究其規律模型，用于研發更為智能的手持式或全自動采膠機，可實現農藝與農機的深度融合，有望突破機械采膠零損傷，達到既避免傷樹，又獲得理想產量的目的。尤其是針刺式等微創短線割膠的裝備研究，對割線式采膠機的研發亦可提供參考。

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