朱斌海，于航，李長(zhǎng)威

(1.哈爾濱華德學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，哈爾濱 150025；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

0 引言

保護(hù)環(huán)境、植樹(shù)造林是一項(xiàng)長(zhǎng)期持久的工作，傳統(tǒng)的人工造林方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，機(jī)械化造林是發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。機(jī)械化造林過(guò)程中所使用的某些造林機(jī)械，如連續(xù)開(kāi)溝型的深松插干植樹(shù)機(jī)，對(duì)有植被造林區(qū)域生態(tài)破壞非常嚴(yán)重[3-4]，而定點(diǎn)鉆孔方式造林效率較低需要單獨(dú)覆土。目前為了解決這些問(wèn)題，造林機(jī)械正向兩個(gè)方面發(fā)展：一方面，為了節(jié)省人力，減輕林業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少造林機(jī)具的損壞，造林機(jī)械正向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展[5-8]；另一方面為了減少對(duì)造林地的破壞，造林機(jī)械向選擇式植樹(shù)機(jī)方向發(fā)展[9-10]。

本研究針對(duì)一種間歇式挖穴植樹(shù)機(jī)，該植樹(shù)機(jī)應(yīng)用較先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可有效減少營(yíng)養(yǎng)流失、土壤及地表生態(tài)環(huán)境的破壞，適合絕大多數(shù)地形，特別是它具有不破壞原生植被這一特點(diǎn)使其在造林設(shè)備中有著不可替代作用。本文在對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討該植樹(shù)機(jī)控制系統(tǒng)方案，為植樹(shù)機(jī)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 植樹(shù)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

該植樹(shù)機(jī)主要包括機(jī)械部分和控制部分，機(jī)械部分主要由前機(jī)架、栽植機(jī)構(gòu)、苗夾機(jī)構(gòu)、苗箱、后機(jī)架、鎮(zhèn)壓輪和液壓元件等組成(圖1)，其中栽植機(jī)構(gòu)一端鉸接在前機(jī)架橫梁上，栽植臂4與切刀14采用軸連接，鎮(zhèn)壓輪17固定在前機(jī)架1上，后機(jī)架11與前機(jī)架1鉸接，承載輪10和承載油缸7安裝在后機(jī)架11上；控制部分主要由可編程控制器、液壓控制系統(tǒng)、組態(tài)液晶顯示屏、感應(yīng)開(kāi)關(guān)、傳感器、磁片和啟/停開(kāi)關(guān)等組成。植樹(shù)機(jī)工作原理為：作業(yè)循環(huán)開(kāi)始狀態(tài)為機(jī)器切刀14處于水平位置，承載油缸7處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，機(jī)身重量由牽引裝置和承載輪10支撐，操作人員將苗木放置到苗夾6上；接下來(lái)承載油缸7泄壓，鎮(zhèn)壓輪17下降至與地面接觸，同時(shí)栽植油缸2伸長(zhǎng)，使栽植臂4達(dá)到預(yù)定位置，該位置決定樹(shù)苗栽植深度，根據(jù)栽植深度調(diào)節(jié)油缸行程；下一動(dòng)作為擺動(dòng)油缸5中活塞桿伸長(zhǎng)，使切刀14繞軸13旋轉(zhuǎn)，此時(shí)苗夾6在苗夾鎖緊器作用下處于壓縮狀態(tài)，苗木被夾緊，直到切刀14旋轉(zhuǎn)至豎直，苗夾6脫離苗夾鎖緊器苗木被釋放，苗木根系落入指定位置，鎮(zhèn)壓輪完成苗木覆土壓實(shí)；當(dāng)栽植完成后，栽植深度調(diào)節(jié)油缸2中活塞桿收縮，將栽植臂4提起至水平位置，此時(shí)切刀14仍處于豎直位置。最后擺動(dòng)油缸5活塞桿收縮，切刀14繞軸13旋轉(zhuǎn)至水平，同時(shí)承載油缸7伸長(zhǎng)，鎮(zhèn)壓輪17升起，一個(gè)栽植周期完成。

圖1 植樹(shù)機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Working principle sketch of tree planter

注：1.前機(jī)架；2.栽植深度調(diào)節(jié)油缸；3.軸；4.栽植臂；5.擺動(dòng)油缸；6.苗夾機(jī)構(gòu)；7.承載油缸；8.彈簧軸；9.彈簧；10.承載輪；11.后機(jī)架；12.旋轉(zhuǎn)刀柄；13.二軸；14.切刀；15.深度調(diào)節(jié)器；16.苗夾開(kāi)合壓板；17.鎮(zhèn)壓輪；18.霍爾傳感器；19.磁片。

Note:1. Front rack;2.Planting depth adjusting oil cylinder;3.Axis;4. Planting arm;5.Oscillating cylinder;6.Seedling clip mechanism;7.Bearing cylinder;8.Spring shaft;9.Spring;10.Loading wheel;11.Rear frame;12.Rotary knife handle;13.Two-axis;14.Cutting tool;15.Depth regulator;16.Seedling clamping plate;17.Farmflex;18.hall sensor;19.Magnetic disk

2 植樹(shù)機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的仿真及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了研究栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，更好地配置控制系統(tǒng)方案，本文基于Pro/Engineer對(duì)栽植機(jī)構(gòu)主要零件切刀栽植作業(yè)循環(huán)中運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[11]。在仿真過(guò)程中，去掉植樹(shù)機(jī)械附件，只保留栽植機(jī)構(gòu)及其主要零件，包括機(jī)架、栽植深度調(diào)節(jié)油缸、擺動(dòng)油缸、栽植臂和切刀等，以便于能準(zhǔn)確分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況、苗木栽植深度等，本次仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)苗木栽植深度約為200 mm，一個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間6.1 s，模函數(shù)采用常數(shù)，函數(shù)為Q=A，A為常數(shù)0.125 r/s，輪廓恒定運(yùn)動(dòng)。

植樹(shù)機(jī)運(yùn)動(dòng)分析，首先需將植樹(shù)機(jī)栽植機(jī)構(gòu)相關(guān)零件按照一定的裝配關(guān)系裝配到一起，選擇Pro/E菜單選項(xiàng)“應(yīng)用程序”進(jìn)入到機(jī)構(gòu)模式，定義連接軸，生成特殊連接[12]。檢查模型，拖動(dòng)組件，檢驗(yàn)栽植機(jī)構(gòu)連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。設(shè)定伺服電機(jī)后準(zhǔn)備分析，定義栽植臂和切刀處于水平為初始位置并抓取快照。在Analysis Definition選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)分析類(lèi)型，完成栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行結(jié)果、結(jié)果回放、干涉檢查、查看測(cè)量仿真數(shù)據(jù)和創(chuàng)建軌跡曲線。

植樹(shù)機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的作業(yè)循環(huán)周期為6.1 s，其中0～0.7 s是栽植臂在栽植臂調(diào)節(jié)油缸作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)間，0.8～3.0 s是切刀在擺動(dòng)油缸作用下切刀契入土壤過(guò)程的時(shí)間，3.1～3.8 s是栽植臂向上運(yùn)動(dòng)至水平，3.9～6.1 s是切刀回?cái)[至水平過(guò)程的時(shí)間。添加 4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)模擬栽植機(jī)構(gòu)環(huán)境，表1為栽植機(jī)構(gòu)一個(gè)周期作業(yè)時(shí)間情況。

表1 伺服系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間范圍Tab.1 Servo system operation time range

在栽植機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輸出切刀刀尖點(diǎn)速度和加速度的仿真數(shù)據(jù)，如圖2所示，在0～0.7 s內(nèi)栽植臂在栽植臂調(diào)節(jié)油缸作用下向下運(yùn)動(dòng)，切刀刀尖隨栽植臂共同下擺，但此時(shí)速度較慢，其值為97.2～98.9 mm/s，擺動(dòng)油缸伸長(zhǎng)時(shí)刀尖速度最大值為118 mm/s，栽植結(jié)束后栽植深度調(diào)節(jié)油缸收縮，此時(shí)切刀刀尖速度為最低，擺動(dòng)油缸收縮刀尖速度曲線與伸長(zhǎng)時(shí)趨勢(shì)相反。切刀刀尖加速度曲線如圖3所示，它反映切刀在整個(gè)工作循環(huán)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2 切刀刀尖速度曲線 Fig.2 Cutting tool tip velocity curve

圖3 切刀刀尖加速度曲線Fig.3 Acceleration curve of cutting tool tip

3 植樹(shù)機(jī)控制系統(tǒng)組成

為使植樹(shù)機(jī)控制系統(tǒng)擁有更好的性能和人性化操作界面,構(gòu)建基于PLC與工業(yè)觸摸屏的電氣控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[13]，植樹(shù)機(jī)控制系統(tǒng)主要由可編程控制器(PLC)、12寸組態(tài)觸摸顯示屏、行程開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)/停止按鈕、霍爾傳感器、磁片、三位四通電磁換向閥以及液壓控制元件等組成。該控制系統(tǒng)采用可編程控制器作為主要控制元件，栽植株距可實(shí)現(xiàn)在12寸組態(tài)觸摸液晶屏選擇手動(dòng)模式、自動(dòng)栽植兩種工作模式，根據(jù)工作地形等條件切換。液晶屏幕可顯示設(shè)備位置信息及栽植作業(yè)相關(guān)參數(shù)。

3.1 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，速度控制方式多樣，液壓控制系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，可實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)控制過(guò)程[14-18]。結(jié)合植樹(shù)機(jī)各機(jī)構(gòu)工作原理、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及作業(yè)時(shí)負(fù)載的計(jì)算，確定該間歇式挖穴植樹(shù)機(jī)采用拖拉機(jī)牽引，配備滿足要求液壓站，系統(tǒng)工作壓力16 MPa，由作業(yè)循環(huán)時(shí)間及油缸結(jié)構(gòu)等確定流量范圍為20～28 L/min，油泵選用高壓齒輪泵，油箱容量為120 L，油箱配風(fēng)冷裝置，另外系統(tǒng)需安裝調(diào)速閥、調(diào)壓閥和保壓閥等。植樹(shù)機(jī)設(shè)有栽植深度調(diào)節(jié)油缸、擺動(dòng)油缸和承載油缸，油缸型號(hào)為50×28×200，進(jìn)出油口M 18×1.5，油缸行程由各自行程開(kāi)關(guān)根據(jù)工作需要設(shè)定，且位置可調(diào)，植樹(shù)機(jī)液壓原理圖如圖4所示。

圖4 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig. 4 Schematic diagram of hydraulic control system

由系統(tǒng)工作原理確定三位四通電磁換向閥工作方案，見(jiàn)表2，表中“+”為通電，“-”為斷電。

表2 電磁閥工作方案Tab.2 Work program of solenoid valves

3.2 基于可編程控制器自動(dòng)栽植方案

植樹(shù)機(jī)控制系統(tǒng)PLC以臺(tái)達(dá)DVP14SS作為主機(jī)，PLC輸入為8點(diǎn)，輸出為6點(diǎn)，繼電器輸出，由其控制整個(gè)栽植作業(yè)周期及栽植參數(shù)。傳感器采集植樹(shù)機(jī)行進(jìn)的位移，將位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，向PLC輸出位移量電信號(hào)，PLC通過(guò)對(duì)輸入位移信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，將植樹(shù)機(jī)的實(shí)時(shí)行進(jìn)位置信息顯示到液晶顯示屏上；若設(shè)置為自動(dòng)栽植模式，當(dāng)植樹(shù)機(jī)行進(jìn)的位移等于設(shè)置的株距值時(shí)，PLC輸出信號(hào)，控制液壓系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的電磁閥，完成一個(gè)栽植循環(huán)。苗木栽植深度由栽植深度調(diào)節(jié)油缸和深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，依托光感開(kāi)關(guān)自動(dòng)采集苗木栽植深度。

栽植作業(yè)人員首先在觸摸液晶屏上完成各項(xiàng)栽植參數(shù)設(shè)置，初始位置是機(jī)器栽植臂及切刀處于水平位置，承載缸7處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，機(jī)身重量由牽引裝置和承載輪10支撐，操作者將苗木放置到苗夾機(jī)構(gòu)6上，操作人員觸動(dòng)液晶屏上啟動(dòng)按鈕，機(jī)器開(kāi)始工作。根據(jù)預(yù)先設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，電磁閥6 DT通電，承載油缸7活塞桿收縮，鎮(zhèn)壓輪17下降至與地面接觸，電磁閥6 DT斷電，同時(shí)電磁閥1 DT通電，栽植深度調(diào)節(jié)油缸2伸長(zhǎng)，使栽植臂繞軸旋轉(zhuǎn)，栽植深度調(diào)節(jié)器與栽植臂同軸并用鐵鏈連接，保持設(shè)定角度，光感開(kāi)關(guān)K1安裝在栽植臂4上，當(dāng)深度調(diào)節(jié)器15觸地時(shí)，會(huì)與栽植臂4有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)光感開(kāi)關(guān)K1產(chǎn)生信號(hào)，使電磁閥1 DT斷電，深度調(diào)節(jié)油缸停止運(yùn)動(dòng)，深度采集完成。與此同時(shí)電磁閥3 DT通電，擺動(dòng)油缸5中活塞桿伸長(zhǎng)，使切刀14繞軸13旋轉(zhuǎn)，苗夾6在苗夾開(kāi)合壓板16作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，苗木被夾緊。當(dāng)切刀14旋轉(zhuǎn)至豎直時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀柄12觸動(dòng)開(kāi)關(guān)K2產(chǎn)生信號(hào)，使電磁閥3 DT斷電，油缸動(dòng)作停止，苗夾機(jī)構(gòu)6脫離苗夾開(kāi)合壓板16苗木被釋放，苗木落入指定位置，鎮(zhèn)壓輪完成苗木覆土壓實(shí)，栽植完成；同時(shí)開(kāi)關(guān)K2產(chǎn)生信號(hào)使電磁閥2 DT通電，栽植深度調(diào)節(jié)油缸2中活塞桿收縮，當(dāng)栽植臂4觸碰到開(kāi)關(guān)K3時(shí)，電磁閥斷電油缸停止運(yùn)動(dòng)，栽植臂處于水平位置。栽植臂達(dá)到預(yù)定位置后，PLC控制器使電磁閥4 DT通電，擺動(dòng)油缸5活塞桿收縮，切刀14繞軸13旋轉(zhuǎn)直到開(kāi)關(guān)K4觸碰到擋鐵，電磁閥斷電油缸停止動(dòng)作，此時(shí)切刀處于水平；同時(shí)電磁閥5 DT通電承載油缸7伸長(zhǎng)，鎮(zhèn)壓輪17升起一定高度電磁閥斷電，一個(gè)栽植周期完成。植樹(shù)機(jī)整機(jī)三維簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 植樹(shù)機(jī)整機(jī)三維簡(jiǎn)圖Fig.5 Three-dimensional sketch of the whole tree planter

注： K1、K2、K3、K4為開(kāi)關(guān)； 1 DT、2 DT、3 DT、4 DT、5 DT、6 DT為電磁閥接線端。

Note： K1,K2,K3,K4 are switches;1 DT,2 DT,3 DT,4 DT,5 DT,6 DT are the terminals of solenoid valves.

3.3 株距控制方案

利用PLC的高速脈沖輸入計(jì)數(shù)功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪測(cè)距裝置。這樣既滿足了測(cè)距裝置的可靠性要求，也降低了系統(tǒng)的成本，是一種較為理想的方案[19]。

(1) 測(cè)距原理

植樹(shù)機(jī)測(cè)距采用霍爾傳感器，霍爾效應(yīng)原理測(cè)量距離如圖6所示。當(dāng)磁鋼體在霍爾元件的下方時(shí)，霍爾元件可以探到霍爾電勢(shì)；不在下方時(shí)，就無(wú)霍爾電勢(shì)。當(dāng)磁鐵片隨車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器就會(huì)產(chǎn)生隨車(chē)輪轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，通過(guò)對(duì)脈沖的分析計(jì)算，就可測(cè)得車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)的距離。假設(shè)車(chē)輪一周安裝1個(gè)磁片，C為磁片所在圓的周長(zhǎng)，計(jì)數(shù)N個(gè)，則車(chē)輪行走的距離就是N·C。

圖6 霍爾傳感器測(cè)距原理圖Fig.6 Hall sensor ranging schematic diagram

(2) 硬件電路

PLC輸入電路，霍爾傳感器作為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的脈沖輸入元件，將脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)輸入PLC高速脈沖輸入端，可編程組態(tài)觸摸液晶屏作為所需測(cè)量距離設(shè)置值的輸入器件，觸摸屏通過(guò)通訊電纜與PLC連接，PLC通過(guò)編程對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并將測(cè)得的距離值與設(shè)定值相比較，當(dāng)兩者一致時(shí)PLC輸出動(dòng)作信號(hào)。

PLC輸出電路，可編程組態(tài)觸摸液晶屏作為PLC的顯示輸出器件，觸摸液晶屏可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前植樹(shù)機(jī)移動(dòng)的距離，便于對(duì)車(chē)輪行走路線的監(jiān)控，軟件流程如圖7所示。

4 樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過(guò)前期設(shè)計(jì)與分析，最終完成植樹(shù)機(jī)樣機(jī)的加工制造及控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試，樣機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，植樹(shù)機(jī)樣機(jī)如圖8所示。

植樹(shù)機(jī)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)反應(yīng)植樹(shù)機(jī)工作性能指標(biāo)，結(jié)合樣機(jī)工作情況，植樹(shù)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 植樹(shù)機(jī)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

圖8 植樹(shù)機(jī)樣機(jī)

5 結(jié)論

本文提出了一種間歇式植樹(shù)作業(yè)方式，按照植樹(shù)機(jī)栽植作業(yè)原理，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬仿真，獲得切刀運(yùn)動(dòng)特性。本文重點(diǎn)對(duì)植樹(shù)機(jī)液壓控制系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)論述植樹(shù)機(jī)作業(yè)時(shí)機(jī)械部分與控制部分工作方案。最終完成樣機(jī)的調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。該間歇式植樹(shù)機(jī)可較穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)行進(jìn)間歇式挖穴栽植、智能調(diào)節(jié)栽植深度以及精準(zhǔn)株距控制等。栽植效率為400～500 株/h，最短循環(huán)時(shí)間可達(dá)到4.2 s，栽植深度為15～30 cm,較大程度提高植樹(shù)機(jī)自動(dòng)化、智能化水平。