羅慶生，許仕杰，李凱林

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

天然橡膠是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個領(lǐng)域，在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著巨大作用。天然橡膠主要通過割膠獲得，目前國內(nèi)外幾乎都采用人工割膠[1]。

隨著膠農(nóng)老齡化和擇業(yè)多樣化等問題日益突出，導(dǎo)致割膠行業(yè)出現(xiàn)招工困難、隊伍不穩(wěn)的現(xiàn)象[2]，許多膠場的生產(chǎn)難以為繼。因此要想提高天然橡膠產(chǎn)量，必須從原始的割膠方式與割膠設(shè)備中沖出重圍、尋求突破，實現(xiàn)割膠生產(chǎn)的自動化，提高產(chǎn)膠效率，減輕膠工負(fù)擔(dān)。但目前國內(nèi)外仍未研制出攜帶方便、使用簡單、結(jié)構(gòu)精煉、成本低廉的全自動智能化割膠設(shè)備。為了提高我國橡膠產(chǎn)業(yè)競爭力，增加產(chǎn)膠效率，提高工業(yè)基礎(chǔ)水平，改善膠工工作條件，提出一款便攜式自動割膠機(jī)器人的設(shè)計方案。

該方案基于半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人，其優(yōu)越性在于結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計，精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)為割膠功能的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，并在ANSYS仿真環(huán)境下對核心零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過測試，其安裝快捷穩(wěn)定、自適應(yīng)性強(qiáng)、切割軌跡多樣、切割深度可控，并對機(jī)構(gòu)構(gòu)型、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、切割軌跡規(guī)劃和刀具等關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計研究。

1 抱緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析

自動割膠機(jī)器人的使用步驟是先將機(jī)器人在膠樹上穩(wěn)定裝夾，以提供一個穩(wěn)定的工作平臺，然后再進(jìn)行割膠工作。因此整體構(gòu)型選擇優(yōu)弧狀設(shè)計。傳統(tǒng)人工割膠時，膠工持刀沿著膠樹表面切出的割槽軌跡大概占據(jù)整個徑圍的50%，因此綜合考慮切割軌跡的長度與切割裝置的安裝位置[3]，采用了240°的優(yōu)弧軌道，圖1是便攜式自動割膠機(jī)器人的抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 便攜式自動割膠機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

割膠機(jī)器人的抱緊機(jī)構(gòu)主要由定位螺釘、圓弧軌道、圓弧齒條、支撐桿組成。膠樹受土壤養(yǎng)分、種植密度等條件的影響，同一片膠林的膠樹存在個體差異。為了能全面代替膠工工作，自動割膠機(jī)器人需對膠樹樹徑范圍有較高的適應(yīng)性，能夠穩(wěn)定裝夾在不同樹徑的膠樹上。

半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人的圓弧軌道是一整體，其優(yōu)弧軌道端口間的距離是l=200×cos30°≈173 mm，由于膠林內(nèi)的膠樹形狀各異，甚至同一棵樹上某部位特別突出會使其樹徑遠(yuǎn)大于16 cm，導(dǎo)致圓弧軌道間的開口無法卡入膠樹，整個機(jī)器人裝置無法安裝使用。

為了增強(qiáng)機(jī)器人相關(guān)機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性，該機(jī)器人將圓弧軌道一分為二，使用開合鉸鏈進(jìn)行連接。在鉸鏈連接的中心采用彈簧連接，使開合鉸鏈具有可調(diào)性，通過改變調(diào)節(jié)螺帽的松緊程度去壓縮或者釋放彈簧，進(jìn)而改變鉸鏈開合運動的自動控制程度[4-5]。

在圓弧軌道上使用橡膠墊增加機(jī)構(gòu)與樹皮間的貼合度與摩擦力，同時皮帶扎扣的反向扣緊增大了定位螺釘與膠樹之間的正壓力，從而產(chǎn)生更大的摩擦力，使整個裝置更加穩(wěn)定可靠。

2 切削運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析

割膠機(jī)器人的切削運動是整個機(jī)器人的主要運動，也是完成割膠作業(yè)的主要方式。由農(nóng)業(yè)部頒布的割膠制度中對割膠的要求可知，切割軌跡是一段繞膠樹表面的弧線。將膠樹看作圓柱體，軌跡即為圓柱螺旋線。

首先確定切割軌跡的螺旋線。以膠樹的軸心為Z軸，軌跡可看作由沿著Z軸的直線運動與繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動合成。直線運動通過滾珠絲杠來實現(xiàn)[6]，圓周運動可以選擇齒輪傳動、鏈傳動與帶傳動。鏈傳動承載能力大，但是運行時有振動，在膠樹上切割會導(dǎo)致開槽的深度不一致，影響產(chǎn)膠量；帶傳動具有一定彈性，易過載打滑，若與膠樹直接接觸會磨損，減少使用壽命；齒輪傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長，因此圓周運動選用齒輪齒條的嚙合運動來實現(xiàn)。便攜式自動割膠機(jī)器人通過刀具繞膠樹的周向運動與軸向運動的復(fù)合運動來合成螺旋線膠槽。

圖2所示為便攜式自動割膠機(jī)器人的實體構(gòu)型圖，圓周運動是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪(10)轉(zhuǎn)動，通過傳動齒輪(11)帶動中間軸(15)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而中間軸上的二級嚙合齒輪1(19)帶動二級嚙合齒輪2(20)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)圓周運動。直線運動由另一電機(jī)搭配減速器直接驅(qū)動絲杠軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)刀具的直線運動。

在該機(jī)器人中，割膠時的相關(guān)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的圓周運動與直線運動相對獨立，因此可以合成任意螺旋線軌跡膠槽，進(jìn)而可以實現(xiàn)膠槽的任意切割軌跡，適應(yīng)性強(qiáng)、實用性好。

圖2 便攜式自動割膠機(jī)器人切削運動機(jī)構(gòu)三維模型

3 刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析

刀具的切割深度與每一刀的耗皮量關(guān)系著天然橡膠產(chǎn)量和膠樹壽命，切割深度太深或者耗皮量過大會導(dǎo)致膠樹無法平衡營養(yǎng)的吸收與釋放，降低膠樹的壽命；而切割深度太淺或者耗皮量不夠，會影響膠樹正常產(chǎn)膠，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，造成資源浪費。因此機(jī)器人需要在不同情況下準(zhǔn)確控制刀具的切割深度與耗皮量。

3.1 割膠機(jī)器人刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)構(gòu)型

半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人采用電動推桿控制刀頭的運動，通過控制電動推桿的伸縮量來控制刀具進(jìn)給量。雖然電動推桿的推力足以將刀頭扎入樹皮，但是在徑向方向占據(jù)較大體積，導(dǎo)致圓周運動需要很大的空間。

圖3 割膠機(jī)器人刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)

為了縮小體積，便攜式自動割膠機(jī)器人用電機(jī)配合螺紋桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動刀具。如圖3所示，刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要由絲杠螺母座、刀具進(jìn)給盒、刀頭伸縮塊、移動斜塊等零部件組成，電機(jī)驅(qū)動螺紋桿旋轉(zhuǎn)，使螺紋桿上的移動斜塊的做直線運動。

為了便于刀具的切割，便攜式自動割膠機(jī)器人的刀頭組入樹時保持一定的斜度，絲杠座的底面是一斜度為15°的斜面，整個刀頭組安裝在此斜面上，刀具在切入樹皮時與徑向方向成15°的夾角，方便進(jìn)刀。

3.2 刀具切削角的選擇

半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人與便攜式自動割膠機(jī)器人均采用V型刀頭作為切割工具，但是在刀具切入膠樹表層的切入角與刀具本身的刃口存在差異。刀具切入樹皮后，伴隨著軸向運動與圓周運動的合成開始去除樹皮。切割時，耗皮量由刀具切入樹皮的刃口寬度決定，刃口寬度的選取影響著切削的難易程度，如圖4所示是割膠刀頭的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4 割膠刀頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖4所示，β是刀頭切入膠樹時與徑向方向的夾角，即絲杠螺母座的傾斜角，α是刀具本身的V型頭的夾角，H是整個刀具的寬度，h是整個刀具的高度，是la刀具斜邊的尺寸，lb是刀頭與刀柄間的安裝位置。其中V1、V2是刀具切入的速度與橫向切割的速度。

圖5 切入時刀具表面受力分析

如圖5所示，刀具以一定角度扎入樹皮時，會引起樹皮表層結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，會給刀具的扎入帶來額外的阻力。通過達(dá)朗貝爾原理進(jìn)行分析，此時刀具的受力應(yīng)滿足：

(1)

式中，F(xiàn)為膠樹對刀具的正壓力；Ff為刀具進(jìn)給過程中所受的摩擦力；P為刀具給膠樹的反作用力；μ為樹皮對刀具的摩擦系數(shù)；α為刀具的夾角；β為刀具切入樹皮的角度；φ為刀具與切除樹皮間的摩擦角。

刀頭的各參數(shù)為已知，刀具給膠樹的反向作用力與刀具切入的傾角和樹皮間的摩擦角這兩個因素有關(guān)。從刀具的受力分析圖可以看出：

(2)

式中，l為刀具扎入樹皮的斜面長度；h1為刀具扎入樹皮深度對應(yīng)的高度。

φ分別取15°、25°和35°和h1=12 mm時，利用matlab生成相關(guān)曲線如圖6所示。

圖6 切削力的影響因素

從圖6可以看出，當(dāng)摩擦角φ分別取15°、25°、35°等數(shù)值時，刀具所受的切削阻力隨刀具切入傾角的增大而增大。當(dāng)?shù)毒叩那腥虢嵌圈螺^小時，若保持摩擦角不變，切削力呈緩慢增加的趨勢；當(dāng)切入角度β過大時，切削阻力隨之增加，并且具有更大的增長率，會在刀具扎入樹皮的過程中造成極大的阻力。過大的阻力會導(dǎo)致刀頭在電機(jī)力矩與阻力的相互作用下發(fā)生形變，進(jìn)而失效。因此切入角應(yīng)選擇較小角度，綜合考慮割膠時耗皮量的要求，選取切入角為15°，該角度也即滾珠絲杠座的底面斜度[7]。

4 靜力學(xué)分析

4.1 齒輪傳動系統(tǒng)靜力學(xué)分析

割膠機(jī)器人要想取代人工割膠，在進(jìn)行切割作業(yè)時，整個裝置結(jié)構(gòu)的可靠性不容忽視。近年來， ANSYS廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析中，將得到的力與力矩等參數(shù)代入ANSYS仿真環(huán)境中，然后對相關(guān)零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，再根據(jù)實際情況添加約束和載荷，分析機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、效率等方面的問題。

齒輪傳動與齒輪齒條的嚙合是切削運動中傳遞動力的主要零部件，同時也是最容易出現(xiàn)故障的零部件，齒輪傳動與齒條傳動類似，它們屬于面接觸[8]，因此在ANSYS仿真時需要添加摩擦約束，綜合考慮現(xiàn)實情況，取摩擦系數(shù)為0.2，在導(dǎo)入的模型中，接觸面的設(shè)置為主動輪的面為接觸面，從動輪為目標(biāo)面，在齒輪與大地間添加轉(zhuǎn)動副，同時將傳動軸轉(zhuǎn)動方向的自由度釋放，其他5個方向的自由度約束。在主動輪上施加動力學(xué)仿真得到的最大力矩后，處理可得到齒輪傳動瞬態(tài)時的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 齒輪傳動的應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖7可以看出齒輪傳動的過程中最大應(yīng)變?yōu)?.09 mm，所受的最大應(yīng)力為173 MPa，齒輪的材質(zhì)是45號鋼，由它的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可以得知許用應(yīng)力為235 MPa，遠(yuǎn)大于齒輪傳動所受的最大應(yīng)力，因此在切割的運動過程中齒輪的運動是穩(wěn)定可靠的。

齒輪齒條可以看做齒輪的內(nèi)嚙合，與齒輪傳動分析類似，為了節(jié)省計算時間，簡化模型，將齒條做了簡化，取了齒條與齒輪嚙合的一部分[9-10]。同時齒輪齒條嚙合時齒輪所受的力矩有所改變，受傳動的影響所受力矩T=112.5×5.18×2.2=1.282 N·m，將所有數(shù)據(jù)輸入ANSYS仿真模型進(jìn)行處理，得到如圖8所示的數(shù)據(jù)圖。

圖8 齒輪齒條的應(yīng)力應(yīng)變

4.2 刀頭組靜力學(xué)分析

刀具在切入樹皮時需要克服極大的阻力，若結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或者材料選取不恰當(dāng)，會引起刀具的形變，影響刀具使用壽命，增加整個割膠機(jī)器人的造價成本，所以對刀頭組進(jìn)行靜力學(xué)分析至關(guān)重要[11]。

圖9 刀頭的應(yīng)力應(yīng)變圖

在整個刀頭組中，伸縮塊負(fù)責(zé)刀頭的收刀與進(jìn)刀，切割時刀頭與膠樹直接接觸，關(guān)系到整個刀頭組的穩(wěn)定性。伸縮塊的伸縮由電機(jī)帶動螺桿轉(zhuǎn)動，與螺桿相連接的斜塊下移壓緊伸縮塊，隨著力的增大將壓縮塊沿著兩者的接觸面推出。而刀頭在進(jìn)行切割運動時受到膠樹的阻力，將阻力加載在刀頭的刃口上，導(dǎo)入分析。與所有傳統(tǒng)膠刀一樣，刀頭材料選用高碳素鋼，因此將其材料性能參數(shù)輸入ANSYS仿真環(huán)境中，如圖9所示，通過仿真分析可得刀頭組切割運動時的應(yīng)力應(yīng)變情況。

由圖9可知刀頭組所受應(yīng)力最大的零件是后方的直角連接塊，即在刀具的切削運動中，此零件所受力矩最大。而刀具材料是高碳素鋼，因此刃口處形變量與應(yīng)力相對較小。整體結(jié)構(gòu)最大的應(yīng)變在113 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此刀頭組結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，強(qiáng)度滿足工作要求。最后通過加工制造，裝配調(diào)試完成后得到實物樣機(jī)，如圖10所示。

圖10 便攜式自動割膠機(jī)器人實物樣機(jī)

5 實物樣機(jī)實驗

5.1 實驗?zāi)繕?biāo)與步驟

在得到自動割膠機(jī)器人實物樣機(jī)后，需要在橡膠樹上進(jìn)行切割實驗，以驗證其功能的完備性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實驗過程中，重點關(guān)注割膠機(jī)器人是否能夠穩(wěn)定裝夾和切割槽的深度及角度。

本次實驗地點選在海南的膠林，具體的實驗步驟為：

1)選取適合開割的膠樹；

2)安裝便攜式自動割膠機(jī)器人

3)開始切割實驗

4)測量記錄切割傾角、切割時間、切割深度；觀測裝置運行的穩(wěn)定性。

5.2 實驗結(jié)果與分析

如圖11所示是割膠機(jī)器人工作時的照片，可以看出其裝夾可靠，運行平穩(wěn)，能夠完成割膠工作。

圖11 便攜式自動割膠機(jī)器人樣機(jī)實驗圖

對多棵不同直徑的膠樹進(jìn)行多次切割試驗，得到以下結(jié)果：

1)經(jīng)測量，不同切割速度下可得切割軌跡的傾角最大可以達(dá)到42°左右，滿足機(jī)器切割軌跡多樣化的需求。

2)切割軌跡長度最大可以覆蓋膠樹的半個徑圍，滿足對切割長度可調(diào)的需求。

3)通過調(diào)節(jié)刀頭可以得到不同深度的切割軌跡。

4)一次切割時間在20 s左右，所提供的電源能滿足機(jī)器的能耗持久的功能。

切割痕跡如圖12所示。在一條完整的切割槽中，測量所得軌跡深度不完全一致，最深處為7.5 mm，最淺處為6.4 mm，誤差為1.1 mm。誤差的產(chǎn)生是因為膠樹表皮并不規(guī)則，導(dǎo)致切割軌跡有些許毛刺產(chǎn)生。

圖12 便攜式自動割膠機(jī)器人切割軌跡痕跡

綜合考慮實驗所得數(shù)據(jù)與實際的工作效果可知，總體實驗效果令人滿意，機(jī)器能穩(wěn)定裝夾，也能基本實現(xiàn)切割功能。

6 結(jié)束語

闡明了便攜式自動割膠機(jī)器人總體設(shè)計方案，給出了機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)即抱緊機(jī)構(gòu)、切削運動機(jī)構(gòu)、刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計與深入分析，討論了上述機(jī)構(gòu)的可靠性與適應(yīng)性問題，得到了富有價值的結(jié)論。

對于抱緊機(jī)構(gòu)，在半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人的基礎(chǔ)上改進(jìn)為開合結(jié)構(gòu)，并采用扎帶的反搭扣設(shè)計，利用橡膠墊填充增加摩擦力，保證了抱緊機(jī)構(gòu)對不同膠樹的適應(yīng)性。對于切削運動機(jī)構(gòu)，針對半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人切割軌跡的單一性，采用相互獨立的直線運動與圓周運動復(fù)合而成螺旋切割運動，實現(xiàn)軌跡的任意調(diào)節(jié)，保證切割軌跡的多樣性。對于刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)，根據(jù)限位桿與刀頭間的相對位置控制切入的深度，通過分析刀具的受力情況，確定刀具最優(yōu)切入角。經(jīng)過ANSYS仿真驗證，刀頭組設(shè)計方案具有結(jié)構(gòu)可靠、功能合理、性能優(yōu)良等特點。

文中工作表明：便攜式自動割膠機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合設(shè)計初衷，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性，一定程度上具有較高的實用價值。