張洚宇 ，周 鵬 ，馬曉曉 ，周文靜 ，葛 云

（1.新疆科技學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

以蘆葦為原材料的蘆葦高立式沙障是防沙治沙的主要工程設(shè)施[1]，主要作用是抑制沙丘的遷移。蘆葦具有取材方便、可再生、環(huán)境友好等特點(diǎn)，因其制作成本低廉和防沙性能優(yōu)異，被廣泛用于新疆沙區(qū)道路的防沙工程。如建設(shè)中位于塔里木盆地南緣的和若鐵路防護(hù)帶，已通車的庫格鐵路部分路段的防護(hù)，采用的都是蘆葦高立式沙障。按沙障高度分類，可將蘆葦沙障分為低立式、中立式、高立式三種形式，其中以高立式沙障的使用最為廣泛[2]。目前，國內(nèi)針對用于制作高立式沙障梳理的機(jī)械還處在研究階段，并未見其相關(guān)的公開報(bào)道。梳理分束設(shè)備也只是在草席編織、紡紗精梳等方面有應(yīng)用，但這些梳理分束裝備所加工的材料有竹絲、蒲草、燈芯草、毛竹、苧麻、織布，與本項(xiàng)目研究的蘆葦有較大區(qū)別，且加工目的并不相同。國外的桿類作物梳理機(jī)構(gòu)研究起步較早，如意大利Ferrari公司的Futura系列全自動(dòng)梳理分束機(jī)、美國FMC全自動(dòng)梳理分束機(jī)、英國的Pearson全自動(dòng)梳理分束機(jī)等[3-5]，主要通過單向滾齒式梳理、機(jī)械臂抓取及打結(jié)裝置，采用輸送帶將蘆葦傳送到機(jī)械臂抓取位置，然后機(jī)械臂抓取蘆葦?shù)綕L齒式梳理裝置進(jìn)行梳理，最后將梳理好的蘆葦送到打捆器處打捆。但是，此類梳理機(jī)構(gòu)都有著明顯的地域特色，主要都是結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑锓N植模式所設(shè)計(jì)的，且其秸稈梳理的目的也不相同，不能直接借鑒使用。

目前，蘆葦高立式沙障的制作全部依賴人工，其制作過程十分煩瑣，人工高立式沙障作業(yè)如圖1所示，需要先由人工把散亂蘆葦捆扎成束，根據(jù)每束蘆葦?shù)拈L度不同，捆扎蘆葦所用的鐵絲結(jié)也不同，為保證強(qiáng)度，一般兩個(gè)鐵絲結(jié)間隔250 mm左右；需要在施工路段打好固定立柱，立柱之間安裝平行鐵絲，兩平行鐵絲之間間距250 mm左右，用于綁扎蘆葦束；最后將捆扎完成的蘆葦束搬運(yùn)到施工路段，按照設(shè)計(jì)的間距由人工一束束地綁扎安裝，最后形成蘆葦高立式沙障。根據(jù)不同路段的實(shí)際需求，其設(shè)計(jì)高度為800 mm～2 000 mm，蘆葦采用質(zhì)地優(yōu)良的水生干蘆葦，用鍍鋅鐵絲捆扎成直徑為30 mm～50 mm的蘆葦束，蘆葦束間距為30 mm～50 mm，每隔S=3 000 mm設(shè)置固定立柱，一般木立柱直徑不少于1 500 mm，根部埋入地基中不少于1 000 mm。

圖1 高立式沙障作業(yè)施工現(xiàn)場

項(xiàng)目小組所研制的機(jī)械裝置可以解決蘆葦高立式沙障捆扎前一步工序蘆葦雜亂、浪費(fèi)工時(shí)的問題，使雜亂的蘆葦在梳理之后能以30 mm～50 mm為單位分離開來，提升蘆葦高立式沙障的捆扎效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1）設(shè)計(jì)要求：雜亂蘆葦梳理機(jī)主要由執(zhí)行機(jī)械臂、末端梳理執(zhí)行器、機(jī)架、喂料口、傳送帶、限量板等組成，雜亂蘆葦梳理機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。作業(yè)時(shí)，將散亂的蘆葦放入喂料口，在限量板和摩擦傳送帶的共同作用下，蘆葦被平攤到蘆葦傳送帶上，傳送帶的一端可以把蘆葦一端固定，蘆葦梳理機(jī)的機(jī)械臂帶動(dòng)末端梳理執(zhí)行器從蘆葦固定的一端進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，末端梳理執(zhí)行器沿蘆葦軸向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，在末端梳理執(zhí)行器梳齒的作用下，互相纏繞的蘆葦分離開來，達(dá)到梳理的目的。

圖2 雜亂蘆葦梳理機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖

2）選用伺服電機(jī)作為裝置的動(dòng)力，傳送帶每次運(yùn)行的距離是固定的，距離等于梳齒的總寬度。末端梳理執(zhí)行器安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩臺(tái)伺服電機(jī)，分別控制機(jī)械臂的主臂和小臂，實(shí)現(xiàn)末端梳理執(zhí)行器的直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)定機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)為循環(huán)運(yùn)動(dòng)，起始點(diǎn)為距離機(jī)械臂底座的遠(yuǎn)端，整機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度要求較高，故采用伺服電機(jī)為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源以提供精確的定位。

2 關(guān)鍵部件的選取與設(shè)計(jì)

2.1 喂料口的設(shè)計(jì)

喂料口設(shè)計(jì)如圖3所示（圖中2是限量板），喂料口整體呈漏斗形狀，采用上寬下窄的設(shè)計(jì)，有助于物料添入。喂料口出口安裝在傳送帶的上方，在傳送帶的作用下，蘆葦從料箱里不斷落到傳送帶上并被帶出料箱。料箱出口的設(shè)計(jì)能直接影響蘆葦?shù)臄備佇Ч瑸榱颂岣邤備佇Ч?，在喂料口的出口設(shè)計(jì)了柔性擋板，能控制蘆葦?shù)牧鞒隽?，從而控制蘆葦在傳送帶上的厚度，同時(shí)還能避免蘆葦在出口堆積卡死的現(xiàn)象。

圖3 喂料口的設(shè)計(jì)簡圖

2.2 末端梳理執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

本裝置是制作蘆葦高立式沙障之前的蘆葦處理步驟，目標(biāo)是為蘆葦高立式沙障提供易用的蘆葦束，將蘆葦梳理成捆，其直徑在30 mm～50 mm即可。末端梳理執(zhí)行器是本設(shè)備的核心部件之一，直接與蘆葦物料進(jìn)行接觸，末端梳理執(zhí)行器的梳齒由上至下從攤鋪好的蘆葦縫隙穿過，然后再沿徑向運(yùn)動(dòng)，從蘆葦?shù)囊欢诉\(yùn)行到另一端，完成蘆葦?shù)氖崂?。末端梳理?zhí)行器示意圖如圖4所示。

圖4 末端梳理執(zhí)行器示意圖

依據(jù)蘆葦?shù)那o稈直徑分布在4 mm～10 mm之間，既要保證梳齒尖端能順利插入蘆葦縫隙，又要避免梳齒損壞蘆葦。梳齒呈錐形，長度為150 mm，根部直徑D=20 mm，尖端為球面設(shè)計(jì)，取梳齒尖端部分球半徑為R=3 mm。

2.3 梳理機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

工作時(shí)，末端梳理執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡是由兩部件的運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的，一是機(jī)械臂主臂繞主支點(diǎn)A的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二是機(jī)械臂小臂繞主臂連接P12點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。末端梳理執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡有一段直線的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，末端梳理執(zhí)行器B從初始位置e開始運(yùn)動(dòng)，沿曲線edf到達(dá)最遠(yuǎn)點(diǎn)f，梳理執(zhí)行器沿點(diǎn)f開始回向運(yùn)動(dòng)，并將末端梳理執(zhí)行器的梳齒插入散亂的蘆葦中，從點(diǎn)f至點(diǎn)e，末端梳理執(zhí)行器沿接近直線的軌跡進(jìn)行蘆葦?shù)氖崂?。在此運(yùn)動(dòng)過程中，梳齒的軌跡一直保持豎直狀態(tài)，此時(shí)，機(jī)械臂完成一次梳理作業(yè)，末端梳理執(zhí)行器的梳理動(dòng)作按此過程循環(huán)。

機(jī)械臂主要由支架、主臂、小臂、末端梳理執(zhí)行器組成。梳理機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)可簡化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的形式[6]，由兩套動(dòng)力電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主臂和小臂，末端梳理執(zhí)行器在小臂的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雜亂蘆葦?shù)氖崂砉ぷ鳌Ｔ诖饲瑝K機(jī)構(gòu)中，采用解析法對整體裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，末端梳理執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡簡圖如圖5所示。

圖5 末端梳理執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡簡圖

由圖5可知：

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）得：

式中：L1——主臂；L2——小臂；ω1——主臂的角速度；ω2——小臂的角速度。

由上述計(jì)算分析可知，兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度滿足公式（6）即可實(shí)現(xiàn)末端梳理執(zhí)行器的直線梳理段的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雜亂蘆葦?shù)氖崂?。在?shí)際工作中，因蘆葦物料含水量、枝葉量等影響導(dǎo)致梳齒與蘆葦之間的實(shí)際阻力不同，造成實(shí)際梳理過程的運(yùn)行速度不能直接確定，需要根據(jù)不同的使用工況，合理選擇梳理速度ω2。

3 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

控制系統(tǒng)的構(gòu)成：根據(jù)雜亂蘆葦梳理機(jī)的功能設(shè)計(jì)要求，選擇了結(jié)構(gòu)靈活、傳輸快、帶寬穩(wěn)、易于開發(fā)維護(hù)的三菱FX2N-32MR-001型號(hào)的PLC作為主控制單元，匹配可靠性高、精度高的ASD-B2型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)械臂梳理裝置的控制器，伺服電機(jī)選用A2-0221-L為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率200 W，組成控制模塊?？刂葡到y(tǒng)主要由電源、三菱FX2N-32MR-001型號(hào)的PLC、ASD-B2型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、A2-0221-L-A200伺服電機(jī)（機(jī)械臂兩個(gè)電機(jī)，傳送帶動(dòng)力電機(jī)）、啟動(dòng)按鈕以及急停按鈕等組成。

以PLC為核心控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)，硬件電路接線圖如圖6所示。分析裝置梳理過程僅用到伺服電機(jī)為執(zhí)行元件：PLC控制三臺(tái)伺服電機(jī)，兩臺(tái)控制機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)末端梳理執(zhí)行器對蘆葦進(jìn)行梳理作業(yè)，另一臺(tái)驅(qū)動(dòng)傳送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)，傳送帶每運(yùn)行一個(gè)末端梳理執(zhí)行器寬度d就會(huì)停止，等待梳理完畢就進(jìn)入下一個(gè)梳理循環(huán)。

圖6 硬件電路接線圖

控制系統(tǒng)的硬件電路由PLC、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源等組成。PLC通過向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)蘆葦梳理機(jī)構(gòu)[7]，末端梳理執(zhí)行器與小臂剛性連接，兩臺(tái)伺服電機(jī)分別控制機(jī)械臂的主臂和小臂，在兩臺(tái)伺服電機(jī)的協(xié)作下，末端梳理執(zhí)行器的末端軌跡按照設(shè)計(jì)好的軌跡運(yùn)行，完成雜亂蘆葦?shù)氖崂怼Ｔ谀┒耸崂韴?zhí)行器完成一次梳理后，傳送帶電機(jī)會(huì)運(yùn)行一個(gè)末端梳理執(zhí)行器寬度的距離，將料箱里面的蘆葦再平鋪到傳送帶上，為下一次梳理做好準(zhǔn)備。

4 試驗(yàn)

裝置系統(tǒng)調(diào)試完成后，先空載運(yùn)行10 min，中間記錄測量傳送帶的距離、機(jī)械臂的跨度是否滿足要求，確定合格后再進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)：選用博斯騰湖的冬收蘆葦為試驗(yàn)對象，蘆葦送入到喂料箱內(nèi)，啟動(dòng)設(shè)備。結(jié)果表明：項(xiàng)目小組設(shè)計(jì)的雜亂蘆葦梳理機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對蘆葦?shù)氖崂?，且能使梳理后的蘆葦以45 mm的間距分開，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足蘆葦高立式沙障的下一步捆扎要求。

5 結(jié)論

項(xiàng)目小組完成了雜亂蘆葦梳理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，得到了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和部分運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了雜亂蘆葦?shù)氖崂砉ば?，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)樣機(jī)與數(shù)據(jù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在梳理過程中，蘆葦會(huì)出現(xiàn)軸向堆積，分析原因?yàn)樘J葦枝葉較多，導(dǎo)致末端梳理執(zhí)行器梳理不夠順暢，還有繼續(xù)優(yōu)化的空間。