劉智豪， 李會榮， 郭朝陽， 李 根， 吳昭鵬， 付斌利

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

我國地域遼闊，西北地區(qū)干旱少雨，荒漠化不斷加劇，可使用土地面積逐年減少，對建筑、公路等基礎(chǔ)設(shè)施造成極大的損害[1-3]。沙漠植樹作為解決土地荒漠化的主要手段之一，目前種植方式多為人工和簡單機械、半自動化種植的方式，勞動強度大、效率低及成本高[4-5]。針對當(dāng)前種植方式的現(xiàn)狀，各專業(yè)院校進行了大量的研究。馬浩欽等[6]采用以太陽能為能量來源，創(chuàng)新設(shè)計了沙漠自動植樹機器人，可實現(xiàn)分苗種植，種植完成后對樹苗進行噴水作業(yè)。關(guān)佳征[7]設(shè)計了一款戈壁沙漠植樹機器人，可實現(xiàn)在各類復(fù)雜地形中實現(xiàn)樹苗的轉(zhuǎn)運、樹坑挖掘、樹苗栽種和土壤夯實等一系列作業(yè)。兩項研究拓寬了種植機械設(shè)備的適用范圍，但種植效率有待進一步提升。蒙賀偉等[8]改進設(shè)計了一款可用于沙土地大面積作業(yè)的多功能植樹機，在已有種植機的基礎(chǔ)上增加液壓控制功能，可實現(xiàn)樹苗的自主栽種，可靠性超過85%。經(jīng)過不斷設(shè)計改進，種植設(shè)備的適用范圍及效率有了一定的提升，但設(shè)備的成本也隨之增加。

對以上產(chǎn)品的研究分析，可以得出目前沙漠種植設(shè)備主要圍繞設(shè)備自主運動、樹坑挖掘、樹苗自動輸送及沙土固定等方面進行研究，但種植設(shè)備大、成本過高和功能不齊全等問題仍較為突出?；诖?，本研究通過對機械機構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵零部件有限元分析及控制系統(tǒng)設(shè)計，研發(fā)一款小型的沙漠自主植樹澆灌設(shè)備，可實現(xiàn)樹苗的運輸、澆灌、鋪膜和固土等功能，并在保證種植效率的基礎(chǔ)上，大大降低種植成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際生產(chǎn)可知，沙漠種植樹苗高度30～40 cm、直徑1.5～3.0 cm 及種植深度 10～20 cm，本研究介紹的沙漠自主植樹澆灌設(shè)備均以此為設(shè)計標準。沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整體設(shè)備運動流程如圖2 所示。

圖1 沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設(shè)備Fig.1 Integrated equipment for planting，watering and coating in desert

圖2 整體設(shè)備運動流程Fig.2 Overall equipment movement flow chart

1.1 鉆孔裝置

鉆孔裝置采用曲柄滑塊機構(gòu)，連桿端連接鉆頭，鉆頭由電機驅(qū)動，在步進電機的帶動下鉆頭進行豎直方向往復(fù)運動，實現(xiàn)鉆孔作業(yè)。鉆孔裝置如圖3 所示。

圖3 鉆孔裝置Fig.3 Drilling device

1.2 旋轉(zhuǎn)羅盤輸苗裝置

旋轉(zhuǎn)羅盤輸苗裝置由樹苗存儲管、轉(zhuǎn)盤、齒輪和步進電機等，如圖4 所示。將輸苗存放在樹苗存儲管內(nèi)，旋轉(zhuǎn)羅盤輸苗裝置，主動輪與步進電機連接，從動輪通過螺釘與轉(zhuǎn)盤固定連接；樹苗存儲在儲苗管內(nèi)，轉(zhuǎn)盤為雙層結(jié)構(gòu)，與下層有唯一開口，從動輪帶動上層儲苗管轉(zhuǎn)動，儲苗管與輸苗管同軸心時，此時，整體設(shè)備向前行駛一定距離，使得輸苗管與所鉆孔洞同軸心，樹苗滑落至打孔裝置的孔洞內(nèi)。

圖4 旋轉(zhuǎn)羅盤輸苗裝置Fig.4 Rotating compass seedling delivery device

1.3 Y 型出水裝置

Y 型出水裝置由水囊、水箱、機械爪、注水口和支架組成，如圖5 所示。水箱內(nèi)儲存清水，底部安裝兩個機械爪，機械爪中固定有水囊，水囊通過軟管與水箱連接，可提供清水。當(dāng)樹苗落入孔洞，并且出水裝置到達樹苗上方時，機械爪閉合，通過擠壓使水囊中的水定量流出，水囊底部出水口呈一定角度，由樹苗兩側(cè)沖刷沙土，從而實現(xiàn)澆水及回填沙土作業(yè)。

圖5 Y 型出水裝置Fig.5 Y-type water outlet device

1.4 薄膜鋪裁裝置

薄膜鋪裁裝置位于車輛尾部，整體由薄膜固定部分、薄膜切割部分和覆土盤3 部分組成，如圖6 所示。

圖6 薄膜鋪裁裝置Fig.6 Film laying device

車體前進帶動薄膜滾動進行鋪設(shè)，待樹苗到達指定位置時，薄膜切割部分利用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)刀片的往復(fù)運動，從而對薄膜進行間歇式切割，樹苗套入切割孔內(nèi)。后方覆土盤隨車體前進翻動兩側(cè)沙土覆蓋至薄膜上，從而固定薄膜，起到減少水分蒸發(fā)、提高樹苗成活率的作用。

2 關(guān)鍵零件仿真分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，使用Adams 2016 軟件對薄膜鋪裁裝置中的薄膜切割部分進行運動仿真分析，以確定其最終設(shè)計尺寸[9]。薄膜切割部分利用曲柄搖桿原理進行往復(fù)式運動，其中LAB=53 mm、LBD=110 mm、LAC=125 mm 和LDC=90 mm，曲柄AB為主動件，連桿EC往復(fù)運動。曲柄搖桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 曲柄搖桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of crank rocker mechanism

首先應(yīng)滿足最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和，即LAB+LAC≤LBD+LDC，滿足設(shè)計要求。之后，使用Adams 軟件對結(jié)構(gòu)模型進行設(shè)置分析，采用 Adams 軟件進行此機構(gòu)模型的創(chuàng)建，確定機構(gòu)在某一瞬時時刻各鉸接點的位置坐標，并對Simulation Control 界面進行設(shè)置，仿真時間為35 s，仿真步數(shù)為 720。最終得到曲柄搖桿的位移、速度和加速度的曲線圖，根據(jù)經(jīng)驗分析可知設(shè)計滿足要求。曲柄搖桿機構(gòu)運動分析如圖8 所示。

圖8 曲柄搖桿機構(gòu)運動分析Fig.8 Motion analysis of crank rocker mechanism

各單元均分布在車架之上，施加不同的載荷，使用ANSYS workbench16.0 對車架進行靜力學(xué)分析，判斷受力均勻及分布均勻情況。取重力加速度g=10 m/s2，其中打孔裝置載荷為70 N，旋轉(zhuǎn)羅盤裝置載荷為45 N，Y 型出水裝置水箱空載時為10 N，水箱儲水量為15 L，滿載時Y 型出水裝置載荷為160 N。車架材料為鐵。分別對水箱空載時、滿載時進行靜力學(xué)分析，車架有限元分析如圖9 所示。

圖9 車架有限元分析Fig.9 Finite element analysis of frame

由圖9a 可知，滿載時最大形變集中在車架兩側(cè)的打孔裝置處與水箱處，最大形變量為0.003 77 mm；由圖9b 可知，滿載時最大等效應(yīng)變值為2.517e-05，主要集中在打孔裝置處與水箱下端的連接處；由圖9c 可知，滿載時最大應(yīng)力為5.035 MPa，應(yīng)力僅集中在車架固定的打孔裝置處，并且小于材料鐵的許用應(yīng)力（105 MPa）；由圖9 d 可知，空載時最大形變集中在車架前側(cè)打孔裝置處，最大形變量為0.003 78 mm；由圖9e 可知，空載時最大等效應(yīng)變值為2.163e-05，主要集中在打孔裝置處；由圖9f 可知，空載時最大應(yīng)力為4.327 MPa，應(yīng)力僅集中在車架固定的打孔裝置處，并且小于材料鐵的許用應(yīng)力（105 MPa）。

通過以上對比，空載或滿載時各裝置的分布都未使得車架發(fā)生太大的形變，滿足設(shè)計要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

整體設(shè)備控制系統(tǒng)主要由小車運動控制系統(tǒng)、曲柄滑塊運動系統(tǒng)、種植系統(tǒng)、自動供水系統(tǒng)和鉆頭控制模塊等部分組成。

選用STM32F103ZET6 作為系統(tǒng)的控制器，STM 32 控制器如圖10 所示。通過C 語言對各個系統(tǒng)的控制邏輯進行編寫，從而實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的組合控制。小車運動控制系統(tǒng)采用步進電機+聯(lián)動軸+輪子的直驅(qū)模式，選用了A4988 步進電機驅(qū)動模塊，通過STM 32控制器輸出脈沖，從而驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。通過單片機發(fā)出控制使能、時鐘脈沖和方向3 個控制信號就可以實現(xiàn)步進電機的驅(qū)動。

圖10 STM 32 控制器Fig.10 STM32 controller

曲柄滑塊運動系統(tǒng)采用帶導(dǎo)軌的步進電機控制模塊，通過STM32 控制器實時檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過控制鉆頭的上下運動，實現(xiàn)鉆孔的動作；鉆頭控制模塊采用直流電機帶動鉆頭進行鉆孔，當(dāng)曲柄滑塊向下運動時，直流電機帶動鉆頭開始打孔；種植系統(tǒng)采用步進電機+轉(zhuǎn)盤的控制模式，當(dāng)小車運動到預(yù)定目標時，控制器控制步進電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動到指定位置進行栽種；自動供水系統(tǒng)通過控制器對機械爪的舵機進行控制，采用機械爪壓縮水囊進行供水。整體設(shè)備接線如圖11 所示。

圖11 整體設(shè)備接線Fig.11 Overall device wiring

通過整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制設(shè)計及關(guān)鍵零件仿真分析，對各零件制作加工裝配，最終制成沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設(shè)備樣機。實際操作后，測得該設(shè)備可對高度30～40 cm、直徑1.5～3.0 cm 的樹苗進行種植，種植效率可達65 棵/h。沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設(shè)備產(chǎn)品如圖12 所示。

圖12 沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設(shè)備Fig.12 Physical diagram of integrated equipment for independent planting，watering and film laying in desert

4 結(jié)束語

介紹了一款沙漠自主種植澆灌鋪膜一體化設(shè)備，主要由鉆孔裝置、旋轉(zhuǎn)羅盤輸苗裝置、Y 型出水裝置、薄膜鋪裁裝置和鏈傳動車體組成，利用曲柄滑塊、齒輪傳動、曲柄搖桿機構(gòu)和鏈傳動等機構(gòu)實現(xiàn)鉆孔、輸苗、灌溉、鋪膜和車體運動等功能。在此基礎(chǔ)上，對設(shè)備車體架進行有限元分析，連桿機構(gòu)進行動態(tài)仿真分析，確保設(shè)計的合理性，并完成設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的搭建。同時，使用單片機對控制系統(tǒng)進行編程設(shè)計，并接線調(diào)試，最終完成沙漠自主植樹澆灌設(shè)備的整體設(shè)計。整體設(shè)備功能齊全、操作簡單、種植效率高和樹苗存活率高。