王迎輝 ，孫浩然 ，解華臻 ，張 巖 ，盧振生

（綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

0 引言

2020年7月21 日，聯(lián)合國糧農(nóng)組織發(fā)布的《2020年全球森林資源評估》報(bào)告顯示，全球森林面積持續(xù)減少，自1990年以來，全球森林面積持續(xù)縮小，凈損失達(dá)1.78億hm2；但與此同時(shí)，一些國家通過造林和森林自然擴(kuò)張不斷增加森林面積，近10年來我國森林面積增長率位居全球第一[1]。我國是世界上荒漠化面積最大、受影響人口最多、風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的國家之一?！?022年中國國土綠化狀況公報(bào)》顯示，目前，我國森林面積2.31億hm2，森林覆蓋率達(dá)24.02%。2022年全年完成人工造林120萬hm2[2]。近年來，我國推出了植樹造林、防風(fēng)治沙、退耕還林等一系列政策，堅(jiān)持治山、治水、治沙相配套，封山、育林、育草相結(jié)合，禁牧、休牧、輪牧相統(tǒng)一，積極推進(jìn)荒漠化、石漠化防治[3]。而植樹造林、種草恢復(fù)植被是防治荒漠化的最有效手段。

我國為了治理土地荒漠化耗費(fèi)了大量人力，工作環(huán)境十分惡劣，提高機(jī)械化種植水平是降低勞動(dòng)力成本的重要手段。隨著當(dāng)今機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，其他各項(xiàng)技術(shù)也得到了完善，但在植樹機(jī)械領(lǐng)域，仍存在造價(jià)昂貴、操作復(fù)雜、負(fù)載較大等缺點(diǎn)。課題組旨在設(shè)計(jì)一種成本低、可代替人工的小型樹苗扦插機(jī)樣機(jī)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)儲存、進(jìn)給、扦插樹苗等一系列功能，提高植樹作業(yè)效率。

1 扦插機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扦插機(jī)主要由儲苗盒、齒輪齒條、曲柄滑塊、落苗筒、底盤板塊、步進(jìn)電機(jī)等組成，通過SolidWorks繪制扦插機(jī)的各個(gè)零部件，并對其進(jìn)行建模及裝配，便攜式扦插機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 便攜式扦插機(jī)三維模型

根據(jù)預(yù)期功能初步擬定工作過程為：接通電源，初始化完成后，給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力使得頂部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的儲苗盒沿苗盒軸線方向移動(dòng)一個(gè)苗筒的距離；苗筒中的樹苗借助重力下落到落苗機(jī)構(gòu)，由扦插機(jī)構(gòu)進(jìn)行扦插工作；按壓塊將樹苗壓入土中，完成樹苗扦插；人工操縱控制器整車移動(dòng)到下一扦插位置，進(jìn)行下一次扦插作業(yè)，其架構(gòu)邏輯如圖2所示。

圖2 架構(gòu)邏輯圖

1.2 主要部件設(shè)計(jì)

1.2.1 頂部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

儲苗盒是裝載樹苗的主要零件，儲苗盒的設(shè)計(jì)需要考慮如下因素：1）避免樹苗在運(yùn)輸過程中受到損傷；2）方便樹苗的種植；3）保證樹苗的成活率?；谝陨峡紤]，頂部苗盒具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 頂部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

1.2.2 落苗機(jī)構(gòu)

落苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示，直筒式扦插裝置由直筒和斜筒相貫而成，樹苗從儲苗盒落入斜筒中，經(jīng)過傾斜通道到達(dá)直筒；直筒上方設(shè)置按壓塊，工作時(shí)按壓塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)扦插樹苗的重復(fù)工作?？紤]到樹苗下落的通暢性，結(jié)合樹苗的形狀尺寸，對此部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對直筒與斜筒相貫時(shí)的軸線夾角進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定此夾角為12°。直筒中間有一通槽，為了使落苗機(jī)構(gòu)與扦插機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)且互不干涉，此槽的長度為330 mm，寬度為10 mm。斜筒內(nèi)壁均勻涂抹潤滑油，摩擦阻力忽略不計(jì)，故樹苗可以實(shí)現(xiàn)下落[4]。

圖4 落苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)部分采用齒輪傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)末尾齒條機(jī)構(gòu)與儲苗盒連接運(yùn)動(dòng)，通過PLC一體機(jī)對步進(jìn)電機(jī)編程，最終實(shí)現(xiàn)儲苗盒間歇運(yùn)動(dòng)[5]。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型如圖5所示。

圖5 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)軸與中間傳動(dòng)軸之間的軸距A1=60 mm，中間傳動(dòng)軸與工作軸中心距A2=80 mm，參考齒輪的選型設(shè)計(jì)，計(jì)算所需齒輪參數(shù)。

輸出齒輪周長計(jì)算公式為：

式中，d為輸出齒輪直徑，mm；m為模數(shù)，取2 mm；z為齒數(shù)，取20齒。

儲苗盒運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，與工作齒輪嚙合的齒條移動(dòng)8個(gè)齒，工作齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α為：

工作一次，儲苗盒的運(yùn)動(dòng)距離為：

西方國家企業(yè)早已將財(cái)務(wù)管理提高到戰(zhàn)略地位。同時(shí)，他們還開發(fā)了平衡計(jì)分卡、戰(zhàn)略地圖等輔助財(cái)務(wù)分析工具。雖然近年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無論是管理能力和管理要求都有了很大的提高，我國的企業(yè)也采用了平衡計(jì)分卡的財(cái)務(wù)分析工具不斷提升內(nèi)部管理水平和管理效率，逐步實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理模式。但大多數(shù)企業(yè)仍然停留在基層財(cái)務(wù)管理，以企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)為中心，整體管理水平還比較低。在“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展背景下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)信息的復(fù)雜局而，因此，企業(yè)需要不斷加強(qiáng)財(cái)務(wù)理念的組織創(chuàng)新和管理。

式中，α為工作齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，取72°；C為輸入齒輪周長，取251.2 mm。

1.2.4 扦插機(jī)構(gòu)

扦插機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是扦插系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，能夠利用連桿實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。為了能夠配合落苗機(jī)構(gòu)，用到了曲柄、連桿、按壓塊，將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為按壓塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，按壓塊向下按壓樹苗，實(shí)現(xiàn)了扦插的功能。

圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡圖

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，應(yīng)盡可能地使按壓塊下落較快，使小樹苗深入土壤，保證扦插任務(wù)的完成。結(jié)合落苗機(jī)構(gòu)中的苗筒尺寸考慮，按壓塊所在最高點(diǎn)與最低點(diǎn)兩個(gè)極位之間距離為300 mm，故按壓塊走過的行程H為300 mm。結(jié)合扦插機(jī)底盤尺寸考慮，曲柄軸心與按壓塊中心的垂直距離為200 mm.

因設(shè)計(jì)要求，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有急回特性，而行程速比系數(shù)K越大，急回特性越顯著，所以取K=1.5。極位夾角θ的計(jì)算公式為：

采用解析法[6]計(jì)算曲柄長度A與連桿長度B：

式中，H為行程，取300 mm；e為偏距，取200 mm；θ為極位夾角，計(jì)算得θ為36°。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體控制方案

控制器傳遞信號給STM32從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)底盤的移動(dòng)，STM32反饋信號給PLC一體機(jī)，控制兩個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器分別調(diào)節(jié)儲苗盒電機(jī)和曲柄電機(jī)，施加植樹命令即可實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)扦插和移動(dòng)的操作[7]。控制系統(tǒng)原理流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)原理流程圖

2.2 底盤系統(tǒng)工作原理

底盤運(yùn)動(dòng)的控制與實(shí)現(xiàn)是通過上位機(jī)與下位機(jī)通信來實(shí)現(xiàn)的，即控制器（PS2無線手柄）與STM32單片機(jī)之間的通信，先通過控制器向STM32發(fā)送指令，STM32再根據(jù)所接收的信息控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來使底盤運(yùn)動(dòng)，通過改變底盤的目標(biāo)速度來實(shí)現(xiàn)控制。目標(biāo)速度經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析函數(shù)得出每個(gè)電機(jī)的實(shí)際輸出，最后通過PID速度控制函數(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制[8]，底盤驅(qū)動(dòng)控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 底盤驅(qū)動(dòng)控制程序流程圖

2.3 儲苗機(jī)構(gòu)和扦插機(jī)構(gòu)系統(tǒng)工作流程

接通扦插機(jī)電源，儲苗機(jī)構(gòu)和扦插機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行初始化。苗盒電機(jī)反轉(zhuǎn)，使儲苗盒向后移動(dòng)，接觸到原點(diǎn)接近開關(guān)后，苗盒電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，儲苗盒處于原點(diǎn)位置。此過程中，曲柄電機(jī)也同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接近開關(guān)感應(yīng)到連桿轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置時(shí)，曲柄電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的按壓塊處于初始位置，整個(gè)初始化過程完成。通過控制器對STM32發(fā)送工作指令，苗盒電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使苗盒進(jìn)給相應(yīng)的位移，曲柄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，通過按壓塊對樹苗施加壓力，使樹苗插入土中，完成扦插動(dòng)作[9-10]。通過儲苗盒是否接觸終點(diǎn)接近開關(guān)來間接檢測儲苗盒是否有殘余樹苗，有殘余樹苗時(shí)會(huì)處于等待工作指令的狀態(tài)，沒有樹苗則進(jìn)行初始化過程?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)程序流程圖

3 結(jié)論

本研究以扦插機(jī)為主題，基于國內(nèi)環(huán)境及土地荒漠化現(xiàn)狀，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)和相關(guān)理論設(shè)計(jì)了一種樹苗扦插機(jī)樣機(jī)，得出了相關(guān)創(chuàng)新研究結(jié)論，具體如下：

1）儲苗盒選擇由若干個(gè)小格子組裝而成的長方體結(jié)構(gòu)較為合理；

2）落苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩個(gè)筒組合相貫而成的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)樹苗順利下落；

3）進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)研發(fā)采用齒輪、齒條傳動(dòng)方案，可實(shí)現(xiàn)儲苗盒沿水平直線方向移動(dòng)；

4）扦插機(jī)構(gòu)研發(fā)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化扦插。