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        一種樹干涂白機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計*

        2023-11-03 08:49:14陳宇翔代文龍孔俊超陳夢強(qiáng)祝小康查章根張唯樂
        南方農(nóng)機(jī) 2023年22期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        陳宇翔 ,代文龍 ,孔俊超 ,陳夢強(qiáng) ,祝小康 ,查章根 ,張唯樂

        (巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 238000)

        樹干涂白可提升林場整體美觀性,防止和消滅病蟲害,預(yù)防日灼和凍傷,促進(jìn)樹木健康生長[1-2]。人工手持刷筒實(shí)施操作樹干涂白,工作強(qiáng)度大且近距離接觸涂白劑容易對人體造成傷害[3-4]。唐磊生等[5]設(shè)計了一種包括驅(qū)動結(jié)構(gòu)、石灰水勾兌灌裝機(jī)構(gòu)、軌道滑塊機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等的人機(jī)協(xié)作的樹干涂白裝置,并完成了樹干涂白機(jī)的樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)。翟家怡[6]設(shè)計了一種含三自由度機(jī)械爪、移動式履帶的可適應(yīng)多種地形的可快速涂白樹干的涂白機(jī)器人。目前關(guān)于樹干涂白機(jī)的設(shè)計主要為專利或設(shè)計研發(fā)[7-8],設(shè)計整機(jī)尺寸大,導(dǎo)致成本高、適應(yīng)性差。因此,十分有必要設(shè)計一種智能化、全自動的樹干涂白機(jī)。課題組設(shè)計了一種包括傳動系統(tǒng)、夾緊機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)、移動裝置、驅(qū)動裝置和電路控制系統(tǒng)的新型樹干涂白裝置,不僅可以大大提升工作效率、節(jié)省人力,同時結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、清潔環(huán)保,具有一定的推廣價值。

        1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

        1.1 總體結(jié)構(gòu)

        樹干涂白機(jī)主要由主運(yùn)動夾緊機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)和電路控制系統(tǒng)四個部分組成。圖1為樹干涂白機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,包括電機(jī)、主動搖桿、機(jī)構(gòu)連桿、從動搖桿(夾爪)、噴管、傳動桿、腳輪、儲存箱、氣泵、帶輪和車架等。夾緊機(jī)構(gòu)由兩個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成,升降機(jī)構(gòu)為用于調(diào)節(jié)涂白高度的絲杠機(jī)構(gòu),噴管、氣泵和涂白劑儲存箱組成噴涂機(jī)構(gòu)。

        圖1 樹干涂白機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 工作原理

        將涂白機(jī)滾輪移動至待涂白的樹干處,此時夾緊機(jī)構(gòu)和噴涂裝置的雙搖桿機(jī)構(gòu)處于開口狀態(tài)且在最高工作位置。圖2為夾緊噴涂裝置結(jié)構(gòu)示意圖,通過單點(diǎn)激光測距模塊對樹木進(jìn)行徑向掃描,得出樹木胸徑數(shù)據(jù)并自動選取適合的噴涂模式。將涂白機(jī)推至工作目標(biāo)處,對準(zhǔn)待涂白的樹干,即可完成涂白預(yù)備工作。

        圖2 夾緊噴涂裝置結(jié)構(gòu)示意圖

        單片機(jī)控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)噴涂裝置處的電動機(jī),利用帶傳動傳遞動力,驅(qū)動涂白裝置的主動搖桿進(jìn)行單向擺動。通過主動搖桿處齒輪的嚙合,控制涂白裝置處兩組雙搖桿的動作,實(shí)現(xiàn)夾緊動作。夾緊機(jī)構(gòu)與涂白裝置兩機(jī)構(gòu)的主動搖桿處,利用同步傳動軸,實(shí)現(xiàn)夾具和噴涂機(jī)構(gòu)的夾緊動作一致。通過夾緊機(jī)構(gòu)與涂白裝置主動搖桿處的齒輪模數(shù)差異,實(shí)現(xiàn)二者從動搖桿夾緊部分的相對偏移,確保噴涂裝置的噴嘴和樹干表面之間有間隙,同時保證工作效率和設(shè)備安全性。

        完成上述準(zhǔn)備工作后,啟動自動涂白工作模式。同時,利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)噴涂裝置的水平方向移動,完成樹干表面軸向方向的涂白工作。步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠進(jìn)而帶動螺母副進(jìn)行移動,從而帶動噴涂機(jī)構(gòu)所在的工作平臺在垂直方向上移動,完成樹干表面豎直方向的涂白工作。

        2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計

        2.1 傳動裝置設(shè)計

        由于涂白機(jī)的工作環(huán)境對于傳動速度以及傳動精度的要求較低,屬于一般工作場合,并且作為農(nóng)用機(jī)械,工作環(huán)境較差,采用滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)涂白機(jī)的傳動工作更為合適。

        2.2 夾緊裝置設(shè)計

        圖3為雙搖桿夾緊裝置結(jié)構(gòu)圖,夾緊裝置采用兩組雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊動作,能在夾緊力要求不高的情況下滿足使用要求,不會對設(shè)備自身以及待工作目標(biāo)造成傷害。在兩組機(jī)構(gòu)的主動搖桿處利用齒輪嚙合,保證兩組機(jī)構(gòu)的從動件搖桿實(shí)現(xiàn)同步動作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾緊動作。

        圖3 夾緊裝置結(jié)構(gòu)圖

        2.3 噴涂裝置設(shè)計

        圖4為雙搖桿噴涂裝置結(jié)構(gòu)圖,兩條噴管分別與兩組雙搖桿機(jī)構(gòu)固定連接,使得噴管和從動搖桿同步運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)噴嘴和待工作目標(biāo)之間的相對距離控制。這不僅可以確保涂白劑的噴涂均勻,還可以避免噴嘴與樹干接觸。利用同步傳動桿實(shí)現(xiàn)噴涂裝置和夾緊裝置動作同步,驅(qū)動帶輪電機(jī)6帶動皮帶7運(yùn)行,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。

        圖4 噴涂裝置結(jié)構(gòu)圖

        2.4 涂白劑儲存箱部分

        圖5為儲存箱結(jié)構(gòu)圖,涂白劑料倉部分主要由料倉殼體、磁力攪拌器、小型高壓氣泵、進(jìn)氣管、涂白劑注入口、空氣過濾網(wǎng)、磁性浮子等組成。涂白劑儲存箱放置于裝置的重心處,下方安裝磁力攪拌器,用來防止涂白劑在儲存箱內(nèi)沉積。在箱體側(cè)面豎直安放液面高度計和一干彈簧管,通過箱內(nèi)的磁性浮子配合干彈簧管實(shí)現(xiàn)液面上下限位報警。當(dāng)液面高,磁性浮子靠近上干彈簧管時,干彈簧管閉合并給單片機(jī)輸入模擬信號,單片機(jī)對信號進(jìn)行處理并顯示在OLED屏幕上用于對數(shù)據(jù)的可視化。液面高度計由透明玻璃管上下與箱體連通,玻璃管液面即箱內(nèi)液面。

        圖5 儲存箱結(jié)構(gòu)圖

        涂白劑儲存箱頂部有進(jìn)氣孔和注入口,高壓氣體由高壓氣泵通過進(jìn)氣孔泵入箱內(nèi)。當(dāng)噴口電磁閥得電路徑為通路時,涂白液便可從噴口噴出。通過高壓氣泵和氣壓傳感器的閉環(huán),可實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)氣壓的自動化控制,不同的壓力會使涂白液的噴出距離不同。

        3 控制與充放電部分模塊

        3.1 模塊簡介

        圖6為自動控制各部件關(guān)系圖,圖7為初步電路設(shè)計及控制器圖??刂婆c充放電部分主要由單片機(jī)、OLED屏幕、按鍵、鋰電池、充電口及傳感器組成。在機(jī)器對樹干涂白的過程中,對于不同胸徑的樹木,無法實(shí)現(xiàn)自動適應(yīng)樹木進(jìn)行最佳的涂白工作,因此會造成機(jī)器涂白的質(zhì)量差、對涂白劑的利用率低等問題。針對此問題,課題組設(shè)計了四種自動涂白模式,從而實(shí)現(xiàn)對不同胸徑樹木的自適應(yīng)涂白工作。涂白模式及其參數(shù)如表1所示,四種自動涂白模式分別調(diào)整機(jī)械手上下移動速度、出料噴口數(shù)量及壓力等參數(shù),使得不同徑級的樹木都可以均勻有效地被涂白劑覆蓋。左右夾緊裝置裝有對射的單點(diǎn)高精度激光測距模塊,當(dāng)樹木進(jìn)入夾緊裝置時,可以對樹木進(jìn)行徑向掃描得到其胸徑,并為其匹配最佳的涂白模式。

        表1 涂白模式及其參數(shù)

        圖6 自動控制各部件關(guān)系圖

        圖7 初步電路設(shè)計及控制器圖

        該裝置采用鋰電池為各組件供電,并采用德州儀器ina226對電源電流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度采集,使數(shù)據(jù)可視化。鋰電池組設(shè)計成可拆卸式,當(dāng)設(shè)備沒電時,可從電池倉取下沒電的電池?fù)Q上有電的電池,并將沒電的電池放入充電倉充電,提高作業(yè)效率。此外,還可以采用停機(jī)充電的方式進(jìn)行補(bǔ)電,兩種補(bǔ)電方式相輔相成,以便適應(yīng)各種工作環(huán)境。在野外大型森林以及用電不方便的環(huán)境中,可以建立太陽能補(bǔ)電站,利用清潔能源,實(shí)現(xiàn)零碳排放。

        3.2 相關(guān)程序控制模塊及其機(jī)理

        相關(guān)程序如下,程序中包含6個庫。

        #include <Adafruit_BMP085.h>

        #include <Wire.h>

        #include <Adafruit_GFX.h>

        #include <Adafruit_SSD1306.h>

        #include <GyverINA.h>

        #include <Stepper.h>

        1)氣壓計傳感器BMP280的庫文件,氣壓計與開發(fā)板通過IIC通信。

        2)Wire庫是Arduino的一個標(biāo)準(zhǔn)庫,它被用于I2C(Inter-Integrated Circuit)總線通信協(xié)議。I2C通信協(xié)議可以讓多個設(shè)備通過兩根信號線進(jìn)行通信。Wire庫包含了使用I2C通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的函數(shù)和方法,這些函數(shù)和方法可以幫助用戶在Arduino與其他硬件設(shè)備進(jìn)行可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

        3)Adafruit_GFX是一個Arduino庫,用于在液晶屏幕上繪制圖形。它提供了一系列用于像素級控制圖形的功能函數(shù),如畫線、畫圓、填充矩形等,并支持不同字體的渲染和顯示。使用此庫可以讓開發(fā)者輕松地在液晶屏幕上繪制出各種復(fù)雜圖形和圖標(biāo),并且占用的內(nèi)存和處理器負(fù)載非常小,適用于單片機(jī)等資源有限的嵌入式平臺。

        4)Adafruit_SSD1306是一個針對SSD1306 OLED顯示器的Arduino庫。該庫提供了一組用于控制和驅(qū)動OLED屏幕的函數(shù),如繪制圖形、刷屏、顯示文本等。此外,還可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置OLED顯示器的亮度、對比度、旋轉(zhuǎn)角度等,以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。使用Adafruit_SSD1306庫可以輕松地操控OLED屏幕,并且具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性,其在嵌入式設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

        5)GyverINA是雙向電流/功率監(jiān)視器芯片ina226的庫文件。

        6)Stepper是Arduino的標(biāo)準(zhǔn)庫之一,用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)相對于直流電機(jī)擁有較高的精度和控制可定性,在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Stepper庫提供了一組函數(shù),可以讓用戶輕松控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、方向和步數(shù)等參數(shù),配合其他電子元器件(如感應(yīng)開關(guān)、旋鈕等)可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制功能。在使用Stepper庫時,需要根據(jù)具體的步進(jìn)電機(jī)型號以及對其控制參數(shù)的需求來設(shè)置庫中的相關(guān)參數(shù),以便實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動軌跡和步進(jìn)精度。通過距離傳感器對樹木半徑進(jìn)行測量,從而選擇不同的噴涂模式。

        4 主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性分析

        4.1 力學(xué)特性分析

        樹干涂白機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu),力學(xué)特性分析包括運(yùn)動特性、慣性力和慣性力矩分析,圖8為主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力示意圖,圖9為機(jī)構(gòu)分離體的受力示意圖。

        圖8 主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力示意圖

        圖9 機(jī)構(gòu)分離體受力示意圖

        4.1.1 慣性力分析

        主動搖桿AB的質(zhì)心為S1,連桿BC的質(zhì)心為S2,從動搖桿CD的質(zhì)心為S3。主動搖桿AB上作用有驅(qū)動(平衡)力矩Mb,從動搖桿CD上作用有工作阻力矩Mr。

        4.1.2 平衡方程

        每處運(yùn)動副所產(chǎn)生的反力分解為沿x軸、y軸方向的兩個分力以及一對未知的平衡力矩Mb、Mr[9-10]。

        4.2 機(jī)構(gòu)受力特性分析

        夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊端所受到工作阻力矩為5 N·m時,即可完成夾緊動作,得出如圖10所示的受力特性曲線圖。機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化后,各個桿件在搖桿擺角范圍為15°~60°的工況中所受到的運(yùn)動副反力較?。?0 N以下),主動搖桿處所需要施加的驅(qū)動力矩不高(5.8 N·m~9.6 N·m)。采用強(qiáng)度適中、質(zhì)量較輕的材料充當(dāng)桿件材料即可滿足桿件的強(qiáng)度要求,同時采用體積較小、所需扭矩不高的電機(jī)即可滿足該搖桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動要求,機(jī)構(gòu)整體滿足設(shè)計要求。

        圖10 機(jī)構(gòu)受力特性曲線圖

        5 結(jié)論

        1)本文設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的樹干涂白裝置,它包括傳動系統(tǒng)、夾緊機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)、移動裝置、驅(qū)動裝置和電路控制系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)為絲杠螺母機(jī)構(gòu),氣缸活塞夾緊機(jī)構(gòu)與雙搖桿夾緊機(jī)構(gòu)相配合可以在固定機(jī)器工作位置噴涂的同時,保證樹木噴涂范圍完整,均勻涂白且涂白劑消耗量小。

        2)左右夾緊裝置裝有對射的單點(diǎn)高精度激光測距模塊,樹木進(jìn)入夾緊裝置時可以對樹木進(jìn)行徑向掃描得到其胸徑,并為其匹配最佳的涂白模式。調(diào)整機(jī)械手上下移動速度、出料噴口數(shù)量及壓力等參數(shù),使不同徑級的樹木都可以均勻有效地被涂白劑覆蓋。

        3)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化后,各個桿件在搖桿擺角范圍為15°~60°的工況中所受到的運(yùn)動副反力較?。?0 N以下),主動搖桿處所需要施加的驅(qū)動力矩不高(5.8 N·m~9.6 N·m)。采用強(qiáng)度適中、質(zhì)量較輕的材料為桿件材料即可滿足桿件的強(qiáng)度要求。

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