基于ProE的樹干繃帶纏繞機(jī)設(shè)計(jì)

王天賜 張欣毅 付宗品 吳皖龍

摘? 要：寒冷的冬天為了使樹木能夠健康茁壯的成長，通常需要給樹木包裹一層樹繃帶，不僅防寒保暖，還能減少害蟲侵蝕。然而人工纏繞樹繃帶，不僅費(fèi)事費(fèi)力，而且效率不高。本文設(shè)計(jì)了一種樹干繃帶纏繞機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)樹繃帶纏繞樹干的螺旋運(yùn)動，具有使用方便，結(jié)構(gòu)合理，性能高效等優(yōu)點(diǎn)，極大地解放了雙手，提高了生產(chǎn)力。

關(guān)鍵詞：樹木防寒;ProE;纏繞裝置;虛擬樣機(jī)

1、引言：

在我國北方和東西部地區(qū)，冬季天氣嚴(yán)寒干冷，部分地區(qū)還常年多風(fēng)，往往會使一些耐寒度不高的樹種遭受凍害或?qū)е滦纬伞吧砀珊怠?，水分不能及時(shí)送達(dá)，使枝條枯干，更有甚者會使整個(gè)樹木死亡。為使樹木適應(yīng)寒冷天氣安全越冬，通常需要人工進(jìn)行纏繞，但人工纏繞需要耗費(fèi)很長的時(shí)間和力氣，纏繞效率也不高。為解決此問題，本文設(shè)計(jì)了一種樹干繃帶纏繞機(jī)，具有使用方便，結(jié)構(gòu)合理，性能高效等優(yōu)點(diǎn)，極大地解放了雙手，提高了生產(chǎn)力。

2、技術(shù)方案

該設(shè)計(jì)通過三維制作軟件ProE來建立其三維立體模型，從而完成整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。三維模型渲染圖如圖1所示。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樹干繃帶纏繞機(jī)主要由繃帶安裝機(jī)構(gòu)、繃帶傳輸機(jī)構(gòu)、伸展探測機(jī)構(gòu)、纏繞機(jī)構(gòu)、固結(jié)繃帶機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

3.1繃帶安裝機(jī)構(gòu)

繃帶安裝機(jī)構(gòu)由繃帶支撐架和繃帶調(diào)節(jié)架組成。繃帶調(diào)節(jié)架上端設(shè)有握持把手，可直接通過握持把手向上拉起繃帶調(diào)節(jié)架，便于將繃帶圓盤安裝在繃帶調(diào)節(jié)架下端的繃帶安裝軸上，極大程度上方便了樹繃帶的拆卸，提高了其工作效率?？噹О惭b機(jī)構(gòu)如圖2所示。

3.2繃帶傳輸機(jī)構(gòu)

繃帶輸送機(jī)構(gòu)由兩排水平輸送輪組、轉(zhuǎn)向架和支撐架等組成，輪組由電機(jī)提供輸送動力，可通過該機(jī)構(gòu)將水平傳輸?shù)臉淇噹мD(zhuǎn)換為豎直傳輸并進(jìn)行壓緊操作，用于繃帶的定量輸送和后續(xù)的纏繞和剪切?？噹鬏敊C(jī)構(gòu)如圖3所示。

3.2伸展探測機(jī)構(gòu)和纏繞機(jī)構(gòu)

伸展探測機(jī)構(gòu)由雙目攝像頭、伸展減速電機(jī)、齒條等構(gòu)成。雙目攝像頭是基于opencv的雙目立體攝像頭，可以通過雙目標(biāo)定，進(jìn)而再對標(biāo)定的物體進(jìn)行校正和立體匹配得到攝像頭與樹之間的距離，將所得數(shù)據(jù)傳送給stm32單片機(jī)并經(jīng)一系列算法處理、轉(zhuǎn)化得到樹的直徑，進(jìn)而轉(zhuǎn)化所需樹繃帶的量，保證有足量的樹繃帶來進(jìn)行纏繞。

纏繞機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪，齒輪相互嚙合傳動和滾珠絲杠上下傳動兩者結(jié)合的方式進(jìn)行樹繃帶的纏繞。步進(jìn)電機(jī)可帶動外齒輪轉(zhuǎn)動，外齒輪通過嚙合帶動不完全內(nèi)齒輪和樹繃帶臨時(shí)儲存裝置繞樹木進(jìn)行纏繞;絲杠轉(zhuǎn)動，帶動水平升降板上下移動，兩者結(jié)合使樹繃帶臨時(shí)儲存裝置對樹木進(jìn)行自下而上有序的纏繞。

伸展探測機(jī)構(gòu)和纏繞機(jī)構(gòu)如圖4所示。

3.3固結(jié)繃帶機(jī)構(gòu)

繃帶固結(jié)機(jī)構(gòu)仿照訂書機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減速電機(jī)帶動推釘支架和推釘板向前移動，推釘板內(nèi)裝填有 C 形繃帶樹釘，推釘板擠壓 C 形繃帶樹釘使其從 C 形出釘槽釘擠出，釘入樹繃帶中，從而達(dá)到固定樹繃帶的作用，機(jī)構(gòu)簡單，效率高效。固結(jié)繃帶機(jī)構(gòu)如圖5所示。

3.4剪切機(jī)構(gòu)

剪切機(jī)構(gòu)采用皮帶輪帶動皮帶，皮帶帶動升降桿向上移動，進(jìn)而使兩個(gè)擺桿帶動剪刀片將樹繃帶剪斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)繃帶纏繞完成后，能夠精準(zhǔn)將樹繃帶剪斷，為下一棵樹的纏繞做準(zhǔn)備。剪切機(jī)構(gòu)如圖6所示。

4、工作原理

伸展探測機(jī)構(gòu)通過雙目攝像頭處理所獲取的樹干信息，通過計(jì)算得出需要的繃帶數(shù)量，樹繃帶通過水平輸送滾輪壓緊，將樹繃帶移動到豎直夾層板上，經(jīng)剪切機(jī)構(gòu)將定量的樹繃帶儲存在臨時(shí)儲存裝置中，纏繞機(jī)構(gòu)帶動臨時(shí)儲存裝置，通過齒輪傳動裝置組進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，將臨時(shí)儲存裝置中的樹繃帶纏繞到樹上，固結(jié)繃帶機(jī)構(gòu)通過減速電機(jī)帶動推釘支架和推頂板向前伸出，仿照訂書機(jī)結(jié)構(gòu)將 C 型繃帶樹釘釘入樹繃帶中，對樹繃帶起到固定的作用。剪切機(jī)構(gòu)通過皮帶輪轉(zhuǎn)動，使得剪切片向上移動，將多余的樹繃帶剪切掉，如此，整個(gè)樹干繃帶包裹過程完成，該設(shè)備便可移動至下一顆樹旁，重復(fù)繃帶包裹過程。

5、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該裝置通過制圖軟件proe進(jìn)行多次設(shè)計(jì)和修改后，并進(jìn)行了有限元分析和運(yùn)動分析，進(jìn)而通過計(jì)算得到了該纏繞機(jī)的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，如圖7所示。并根據(jù)具體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)物樣機(jī)的制作。樣機(jī)如圖8所示。

6、總結(jié)

該設(shè)計(jì)通過ProE進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)和修改、結(jié)構(gòu)合理，各機(jī)構(gòu)配合協(xié)調(diào)，成本較低，工作效率高、實(shí)用性強(qiáng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。該纏繞機(jī)利用多種機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)行，結(jié)實(shí)耐用，持久性強(qiáng)，可以適用于果農(nóng)、園林綠化等，也可為工程技術(shù)人員比較設(shè)計(jì)方案、評估具體運(yùn)行狀態(tài)提供參考。

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