基于SolidWorks的自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置系統(tǒng)研制與開發(fā)

蔣小輝，胡 川，張官祥，何 煌，葛 佳

（1.三峽大學(xué) 科技學(xué)院，宜昌 443002；2.中國船級社宜昌分社，宜昌 443000；3.向家壩電廠，宜賓 644600；4.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；5.上海電力安裝第二工程有限公司，上海 201100）

1 樹木涂白裝置研究狀況

目前，我國樹木的涂白工作主要由人工完成，但這種傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式存在著涂白質(zhì)量參差不齊、工作效率低下、涂刷原料浪費過大、涂白劑對人體危害大等缺點。相關(guān)科研院校曾經(jīng)提出一些設(shè)計思路及申請了發(fā)明專利，但是由于零部件加工難度大、控制系統(tǒng)過于復(fù)雜、地面環(huán)境適應(yīng)能力差等因素限制而難以推廣[1]。本論文針對人工樹木的涂白及我國樹干涂刷裝置的研究現(xiàn)狀，研制一套智能樹干涂刷裝置，其具有易于控制，適應(yīng)性較強，工作效率及自動化程度高等優(yōu)點，以滿足公共服務(wù)系統(tǒng)對樹木涂刷需求[1,2]。

2 自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置系統(tǒng)構(gòu)成

1）移動系統(tǒng)：移動裝置包括機架及底盤模塊；機架擬采用前置V型卡槽手推車的結(jié)構(gòu)，承重與支撐整個機構(gòu)。智能樹干涂刷裝置的車體底盤安裝機架，擬采用四輪結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性和對地面的適應(yīng)性。

2）噴涂機構(gòu)及其選向、運動機構(gòu)：噴涂機構(gòu)作為自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置最直接的執(zhí)行裝置，可移動式噴涂機構(gòu)擬采用4個開度可調(diào)型環(huán)形噴頭以滿足不同樹徑噴刷需求。其選向及運動機構(gòu)滿足環(huán)形噴頭自動選向、上下運動。

3）傳動系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)作為該智能樹干涂刷裝置工作的能量傳遞載體，包括攪拌電機到攪拌裝置的傳動、可移動式噴涂機構(gòu)與換向步進(jìn)電機之間的傳動、可移動式噴涂機構(gòu)與升降電機之間的傳動以及開度可調(diào)型環(huán)形噴頭與其開合電機之間的傳動。

4）控制系統(tǒng)：智能樹干涂刷裝置采用基于可編程控制器的控制系統(tǒng)，包括控制器、外圍回路、控制流程，以實現(xiàn)供液系統(tǒng)自動加壓、可移動式噴涂機構(gòu)的自動選向、上下運動及噴刷等動作。

5）儲能式供液系統(tǒng)：儲能式供液系統(tǒng)包括盛放容器及攪拌裝置、加壓風(fēng)機、液體輸送管道及相應(yīng)的控制閥門，實現(xiàn)涂覆劑自動儲能，避免風(fēng)機長疲勞損壞。

3 自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置三維建模

本文根據(jù)樹木涂白裝置系統(tǒng)構(gòu)成及功能，基于SolidWorks完成自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置三維建模。選擇合適的設(shè)計類型及結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計智能涂刷裝置總圖及零件圖，合理設(shè)計智能涂刷裝置零件及尺寸參數(shù)。

圖1 自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置系統(tǒng)三維模型圖

4 可移動式噴涂機構(gòu)分析

噴涂機構(gòu)是自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置的核心機構(gòu)，是滿足360°環(huán)抱噴涂刷工藝要求的最直接的執(zhí)行裝置，因此對其做必要的運動及力學(xué)分析意思重大。

4.1 可移動式噴涂機構(gòu)運動分析

可移動式噴涂機構(gòu)驅(qū)動電機軸長L1，電機行程L2，樹徑D。要滿足360°環(huán)抱噴涂刷工藝要求，則開度可調(diào)型環(huán)形噴頭張開的距離L3=D/2[3]。

圖2 環(huán)形噴頭運動分析圖

式中λ=Dsin（α+30°）cos（α+30°），κ=Dcos2（α+30°）。根據(jù)式(4)可求出電機行程L2與驅(qū)動電機軸長L1、樹徑D之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

4.2 支架受力分析及強度計算

支架AD是可移動式噴涂機構(gòu)中重要受力部件，其力學(xué)特性決定著整個機構(gòu)的機械性能。當(dāng)裝置處于閉合狀態(tài)時，支架AD受力最大，支架AD承受的力主要來自于開度可調(diào)型環(huán)形噴頭的反作用力F3、推桿電機的推力F1和推桿對支架AD的反作用力F2。支架AD的受力分析：

圖3 支架受力分析

式中P為推力電機的額定功率，v1為推力電機帶動桿件水平移動的速度，s為環(huán)形噴頭總噴流面積，v2為環(huán)形噴頭的噴流速度，ρ為噴流液體的密度。

以結(jié)點D為參考點及旋轉(zhuǎn)中心，計算支架AD的軸力FN1為推力及彎矩M，由結(jié)點D的平衡方程：

圖4 自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置工藝流程圖

支架AD的所受應(yīng)力為：

式中A為支架AD的截面積，L為支架AD的長度，W2為支架AD的抗彎截面系，W≈0.1D3。

5 自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置涂刷工藝過程

1）涂刷工藝過程

將自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置的V型卡槽卡住樹桿，可伸縮樹徑測量儀將其伸縮量采集并傳輸給可編程控制器，可編程控制器根據(jù)計算可得知預(yù)刷白樹木的大致直徑。然后根據(jù)計算結(jié)果控制步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)合適大小的環(huán)形噴頭至開口端，并與樹木貼合。然后控制器控制推桿電機運動，在齒輪與齒條的配合下，齒條推動兩根支架的鉸接端運動，使兩個環(huán)形噴頭將樹木環(huán)抱箍緊，接著控制器控制加壓風(fēng)機對涂覆劑存儲箱內(nèi)加壓，同時控制電磁閥開啟，使涂覆劑沿管道進(jìn)入可伸縮軟管內(nèi)，將涂覆劑噴涂在樹干上，于此同時，升降電機開始工作，升降臺通過定位磁體與次連接桿定位連接，并推動環(huán)形噴頭升降，完成樹干刷白作業(yè)[4]。

2）儲能式供液壓力及液位控制過程

自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置在進(jìn)行樹干涂覆時，對涂覆劑的液位和壓力有嚴(yán)格要求，涂覆劑應(yīng)保持一定壓力及液位，以便其足量的噴覆在樹干表面，滿足樹干防蟲、保暖要求。運行中控制器實時檢測涂覆劑壓力、液位，當(dāng)?shù)陀谝笾禃r，則控制加壓風(fēng)機及補給泵啟動補充涂覆劑及其壓力。

3）涂覆劑攪拌工藝過程

為了保證自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置正常、可靠工作，涂覆劑必須保證一定的溶解度要求，當(dāng)自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置開啟后，控制器則開出指令，驅(qū)動攪拌電機運行，帶動涂覆劑翻動，防止涂覆劑沉淀，保證涂覆劑的溶解度要求。

自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置完成整個樹干涂覆工藝流程如圖4所示。

6 結(jié)語

文章依據(jù)我國林木涂白現(xiàn)狀，提出一種自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置。首先對該裝置基于SolidWorks三維建模，分析其重要部件環(huán)形噴頭及支架的運動及受力，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型[5]。該自適應(yīng)式智能樹干涂刷裝置基于可編程控制器實現(xiàn)傳動系統(tǒng)、儲能式供液系統(tǒng)及噴涂機構(gòu)換向系統(tǒng)之間的聯(lián)動與配合，自動完成樹干測量、噴頭尺寸選擇及涂覆工作。同時集成可升降式移動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同環(huán)境下完成涂刷作業(yè)，大大提高該裝置的適應(yīng)能力。