一種智能化割膠試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦 健，朱瑞明，孫江宏,2

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100192；2.清華大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所，北京100084)

0 引言

割膠是一項(xiàng)高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，割膠勞動(dòng)投入占總投入70%以上[1]。改變傳統(tǒng)手工割膠模式，采用智能化的割膠方式，是解決割膠面臨難題的有效途徑，也是橡膠產(chǎn)業(yè)走出發(fā)展困境的必經(jīng)之路[2]。

割膠工人實(shí)際割膠時(shí)，先將膠刀扎進(jìn)橡膠樹(shù)乳管組織，并與橡膠樹(shù)呈傾斜45°角用力向上推動(dòng)膠刀并繞樹(shù)旋轉(zhuǎn)，形成一條上升螺旋軌跡線[3]。根據(jù)手工割膠方法，張慧等[4]提出了一種小型手持式割膠器械，該裝置以手工割膠原理為基礎(chǔ)對(duì)割膠方法進(jìn)行仿形，在一定程度上降低了割膠工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了割膠效率。但該裝置仍需要大量割膠工人去操作完成割膠工作，割膠深度和割線流暢度取決于割膠工人的割膠經(jīng)驗(yàn)。由于手持式割膠器械存在著智能化水平不高、傷樹(shù)及卡頓現(xiàn)象頻發(fā)、仍未解決“割膠用工荒”等問(wèn)題,許振昆等[5]設(shè)計(jì)了一種由綁樹(shù)固定架、環(huán)形行星齒輪、絲杠、電機(jī)、齒輪軸和割膠刀組成的掛樹(shù)式割膠機(jī)。該割膠機(jī)環(huán)形行星齒輪用來(lái)實(shí)現(xiàn)割膠刀的圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠用來(lái)實(shí)現(xiàn)割膠刀的上下直線運(yùn)動(dòng)，刀頭采用傳統(tǒng)推刀形式，切削厚度采用硬限位進(jìn)行控制。該割膠機(jī)基本達(dá)到代替手工割膠效果，已具備了自動(dòng)化割膠雛形，但是其割膠深度調(diào)節(jié)困難，只適合固定深度割膠，仍有較大局限性。因此，智能化割膠設(shè)備研發(fā)仍未滿足市場(chǎng)需要，割膠困境亟待解決。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及實(shí)驗(yàn)論證，本文設(shè)計(jì)了一種PLC可編程控制器為控制核心的割膠試驗(yàn)臺(tái)，旨在實(shí)現(xiàn)割膠自動(dòng)化、精準(zhǔn)化以及智能化。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

參考三坐標(biāo)平臺(tái)[6]工作原理，試驗(yàn)臺(tái)由三坐標(biāo)平臺(tái)、測(cè)量限位模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)模組以及固定安裝模塊等部分組成，常見(jiàn)的三坐標(biāo)平臺(tái)如圖1所示。

其中，三坐標(biāo)平臺(tái)由X軸、Y軸以及Z軸滾珠絲杠副組成，分別形成徑向切割運(yùn)動(dòng)、進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)以及軸向切割運(yùn)動(dòng)。X軸與Z軸運(yùn)動(dòng)副同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一條平面圓形螺旋軌跡線，通過(guò)將平面螺旋線與Y軸方向運(yùn)動(dòng)副結(jié)合，將形成一條盤(pán)旋上升螺旋軌跡線。

割膠試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖2所示。三坐標(biāo)平臺(tái)與割膠試驗(yàn)臺(tái)各工作軸相對(duì)應(yīng)，在X軸與Y軸軸端點(diǎn)安裝接觸開(kāi)關(guān)，以此設(shè)定定位原點(diǎn)，測(cè)距傳感器[7]位于Z軸運(yùn)動(dòng)副并與之隨動(dòng)，Z軸運(yùn)動(dòng)副以膠刀刀尖為定位原點(diǎn)。

試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別與X、Y以及Z軸連接。測(cè)量模塊由接近開(kāi)關(guān)、超聲波傳感器以及電容式傳感器組成，其中超聲波傳感器用于割膠深度測(cè)量以及刀具定位。

1.2 控制系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)控制器為S7-200smart PLC[8]。通過(guò)PC與PLC建立通信，控制不同方向軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制試驗(yàn)臺(tái)完成割膠工作。測(cè)控模塊傳感器與PLC可編程控制器通過(guò)一根集成導(dǎo)線連接，用于電源供電和信號(hào)輸入與輸出。傳感器接收輸入信號(hào)時(shí)，發(fā)送電流、電壓信號(hào)至PLC控制器，數(shù)據(jù)處理后發(fā)送信號(hào)給各方向軸驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)各軸電機(jī)完成割膠工作，測(cè)控原理如圖3所示。

試驗(yàn)臺(tái)可編程控制器接線如圖4所示。該可編程控制器[9]采用18點(diǎn)輸入12點(diǎn)輸出方式，能夠高速工作且工作狀況穩(wěn)定抗干擾。同時(shí)，該P(yáng)LC控制器支持通信模塊擴(kuò)展功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，通過(guò)對(duì)該P(yáng)LC控制器擴(kuò)展SBAE01通信模塊，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集功能。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)采用接觸開(kāi)關(guān)進(jìn)行限位，其響應(yīng)速度慢且不靈敏等問(wèn)題頻發(fā)。因此，通過(guò)調(diào)研和技術(shù)論證，測(cè)量控制模塊中選用CUM18-MIEI型超聲波傳感器[10]用于測(cè)量割膠深度以及刀具距樹(shù)皮距離等信息。該傳感器測(cè)量范圍為50～1000 mm，測(cè)量精度可達(dá)到0.1 mm，滿足割膠測(cè)量精度要求。同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)的膠刀圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)量與終點(diǎn)限位選用1KM12-F10ZZ-Y3L2/C50型電感傳感器。由于其檢測(cè)距離長(zhǎng)，負(fù)載電流小，并可實(shí)現(xiàn)定位與限位相結(jié)合，可準(zhǔn)確測(cè)量繞樹(shù)圓周運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)。

2 割膠控制流程及功能

2.1 控制流程

試驗(yàn)臺(tái)控制軟件[11]采用STEP7，通過(guò)PC/PPI專用電路與PLC連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)工作中每一路輸入/輸出通道的輸出值和割膠試驗(yàn)臺(tái)工作狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)每路通道進(jìn)行強(qiáng)制輸入來(lái)檢驗(yàn)程序邏輯正確性。另外，能夠快速對(duì)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)施PID路徑進(jìn)行修正并實(shí)現(xiàn)3個(gè)不同運(yùn)動(dòng)副方向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，且延遲時(shí)間短，響應(yīng)速度快?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

2.2 割膠路徑方案規(guī)劃

割膠路徑規(guī)劃是割膠作業(yè)中影響割膠效果的重要因素，不同割膠路徑直接決定了切割螺旋升角的大小，進(jìn)而影響流膠的效果。

由于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的滯后性，導(dǎo)致割膠設(shè)備研發(fā)進(jìn)程緩慢，近些年隨著超聲波定位與測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了割膠過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量與定位的問(wèn)題。測(cè)量頻率可達(dá)每秒鐘幾十次，割膠軌跡中每段微小圓弧都能精準(zhǔn)地參照控制器設(shè)定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，解決了手工割膠過(guò)程中膠線因割膠工人的感官誤差造成的不平滑以及螺旋升角突變等問(wèn)題。

現(xiàn)行割膠軌跡制度大多數(shù)為1/2d割制(割膠圓心軌跡為180°)，這是由傳統(tǒng)手工割膠的割膠時(shí)間長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出價(jià)值等因素決定的。本設(shè)備割膠過(guò)程中割膠軌跡采用1/4d割制，摒棄了傳統(tǒng)的1/2d割制，可有效提高割膠頻率和次數(shù)。

本設(shè)備通過(guò)將刀尖做不規(guī)則空間曲線運(yùn)動(dòng)的路徑定義為目標(biāo)路徑。采用1/4d割制時(shí)，其形態(tài)近似為一段盤(pán)旋上升的螺旋曲線。割膠軌跡正視圖如圖6(a)所示，圖中線段mq對(duì)應(yīng)于三坐標(biāo)平臺(tái)Z軸運(yùn)動(dòng)副在橡膠樹(shù)的軸向方向的運(yùn)動(dòng)位移，線段qn為三坐標(biāo)平臺(tái)X軸運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)位移，線段mn對(duì)應(yīng)于X軸與Z軸運(yùn)動(dòng)副共同運(yùn)動(dòng)作用下的割膠路徑軌跡，圖6(b)為割膠軌跡的俯視圖。

由于實(shí)際割膠軌跡的坐標(biāo)原點(diǎn)是定位精度的基準(zhǔn)，本割膠設(shè)備在進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)定時(shí)采用坐標(biāo)疊加的方法。在膠刀割膠路徑形成過(guò)程中，考慮三坐標(biāo)平臺(tái)原點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際割膠坐標(biāo)原點(diǎn)存在誤差，通過(guò)引入超聲波測(cè)量割膠深度的坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)三坐標(biāo)平臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，割膠軌跡定位原點(diǎn)為

(1)

式中：jx、jy、jz為超聲波測(cè)量X、Y、Z軸定位原點(diǎn)；X1、Y1、Z1為三坐標(biāo)平臺(tái)X、Y、Z軸定位原點(diǎn)。

假設(shè)相鄰兩割膠路徑沿Y軸方向換行距離為Δy。Δy是影響耗皮量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在螺旋升角α相同的情況下決定了可割膠次數(shù)。膠刀的下降位移如式2所示:

(2)

式中：Rc為膠刀刀尖圓角半徑；L1為割膠軌跡線展開(kāi)長(zhǎng)度；yd為膠刀的下降位移。

通過(guò)式(2)可知，膠刀與換行距離相同時(shí)，膠刀下降位移yd與割膠軌跡展開(kāi)長(zhǎng)度L1以及割膠螺旋升角α相關(guān)。行業(yè)對(duì)割膠螺旋升角的一般設(shè)定為25°～40°，超出該范圍將影響流膠速度。因此，1/4d割制較傳統(tǒng)1/2d割制具有較小的耗皮量及較大的產(chǎn)量。

2.3 割膠功能設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)具有自動(dòng)割膠、數(shù)據(jù)傳輸以及割膠路徑修正等多種功能，可應(yīng)對(duì)割膠過(guò)程中樹(shù)徑變化以及樹(shù)瘤等多種突發(fā)狀況，解決傳統(tǒng)割膠軌跡不均勻和螺旋升角不一致等情況。

2.3.1 自動(dòng)割膠功能

采用MT807lip觸控系統(tǒng)進(jìn)行功能控制，具有一鍵自動(dòng)割膠、急停以及手動(dòng)割膠功能。試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行初始化，各運(yùn)動(dòng)軸返回原點(diǎn)，按下自動(dòng)割膠功能機(jī)器再次尋找零點(diǎn)，確認(rèn)切割零點(diǎn)無(wú)誤后開(kāi)始切割工作；切割完成后退刀，X軸運(yùn)動(dòng)副方向與Y軸運(yùn)動(dòng)副方向電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)膠刀回到切割起始點(diǎn)，一個(gè)完整自動(dòng)割膠功能結(jié)束。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸功能

測(cè)控系統(tǒng)可以記錄、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三軸方向電流值、傳感器測(cè)量距離信息、不同軸瞬時(shí)速度、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三軸所處位置信息以及螺旋升角設(shè)定值等。

通過(guò)對(duì)X軸、Y軸以及Z軸運(yùn)動(dòng)副割膠過(guò)程中的電流值進(jìn)行分析，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸功能可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并繪制了如圖7所示三軸方向的電流特性對(duì)比圖。

2.3.3 割膠路徑修正功能

采用先掃描后切割工作方式。切割前，采集并存儲(chǔ)樹(shù)徑輪廓以及傳感器距離等信息數(shù)據(jù)，切割時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，提高切割精度和準(zhǔn)確性，同時(shí)進(jìn)入自檢流程，防止割膠過(guò)程出現(xiàn)軌跡偏差。如果切割電流值超過(guò)設(shè)定閾值將自動(dòng)報(bào)警，啟動(dòng)PID路徑修正功能，將故障參數(shù)存儲(chǔ)并上傳PC端。

2.4 人機(jī)交互平臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)采用威綸通MT8071ip全彩觸控屏，自帶以太網(wǎng)口，具有畫(huà)質(zhì)清晰、分辨率高、使用壽命大于3萬(wàn)h以及性價(jià)比高的特點(diǎn)。

上位界面設(shè)計(jì)考慮割膠實(shí)際工況，設(shè)置左右兩個(gè)分區(qū)，左分區(qū)為運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)監(jiān)控區(qū)，右分區(qū)為割膠功能按鍵區(qū)。觸控屏界面如圖8所示。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

利用海南儋州某國(guó)營(yíng)膠林進(jìn)行割膠深度、割膠螺旋升角以及割膠完成時(shí)間等試驗(yàn)，驗(yàn)證割膠功能。

測(cè)試項(xiàng)目包括：割膠試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行流暢度情況、整機(jī)割膠深度測(cè)量誤差、不同切割深度電流以及不同割膠螺旋升角等。本文僅對(duì)割膠深度測(cè)量進(jìn)行分析和研究。割膠深度測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 割膠深度測(cè)量

通過(guò)表1測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)割膠設(shè)備的割膠深度進(jìn)行測(cè)量誤差分析，結(jié)果如圖9所示。

由圖9數(shù)據(jù)可知，不同測(cè)量點(diǎn)的割膠深度測(cè)量誤差區(qū)間為-5%～5%，割膠深度為2 mm時(shí)測(cè)量誤差率為5%。因此，割膠過(guò)程中增大割深可提高切割準(zhǔn)確率，同時(shí)可降低設(shè)備的測(cè)量誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于S7-200smart PLC搭建了一種智能化割膠試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)超聲波技術(shù)測(cè)量刀具與橡膠樹(shù)表面距離，規(guī)劃割膠路徑并仿形手動(dòng)割膠軌跡。通過(guò)觸控屏集成割膠控制按鍵，實(shí)現(xiàn)割膠功能一體化控制，使割膠操作更加簡(jiǎn)潔方便，實(shí)現(xiàn)了智能化自動(dòng)割膠。

試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，通過(guò)對(duì)機(jī)器設(shè)定深度與實(shí)際切割深度進(jìn)行分析，其最大測(cè)量誤差率為5%，遠(yuǎn)低于手工割膠容差率。從設(shè)備組成及割膠軌跡上看，該設(shè)備組成簡(jiǎn)單，割膠軌跡源于手工,而割膠過(guò)程可控，可為當(dāng)前手工割膠提供理論指導(dǎo)。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)，本設(shè)備滿足天然橡膠割膠工藝與技術(shù)要求，為天然橡膠割膠領(lǐng)域自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)提供了試驗(yàn)依據(jù)。