基于軟軌行走的全自動(dòng)采膠機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鄧祥豐，肖蘇偉，曹建華，吳思浩，張以山，金千里

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，?？谑校?71101；2.國(guó)家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心機(jī)械分中心，?？谑?，571101；3.江蘇馳騁精密部件有限公司，江蘇蘇州，215200)

0 引言

割膠作業(yè)投入的勞動(dòng)力占比，達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)過程的70%[1]。因此改變傳統(tǒng)的手工勞作模式，是解決天然橡膠產(chǎn)業(yè)面臨的難題的有效途徑之一[2]。同時(shí)，以割膠為主的生產(chǎn)方式也受到較多因素的限制，比如技術(shù)要求高、操作難度大、作業(yè)過程繁瑣、采膠環(huán)境較為艱苦等[3]。隨著信息技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采膠裝備的研究也逐漸形成以智能化為主體的發(fā)展線路。

目前對(duì)于采膠裝備研究以固定式的自動(dòng)化割膠為主[4-5]，如：艾哈邁德等[4]發(fā)明一種捆綁式全自動(dòng)智能割膠機(jī)，該裝備由割膠裝置、刀頭部位、導(dǎo)軌部位與控制主板等五部分構(gòu)成，基于固定架與導(dǎo)軌搭建作為割膠機(jī)的移動(dòng)平臺(tái)，但其使用成本遠(yuǎn)超過橡膠的收益，未能在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用；張春龍等[6]針對(duì)固定方式割膠機(jī)，研制了一種能夠根據(jù)激光測(cè)距的方式來實(shí)現(xiàn)的割膠試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)采用不同路徑激光采點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，以空間三維坐標(biāo)作為平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)割膠刀根據(jù)激光測(cè)定的空間曲線路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但該割膠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仍舊困擾在樹干不規(guī)則帶來的安裝偏心問題；許振昆等[7-8]發(fā)明了一種固定式的一樹一機(jī)割膠裝備，能夠一定程度上替代人工，但該機(jī)器采用定值深度割膠，隨著樹干生長(zhǎng)會(huì)造成刀片與樹皮表面的定位偏差，無法控制割膠精度。

為了解決傳統(tǒng)割膠方式以及固定式全自動(dòng)割膠機(jī)存在的問題，以移動(dòng)式平臺(tái)作為基礎(chǔ)并結(jié)合針刺采膠方式，創(chuàng)新性地提出與設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)采膠的作業(yè)模式[9-10]。

與傳統(tǒng)的割膠方式不同，針刺無需考慮割面的規(guī)劃，對(duì)采膠的技術(shù)要求也較為低，并且不受地形地勢(shì)影響；同時(shí)，將軟軌與固定架的復(fù)合搭建，作為采膠機(jī)的移動(dòng)行走平臺(tái)，由此替代傳統(tǒng)硬軌從而節(jié)約了鋪設(shè)成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式全自動(dòng)采膠機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)容如下：整機(jī)質(zhì)量為27.5 kg，采膠時(shí)間平均約為10 s/株，即每作業(yè)一次便進(jìn)行兩針刺的采膠動(dòng)作，刺入的平均深度耗皮量為1.4 mm。

移動(dòng)式全自動(dòng)采膠機(jī)依據(jù)功能模塊的實(shí)現(xiàn)，可在機(jī)械結(jié)構(gòu)上將其分為行走模塊、升降模塊、抱緊模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和針刺模塊等組成部分，如圖1所示。其中行走模塊通過沿著懸掛在橡膠樹上的鋼絲軟軌在z方向?qū)崿F(xiàn)左右移動(dòng)；升降模塊能夠沿著x軸方向進(jìn)行上下的往復(fù)式移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)模塊能夠在xyz方向上實(shí)現(xiàn)多維度的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保障采膠機(jī)在多自由度上的作業(yè)效果，滿足不同的作業(yè)情況需求。

(a)側(cè)視圖

采膠機(jī)采用導(dǎo)輪與軟軌的配合方式實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)功能，能夠有效規(guī)避地形、樹位等復(fù)雜膠園工況環(huán)境對(duì)采膠機(jī)的影響，同時(shí)也大幅降低鋪設(shè)硬軌的成本，而且融合了運(yùn)動(dòng)傳感、自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在采膠作業(yè)過程中，各運(yùn)動(dòng)部件位置與針刺采膠深度的精準(zhǔn)定位，如圖2所示。

(a)側(cè)視圖

鋼絲軟軌穿過垂直固定輪和行走輪，由此能夠保障在懸掛采膠機(jī)時(shí)繃緊軟軌，并且在垂直固定輪的軸向作用下，讓軟軌進(jìn)行舒展避免在行走時(shí)發(fā)生纏繞。如此設(shè)計(jì)，能夠較好地讓軟軌與行走輪貼合，再加上垂直固定輪的軸向配合作用，極大地保障了采膠機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。

鋼絲軟軌的壽命會(huì)因采膠機(jī)的行走輪而產(chǎn)生交替變化的受力[11-13]。以鋼絲軟軌為主的采膠機(jī)行走平臺(tái)，是保障其正常作業(yè)的關(guān)鍵性裝置，PLC通過電機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來判定采膠機(jī)在鋼絲軟軌上的移動(dòng)速度快慢，并由相關(guān)的控制程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。采膠機(jī)在鋼絲軟軌上的行進(jìn)速度關(guān)系計(jì)算式[14-15]

υ=πDn/t

(1)

式中：υ——采膠機(jī)的行進(jìn)速度；

D——行走輪直徑,D=10 cm；

t——運(yùn)行總時(shí)間,t=50 s；

n——運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù),n=200。

由式(1)可求得采膠機(jī)的行進(jìn)速度為1.26 m/s。通過公式可得知采膠機(jī)的行進(jìn)速度與電機(jī)的脈沖數(shù)有關(guān)。

鋼絲軟軌的繃緊程度與行走輪的直徑大小，直接影響采膠機(jī)的移動(dòng)速度與攀爬固定架的能力，可通過建立接觸力學(xué)模型的方式，來解析兩者之間的接觸關(guān)系。將鋼絲軟軌視為彈性圓柱體，行走輪可視為剛性圓柱體，以R為行走輪的半徑，設(shè)旋轉(zhuǎn)中心為O；以接觸體公切面為xy平面，z軸為其公法線，建立直角坐標(biāo)系；接觸體表面上距離公法線r的點(diǎn)為M，點(diǎn)M與公切面距離為Z，建立鋼絲軟軌與行走輪構(gòu)件間的接觸模型，如圖3所示。由于采膠機(jī)運(yùn)行過程中，鋼絲軟軌與行走輪相互接觸產(chǎn)生的力學(xué)特性較為復(fù)雜，僅依靠理論分析難以得出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此需要在實(shí)際的調(diào)試中，對(duì)張緊力與行走輪徑的大小來進(jìn)行選擇，并驗(yàn)證其可靠性。

圖3 鋼絲軟軌與行走輪的接觸模型Fig.3 Contact model of the steel wire soft rail and the traveling wheel

1.2 工作原理

移動(dòng)式全自動(dòng)采膠機(jī)以PLC控制器系統(tǒng)作為上位機(jī)，依靠電機(jī)、傳感器以及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的配合，來實(shí)現(xiàn)釆膠作業(yè)的位置限定。其工作方式可概述為：通過遙控面板或手機(jī)App來控制，讓采膠機(jī)來實(shí)現(xiàn)包括移動(dòng)行走、姿態(tài)變換、位置確定、采膠作業(yè)等運(yùn)動(dòng)方式；當(dāng)?shù)竭_(dá)指定采膠樹位時(shí)，由控制端向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞指令，抱緊裝置將會(huì)以一定的壓力與樹干表面固定，當(dāng)刺針刺入一定深度時(shí)，由于樹皮內(nèi)部的壓力阻礙，將會(huì)啟動(dòng)壓力傳感器讓刺針機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)停止并退出，刺針的刺入孔次可通過程序編寫來實(shí)現(xiàn)數(shù)量的確定。

在圖4中全自動(dòng)采膠機(jī)的具體作業(yè)流程可分為3個(gè)階段。

1)位置調(diào)整：移動(dòng)式針刺采膠機(jī)在初始位置A，在滑繩上通過行走電機(jī)移動(dòng)到位置B；到達(dá)位置B后，通過水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)將采膠機(jī)構(gòu)移動(dòng)到位置C；在位置C時(shí)由抱緊電機(jī)將夾緊裝置與樹干外表邊緣進(jìn)行貼合，即采膠機(jī)處于位置D上；然后再通過垂直電機(jī)調(diào)整工作平面高度；最后通過環(huán)形電機(jī)調(diào)整具體位置。

2)開始工作：針刺裝置的刺針運(yùn)動(dòng)由蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)刺入樹皮一定深度位置時(shí)，會(huì)觸發(fā)壓力感應(yīng)器的設(shè)定數(shù)值并讓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)停止。

3)原點(diǎn)復(fù)位：當(dāng)刺入工作完成后，根據(jù)控制指令讓刺針按照原先路徑退回，由位置D回復(fù)到位置C，抱緊電機(jī)做回程運(yùn)動(dòng)松開夾緊裝置并且回復(fù)到位置B。

(a)位置移動(dòng)過程

2 全自動(dòng)采膠機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)選型

采膠機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求后，運(yùn)動(dòng)部件的作業(yè)動(dòng)力與功能實(shí)現(xiàn)就需要電機(jī)來完成。各部件具體運(yùn)動(dòng)形式上包含有行走運(yùn)動(dòng)、松緊運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和針刺運(yùn)動(dòng)等方面。因此，電機(jī)的類型選擇與扭矩的理論計(jì)算，對(duì)采膠機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件的協(xié)調(diào)作業(yè)有著重要意義。查閱相關(guān)資料可知，選用電機(jī)的扭矩T為0.06 N·m。

2.2 橡膠樹樹皮針刺裝置設(shè)計(jì)

鑒于橡膠樹樹皮具有分層的特性，由外到內(nèi)依次為粗皮、砂皮、黃皮、水囊皮與形成層，其中黃皮布滿流淌著膠乳的乳管，因此，需要刺穿其才能夠獲得膠乳，但又不能夠刺破水囊皮直達(dá)形成層，這也就意味著刺針徑向運(yùn)動(dòng)距離，需要較為精確的控制精度。已知橡膠樹的樹皮結(jié)構(gòu)具有分層現(xiàn)象，且每層樹皮的密度、硬度、厚度等有所區(qū)別，利用直流電機(jī)帶動(dòng)刺針對(duì)橡膠樹的樹皮進(jìn)行勻速刺探，在刺探過程中，刺針受到的阻力大小與樹皮層的密度相關(guān)，外層樹皮的密度較小，刺針遇到的阻力較小，反之，越靠近外層的樹皮部分密度相對(duì)較大，則刺針遇到的阻力相應(yīng)較大。

如圖5所示為刺針對(duì)橡膠樹樹皮的作用力簡(jiǎn)圖，當(dāng)刺入樹皮內(nèi)層時(shí)，其周圍的樹皮同時(shí)施加相切于刺針表面的切向力Fτ。把切向力Fτ分解為水平方向的軸向力Fv和豎直方向的徑向力Fr，F(xiàn)v使鉆取下的木屑產(chǎn)生軸向位移并擠壓樹皮；Fr產(chǎn)生徑向位移，向皮層四周方向擠壓樹皮。最終在合力F的作用下，樹屑同時(shí)沿著軸向和徑向擠壓，使鉆孔成型并流出膠乳。

圖5 刺針對(duì)橡膠樹樹皮的作用力解析Fig.5 Analysis of the force of thorns on the bark of rubber trees

由于電機(jī)的電樞電流與負(fù)載轉(zhuǎn)矩為正比例關(guān)系，即樹皮的分層結(jié)構(gòu)與密度有關(guān)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由PLC進(jìn)行控制，利用壓力傳感器對(duì)電機(jī)的電樞電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過電樞電流的變化曲線反映出，刺針在不同樹皮層之間的阻力分布情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樹皮深度的探測(cè)與控制。

針刺模塊通過運(yùn)動(dòng)電機(jī)在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)環(huán)向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到指定采膠點(diǎn)時(shí)針刺電機(jī)啟動(dòng)，讓齒輪傳動(dòng)組帶動(dòng)刺針向樹干內(nèi)部刺入，最終完成自動(dòng)采膠的功能，當(dāng)?shù)竭_(dá)樹皮內(nèi)層指定的壓力位置點(diǎn)時(shí)，PLC便會(huì)對(duì)該點(diǎn)的電信號(hào)進(jìn)行反饋，讓刺針電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)并向后退出，從而完成該點(diǎn)的采膠作業(yè)。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a)后視圖

采膠機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，主要包括PLC控制器以及相關(guān)的配套模塊。采膠機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的電信號(hào)由PLC進(jìn)行采集、分類與回饋。在控制面板上選擇的運(yùn)動(dòng)指令，可通過串口連接將對(duì)應(yīng)信號(hào)發(fā)送到PLC處理，最終再將控制信號(hào)傳送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，讓采膠機(jī)完成相關(guān)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)調(diào)整。采膠機(jī)的執(zhí)行代碼名稱如表1所示。

表1 移動(dòng)式全自動(dòng)采膠機(jī)的執(zhí)行代碼名稱Tab.1 Execution code name of the mobile automatic rubber picking machine

PLC控制器的配置包括電源模塊、中央處理模塊、通信模塊、輸入輸出模塊等，其功能輸出的線路連接如圖7所示。步進(jìn)電機(jī)走帶動(dòng)刺針裝置在水平方向上移動(dòng)，刺針每移動(dòng)1 mm需要發(fā)送多個(gè)脈沖，而PLC控制器通過指令將接收到的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)所設(shè)定的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)刺針的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，與此同時(shí)，刺針的實(shí)時(shí)進(jìn)給速度通過A/D轉(zhuǎn)換模塊反饋給PLC控制器。

圖7 采膠機(jī)PLC配置Fig.7 PLC configuration of the rubber picker

采膠機(jī)的控制系統(tǒng)依據(jù)工作形式，可分為主控、輸入控制、輸出控制、信號(hào)輸入、警示以及顯示等6個(gè)模塊。PLC負(fù)責(zé)采膠機(jī)各項(xiàng)控制指令的接收、執(zhí)行及輸出等；輸入控制模塊包括手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控、參數(shù)設(shè)置等，分別執(zhí)行控制命令輸入、有效段鋼絲繩首尾端限位設(shè)定、故障保護(hù)等功能；信號(hào)輸入模塊包括位置傳感、紅外傳感、壓力傳感等，確保運(yùn)動(dòng)部件的穩(wěn)定性作業(yè)；輸出控制模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，能夠控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停以及調(diào)速等狀態(tài)。警示模塊包括警報(bào)燈及蜂鳴器，當(dāng)采膠機(jī)出現(xiàn)過壓、欠壓或電流超出額定范圍內(nèi)等異常情況時(shí)，警報(bào)燈就會(huì)立即響應(yīng)，提示操作者系統(tǒng)出現(xiàn)的相關(guān)異常信息；顯示模塊以觸摸顯示屏為主，執(zhí)行各運(yùn)動(dòng)部件中的電機(jī)啟停和頻率調(diào)節(jié)、上下限位置和往返次數(shù)設(shè)置以及當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)顯示等功能?？刂葡到y(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 采膠機(jī)的控制系統(tǒng)原理Fig.8 Principle of the control system of the rubber picker

移動(dòng)式全自動(dòng)采膠機(jī)的作業(yè)定位實(shí)現(xiàn)，依據(jù)運(yùn)動(dòng)順序可分為樹位選取、針刺點(diǎn)鎖定以及針刺深度控制。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到固定架時(shí)，通過紅外線傳感器與固定架之間的感應(yīng)造成電信號(hào)的波動(dòng)，PLC接收到該處信號(hào)后，便控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)停車，完成采膠機(jī)初步的定位。當(dāng)采膠機(jī)完成初步定位后，升降模塊、抱緊模塊、針刺模塊依次運(yùn)動(dòng)，刺針點(diǎn)選擇、刺針進(jìn)給量以及針刺孔數(shù)量等作業(yè)模式，是通過程序編寫所控制，因此，可在升降模塊與針刺模塊的有效運(yùn)動(dòng)行程下，選擇刺針的作業(yè)模式。在完成前兩步定位后，刺針便開始作業(yè)，與樹皮接觸時(shí)受到外力作用會(huì)產(chǎn)生彈性變形，拉力傳感器表面的電阻也將發(fā)生變化，從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。在刺針刺入時(shí)電信號(hào)會(huì)根據(jù)皮層的硬度進(jìn)行變化，最終通過對(duì)力值范圍的判斷與選取，來確定刺針在樹皮內(nèi)部停止的位置，由此實(shí)現(xiàn)采膠位置的準(zhǔn)確定位目的。PLC會(huì)根據(jù)接收到針刺裝置反饋的電信號(hào)，進(jìn)行樹皮的刺入力值、深度位置等參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄與繪圖顯示。PLC控制系統(tǒng)采用外接電壓為24 V的鋰電池進(jìn)行供電。主機(jī)的接線端口如圖9所示，由PLC控制器通過有線式連接多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。傳感器將實(shí)時(shí)采集到的信息發(fā)送到PLC，與計(jì)算機(jī)建立遠(yuǎn)程通信，將環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)中。

圖9 采膠機(jī)PLC主機(jī)的接線端口Fig.9 Wiring port of the PLC host of the rubber picker

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

移動(dòng)式采膠機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，包括手自動(dòng)操作頁面與樹皮厚度測(cè)量頁面。可根據(jù)需求對(duì)采膠機(jī)的作業(yè)模式進(jìn)行選擇，包括完成移動(dòng)行走、姿態(tài)變換、位置確定、采膠作業(yè)等操作流程；當(dāng)選擇手動(dòng)操作模式后，依據(jù)左右兩側(cè)區(qū)域的功能選擇按鈕對(duì)測(cè)量頁面參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)整，并完成采膠機(jī)各項(xiàng)作業(yè)動(dòng)作的調(diào)整與確認(rèn)，同時(shí)根據(jù)數(shù)顯面板也能夠觀察與判斷各個(gè)工位的運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)值可通過傳感器采集與用戶輸入進(jìn)行獲取，每次的作業(yè)數(shù)據(jù)以圖表的形式展示，便于后期對(duì)采膠參數(shù)的分析與研究。在樹皮厚度測(cè)量頁面中可根據(jù)刺入深度的實(shí)時(shí)情況，來設(shè)定刺針的最大行程，刺入過程中頁面上反饋出壓力、位置等參數(shù)的變化，是根據(jù)壓力傳感器傳送回來的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整所顯示的，如圖10所示。在24 V鋰電池提供電源保障的條件下，無線數(shù)據(jù)通訊模塊主要完成橡膠樹針刺測(cè)量系統(tǒng)與外界的通訊，可將針刺測(cè)量系統(tǒng)輸出的樹皮深度、阻力等信息，轉(zhuǎn)化成電流原始數(shù)據(jù)來輸出給上位機(jī)，最終在界面終端進(jìn)行顯示。為了防止在作業(yè)過程中出現(xiàn)過載，通過程序的編寫與設(shè)定，讓工作部件在接近極限狀態(tài)時(shí)自動(dòng)停止工作，來保證整個(gè)系統(tǒng)供電正常，并在系統(tǒng)工作電流超過閾值時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。采膠機(jī)作業(yè)時(shí)具體的信號(hào)反饋流程如圖11所示。

圖10 數(shù)控面板的操作界面Fig.10 Operation interface of CNC panel

圖11 針刺深度控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.11 Acupuncture depth control system architecture

3 試驗(yàn)分析

3.1 試樣材料的準(zhǔn)備

本次采膠的試驗(yàn)樣品選擇為，中國(guó)熱科院橡膠所種植的已達(dá)到開割要求的橡膠樹，分別選取10株橡膠樹進(jìn)行試驗(yàn)，并每株樹對(duì)應(yīng)1個(gè)試驗(yàn)組別，每株樹的長(zhǎng)勢(shì)良好，平均割齡為10年，樹徑在70～80 cm之間。

3.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

共進(jìn)行A、B兩組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)4次。A組試驗(yàn)為全自動(dòng)采膠機(jī)來完成的采膠作業(yè)，B組則是由膠工操作傳統(tǒng)割膠刀進(jìn)行的采膠作業(yè)。根據(jù)所設(shè)定的采膠次數(shù)、采膠耗時(shí)、出膠次數(shù)與出膠率，來對(duì)比分析采膠機(jī)與傳統(tǒng)的割膠作業(yè)之間差異性。具體的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 采膠機(jī)與傳統(tǒng)割膠刀的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Tab.2 Test comparison results of rubber tapping machine and traditional rubber tapping knife

從A組與B組的采膠效果相比中能夠發(fā)現(xiàn)，在同樣的作業(yè)次數(shù)下，全自動(dòng)采膠機(jī)的針刺速度要稍微快于傳統(tǒng)割膠刀的割膠速度。但由于該采膠結(jié)構(gòu)只設(shè)計(jì)一處針孔，因此每次作業(yè)只能在樹干上刺入一針，并且針眼口徑的限制造成出膠量有限，需要后期配合乙烯利的刺激，以及適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)充每次采膠作業(yè)的針孔數(shù)。雖然全自動(dòng)采膠機(jī)的作業(yè)是通過系統(tǒng)編程進(jìn)行控制，但由于每株樹存在生長(zhǎng)的不一致性，導(dǎo)致抱緊裝置需要耗費(fèi)一定的時(shí)間去適應(yīng)，因此對(duì)于采膠時(shí)間上會(huì)出現(xiàn)不同的情況。在作業(yè)模式上，該采膠裝備的研發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)的突破，也為全自動(dòng)采膠作業(yè)的實(shí)現(xiàn)提供可能性。

如圖12、圖13所示，在刺針刺入樹皮的過程中，先經(jīng)過樹干外圍的粗皮與砂皮，因此前期受到的阻力會(huì)不斷增加，到達(dá)黃皮時(shí)阻力值保持穩(wěn)定；當(dāng)穿過水囊皮后，由于該處的樹皮組織硬度較低，因此阻力值開始下降；達(dá)到形成層后由于其硬度較大，造成阻力值又再次增加，并且相比較刺入初期的上升速率會(huì)更快。

(a)滑軌移動(dòng)

圖13 樹皮刺探的數(shù)值顯示Fig.13 Numerical display of bark probing

4 結(jié)論

1)針對(duì)膠園作業(yè)的復(fù)雜工況，將針刺采膠技術(shù)與全自動(dòng)割膠機(jī)融合，解決了樹干不規(guī)則、樹皮厚度不均一對(duì)自動(dòng)化裝備采膠的影響。應(yīng)用鋼絲軟軌移動(dòng)，有效規(guī)避了復(fù)雜的地形與樹位對(duì)采膠機(jī)的影響，大幅降低了鋪設(shè)硬軌成本。

2)采用智能傳感器與自動(dòng)控制技術(shù)，突破了樹皮厚度探測(cè)、采膠深度自主調(diào)控，耗皮量的精準(zhǔn)控制，采膠位置的精準(zhǔn)定位，裝備在鋼絲軟軌上的行走與停車，采膠模塊刺針的自動(dòng)作業(yè)與復(fù)位等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采膠模塊在水平方向與豎直方向上的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

3)該全自動(dòng)采膠裝備的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕盈。具備采膠位置智能調(diào)節(jié)、識(shí)別與記憶，采膠深度記錄與顯示，故障報(bào)警等功能。整機(jī)質(zhì)量為27.5 kg，采膠時(shí)間平均約為10 s/株，即每作業(yè)一次便進(jìn)行兩針刺的采膠動(dòng)作，刺入的平均深度耗皮量為1.4 mm。