仿形進(jìn)階式天然橡膠自動(dòng)割膠機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張喜瑞 曹 超 張麗娜 邢潔潔 劉俊孝 董學(xué)虎

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3.海南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣站，?？?570206)

0 引言

天然橡膠是我國(guó)重要的戰(zhàn)略物資和工業(yè)原料，天然橡膠產(chǎn)業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用[1-2]。割膠是指通過(guò)特制割膠工具割破橡膠樹(shù)產(chǎn)膠功能層樹(shù)皮獲得天然乳膠的過(guò)程[3]，是天然橡膠生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)[4-5]。目前，天然橡膠的獲取依舊延續(xù)傳統(tǒng)人工割膠方式，對(duì)膠工技術(shù)要求高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，割膠所需人工成本占生產(chǎn)成本70%以上[6]。此外，受膠工老齡化和年輕膠工緊缺雙重因素影響，海南及廣東農(nóng)墾等地出現(xiàn)棄割改種等現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙我國(guó)天然橡膠產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[7-8]。為降低人工割膠強(qiáng)度、緩解用工難現(xiàn)狀，通過(guò)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合，研發(fā)智能化割膠裝備替代人工割膠是必然趨勢(shì)[9-11]，智能化割膠裝備可以有效降低割膠對(duì)人工的依賴性，降低割膠人工成本，提高天然橡膠產(chǎn)出率[12-14]。

但是，由于自動(dòng)化、智能化割膠技術(shù)及裝備研發(fā)正處于起步階段[15-17]，嚴(yán)重制約了天然橡膠產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前割膠裝備主要分為電動(dòng)割膠刀[18-19]、移動(dòng)式割膠機(jī)器人[20-22]和固定式割膠機(jī)[23-24]。電動(dòng)割膠刀在一定程度上能降低膠工勞動(dòng)強(qiáng)度和割膠技術(shù)難度[25]，但只能輔助人工割膠，并未從根源解決膠工短缺的問(wèn)題。移動(dòng)式割膠機(jī)器人采用機(jī)器視覺(jué)[26]、深度相機(jī)[27]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)林間導(dǎo)航與軌跡規(guī)劃[28]，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求較高，且成本高昂，并難以適應(yīng)山區(qū)作業(yè)。固定式割膠機(jī)整機(jī)安裝于橡膠樹(shù)干上，整機(jī)具有造價(jià)成本低、結(jié)構(gòu)輕量化以及割膠運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，可穩(wěn)定完成精準(zhǔn)割膠工作，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化割膠的重要途徑。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)固定式割膠裝備，展開(kāi)了相關(guān)研究。張春龍等[25]設(shè)計(jì)一種鋸切式割膠裝置，針對(duì)鋸片直徑、齒數(shù)及切割電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)鋸切式割膠裝置切割功耗的影響進(jìn)行研究。羅慶生等[29]設(shè)計(jì)一款便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人，利用開(kāi)合結(jié)構(gòu)和頂緊螺釘抱緊橡膠樹(shù)進(jìn)行割膠工作，提高了割膠機(jī)對(duì)不同樹(shù)徑橡膠樹(shù)的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[30]研制了一種自動(dòng)割膠系統(tǒng)，采用兩個(gè)直線導(dǎo)軌組合式運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)割膠軌跡。汪雄偉等[31]設(shè)計(jì)一種固定式全自動(dòng)智能控制橡膠割膠機(jī)，通過(guò)距離傳感器反饋數(shù)據(jù)，分析獲取適宜割膠深度，實(shí)現(xiàn)割刀進(jìn)給量調(diào)節(jié)。高可可等[32]設(shè)計(jì)一種固定式割膠機(jī)器人，整機(jī)采用高分子材料制成，利用超聲波傳感器搭配PID控制算法控制刀具進(jìn)給量。ZHANG等[33]設(shè)計(jì)一種懸掛式割膠機(jī)，通過(guò)柔性輪廓建模和機(jī)械間距結(jié)構(gòu)分別控制切割深度和樹(shù)皮消耗。張春龍等[34]設(shè)計(jì)一種基于激光測(cè)距的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)割膠裝置，通過(guò)控制三坐標(biāo)平臺(tái)聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)割刀按激光測(cè)定的空間曲線路徑運(yùn)動(dòng)。以上研究為機(jī)械化、智能化割膠裝備的設(shè)計(jì)提供了多種思路，但相關(guān)裝備的割膠質(zhì)量、安裝穩(wěn)定性難以滿足實(shí)際生產(chǎn)，且生產(chǎn)成本較高，難以普及。

為進(jìn)一步提高固定式割膠機(jī)的割膠質(zhì)量和安裝穩(wěn)定性，以及降低生產(chǎn)成本，結(jié)合國(guó)內(nèi)橡膠割膠技術(shù)規(guī)程[35]，設(shè)計(jì)一種仿形進(jìn)階式天然橡膠割膠機(jī)，優(yōu)化割膠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件，采用機(jī)械仿形限深降低生產(chǎn)成本，并進(jìn)行林間試驗(yàn)，以期為天然橡膠種植區(qū)割膠工作提供機(jī)具參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 整體結(jié)構(gòu)

仿形進(jìn)階式天然橡膠割膠機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)器主要由可調(diào)式捆綁機(jī)構(gòu)、割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)、割膠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控制模塊組成，其中可調(diào)式捆綁機(jī)構(gòu)由齒型同步帶、楔塊及棘輪金屬捆綁帶組成；割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直流推桿、末端執(zhí)行器安裝滑塊架、錐齒輪、收刀曲柄、角度調(diào)節(jié)板等組成；割膠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由絲杠、圓柱齒輪、減速步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等組成；控制模塊采用Arduino uno r3開(kāi)發(fā)板和多款電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊搭建。

圖1 仿形進(jìn)階式天然橡膠割膠機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure composition of profiling progressive natural rubber tapping machine1.滑塊支架 2.割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3.割膠傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.可調(diào)式捆綁機(jī)構(gòu) 5.橡膠樹(shù)模型

1.2 工作原理

割膠機(jī)通過(guò)可調(diào)式捆綁機(jī)構(gòu)固定于橡膠樹(shù)上，具體割膠過(guò)程如下：割膠機(jī)藍(lán)牙模塊收到割膠開(kāi)始指令后，推桿伸出，割膠刀受拉簧預(yù)緊力作用張緊，推桿完全伸出時(shí)停止運(yùn)動(dòng)；減速電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿橡膠樹(shù)徑向進(jìn)行螺旋上升運(yùn)動(dòng)，割膠刀從起割點(diǎn)開(kāi)始割膠工作，割膠刀到達(dá)結(jié)束點(diǎn)時(shí)，減速電機(jī)停轉(zhuǎn)；推桿收回，通過(guò)收刀曲柄，拉動(dòng)割膠刀收回；減速電機(jī)反轉(zhuǎn)，割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)做螺旋下降運(yùn)動(dòng)；割膠刀回至起割點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿絲杠下移一段距離(耗皮量)后停止，等待下次割膠開(kāi)始指令。割膠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)控制模塊控制各個(gè)電機(jī)的順序動(dòng)作，以完成割膠運(yùn)動(dòng)。

割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿橡膠樹(shù)干進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)是割膠作業(yè)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)，由割膠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成，其實(shí)現(xiàn)原理為：減速步進(jìn)電機(jī)輸出軸與圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)輸出軸與絲杠連接，控制減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可同時(shí)控制圓柱齒輪與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)；圓柱齒輪與齒型同步帶的齒圈嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)割膠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿齒型同步帶進(jìn)行橢圓運(yùn)動(dòng)；在減速步進(jìn)電機(jī)作用下，絲杠螺母帶動(dòng)末端執(zhí)行器沿滑塊支架做直線運(yùn)動(dòng)；將橢圓運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿橡膠樹(shù)干進(jìn)行空間螺旋運(yùn)動(dòng)。減速步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，末端執(zhí)行器螺旋上升；減速步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，末端執(zhí)行器螺旋下降。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 可調(diào)式捆綁機(jī)構(gòu)

齒形同步帶采用聚氨酯鋼絲材料，材料質(zhì)量輕、硬度好，且具有良好的彈性和韌性，一方面能保證不影響橡膠樹(shù)的正常生長(zhǎng)，另一方面能達(dá)到更好的貼樹(shù)仿形效果。齒型同步帶外側(cè)設(shè)計(jì)為齒型形狀與圓柱齒輪嚙合傳動(dòng)，內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)為凸臺(tái)形狀，每個(gè)凸臺(tái)間設(shè)有間隙，確保齒型同步帶能夠與橡膠樹(shù)緊密貼合。齒型同步帶兩端安裝有棘輪金屬捆綁帶，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪束緊齒型同步帶，將割膠機(jī)固定在橡膠樹(shù)上?？紤]到橡膠樹(shù)的橫截面非標(biāo)準(zhǔn)圓形，為保證割膠運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和割膠質(zhì)量，采用楔塊配合使用的方式，使上下兩個(gè)齒型同步帶中心連線與橡膠樹(shù)中心軸線保持方向一致，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可調(diào)式捆綁機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of adjustable binding mechanism1.棘輪金屬捆綁帶 2.楔塊 3.齒型同步帶 4.橡膠樹(shù)模型

2.2 割膠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.2.1割膠軌跡

為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略橡膠樹(shù)表面的凸起，將樹(shù)干視為標(biāo)準(zhǔn)橢圓體，空間螺旋割膠軌跡可視為橢圓柱面螺旋線，如圖3所示。

圖3 橢圓柱面螺旋線示意圖Fig.3 Schematics of elliptic cylindrical helices

橢圓方程及參數(shù)方程分別為

(1)

其中

(2)

式中a——橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度，mm

b——橢圓短半軸長(zhǎng)度，mm

θ′——曲線le′f′段對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)角，(°)

該橢圓同胚映射圓半徑為

(3)

式中r——橢圓同胚映射圓半徑，mm

對(duì)橢圓方程式(2)求導(dǎo)可得

(4)

則橢圓任意微分弧長(zhǎng)s為

(5)

即

(6)

角度θ′對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)s為

(7)

由于同胚映射圓曲線lef段與le′f′段弧長(zhǎng)相同，lef段所對(duì)應(yīng)同胚映射圓角θ為

(8)

則點(diǎn)f′在螺旋線上的Z軸坐標(biāo)為

(9)

式中H——橢圓柱面螺旋線的螺距，mm

聯(lián)立式(2)、(9)得出橢圓柱面螺旋線即割膠軌跡方程為

(10)

2.2.2割膠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

割膠軌跡直接影響割面平整性，決定割膠質(zhì)量[6]。規(guī)劃割膠運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用常規(guī)半樹(shù)周隔日割膠制度，即刀具在橢圓方向上和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)距離分別為H/2和L/2，設(shè)刀具在x方向和y方向的運(yùn)動(dòng)速度分別為vr和vy，刀具螺旋升角為λ。

由圖4可知

圖4 割膠軌跡示意圖Fig.4 Schematics of tapping trajectory

(11)

式中L——橢圓周長(zhǎng)，mm

將割膠軌跡即橢圓柱面螺旋線分化為平面橢圓運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓柱齒輪與齒型同步帶配合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)橢圓方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)豎直方向運(yùn)動(dòng)，具體機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 割膠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of transmission mechanism for rubber tapping1.末端執(zhí)行器安裝滑塊架 2.絲杠螺母 3.絲杠 4.圓柱齒輪 5.減速步進(jìn)電機(jī) 6.輔助滾輪 7.齒型同步帶

綜上可得

(12)

(13)

式中d——圓柱齒輪分度圓直徑，mm

m——圓柱齒輪模數(shù)，mm

p——絲杠導(dǎo)程，mm

z1——圓柱齒輪齒數(shù)

ω——減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

由式(12)、(13)可知

(14)

選用絲杠導(dǎo)程p為16 mm，圓柱齒輪模數(shù)m為1 mm，通過(guò)調(diào)整圓柱齒輪齒數(shù)z1來(lái)改變刀具螺旋升角λ，關(guān)系如表1所示。

表1 齒數(shù)與螺旋升角關(guān)系Tab.1 Relationship between number of teeth and helix angle

2.2.3割膠移位機(jī)構(gòu)

割膠機(jī)完成割膠工作后，刀具部分在推桿的作用下完成收刀，末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)至起始點(diǎn)，此時(shí)由控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，絲杠不動(dòng)，通過(guò)安裝于步進(jìn)電機(jī)上的錐齒輪Ⅰ與通過(guò)頂針固定于絲杠螺母上的錐齒輪Ⅱ嚙合傳動(dòng)，使末端執(zhí)行器向下移動(dòng)一定的位置，移動(dòng)的高度即為割膠耗皮量，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 移位機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of shifting mechanism1.錐齒輪Ⅱ 2.步進(jìn)電機(jī) 3.末端執(zhí)行器安裝滑塊架 4.同步滾輪 5.絲杠螺母 6.錐齒輪Ⅰ

2.3 割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)

割膠深度對(duì)割膠作業(yè)極為重要，割膠過(guò)深易傷樹(shù)而過(guò)淺則直接影響乳膠產(chǎn)量，依據(jù)割膠技術(shù)規(guī)程中所規(guī)定的割膠生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，即割膠需要控制內(nèi)切口與形成層之間的距離在1.2～1.8 mm之間。

2.3.1仿形機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)割膠方式主要依靠人工肉眼識(shí)別橡膠樹(shù)表皮顏色來(lái)判斷、控制割膠深度?，F(xiàn)有割膠裝備針對(duì)割膠深度控制主要采用兩種方式：一種是仿形限深機(jī)構(gòu)，通過(guò)增設(shè)限深或仿形機(jī)構(gòu)限定割膠深度，以達(dá)到控制割膠深度的要求，避免傷樹(shù)問(wèn)題的產(chǎn)生；另一種是采用深度相機(jī)，通過(guò)對(duì)采集圖像進(jìn)行分析反饋，從而達(dá)到控制割膠深度的目的。后者成本較高，且對(duì)工作要求苛刻，目前主要采用仿形限深機(jī)構(gòu)對(duì)割膠深度進(jìn)行控制。

常見(jiàn)的仿形限深機(jī)構(gòu)有導(dǎo)向輪和導(dǎo)向桿兩種形式，仿形桿與橡膠樹(shù)之間有滑動(dòng)摩擦力fs，所受阻力較大，反作用于刀架的力Fn直接影響割膠質(zhì)量；導(dǎo)向輪與橡膠樹(shù)之間有滾動(dòng)摩擦力fd，相比仿形桿所受摩擦力較小，對(duì)割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用力小，如圖7所示。

圖7 常用仿形限深機(jī)構(gòu)Fig.7 Commonly used profiling depth limiting mechanism

在導(dǎo)向輪的基礎(chǔ)上，改進(jìn)與橡膠樹(shù)之間的接觸方式，將導(dǎo)向輪與橡膠樹(shù)之間的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)橄奚顫L輪與橡膠樹(shù)之間的點(diǎn)接觸，如圖8a所示。同樣，限深滾輪后端圓柱體與橡膠樹(shù)已割面相對(duì)滾動(dòng)，對(duì)橡膠樹(shù)割膠軌跡進(jìn)行仿形；限深滾輪與刀具安裝架之間安裝有限深彈簧，通過(guò)調(diào)節(jié)限深彈簧的彈力以達(dá)到對(duì)割膠深度的控制，割膠刀與限深滾輪軸向距離為耗皮量τ，如圖8c所示，一般陰線每刀耗皮量為1.8～2 mm，陽(yáng)線每刀耗皮量為1.4～1.6 mm。

圖8 限深機(jī)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematics of depth limiting mechanism1.限深彈簧 2.連接塊 3.刀具固定架 4.壓板 5.割膠刀片 6.限深滾輪

2.3.2割膠刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力分析

考慮經(jīng)濟(jì)性和割膠刀的耐磨性，割膠刀選用硬度為56HRC的鋼質(zhì)材料，經(jīng)過(guò)熱處理、定型工序，達(dá)到所需鋼質(zhì)硬度，割膠刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及受力分析見(jiàn)圖9。

圖9 割膠刀參數(shù)及受力分析 Fig.9 Rubber tapping knife parameters and force analysis

利用達(dá)朗貝爾定理分析，則切入時(shí)割膠刀的受力應(yīng)滿足

(15)

式中φ——割膠刀與橡膠樹(shù)表皮間的摩擦角，(°)

F——割膠刀切入橡膠樹(shù)的力，N

G——割膠刀自重，N

Ff——割膠刀所受摩擦力，N

β——割膠刀的夾角，(°)

μ——割膠刀與橡膠樹(shù)表皮間的摩擦因數(shù)

根據(jù)圖9c中的幾何關(guān)系可得

(16)

(17)

式中l(wèi)a——割膠刀切割樹(shù)皮長(zhǎng)度，即割膠深度，mm

lb——割膠刀寬度的一半，mm

lc——割膠刀切入橡膠樹(shù)表皮長(zhǎng)度，mm

ld——割膠刀厚度，mm

h——割膠刀切入橡膠樹(shù)表皮對(duì)應(yīng)高度，mm

對(duì)式(15)進(jìn)行簡(jiǎn)化可得

(18)

將式(16)、(17)代入式(18)中可得

(19)

為保證割膠運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性與穩(wěn)定性，速度v需保持不變，因此割膠刀切入橡膠樹(shù)表皮的力F也為定值。由式(18)可知影響割膠刀摩擦力Ff的主要因素為摩擦角φ和割膠刀螺旋升角λ。

2.3.3割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)

仿形進(jìn)階式天然橡膠割膠機(jī)的割膠刀采用拉簧柔性連接方式，既可以為刀具切割橡膠樹(shù)皮提供合適的預(yù)緊力，又能避免因剛性連接導(dǎo)致橡膠樹(shù)水囊皮被割破。退刀時(shí)利用推桿帶動(dòng)收刀曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，確保割膠刀回至起割位置時(shí)不會(huì)與橡膠樹(shù)發(fā)生干涉，割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)刀、退刀示意圖如圖10所示。

圖10 割膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematics of rubber tapping execution mechanism1.拉簧 2.末端執(zhí)行器安裝滑塊架 3.直流推桿 4.收刀固定架 5.收刀曲柄 6.角度調(diào)節(jié)板 7.橡膠樹(shù)模型

收刀曲柄與角度調(diào)節(jié)板通過(guò)螺栓連接，通過(guò)改變角度調(diào)節(jié)板的角度來(lái)調(diào)節(jié)割膠刀切入橡膠樹(shù)的角度，以水平面為基準(zhǔn)，角度調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)范圍為25°～45°，適用于樹(shù)圍不同的橡膠樹(shù)，如圖11所示。角度調(diào)節(jié)板與刀具安裝板固連，通過(guò)壓板和螺栓將割膠刀固定在刀具安裝板上。

圖11 角度調(diào)節(jié)示意圖Fig.11 Schematics of angle adjustment

2.4 驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

控制部分[36]采用Arduino uno r3開(kāi)發(fā)板作為控制器[37-38]，通過(guò)cnc shield v3擴(kuò)展板和2個(gè)A4988型驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)減速步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)割膠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的割膠運(yùn)動(dòng)和末端執(zhí)行器的移位動(dòng)作；通過(guò)L298N型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)推桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的進(jìn)刀和退刀動(dòng)作。通過(guò)外接12 V直流電源為Arduino uno r3開(kāi)發(fā)板和驅(qū)動(dòng)模塊供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，整機(jī)控制框圖如圖12所示。

圖12 控制模塊程序框圖Fig.12 Block diagram of control module

選用MNTG型微型電動(dòng)推桿進(jìn)行進(jìn)刀、退刀動(dòng)作，最大推拉力60 N，輸入電壓為12 V直流電壓，推桿行程30 mm，內(nèi)置限位開(kāi)關(guān)確保機(jī)器運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

選用HST42H4812-49k-04型兩相四線減速步進(jìn)電機(jī)和35BYGH型步進(jìn)電機(jī)分別作為割膠運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力輸入和移位運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力輸入，步距角1.8°，額定電壓12 V直流電壓，為保證割膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)A4988型驅(qū)動(dòng)模塊將減速步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為半細(xì)分，即400個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。為避免接線混亂與信號(hào)的干擾，整機(jī)采用12 V直流電源供電。為保證割膠機(jī)能在林間長(zhǎng)時(shí)間工作，以電動(dòng)割膠刀單次割膠耗電量為參考值，電源選用5 600 mA·h鋰電池。

3 林間試驗(yàn)

為驗(yàn)證割膠機(jī)割膠性能，于2021年6月于海南大學(xué)天然橡膠試驗(yàn)地進(jìn)行割膠作業(yè)試驗(yàn)，隨機(jī)選擇20棵生長(zhǎng)年份及樹(shù)圍不同的橡膠樹(shù)，對(duì)每棵樹(shù)進(jìn)行5組試驗(yàn)，割膠機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。

圖13 割膠機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Field test of rubber cutting machine

3.1 試驗(yàn)方案

固定式割膠機(jī)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，需要在整個(gè)生產(chǎn)期間均安裝于橡膠樹(shù)上，因此固定式割膠機(jī)不僅需要較好的割膠質(zhì)量，還必須具備較強(qiáng)的續(xù)航能力，因此，試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)割膠機(jī)割膠質(zhì)量和耗電量進(jìn)行測(cè)試。割膠質(zhì)量通常以割膠面的平整性來(lái)衡量，由于割膠工作結(jié)束后橡膠樹(shù)產(chǎn)出的天然乳膠影響對(duì)割膠面的觀測(cè)，因此，割膠質(zhì)量采用前5 min排膠量來(lái)衡量[13]；同樣，取5次割膠試驗(yàn)耗電量的平均值為衡量割膠功耗的指標(biāo)。

經(jīng)預(yù)試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)影響割膠機(jī)前5 min排膠量和耗電量的因素主要有電機(jī)轉(zhuǎn)速η、刀具螺旋升角λ和拉簧預(yù)緊力F1。經(jīng)人工割膠速度換算得電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為15～25 r/min，割膠機(jī)采用陽(yáng)刀割膠方法，割膠角度即刀具螺旋升角為20°～30°；預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拉簧預(yù)緊力為10～30 N時(shí)，有較好的貼樹(shù)仿形功能。

采用三因素三水平試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

選用L3(33)正交表，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3，A、B、C為因素編碼值，采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

應(yīng)用Design-Expert軟件Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，可得前5 min排膠量和平均耗電量的二次多項(xiàng)式回歸模型為

Y1=6.28+0.58A+0.20B-0.11C-0.16AB-0.030AC-0.010BC+0.039A2+0.20B2-0.65C2

(20)

Y2=1.05-0.035A+0.29B+0.033C+0.042AB-0.028AC-0.017BC+0.028A2+0.078B2+0.11C2

(21)

表4 前5 min排膠量二次多項(xiàng)式模型的方差分析Tab.4 Variance analysis of quadratic polynomial model of rubber discharge in the first five minutes

表5 平均耗電量二次多項(xiàng)式模型的方差分析Tab.5 Variance analysis of quadratic polynomial model of average power consumption

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件繪制各因素交互影響3D響應(yīng)曲面。電機(jī)轉(zhuǎn)速和刀具螺旋升角對(duì)前5 min排膠量響應(yīng)曲面如圖14a所示，刀具螺旋升角由20°增加到30°過(guò)程中，刀具螺旋升角越大，天然乳膠所受下滑分力也越大，前5 min排膠量也越多，刀具螺旋升角越小，天然乳膠所受下滑分力也越小，前5 min排膠量也越少；電機(jī)轉(zhuǎn)速和刀具螺旋升角對(duì)平均耗電量的響應(yīng)曲面如圖14b所示，刀具螺旋升角由20°增加到30°過(guò)程中，功耗為阻力與距離的乘積，刀具螺旋升角越大，割膠軌跡越長(zhǎng)，平均耗電量也增加，刀具螺旋升角越小，割膠軌跡越短，平均耗電量也減??；電機(jī)轉(zhuǎn)速由17 r/min增加到25 r/min過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，平均耗電量越多，電機(jī)轉(zhuǎn)速越小，平均耗電量越少。由圖14結(jié)合林間試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速21 r/min、刀具螺旋升角25°時(shí)，前5 min排膠量為6.29 mL、平均耗電量1.07 W·h，此時(shí)為割膠機(jī)的最佳參數(shù)組合。

圖14 交互效應(yīng)響應(yīng)曲面(C=0)Fig.14 Interaction response surface

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種仿形進(jìn)階式天然橡膠割膠機(jī)，通過(guò)對(duì)單一減速步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)割膠復(fù)合運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀、退刀、割膠等工序，提高天然橡膠的生產(chǎn)效率以及降低割膠對(duì)橡膠樹(shù)的損傷率。

(2)對(duì)割膠軌跡進(jìn)行理論分析，將空間螺旋運(yùn)動(dòng)分解為二維的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，豎直運(yùn)動(dòng)采用絲杠傳動(dòng)的方式，橢圓運(yùn)動(dòng)采用圓柱齒輪嚙合傳動(dòng)的方式，分析豎直運(yùn)動(dòng)和橢圓運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，確定合適的刀具螺旋升角與圓柱齒輪模數(shù)、齒數(shù)和絲杠導(dǎo)程。

(3)進(jìn)行林間割膠試驗(yàn)，應(yīng)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊確定3個(gè)顯著影響因素最優(yōu)值：電機(jī)轉(zhuǎn)速21 r/min、刀具螺旋升角25°、拉簧預(yù)緊力20 N。以最優(yōu)參數(shù)組合得到的前5 min排膠量為6.29 mL、平均耗電量為1.07 W·h。