基于機(jī)械控制系統(tǒng)的全自動(dòng)沙柳種植裝置創(chuàng)新研究

陳志斌，張智武

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

防風(fēng)固沙是干旱、半干旱地區(qū)為了保持水土、防止沙塵暴等惡劣天氣而進(jìn)行的一種生態(tài)建設(shè)活動(dòng)。我國沙漠、戈壁、荒漠化土地總面積約1 308×104km2，占土地總面積的13.5%。近20年來，人工 “變綠” 的植柳工程一直在持續(xù)進(jìn)行中，生態(tài)環(huán)境狀況整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體仍十分脆弱，局部生態(tài)問題依然存在。防風(fēng)固沙主要通過播種一些耐干旱的沙生植物來實(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)干旱和半干旱地區(qū)人工種植的主要植物是沙柳,其生長迅速，枝葉茂密，根系繁大，固沙保土力強(qiáng)，也是極少數(shù)可以生長在鹽堿地的一種植物。沙柳主要分布內(nèi)蒙古、河北、山西、陜西、甘肅、青海、四川、西藏等地，是作用于防風(fēng)固沙的主力，也是中國沙荒地區(qū)造林固沙造林先鋒樹種。目前沙柳種植廣泛采用扦插種植法，在4月上旬—5月上旬和秋季9月上旬—10月上旬種植。種植時(shí)，需要兩人配合作業(yè)，一人拿手持式柴油挖坑鉆坑機(jī)挖出1 m深的坑，另一人準(zhǔn)備1～2棵沙柳苗插入坑中。兩個(gè)熟練工配合作業(yè)平均每30 s完成1個(gè)坑的種植，株行距按2 m×4 m，83坑/0.067 hm2計(jì)算，1 d工作8 h，可完成造林面積約0.32 hm2，成本約為150元/0.067 hm2。這種種植方法雖然普遍，但是存在以下問題：其一，種植效率低，人均種植0.16 hm2/d，相對(duì)我國荒漠總面積是杯水車薪；其二，柴油挖坑鉆坑機(jī)給工人的身體造成巨大傷害，容易造成人體結(jié)構(gòu)損傷和內(nèi)臟功能代謝發(fā)生障礙等，同時(shí)產(chǎn)生的噪聲還會(huì)影響操作者聽力和作業(yè)質(zhì)量；其三，人工成本較高，沙漠、荒漠下的惡劣環(huán)境，操作機(jī)器給人帶來的身體傷害造成工人不愿意去干，自然造成人工成本增加；其四，人工作業(yè)時(shí)的行株距無法得到保障，造成后期工程機(jī)械平茬難度增加。

隨著勞動(dòng)力成本的不斷增加，固沙面積、規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國家對(duì)防風(fēng)固沙要求不斷提高，僅僅依靠人工作業(yè)方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足防風(fēng)固沙的要求。因此，本文針對(duì)目前國內(nèi)沙漠地區(qū)防風(fēng)固沙過程中普遍采用的扦插種植法方式存在的問題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，構(gòu)建一種機(jī)械控制的全自動(dòng)沙柳種植裝置。本裝置相比已有種植設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)荒漠地區(qū)沙柳種植，降低荒漠綠化成本，提升種植質(zhì)量和效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理模型所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)沙柳種植裝置系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其中，硬件設(shè)計(jì)主要由底座單元，挖穴單元，種植單元，澆水、施肥單元，控制系統(tǒng)單元，外殼保護(hù)單元等六個(gè)單元組成。各單元既是獨(dú)立存在的系統(tǒng)，又相互存在關(guān)聯(lián)。因此，各單元不僅要滿足自身的功能需要，還要求布局合理、科學(xué)分配、結(jié)構(gòu)緊湊、大小適宜。這是因?yàn)椋獙?shí)現(xiàn)自動(dòng)化種植作業(yè)，軟件設(shè)計(jì)既要做到能驅(qū)動(dòng)每個(gè)單元的硬件系統(tǒng)，并對(duì)其采取閉環(huán)措施，還要做到各單元聯(lián)動(dòng)動(dòng)作的數(shù)據(jù)監(jiān)控，即能對(duì)工作過程中出現(xiàn)的故障完成自行診斷，并顯示在控制屏幕。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 底座單元

底座單元主要由支撐底板、螺旋推進(jìn)器、擋沙罩、螺旋推進(jìn)器、雙軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、螺旋推進(jìn)器固定支撐架等部分構(gòu)成。

支撐底板上端用內(nèi)六角螺釘連接挖穴單元、種植單元、澆水施肥單元、控制單元等，下端左右兩側(cè)各由一個(gè)24 V、60 W、150 r/min輸出扭矩28 kg·cm的雙軸直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)不同旋向的螺旋推進(jìn)器。底座單元的驅(qū)動(dòng)原理是：兩對(duì)不同旋向的螺旋推進(jìn)器，左側(cè)一對(duì)為右旋，右側(cè)一對(duì)為左旋，利用滾動(dòng)摩擦的螺旋推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，通過改變兩對(duì)螺旋推進(jìn)器的旋向能直接驅(qū)動(dòng)底座帶動(dòng)整個(gè)裝置前進(jìn)、后退、左移、右移、原地旋轉(zhuǎn)等。具體運(yùn)動(dòng)過程為：①當(dāng)左側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，底座前進(jìn)；②當(dāng)左側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，底座后退；③當(dāng)左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)，底座左移；④當(dāng)左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)時(shí)，底座右移；⑤當(dāng)只有左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，底座向左原地旋轉(zhuǎn)；⑥當(dāng)只有左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)或者右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，底座向右原地旋轉(zhuǎn)。

底座單元設(shè)計(jì)成螺旋推進(jìn)方式，把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，能使設(shè)備迅速朝所需方向移動(dòng)，有很強(qiáng)的激動(dòng)性能，便于種植時(shí)的換向，還能很好地防止打滑。環(huán)境越是惡劣，它的適應(yīng)性越好，且摩擦小。這是履帶式和輪式結(jié)構(gòu)底盤的行走方式所不能匹及的。外，因?yàn)橥七M(jìn)器能產(chǎn)生強(qiáng)大的推力且與地面的接觸面積大，單位壓力比輪式結(jié)構(gòu)小，所以能適應(yīng)沙丘、平原、丘陵、黏土地、雪地、泥濘、沼澤地等環(huán)境行駛。

1.1.2 挖穴單元

挖穴單元主要由搖桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)凸輪，驅(qū)動(dòng)連桿，連接滑塊，驅(qū)動(dòng)支架，連接齒輪、帶孔螺旋挖穴鉆頭，鉆頭連接滑環(huán)、軸承等組成。

挖穴單元包括兩大部分，第一部分是搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二部分是挖穴機(jī)構(gòu)。搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用24 V、60 W、6 r/min輸出扭矩220 kg·cm電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪驅(qū)動(dòng)連桿連接挖穴機(jī)構(gòu)做勻速下降加速上升運(yùn)動(dòng)來完成挖穴工作。挖穴機(jī)構(gòu)因?yàn)橥谘ㄣ@頭需要供給水溶液設(shè)計(jì)成內(nèi)部帶孔結(jié)構(gòu)，電機(jī)輸出軸不能直接驅(qū)動(dòng)鉆頭，在鉆頭頸部和電機(jī)輸出軸上都配有圓柱直齒輪間接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用24 V、28 W、150 r/min輸出扭矩13.46 kg·cm的行星減速電機(jī)，鉆頭是螺距為30 mm厚度為3 mm的錳鋼單片螺旋葉片焊接在有內(nèi)孔且四周有玉米狀小孔的刀體組成（小孔分布在導(dǎo)體的螺旋葉片中間），鉆頭頸部套在一對(duì)深溝球軸承固定在驅(qū)動(dòng)支架上。經(jīng)實(shí)地測試，挖穴系統(tǒng)能滿足沙地、泥地土壤環(huán)境作業(yè)。

挖穴單元具體的工作過程是：①啟動(dòng)挖穴驅(qū)動(dòng)電機(jī)，1～2 s后電機(jī)達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；②啟動(dòng)搖桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)凸輪使連桿帶動(dòng)挖穴鉆頭做勻速向下運(yùn)動(dòng)開始挖穴（鉆孔），當(dāng)鉆頭接觸到 “地面” 時(shí)，啟動(dòng)澆水、施肥單元的水泵（在驅(qū)動(dòng)支架上設(shè)有光電開關(guān)，當(dāng)檢測到位置信號(hào)便開始工作）工作，水泵的水溶液通過滑環(huán)進(jìn)入螺旋鉆頭（雖然鉆頭有自轉(zhuǎn)，但是由于滑環(huán)的作用保障水管不會(huì)自卷），再通過螺旋鉆頭的小孔噴入正在挖的穴槽中。這樣做到的作用是：給種植的沙柳苗提供營養(yǎng)液；因?yàn)樯匙硬痪邆漯じ叫裕芤嚎稍黾由匙拥酿じ叫?，防止好的穴坑坍塌。達(dá)到挖穴行程10 cm（預(yù)設(shè)），電機(jī)繼續(xù)工作則驅(qū)動(dòng)搖桿帶著鉆頭急性返回，這樣做能防止已挖好穴坑周圍的沙子坍塌把穴堵住。

1.1.3 種植單元

種植單元由種植箱料筒、取苗送苗轉(zhuǎn)輪、取苗送苗轉(zhuǎn)輪端蓋、傳動(dòng)鏈輪、傳動(dòng)鏈條、圓錐齒輪、種植箱換向料筒、種植箱換向料筒撥片、種植系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架、料筒固定支架等部分構(gòu)成。

種植傳動(dòng)系統(tǒng)連接鏈條把種植箱傳動(dòng)撥料桶連接鏈輪A、種植箱傳動(dòng)鏈條張緊鏈輪、種植箱傳動(dòng)撥料桶連接鏈輪B連接起來，把取苗送苗轉(zhuǎn)輪和種植箱換向料筒撥片（料筒撥片為半通槽，即一側(cè)開口，另一側(cè)封閉）形成90°錯(cuò)位關(guān)系，通過張緊輪的位置調(diào)整使鏈條具有合適的張緊度，以確保傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。取苗送苗轉(zhuǎn)輪通過軸承套入種植箱料筒，種植箱料筒月能容納沙柳苗（直徑約為6.5 mm）200根。由于取苗送苗轉(zhuǎn)輪和種植箱換向料筒撥片處于異面狀態(tài)，在種植箱傳動(dòng)撥料桶連接鏈輪B軸的末端用一對(duì)錐齒輪配對(duì)以改變傳動(dòng)方向，種植驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用24 V、60 W、30 r/min輸出扭矩68 kg·cm滿足使用要求。在種植箱換向料筒下端設(shè)有大于沙柳苗直徑約為12 mm的圓槽，使沙柳苗能順利通過。

種植單元具體的工作過程是：①把需要種植的沙柳苗截成100 mm/根（根據(jù)模型比例預(yù)先設(shè)定）放入種植箱料筒內(nèi)；②啟動(dòng)種植系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于取苗送苗轉(zhuǎn)輪與種植箱換向料筒撥片互成90°錯(cuò)位關(guān)系，當(dāng)帶凹槽的取苗送苗轉(zhuǎn)輪從料筒中撥下一根沙柳苗時(shí)，通過斜口進(jìn)入種植箱換向料筒，落入水平狀態(tài)的換向料筒撥片，沙柳苗在料筒撥片內(nèi)旋轉(zhuǎn)270°后在重力作用下通過圓孔掉入已挖好的穴槽中。

1.1.4 澆水、施肥單元

澆水、施肥單元主要由水箱、水泵、進(jìn)水管、出水管、水箱塞組成。澆水、施肥單元的進(jìn)水口連接水箱下端，出水口連接在挖穴單元的滑環(huán)上。當(dāng)挖穴螺旋鉆頭開始挖穴時(shí)，水泵開始泵營養(yǎng)水溶液，通過滑環(huán)進(jìn)入鉆頭，在從鉆頭的玉米狀螺旋小孔噴到穴內(nèi)。

1.1.5 控制單元

控制單元由西門子200 Smart PLC、西門子700IE觸摸屏、信號(hào)檢測開關(guān)、繼電器以及各電氣執(zhí)行單元組成，實(shí)現(xiàn)種植機(jī)的智能控制。

1.1.6 外殼單元

外殼單元主要是用激光切割切成不同形狀的5 mm厚的亞克力板用內(nèi)六角螺釘和螺母固定拼接而成，它的功能是保護(hù)里面的結(jié)構(gòu)，放置控制系統(tǒng)所需的電器元件。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 工作過程

本設(shè)計(jì)的沙柳種植機(jī)采用PLC控制方式來完成整機(jī)的控制。一個(gè)完整的種植工作過程分為以下5步：①挖穴單元的挖穴鉆頭先預(yù)挖出一個(gè)10 cm深的穴；②種植機(jī)底座單元驅(qū)動(dòng)整機(jī)前進(jìn)一段行距后使種植單元下料口對(duì)準(zhǔn)已挖好的穴坑中；③種植單元驅(qū)動(dòng)種植系統(tǒng)在料筒中取出一根沙柳苗從料斗中下插入穴坑中完成種植；④下一個(gè)種植過程循環(huán)上述①～③；⑤完成行距種植后，株距種植橫向移動(dòng)種植機(jī)即可。

1.2.2 技術(shù)說明

KA1接通，M1電機(jī)正轉(zhuǎn)；KA2接通，M1電機(jī)反轉(zhuǎn)；KA3接通，M2電機(jī)正轉(zhuǎn)；KA4接通，M2電機(jī)反轉(zhuǎn)；KA1、KA3接通，整機(jī)左移；KA2、KA4接通，整機(jī)右移；KA1、KA4接通，整機(jī)前移；KA2、KA3接通，整機(jī)后移；KA5接通，M3電機(jī)正轉(zhuǎn)挖穴；KA6接通，M1電機(jī)反轉(zhuǎn)，退出挖穴；KA7接通，M4電機(jī)正轉(zhuǎn)，種植樹苗；KA8接通，M4電機(jī)反轉(zhuǎn)，返回裝樹苗；KA9接通，M5電機(jī)正轉(zhuǎn)，澆水下降；KA10接通，M5電機(jī)反轉(zhuǎn)，澆水上升；KA11接通，M6電機(jī)正轉(zhuǎn)，澆水。

1.2.3 控制流程

驅(qū)動(dòng)種植系統(tǒng)的機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的邏輯運(yùn)算關(guān)系，使用PLC控制方式能很好地做到整機(jī)系統(tǒng)控制，還能完成工作過程的數(shù)據(jù)反饋和監(jiān)控。為了保障機(jī)械部分各單元的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了硬件和軟件的保護(hù)。在硬件方面，如果在運(yùn)行中出現(xiàn)緊急故障時(shí)，拍下急停按鈕，整機(jī)停止工作。在軟件方面，也進(jìn)行了雙重設(shè)計(jì)。一是在程序上有檢索保護(hù)，即當(dāng)任何檢測信號(hào)發(fā)生異常或警報(bào)則自動(dòng)執(zhí)行停機(jī)，待異常警報(bào)解除才可恢復(fù)工作；二是在控制屏幕上設(shè)有數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如遇異常情況，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)界面會(huì)及時(shí)記錄對(duì)應(yīng)警報(bào)數(shù)據(jù)并反饋給顯示屏幕。全自動(dòng)沙柳種植機(jī)程序控制流程圖，見圖1。

圖1 全自動(dòng)沙柳種植機(jī)程序控制流程圖Fig.1 The program control flow chart of full automatic Salix planter

1.2.4 操作界面與顯示

控制界面配合CPU選用的是西門子Smart 700IE V3 7英寸（1英寸≈2.54 cm）工業(yè)觸摸屏，系統(tǒng)顯示屏幕一共設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面、自動(dòng)界面、手動(dòng)界面、監(jiān)視界面、說明界面等五個(gè)版面，進(jìn)入各個(gè)板塊的界面完成相應(yīng)動(dòng)作操作、信息顯示和信息反饋等內(nèi)容。

2 原理樣機(jī)制作

本研究首先在數(shù)字軟件Pro/E（Pro/ENGINEER Wildfire5.0）繪制三維模型設(shè)計(jì)，然后核心部件在Ansys（2021）完成有限元分析仿真，利用仿真數(shù)據(jù)的分析不斷優(yōu)化模型參數(shù)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性、安全性，確保所有數(shù)據(jù)安全無誤。把各單元零件統(tǒng)一在Pro/E軟件繪圖模塊按圖紙比例要求轉(zhuǎn)換成三視圖后，再用AutoCAD打開完成修改圖層、基本尺寸標(biāo)注、公差標(biāo)注、形位公差標(biāo)注、技術(shù)要求等內(nèi)容。使用這種方法不僅可以保障基本圖形的準(zhǔn)確性，還能提高繪圖效率，節(jié)省繪制基本圖形的時(shí)間。

完成需要加工制作的零件圖之后，還要繪制各單元結(jié)構(gòu)簡圖，并標(biāo)上對(duì)應(yīng)的零件編號(hào)，為統(tǒng)計(jì)材料清單做準(zhǔn)備。

因?yàn)槭菢訖C(jī)模型，支架、底座等考慮制作材料使用A6061，材料屬于中等強(qiáng)度，具有良好的塑性和優(yōu)良的耐蝕性，加工方法主要采用機(jī)械加工。常規(guī)零件可在普車、普銑、數(shù)控車、數(shù)控銑加工完成；一些特殊零件用機(jī)械加工無法完成或者用機(jī)械加工工藝復(fù)雜，如種植箱料筒等零件采用3D打印方法制作能滿足使用要求。

3 結(jié)語

沙柳種植是防風(fēng)固沙、綠化沙漠的一種重要手段，也是現(xiàn)今最為普遍的種植方法。本文介紹以機(jī)械控制系統(tǒng)的新型全自動(dòng)沙柳種植裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化種植作業(yè)，降低了人工成本，提高了種植效率，同時(shí)保證了種植質(zhì)量，減少了原材料的損耗。