基于PLC的橡膠樹皮非線性力學(xué)性能探測裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘""要：為了獲取橡膠樹皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性參數(shù)，解決機(jī)械化采膠裝備研發(fā)中采膠深度精準(zhǔn)探測和耗皮厚度精準(zhǔn)控制技術(shù)無可靠依據(jù)提供參考的問題，設(shè)計(jì)一種基于可編程序邏輯控制器（programmable"logic"controller，"PLC）的橡膠樹皮非線性力學(xué)性能測量的試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)橡膠樹皮力學(xué)特性的自動化連續(xù)探測和數(shù)據(jù)采集，以及樹皮厚度的高精低損測量。并應(yīng)用于熱研7-33-97和PR107兩個品系的15齡、20齡、25齡橡膠樹上進(jìn)行樹皮力學(xué)性能試驗(yàn)研究，建立刺入過程中刺入力隨刺入深度變化的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：該裝置工作性能穩(wěn)定，不同品系、不同樹齡的樹皮刺入力隨刺入深度的變化曲線形態(tài)相近，均呈高-低-高的趨勢變化，并與樹皮結(jié)構(gòu)分層特性高度相關(guān)；相同樹齡下，熱研7-33-97和PR107兩個品系的刺入力情況差異不明顯，同品系的大樹齡比小樹齡刺入力更大，在1.0"mm針刺下，刺入力最大峰值可達(dá)48.5"N。該試驗(yàn)裝置滿足橡膠樹皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性參數(shù)的探測需求，并為機(jī)械化采膠裝備的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橡膠樹皮；刺入力；力學(xué)性能；采膠深度中圖分類號：S776""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design"and"Test"of"Nonlinear"Mechanical"Properties"Detection"Device"of"Rubber"Bark"Based"on"PLC

CHEN"Warong1，2，"CAO"Jianhua1，2，"FAN"Bo1，2，"ZHANG"Yishan1，2*，"XIAO"Suwei1，2*，"DENG"Xiangfeng1，2

1."Rubber"Research"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"2."Mechanical"Sub-center"of"National"Important"Tropical"Crops"Engineering"Technology"Research"Center，"Haikou，"Hainan"571101，"China

Abstract："In"ordernbsp;to"obtain"the"structural"mechanical"property"parameters"of"rubber"bark"and"solve"the"problem"that"there"is"no"reliable"reference"for"accurate"detection"of"rubber"depth"and"accurate"control"of"skin"loss"thickness"in"the"research"and"development"of"mechanized"rubber"picking"equipment，"a"test"device"for"nonlinear"mechanical"property"measurement"of"rubber"bark"based"on"PLC"was"designed"to"realize"automatic"continuous"detection"and"data"collection"of"rubber"bark"mechanical"properties"with"high"precision"and"low"loss"measurement"of"bark"thickness."The"mechanical"properties"of"bark"of"15-，"20-"and"25-year-old"rubber"trees"of"Reyan"7-33-97"and"PR107"were"studied，"and"the"mathematical"model"of"piercing"force"with"piercing"depth"was"established."The"experimental"results"showed"that"the"performance"of"the"device"was"stable，"and"the"piercing"force"curves"of"different"strains"and"different"ages"were"similar，"showing"a"high-low-high"trend，"and"were"highly"correlated"with"the"layered"characteristics"of"the"bark"structure."Under"the"same"age，"the"piercing"force"of"two"strains"of"Reyan"7-33-97"and"PR107"was"not"significantly"different，"and"the"piercing"force"of"older"trees"of"the"same"strain"was"greater"than"that"of"younger"trees."The"maximum"piercing"force"reached"48.5"N."The"test"device"meets"the"requirement"of"detecting"structural"mechanical"parameters"of"rubber"bark"and"provides"theoretical"basis"for"the"research"and"development"of"mechanized"rubber"harvesting"equipment.

Keywords："rubber"tree"bark;"penetration"force;"mechanical"property;"tapping"depth

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2024.08.020

天然橡膠是重要的國防戰(zhàn)略物資和工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、國計(jì)民生等領(lǐng)域。我國現(xiàn)有橡膠樹種植面積約114.53萬hm2，分布在廣東、海南和云南，是熱區(qū)膠農(nóng)的主要經(jīng)濟(jì)來源[1]。采膠作業(yè)目前主要依賴人力，采膠成本占生產(chǎn)成本的70%以上。由于人工采膠技術(shù)要求高、勞動強(qiáng)度大、效率低等特點(diǎn)，加上國際橡膠價(jià)格多年來持續(xù)低迷，技術(shù)膠工大量流失、膠工老齡化嚴(yán)重，導(dǎo)致膠園大面積棄管棄割（據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國棄管面積達(dá)14.6萬hm2，棄割面積達(dá)6.5萬hm2）。我國年消費(fèi)量約643萬t，而年產(chǎn)量約83萬t，自給率已不足13%，國防戰(zhàn)略物資的安全供給已受到嚴(yán)重威脅[2-3]。

生產(chǎn)的機(jī)械化、智能化、信息化是產(chǎn)業(yè)破解用工荒，有效降低人力成本，提高生產(chǎn)效益的有效手段。采膠是一項(xiàng)特殊的農(nóng)作物收獲方式，割皮時行刀深度和耗皮厚度需要根據(jù)樹皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行毫米級控制，以保證橡膠樹產(chǎn)膠量及采膠年限，否則，割皮過深傷及樹皮中的水囊皮層，將導(dǎo)致橡膠樹死皮而無法持續(xù)產(chǎn)膠，割皮過淺不及黃皮層指定位置則減少膠水產(chǎn)量。橡膠樹具有樹干輪廓生長不規(guī)則、樹皮厚度不均一的生物學(xué)特性，機(jī)械化采膠技術(shù)及裝備經(jīng)過近半個世紀(jì)的探索，已取得一定進(jìn)展，但未能在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用[4-5]。因此，測定橡膠樹皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、采膠深度精準(zhǔn)探測和耗皮厚度精確控制是保證采膠作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，橡膠樹皮切割力學(xué)特性、樹皮組織結(jié)構(gòu)與切割力相關(guān)性等研究尚缺，但在甘蔗、構(gòu)樹、棗樹等作物的收獲裝備研發(fā)中，已有眾多成功案例。劉慶庭等[6]利用高速攝影對光刀片切削甘蔗莖稈的破壞進(jìn)行了切削力試驗(yàn)研究，得到了影響切削力的主要因素。李寧等[7]通過分析剪切角度、刀型與剪切速度對棗樹枝條剪切性能的影響規(guī)律，獲得枝條剪切力學(xué)特性參數(shù)，為設(shè)計(jì)棗樹枝條修剪、粉碎機(jī)械提供參考。李直等[8]研究了甘蔗纖維組分與力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植物纖維素與半纖維素含量對甘蔗力學(xué)性能具有積極作用，對不同部位處彈性模量影響明顯。劉天宏等[9]通過對雜交構(gòu)樹不同部位的韌皮部和木質(zhì)部進(jìn)行剪切、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和撕裂力學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)其參數(shù)有顯著差異，為雜交構(gòu)樹收割過程中的損傷問題及雜交構(gòu)樹收獲機(jī)的研制提供參數(shù)依據(jù)。此外，方玨等[10]與米強(qiáng)等[11]通過對棗枝剪切特性研究，發(fā)現(xiàn)紅棗枝條剪切強(qiáng)度、組織破壞應(yīng)力與直徑密切相關(guān)，對紅棗枝條，棗枝密度、抗剪強(qiáng)度之間均呈多項(xiàng)式函數(shù)正相關(guān)，含水率與抗剪強(qiáng)度之間呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)。由此可見，結(jié)合植物生長特性，通過應(yīng)用適宜的試驗(yàn)裝備對木本植物進(jìn)行切割力學(xué)性能試驗(yàn)研究可以很好地解析木本植物生物力學(xué)特性及其影響因素，為收獲裝備的研發(fā)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

天然橡膠由切割橡膠樹皮而獲得，本研究針對橡膠樹皮結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用力學(xué)傳感器，設(shè)計(jì)一款橡膠樹皮非線性力學(xué)性能探測裝置，可應(yīng)用于不同工況下橡膠樹皮力學(xué)特性采集與分析。采用該裝置進(jìn)行天然橡膠樹皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究試驗(yàn)，獲取熱研7-33-97及PR107兩個品系、多個樹齡的樹皮切割力值及其變化規(guī)律，為采膠裝備的設(shè)計(jì)提供農(nóng)藝數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，助力機(jī)械采膠方法與采膠技術(shù)創(chuàng)新。

1""天然橡膠樹皮結(jié)構(gòu)特征分析

天然橡膠采膠部位是樹干樹皮，主要包括粗皮、沙皮外層、沙皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮5個層次，其中水囊皮層包括有功能次生韌皮部及形成層[12-18]。在割膠作業(yè)中，應(yīng)控制合理深度，避免損傷到水囊皮，水囊皮的損傷將影響橡膠樹的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。橡膠樹樹皮的厚度約7.0～14.0"mm[19]，其中，有疏導(dǎo)功能韌皮部（即水囊皮）的厚度為0.2～1.0"mm，在我國常規(guī)割膠規(guī)定中，割膠深度是保留形成層外1.0～1.5"mm的樹皮不割，因此，機(jī)械割膠需要達(dá)到毫米級控制，才能確保割膠深度和防止傷樹。天然橡膠采膠深度與樹皮結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

安全的采膠深度由樹皮結(jié)構(gòu)分層特性明確具體位置，樹皮結(jié)構(gòu)分層特性基于其內(nèi)含有乳管、石細(xì)胞、篩管等組織的數(shù)量[20]，有清晰的軟硬度之分，所以樹皮結(jié)構(gòu)的不同層次有不同的切割特性。通過探測切割力變化大小，分辨樹皮分層情況，從而判斷采膠深度。此外，樹皮切割力特性直接影響采膠裝備的切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力設(shè)計(jì)，是裝備研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。

2""裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

2.1""結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)械設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行裝備的數(shù)字建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[21]，效果圖如圖2所示。該探測裝置主要由裝有力學(xué)傳感器的探測器、控制器、固定架三部分組成。探測器主要由探針、快速夾頭、聯(lián)軸器、力學(xué)傳感器、驅(qū)動電機(jī)、直線模組、連桿、夾緊座、固定板、加強(qiáng)板等零部件組成，探針通過快速夾頭連接于力學(xué)傳感器的輸出端，力學(xué)傳感器固定端通過聯(lián)軸器連接于直線模組的輸出軸。聯(lián)軸器設(shè)為剛性，以保證刺針與直線模組運(yùn)動方向在同一直線上，提高測試精度；快速夾頭可以適應(yīng)不同直徑刺針的快速裝夾應(yīng)用；直線模組固定于固定板上，固定板通過連桿與夾緊座相連，并夾緊式地固定在固定裝置上，連桿穿過固定裝置的滑槽，可在滑槽里順暢滑動，方便裝置對不同樹皮位置的刺入力探測試驗(yàn)操作。力學(xué)傳感器可為應(yīng)變式力學(xué)傳感器，在外力作用下，傳感器內(nèi)置的彈性體會發(fā)生彈性變形，使其表面粘貼的電阻應(yīng)變計(jì)（轉(zhuǎn)換元件）也會隨著變形，應(yīng)變計(jì)電阻的響應(yīng)變化，再通過響應(yīng)的測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號（電流或者電壓），從而實(shí)現(xiàn)將外力轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行采集的過程[22]，傳感器側(cè)面置有輸出數(shù)據(jù)

線，另一端接入控制器?？刂破鲀?nèi)設(shè)有PLC控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡、人機(jī)界面（human"machine"interaction，"HMI）、高速采樣智能儀表、電源等；通過系統(tǒng)編程與連線，實(shí)現(xiàn)PLC對探測器直線模組的運(yùn)動控制及采集卡對力學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸。固定架由上下對稱的環(huán)形軌道、多組萬向螺絲夾頭、支撐桿組成。測量時，將環(huán)形軌道環(huán)抱于樹干上，通過萬向螺絲夾頭組頂緊樹面進(jìn)行裝備的固定，調(diào)整夾頭的伸出長度使環(huán)形軌道中心與樹干中心重合，萬向螺絲夾頭可適應(yīng)樹干表面凹凸不平的特點(diǎn)，加強(qiáng)安裝穩(wěn)固性。環(huán)形軌道上設(shè)有U形孔，使探測器可在軌道上繞樹周定向精確移動，完成樹干周向多點(diǎn)力學(xué)試驗(yàn)。支撐螺桿將兩組環(huán)形軌道連接，使裝備結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，避免設(shè)備自身振動、滑移等因素影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2""工作原理

PLC具有功能豐富、可靠性高，能數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、自動化控制等功能[23]?；谙鹉z樹皮從外向里的分層生物生長特征，本研究設(shè)計(jì)基于PLC的橡膠樹皮非線性力學(xué)性能探測裝置，采用針刺方式使刺針以一定速度（v）依次穿透各樹皮層，結(jié)合精密力學(xué)傳感器及其數(shù)據(jù)采集技術(shù)、PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)刺針穿透各樹皮層過程其阻力值（F）隨時間（t）、位移（x）變化特性的提取和分析，從而達(dá)到樹皮各分層結(jié)構(gòu)力學(xué)特性探測的目的，為自動化采膠裝備獲取水囊皮層位置、樹皮厚度及采膠深度精準(zhǔn)控制提供基礎(chǔ)支撐。針刺樹皮模型如圖3所示，其中，，式中，H為樹皮厚度（mm）；v為刺針?biāo)俣龋╩m/s）；t為工作時間（s）。

工作原理：當(dāng)設(shè)備啟動后，PLC控制直線驅(qū)動器啟動，將探測針以設(shè)定速度勻速推出并刺入到樹皮中，力學(xué)傳感器受樹皮阻力產(chǎn)生形變，電壓發(fā)生變化，力學(xué)高速采樣儀表采集到電壓變化數(shù)據(jù)并傳輸給PLC以及USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備，PLC根據(jù)壓力變化值確定繼續(xù)刺入或者退針，數(shù)據(jù)采集卡則將采集到的壓力變化值傳輸給PC機(jī)，PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件記錄數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^移動探測器完成周向不同位置的樹皮探測試驗(yàn)。

3""探測裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1""控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該測試裝置的控制系統(tǒng)主要由控制箱、電源開關(guān)、啟動按鈕、數(shù)據(jù)輸出端口、PLC控制器、HMI觸摸屏、高速采樣儀表、USB數(shù)據(jù)采集卡、

電源等組成。其中，高速采樣儀表型號為Y-300C，是針對測力應(yīng)用開發(fā)的一款高速采樣智能儀表，采用TFT真彩液晶屏顯示，具有數(shù)字濾波、自動零位跟蹤功能，將刺入力值可視化，實(shí)驗(yàn)員可以實(shí)時觀測到力值的變化情況；配置S型拉壓力傳感器，傳感器量程為50"N，輸出靈敏度為2.0±10%"mV/V，重復(fù)性0.1%"F.S，安全過載120%"F.S；采用NI-6002數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取與分析，其支持4通道差分輸入或8通道單段輸入，逐次逼近型ADC模擬采集分辨率為16位，最大采樣率為50"kS/s，數(shù)據(jù)采集卡與高速采樣儀表數(shù)據(jù)輸出端口連接，可將傳感器受到的刺入力進(jìn)行連續(xù)采集并通過數(shù)據(jù)端口輸出，將電腦連接數(shù)據(jù)輸出端口即可觀測及記錄刺入力的變化波形圖；通過HMI觸摸屏可設(shè)置電機(jī)的速度、行進(jìn)位移等參數(shù)，通過PLC控制直線模組的運(yùn)動（圖4）。

3.2""控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求可根據(jù)實(shí)時刺入力大小或刺入深度變化情況自主完成刺針的推入或退回操作，并記錄預(yù)設(shè)壓力到達(dá)時的探測最大深度及電機(jī)實(shí)時運(yùn)行位。主程序控制流程如圖5所示，系統(tǒng)啟動后，先進(jìn)行各功能模塊的初始化，檢查直線電機(jī)軸驅(qū)動是否正常，以保障探測精度。原點(diǎn)復(fù)位后開啟探測，依據(jù)采集到的壓力值是否到達(dá)以及設(shè)定的最大位移值實(shí)施刺入軸的伸出和收回：到達(dá)預(yù)設(shè)壓力值時退回刺針，否則繼續(xù)執(zhí)行刺入操作。

3.3""軟件操作系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

刺入力探測裝置設(shè)計(jì)的PLC控制回路實(shí)現(xiàn)與HMI通訊、測力儀表控制、行動元驅(qū)動控制等功能，其操作系統(tǒng)界面主要包括運(yùn)行監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)定與控制界面、操作說明界面，設(shè)備通電即進(jìn)入運(yùn)行監(jiān)控界面（圖6）。

在控制器的觸摸屏上，可以調(diào)節(jié)設(shè)定直線驅(qū)動器的運(yùn)動速度、最大位移、到位延時時間等參數(shù)，可以適應(yīng)不同樹齡、樹皮厚度的試驗(yàn)條件需求，也可以實(shí)時看到探測的樹皮深度值，以及達(dá)到設(shè)定的阻力值時探針最終達(dá)到的最大深度值，進(jìn)而使操作者輕松獲取樹皮厚度及切割力數(shù)據(jù)。

4""試制與試驗(yàn)

4.1""試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研制基于PLC的橡膠樹皮非線性力學(xué)性能探測裝置，在熱研7-33-97及PR107兩個品系15齡、20齡、25齡3組不同樹齡橡膠樹上進(jìn)行樹皮刺入力測試試驗(yàn)。供試橡膠樹取自海南省?？谑?，選取無病害和損傷的原生皮樹干作為試驗(yàn)對象，測試部位高度為離地1.2"m。以刺入力作為性能指標(biāo)，品系和樹齡作為影響因子，設(shè)置兩因素和三水平，進(jìn)行2×3試驗(yàn)（表1），共6個組合，每組5個重復(fù)，測試及采集每組樹干樹皮刺入力情況。

4.2""試驗(yàn)方法

如圖7所示，將裝置環(huán)形軌道環(huán)抱于指定位置的樹干上，并逐步擰緊各萬向螺絲夾頭頂住樹干表面，使裝備水平X向與樹干縱向Z垂直，且其環(huán)軌中心盡量與樹干中心對齊，保證探針垂直刺入樹干樹皮中。試驗(yàn)中，選取探測針直徑1.0"mm，刺入速度設(shè)置恒定為3"mm/s，系統(tǒng)設(shè)定輸入電壓范圍為±10"V，刺入力與電壓變化成線性關(guān)系，計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)為刺入力（N）；F量程為傳感器量程50"N；U1為最大輸入電壓10"V；U2為當(dāng)前輸出電壓（V）。

試驗(yàn)后力學(xué)性能探測裝置將以一定頻率自動采集刺入力的數(shù)值，并以波形圖及Excel表格形式輸出。

4.3""數(shù)據(jù)處理

樹皮的力學(xué)特性試驗(yàn)每組設(shè)置5個重復(fù)，利用National"Instruments"USB-6002型數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)NIDAQExpress軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析[24]，利用Excel軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和預(yù)處理，利用Origin軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合[25]。

4.4""試驗(yàn)結(jié)果

采用測量裝置對熱研7-33-97和PR107的橡膠樹原生皮進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，結(jié)果顯示，該裝置的工作性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集順暢，每組波形的形態(tài)相似，探測器刺入樹皮過程的力學(xué)傳感器模擬量輸入電壓值隨時間的變化曲線均呈升-降-升的態(tài)勢，體現(xiàn)出刺入力的變化與樹皮結(jié)構(gòu)特性高度相關(guān)（圖8）。

在采膠裝備的動力設(shè)計(jì)過程中，切割樹皮所需的切割力大小是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，為探明刺針刺入樹皮所需的外力，提取所有測試組在開始刺入外層粗皮時產(chǎn)生的最大峰值及刺入黃皮后產(chǎn)生的最小值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過刺入力與電壓的線性關(guān)系公式可算出刺入力值，刺入力值采集結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，在熱研7-33-97原生皮試驗(yàn)中，15齡、20齡、25齡的最大刺入力均值分別為35.2、38.9、42.5"N；在PR107原生皮試驗(yàn)中，15齡、20齡、25齡的最大刺入力均值分別為35.9、38.8、46.5"N。表明大樹齡的刺入力比小樹齡大，刺入力峰值可達(dá)48.5"N，波谷值為14.0"N；相同樹齡下，2個品系的樹皮刺入力無明顯差別。

5""數(shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步分析橡膠樹皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，選取其中一組數(shù)據(jù)采集結(jié)果的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如

圖9所示，在探針刺入樹皮過程中，刺針從接觸到樹皮外表層起，刺入力開始增大（a點(diǎn)），電壓增大，穿透樹皮外層時刺入阻力達(dá)到最大值（b

點(diǎn)），刺穿后進(jìn)入砂皮內(nèi)層及黃皮層，由于其石細(xì)胞較少，乳管逐漸增多，硬度逐漸降低，刺入阻力逐漸變小，電壓減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)水囊皮層后，無石細(xì)胞，阻力達(dá)到最低點(diǎn)（c點(diǎn)），而后接觸木質(zhì)部時迅速增大（d點(diǎn)）。結(jié)果驗(yàn)證了樹皮各層結(jié)構(gòu)中，從外向里石細(xì)胞逐漸減少使其硬度逐漸降低，切割阻力逐漸減少的特征，進(jìn)而推斷出波形圖中各點(diǎn)對應(yīng)的樹皮層位置以及樹皮厚度。如圖9中，刺針接觸外皮層時的a點(diǎn)坐標(biāo)為（1.232，"0.014）；穿透樹皮外層時的b點(diǎn)坐標(biāo)為（2.296，"8.672）；刺到水囊皮層時c點(diǎn)坐標(biāo)為（4.048，"2.905）；最大刺入力為43.36"N，由于刺針為勻速運(yùn)動，則樹皮厚度為8.448"mm。

測試裝置刺針的刺入速度設(shè)定為勻速，因此，由實(shí)測所得的刺入力隨時間變化曲線即可得出刺入力隨刺入深度的變化曲線，進(jìn)一步推導(dǎo)出刺入力隨刺入深度變化的函數(shù)關(guān)系式。在DAQExpress系統(tǒng)中，將刺針穿透樹皮過程所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉（即圖9所示的a～d點(diǎn)數(shù)據(jù)），并進(jìn)行交互性分析，實(shí)現(xiàn)曲線多項(xiàng)式擬合。選取最小二乘法及SVD求解算法進(jìn)行最佳多項(xiàng)式擬合，建立樹皮刺入過程模擬量數(shù)值（Y）隨時間（X）變化的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即：Y刺入=?0.349+28.5X?34.5X2+"19.7X3?"5.96X4+0.743X5，殘差為0.069。

為進(jìn)一步分析樹皮刺入過程的力學(xué)變化規(guī)律，將DAQExpress捕捉的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行換算后作為原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Origin系統(tǒng)中，進(jìn)行刺入力與刺入深度關(guān)系多項(xiàng)式擬合，獲得函數(shù)關(guān)系式，并通過擬合系數(shù)的大小來判斷曲線吻合度。擬合結(jié)果表明，階數(shù)為5時，R2為0.98，接近1，預(yù)測值對試驗(yàn)值的擬合程度最佳，為最佳擬合模型，即獲得的刺入力與刺入深度關(guān)系式為：y=intercept+"B1x+B2x2+B3x3+B4x4+B5x5，式中，因變量y為刺入力（N）；自變量x為刺入深度（mm）；intercept為截距，其值為?1.72293±0.03803；B1～B5為回歸系數(shù)，依次為47.63916±0.07773、?19.19303±"0.04872、3.65281±0.01250、?0.36809±0.00139、0.0153±5.60942E-5；殘差平方和（SSE）為68186.52575，R2為0.98497。擬合結(jié)果如圖10所示。

6""討論

本研究根據(jù)橡膠樹皮結(jié)構(gòu)生長特性，提出基于PLC控制技術(shù)，結(jié)合力學(xué)傳感器監(jiān)測、模擬量數(shù)據(jù)采集方法，研制橡膠樹皮非線性力學(xué)性能探測裝置，可實(shí)現(xiàn)不同工況下橡膠樹皮刺入過程力學(xué)特性的自動化連續(xù)探測和數(shù)據(jù)采集、記錄和分析，以及樹皮厚度的在線高精低損測量。與常規(guī)樹皮制樣力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)相比，該裝置采用樹皮樹干上在線自動化檢測的方式減少了樣品采樣、制樣、運(yùn)輸、預(yù)處理等繁瑣過程，降低外界干擾，檢測結(jié)果更精密，對樹的傷害更??；橡膠樹膠乳產(chǎn)自樹皮，不同皮層的乳管數(shù)量不同，出膠量不同，采膠技術(shù)則以樹皮層中的水囊皮層為邊界確認(rèn)其采膠深度，因此，在橡膠樹皮厚度方向上以刺入方式采集橡膠樹皮各皮層的力學(xué)性質(zhì)，探索橡膠樹皮非線性結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，更貼近采膠機(jī)藝融合的研究要求，采用該方法的橡膠樹皮力學(xué)性質(zhì)解釋對自動化采膠裝備與技術(shù)的研究更具有參考性。

通過應(yīng)用研制的橡膠樹皮非線性力學(xué)性能探測裝置對熱研7-33-97及PR107兩個品系橡膠樹進(jìn)行探測試驗(yàn)，結(jié)果表明，橡膠樹皮的刺入力大小與樹皮組織結(jié)構(gòu)分層特性息息相關(guān)，刺入力從開始刺入外皮到木質(zhì)部過程的力學(xué)變化均呈升-降-升的規(guī)律變化，升降的斜率及幅度也接近。由于橡膠樹樹皮是由粗皮層、砂皮層、黃皮層、水囊皮層、形成層組成，筆者初步判斷，各皮層的刺入力大小及變化過程存在一定規(guī)律。若結(jié)合試驗(yàn)研究及大數(shù)據(jù)分析，探究其規(guī)律模型，用于研發(fā)更為智能的手持式或全自動采膠機(jī)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的深度融合，有望突破機(jī)械采膠零損傷，達(dá)到既避免傷樹，又獲得理想產(chǎn)量的目的。尤其是針刺式等微創(chuàng)短線割膠的裝備研究，對割線式采膠機(jī)的研發(fā)亦可提供參考。

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