林果業(yè)高枝修剪機械手的設(shè)計與試驗

武 欣,申耀武,楊和平,郭君潔,滕 菲

(1. 廣州南洋理工職業(yè)學院,廣州 510900;2.深圳市北林苑景觀及建筑規(guī)劃設(shè)計院,廣東 深圳 518000;3.黃淮學院,河南 駐馬店 463000;4.大連理工大學,遼寧 大連 116024)

0 引言

相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示,2017年我國林業(yè)總產(chǎn)值高達8.57萬億元,相較2016年增長了17.56%。林業(yè)建設(shè)的發(fā)展,能夠進一步增加我國的森林覆蓋面積,有利于改善當前國內(nèi)的自然生態(tài)環(huán)境,促使林業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

在森林的成長過程中,林木的修枝是重要的一環(huán),通過科學的修枝技術(shù),可以提升樹木的光合作用,修正歪斜的樹干外形,保證林木的健康成長;并且,適當?shù)男拗?也可以優(yōu)化林木生長的環(huán)境,進而提高防火與抵抗相關(guān)災害的能力。由于當前國內(nèi)的森林面積較大,剪枝工作的任務(wù)繁重,傳統(tǒng)修枝方法費時、費力,尤其是高空剪枝作業(yè)危險系數(shù)較高,且相關(guān)設(shè)備缺失,修剪效果始終無法達到理想的水平。

本文設(shè)計的高枝修剪機械手,不僅具有操控便利性與智能性,還能保障作業(yè)安全,利用該設(shè)備,可以減少高空剪枝作業(yè)任務(wù)量,提升作業(yè)效率,有利于推動國內(nèi)林果業(yè)修枝機械設(shè)備的技術(shù)研發(fā),使森林資源獲得有效的保護。

1 高枝修剪機械手的總體設(shè)計

1.1 技術(shù)參數(shù)

筆者經(jīng)過查看有關(guān)高空作業(yè)機械設(shè)計方面的研究論著與文獻以后,對林木之間距離、林木的高度及相應工作環(huán)境條件等因素加以分析,并結(jié)合高枝修剪機械手的具體需要狀況,明確所設(shè)計裝置的相關(guān)技術(shù)參數(shù):①施工作業(yè)的高度區(qū)間5～20m;②最大的施工處理半徑5m;③最大的修枝直徑12cm;④處于運輸情形下整機的尺寸規(guī)格位4.5m×1.5m×3.5m;⑤最大的功率8kW;⑥相應工作制,超過連續(xù)5h;⑦自重<2 600kg;⑧運輸?shù)姆椒闋恳?⑨動力的原動力為交流發(fā)電機設(shè)備。

1.2 總體的設(shè)計方法

依據(jù)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的規(guī)定,明確此次設(shè)計的高枝修剪機械手裝置涵蓋了機械結(jié)構(gòu)與電控系統(tǒng)兩個主要部分。其中,機械結(jié)構(gòu)由末端執(zhí)行器裝置、臂架與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升降和動態(tài)配重系統(tǒng),以及動力系統(tǒng)等組成。鑒于此研究內(nèi)容與電控系統(tǒng)無關(guān),所以沒有進行討論[1]。

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

2.1 臂架系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 機械臂構(gòu)造設(shè)計

目前,串聯(lián)機器人被很多工業(yè)現(xiàn)場運用,憑借較為簡單的構(gòu)造、很低的經(jīng)濟成本及管控便利與運作空間很大等諸多優(yōu)勢,得到關(guān)注。此次臂架系統(tǒng)的設(shè)計參考了串聯(lián)機器人的設(shè)計方法[2],具體運作原理如圖1所示。

1.臂架系統(tǒng)底座 2.第1節(jié)機械臂 3.第2節(jié)機械臂 4.第3節(jié)機械臂 5.第5節(jié)機械臂

臂架系統(tǒng)包括底座和相應4節(jié)機械臂,底座和4節(jié)機械臂的首末連接:第1節(jié)機械臂圍繞底座俯仰,第2節(jié)機械臂可繞第1節(jié)的機械臂俯仰,第3節(jié)機械臂圍繞第2節(jié)的機械臂俯仰,第4節(jié)機械臂圍繞第3節(jié)的機械臂轉(zhuǎn)動[3]。

2.1.2 機械臂的規(guī)格尺寸設(shè)計

參考相關(guān)研究文獻后,明確選擇9m升降高度的平臺,處于運輸情況之下的高度1.5m。鑒于該裝置的工作高度是14m,相應的工作半徑為5m,經(jīng)過對有關(guān)升降高度、臂架系統(tǒng)運作時的靈活度、可折疊度及相應的工作半徑等因素的考慮,明確臂架系統(tǒng)的機械臂規(guī)格尺寸為:底座是1 520mm,第1節(jié)機械臂的安裝尺寸是2 500mm,第2節(jié)是2 425.32mm,第3節(jié)是865mm,第4節(jié)是1 196.30mm?；谑箼C械強度增強的目的,選用具有高強度的結(jié)構(gòu)鋼HG70為主要材料,相應的截面尺寸是30mm×50mm×4mm。其中,第1節(jié)機械臂主體為2 080mm,第2節(jié)為2 030mm,第3節(jié)為336mm。HG70相應的力學性能情況如表1所示。

表1 HG70的力學性能表

2.1.3 變幅機構(gòu)設(shè)計概述

作為高空作業(yè)機械中常見的機構(gòu)之一,變幅機構(gòu)能使機械運作的范圍得以拓展,并對驅(qū)動部件的受力情況予以改進,使工作效率得以提升。以往的三點變幅機構(gòu)如圖2所示。此類變幅機構(gòu)不僅構(gòu)造較簡單,且可靠度較高,常用在大型的起重機與挖掘機主臂等裝置中,但缺乏靈活性,無法達到運動構(gòu)件圍繞靜止構(gòu)件產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)動。同時,由于驅(qū)動缸的相應行程太長,需保證雙油缸的穩(wěn)定。

(a) (b)

對于高空作業(yè)的機械而言,遇到載荷很小的狀況時,一般運用經(jīng)過優(yōu)化之后的三鉸點變幅機構(gòu),如圖2(b)所示。此類變幅機構(gòu)依靠驅(qū)動缸進行動力的供應,通過對兩連桿的作用,使運動構(gòu)件能夠圍繞靜止構(gòu)件進行轉(zhuǎn)動。此構(gòu)造的鉸點布設(shè)較緊密,相應的驅(qū)動缸行程得以減少,可讓兩個構(gòu)件間產(chǎn)生大角度的旋轉(zhuǎn)作用,能夠?qū)崿F(xiàn)超過180°的效果[4]。

2.1.4 變幅機構(gòu)設(shè)計

為了發(fā)揮出所設(shè)計的高枝修剪機械手設(shè)備的相關(guān)性能,電動缸變幅機構(gòu)的重要性不容忽視,具體的規(guī)格尺寸與相應電動缸具體的載荷情況密切關(guān)聯(lián)。將機械臂變幅機構(gòu)作為例子,進行改進和優(yōu)化。機械臂的變幅機構(gòu)如圖3所示。機械臂經(jīng)過O點和臂架系統(tǒng)的底座相連,連桿AC和底座在C點鉸接,而連桿AD和第1節(jié)的機械臂在D點鉸接,連桿AC、AD與電動缸的活塞桿在A點相連,相應缸筒與底座在B點鉸接。

1.臂架系統(tǒng)底座 2.電動缸 3.連桿 4.第1節(jié)機械臂

由圖3可知:變幅機構(gòu)內(nèi)的鉸點A、B、C、D部位對變幅機構(gòu)相應的驅(qū)動載荷和驅(qū)動范圍產(chǎn)生很大的影響,將電動缸的變幅機構(gòu)鉸點部位坐標當成設(shè)計變量,對電動缸載荷進行目標函數(shù)最小化處理,可完成變幅機構(gòu)的優(yōu)化任務(wù)。

1)有關(guān)設(shè)計變量。從圖3可見:僅O點坐標固定,其余鉸點的坐標均處于變化當中,帶給電動缸的載荷一定影響,所以實施A、B、C、D坐標參數(shù)化處理,選用合理坐標作為設(shè)計變量。由于被改進目標受到不同變量作用影響的相應敏感度存在差異,選用表2中的坐標當成設(shè)計變量進行計算。

表2 有關(guān)鉸點的坐標參數(shù)化情況

2)數(shù)據(jù)的優(yōu)化結(jié)果。依據(jù)以上相關(guān)的設(shè)計變量,基于ADAMS下對設(shè)計變量予以設(shè)定,同時實施參數(shù)化處理。經(jīng)過優(yōu)化處理獲取3124組解,最佳一組的變量取值情況如表3所示。

表3 優(yōu)化結(jié)果情況表

基于更加清晰體現(xiàn)出有關(guān)鉸點在優(yōu)化之前后電動缸處于運動過程當中的載荷變動狀況,利用散點圖予以呈現(xiàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 經(jīng)優(yōu)化前后鉸點的電動缸驅(qū)動力比較情況

圖4內(nèi)的橫坐標是第1節(jié)的機械臂和X軸正方向之間的夾角,相應縱坐標是電動載荷的變化狀況。經(jīng)分析獲悉,當?shù)?節(jié)的機械臂圍繞O點轉(zhuǎn)過了90°后,電動缸載荷出現(xiàn)了方向的改變。通過比較可知:電動缸運動過程中的相應載荷均值從優(yōu)化之前3 168.2N下降至1 968.2N,優(yōu)化后電動缸形成的受力曲線變化較為穩(wěn)定,最大值下降,載荷的波動降低,使變幅電動缸受力獲得改進。利用相同方式,對全部臂架系統(tǒng)中的不同部分規(guī)格參數(shù)予以明確,經(jīng)優(yōu)化處理的電動缸的變幅機構(gòu)性能獲得顯著提升[5]。

2.2 末端執(zhí)行器裝置設(shè)計

2.2.1 末端執(zhí)行器的構(gòu)造

林果業(yè)的高枝修剪護茬鋸由殼體、夾持、修枝及茬口養(yǎng)護等機構(gòu)組成。

1)剪枝鋸的外觀取決于殼體機構(gòu),能對其內(nèi)部構(gòu)造予以包覆,使其安全性得以提升,具體的構(gòu)造如圖5所示。其包括了有關(guān)殼體、相應鋸片維修蓋、攝像頭裝設(shè)支架及軸承的維修蓋等諸多構(gòu)件,使攝像頭裝設(shè)更加便利,并有利于軸承與鋸片維修。此次在殼體的上面和儲藥的鋸片的另一側(cè)均安裝了兩排屑口,使修枝時形成木屑排出更便捷;殼體的前部是帶齒的虎口,擁有一定的導向作用[6]。

圖5 導向卡鎖型的修枝護茬鋸圖

2)夾持機構(gòu)能對側(cè)枝進行夾持,使末端執(zhí)行器運作過程中形成的振動影響降低,主要包括夾持爪與夾持彈簧及配套的夾持閘線與夾持推桿。運用夾持推桿對夾持閘線進行拽動處理,采用夾持彈簧讓相應夾持爪完成復位。

3)利用修枝機構(gòu)可完成修枝任務(wù),具體構(gòu)造如圖6所示。

1.電機 2.錐齒輪 3.同軸齒輪 4.導板彈簧 5.連桿 6.導板 7.滑塊 8.扇形噴頭 9.儲藥鋸片 10.偏心輪 11.圓柱齒輪

4)運用茬口養(yǎng)護機構(gòu)能實施茬口的養(yǎng)護處理,包括扇形噴頭、輸藥管及藥液箱。其中,扇形噴頭裝設(shè)到儲藥鋸片上邊,保證噴頭運作的時候,所噴出相應的藥液正好處于儲藥鋸片的上方,進而確保藥液的正常供應;儲藥鋸片進行往復運動則使藥液可以被均勻地涂抹到修枝茬口的上面;借助藥液箱中的高壓藥液,能依靠手動管控方式發(fā)揮出應有作用[7]。

2.2.2 運作機制和仿真試驗

1)運作機制和過程。準備工作:有關(guān)操控工作人員通過將養(yǎng)護茬口藥液放在相應的藥液箱內(nèi),將修枝護茬鋸與主體相連,裝設(shè)到機械臂的末端位置,同時予以固定處理;確定好作業(yè)目標后,把需要修剪的枝條卡在相應的齒虎口中;借助夾持推桿使線獲得相應的帶動作用,發(fā)揮出夾持爪夾的作用。

2)虛擬仿真試驗。從圖7中把剪枝鋸的模型準確導入至ADAMS內(nèi),并予以一定的約束處理,使電機獲得加載2 500r/min的相應旋轉(zhuǎn)速度,進而獲取儲藥鋸片朝著導板方向進行位移的時間曲線情況,如圖8所示。

圖7 基于ADAMS環(huán)境之下的三維模型圖

圖8 鋸片的位移曲線圖

由圖8可知:剪枝鋸的有效行程大概是25mm,滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)定,相應運動過程當中的位移變動平穩(wěn),說明在此運動時沒有受到很大的沖擊作用。

2.3 升降系統(tǒng)的設(shè)計

升降系統(tǒng)可以使設(shè)備的運行高度獲得提高,結(jié)合設(shè)計參數(shù)16m的運行高度規(guī)定,明確升降系統(tǒng)應升降6m。升降系統(tǒng)包括底盤、行走系統(tǒng)、管控面板、支撐腿及牽引架等相關(guān)機構(gòu)部分[8]。

結(jié)合具體的運作環(huán)境情況,升降系統(tǒng)采用了剪叉型的升降形式。這種升降形式憑借處于運輸情況下的體積較小且更加靈活的優(yōu)勢特點,相較于桅柱型的升降形式,在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更佳,相應的承載能力也更大[9]。通過計算臂架系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)后,運用升降6m、承載600kg的SJY-0.5-6的剪叉型升降平臺,同時改進其底盤結(jié)構(gòu),具體的參數(shù)如表4所示。

表4 升降系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)表

3 高枝修剪機械手實際效果及創(chuàng)新點

3.1 高枝修剪機械手試驗

3.1.1 運動性能試驗

1)理論達到的空間說明。根據(jù)有關(guān)技術(shù)參數(shù)規(guī)定,明確該機械的工作高度為5～16m,工作半徑為5m。結(jié)合相關(guān)設(shè)計要求明確此機的末端執(zhí)行器裝置相應的理論可達空間,具體的流程為:只對臂架系統(tǒng)因素予以考慮,由于前3節(jié)機械臂都是俯仰運動,第4節(jié)機械臂圍繞第3節(jié)機械臂形成35°的偏轉(zhuǎn)情況,帶給作業(yè)范圍的影響甚微,所以不進行考慮。當3節(jié)臂都處在豎直情形之下時,第3節(jié)臂圍繞第2節(jié)臂呈現(xiàn)出俯仰0°～160°的情況。末端執(zhí)行器裝置的運動狀況以弧形的實線體現(xiàn),如圖9(a)所示。第2節(jié)臂圍繞第1節(jié)臂呈現(xiàn)出90°～160°的俯仰角轉(zhuǎn)動情況,經(jīng)弧形實線掃過的區(qū)域,以實線區(qū)域代表,如圖9(b)所示。第1節(jié)臂圍繞底部的相應俯仰90°～200°,以實線的區(qū)域代表[10],如圖9(c)所示。

圖9 臂架系統(tǒng)的作業(yè)區(qū)域圖

對升降系統(tǒng)的升降高度達至10m、相應回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的360°旋轉(zhuǎn)、地面帶給作業(yè)區(qū)域的影響等因素的考慮之后,將有關(guān)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線處于水平面的豎直方向之上的投影點當成原點,獲得該設(shè)備的作業(yè)區(qū)域情況如圖10所示。

圖10 高枝修剪機械手設(shè)備的作業(yè)區(qū)域圖

2)運動性能試驗分析。制作完高枝修剪機械手樣機之后,對其運動性能試驗分析。在此過程中,讓高枝修剪機械手形成相應的極限動作,如機械臂的水平伸直、第1節(jié)機械臂的后仰等動作,進而證明此高枝修剪機械手設(shè)備的運動性能非常可靠。

3.1.2 修枝環(huán)節(jié)的試驗

運動性能試驗完畢后,實施修枝功能方面的試驗分析,具體的試驗如圖11所示。圖11中的右邊圖片是所修剪的相應側(cè)枝,通過進行該設(shè)備的試驗后,其修枝功能達到了相關(guān)的標準。

圖11 修枝試驗圖

3.2 研究的創(chuàng)新點

1)研制與設(shè)計出滿足高大樹木修枝需求的高枝修剪機械手設(shè)備,相應的修枝高度為16m,作業(yè)半徑則為5m,具體的修枝直徑為8cm,不僅可以進行修枝處理,還可以對茬口進行養(yǎng)護。

2)研制與設(shè)計出的動態(tài)配重系統(tǒng)能夠?qū)Ρ奂芟到y(tǒng)進行實時調(diào)平處理,也可讓該設(shè)備的總體穩(wěn)定性得以提升。

4 結(jié)論

進行了高枝修剪機械手的總體設(shè)計,介紹了高枝修剪機械手的主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計計算方法,給出了高枝修剪機械手設(shè)備的實際效果及創(chuàng)新點,最終得到了研究結(jié)論。