羅慶生,許仕杰,李凱林
(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,北京 100081; 2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)
天然橡膠是重要的工業(yè)原料,廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域,在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著巨大作用。天然橡膠主要通過(guò)割膠獲得,目前國(guó)內(nèi)外幾乎都采用人工割膠[1]。
隨著膠農(nóng)老齡化和擇業(yè)多樣化等問(wèn)題日益突出,導(dǎo)致割膠行業(yè)出現(xiàn)招工困難、隊(duì)伍不穩(wěn)的現(xiàn)象[2],許多膠場(chǎng)的生產(chǎn)難以為繼。因此要想提高天然橡膠產(chǎn)量,必須從原始的割膠方式與割膠設(shè)備中沖出重圍、尋求突破,實(shí)現(xiàn)割膠生產(chǎn)的自動(dòng)化,提高產(chǎn)膠效率,減輕膠工負(fù)擔(dān)。但目前國(guó)內(nèi)外仍未研制出攜帶方便、使用簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)精煉、成本低廉的全自動(dòng)智能化割膠設(shè)備。為了提高我國(guó)橡膠產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,增加產(chǎn)膠效率,提高工業(yè)基礎(chǔ)水平,改善膠工工作條件,提出一款便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。
該方案基于半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人,其優(yōu)越性在于結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì),精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)為割膠功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),并在ANSYS仿真環(huán)境下對(duì)核心零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)測(cè)試,其安裝快捷穩(wěn)定、自適應(yīng)性強(qiáng)、切割軌跡多樣、切割深度可控,并對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)型、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、切割軌跡規(guī)劃和刀具等關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。
自動(dòng)割膠機(jī)器人的使用步驟是先將機(jī)器人在膠樹(shù)上穩(wěn)定裝夾,以提供一個(gè)穩(wěn)定的工作平臺(tái),然后再進(jìn)行割膠工作。因此整體構(gòu)型選擇優(yōu)弧狀設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)人工割膠時(shí),膠工持刀沿著膠樹(shù)表面切出的割槽軌跡大概占據(jù)整個(gè)徑圍的50%,因此綜合考慮切割軌跡的長(zhǎng)度與切割裝置的安裝位置[3],采用了240°的優(yōu)弧軌道,圖1是便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
割膠機(jī)器人的抱緊機(jī)構(gòu)主要由定位螺釘、圓弧軌道、圓弧齒條、支撐桿組成。膠樹(shù)受土壤養(yǎng)分、種植密度等條件的影響,同一片膠林的膠樹(shù)存在個(gè)體差異。為了能全面代替膠工工作,自動(dòng)割膠機(jī)器人需對(duì)膠樹(shù)樹(shù)徑范圍有較高的適應(yīng)性,能夠穩(wěn)定裝夾在不同樹(shù)徑的膠樹(shù)上。
半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人的圓弧軌道是一整體,其優(yōu)弧軌道端口間的距離是l=200×cos30°≈173 mm,由于膠林內(nèi)的膠樹(shù)形狀各異,甚至同一棵樹(shù)上某部位特別突出會(huì)使其樹(shù)徑遠(yuǎn)大于16 cm,導(dǎo)致圓弧軌道間的開(kāi)口無(wú)法卡入膠樹(shù),整個(gè)機(jī)器人裝置無(wú)法安裝使用。
為了增強(qiáng)機(jī)器人相關(guān)機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性,該機(jī)器人將圓弧軌道一分為二,使用開(kāi)合鉸鏈進(jìn)行連接。在鉸鏈連接的中心采用彈簧連接,使開(kāi)合鉸鏈具有可調(diào)性,通過(guò)改變調(diào)節(jié)螺帽的松緊程度去壓縮或者釋放彈簧,進(jìn)而改變鉸鏈開(kāi)合運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制程度[4-5]。
在圓弧軌道上使用橡膠墊增加機(jī)構(gòu)與樹(shù)皮間的貼合度與摩擦力,同時(shí)皮帶扎扣的反向扣緊增大了定位螺釘與膠樹(shù)之間的正壓力,從而產(chǎn)生更大的摩擦力,使整個(gè)裝置更加穩(wěn)定可靠。
割膠機(jī)器人的切削運(yùn)動(dòng)是整個(gè)機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng),也是完成割膠作業(yè)的主要方式。由農(nóng)業(yè)部頒布的割膠制度中對(duì)割膠的要求可知,切割軌跡是一段繞膠樹(shù)表面的弧線。將膠樹(shù)看作圓柱體,軌跡即為圓柱螺旋線。
首先確定切割軌跡的螺旋線。以膠樹(shù)的軸心為Z軸,軌跡可看作由沿著Z軸的直線運(yùn)動(dòng)與繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成。直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)[6],圓周運(yùn)動(dòng)可以選擇齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)與帶傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)承載能力大,但是運(yùn)行時(shí)有振動(dòng),在膠樹(shù)上切割會(huì)導(dǎo)致開(kāi)槽的深度不一致,影響產(chǎn)膠量;帶傳動(dòng)具有一定彈性,易過(guò)載打滑,若與膠樹(shù)直接接觸會(huì)磨損,減少使用壽命;齒輪傳動(dòng)效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,工作可靠,壽命長(zhǎng),因此圓周運(yùn)動(dòng)選用齒輪齒條的嚙合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人通過(guò)刀具繞膠樹(shù)的周向運(yùn)動(dòng)與軸向運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)合成螺旋線膠槽。
圖2所示為便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的實(shí)體構(gòu)型圖,圓周運(yùn)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪(10)轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)傳動(dòng)齒輪(11)帶動(dòng)中間軸(15)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而中間軸上的二級(jí)嚙合齒輪1(19)帶動(dòng)二級(jí)嚙合齒輪2(20)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)由另一電機(jī)搭配減速器直接驅(qū)動(dòng)絲杠軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)刀具的直線運(yùn)動(dòng)。
在該機(jī)器人中,割膠時(shí)的相關(guān)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的圓周運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立,因此可以合成任意螺旋線軌跡膠槽,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)膠槽的任意切割軌跡,適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)用性好。
圖2 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型
刀具的切割深度與每一刀的耗皮量關(guān)系著天然橡膠產(chǎn)量和膠樹(shù)壽命,切割深度太深或者耗皮量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致膠樹(shù)無(wú)法平衡營(yíng)養(yǎng)的吸收與釋放,降低膠樹(shù)的壽命;而切割深度太淺或者耗皮量不夠,會(huì)影響膠樹(shù)正常產(chǎn)膠,導(dǎo)致產(chǎn)量降低,造成資源浪費(fèi)。因此機(jī)器人需要在不同情況下準(zhǔn)確控制刀具的切割深度與耗皮量。
半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人采用電動(dòng)推桿控制刀頭的運(yùn)動(dòng),通過(guò)控制電動(dòng)推桿的伸縮量來(lái)控制刀具進(jìn)給量。雖然電動(dòng)推桿的推力足以將刀頭扎入樹(shù)皮,但是在徑向方向占據(jù)較大體積,導(dǎo)致圓周運(yùn)動(dòng)需要很大的空間。
圖3 割膠機(jī)器人刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)
為了縮小體積,便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人用電機(jī)配合螺紋桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)刀具。如圖3所示,刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要由絲杠螺母座、刀具進(jìn)給盒、刀頭伸縮塊、移動(dòng)斜塊等零部件組成,電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋桿旋轉(zhuǎn),使螺紋桿上的移動(dòng)斜塊的做直線運(yùn)動(dòng)。
為了便于刀具的切割,便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的刀頭組入樹(shù)時(shí)保持一定的斜度,絲杠座的底面是一斜度為15°的斜面,整個(gè)刀頭組安裝在此斜面上,刀具在切入樹(shù)皮時(shí)與徑向方向成15°的夾角,方便進(jìn)刀。
半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人與便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人均采用V型刀頭作為切割工具,但是在刀具切入膠樹(shù)表層的切入角與刀具本身的刃口存在差異。刀具切入樹(shù)皮后,伴隨著軸向運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)的合成開(kāi)始去除樹(shù)皮。切割時(shí),耗皮量由刀具切入樹(shù)皮的刃口寬度決定,刃口寬度的選取影響著切削的難易程度,如圖4所示是割膠刀頭的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸。
圖4 割膠刀頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)
如圖4所示,β是刀頭切入膠樹(shù)時(shí)與徑向方向的夾角,即絲杠螺母座的傾斜角,α是刀具本身的V型頭的夾角,H是整個(gè)刀具的寬度,h是整個(gè)刀具的高度,是la刀具斜邊的尺寸,lb是刀頭與刀柄間的安裝位置。其中V1、V2是刀具切入的速度與橫向切割的速度。
圖5 切入時(shí)刀具表面受力分析
如圖5所示,刀具以一定角度扎入樹(shù)皮時(shí),會(huì)引起樹(shù)皮表層結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,會(huì)給刀具的扎入帶來(lái)額外的阻力。通過(guò)達(dá)朗貝爾原理進(jìn)行分析,此時(shí)刀具的受力應(yīng)滿足:
(1)
式中,F(xiàn)為膠樹(shù)對(duì)刀具的正壓力;Ff為刀具進(jìn)給過(guò)程中所受的摩擦力;P為刀具給膠樹(shù)的反作用力;μ為樹(shù)皮對(duì)刀具的摩擦系數(shù);α為刀具的夾角;β為刀具切入樹(shù)皮的角度;φ為刀具與切除樹(shù)皮間的摩擦角。
刀頭的各參數(shù)為已知,刀具給膠樹(shù)的反向作用力與刀具切入的傾角和樹(shù)皮間的摩擦角這兩個(gè)因素有關(guān)。從刀具的受力分析圖可以看出:
(2)
式中,l為刀具扎入樹(shù)皮的斜面長(zhǎng)度;h1為刀具扎入樹(shù)皮深度對(duì)應(yīng)的高度。
φ分別取15°、25°和35°和h1=12 mm時(shí),利用matlab生成相關(guān)曲線如圖6所示。
圖6 切削力的影響因素
從圖6可以看出,當(dāng)摩擦角φ分別取15°、25°、35°等數(shù)值時(shí),刀具所受的切削阻力隨刀具切入傾角的增大而增大。當(dāng)?shù)毒叩那腥虢嵌圈螺^小時(shí),若保持摩擦角不變,切削力呈緩慢增加的趨勢(shì);當(dāng)切入角度β過(guò)大時(shí),切削阻力隨之增加,并且具有更大的增長(zhǎng)率,會(huì)在刀具扎入樹(shù)皮的過(guò)程中造成極大的阻力。過(guò)大的阻力會(huì)導(dǎo)致刀頭在電機(jī)力矩與阻力的相互作用下發(fā)生形變,進(jìn)而失效。因此切入角應(yīng)選擇較小角度,綜合考慮割膠時(shí)耗皮量的要求,選取切入角為15°,該角度也即滾珠絲杠座的底面斜度[7]。
割膠機(jī)器人要想取代人工割膠,在進(jìn)行切割作業(yè)時(shí),整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)的可靠性不容忽視。近年來(lái), ANSYS廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析中,將得到的力與力矩等參數(shù)代入ANSYS仿真環(huán)境中,然后對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析,再根據(jù)實(shí)際情況添加約束和載荷,分析機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、效率等方面的問(wèn)題。
齒輪傳動(dòng)與齒輪齒條的嚙合是切削運(yùn)動(dòng)中傳遞動(dòng)力的主要零部件,同時(shí)也是最容易出現(xiàn)故障的零部件,齒輪傳動(dòng)與齒條傳動(dòng)類似,它們屬于面接觸[8],因此在ANSYS仿真時(shí)需要添加摩擦約束,綜合考慮現(xiàn)實(shí)情況,取摩擦系數(shù)為0.2,在導(dǎo)入的模型中,接觸面的設(shè)置為主動(dòng)輪的面為接觸面,從動(dòng)輪為目標(biāo)面,在齒輪與大地間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副,同時(shí)將傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度釋放,其他5個(gè)方向的自由度約束。在主動(dòng)輪上施加動(dòng)力學(xué)仿真得到的最大力矩后,處理可得到齒輪傳動(dòng)瞬態(tài)時(shí)的變化,結(jié)果如圖7所示。
圖7 齒輪傳動(dòng)的應(yīng)力應(yīng)變圖
由圖7可以看出齒輪傳動(dòng)的過(guò)程中最大應(yīng)變?yōu)?.09 mm,所受的最大應(yīng)力為173 MPa,齒輪的材質(zhì)是45號(hào)鋼,由它的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可以得知許用應(yīng)力為235 MPa,遠(yuǎn)大于齒輪傳動(dòng)所受的最大應(yīng)力,因此在切割的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中齒輪的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定可靠的。
齒輪齒條可以看做齒輪的內(nèi)嚙合,與齒輪傳動(dòng)分析類似,為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,簡(jiǎn)化模型,將齒條做了簡(jiǎn)化,取了齒條與齒輪嚙合的一部分[9-10]。同時(shí)齒輪齒條嚙合時(shí)齒輪所受的力矩有所改變,受傳動(dòng)的影響所受力矩T=112.5×5.18×2.2=1.282 N·m,將所有數(shù)據(jù)輸入ANSYS仿真模型進(jìn)行處理,得到如圖8所示的數(shù)據(jù)圖。
圖8 齒輪齒條的應(yīng)力應(yīng)變
刀具在切入樹(shù)皮時(shí)需要克服極大的阻力,若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者材料選取不恰當(dāng),會(huì)引起刀具的形變,影響刀具使用壽命,增加整個(gè)割膠機(jī)器人的造價(jià)成本,所以對(duì)刀頭組進(jìn)行靜力學(xué)分析至關(guān)重要[11]。
圖9 刀頭的應(yīng)力應(yīng)變圖
在整個(gè)刀頭組中,伸縮塊負(fù)責(zé)刀頭的收刀與進(jìn)刀,切割時(shí)刀頭與膠樹(shù)直接接觸,關(guān)系到整個(gè)刀頭組的穩(wěn)定性。伸縮塊的伸縮由電機(jī)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng),與螺桿相連接的斜塊下移壓緊伸縮塊,隨著力的增大將壓縮塊沿著兩者的接觸面推出。而刀頭在進(jìn)行切割運(yùn)動(dòng)時(shí)受到膠樹(shù)的阻力,將阻力加載在刀頭的刃口上,導(dǎo)入分析。與所有傳統(tǒng)膠刀一樣,刀頭材料選用高碳素鋼,因此將其材料性能參數(shù)輸入ANSYS仿真環(huán)境中,如圖9所示,通過(guò)仿真分析可得刀頭組切割運(yùn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況。
由圖9可知刀頭組所受應(yīng)力最大的零件是后方的直角連接塊,即在刀具的切削運(yùn)動(dòng)中,此零件所受力矩最大。而刀具材料是高碳素鋼,因此刃口處形變量與應(yīng)力相對(duì)較小。整體結(jié)構(gòu)最大的應(yīng)變?cè)?13 MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力,因此刀頭組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,強(qiáng)度滿足工作要求。最后通過(guò)加工制造,裝配調(diào)試完成后得到實(shí)物樣機(jī),如圖10所示。
圖10 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)
在得到自動(dòng)割膠機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)后,需要在橡膠樹(shù)上進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證其功能的完備性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,重點(diǎn)關(guān)注割膠機(jī)器人是否能夠穩(wěn)定裝夾和切割槽的深度及角度。
本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在海南的膠林,具體的實(shí)驗(yàn)步驟為:
1)選取適合開(kāi)割的膠樹(shù);
2)安裝便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人
3)開(kāi)始切割實(shí)驗(yàn)
4)測(cè)量記錄切割傾角、切割時(shí)間、切割深度;觀測(cè)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。
如圖11所示是割膠機(jī)器人工作時(shí)的照片,可以看出其裝夾可靠,運(yùn)行平穩(wěn),能夠完成割膠工作。
圖11 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)圖
對(duì)多棵不同直徑的膠樹(shù)進(jìn)行多次切割試驗(yàn),得到以下結(jié)果:
1)經(jīng)測(cè)量,不同切割速度下可得切割軌跡的傾角最大可以達(dá)到42°左右,滿足機(jī)器切割軌跡多樣化的需求。
2)切割軌跡長(zhǎng)度最大可以覆蓋膠樹(shù)的半個(gè)徑圍,滿足對(duì)切割長(zhǎng)度可調(diào)的需求。
3)通過(guò)調(diào)節(jié)刀頭可以得到不同深度的切割軌跡。
4)一次切割時(shí)間在20 s左右,所提供的電源能滿足機(jī)器的能耗持久的功能。
切割痕跡如圖12所示。在一條完整的切割槽中,測(cè)量所得軌跡深度不完全一致,最深處為7.5 mm,最淺處為6.4 mm,誤差為1.1 mm。誤差的產(chǎn)生是因?yàn)槟z樹(shù)表皮并不規(guī)則,導(dǎo)致切割軌跡有些許毛刺產(chǎn)生。
圖12 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人切割軌跡痕跡
綜合考慮實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與實(shí)際的工作效果可知,總體實(shí)驗(yàn)效果令人滿意,機(jī)器能穩(wěn)定裝夾,也能基本實(shí)現(xiàn)切割功能。
闡明了便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案,給出了機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)即抱緊機(jī)構(gòu)、切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與深入分析,討論了上述機(jī)構(gòu)的可靠性與適應(yīng)性問(wèn)題,得到了富有價(jià)值的結(jié)論。
對(duì)于抱緊機(jī)構(gòu),在半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人的基礎(chǔ)上改進(jìn)為開(kāi)合結(jié)構(gòu),并采用扎帶的反搭扣設(shè)計(jì),利用橡膠墊填充增加摩擦力,保證了抱緊機(jī)構(gòu)對(duì)不同膠樹(shù)的適應(yīng)性。對(duì)于切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),針對(duì)半覆蓋復(fù)合式割膠機(jī)器人切割軌跡的單一性,采用相互獨(dú)立的直線運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成螺旋切割運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)軌跡的任意調(diào)節(jié),保證切割軌跡的多樣性。對(duì)于刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu),根據(jù)限位桿與刀頭間的相對(duì)位置控制切入的深度,通過(guò)分析刀具的受力情況,確定刀具最優(yōu)切入角。經(jīng)過(guò)ANSYS仿真驗(yàn)證,刀頭組設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)可靠、功能合理、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。
文中工作表明:便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)初衷,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性,一定程度上具有較高的實(shí)用價(jià)值。