林木蛀干害蟲防治智能化裝備設(shè)計

左相如 季德生 李建慶 許 凱 李治林 林奧圓

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，濱州 256603）

隨著人工種植林的面積逐漸擴(kuò)大，云斑天牛等害蟲的危害日趨嚴(yán)重，樹木發(fā)生病蟲害的概率逐漸增長，對樹木的保護(hù)日益困難。受病蟲害的影響，林木工人維護(hù)林區(qū)和城市綠化區(qū)必須打防蟲藥，現(xiàn)在主要的措施是大范圍噴灑藥物，不僅會嚴(yán)重浪費藥物，而且會污染周圍的環(huán)境，殘留在周圍的草木及土壤中，對其他物種造成傷害，給林區(qū)的可持續(xù)發(fā)展帶來一定的阻力[1]。基于這些問題，研制了一款集打孔、注射、插瓶、蟲洞檢測、噴涂于一體的多功能機(jī)械裝備，可以減少藥物浪費，降低工人的工作強(qiáng)度。

1 設(shè)計思路及工作原理

1.1 設(shè)計思路

林木蛀干害蟲防治智能化裝備基于單片機(jī)控制系統(tǒng)和智能檢測等技術(shù)設(shè)計而成，集打孔、注射、插瓶、蟲洞檢測、噴涂等多功能于一體，主要結(jié)構(gòu)及設(shè)計思路如圖1 所示。設(shè)備移動到樹木旁邊，通過位于4 個邊角的推桿電機(jī)進(jìn)行整車自平衡。研究云斑天牛等蛀干害蟲的生物學(xué)習(xí)性可知，蛀干害蟲每天到固定的排糞孔排糞。樹干外表有成堆的木屑，在排糞孔上方1 ～2 cm 處實施打孔及藥物定量注射，可取得良好的防治效果。自動工作時，行走機(jī)構(gòu)、整車自平衡機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等輔助機(jī)構(gòu)，可使打孔、注射等執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動到達(dá)工作位置[2]。在云斑天牛等蛀干害蟲還未孵化時，可以采取藥物預(yù)防，也可以采用涂刷石灰水的方式進(jìn)行預(yù)防。設(shè)備將涂刷裝置面向樹木，半圓環(huán)繞轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動來環(huán)繞樹木，同時噴涂頭進(jìn)行伸長調(diào)節(jié)，直到噴涂頭接觸到樹木。在剪式升降臺和滾珠絲杠升降裝置的作用下，噴涂頭在樹木上進(jìn)行上下涂刷，完成整個工作流程。

1.2 工作原理

林木蛀干害蟲防治智能化裝備工作機(jī)構(gòu)主要包括打孔機(jī)構(gòu)、注射機(jī)構(gòu)、插瓶機(jī)構(gòu)、剪式升降機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠升降機(jī)構(gòu)、半圓環(huán)繞轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)、蟲孔探測機(jī)構(gòu)、雜草去除機(jī)構(gòu)和整車自平衡機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。打孔機(jī)構(gòu)主要由底部固定槽、上滑槽、滾珠絲杠推動裝置、775 型電鉆以及注射器組成。在到達(dá)設(shè)定的距離時，紅外線距離感應(yīng)器線路接通，使得小型電鉆啟動，同時滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動，推動電鉆緩慢向前移動進(jìn)行打孔工作。注射機(jī)構(gòu)主要由底部固定槽、上滑槽、滾珠絲杠推動裝置、注射器以及小型水泵組成，通過藥泵定量注射藥液。插瓶機(jī)構(gòu)主要由底部固定槽、上滑槽、滾珠絲杠、緊固舵機(jī)以及藥劑瓶輸送機(jī)構(gòu)組成[3]。通過同步帶傳動放置藥劑瓶，藥劑瓶在重力的作用下通過插瓶滑道下滑到達(dá)電鉆打好的孔內(nèi)進(jìn)行插瓶工作。剪式升降機(jī)構(gòu)由2 個推桿、3 組剪式交叉臂、2 組動滑輪以及定位支撐組成。滾珠絲杠升降機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和滾珠絲杠副傳動，使得蟲洞探測機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)可以下降到較低的位置，以滿足探測和噴涂的工作要求。半圓環(huán)繞轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)采用內(nèi)外兩層半圓環(huán)轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，可以保證內(nèi)環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)繞著樹木旋轉(zhuǎn)一周，能夠適應(yīng)多種直徑的樹木，保證工作的平穩(wěn)安全進(jìn)行。噴涂機(jī)構(gòu)由毛刷、出料噴涂口以及伸縮裝置組成。毛刷可以將石灰水更大限度地涂刷到樹干上，使得涂刷更均勻。蟲洞探測機(jī)構(gòu)采用半圓環(huán)繞轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和伸縮裝置還有前方的球形探測頭。除草機(jī)構(gòu)由1 根固定傳動軸和9 個在軸外側(cè)均勻分布的曲形刀片組成。工作時，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，刀片在軸的帶動下旋轉(zhuǎn)。整車自平衡機(jī)構(gòu)由4 個推桿電機(jī)組成，通過單片機(jī)控制。通過微調(diào)4 個推桿電機(jī)，使裝備一直保持在水平位置，從而提升機(jī)器工作的準(zhǔn)確性和安全性。

圖2 林木蛀干害蟲防治智能化裝備整體結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 打孔機(jī)構(gòu)設(shè)計

打孔機(jī)構(gòu)主要由底部固定槽、上滑槽、滾珠絲杠推動裝置、775 型電鉆以及注射器組成，如圖3 所示。在未進(jìn)入工作狀態(tài)時，滾珠絲杠副移動到最后端，上滑槽與底部固定槽在上下方向上幾乎處于同一位置，使得每一結(jié)構(gòu)都沒有超出整體裝置部分。工作時，打孔裝置需要向前向下移動到樹干位置，然后進(jìn)行打孔工作。進(jìn)入工作狀態(tài)后，滾珠絲杠的步進(jìn)電機(jī)首先動作，通過滾珠絲杠與滾珠絲杠副之間的連接將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。因為滾珠絲杠副與上滑槽固定在一起，所以在步進(jìn)電機(jī)工作后可以推動上滑槽向前運動。此時，位于上滑槽前端的775 小型電鉆與其上端的注射器隨著上滑槽一起向前運動。電鉆前端的紅外線距離感應(yīng)裝置同時工作，紅外線距離感應(yīng)裝置設(shè)定鉆頭到達(dá)樹干的距離。在到達(dá)設(shè)定的距離時，紅外線距離感應(yīng)器線路接通使得小型電鉆啟動，同時滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動，推動電鉆緩慢向前移動，利用電鉆在樹干上打出一個深度為20 ～30 mm 的孔。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠反轉(zhuǎn)使得上滑槽帶動小型電鉆與注射器回收，在到達(dá)之前紅外線距離感應(yīng)器的感應(yīng)距離時繼續(xù)后退，紅外線距離感應(yīng)器線路斷開，小型電鉆停止工作，上滑槽與電鉆注射器結(jié)構(gòu)繼續(xù)回收，到達(dá)原先位置停止，打孔工作完成。

圖3 打孔機(jī)構(gòu)

2.2 注射機(jī)構(gòu)設(shè)計

注射機(jī)構(gòu)主要由底部固定槽、上滑槽、滾珠絲杠推動裝置、注射器以及小型水泵組成，如圖4 所示。在未進(jìn)入工作狀態(tài)時，滾珠絲杠副移動到最后端，上滑槽與底部固定槽在上下方向上幾乎處于同一位置，使得每一結(jié)構(gòu)都沒有超出整體裝置部分。工作時，注射裝置需要向前向下移動到樹干位置，然后進(jìn)行注射藥物工作[4-6]。

圖4 注射機(jī)構(gòu)

2.3 插瓶機(jī)構(gòu)設(shè)計

插瓶機(jī)構(gòu)主要由底部固定槽、上滑槽、滾珠絲杠、緊固舵機(jī)以及藥劑瓶輸送機(jī)構(gòu)組成，如圖5 所示。

圖5 插瓶機(jī)構(gòu)

在未進(jìn)入工作狀態(tài)時，滾珠絲杠副移動到最后端，上滑槽與底部固定槽在上下方向上幾乎處于同一位置，使得每一結(jié)構(gòu)都沒有超出整體裝置部分。工作時，插瓶裝置需要向前向下移動到樹干位置進(jìn)行打孔工作。進(jìn)入工作狀態(tài)后，步進(jìn)電機(jī)在設(shè)定的程序下轉(zhuǎn)動一定的角度，通過同步帶的作用傳動放置在同步帶上的藥劑瓶，將藥劑瓶傳送到插瓶滑道。藥劑瓶在重力作用下通過插瓶滑道下滑到達(dá)電鉆打好的孔內(nèi)，此時舵機(jī)工作轉(zhuǎn)動一個角度，通過舵機(jī)相連接在滑道內(nèi)的菱形擊打裝置將藥劑瓶緊緊擊打到電鉆打好的孔。滾珠絲杠的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠反轉(zhuǎn)使得上滑槽帶動插瓶滑道與舵機(jī)回收，紅外線距離感應(yīng)器線路斷開，到達(dá)原先位置停止，打孔工作完成。

3 結(jié)語

將樹木害蟲防治與無線遙控相結(jié)合，操作者可以通過遙控設(shè)備控制機(jī)器運作，全自動完成藥物注射、樹木涂白等流程，安全衛(wèi)生，改變了藥物大規(guī)模噴灑、環(huán)境污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀。文章在深入研究云斑天牛等蛀干害蟲生物學(xué)習(xí)性的基礎(chǔ)上，確定打孔及藥物注射位置，實現(xiàn)精準(zhǔn)防治，可極大地改善病蟲害防治過程中“見孔就鉆，盲目打孔”的現(xiàn)狀，一定程度上避免了因盲目鉆孔對樹木造成的二次傷害。