間歇式挖穴植樹機設計與分析

朱斌海，于航，李長威

(1.哈爾濱華德學院 機電與汽車工程學院，哈爾濱 150025；2.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091)

0 引言

保護環境、植樹造林是一項長期持久的工作，傳統的人工造林方法勞動強度大、工作效率低，機械化造林是發展趨勢[1-2]。機械化造林過程中所使用的某些造林機械，如連續開溝型的深松插干植樹機，對有植被造林區域生態破壞非常嚴重[3-4]，而定點鉆孔方式造林效率較低需要單獨覆土。目前為了解決這些問題，造林機械正向兩個方面發展：一方面，為了節省人力，減輕林業工人的勞動強度，減少造林機具的損壞，造林機械正向自動化、智能化方向發展[5-8]；另一方面為了減少對造林地的破壞，造林機械向選擇式植樹機方向發展[9-10]。

本研究針對一種間歇式挖穴植樹機，該植樹機應用較先進的自動控制系統，可有效減少營養流失、土壤及地表生態環境的破壞，適合絕大多數地形，特別是它具有不破壞原生植被這一特點使其在造林設備中有著不可替代作用。本文在對栽植機構運動學分析基礎上，重點探討該植樹機控制系統方案，為植樹機向自動化、智能化發展提供科學依據。

1 植樹機結構及其工作原理

該植樹機主要包括機械部分和控制部分，機械部分主要由前機架、栽植機構、苗夾機構、苗箱、后機架、鎮壓輪和液壓元件等組成(圖1)，其中栽植機構一端鉸接在前機架橫梁上，栽植臂4與切刀14采用軸連接，鎮壓輪17固定在前機架1上，后機架11與前機架1鉸接，承載輪10和承載油缸7安裝在后機架11上；控制部分主要由可編程控制器、液壓控制系統、組態液晶顯示屏、感應開關、傳感器、磁片和啟/停開關等組成。植樹機工作原理為：作業循環開始狀態為機器切刀14處于水平位置，承載油缸7處于伸長狀態，機身重量由牽引裝置和承載輪10支撐，操作人員將苗木放置到苗夾6上；接下來承載油缸7泄壓，鎮壓輪17下降至與地面接觸，同時栽植油缸2伸長，使栽植臂4達到預定位置，該位置決定樹苗栽植深度，根據栽植深度調節油缸行程；下一動作為擺動油缸5中活塞桿伸長，使切刀14繞軸13旋轉，此時苗夾6在苗夾鎖緊器作用下處于壓縮狀態，苗木被夾緊，直到切刀14旋轉至豎直，苗夾6脫離苗夾鎖緊器苗木被釋放，苗木根系落入指定位置，鎮壓輪完成苗木覆土壓實；當栽植完成后，栽植深度調節油缸2中活塞桿收縮，將栽植臂4提起至水平位置，此時切刀14仍處于豎直位置。最后擺動油缸5活塞桿收縮，切刀14繞軸13旋轉至水平，同時承載油缸7伸長，鎮壓輪17升起，一個栽植周期完成。

圖1 植樹機工作原理簡圖Fig.1 Working principle sketch of tree planter

注：1.前機架；2.栽植深度調節油缸；3.軸；4.栽植臂；5.擺動油缸；6.苗夾機構；7.承載油缸；8.彈簧軸；9.彈簧；10.承載輪；11.后機架；12.旋轉刀柄；13.二軸；14.切刀；15.深度調節器；16.苗夾開合壓板；17.鎮壓輪；18.霍爾傳感器；19.磁片。

Note:1. Front rack;2.Planting depth adjusting oil cylinder;3.Axis;4. Planting arm;5.Oscillating cylinder;6.Seedling clip mechanism;7.Bearing cylinder;8.Spring shaft;9.Spring;10.Loading wheel;11.Rear frame;12.Rotary knife handle;13.Two-axis;14.Cutting tool;15.Depth regulator;16.Seedling clamping plate;17.Farmflex;18.hall sensor;19.Magnetic disk

2 植樹機栽植機構的仿真及運動學分析

為了研究栽植機構運動特性，更好地配置控制系統方案，本文基于Pro/Engineer對栽植機構主要零件切刀栽植作業循環中運動特性進行運動學分析[11]。在仿真過程中，去掉植樹機械附件，只保留栽植機構及其主要零件，包括機架、栽植深度調節油缸、擺動油缸、栽植臂和切刀等，以便于能準確分析機構運動情況、苗木栽植深度等，本次仿真實驗預設苗木栽植深度約為200 mm，一個作業循環時間6.1 s，模函數采用常數，函數為Q=A，A為常數0.125 r/s，輪廓恒定運動。

植樹機運動分析，首先需將植樹機栽植機構相關零件按照一定的裝配關系裝配到一起，選擇Pro/E菜單選項“應用程序”進入到機構模式，定義連接軸，生成特殊連接[12]。檢查模型，拖動組件，檢驗栽植機構連接是否能產生預期的運動。設定伺服電機后準備分析，定義栽植臂和切刀處于水平為初始位置并抓取快照。在Analysis Definition選擇運動學分析類型，完成栽植機構運行結果、結果回放、干涉檢查、查看測量仿真數據和創建軌跡曲線。

植樹機栽植機構的作業循環周期為6.1 s，其中0～0.7 s是栽植臂在栽植臂調節油缸作用下向下運動時間，0.8～3.0 s是切刀在擺動油缸作用下切刀契入土壤過程的時間，3.1～3.8 s是栽植臂向上運動至水平，3.9～6.1 s是切刀回擺至水平過程的時間。添加 4個伺服電動機模擬栽植機構環境，表1為栽植機構一個周期作業時間情況。

表1 伺服系統作業時間范圍Tab.1 Servo system operation time range

在栽植機構仿真運動過程中，輸出切刀刀尖點速度和加速度的仿真數據，如圖2所示，在0～0.7 s內栽植臂在栽植臂調節油缸作用下向下運動，切刀刀尖隨栽植臂共同下擺，但此時速度較慢，其值為97.2～98.9 mm/s，擺動油缸伸長時刀尖速度最大值為118 mm/s，栽植結束后栽植深度調節油缸收縮，此時切刀刀尖速度為最低，擺動油缸收縮刀尖速度曲線與伸長時趨勢相反。切刀刀尖加速度曲線如圖3所示，它反映切刀在整個工作循環中運動狀態。

圖2 切刀刀尖速度曲線 Fig.2 Cutting tool tip velocity curve

圖3 切刀刀尖加速度曲線Fig.3 Acceleration curve of cutting tool tip

3 植樹機控制系統組成

為使植樹機控制系統擁有更好的性能和人性化操作界面,構建基于PLC與工業觸摸屏的電氣控制系統整體結構[13]，植樹機控制系統主要由可編程控制器(PLC)、12寸組態觸摸顯示屏、行程開關、啟動/停止按鈕、霍爾傳感器、磁片、三位四通電磁換向閥以及液壓控制元件等組成。該控制系統采用可編程控制器作為主要控制元件，栽植株距可實現在12寸組態觸摸液晶屏選擇手動模式、自動栽植兩種工作模式，根據工作地形等條件切換。液晶屏幕可顯示設備位置信息及栽植作業相關參數。

3.1 液壓系統方案設計

液壓系統調速范圍寬，速度控制方式多樣，液壓控制系統很容易實現機器的自動化，當采用電液聯合控制后，可實現更高程度的自動控制過程[14-18]。結合植樹機各機構工作原理、機構運動學分析及作業時負載的計算，確定該間歇式挖穴植樹機采用拖拉機牽引，配備滿足要求液壓站，系統工作壓力16 MPa，由作業循環時間及油缸結構等確定流量范圍為20～28 L/min，油泵選用高壓齒輪泵，油箱容量為120 L，油箱配風冷裝置，另外系統需安裝調速閥、調壓閥和保壓閥等。植樹機設有栽植深度調節油缸、擺動油缸和承載油缸，油缸型號為50×28×200，進出油口M 18×1.5，油缸行程由各自行程開關根據工作需要設定，且位置可調，植樹機液壓原理圖如圖4所示。

圖4 液壓控制系統原理圖Fig. 4 Schematic diagram of hydraulic control system

由系統工作原理確定三位四通電磁換向閥工作方案，見表2，表中“+”為通電，“-”為斷電。

表2 電磁閥工作方案Tab.2 Work program of solenoid valves

3.2 基于可編程控制器自動栽植方案

植樹機控制系統PLC以臺達DVP14SS作為主機，PLC輸入為8點，輸出為6點，繼電器輸出，由其控制整個栽植作業周期及栽植參數。傳感器采集植樹機行進的位移，將位移轉換為電信號，向PLC輸出位移量電信號，PLC通過對輸入位移信號進行計算，將植樹機的實時行進位置信息顯示到液晶顯示屏上；若設置為自動栽植模式，當植樹機行進的位移等于設置的株距值時，PLC輸出信號，控制液壓系統中對應的電磁閥，完成一個栽植循環。苗木栽植深度由栽植深度調節油缸和深度調節機構組成，依托光感開關自動采集苗木栽植深度。

栽植作業人員首先在觸摸液晶屏上完成各項栽植參數設置，初始位置是機器栽植臂及切刀處于水平位置，承載缸7處于伸長狀態，機身重量由牽引裝置和承載輪10支撐，操作者將苗木放置到苗夾機構6上，操作人員觸動液晶屏上啟動按鈕，機器開始工作。根據預先設置各項參數，電磁閥6 DT通電，承載油缸7活塞桿收縮，鎮壓輪17下降至與地面接觸，電磁閥6 DT斷電，同時電磁閥1 DT通電，栽植深度調節油缸2伸長，使栽植臂繞軸旋轉，栽植深度調節器與栽植臂同軸并用鐵鏈連接，保持設定角度，光感開關K1安裝在栽植臂4上，當深度調節器15觸地時，會與栽植臂4有相對運動，此時光感開關K1產生信號，使電磁閥1 DT斷電，深度調節油缸停止運動，深度采集完成。與此同時電磁閥3 DT通電，擺動油缸5中活塞桿伸長，使切刀14繞軸13旋轉，苗夾6在苗夾開合壓板16作用下處于關閉狀態，苗木被夾緊。當切刀14旋轉至豎直時，旋轉刀柄12觸動開關K2產生信號，使電磁閥3 DT斷電，油缸動作停止，苗夾機構6脫離苗夾開合壓板16苗木被釋放，苗木落入指定位置，鎮壓輪完成苗木覆土壓實，栽植完成；同時開關K2產生信號使電磁閥2 DT通電，栽植深度調節油缸2中活塞桿收縮，當栽植臂4觸碰到開關K3時，電磁閥斷電油缸停止運動，栽植臂處于水平位置。栽植臂達到預定位置后，PLC控制器使電磁閥4 DT通電，擺動油缸5活塞桿收縮，切刀14繞軸13旋轉直到開關K4觸碰到擋鐵，電磁閥斷電油缸停止動作，此時切刀處于水平；同時電磁閥5 DT通電承載油缸7伸長，鎮壓輪17升起一定高度電磁閥斷電，一個栽植周期完成。植樹機整機三維簡圖如圖5所示。

圖5 植樹機整機三維簡圖Fig.5 Three-dimensional sketch of the whole tree planter

注： K1、K2、K3、K4為開關； 1 DT、2 DT、3 DT、4 DT、5 DT、6 DT為電磁閥接線端。

Note： K1,K2,K3,K4 are switches;1 DT,2 DT,3 DT,4 DT,5 DT,6 DT are the terminals of solenoid valves.

3.3 株距控制方案

利用PLC的高速脈沖輸入計數功能，來實現車輪測距裝置。這樣既滿足了測距裝置的可靠性要求，也降低了系統的成本，是一種較為理想的方案[19]。

(1) 測距原理

植樹機測距采用霍爾傳感器，霍爾效應原理測量距離如圖6所示。當磁鋼體在霍爾元件的下方時，霍爾元件可以探到霍爾電勢；不在下方時，就無霍爾電勢。當磁鐵片隨車輪轉動時，霍爾傳感器就會產生隨車輪轉速成正比的脈沖，通過對脈沖的分析計算，就可測得車輪轉過的距離。假設車輪一周安裝1個磁片，C為磁片所在圓的周長，計數N個，則車輪行走的距離就是N·C。

圖6 霍爾傳感器測距原理圖Fig.6 Hall sensor ranging schematic diagram

(2) 硬件電路

PLC輸入電路，霍爾傳感器作為車輪轉動過程的脈沖輸入元件，將脈沖計數信號輸入PLC高速脈沖輸入端，可編程組態觸摸液晶屏作為所需測量距離設置值的輸入器件，觸摸屏通過通訊電纜與PLC連接，PLC通過編程對脈沖信號進行計算，并將測得的距離值與設定值相比較，當兩者一致時PLC輸出動作信號。

PLC輸出電路，可編程組態觸摸液晶屏作為PLC的顯示輸出器件，觸摸液晶屏可以實時顯示當前植樹機移動的距離，便于對車輪行走路線的監控，軟件流程如圖7所示。

4 樣機主要技術參數

經過前期設計與分析，最終完成植樹機樣機的加工制造及控制系統的安裝調試，樣機各機構運行穩定，達到預期目標，植樹機樣機如圖8所示。

植樹機樣機主要技術參數反應植樹機工作性能指標，結合樣機工作情況，植樹機主要技術參數見表3。

表3 植樹機樣機主要技術參數

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

圖8 植樹機樣機

5 結論

本文提出了一種間歇式植樹作業方式，按照植樹機栽植作業原理，對栽植機構進行運動學模擬仿真，獲得切刀運動特性。本文重點對植樹機液壓控制系統方案進行設計，詳細論述植樹機作業時機械部分與控制部分工作方案。最終完成樣機的調試與實驗，實驗結果達到預期效果。該間歇式植樹機可較穩定實現行進間歇式挖穴栽植、智能調節栽植深度以及精準株距控制等。栽植效率為400～500 株/h，最短循環時間可達到4.2 s，栽植深度為15～30 cm,較大程度提高植樹機自動化、智能化水平。