基于SolidWorks的自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置系統(tǒng)研制與開(kāi)發(fā)

蔣小輝，胡 川，張官祥，何 煌，葛 佳

（1.三峽大學(xué) 科技學(xué)院，宜昌 443002；2.中國(guó)船級(jí)社宜昌分社，宜昌 443000；3.向家壩電廠，宜賓 644600；4.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；5.上海電力安裝第二工程有限公司，上海 201100）

1 樹(shù)木涂白裝置研究狀況

目前，我國(guó)樹(shù)木的涂白工作主要由人工完成，但這種傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式存在著涂白質(zhì)量參差不齊、工作效率低下、涂刷原料浪費(fèi)過(guò)大、涂白劑對(duì)人體危害大等缺點(diǎn)。相關(guān)科研院校曾經(jīng)提出一些設(shè)計(jì)思路及申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利，但是由于零部件加工難度大、控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜、地面環(huán)境適應(yīng)能力差等因素限制而難以推廣[1]。本論文針對(duì)人工樹(shù)木的涂白及我國(guó)樹(shù)干涂刷裝置的研究現(xiàn)狀，研制一套智能樹(shù)干涂刷裝置，其具有易于控制，適應(yīng)性較強(qiáng)，工作效率及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，以滿(mǎn)足公共服務(wù)系統(tǒng)對(duì)樹(shù)木涂刷需求[1,2]。

2 自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置系統(tǒng)構(gòu)成

1）移動(dòng)系統(tǒng)：移動(dòng)裝置包括機(jī)架及底盤(pán)模塊；機(jī)架擬采用前置V型卡槽手推車(chē)的結(jié)構(gòu)，承重與支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)。智能樹(shù)干涂刷裝置的車(chē)體底盤(pán)安裝機(jī)架，擬采用四輪結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性和對(duì)地面的適應(yīng)性。

2）噴涂機(jī)構(gòu)及其選向、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：噴涂機(jī)構(gòu)作為自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置最直接的執(zhí)行裝置，可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)擬采用4個(gè)開(kāi)度可調(diào)型環(huán)形噴頭以滿(mǎn)足不同樹(shù)徑噴刷需求。其選向及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足環(huán)形噴頭自動(dòng)選向、上下運(yùn)動(dòng)。

3）傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)系統(tǒng)作為該智能樹(shù)干涂刷裝置工作的能量傳遞載體，包括攪拌電機(jī)到攪拌裝置的傳動(dòng)、可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)與換向步進(jìn)電機(jī)之間的傳動(dòng)、可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)與升降電機(jī)之間的傳動(dòng)以及開(kāi)度可調(diào)型環(huán)形噴頭與其開(kāi)合電機(jī)之間的傳動(dòng)。

4）控制系統(tǒng)：智能樹(shù)干涂刷裝置采用基于可編程控制器的控制系統(tǒng)，包括控制器、外圍回路、控制流程，以實(shí)現(xiàn)供液系統(tǒng)自動(dòng)加壓、可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)的自動(dòng)選向、上下運(yùn)動(dòng)及噴刷等動(dòng)作。

5）儲(chǔ)能式供液系統(tǒng)：儲(chǔ)能式供液系統(tǒng)包括盛放容器及攪拌裝置、加壓風(fēng)機(jī)、液體輸送管道及相應(yīng)的控制閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)涂覆劑自動(dòng)儲(chǔ)能，避免風(fēng)機(jī)長(zhǎng)疲勞損壞。

3 自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置三維建模

本文根據(jù)樹(shù)木涂白裝置系統(tǒng)構(gòu)成及功能，基于SolidWorks完成自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置三維建模。選擇合適的設(shè)計(jì)類(lèi)型及結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)智能涂刷裝置總圖及零件圖，合理設(shè)計(jì)智能涂刷裝置零件及尺寸參數(shù)。

圖1 自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置系統(tǒng)三維模型圖

4 可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)分析

噴涂機(jī)構(gòu)是自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置的核心機(jī)構(gòu)，是滿(mǎn)足360°環(huán)抱噴涂刷工藝要求的最直接的執(zhí)行裝置，因此對(duì)其做必要的運(yùn)動(dòng)及力學(xué)分析意思重大。

4.1 可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸長(zhǎng)L1，電機(jī)行程L2，樹(shù)徑D。要滿(mǎn)足360°環(huán)抱噴涂刷工藝要求，則開(kāi)度可調(diào)型環(huán)形噴頭張開(kāi)的距離L3=D/2[3]。

圖2 環(huán)形噴頭運(yùn)動(dòng)分析圖

式中λ=Dsin（α+30°）cos（α+30°），κ=Dcos2（α+30°）。根據(jù)式(4)可求出電機(jī)行程L2與驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸長(zhǎng)L1、樹(shù)徑D之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

4.2 支架受力分析及強(qiáng)度計(jì)算

支架AD是可移動(dòng)式噴涂機(jī)構(gòu)中重要受力部件，其力學(xué)特性決定著整個(gè)機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能。當(dāng)裝置處于閉合狀態(tài)時(shí)，支架AD受力最大，支架AD承受的力主要來(lái)自于開(kāi)度可調(diào)型環(huán)形噴頭的反作用力F3、推桿電機(jī)的推力F1和推桿對(duì)支架AD的反作用力F2。支架AD的受力分析：

圖3 支架受力分析

式中P為推力電機(jī)的額定功率，v1為推力電機(jī)帶動(dòng)桿件水平移動(dòng)的速度，s為環(huán)形噴頭總噴流面積，v2為環(huán)形噴頭的噴流速度，ρ為噴流液體的密度。

以結(jié)點(diǎn)D為參考點(diǎn)及旋轉(zhuǎn)中心，計(jì)算支架AD的軸力FN1為推力及彎矩M，由結(jié)點(diǎn)D的平衡方程：

圖4 自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置工藝流程圖

支架AD的所受應(yīng)力為：

式中A為支架AD的截面積，L為支架AD的長(zhǎng)度，W2為支架AD的抗彎截面系，W≈0.1D3。

5 自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置涂刷工藝過(guò)程

1）涂刷工藝過(guò)程

將自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置的V型卡槽卡住樹(shù)桿，可伸縮樹(shù)徑測(cè)量?jī)x將其伸縮量采集并傳輸給可編程控制器，可編程控制器根據(jù)計(jì)算可得知預(yù)刷白樹(shù)木的大致直徑。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)合適大小的環(huán)形噴頭至開(kāi)口端，并與樹(shù)木貼合。然后控制器控制推桿電機(jī)運(yùn)動(dòng)，在齒輪與齒條的配合下，齒條推動(dòng)兩根支架的鉸接端運(yùn)動(dòng)，使兩個(gè)環(huán)形噴頭將樹(shù)木環(huán)抱箍緊，接著控制器控制加壓風(fēng)機(jī)對(duì)涂覆劑存儲(chǔ)箱內(nèi)加壓，同時(shí)控制電磁閥開(kāi)啟，使涂覆劑沿管道進(jìn)入可伸縮軟管內(nèi)，將涂覆劑噴涂在樹(shù)干上，于此同時(shí)，升降電機(jī)開(kāi)始工作，升降臺(tái)通過(guò)定位磁體與次連接桿定位連接，并推動(dòng)環(huán)形噴頭升降，完成樹(shù)干刷白作業(yè)[4]。

2）儲(chǔ)能式供液壓力及液位控制過(guò)程

自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置在進(jìn)行樹(shù)干涂覆時(shí)，對(duì)涂覆劑的液位和壓力有嚴(yán)格要求，涂覆劑應(yīng)保持一定壓力及液位，以便其足量的噴覆在樹(shù)干表面，滿(mǎn)足樹(shù)干防蟲(chóng)、保暖要求。運(yùn)行中控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)涂覆劑壓力、液位，當(dāng)?shù)陀谝笾禃r(shí)，則控制加壓風(fēng)機(jī)及補(bǔ)給泵啟動(dòng)補(bǔ)充涂覆劑及其壓力。

3）涂覆劑攪拌工藝過(guò)程

為了保證自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置正常、可靠工作，涂覆劑必須保證一定的溶解度要求，當(dāng)自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置開(kāi)啟后，控制器則開(kāi)出指令，驅(qū)動(dòng)攪拌電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)涂覆劑翻動(dòng)，防止涂覆劑沉淀，保證涂覆劑的溶解度要求。

自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置完成整個(gè)樹(shù)干涂覆工藝流程如圖4所示。

6 結(jié)語(yǔ)

文章依據(jù)我國(guó)林木涂白現(xiàn)狀，提出一種自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置。首先對(duì)該裝置基于SolidWorks三維建模，分析其重要部件環(huán)形噴頭及支架的運(yùn)動(dòng)及受力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型[5]。該自適應(yīng)式智能樹(shù)干涂刷裝置基于可編程控制器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能式供液系統(tǒng)及噴涂機(jī)構(gòu)換向系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)與配合，自動(dòng)完成樹(shù)干測(cè)量、噴頭尺寸選擇及涂覆工作。同時(shí)集成可升降式移動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同環(huán)境下完成涂刷作業(yè)，大大提高該裝置的適應(yīng)能力。