基于機械控制系統(tǒng)的全自動沙柳種植裝置創(chuàng)新研究

陳志斌，張智武

（湖南鐵路科技職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412006）

防風固沙是干旱、半干旱地區(qū)為了保持水土、防止沙塵暴等惡劣天氣而進行的一種生態(tài)建設活動。我國沙漠、戈壁、荒漠化土地總面積約1 308×104km2，占土地總面積的13.5%。近20年來，人工 “變綠” 的植柳工程一直在持續(xù)進行中，生態(tài)環(huán)境狀況整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體仍十分脆弱，局部生態(tài)問題依然存在。防風固沙主要通過播種一些耐干旱的沙生植物來實現(xiàn)。目前，國內(nèi)干旱和半干旱地區(qū)人工種植的主要植物是沙柳,其生長迅速，枝葉茂密，根系繁大，固沙保土力強，也是極少數(shù)可以生長在鹽堿地的一種植物。沙柳主要分布內(nèi)蒙古、河北、山西、陜西、甘肅、青海、四川、西藏等地，是作用于防風固沙的主力，也是中國沙荒地區(qū)造林固沙造林先鋒樹種。目前沙柳種植廣泛采用扦插種植法，在4月上旬—5月上旬和秋季9月上旬—10月上旬種植。種植時，需要兩人配合作業(yè)，一人拿手持式柴油挖坑鉆坑機挖出1 m深的坑，另一人準備1～2棵沙柳苗插入坑中。兩個熟練工配合作業(yè)平均每30 s完成1個坑的種植，株行距按2 m×4 m，83坑/0.067 hm2計算，1 d工作8 h，可完成造林面積約0.32 hm2，成本約為150元/0.067 hm2。這種種植方法雖然普遍，但是存在以下問題：其一，種植效率低，人均種植0.16 hm2/d，相對我國荒漠總面積是杯水車薪；其二，柴油挖坑鉆坑機給工人的身體造成巨大傷害，容易造成人體結構損傷和內(nèi)臟功能代謝發(fā)生障礙等，同時產(chǎn)生的噪聲還會影響操作者聽力和作業(yè)質(zhì)量；其三，人工成本較高，沙漠、荒漠下的惡劣環(huán)境，操作機器給人帶來的身體傷害造成工人不愿意去干，自然造成人工成本增加；其四，人工作業(yè)時的行株距無法得到保障，造成后期工程機械平茬難度增加。

隨著勞動力成本的不斷增加，固沙面積、規(guī)模的不斷擴大，國家對防風固沙要求不斷提高，僅僅依靠人工作業(yè)方式已經(jīng)遠遠不能滿足防風固沙的要求。因此，本文針對目前國內(nèi)沙漠地區(qū)防風固沙過程中普遍采用的扦插種植法方式存在的問題進行技術改進，構建一種機械控制的全自動沙柳種植裝置。本裝置相比已有種植設備，可實現(xiàn)荒漠地區(qū)沙柳種植，降低荒漠綠化成本，提升種植質(zhì)量和效率。

1 系統(tǒng)設計

原理模型所設計的全自動沙柳種植裝置系統(tǒng)包括硬件設計和軟件設計兩大部分。其中，硬件設計主要由底座單元，挖穴單元，種植單元，澆水、施肥單元，控制系統(tǒng)單元，外殼保護單元等六個單元組成。各單元既是獨立存在的系統(tǒng)，又相互存在關聯(lián)。因此，各單元不僅要滿足自身的功能需要，還要求布局合理、科學分配、結構緊湊、大小適宜。這是因為，要實現(xiàn)自動化種植作業(yè)，軟件設計既要做到能驅(qū)動每個單元的硬件系統(tǒng)，并對其采取閉環(huán)措施，還要做到各單元聯(lián)動動作的數(shù)據(jù)監(jiān)控，即能對工作過程中出現(xiàn)的故障完成自行診斷，并顯示在控制屏幕。

1.1 硬件設計

1.1.1 底座單元

底座單元主要由支撐底板、螺旋推進器、擋沙罩、螺旋推進器、雙軸驅(qū)動電機、螺旋推進器固定支撐架等部分構成。

支撐底板上端用內(nèi)六角螺釘連接挖穴單元、種植單元、澆水施肥單元、控制單元等，下端左右兩側(cè)各由一個24 V、60 W、150 r/min輸出扭矩28 kg·cm的雙軸直流減速電機驅(qū)動一對不同旋向的螺旋推進器。底座單元的驅(qū)動原理是：兩對不同旋向的螺旋推進器，左側(cè)一對為右旋，右側(cè)一對為左旋，利用滾動摩擦的螺旋推進器的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，通過改變兩對螺旋推進器的旋向能直接驅(qū)動底座帶動整個裝置前進、后退、左移、右移、原地旋轉(zhuǎn)等。具體運動過程為：①當左側(cè)驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)右側(cè)驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)時，底座前進；②當左側(cè)驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)右側(cè)驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)時，底座后退；③當左、右兩側(cè)驅(qū)動電機同時反轉(zhuǎn)時，底座左移；④當左、右兩側(cè)驅(qū)動電機同時正轉(zhuǎn)時，底座右移；⑤當只有左側(cè)電機正轉(zhuǎn)或者右側(cè)電機反轉(zhuǎn)時，底座向左原地旋轉(zhuǎn)；⑥當只有左側(cè)電機反轉(zhuǎn)或者右側(cè)電機正轉(zhuǎn)時，底座向右原地旋轉(zhuǎn)。

底座單元設計成螺旋推進方式，把回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，結構簡單，傳動平穩(wěn)，噪聲小，能使設備迅速朝所需方向移動，有很強的激動性能，便于種植時的換向，還能很好地防止打滑。環(huán)境越是惡劣，它的適應性越好，且摩擦小。這是履帶式和輪式結構底盤的行走方式所不能匹及的。外，因為推進器能產(chǎn)生強大的推力且與地面的接觸面積大，單位壓力比輪式結構小，所以能適應沙丘、平原、丘陵、黏土地、雪地、泥濘、沼澤地等環(huán)境行駛。

1.1.2 挖穴單元

挖穴單元主要由搖桿驅(qū)動電機，驅(qū)動凸輪，驅(qū)動連桿，連接滑塊，驅(qū)動支架，連接齒輪、帶孔螺旋挖穴鉆頭，鉆頭連接滑環(huán)、軸承等組成。

挖穴單元包括兩大部分，第一部分是搖桿驅(qū)動機構，第二部分是挖穴機構。搖桿驅(qū)動機構是用24 V、60 W、6 r/min輸出扭矩220 kg·cm電機驅(qū)動凸輪驅(qū)動連桿連接挖穴機構做勻速下降加速上升運動來完成挖穴工作。挖穴機構因為挖穴鉆頭需要供給水溶液設計成內(nèi)部帶孔結構，電機輸出軸不能直接驅(qū)動鉆頭，在鉆頭頸部和電機輸出軸上都配有圓柱直齒輪間接驅(qū)動，驅(qū)動電機選用24 V、28 W、150 r/min輸出扭矩13.46 kg·cm的行星減速電機，鉆頭是螺距為30 mm厚度為3 mm的錳鋼單片螺旋葉片焊接在有內(nèi)孔且四周有玉米狀小孔的刀體組成（小孔分布在導體的螺旋葉片中間），鉆頭頸部套在一對深溝球軸承固定在驅(qū)動支架上。經(jīng)實地測試，挖穴系統(tǒng)能滿足沙地、泥地土壤環(huán)境作業(yè)。

挖穴單元具體的工作過程是：①啟動挖穴驅(qū)動電機，1～2 s后電機達到正常轉(zhuǎn)速；②啟動搖桿驅(qū)動電機，驅(qū)動凸輪使連桿帶動挖穴鉆頭做勻速向下運動開始挖穴（鉆孔），當鉆頭接觸到 “地面” 時，啟動澆水、施肥單元的水泵（在驅(qū)動支架上設有光電開關，當檢測到位置信號便開始工作）工作，水泵的水溶液通過滑環(huán)進入螺旋鉆頭（雖然鉆頭有自轉(zhuǎn)，但是由于滑環(huán)的作用保障水管不會自卷），再通過螺旋鉆頭的小孔噴入正在挖的穴槽中。這樣做到的作用是：給種植的沙柳苗提供營養(yǎng)液；因為沙子不具備黏附性，水溶液可增加沙子的黏附性，防止好的穴坑坍塌。達到挖穴行程10 cm（預設），電機繼續(xù)工作則驅(qū)動搖桿帶著鉆頭急性返回，這樣做能防止已挖好穴坑周圍的沙子坍塌把穴堵住。

1.1.3 種植單元

種植單元由種植箱料筒、取苗送苗轉(zhuǎn)輪、取苗送苗轉(zhuǎn)輪端蓋、傳動鏈輪、傳動鏈條、圓錐齒輪、種植箱換向料筒、種植箱換向料筒撥片、種植系統(tǒng)驅(qū)動電機、驅(qū)動電機支架、料筒固定支架等部分構成。

種植傳動系統(tǒng)連接鏈條把種植箱傳動撥料桶連接鏈輪A、種植箱傳動鏈條張緊鏈輪、種植箱傳動撥料桶連接鏈輪B連接起來，把取苗送苗轉(zhuǎn)輪和種植箱換向料筒撥片（料筒撥片為半通槽，即一側(cè)開口，另一側(cè)封閉）形成90°錯位關系，通過張緊輪的位置調(diào)整使鏈條具有合適的張緊度，以確保傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行。取苗送苗轉(zhuǎn)輪通過軸承套入種植箱料筒，種植箱料筒月能容納沙柳苗（直徑約為6.5 mm）200根。由于取苗送苗轉(zhuǎn)輪和種植箱換向料筒撥片處于異面狀態(tài)，在種植箱傳動撥料桶連接鏈輪B軸的末端用一對錐齒輪配對以改變傳動方向，種植驅(qū)動電機選用24 V、60 W、30 r/min輸出扭矩68 kg·cm滿足使用要求。在種植箱換向料筒下端設有大于沙柳苗直徑約為12 mm的圓槽，使沙柳苗能順利通過。

種植單元具體的工作過程是：①把需要種植的沙柳苗截成100 mm/根（根據(jù)模型比例預先設定）放入種植箱料筒內(nèi)；②啟動種植系統(tǒng)驅(qū)動電機，由于取苗送苗轉(zhuǎn)輪與種植箱換向料筒撥片互成90°錯位關系，當帶凹槽的取苗送苗轉(zhuǎn)輪從料筒中撥下一根沙柳苗時，通過斜口進入種植箱換向料筒，落入水平狀態(tài)的換向料筒撥片，沙柳苗在料筒撥片內(nèi)旋轉(zhuǎn)270°后在重力作用下通過圓孔掉入已挖好的穴槽中。

1.1.4 澆水、施肥單元

澆水、施肥單元主要由水箱、水泵、進水管、出水管、水箱塞組成。澆水、施肥單元的進水口連接水箱下端，出水口連接在挖穴單元的滑環(huán)上。當挖穴螺旋鉆頭開始挖穴時，水泵開始泵營養(yǎng)水溶液，通過滑環(huán)進入鉆頭，在從鉆頭的玉米狀螺旋小孔噴到穴內(nèi)。

1.1.5 控制單元

控制單元由西門子200 Smart PLC、西門子700IE觸摸屏、信號檢測開關、繼電器以及各電氣執(zhí)行單元組成，實現(xiàn)種植機的智能控制。

1.1.6 外殼單元

外殼單元主要是用激光切割切成不同形狀的5 mm厚的亞克力板用內(nèi)六角螺釘和螺母固定拼接而成，它的功能是保護里面的結構，放置控制系統(tǒng)所需的電器元件。

1.2 軟件設計

1.2.1 工作過程

本設計的沙柳種植機采用PLC控制方式來完成整機的控制。一個完整的種植工作過程分為以下5步：①挖穴單元的挖穴鉆頭先預挖出一個10 cm深的穴；②種植機底座單元驅(qū)動整機前進一段行距后使種植單元下料口對準已挖好的穴坑中；③種植單元驅(qū)動種植系統(tǒng)在料筒中取出一根沙柳苗從料斗中下插入穴坑中完成種植；④下一個種植過程循環(huán)上述①～③；⑤完成行距種植后，株距種植橫向移動種植機即可。

1.2.2 技術說明

KA1接通，M1電機正轉(zhuǎn)；KA2接通，M1電機反轉(zhuǎn)；KA3接通，M2電機正轉(zhuǎn)；KA4接通，M2電機反轉(zhuǎn)；KA1、KA3接通，整機左移；KA2、KA4接通，整機右移；KA1、KA4接通，整機前移；KA2、KA3接通，整機后移；KA5接通，M3電機正轉(zhuǎn)挖穴；KA6接通，M1電機反轉(zhuǎn)，退出挖穴；KA7接通，M4電機正轉(zhuǎn)，種植樹苗；KA8接通，M4電機反轉(zhuǎn)，返回裝樹苗；KA9接通，M5電機正轉(zhuǎn)，澆水下降；KA10接通，M5電機反轉(zhuǎn)，澆水上升；KA11接通，M6電機正轉(zhuǎn)，澆水。

1.2.3 控制流程

驅(qū)動種植系統(tǒng)的機械部分運動具有較強的邏輯運算關系，使用PLC控制方式能很好地做到整機系統(tǒng)控制，還能完成工作過程的數(shù)據(jù)反饋和監(jiān)控。為了保障機械部分各單元的穩(wěn)定運動，在控制系統(tǒng)中設計了硬件和軟件的保護。在硬件方面，如果在運行中出現(xiàn)緊急故障時，拍下急停按鈕，整機停止工作。在軟件方面，也進行了雙重設計。一是在程序上有檢索保護，即當任何檢測信號發(fā)生異?；蚓瘓髣t自動執(zhí)行停機，待異常警報解除才可恢復工作；二是在控制屏幕上設有數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如遇異常情況，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)界面會及時記錄對應警報數(shù)據(jù)并反饋給顯示屏幕。全自動沙柳種植機程序控制流程圖，見圖1。

圖1 全自動沙柳種植機程序控制流程圖Fig.1 The program control flow chart of full automatic Salix planter

1.2.4 操作界面與顯示

控制界面配合CPU選用的是西門子Smart 700IE V3 7英寸（1英寸≈2.54 cm）工業(yè)觸摸屏，系統(tǒng)顯示屏幕一共設計系統(tǒng)界面、自動界面、手動界面、監(jiān)視界面、說明界面等五個版面，進入各個板塊的界面完成相應動作操作、信息顯示和信息反饋等內(nèi)容。

2 原理樣機制作

本研究首先在數(shù)字軟件Pro/E（Pro/ENGINEER Wildfire5.0）繪制三維模型設計，然后核心部件在Ansys（2021）完成有限元分析仿真，利用仿真數(shù)據(jù)的分析不斷優(yōu)化模型參數(shù)檢驗設計的科學性、合理性、安全性，確保所有數(shù)據(jù)安全無誤。把各單元零件統(tǒng)一在Pro/E軟件繪圖模塊按圖紙比例要求轉(zhuǎn)換成三視圖后，再用AutoCAD打開完成修改圖層、基本尺寸標注、公差標注、形位公差標注、技術要求等內(nèi)容。使用這種方法不僅可以保障基本圖形的準確性，還能提高繪圖效率，節(jié)省繪制基本圖形的時間。

完成需要加工制作的零件圖之后，還要繪制各單元結構簡圖，并標上對應的零件編號，為統(tǒng)計材料清單做準備。

因為是樣機模型，支架、底座等考慮制作材料使用A6061，材料屬于中等強度，具有良好的塑性和優(yōu)良的耐蝕性，加工方法主要采用機械加工。常規(guī)零件可在普車、普銑、數(shù)控車、數(shù)控銑加工完成；一些特殊零件用機械加工無法完成或者用機械加工工藝復雜，如種植箱料筒等零件采用3D打印方法制作能滿足使用要求。

3 結語

沙柳種植是防風固沙、綠化沙漠的一種重要手段，也是現(xiàn)今最為普遍的種植方法。本文介紹以機械控制系統(tǒng)的新型全自動沙柳種植裝置，可實現(xiàn)自動化種植作業(yè)，降低了人工成本，提高了種植效率，同時保證了種植質(zhì)量，減少了原材料的損耗。