基于ProE的树干绷带缠绕机设计

王天赐 张欣毅 付宗品 吴皖龙

摘  要：寒冷的冬天为了使树木能够健康茁壮的成长，通常需要给树木包裹一层树绷带，不仅防寒保暖，还能减少害虫侵蚀。然而人工缠绕树绷带，不仅费事费力，而且效率不高。本文设计了一种树干绷带缠绕机，能够实现树绷带缠绕树干的螺旋运动，具有使用方便，结构合理，性能高效等优点，极大地解放了双手，提高了生产力。

关键词：树木防寒;ProE;缠绕装置;虚拟样机

1、引言：

在我国北方和东西部地区，冬季天氣严寒干冷，部分地区还常年多风，往往会使一些耐寒度不高的树种遭受冻害或导致形成“生理干旱”，水分不能及时送达，使枝条枯干，更有甚者会使整个树木死亡。为使树木适应寒冷天气安全越冬，通常需要人工进行缠绕，但人工缠绕需要耗费很长的时间和力气，缠绕效率也不高。为解决此问题，本文设计了一种树干绷带缠绕机，具有使用方便，结构合理，性能高效等优点，极大地解放了双手，提高了生产力。

2、技术方案

该设计通过三维制作软件ProE来建立其三维立体模型，从而完成整体结构的设计。三维模型渲染图如图1所示。

3、结构设计

树干绷带缠绕机主要由绷带安装机构、绷带传输机构、伸展探测机构、缠绕机构、固结绷带机构、剪切机构等构成。

3.1绷带安装机构

绷带安装机构由绷带支撑架和绷带调节架组成。绷带调节架上端设有握持把手，可直接通过握持把手向上拉起绷带调节架，便于将绷带圆盘安装在绷带调节架下端的绷带安装轴上，极大程度上方便了树绷带的拆卸，提高了其工作效率。绷带安装机构如图2所示。

3.2绷带传输机构

绷带输送机构由两排水平输送轮组、转向架和支撑架等组成，轮组由电机提供输送动力，可通过该机构将水平传输的树绷带转换为竖直传输并进行压紧操作，用于绷带的定量输送和后续的缠绕和剪切。绷带传输机构如图3所示。

3.2伸展探测机构和缠绕机构

伸展探测机构由双目摄像头、伸展减速电机、齿条等构成。双目摄像头是基于opencv的双目立体摄像头，可以通过双目标定，进而再对标定的物体进行校正和立体匹配得到摄像头与树之间的距离，将所得数据传送给stm32单片机并经一系列算法处理、转化得到树的直径，进而转化所需树绷带的量，保证有足量的树绷带来进行缠绕。

缠绕机构采用两个步进电机驱动齿轮，齿轮相互啮合传动和滚珠丝杠上下传动两者结合的方式进行树绷带的缠绕。步进电机可带动外齿轮转动，外齿轮通过啮合带动不完全内齿轮和树绷带临时储存装置绕树木进行缠绕;丝杠转动，带动水平升降板上下移动，两者结合使树绷带临时储存装置对树木进行自下而上有序的缠绕。

伸展探测机构和缠绕机构如图4所示。

3.3固结绷带机构

绷带固结机构仿照订书机的结构进行设计，减速电机带动推钉支架和推钉板向前移动，推钉板内装填有 C 形绷带树钉，推钉板挤压 C 形绷带树钉使其从 C 形出钉槽钉挤出，钉入树绷带中，从而达到固定树绷带的作用，机构简单，效率高效。固结绷带机构如图5所示。

3.4剪切机构

剪切机构采用皮带轮带动皮带，皮带带动升降杆向上移动，进而使两个摆杆带动剪刀片将树绷带剪断的结构设计，当绷带缠绕完成后，能够精准将树绷带剪断，为下一棵树的缠绕做准备。剪切机构如图6所示。

4、工作原理

伸展探测机构通过双目摄像头处理所获取的树干信息，通过计算得出需要的绷带数量，树绷带通过水平输送滚轮压紧，将树绷带移动到竖直夹层板上，经剪切机构将定量的树绷带储存在临时储存装置中，缠绕机构带动临时储存装置，通过齿轮传动装置组进行反向旋转，将临时储存装置中的树绷带缠绕到树上，固结绷带机构通过减速电机带动推钉支架和推顶板向前伸出，仿照订书机结构将 C 型绷带树钉钉入树绷带中，对树绷带起到固定的作用。剪切机构通过皮带轮转动，使得剪切片向上移动，将多余的树绷带剪切掉，如此，整个树干绷带包裹过程完成，该设备便可移动至下一颗树旁，重复绷带包裹过程。

5、实验验证

该装置通过制图软件proe进行多次设计和修改后，并进行了有限元分析和运动分析，进而通过计算得到了该缠绕机的具体设计参数，如图7所示。并根据具体设计参数进行了实物样机的制作。样机如图8所示。

6、总结

该设计通过ProE进行三维模型的设计和修改、结构合理，各机构配合协调，成本较低，工作效率高、实用性强，具有良好的经济效益。该缠绕机利用多种机构协调运行，结实耐用，持久性强，可以适用于果农、园林绿化等，也可为工程技术人员比较设计方案、评估具体运行状态提供参考。

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