沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备设计

刘智豪， 李会荣， 郭朝阳， 李 根， 吴昭鹏， 付斌利

（陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安 710300）

0 引言

我国地域辽阔，西北地区干旱少雨，荒漠化不断加剧，可使用土地面积逐年减少，对建筑、公路等基础设施造成极大的损害[1-3]。沙漠植树作为解决土地荒漠化的主要手段之一，目前种植方式多为人工和简单机械、半自动化种植的方式，劳动强度大、效率低及成本高[4-5]。针对当前种植方式的现状，各专业院校进行了大量的研究。马浩钦等[6]采用以太阳能为能量来源，创新设计了沙漠自动植树机器人，可实现分苗种植，种植完成后对树苗进行喷水作业。关佳征[7]设计了一款戈壁沙漠植树机器人，可实现在各类复杂地形中实现树苗的转运、树坑挖掘、树苗栽种和土壤夯实等一系列作业。两项研究拓宽了种植机械设备的适用范围，但种植效率有待进一步提升。蒙贺伟等[8]改进设计了一款可用于沙土地大面积作业的多功能植树机，在已有种植机的基础上增加液压控制功能，可实现树苗的自主栽种，可靠性超过85%。经过不断设计改进，种植设备的适用范围及效率有了一定的提升，但设备的成本也随之增加。

对以上产品的研究分析，可以得出目前沙漠种植设备主要围绕设备自主运动、树坑挖掘、树苗自动输送及沙土固定等方面进行研究，但种植设备大、成本过高和功能不齐全等问题仍较为突出。基于此，本研究通过对机械机构设计、关键零部件有限元分析及控制系统设计，研发一款小型的沙漠自主植树浇灌设备，可实现树苗的运输、浇灌、铺膜和固土等功能，并在保证种植效率的基础上，大大降低种植成本。

1 结构设计

根据实际生产可知，沙漠种植树苗高度30～40 cm、直径1.5～3.0 cm 及种植深度 10～20 cm，本研究介绍的沙漠自主植树浇灌设备均以此为设计标准。沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备结构如图1 所示，整体设备运动流程如图2 所示。

图1 沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备Fig.1 Integrated equipment for planting，watering and coating in desert

图2 整体设备运动流程Fig.2 Overall equipment movement flow chart

1.1 钻孔装置

钻孔装置采用曲柄滑块机构，连杆端连接钻头，钻头由电机驱动，在步进电机的带动下钻头进行竖直方向往复运动，实现钻孔作业。钻孔装置如图3 所示。

图3 钻孔装置Fig.3 Drilling device

1.2 旋转罗盘输苗装置

旋转罗盘输苗装置由树苗存储管、转盘、齿轮和步进电机等，如图4 所示。将输苗存放在树苗存储管内，旋转罗盘输苗装置，主动轮与步进电机连接，从动轮通过螺钉与转盘固定连接；树苗存储在储苗管内，转盘为双层结构，与下层有唯一开口，从动轮带动上层储苗管转动，储苗管与输苗管同轴心时，此时，整体设备向前行驶一定距离，使得输苗管与所钻孔洞同轴心，树苗滑落至打孔装置的孔洞内。

图4 旋转罗盘输苗装置Fig.4 Rotating compass seedling delivery device

1.3 Y 型出水装置

Y 型出水装置由水囊、水箱、机械爪、注水口和支架组成，如图5 所示。水箱内储存清水，底部安装两个机械爪，机械爪中固定有水囊，水囊通过软管与水箱连接，可提供清水。当树苗落入孔洞，并且出水装置到达树苗上方时，机械爪闭合，通过挤压使水囊中的水定量流出，水囊底部出水口呈一定角度，由树苗两侧冲刷沙土，从而实现浇水及回填沙土作业。

图5 Y 型出水装置Fig.5 Y-type water outlet device

1.4 薄膜铺裁装置

薄膜铺裁装置位于车辆尾部，整体由薄膜固定部分、薄膜切割部分和覆土盘3 部分组成，如图6 所示。

图6 薄膜铺裁装置Fig.6 Film laying device

车体前进带动薄膜滚动进行铺设，待树苗到达指定位置时，薄膜切割部分利用曲柄摇杆机构实现刀片的往复运动，从而对薄膜进行间歇式切割，树苗套入切割孔内。后方覆土盘随车体前进翻动两侧沙土覆盖至薄膜上，从而固定薄膜，起到减少水分蒸发、提高树苗成活率的作用。

2 关键零件仿真分析

在结构设计过程中，使用Adams 2016 软件对薄膜铺裁装置中的薄膜切割部分进行运动仿真分析，以确定其最终设计尺寸[9]。薄膜切割部分利用曲柄摇杆原理进行往复式运动，其中LAB=53 mm、LBD=110 mm、LAC=125 mm 和LDC=90 mm，曲柄AB为主动件，连杆EC往复运动。曲柄摇杆机构结构如图7 所示。

图7 曲柄摇杆机构结构Fig.7 Structure of crank rocker mechanism

首先应满足最短杆和最长杆的长度之和小于或者等于其余两杆长度之和，即LAB+LAC≤LBD+LDC，满足设计要求。之后，使用Adams 软件对结构模型进行设置分析，采用 Adams 软件进行此机构模型的创建，确定机构在某一瞬时时刻各铰接点的位置坐标，并对Simulation Control 界面进行设置，仿真时间为35 s，仿真步数为 720。最终得到曲柄摇杆的位移、速度和加速度的曲线图，根据经验分析可知设计满足要求。曲柄摇杆机构运动分析如图8 所示。

图8 曲柄摇杆机构运动分析Fig.8 Motion analysis of crank rocker mechanism

各单元均分布在车架之上，施加不同的载荷，使用ANSYS workbench16.0 对车架进行静力学分析，判断受力均匀及分布均匀情况。取重力加速度g=10 m/s2，其中打孔装置载荷为70 N，旋转罗盘装置载荷为45 N，Y 型出水装置水箱空载时为10 N，水箱储水量为15 L，满载时Y 型出水装置载荷为160 N。车架材料为铁。分别对水箱空载时、满载时进行静力学分析，车架有限元分析如图9 所示。

图9 车架有限元分析Fig.9 Finite element analysis of frame

由图9a 可知，满载时最大形变集中在车架两侧的打孔装置处与水箱处，最大形变量为0.003 77 mm；由图9b 可知，满载时最大等效应变值为2.517e-05，主要集中在打孔装置处与水箱下端的连接处；由图9c 可知，满载时最大应力为5.035 MPa，应力仅集中在车架固定的打孔装置处，并且小于材料铁的许用应力（105 MPa）；由图9 d 可知，空载时最大形变集中在车架前侧打孔装置处，最大形变量为0.003 78 mm；由图9e 可知，空载时最大等效应变值为2.163e-05，主要集中在打孔装置处；由图9f 可知，空载时最大应力为4.327 MPa，应力仅集中在车架固定的打孔装置处，并且小于材料铁的许用应力（105 MPa）。

通过以上对比，空载或满载时各装置的分布都未使得车架发生太大的形变，满足设计要求。

3 控制系统设计

整体设备控制系统主要由小车运动控制系统、曲柄滑块运动系统、种植系统、自动供水系统和钻头控制模块等部分组成。

选用STM32F103ZET6 作为系统的控制器，STM 32 控制器如图10 所示。通过C 语言对各个系统的控制逻辑进行编写，从而实现各个子系统的组合控制。小车运动控制系统采用步进电机+联动轴+轮子的直驱模式，选用了A4988 步进电机驱动模块，通过STM 32控制器输出脉冲，从而驱动步进电机转动。通过单片机发出控制使能、时钟脉冲和方向3 个控制信号就可以实现步进电机的驱动。

图10 STM 32 控制器Fig.10 STM32 controller

曲柄滑块运动系统采用带导轨的步进电机控制模块，通过STM32 控制器实时检测系统的运行状态，通过控制钻头的上下运动，实现钻孔的动作；钻头控制模块采用直流电机带动钻头进行钻孔，当曲柄滑块向下运动时，直流电机带动钻头开始打孔；种植系统采用步进电机+转盘的控制模式，当小车运动到预定目标时，控制器控制步进电机带动转盘转动到指定位置进行栽种；自动供水系统通过控制器对机械爪的舵机进行控制，采用机械爪压缩水囊进行供水。整体设备接线如图11 所示。

图11 整体设备接线Fig.11 Overall device wiring

通过整体机械结构设计、电气控制设计及关键零件仿真分析，对各零件制作加工装配，最终制成沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备样机。实际操作后，测得该设备可对高度30～40 cm、直径1.5～3.0 cm 的树苗进行种植，种植效率可达65 棵/h。沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备产品如图12 所示。

图12 沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备Fig.12 Physical diagram of integrated equipment for independent planting，watering and film laying in desert

4 结束语

介绍了一款沙漠自主种植浇灌铺膜一体化设备，主要由钻孔装置、旋转罗盘输苗装置、Y 型出水装置、薄膜铺裁装置和链传动车体组成，利用曲柄滑块、齿轮传动、曲柄摇杆机构和链传动等机构实现钻孔、输苗、灌溉、铺膜和车体运动等功能。在此基础上，对设备车体架进行有限元分析，连杆机构进行动态仿真分析，确保设计的合理性，并完成设备机械结构的搭建。同时，使用单片机对控制系统进行编程设计，并接线调试，最终完成沙漠自主植树浇灌设备的整体设计。整体设备功能齐全、操作简单、种植效率高和树苗存活率高。