高可可，孫江宏，高 鋒，焦 健

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

橡膠作為工業(yè)設(shè)備和生活用品的制造原料，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生和日常生活中有著舉足輕重的作用，是重要經(jīng)濟(jì)支柱[1-3]。切割橡膠是獲取天然橡膠的中心環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)[4-5]，割膠方法是收獲天然橡膠的關(guān)鍵，而割膠機(jī)械直接決定割膠效率、傷樹程度、作業(yè)強(qiáng)度和橡膠產(chǎn)量[6-8]。目前市場(chǎng)上還是以傳統(tǒng)的人工割膠方式為主，對(duì)勞動(dòng)者的體能和技術(shù)要求較高，且生產(chǎn)效率低、工作模式復(fù)雜和勞動(dòng)投入高，已無(wú)法滿足橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要[9-10]，因此，采用自動(dòng)化割膠設(shè)備獲取天然橡膠將是解決橡膠行業(yè)困境的首選方法[11]。

已有的割膠設(shè)備主要有電動(dòng)割膠刀、移動(dòng)式割膠機(jī)器人和固定式割膠機(jī)器人。其中印度和日本主要應(yīng)用為電動(dòng)割膠刀[12-15]。但電動(dòng)割膠刀需人工手持操作，并未完全代替人工操作。吳思敏等[16-18]針對(duì)移動(dòng)式割膠機(jī)器人進(jìn)行了研究，但受橡膠林間環(huán)境和圖像識(shí)別誤差等因素的影響，移動(dòng)式割膠機(jī)器人的割膠精度低，且再次割膠時(shí)無(wú)法同上次割膠刀痕完全吻合，造成割膠軌跡雜亂甚至損傷橡膠樹結(jié)構(gòu)。

固定式割膠機(jī)器人采用固定架和導(dǎo)軌將設(shè)備固定于樹干上，相對(duì)于移動(dòng)式割膠機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固和設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單便利等優(yōu)勢(shì)，可忽略橡膠林間環(huán)境以及圖像識(shí)別等，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)割膠。艾哈邁德等發(fā)明一種捆綁式全自動(dòng)智能割膠機(jī)[19-20]，由割膠機(jī)械動(dòng)力、刀頭、導(dǎo)軌與芯片程序控制5部分組成，使用固定架和導(dǎo)軌將機(jī)器架于樹上，但該機(jī)器使用成本遠(yuǎn)超過(guò)橡膠的收益，未能在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用。張春龍等[21]針對(duì)固定式割膠器械研制了一種激光測(cè)距式割膠試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)采用不同路徑激光采點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，通過(guò)控制三坐標(biāo)平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)割刀按激光測(cè)定的空間曲線路徑運(yùn)動(dòng)。但該割膠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究沒有解決因樹干彎曲造成的割膠設(shè)備安裝偏心問(wèn)題。許振昆等[22-23]發(fā)明了一種固定式割膠機(jī)，該割膠機(jī)械由割膠機(jī)械動(dòng)力、刀頭、導(dǎo)軌與芯片程序控制系統(tǒng)等部分組成，采用固定架和導(dǎo)軌將割膠機(jī)架于樹上，可完全替代人工。但該機(jī)器人采用定值深度割膠，且無(wú)割膠精度控制。

結(jié)合國(guó)內(nèi)橡膠種植與收獲特點(diǎn)[24]，本文研制了一種固定式割膠機(jī)器人，該機(jī)器人采用高分子材料制作加工。利用超聲波測(cè)量技術(shù)，將先掃描后切割的控制方式應(yīng)用于橡膠精準(zhǔn)切割，通過(guò)控制3個(gè)方向的電機(jī)實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)劃的空間螺旋曲線路徑運(yùn)動(dòng)，具有割膠精度高、整機(jī)質(zhì)量輕和集成度高等特點(diǎn)。

1 固定式割膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

固定式割膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)器人主要由夾持機(jī)構(gòu)、割膠工作臺(tái)、組合滾柱絲杠副和測(cè)量限位模塊等組成。其中割膠工作臺(tái)由運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸、刀具夾持結(jié)構(gòu)、刀具、電容式傳感器和測(cè)距傳感器組成，除割膠工作臺(tái)外，割膠機(jī)支撐結(jié)構(gòu)采用高分子材料制作，整機(jī)質(zhì)量為33 kg。在橡膠樹產(chǎn)膠期內(nèi)將割膠機(jī)器人固定在樹干上，通過(guò)固定腳座進(jìn)行定位和無(wú)損夾持，期間不進(jìn)行拆卸，機(jī)器人可循環(huán)切割。

割膠機(jī)器人夾持結(jié)構(gòu)采用三點(diǎn)定位工作原理，通過(guò)上下2個(gè)齒圈架上各3個(gè)橡膠固定腳座進(jìn)行夾持，可根據(jù)不同樹徑調(diào)節(jié)其距機(jī)器人軸線的距離。橡膠固定腳座夾持面為硬質(zhì)橡膠，夾持面受力后變?yōu)榛⌒?，使接觸面積和摩擦力增大，保證夾持和運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定。

割膠機(jī)器人夾持固定在橡膠樹干上后，通過(guò)控制圓周方向和上下方向的電機(jī)速度V，把直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)合成為空間螺旋運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)劃的空間螺旋線路徑運(yùn)動(dòng)。其中圓周方向運(yùn)動(dòng)利用步進(jìn)電機(jī)輸出軸與齒輪連接，通過(guò)齒輪嚙合使傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)軸下端的齒輪與軌道齒圈嚙合完成圓周運(yùn)動(dòng)；沿樹干方向上下運(yùn)動(dòng)的電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠傳動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速，滾珠絲杠有效運(yùn)動(dòng)行程為200 mm，因刀具運(yùn)動(dòng)空間限制，在一個(gè)切割周期內(nèi)可控制刀具對(duì)橡膠樹切割180次。通過(guò)滾珠絲杠將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀具的直線運(yùn)動(dòng)，具有精度高、效率高和運(yùn)動(dòng)可逆等特點(diǎn)。

1.2 割膠軌跡規(guī)劃

割膠軌跡決定割膠質(zhì)量且直接影響割面的連續(xù)性與割深準(zhǔn)確性。固定式割膠機(jī)器人的割膠運(yùn)動(dòng)通過(guò)圓周方向和沿樹干上下方向的運(yùn)動(dòng)軌跡組合而成，控制刀具路徑為螺旋線，形成自右下到左上的空間螺旋割線。如圖2所示，將橡膠樹干簡(jiǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，切割樹皮時(shí)，當(dāng)?shù)毒咴趫A周方向運(yùn)動(dòng)距離為2 πR時(shí)，其在上下方向運(yùn)動(dòng)距離為P，螺旋角為θ，則tanθ=P/(2πR)。當(dāng)切割螺旋角θ一定時(shí)，刀具在2個(gè)方向運(yùn)動(dòng)距離之比為定值。設(shè)刀具上下運(yùn)動(dòng)的線速度為V1，圓周運(yùn)動(dòng)的線速度為V2，則在相同時(shí)間內(nèi)，V1/V2=tanθ。在切割過(guò)程中，控制兩電機(jī)按定比值tanθ進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即可得到切割螺旋線。

2 割膠誤差分析

2.1 誤差構(gòu)成與測(cè)量

固定式割膠機(jī)器人的割膠軌跡通過(guò)圓周方向電機(jī)和沿樹干的上下方向電機(jī)配合運(yùn)動(dòng)，控制刀具路徑為螺旋線，形成自右下到左上的空間螺旋割線。但由于橡膠樹形狀并非標(biāo)準(zhǔn)圓柱形，在實(shí)際切割橡膠樹時(shí)會(huì)產(chǎn)生安裝誤差和測(cè)量誤差，進(jìn)而產(chǎn)生切割誤差。其中安裝誤差是由于樹干彎曲造成的割膠機(jī)器人與橡膠樹干安裝偏心而產(chǎn)生的。測(cè)量誤差由超聲波傳感器與刀尖之間的橫向距離引起，割膠機(jī)器人固定到橡膠樹干上時(shí)，超聲波傳感器安裝位置位于樹干徑向方向，刀具刀柄與超聲波傳感器平行安裝，因超聲波傳感器中心與刀尖之間存在橫向間距，造成刀尖沒有正對(duì)樹干徑向方向，導(dǎo)致傳感器測(cè)得的距樹皮的距離并非刀具刀尖距樹皮的實(shí)際距離。

為減小安裝誤差，應(yīng)盡量選取近似標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的樹干部分固定割膠機(jī)器人。對(duì)于測(cè)量誤差，通過(guò)測(cè)量模塊中的超聲波傳感器預(yù)先掃描樹干輪廓，在切割入刀點(diǎn)測(cè)算刀尖與樹皮之間的實(shí)際距離，配合進(jìn)刀深度控制刀具進(jìn)給量；當(dāng)?shù)都庠M(jìn)樹皮之后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具刀尖與刀具原點(diǎn)的距離，并與刀具刀尖需要到達(dá)的目標(biāo)位置作比較，控制刀具進(jìn)給量。

圖3為割膠機(jī)器人測(cè)量模塊。其中超聲波傳感器為翰西公司生產(chǎn)的M18型，頻率為200 kHz，測(cè)量精度0.1 mm，重復(fù)測(cè)量精度0.1%，用來(lái)測(cè)量與樹皮之間的距離，其測(cè)量范圍為50～1000 mm，小于50 mm為測(cè)量盲區(qū)，輸出4～20 mA的模擬量信號(hào)。為使控制系統(tǒng)能檢測(cè)到因測(cè)量距離變化而產(chǎn)生的電流變化，同時(shí)避免盲區(qū)檢測(cè)失效以保證其測(cè)量效果，設(shè)置其有效測(cè)量范圍為60～120 mm。電容式傳感器為翰西公司生產(chǎn)的PNP常開型，用來(lái)測(cè)量刀具和超聲波傳感器與刀具原點(diǎn)的距離，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具進(jìn)給量，其工作電壓為DC10～30 V，可感應(yīng)距離為1.5 mm。

測(cè)距傳感器主要包括超聲波傳感器和激光傳感器2種。激光傳感器在工作時(shí)為單個(gè)激光點(diǎn)測(cè)距，在掃描橡膠樹圍時(shí)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，雖然其測(cè)量精度很高，但因樹皮微小凸起或凹陷及樹皮上膠液沾附等因素影響，單個(gè)激光點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果偶然性較大。而超聲波傳感器具有重復(fù)測(cè)量精度，且測(cè)量范圍為扇形區(qū)域平均值，可降低偶然性提高測(cè)量準(zhǔn)確度。在割膠過(guò)程中，由于流出的膠液與橡膠樹干有顏色差異，要求測(cè)距傳感器不能受顏色影響，超聲波傳感器相對(duì)于激光傳感器對(duì)光線和被測(cè)對(duì)象的顏色等沒有要求，具有方向性好、測(cè)量方便快速以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[25-26]，因此本文選用超聲波傳感器作為測(cè)量模塊的測(cè)距傳感器進(jìn)行樹干輪廓掃描，測(cè)量超聲波傳感器距樹干的距離。

2.2 測(cè)量誤差模型建立

將橡膠樹橫截面簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)圓形，樹干半徑為R，超聲波傳感器位于樹干徑向方向，割膠方向?yàn)轫槙r(shí)針。割膠誤差模型如圖4所示。

圖5為超聲波傳感器安裝位置與刀具尺寸，因超聲波傳感器安裝位置位于樹干徑向方向，刀具刀柄與超聲波傳感器平行，同時(shí)因刀具刀柄具有一定角度，導(dǎo)致超聲波傳感器前端中心與刀具刀尖有橫向距離S5，又因樹干為圓柱形而產(chǎn)生測(cè)量誤差S3。

根據(jù)超聲波傳感器測(cè)得的距離，得到刀尖至樹皮的實(shí)際距離，通過(guò)PID控制算法控制刀具進(jìn)給量完成橡膠切割。由圖4可知，刀尖至樹皮的實(shí)際距離為

根據(jù)NY/T1088-2006[27]，橡膠樹樹圍達(dá)到500 mm時(shí)才可進(jìn)行割膠作業(yè)。樹圍為500 mm時(shí)，樹干半徑R約為79.6 mm，本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中S5=9 mm，則由式（2）計(jì)算可得S3=0.5 mm。

當(dāng)樹干樹圍增大時(shí)測(cè)量誤差S3隨之增大，因此測(cè)量誤差不可忽略。

在割膠作業(yè)時(shí)，設(shè)定刀尖扎進(jìn)樹皮的深度為h，在割膠機(jī)割膠作業(yè)過(guò)程中超聲波傳感器測(cè)量樹徑時(shí)每秒輸出2個(gè)距離值，故超聲波傳感器掃描樹徑完成后形成系列采集數(shù)據(jù)點(diǎn)。以刀具原點(diǎn)為參考點(diǎn)，以作為刀尖移動(dòng)的第一個(gè)目標(biāo)位置值，以S4作為刀尖當(dāng)前位置值，控制系統(tǒng)將刀尖當(dāng)前位置值與目標(biāo)位置值作差，則刀具初始進(jìn)給量為進(jìn)刀時(shí)間為1 s。

根據(jù)誤差模型，通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)算刀具刀尖與樹皮間的實(shí)際距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具進(jìn)給量的精準(zhǔn)控制。

3 割膠試驗(yàn)

為驗(yàn)證割膠機(jī)器人割膠作業(yè)準(zhǔn)確性、實(shí)用性與可靠性，于2019年7月、12月在海南儋州市橡膠林進(jìn)行割膠作業(yè)試驗(yàn)，7月共切割不同樹圍的橡膠樹10棵，持續(xù)時(shí)間7 d；12月共切割不同樹圍的橡膠樹6棵，持續(xù)時(shí)間5 d。試驗(yàn)裝置由割膠機(jī)支撐切割裝置與控制柜組成，如圖6所示。試驗(yàn)橡膠樹樹圍530～630 mm，切割位置離地約1000 mm。根據(jù)人工割膠經(jīng)驗(yàn)，在切割螺旋角25°～30°、切割深度4～6 mm，有效切割時(shí)間20～30 s條件下進(jìn)行多組試驗(yàn)，采用觸控屏進(jìn)行割膠操作以及參數(shù)設(shè)置。

割膠機(jī)采用直流24 V鋰電池供電，按照2 d割1刀，可為割膠機(jī)提供1周的穩(wěn)定電源輸入。動(dòng)力輸入采用兩相八線的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8°，額定電流為3 A，工作電壓為10～48 V，靜轉(zhuǎn)矩為2.1 Nm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為ZD-2HD542型全數(shù)字兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，采用差分式接口電路，可適用差分信號(hào)，內(nèi)置高速光電耦合器，采用低速串聯(lián)接法與電機(jī)相連。利用JY-DZI-5A型直流電流變送器進(jìn)行刀具電機(jī)工作時(shí)的電流采集，其輸入電流為DC0～5 A，可輸出電流范圍為DC4～20 mA。

橡膠產(chǎn)量受切割時(shí)間、切割螺旋角、切割深度以及橡膠樹生長(zhǎng)狀況等多種因素決定，根據(jù)實(shí)際割膠作業(yè)要求，各試驗(yàn)因素設(shè)置如表1所示。每組試驗(yàn)3次重復(fù)。

表1 試驗(yàn)因素水平表 Table 1 Table of test factors level

從以下3個(gè)方面對(duì)割膠效果進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1）切割過(guò)程中是否有傷樹情況。切割過(guò)程中不可損傷橡膠樹，否則容易引起割面霉?fàn)€和割線干涸等割面病害，還會(huì)使橡膠樹生瘤，影響橡膠產(chǎn)量。

2）切割結(jié)束后膠液是否外流。膠液外流是指膠乳未沿割線流入膠杯而從割線溢出，當(dāng)割線斜度小或割面不均勻時(shí)，膠乳會(huì)從割線較平處或割面有毛刺的地方流到膠杯以外。因此從是否出現(xiàn)膠液外流現(xiàn)象可判斷割線斜度（切割螺旋角）是否合適。

3）切割結(jié)束后是否完全出膠。出膠情況是評(píng)價(jià)割膠機(jī)器人優(yōu)劣的重要依據(jù)，當(dāng)割膠深度太淺時(shí)會(huì)導(dǎo)致不出膠或不完全出膠，割膠深度太深則會(huì)損傷橡膠樹干。

根據(jù)影響橡膠產(chǎn)量的主要因素進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，固定某個(gè)影響因素的值，分析其余2個(gè)因素間的交互作用對(duì)割膠效果的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，割深為4～5 mm時(shí)不出膠或不完全出膠，5.5 mm時(shí)正常流膠，6 mm時(shí)出現(xiàn)傷樹情況，故割深其他水平試驗(yàn)沒有繼續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果 Table 2 Test scheme and results

由表2可知，螺旋角為25°～30°時(shí)膠液均沿割線流入膠杯，未出現(xiàn)膠乳溢出情況；切割時(shí)間對(duì)割膠效果無(wú)影響。

以樹圍565 mm橡膠樹的割膠試驗(yàn)為例，共割膠3次，每次割膠持續(xù)時(shí)間大致相同，約為78 s。割膠時(shí)切割螺旋角為25°，切深為5.5 mm，切割后可正常順暢流膠。割膠軌跡及切割樹屑如圖7所示。割膠機(jī)器人工作時(shí)超聲波測(cè)量數(shù)據(jù)與刀具電流如圖8、圖9所示。

對(duì)比圖8、圖9可知，割膠機(jī)器人在13:36:44時(shí)開始工作，在13:36:58時(shí)開始對(duì)樹徑進(jìn)行掃描至13:37:22時(shí)結(jié)束，在13:37:31時(shí)開始切割樹皮，至13:37:52時(shí)切割結(jié)束。割膠機(jī)器人從開始切割樹皮至切割結(jié)束，3次割膠有效切割時(shí)間均為22 s，而傳統(tǒng)人工割膠有效切割時(shí)間為1 min[28]，相比于傳統(tǒng)人工割膠，割膠效率提高了63%。

割膠生產(chǎn)中，在一定割線長(zhǎng)度和割膠頻率下，合理的耗皮量是橡膠樹穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[29]。因在切割過(guò)程中橡膠樹皮會(huì)發(fā)生塑性變形，切割耗皮量在一定范圍內(nèi)變化。本割膠機(jī)器人設(shè)計(jì)耗皮量為0.9～1.2 mm，切割結(jié)束后用游標(biāo)卡尺測(cè)量的3次平均耗皮量為1.1 mm，滿足割膠技術(shù)規(guī)程要求。

提取刀具切割樹皮時(shí)電流變化如圖10所示。

由圖10可知，13:37:31時(shí)刀具電流為1247 mA，此時(shí)刀尖開始切入樹皮，由于刀具進(jìn)給量較大，為使刀尖快速達(dá)到目標(biāo)位置，所以刀具電流較大；13:37:52時(shí)刀具電流為1141 mA，此時(shí)刀具快速退回。切割樹皮時(shí)刀具電流在940～1040 mA變化，電流變化點(diǎn)即為進(jìn)刀或退刀點(diǎn)。

因割膠機(jī)器人使用蓄電池供電，頻繁進(jìn)退刀會(huì)增加蓄電池?fù)p耗，工作周期內(nèi)供電量減少。且頻繁進(jìn)退刀會(huì)增加刀具與樹干之間的沖擊力，加劇刀具磨損，增加電機(jī)功率損耗，降低割膠效率，同時(shí)也會(huì)降低機(jī)器壽命。為減少頻繁進(jìn)退刀，提高切割效率，延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命，所以控制刀尖扎進(jìn)樹皮的深度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行橡膠切割以減少進(jìn)退刀次數(shù)。

割膠時(shí)刀尖扎進(jìn)樹皮的深度須根據(jù)橡膠樹的樹皮結(jié)構(gòu)和有關(guān)割膠技術(shù)規(guī)定確定。天然橡膠樹的樹皮厚度約為7 mm，其樹皮結(jié)構(gòu)主要包括粗皮、沙皮外層、沙皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮，其中粗皮起保護(hù)內(nèi)部組織的作用；沙皮層因含有大量的石細(xì)胞而成為樹皮較硬部分，約占樹皮總厚度的70%，沙皮層的乳管大部分被石細(xì)胞擠裂，產(chǎn)膠能力低；黃皮層位于沙皮內(nèi)層內(nèi)側(cè)，厚度約為1 mm，膠乳多，石細(xì)胞很少或沒有，且是乳管分布最密集、排列最整齊、連通性最好和產(chǎn)膠機(jī)能最旺盛的皮層，是產(chǎn)膠的主要部位；水囊皮位于黃皮內(nèi)側(cè)，一般厚度小于1 mm，有輸導(dǎo)功能的韌皮部，含有細(xì)嫩乳管和縱向輸導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的篩管，切割后流出清液。在割膠操作中，為了提高產(chǎn)膠率，割破黃皮組織且不損傷水囊皮。

根據(jù)NY/T1088-2006，割膠深度是指刀片割去樹皮的內(nèi)切口與形成層的距離（mm），該距離按照橡膠樹的品種和生長(zhǎng)年限來(lái)確定[30]。對(duì)于常規(guī)割膠，割膠深度要在1.2～1.8 mm范圍內(nèi)。

根據(jù)橡膠樹樹皮厚度和對(duì)割膠深度的規(guī)定，本文設(shè)計(jì)刀尖切割樹皮的深度范圍為5.2～5.8 mm，滿足割膠要求。在5.2～5.8 mm切割深度范圍內(nèi)切割橡膠時(shí)的刀具電流與5.5 mm定值深度切割時(shí)的刀具電流對(duì)比如圖11所示，通過(guò)電流對(duì)比可知，在一定深度范圍內(nèi)割膠和定值深度割膠的進(jìn)退刀次數(shù)的不同。在5.2～5.8 mm切割深度范圍內(nèi)割膠時(shí)，刀具電流變化次數(shù)即進(jìn)退刀次數(shù)由定值深度割膠的50次下降到32次，減少36%，刀具電流變化幅度最大縮減4.11%，可減少蓄電池和電機(jī)功率損耗，提高割膠效率，延長(zhǎng)割膠機(jī)器人使用壽命。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的固定式割膠機(jī)器人在已有研究基礎(chǔ)上，利用超聲波測(cè)量技術(shù)，將先掃描后切割的割膠控制方式應(yīng)用于割膠精準(zhǔn)控制。使用超聲波傳感器預(yù)先掃描樹徑后割膠，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性和切割精度。

建立測(cè)量誤差控制模型，利用PID控制算法控制刀具進(jìn)給量，降低了切割誤差。該割膠機(jī)器人有效切割時(shí)間為22 s，相比于傳統(tǒng)人工割膠，割膠效率提高了63%；切割螺旋角為25°～30°；割膠耗皮量為1.1 mm；該機(jī)器人采用在一定深度范圍內(nèi)割膠，割膠深度范圍為5.2～5.8 mm，在此切割深度范圍內(nèi)切割橡膠，刀具進(jìn)退刀次數(shù)減少36%，刀具電流變化幅度最大縮減4.11%。并通過(guò)對(duì)機(jī)器人的試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了固定式割膠機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)、誤差分析方法和切割控制方式具有準(zhǔn)確性、實(shí)用性與可靠性。