一种智能化割胶试验台设计与实现

焦 健，朱瑞明，孙江宏,2

(1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京100192；2.清华大学 机械电子工程研究所，北京100084)

0 引言

割胶是一项高强度的农业生产工作，割胶劳动投入占总投入70%以上[1]。改变传统手工割胶模式，采用智能化的割胶方式，是解决割胶面临难题的有效途径，也是橡胶产业走出发展困境的必经之路[2]。

割胶工人实际割胶时，先将胶刀扎进橡胶树乳管组织，并与橡胶树呈倾斜45°角用力向上推动胶刀并绕树旋转，形成一条上升螺旋轨迹线[3]。根据手工割胶方法，张慧等[4]提出了一种小型手持式割胶器械，该装置以手工割胶原理为基础对割胶方法进行仿形，在一定程度上降低了割胶工人的劳动强度，提高了割胶效率。但该装置仍需要大量割胶工人去操作完成割胶工作，割胶深度和割线流畅度取决于割胶工人的割胶经验。由于手持式割胶器械存在着智能化水平不高、伤树及卡顿现象频发、仍未解决“割胶用工荒”等问题,许振昆等[5]设计了一种由绑树固定架、环形行星齿轮、丝杠、电机、齿轮轴和割胶刀组成的挂树式割胶机。该割胶机环形行星齿轮用来实现割胶刀的圆周运动，转动丝杠用来实现割胶刀的上下直线运动，刀头采用传统推刀形式，切削厚度采用硬限位进行控制。该割胶机基本达到代替手工割胶效果，已具备了自动化割胶雏形，但是其割胶深度调节困难，只适合固定深度割胶，仍有较大局限性。因此，智能化割胶设备研发仍未满足市场需要，割胶困境亟待解决。

通过现场调研及实验论证，本文设计了一种PLC可编程控制器为控制核心的割胶试验台，旨在实现割胶自动化、精准化以及智能化。

1 试验台设计

1.1 试验台组成

参考三坐标平台[6]工作原理，试验台由三坐标平台、测量限位模块、驱动模块、运动模组以及固定安装模块等部分组成，常见的三坐标平台如图1所示。

其中，三坐标平台由X轴、Y轴以及Z轴滚珠丝杠副组成，分别形成径向切割运动、进刀运动以及轴向切割运动。X轴与Z轴运动副同时运动时，其运动轨迹为一条平面圆形螺旋轨迹线，通过将平面螺旋线与Y轴方向运动副结合，将形成一条盘旋上升螺旋轨迹线。

割胶试验台实物如图2所示。三坐标平台与割胶试验台各工作轴相对应，在X轴与Y轴轴端点安装接触开关，以此设定定位原点，测距传感器[7]位于Z轴运动副并与之随动，Z轴运动副以胶刀刀尖为定位原点。

试验台驱动模块由3个步进电机分别与X、Y以及Z轴连接。测量模块由接近开关、超声波传感器以及电容式传感器组成，其中超声波传感器用于割胶深度测量以及刀具定位。

1.2 控制系统

试验平台控制器为S7-200smart PLC[8]。通过PC与PLC建立通信，控制不同方向轴电机转动，从而控制试验台完成割胶工作。测控模块传感器与PLC可编程控制器通过一根集成导线连接，用于电源供电和信号输入与输出。传感器接收输入信号时，发送电流、电压信号至PLC控制器，数据处理后发送信号给各方向轴驱动器，驱动各轴电机完成割胶工作，测控原理如图3所示。

试验台可编程控制器接线如图4所示。该可编程控制器[9]采用18点输入12点输出方式，能够高速工作且工作状况稳定抗干扰。同时，该PLC控制器支持通信模块扩展功能，可实现数据实时输出，通过对该PLC控制器扩展SBAE01通信模块，实现传感器数据采集功能。

通过对试验台进行测试，发现试验台坐标原点采用接触开关进行限位，其响应速度慢且不灵敏等问题频发。因此，通过调研和技术论证，测量控制模块中选用CUM18-MIEI型超声波传感器[10]用于测量割胶深度以及刀具距树皮距离等信息。该传感器测量范围为50～1000 mm，测量精度可达到0.1 mm，满足割胶测量精度要求。同时，试验台的胶刀圆周运动测量与终点限位选用1KM12-F10ZZ-Y3L2/C50型电感传感器。由于其检测距离长，负载电流小，并可实现定位与限位相结合，可准确测量绕树圆周运动坐标原点。

2 割胶控制流程及功能

2.1 控制流程

试验台控制软件[11]采用STEP7，通过PC/PPI专用电路与PLC连接，实时监控试验台工作中每一路输入/输出通道的输出值和割胶试验台工作状态。同时，对每路通道进行强制输入来检验程序逻辑正确性。另外，能够快速对试验台实施PID路径进行修正并实现3个不同运动副方向电机的运动控制，且延迟时间短，响应速度快。控制流程如图5所示。

2.2 割胶路径方案规划

割胶路径规划是割胶作业中影响割胶效果的重要因素，不同割胶路径直接决定了切割螺旋升角的大小，进而影响流胶的效果。

由于传统测量技术的滞后性，导致割胶设备研发进程缓慢，近些年随着超声波定位与测量技术的应用，有效解决了割胶过程中实时测量与定位的问题。测量频率可达每秒钟几十次，割胶轨迹中每段微小圆弧都能精准地参照控制器设定目标实现，解决了手工割胶过程中胶线因割胶工人的感官误差造成的不平滑以及螺旋升角突变等问题。

现行割胶轨迹制度大多数为1/2d割制(割胶圆心轨迹为180°)，这是由传统手工割胶的割胶时间长以及经济产出价值等因素决定的。本设备割胶过程中割胶轨迹采用1/4d割制，摒弃了传统的1/2d割制，可有效提高割胶频率和次数。

本设备通过将刀尖做不规则空间曲线运动的路径定义为目标路径。采用1/4d割制时，其形态近似为一段盘旋上升的螺旋曲线。割胶轨迹正视图如图6(a)所示，图中线段mq对应于三坐标平台Z轴运动副在橡胶树的轴向方向的运动位移，线段qn为三坐标平台X轴运动副的运动位移，线段mn对应于X轴与Z轴运动副共同运动作用下的割胶路径轨迹，图6(b)为割胶轨迹的俯视图。

由于实际割胶轨迹的坐标原点是定位精度的基准，本割胶设备在进行坐标设定时采用坐标叠加的方法。在胶刀割胶路径形成过程中，考虑三坐标平台原点坐标与实际割胶坐标原点存在误差，通过引入超声波测量割胶深度的坐标原点对三坐标平台坐标原点进行补偿，割胶轨迹定位原点为

(1)

式中：jx、jy、jz为超声波测量X、Y、Z轴定位原点；X1、Y1、Z1为三坐标平台X、Y、Z轴定位原点。

假设相邻两割胶路径沿Y轴方向换行距离为Δy。Δy是影响耗皮量的一项重要指标，在螺旋升角α相同的情况下决定了可割胶次数。胶刀的下降位移如式2所示:

(2)

式中：Rc为胶刀刀尖圆角半径；L1为割胶轨迹线展开长度；yd为胶刀的下降位移。

通过式(2)可知，胶刀与换行距离相同时，胶刀下降位移yd与割胶轨迹展开长度L1以及割胶螺旋升角α相关。行业对割胶螺旋升角的一般设定为25°～40°，超出该范围将影响流胶速度。因此，1/4d割制较传统1/2d割制具有较小的耗皮量及较大的产量。

2.3 割胶功能设计

试验台具有自动割胶、数据传输以及割胶路径修正等多种功能，可应对割胶过程中树径变化以及树瘤等多种突发状况，解决传统割胶轨迹不均匀和螺旋升角不一致等情况。

2.3.1 自动割胶功能

采用MT807lip触控系统进行功能控制，具有一键自动割胶、急停以及手动割胶功能。试验过程中进行初始化，各运动轴返回原点，按下自动割胶功能机器再次寻找零点，确认切割零点无误后开始切割工作；切割完成后退刀，X轴运动副方向与Y轴运动副方向电机反向转动，带动胶刀回到切割起始点，一个完整自动割胶功能结束。

2.3.2 数据传输功能

测控系统可以记录、存储并实时显示试验过程中的各项试验参数，包括运动过程中三轴方向电流值、传感器测量距离信息、不同轴瞬时速度、运动过程中三轴所处位置信息以及螺旋升角设定值等。

通过对X轴、Y轴以及Z轴运动副割胶过程中的电流值进行分析，验证了数据传输功能可实现数据的实时传输，并绘制了如图7所示三轴方向的电流特性对比图。

2.3.3 割胶路径修正功能

采用先扫描后切割工作方式。切割前，采集并存储树径轮廓以及传感器距离等信息数据，切割时进行数据调用，提高切割精度和准确性，同时进入自检流程，防止割胶过程出现轨迹偏差。如果切割电流值超过设定阈值将自动报警，启动PID路径修正功能，将故障参数存储并上传PC端。

2.4 人机交互平台设计

试验台采用威纶通MT8071ip全彩触控屏，自带以太网口，具有画质清晰、分辨率高、使用寿命大于3万h以及性价比高的特点。

上位界面设计考虑割胶实际工况，设置左右两个分区，左分区为运行状态过程实时数据显示状态监控区，右分区为割胶功能按键区。触控屏界面如图8所示。

3 试验及结果分析

利用海南儋州某国营胶林进行割胶深度、割胶螺旋升角以及割胶完成时间等试验，验证割胶功能。

测试项目包括：割胶试验台的运行流畅度情况、整机割胶深度测量误差、不同切割深度电流以及不同割胶螺旋升角等。本文仅对割胶深度测量进行分析和研究。割胶深度测量数据如表1所示。

表1 割胶深度测量

通过表1测量数据对割胶设备的割胶深度进行测量误差分析，结果如图9所示。

由图9数据可知，不同测量点的割胶深度测量误差区间为-5%～5%，割胶深度为2 mm时测量误差率为5%。因此，割胶过程中增大割深可提高切割准确率，同时可降低设备的测量误差。

4 结束语

本文基于S7-200smart PLC搭建了一种智能化割胶试验台，根据超声波技术测量刀具与橡胶树表面距离，规划割胶路径并仿形手动割胶轨迹。通过触控屏集成割胶控制按键，实现割胶功能一体化控制，使割胶操作更加简洁方便，实现了智能化自动割胶。

试验过程中试验台运行平稳，通过对机器设定深度与实际切割深度进行分析，其最大测量误差率为5%，远低于手工割胶容差率。从设备组成及割胶轨迹上看，该设备组成简单，割胶轨迹源于手工,而割胶过程可控，可为当前手工割胶提供理论指导。根据试验台各项测试指标，本设备满足天然橡胶割胶工艺与技术要求，为天然橡胶割胶领域自动化设备开发提供了试验依据。