林木蛀干害虫防治智能化装备设计

左相如 季德生 李建庆 许 凯 李治林 林奥圆

（滨州学院 机电工程学院，滨州 256603）

随着人工种植林的面积逐渐扩大，云斑天牛等害虫的危害日趋严重，树木发生病虫害的概率逐渐增长，对树木的保护日益困难。受病虫害的影响，林木工人维护林区和城市绿化区必须打防虫药，现在主要的措施是大范围喷洒药物，不仅会严重浪费药物，而且会污染周围的环境，残留在周围的草木及土壤中，对其他物种造成伤害，给林区的可持续发展带来一定的阻力[1]。基于这些问题，研制了一款集打孔、注射、插瓶、虫洞检测、喷涂于一体的多功能机械装备，可以减少药物浪费，降低工人的工作强度。

1 设计思路及工作原理

1.1 设计思路

林木蛀干害虫防治智能化装备基于单片机控制系统和智能检测等技术设计而成，集打孔、注射、插瓶、虫洞检测、喷涂等多功能于一体，主要结构及设计思路如图1 所示。设备移动到树木旁边，通过位于4 个边角的推杆电机进行整车自平衡。研究云斑天牛等蛀干害虫的生物学习性可知，蛀干害虫每天到固定的排粪孔排粪。树干外表有成堆的木屑，在排粪孔上方1 ～2 cm 处实施打孔及药物定量注射，可取得良好的防治效果。自动工作时，行走机构、整车自平衡机构、升降机构、角度调节机构等辅助机构，可使打孔、注射等执行机构自动到达工作位置[2]。在云斑天牛等蛀干害虫还未孵化时，可以采取药物预防，也可以采用涂刷石灰水的方式进行预防。设备将涂刷装置面向树木，半圆环绕转动结构通过转动来环绕树木，同时喷涂头进行伸长调节，直到喷涂头接触到树木。在剪式升降台和滚珠丝杠升降装置的作用下，喷涂头在树木上进行上下涂刷，完成整个工作流程。

1.2 工作原理

林木蛀干害虫防治智能化装备工作机构主要包括打孔机构、注射机构、插瓶机构、剪式升降机构、滚珠丝杠升降机构、半圆环绕转动机构、喷涂机构、虫孔探测机构、杂草去除机构和整车自平衡机构，如图2 所示。打孔机构主要由底部固定槽、上滑槽、滚珠丝杠推动装置、775 型电钻以及注射器组成。在到达设定的距离时，红外线距离感应器线路接通，使得小型电钻启动，同时滚珠丝杠步进电机缓慢转动，推动电钻缓慢向前移动进行打孔工作。注射机构主要由底部固定槽、上滑槽、滚珠丝杠推动装置、注射器以及小型水泵组成，通过药泵定量注射药液。插瓶机构主要由底部固定槽、上滑槽、滚珠丝杠、紧固舵机以及药剂瓶输送机构组成[3]。通过同步带传动放置药剂瓶，药剂瓶在重力的作用下通过插瓶滑道下滑到达电钻打好的孔内进行插瓶工作。剪式升降机构由2 个推杆、3 组剪式交叉臂、2 组动滑轮以及定位支撑组成。滚珠丝杠升降机构采用步进电机驱动和滚珠丝杠副传动，使得虫洞探测机构和喷涂机构可以下降到较低的位置，以满足探测和喷涂的工作要求。半圆环绕转动机构采用内外两层半圆环转动结构，可以保证内环内部结构绕着树木旋转一周，能够适应多种直径的树木，保证工作的平稳安全进行。喷涂机构由毛刷、出料喷涂口以及伸缩装置组成。毛刷可以将石灰水更大限度地涂刷到树干上，使得涂刷更均匀。虫洞探测机构采用半圆环绕转动机构和伸缩装置还有前方的球形探测头。除草机构由1 根固定传动轴和9 个在轴外侧均匀分布的曲形刀片组成。工作时，结构旋转，刀片在轴的带动下旋转。整车自平衡机构由4 个推杆电机组成，通过单片机控制。通过微调4 个推杆电机，使装备一直保持在水平位置，从而提升机器工作的准确性和安全性。

图2 林木蛀干害虫防治智能化装备整体结构图

2 关键部件设计

2.1 打孔机构设计

打孔机构主要由底部固定槽、上滑槽、滚珠丝杠推动装置、775 型电钻以及注射器组成，如图3 所示。在未进入工作状态时，滚珠丝杠副移动到最后端，上滑槽与底部固定槽在上下方向上几乎处于同一位置，使得每一结构都没有超出整体装置部分。工作时，打孔装置需要向前向下移动到树干位置，然后进行打孔工作。进入工作状态后，滚珠丝杠的步进电机首先动作，通过滚珠丝杠与滚珠丝杠副之间的连接将步进电机的旋转运动转换成直线运动。因为滚珠丝杠副与上滑槽固定在一起，所以在步进电机工作后可以推动上滑槽向前运动。此时，位于上滑槽前端的775 小型电钻与其上端的注射器随着上滑槽一起向前运动。电钻前端的红外线距离感应装置同时工作，红外线距离感应装置设定钻头到达树干的距离。在到达设定的距离时，红外线距离感应器线路接通使得小型电钻启动，同时滚珠丝杠步进电机缓慢转动，推动电钻缓慢向前移动，利用电钻在树干上打出一个深度为20 ～30 mm 的孔。步进电机反转，带动滚珠丝杠反转使得上滑槽带动小型电钻与注射器回收，在到达之前红外线距离感应器的感应距离时继续后退，红外线距离感应器线路断开，小型电钻停止工作，上滑槽与电钻注射器结构继续回收，到达原先位置停止，打孔工作完成。

图3 打孔机构

2.2 注射机构设计

注射机构主要由底部固定槽、上滑槽、滚珠丝杠推动装置、注射器以及小型水泵组成，如图4 所示。在未进入工作状态时，滚珠丝杠副移动到最后端，上滑槽与底部固定槽在上下方向上几乎处于同一位置，使得每一结构都没有超出整体装置部分。工作时，注射装置需要向前向下移动到树干位置，然后进行注射药物工作[4-6]。

图4 注射机构

2.3 插瓶机构设计

插瓶机构主要由底部固定槽、上滑槽、滚珠丝杠、紧固舵机以及药剂瓶输送机构组成，如图5 所示。

图5 插瓶机构

在未进入工作状态时，滚珠丝杠副移动到最后端，上滑槽与底部固定槽在上下方向上几乎处于同一位置，使得每一结构都没有超出整体装置部分。工作时，插瓶装置需要向前向下移动到树干位置进行打孔工作。进入工作状态后，步进电机在设定的程序下转动一定的角度，通过同步带的作用传动放置在同步带上的药剂瓶，将药剂瓶传送到插瓶滑道。药剂瓶在重力作用下通过插瓶滑道下滑到达电钻打好的孔内，此时舵机工作转动一个角度，通过舵机相连接在滑道内的菱形击打装置将药剂瓶紧紧击打到电钻打好的孔。滚珠丝杠的步进电机反转，带动滚珠丝杠反转使得上滑槽带动插瓶滑道与舵机回收，红外线距离感应器线路断开，到达原先位置停止，打孔工作完成。

3 结语

将树木害虫防治与无线遥控相结合，操作者可以通过遥控设备控制机器运作，全自动完成药物注射、树木涂白等流程，安全卫生，改变了药物大规模喷洒、环境污染严重的现状。文章在深入研究云斑天牛等蛀干害虫生物学习性的基础上，确定打孔及药物注射位置，实现精准防治，可极大地改善病虫害防治过程中“见孔就钻，盲目打孔”的现状，一定程度上避免了因盲目钻孔对树木造成的二次伤害。