樹(shù)苗劈接嫁接機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫 群，趙棟杰，趙 穎

(聊城大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，山東聊城252059)

0 引言

樹(shù)苗嫁接可加快優(yōu)良樹(shù)種繁育、增強(qiáng)抗病能力、改善果實(shí)品質(zhì)、提高其環(huán)境適應(yīng)能力。但迄今為止，樹(shù)苗嫁接作業(yè)仍然延續(xù)傳統(tǒng)的手工方式，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、嫁接苗木的成活率也不高，而且不適應(yīng)種植業(yè)季節(jié)性強(qiáng)的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)樹(shù)苗育苗工廠化生產(chǎn)[1-5］。有關(guān)樹(shù)苗嫁接機(jī)器人的研究在國(guó)際上尚未見(jiàn)到報(bào)道，中國(guó)見(jiàn)諸文獻(xiàn)報(bào)道的研究主要集中在苗木力學(xué)特性試驗(yàn)[6-7］和苗木嫁接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[8-15］兩個(gè)方面?！芭臃ā笔菢?shù)苗嫁接的一種主要方式，多用于楊木、葡萄、棗、梨、蘋(píng)果、柿子等樹(shù)苗，其手工操作流程為:①將穗木削成正雙面楔形切口;②砧木劈成一字形劈口;③將穗木插入砧木劈口，使砧木橫斷面形成層和穗木楔形切削面形成層緊密接合，若松動(dòng)，可以捆綁。本文以楊樹(shù)苗劈接嫁接為研究對(duì)象，模擬手工嫁接作業(yè)，研制出一種樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)。

1 樹(shù)苗劈接嫁接機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

樹(shù)苗劈接嫁接機(jī)器人的工作流程為:砧木、穗木供苗→砧木、穗木夾持→穗木、砧木切削→穗木、砧木接合→嫁接苗排出，其中，砧木、穗木供苗與嫁接苗排出為人工操作。根據(jù)以上流程，確定樹(shù)苗嫁接機(jī)器人的工位為:砧木、穗木取苗工位→穗木切削工位→砧木切削工位→穗木砧木接合工位→嫁接苗排出工位。各工位的時(shí)間分配為

其中，tz為單次循環(huán)總時(shí)間;tg為砧木、穗木供苗時(shí)間;ty為砧木、穗木在各工位間移動(dòng)時(shí)間;tq為穗木、砧木切削時(shí)間;tj為穗木、砧木結(jié)合時(shí)間;tp為嫁接苗排出時(shí)間。

樹(shù)苗嫁接機(jī)器人基于虛擬樣機(jī)理念，利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E進(jìn)行虛擬建模與裝配，并進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，然后加工裝配出物理樣機(jī)。樹(shù)苗嫁接機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)包括:機(jī)架、穗木夾持機(jī)械手、穗木切削機(jī)構(gòu)、砧木夾持機(jī)械手和砧木切削機(jī)構(gòu)。

1.2 砧木、穗木夾持機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.2.1 砧木夾持機(jī)械手

砧木夾持機(jī)械手用于在砧木供苗工位實(shí)現(xiàn)砧木苗的夾持，并能夠搬運(yùn)砧木苗到砧木切削工位，待砧木、穗木接合后，運(yùn)動(dòng)到嫁接苗排出工位。為此，本文采用伺服電機(jī)加絲杠實(shí)現(xiàn)砧木夾持機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，采用直動(dòng)電磁鐵實(shí)現(xiàn)砧木機(jī)械手的夾持，設(shè)計(jì)出的砧木夾持機(jī)械手見(jiàn)圖1。

1.2.2 穗木夾持機(jī)械手

穗木夾持機(jī)械用于在穗木供苗位置實(shí)現(xiàn)穗木夾持，搬運(yùn)穗木苗至穗木切削工位，搬運(yùn)切削好的穗木苗至砧木切削工位，插入完成一字切削的砧木劈口，實(shí)現(xiàn)砧木穗木的接合。穗木機(jī)械手實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng):一是水平搬運(yùn);二是垂直插入運(yùn)動(dòng)。為此，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)加水平絲杠實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)加垂直絲杠實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)，采用直動(dòng)電磁鐵實(shí)現(xiàn)穗木夾持，設(shè)計(jì)出的穗木夾持機(jī)械手如圖2所示。

1.3 砧木、穗木切削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 砧木切削機(jī)構(gòu)

砧木切削機(jī)構(gòu)用于砧木的一字形切削，切削力采用伺服電機(jī)加絲杠實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)砧木的直徑改變切削深度，設(shè)計(jì)出的砧木切削機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖1 砧木夾持機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

圖2 穗木夾持機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

圖3 砧木切削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 穗木切削機(jī)構(gòu)

穗木切削機(jī)構(gòu)用于穗木的雙面正楔形切削，該機(jī)構(gòu)由結(jié)構(gòu)相同、左右對(duì)稱(chēng)安裝的穗木切削組件和穗木切削調(diào)位組件組成。穗木切削組件采用兩個(gè)直動(dòng)電磁鐵作為切削驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)穗木雙面楔形切削。穗木切削調(diào)位組件用于調(diào)整穗木切刀相對(duì)于穗木的切角，實(shí)現(xiàn)穗木切削裝置的微調(diào)。設(shè)計(jì)的穗木切削機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 穗木切削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 樹(shù)苗嫁接機(jī)器人嫁接試驗(yàn)

2.1 樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)

樹(shù)苗嫁接機(jī)器人各個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，便進(jìn)行機(jī)械零部件加工、制造和裝配，研制出樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)，如圖5所示。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

嫁接試驗(yàn)用砧木為一年生通直楊樹(shù)枝條，直徑為20～25 mm，長(zhǎng)度為100 mm;穗木為當(dāng)年生健壯飽滿(mǎn)帶穗枝條，直徑為4～6 mm，長(zhǎng)度為100 mm。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選取砧木、穗木試樣各100根，隨機(jī)分為10組，采用研制的樹(shù)苗嫁接機(jī)器人進(jìn)行嫁接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。砧木切削成功率為94%，失敗的原因有兩個(gè):一是有些砧木不是通直，導(dǎo)致軸向切偏;二是砧木切削切口處存在苞節(jié)，切削力增大，砧木夾持機(jī)械手受力后不穩(wěn)。穗木切削成功率為93%，穗木生長(zhǎng)的不一致性致使穗木切削面難以呈現(xiàn)雙面楔形。砧木、穗木嫁接的成功率為86%，由于樹(shù)苗生長(zhǎng)的不一致性，砧木和穗木的形成層難以準(zhǔn)確的對(duì)齊，導(dǎo)致嫁接成功率受到影響。樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)平均嫁接時(shí)間為20.9 s，與普通嫁接操作人員的手工嫁接作業(yè)時(shí)間近似。試驗(yàn)結(jié)果表明:樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)的嫁接時(shí)間和嫁接成功率接近人工嫁接水平，待進(jìn)一步改進(jìn)后，作業(yè)效率能夠高于人工水平。

圖5 樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)

表1 嫁接試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)根據(jù)樹(shù)苗劈接嫁接手工操作流程，設(shè)計(jì)出基于絲杠傳動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電磁鐵驅(qū)動(dòng)的樹(shù)苗嫁接機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)。

(2)樹(shù)苗嫁接機(jī)器人樣機(jī)平均嫁接時(shí)間為20.9 s，嫁接成功率為86%，接近人工嫁接水平。

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