單人工上苗式半自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

童俊華 丁煜華 武傳宇 喻擎蒼 泮金輝 孫 良

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310018)

0 引言

嫁接可增強(qiáng)蔬菜作物的抗病性、抗旱性，使作物早熟，提高作物產(chǎn)量[1-3]。目前國(guó)內(nèi)蔬菜幼苗嫁接作業(yè)多依靠人工完成，存在嫁接效率低、嫁接成本高等問題[4-6]，隨著勞動(dòng)力成本的上升和對(duì)生產(chǎn)高效率的要求，很有必要通過操作簡(jiǎn)單可靠[7]、嫁接效率和成功率高的嫁接機(jī)來實(shí)現(xiàn)該作業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化[8-11]。

日本和韓國(guó)自20世紀(jì)90年代開始研制嫁接機(jī)[12-13]。韓國(guó)Helper Robotech公司開發(fā)了GR800CS型自動(dòng)嫁接機(jī)，該機(jī)有兩名操作人員，可進(jìn)行茄科和瓜科蔬菜的嫁接，嫁接效率可達(dá)800株/h[14-16]。2011年，日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社和日本生研機(jī)構(gòu)共同推出了GRF800-U型自動(dòng)嫁接機(jī)，該機(jī)使用貼接法嫁接，嫁接效率達(dá)800株/h，推廣價(jià)格為140萬人民幣[17-19]。中國(guó)對(duì)自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)的研究起步較晚，現(xiàn)有機(jī)型大多處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)狀態(tài)[20-22]。1998年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等研制出2JSZ-600型蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)[23]，嫁接效率達(dá)600株/h。2009年又研制了雙臂蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)，嫁接效率提升至854株/h[24]。2012年，北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心研制了自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)[25]，將作業(yè)效率提高至800株/h。2017年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)褚佳等設(shè)計(jì)了南瓜科穴盤苗的單人操作嫁接機(jī)器人[11]，嫁接成功率達(dá)95%，嫁接效率達(dá)455株/h。目前全自動(dòng)嫁接機(jī)的生產(chǎn)能力高，但其價(jià)格高昂農(nóng)民難以接受，且對(duì)嫁接用苗的要求較高；半自動(dòng)嫁接機(jī)生產(chǎn)能力低，但價(jià)格和對(duì)嫁接用苗要求相對(duì)更低。我國(guó)育苗機(jī)械技術(shù)正穩(wěn)步發(fā)展，但仍存在蔬菜育苗生產(chǎn)模式不一致等問題[21，25-26]，應(yīng)在保證嫁接機(jī)高生產(chǎn)率的同時(shí)，開發(fā)低成本、通用性好的嫁接設(shè)備[27]。

本文設(shè)計(jì)一種貼接式半自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)，其砧、穗木上苗圓盤與持苗雙臂采用雙棘輪防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)單人工砧、穗木的上苗操作，以達(dá)到相對(duì)提高嫁接效率的目的。通過虛擬仿真構(gòu)建蔬菜嫁接機(jī)模型，試制樣機(jī)后結(jié)合PLC控制進(jìn)行人機(jī)配合嫁接試驗(yàn)，測(cè)定機(jī)器嫁接性能參數(shù)，并與人工操作對(duì)比。

1 嫁接機(jī)組成與原理

該嫁接機(jī)工作區(qū)域由嫁接主區(qū)域和嫁接輔助區(qū)域組成，如圖1所示。

圖1 半自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)Fig.1 Semi-automatic vegetable grafting machine1.送苗夾和輸送苗區(qū)域 2.嫁接臺(tái) 3.夾持機(jī)械臂 4.切削器 5.嫁接試驗(yàn)臺(tái)面 6.持苗盤

幼苗嫁接主區(qū)域包括夾苗區(qū)域、搬運(yùn)區(qū)域、切削區(qū)域、嫁接區(qū)域。

幼苗嫁接輔助區(qū)域包括人工上苗操作區(qū)域、送苗夾和輸送苗區(qū)域。

嫁接主區(qū)域左右對(duì)稱，兩部分分別是接穗和砧木的工作區(qū)域。該區(qū)域由持苗盤、夾持機(jī)械臂、切削器、嫁接臺(tái)和輸送帶組成，其中持苗盤可自轉(zhuǎn)，夾持機(jī)械臂在持苗盤和嫁接臺(tái)之間作來回90°往復(fù)動(dòng)作，切削器固定布置在夾持機(jī)械臂路徑中點(diǎn)45°處。工人負(fù)責(zé)在持苗盤處上苗，振料盤負(fù)責(zé)輸送苗夾至嫁接臺(tái)，輸送帶負(fù)責(zé)輸送已嫁接完畢的幼苗。

整機(jī)工作流程為：操作員上苗后將兩個(gè)夾持機(jī)械臂手動(dòng)調(diào)至水平狀態(tài)，并對(duì)準(zhǔn)持苗盤幼苗。上電后，人工分別補(bǔ)一株接穗和砧木苗，氣動(dòng)夾持機(jī)械臂往前夾取苗木。夾取成功后氣缸桿收回，機(jī)械臂向內(nèi)旋轉(zhuǎn)45°至切削器處對(duì)幼苗進(jìn)行切削處理。切削完成后，夾持機(jī)械臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°至嫁接臺(tái)進(jìn)行嫁接處理，嫁接臺(tái)頂夾桿將苗夾頂出，夾住苗，嫁接完成的幼苗掉落至輸送帶排出，最后夾持機(jī)械臂回轉(zhuǎn)至初始位置，同時(shí)持苗臺(tái)旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)工位，此時(shí)完成了第1株苗嫁接，隨后人工分別補(bǔ)一株接穗和砧木苗。第3株及以后的嫁接苗生產(chǎn)重復(fù)上電之后的動(dòng)作。

自動(dòng)嫁接機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)待嫁接幼苗的處理，本文將幼苗處理分為3個(gè)過程，分別是取砧穗苗、切削砧穗苗和嫁接砧穗苗，分別對(duì)應(yīng)嫁接機(jī)的取苗工位、切削工位和嫁接工位。

2 關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

2.1 砧穗木夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

砧穗木夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將砧木接穗苗從持苗盤處搬運(yùn)到嫁接臺(tái)處，這過程中夾持機(jī)構(gòu)對(duì)砧木接穗苗夾持穩(wěn)定性、搬運(yùn)準(zhǔn)確性以及嫁接成功率起到了決定性的作用。圖2所示為夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)和雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

圖2 砧穗木夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.2 Stock and scion seedlings clamping and rotation device1.夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 2.雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.2 夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的往復(fù)行程為90°，與相關(guān)雙臂嫁接機(jī)器人[19-21]相比，縮短了行程。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程如圖3所示。圖中A、B、C、D為各持苗槽位。

圖3 夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程圖Fig.3 Moving process graph of clamping and transportation mechanism

幼苗從持苗盤到切削器以及嫁接臺(tái)工位的移動(dòng)需要機(jī)械臂來協(xié)助搬運(yùn)。夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是能準(zhǔn)確取苗和夾苗，設(shè)計(jì)夾持機(jī)械臂由SMC-CU系列雙作用氣缸和固定在雙作用氣缸桿末端上的SMC-MHZ系列手指氣缸組成，通過雙作用氣缸伸縮完成取苗和砧穗對(duì)接動(dòng)作，手指氣缸夾持完成夾苗動(dòng)作。

初始位置下，夾持機(jī)械臂上雙作用氣缸啟動(dòng)往持苗盤上槽位A的方向伸出，氣動(dòng)夾持氣缸夾緊槽位A中幼苗后雙行程氣缸回退取出幼苗；夾持臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，將所夾持的幼苗轉(zhuǎn)移至下一切削位置進(jìn)行切苗；切苗后，夾持機(jī)械臂繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°至下一嫁接位置進(jìn)行嫁接，雙作用氣缸氣動(dòng)伸出將砧穗木切削點(diǎn)對(duì)接；嫁接完成后，夾持臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°復(fù)歸初始位置。

夾持機(jī)械臂的夾持手指末端貼有適量泡沫膠，以防夾持過程中損傷幼苗。人工擺放幼苗時(shí)，應(yīng)注意使幼苗苗葉處于持苗盤上方，根莖處于下方并保持自然下垂，確保夾持機(jī)械臂夾取幼苗成功。

2.3 雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)械臂需間歇從持苗盤四向槽位中夾取幼苗，為快速準(zhǔn)確完成這個(gè)動(dòng)作，設(shè)計(jì)了雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 雙棘輪機(jī)構(gòu)平面圖Fig.4 Planar graph of two-ratchetings mechanism1.機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸 2.從動(dòng)輪 3.持苗盤轉(zhuǎn)軸 4.持苗盤軸套 5.右棘輪 6.從動(dòng)帶輪 7.主動(dòng)帶輪 8.左棘輪 9.步進(jìn)電機(jī)

圖5 左右棘輪向視圖Fig.5 Direction view of left and right ratchetings1.主動(dòng)帶輪 2.左棘輪第二棘爪 3.持苗盤轉(zhuǎn)軸 4.持苗盤軸套 5.右棘輪 6.從動(dòng)帶輪 7.機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸 8.右棘輪第二棘爪 9.步進(jìn)電機(jī) 10.左棘輪第一棘爪 11.左棘輪 12.右棘輪第一棘爪

該機(jī)構(gòu)由一對(duì)不同向棘輪、兩個(gè)帶輪、機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸和持苗盤轉(zhuǎn)軸等組成。其中機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸與左棘輪固定，持苗盤軸套與機(jī)架和右棘輪固定。主動(dòng)帶輪受左棘輪控制，從動(dòng)帶輪固定于持苗盤轉(zhuǎn)軸上。

圖5所示為左右棘輪的向視圖，棘爪固定于帶輪上，是帶輪和棘輪相互運(yùn)動(dòng)的媒介。該機(jī)構(gòu)基本的工作要求是：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，左棘輪通過棘爪摩擦阻力帶動(dòng)從動(dòng)帶輪，右棘輪止動(dòng)后從動(dòng)同步帶輪和與之固定的持苗盤轉(zhuǎn)軸保持靜止；步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，左棘輪帶動(dòng)主動(dòng)帶輪并聯(lián)動(dòng)從動(dòng)帶輪，使持苗盤轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。

由工作要求可知，機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度必須等于持苗盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，才可保證機(jī)械臂對(duì)幼苗夾持精準(zhǔn)，故同步齒形帶輪傳動(dòng)比設(shè)置為1∶1。為保證雙軸在0°、90°位置啟停中棘爪完全卡入棘齒中，棘輪的棘齒需每隔90°布置一個(gè)，由此可知棘齒齒數(shù)z為

z=4n

(1)

式中n——正整數(shù)

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，本設(shè)計(jì)取z=16，模數(shù)m通過強(qiáng)度要求確定，用拉力計(jì)測(cè)得并計(jì)算出力矩最大在機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸處為0.59 N·m，可知機(jī)器工作中機(jī)械臂所需負(fù)荷強(qiáng)度很小，可先通過外形結(jié)構(gòu)確定棘輪齒頂圓直徑，本設(shè)計(jì)暫確定齒頂圓直徑da為70～80 mm之間，根據(jù)公式

m=da/z=4.375～5 mm

(2)

取m=5 mm，反向求得齒頂圓直徑da=80 mm。由模數(shù)m、齒頂圓直徑da和齒數(shù)z即可根據(jù)公式計(jì)算得其它設(shè)計(jì)參數(shù)，此處不再贅述。

雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過機(jī)構(gòu)之間的配合傳動(dòng)控制雙軸反向旋轉(zhuǎn)，能完成動(dòng)作并簡(jiǎn)化控制邏輯。因?yàn)榧嘄X數(shù)固定，棘爪依靠卡位能實(shí)現(xiàn)精確定位，輔助夾持機(jī)械臂完成夾持、嫁接這些工位對(duì)機(jī)械臂位置精度的要求。

2.4 切削機(jī)構(gòu)

貼接嫁接法需對(duì)砧木和接穗都進(jìn)行切削，并將砧木和接穗都削成斜面。圖6所示為切削工位圖，為保證切削機(jī)構(gòu)互不干涉，左半部接穗的切削采用自上而下旋轉(zhuǎn)切削，右半部砧木切削采用自下而上旋轉(zhuǎn)切削，兩個(gè)切削機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線均與切削轉(zhuǎn)臂的中心線偏置一定的角度。

圖6 切削工位圖Fig.6 Graph of cutting working position1.夾持機(jī)械臂 2.切削機(jī)構(gòu) 3.試驗(yàn)臺(tái)面

如圖7所示，該切削機(jī)構(gòu)由調(diào)節(jié)滑槽、旋轉(zhuǎn)氣缸、刀片安裝板、刀片固定螺釘、刀片、緊定螺釘、切削轉(zhuǎn)臂、距離調(diào)節(jié)臂組成。距離調(diào)節(jié)臂與調(diào)節(jié)滑槽組成滑動(dòng)副，距離調(diào)節(jié)臂通過螺釘與調(diào)節(jié)滑槽固定，可以調(diào)整切削刀片的切削半徑。切削轉(zhuǎn)臂通過旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)，固定安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸的軸端，能使切削刀片有一個(gè)180°范圍上下切削的動(dòng)作。

圖7 切削機(jī)構(gòu)分解圖Fig.7 Decomposition graph of cutting mechanism1.調(diào)節(jié)滑槽 2.旋轉(zhuǎn)氣缸 3.刀片安裝板 4.切削刀片 5.刀片固定螺釘 6.緊定螺釘1 7.切削轉(zhuǎn)臂 8.緊定螺釘2 9.距離調(diào)節(jié)臂

接穗子葉下方8～10 mm處需斜切出一個(gè)切口，砧木則需切除子葉節(jié)處的生長(zhǎng)點(diǎn)、一片真葉，形成斜切口。

準(zhǔn)確的切苗角度和較高成功率是嫁接需實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，為此，本嫁接機(jī)構(gòu)設(shè)置夾持機(jī)械臂移動(dòng)時(shí)在切削機(jī)構(gòu)處停頓片刻，以輔助實(shí)現(xiàn)切苗的穩(wěn)定。

2.5 嫁接臺(tái)機(jī)構(gòu)

砧木和接穗切削好后，需要在嫁接臺(tái)處對(duì)接并夾持。如圖8所示為嫁接臺(tái)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由振動(dòng)篩選盤、苗夾軌道槽、仿形導(dǎo)向塊、苗夾氣缸、單桿氣缸等組成。

圖8 嫁接臺(tái)示意圖Fig.8 Schematic of grafting bench1.振動(dòng)篩選盤 2.苗夾軌道槽 3.仿形導(dǎo)向塊 4.壓夾塊 5.苗夾氣缸 6.推夾桿 7.氣缸槽 8.單桿氣缸

嫁接臺(tái)機(jī)構(gòu)工作原理為：振動(dòng)篩選盤可調(diào)整至一定的頻率進(jìn)行振動(dòng)篩選苗夾，苗夾由苗夾軌道槽引導(dǎo)入氣缸槽，單桿氣缸的推夾桿往前推動(dòng)苗夾通過仿形導(dǎo)向塊。仿形塊的具體結(jié)構(gòu)如圖9所示，仿形塊內(nèi)部漏斗形設(shè)計(jì)容許苗夾鐵絲通過，使苗夾保持水平狀態(tài)。苗夾氣缸收縮壓迫苗夾接受到待嫁接苗后，苗夾氣缸張開完成嫁接苗的嫁接工作。

圖9 仿形導(dǎo)向塊Fig.9 Profiling guide block

苗夾夾持好待嫁接苗后，掉落至輸送帶，由輸送帶運(yùn)輸至嫁接機(jī)外部進(jìn)行后處理。

2.6 嫁接機(jī)嫁接效率理論分析

自動(dòng)嫁接機(jī)各道工序設(shè)計(jì)完成后需考慮嫁接過程中人與機(jī)器相配合的時(shí)間對(duì)嫁接效率的影響，以指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn)。

本文將自動(dòng)嫁接機(jī)的各道工序按時(shí)間先后順序進(jìn)行排列，制成工作時(shí)序圖如圖10所示。圖中將時(shí)序分為機(jī)器運(yùn)行操作和人工操作兩部分。圖中，T為人工操作時(shí)間；t1為夾臂取苗時(shí)間；t3為切削苗時(shí)間；t21、t22為搬運(yùn)苗時(shí)間；t4為嫁接苗時(shí)間；t5為夾臂復(fù)位時(shí)間。

圖10 嫁接機(jī)工作時(shí)序圖Fig.10 Working sequence in time graph of grafting machine

人工操作時(shí)間為上接穗苗和上砧木苗的時(shí)間。機(jī)器操作時(shí)間為夾持機(jī)械臂從持苗盤取苗時(shí)間、切削苗時(shí)間、搬運(yùn)苗時(shí)間、嫁接苗時(shí)間、夾臂復(fù)位時(shí)間。嫁接完成一株幼苗所需時(shí)間由人工操作時(shí)間和機(jī)器操作時(shí)間共同組成，人工操作時(shí)間為T，機(jī)器操作時(shí)間為t1～t5。完成第1株苗所需時(shí)間是人工操作時(shí)間加上機(jī)器操作時(shí)間，上苗完成后啟動(dòng)機(jī)器。隨著第2株苗、第3株苗的嫁接，人可在機(jī)器操作的同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)苗，所以每株苗所需時(shí)間可用機(jī)器操作時(shí)間代替。

假設(shè)本嫁接機(jī)實(shí)際上可達(dá)到或多于800株/h的嫁接效率。

設(shè)ta為完成第1株嫁接苗所需時(shí)間，tb為完成第2株及之后每株苗所需時(shí)間。根據(jù)上文分析，可列出

ta=T+t1+t21+t3+t22+t4+t5

(3)

tb=t1+t21+t3+t22+t4+t5

(4)

按自動(dòng)嫁接過程及安全生產(chǎn)要求，人必須在機(jī)器完成嫁接動(dòng)作時(shí)間之內(nèi)完成上苗動(dòng)作，得人工操作時(shí)間和機(jī)器操作時(shí)間需滿足

T≤tb

(5)

(6)

式中n——嫁接次數(shù)

ζ——完成n次嫁接的工作效率，株/h

對(duì)于所給理論目標(biāo)，工作效率應(yīng)滿足

ζ≥800株/h

(7)

對(duì)同一人進(jìn)行基礎(chǔ)上苗培訓(xùn)，得出人工操作時(shí)間分布在3～9 s內(nèi)，據(jù)此對(duì)T進(jìn)行取值。圖11中4條曲線分別代表人工操作時(shí)間T為3.0、5.0、7.0、9.0 s時(shí)嫁接效率隨機(jī)器操作時(shí)間變化的關(guān)系。

圖11 嫁接效率與人機(jī)操作時(shí)間關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curves of grafting efficiency and time of human and machine operation

由圖可看出，機(jī)器操作時(shí)間從1.0 s到6.0 s時(shí)，嫁接效率變小的幅度較大。根據(jù)嫁接效率關(guān)系式(7)對(duì)圖進(jìn)行處理，可得出機(jī)器操作時(shí)間tb的要求范圍，經(jīng)分析，為達(dá)到嫁接效率要求，在不同的人工操作時(shí)間T下，有如下關(guān)系

(8)

據(jù)此做出人工和機(jī)器操作時(shí)間關(guān)系圖，如圖12所示。每個(gè)人個(gè)體差異明顯，操作熟練度不同。在預(yù)期的嫁接效率下，人工操作時(shí)間T不同，機(jī)器操作時(shí)間tb的要求也不同。

圖12 人工和機(jī)器操作時(shí)間關(guān)系Fig.12 Relationship graph of artificial and machine times

在實(shí)物試驗(yàn)中，可預(yù)先測(cè)得試驗(yàn)員人工操作時(shí)間T，結(jié)合式(5)以及圖12得出機(jī)器操作時(shí)間，并通過調(diào)控機(jī)器運(yùn)行速度以達(dá)到這個(gè)機(jī)器操作時(shí)間，從而明確試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，以更快地在試驗(yàn)中獲得理想嫁接效率。

3 試驗(yàn)

本試驗(yàn)需測(cè)定嫁接機(jī)的嫁接成功率、嫁接效率和嫁接后的幼苗存活率，并與人工進(jìn)行比較，驗(yàn)證嫁接機(jī)的可行性。

本次試驗(yàn)上苗工序由人工完成，切削、搬運(yùn)、嫁接等工序由機(jī)器自動(dòng)完成。整個(gè)試驗(yàn)嫁接過程連續(xù)進(jìn)行以保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)科學(xué)性。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)采用瓜科“錦栗”南瓜作為砧木，“六葉早”絲瓜苗作為接穗，缽苗均采用集約化生產(chǎn)方式，保證每株嫁接苗生長(zhǎng)和發(fā)育情況相似，排除個(gè)體差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

試驗(yàn)過程中，為排除不確定因素的影響，該嫁接機(jī)的上苗過程均由同一人操作，后續(xù)操作由機(jī)器自動(dòng)完成。

在機(jī)器作業(yè)中，采用5×10規(guī)格的50孔規(guī)格穴盤，試驗(yàn)對(duì)象分為A和B兩組，每組包含100株砧木和100株接穗，對(duì)A組進(jìn)行兩次連續(xù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)使用50株砧木、50株接穗進(jìn)行嫁接。待試驗(yàn)員休息充分后，對(duì)B組進(jìn)行兩次連續(xù)試驗(yàn)。相對(duì)應(yīng)的，在人工嫁接作業(yè)中，試驗(yàn)員也連續(xù)嫁接合計(jì)200株的兩組幼苗，并允許中途休息。

3.2 試驗(yàn)材料參數(shù)測(cè)定

貼接法嫁接方式需將砧木和接穗兩個(gè)斜面靠在一起，用嫁接夾固定。本文培育的嫁接苗要求南瓜砧木胚軸直徑在2.2～3.0 mm，絲瓜接穗胚軸直徑在1.5～2.0 mm。

砧木和接穗的胚軸截面為橢圓形，利用測(cè)量工具對(duì)A、B兩組砧木和接穗胚軸同一位置短軸和長(zhǎng)軸進(jìn)行測(cè)量，得出均值并計(jì)算記錄基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料數(shù)據(jù)Tab.1 Data of test materials

本試驗(yàn)所選用的南瓜苗砧木和絲瓜苗接穗的胚軸直徑符合要求范圍，由標(biāo)準(zhǔn)差可得出每一株之間的胚軸直徑變化不大，證明培育出的成品符合嫁接條件要求，可進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 嫁接成功率及效率試驗(yàn)分析

試驗(yàn)員上苗的時(shí)間越短，嫁接效率越高。經(jīng)過一段時(shí)間的上苗培訓(xùn)后，一般情況下，要求試驗(yàn)員動(dòng)作規(guī)范快速放好幼苗。測(cè)得人工操作時(shí)間T在4 s以內(nèi)，根據(jù)圖11對(duì)應(yīng)機(jī)器操作時(shí)間tb在4.1～4.3 s以內(nèi)。

由于機(jī)器操作時(shí)間和嫁接效率負(fù)相關(guān)，所以機(jī)器操作時(shí)間tb的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)接近較小值4.1 s。經(jīng)程序調(diào)整后，測(cè)得機(jī)器操作時(shí)間在4.0～4.1 s之間波動(dòng)，符合要求，實(shí)際人工操作時(shí)間在4 s以內(nèi)即可達(dá)到理論嫁接效率。

圖13為嫁接過程：人工上苗、機(jī)器取苗、機(jī)器搬運(yùn)幼苗、切削砧木和接穗、嫁接夾苗和輸送下苗。

圖13 嫁接過程示意圖Fig.13 Sketches of grafting processing

根據(jù)獲得的人工操作時(shí)間和機(jī)器操作時(shí)間組合對(duì)A組和B組幼苗進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 成功率及嫁接效率試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result of success rate and grafting efficiency

該試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)人工嫁接試驗(yàn)作對(duì)比。規(guī)定夾持失敗為未夾持住幼苗，切削失敗為切錯(cuò)或未切到幼苗苗莖，嫁接失敗為砧穗木彼此分離。為消除人為因素影響，測(cè)得準(zhǔn)確的嫁接效率，總時(shí)間不包括上下苗盤時(shí)間，試驗(yàn)員中途停留休息時(shí)間等在本試驗(yàn)中不作統(tǒng)計(jì)。從表2可以看出，機(jī)器作業(yè)的嫁接速率比人工作業(yè)快，嫁接成功率兩者基本一致。為更直觀地表達(dá)這些變化，討論機(jī)器作業(yè)和人工作業(yè)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果嫁接效率和成功率影響的顯著性，作單因素方差分析，如表3、4所示。

表3 成功率及嫁接效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of success rate and grafting efficiency

由表3可知，機(jī)器作業(yè)嫁接效率均值為846.3株/h，人工嫁接效率為253.6株/h，從方差看，每盤苗的嫁接效率機(jī)器作業(yè)比人工作業(yè)更穩(wěn)定。機(jī)器作業(yè)成功率均值為89%，與人工嫁接成功率93.5%相比，低了4.5個(gè)百分點(diǎn)，從方差看，每盤苗嫁接的成功率機(jī)器作業(yè)比人工作業(yè)更穩(wěn)定。由表4分析結(jié)果可知，在機(jī)器和人工作業(yè)的嫁接效率上，臨界值F大于F0.05，且無顯著影響概率P小于0.01，表明機(jī)器和人工作業(yè)對(duì)嫁接效率有非常顯著的影響，在機(jī)器和人工作業(yè)的嫁接成功率上，臨界值F小于F0.05，且無顯著影響概率P大于0.01，說明機(jī)器和人工作業(yè)對(duì)成功率的影響不顯著?？傮w來說，試驗(yàn)結(jié)果滿足本文設(shè)計(jì)目標(biāo)，該半自動(dòng)嫁接機(jī)效率可達(dá)人工的3.3倍，且機(jī)器嫁接成功率與人工作業(yè)基本一致。

表4 成功率及嫁接效率的方差分析Tab.4 Variance analysis of success rate and efficiency of grafting

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在機(jī)器作業(yè)中，切削失敗、嫁接失敗的個(gè)數(shù)較多，對(duì)嫁接成功率影響較大。通過分析，發(fā)現(xiàn)若人工上苗時(shí)子葉朝向未調(diào)整到位，切削過程中會(huì)出現(xiàn)切歪的現(xiàn)象，破壞需要保留的子葉，導(dǎo)致切削失敗，上苗中應(yīng)該注意將子葉調(diào)整到位；由于植物培育差異性，部分砧木子葉與莖稈連接處會(huì)出現(xiàn)畸形彎曲，切削后截面與接穗截面差異過大無法對(duì)接，產(chǎn)生大幅偏移，導(dǎo)致嫁接失敗，應(yīng)從培育角度科學(xué)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)砧木接穗以降低畸形率。在人工作業(yè)中，人手工切苗時(shí)，切苗角度和力度控制出現(xiàn)偏差都會(huì)導(dǎo)致切削失敗，而夾持和嫁接過程相對(duì)更費(fèi)時(shí)但是不容易出錯(cuò)。

4 結(jié)論

(1)為提高嫁接機(jī)的運(yùn)行效率，本文優(yōu)化嫁接機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)布局，使持苗旋轉(zhuǎn)臂的總旋轉(zhuǎn)角為90°，切削工位在其旋轉(zhuǎn)范圍的45°位置，砧穗木上苗盤采用同側(cè)設(shè)計(jì)，方便人機(jī)配合嫁接作業(yè)。

(2)嫁接機(jī)關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)了雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙軸間歇旋轉(zhuǎn)，提高嫁接效率，雙棘輪定位精確，保證了嫁接的成功率。

(3)嫁接臺(tái)安裝仿形導(dǎo)向塊和氣缸夾持手，保證苗夾精準(zhǔn)夾苗；人工操作時(shí)間和機(jī)器操作時(shí)間為4 s和4.1 s以內(nèi)，使嫁接效率符合要求。

(4)嫁接樣機(jī)通過人機(jī)配合嫁接試驗(yàn)得出常規(guī)作業(yè)性能參數(shù)，嫁接成功率和嫁接效率穩(wěn)定，其嫁接成功率為89%，嫁接效率為846.3株/h，是人工嫁接效率的3.3倍，滿足工廠化生產(chǎn)嫁接苗的需求。