嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊 旭，初 麒，楊艷麗，辜 松

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣東 廣州 510640）

0 引言

連作障礙是同一作物或近緣作物連作以后,即使正常栽培管理，也會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降、生長(zhǎng)狀況變差的現(xiàn)象[1]。現(xiàn)代種植領(lǐng)域正在向單一作物、高復(fù)種指數(shù)和集約化生產(chǎn)方向發(fā)展[2]，這種趨勢(shì)導(dǎo)致連作障礙問(wèn)題愈加嚴(yán)重，輕者產(chǎn)量減少，重者顆粒無(wú)收，嚴(yán)重影響了設(shè)施種植生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[3]。蔬菜種苗嫁接作為一種綠色、生態(tài)可持續(xù)性的重要技術(shù)措施，可有效克服連作障礙問(wèn)題，增強(qiáng)植株抗病害能力,提高作物產(chǎn)量[4]，近年在蔬菜生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[5]。目前，嫁接苗生產(chǎn)主要依靠人工作業(yè)完成。隨著大眾對(duì)蔬菜品質(zhì)要求的提高[6]，越來(lái)越多蔬菜種植戶和企業(yè)使用嫁接苗種植蔬菜，導(dǎo)致依靠人工進(jìn)行蔬菜嫁接苗生產(chǎn)難以滿足市場(chǎng)需求，市場(chǎng)上產(chǎn)生了巨大的蔬菜嫁接苗供應(yīng)缺口[7]。機(jī)械嫁接技術(shù)在嫁接作業(yè)中代替人工進(jìn)行作業(yè)，完成嫁接作業(yè)的自動(dòng)切削、對(duì)接等環(huán)節(jié)，在有效提高生產(chǎn)效率的同時(shí)保證嫁接質(zhì)量，是推動(dòng)嫁接苗生產(chǎn)向現(xiàn)代化、工廠化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)措施[8]。因此，蔬菜種苗種植企業(yè)對(duì)機(jī)械嫁接技術(shù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。

機(jī)械嫁接作業(yè)中嫁接夾的供給是實(shí)現(xiàn)砧木苗和接穗苗成功嫁接的重要環(huán)節(jié)，目前主要有振動(dòng)供給和切夾供給2 種供夾方式。振動(dòng)供給使用振動(dòng)盤(pán)振列供給的方式提供嫁接夾，技術(shù)成熟，被國(guó)內(nèi)外嫁接機(jī)廣泛采用，但振動(dòng)供給也存在振動(dòng)盤(pán)體積笨重、供夾不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，難以滿足高速嫁接對(duì)穩(wěn)定、高效供夾的要求。切夾供給方式是將長(zhǎng)條嫁接夾坯按照固定長(zhǎng)度切割后，提供給機(jī)械嫁接作業(yè)使用。這種供給方式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、供夾穩(wěn)定且供夾效率高。但是，對(duì)于不同嫁接作業(yè)形式和嫁接夾廠家，嫁接夾的斷面形狀是不同的，而切夾供給方式的切刀切割嫁接夾坯的角度與嫁接夾坯的斷面形狀有直接關(guān)系，不合適的設(shè)置將會(huì)導(dǎo)致切刀壽命過(guò)短、切后嫁接夾切口不齊，從而引起嫁接夾輸送不暢等問(wèn)題。因此，從提高嫁接生產(chǎn)效率考慮,全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)是當(dāng)前機(jī)械嫁接技術(shù)的發(fā)展方向[9]，研究并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)供夾機(jī)構(gòu)具有非常重要的意義[10]。

本研究針對(duì)茄果類(lèi)嫁接苗用嫁接夾坯，設(shè)計(jì)了一種嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)，開(kāi)展嫁接夾切割作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究，確定合理的切夾角度等作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)茄果類(lèi)蔬菜嫁接苗用嫁接夾坯的準(zhǔn)確切割和穩(wěn)定供給，如圖1（a）所示。

1 自動(dòng)供夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

1）為靈活組合、調(diào)節(jié)切割與送夾作業(yè)動(dòng)作，采用氣力驅(qū)動(dòng)和PLC 控制。

2）切割對(duì)象為圖1（a）所示塑料擠壓成型嫁接夾坯，具體斷面尺寸如圖2 所示。

圖2 嫁接夾坯斷面尺寸

3）為保證正常機(jī)械嫁接作業(yè)，嫁接用嫁接夾長(zhǎng)度要求為15±2 mm；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)等長(zhǎng)度推送嫁接夾坯并將其切割成嫁接夾，如圖1（b）所示。

圖1 嫁接夾坯與切割后嫁接夾

4）嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸送嫁接夾坯、按照設(shè)定長(zhǎng)度切割嫁接夾坯、推送并打開(kāi)切好的嫁接夾、獲得信號(hào)后夾持砧木苗與接穗苗等作業(yè)功能。

1.2 總體設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)采用氣力驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)氣缸及電磁閥均選用AIRTAC 公司的產(chǎn)品，作業(yè)動(dòng)作的控制器選用Mitsubishi 公司FX1S-20MR-001 型號(hào)PLC。根據(jù)設(shè)計(jì)條件中作業(yè)功能的要求，機(jī)構(gòu)設(shè)有推送部件、切夾部件和開(kāi)夾部件。如圖3 所示，推送部件包括夾槽、推送氣缸和夾持氣爪，由于卷裝包裝的嫁接夾坯容易產(chǎn)生彎曲形變而影響推送效果，設(shè)置夾槽的目的是把彎曲的嫁接夾坯調(diào)直，夾槽斷面形狀與嫁接夾斷面輪廓匹配。根據(jù)嫁接夾幾何尺寸，嫁接夾在夾槽內(nèi)的夾持選擇HFZ2-16D 型氣爪，依據(jù)嫁接夾長(zhǎng)度15 mm 的要求，推送選擇TCM16-20型氣缸（通過(guò)調(diào)整螺絲將氣缸實(shí)際作用行程調(diào)節(jié)為15 mm）,氣爪通過(guò)鋁直角板固定在推送氣缸的氣缸桿固定板上。切夾部件安裝在推送部件輸出端，包括推刀氣缸、切刀單元和切夾座，依據(jù)切夾動(dòng)力需求，推刀選擇TCM16-30 型氣缸，切刀單元固定在推刀氣缸的氣缸桿固定板上，推刀氣缸安裝在底板上；在推刀氣缸的推動(dòng)下，進(jìn)入切夾座的嫁接夾坯被切刀單元切斷成15 mm 長(zhǎng)嫁接夾。開(kāi)夾部件由開(kāi)夾氣爪和提升氣缸組成，開(kāi)夾氣爪選擇HFZ2-20D 型號(hào)，相較于HFZ2-16D 有更大的夾持力，能夠保證穩(wěn)定開(kāi)夾，開(kāi)夾氣爪將切割的嫁接夾打開(kāi)，提升氣缸將嫁接夾向上頂出至工作平臺(tái)以供嫁接作業(yè)使用，依據(jù)嫁接夾供給機(jī)構(gòu)底板的高度，提升氣缸選擇TCM16-70型，有效工作行程為70 mm。

圖3 嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)主要部件

如圖4 所示，切刀單元使用的刀片選用美工刀片，尺寸為100 mm×18 mm×0.6 mm，材質(zhì)為SK5碳素鋼，刀片通過(guò)螺釘固定在刀架上。

圖4 切夾部件結(jié)構(gòu)

1.3 工作原理

如圖3 所示，嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程如下：嫁接夾坯由夾槽中送入，夾持氣爪夾緊嫁接夾坯，推送氣缸帶動(dòng)夾持氣爪將嫁接夾坯向前推送1 個(gè)嫁接夾長(zhǎng)度的距離，嫁接夾坯被推進(jìn)切夾座；接著，推刀氣缸快速帶動(dòng)切刀單元切斷嫁接夾坯；隨后，夾持氣爪與推送氣缸配合，再次循環(huán)推送嫁接夾坯；切好的嫁接夾在推送氣缸第2 次推送嫁接夾坯時(shí)被頂入開(kāi)夾氣爪中，開(kāi)夾氣爪打開(kāi)嫁接夾后，提升氣缸上升，帶動(dòng)開(kāi)夾氣爪上移，使嫁接夾頂出，將其送至嫁接工作臺(tái)面；待砧木苗和接穗苗放入對(duì)接后，再通過(guò)觸發(fā)電磁腳踏開(kāi)關(guān)，開(kāi)夾氣爪打開(kāi)，在材料自身彈性作用下，嫁接夾夾住接穗苗與砧木苗的創(chuàng)口，完成1 次供夾嫁接作業(yè)。然后，嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)再次循環(huán)相同步驟，供給下1 個(gè)嫁接夾。

2 自動(dòng)切夾作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

為確定合理的嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)的作業(yè)參數(shù)，通過(guò)切割作業(yè)過(guò)程，對(duì)機(jī)構(gòu)切割嫁接夾坯的效果進(jìn)行了試驗(yàn)。

切割性能主要取決于核心切夾部件，如圖4 所示，影響切夾效果的主要因素包括切夾速度和切夾角度，試驗(yàn)考察切刀切割嫁接夾坯的作用力、切夾時(shí)嫁接夾坯的變形及切割嫁接夾合格率。如圖5 所示，切夾速度是指切刀在切夾過(guò)程中的平均速度，切夾角度是指切刀刃口與切夾速度之間的夾角。切割嫁接夾合格率是指切割后嫁接夾的長(zhǎng)度誤差范圍在±2 mm（即13～17 mm）之間的嫁接夾個(gè)數(shù)與總數(shù)的比值，當(dāng)嫁接夾長(zhǎng)度不穩(wěn)定會(huì)影響送夾作業(yè)的穩(wěn)定性。依據(jù)切夾作業(yè)可行作業(yè)參數(shù)范圍，試驗(yàn)中切夾速度取3 個(gè)水平值，分別是快（26 cm/s）、中（18 cm/s）、慢（10 cm/s）,切夾角度取為30、40、50°?？疾烨械肚懈罴藿訆A坯的作用力，使用IMADA DS2-50N 型測(cè)力儀；考察切夾時(shí)嫁接夾坯變形量，使用SONY FDR-AX700 型數(shù)碼攝錄機(jī)，采用300 幀/幀率高速攝影進(jìn)行拍攝。

圖5 切夾作業(yè)過(guò)程

3 結(jié)果分析

圖6 為在慢（10 cm/s）切夾速度下不同切夾角度的切割作用力，從圖中可以看出，隨著切夾角度增加，作用力平均值呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，作用力最小值出現(xiàn)在切夾角度為30°，為14.7 N，此角度下對(duì)應(yīng)此種嫁接夾坯的斷面特征切割力表現(xiàn)的較??；當(dāng)切夾角度為50°時(shí)，作用力高達(dá)20.1 N，這說(shuō)明此時(shí)嫁接夾坯不容易被切斷。

圖6 切夾角度與作用力的關(guān)系

通過(guò)切割變形情況分析，也可了解嫁接夾坯切割作用力的情況。通過(guò)高速攝影獲取切夾變形情況，如圖7 為切夾速度、切夾角度各水平組合條件下嫁接夾坯切割時(shí)的最大變形時(shí)刻。通過(guò)圖7 的變形量得到表1 所示的變形量數(shù)值。

表1 不同條件下嫁接夾坯切割變形量 單位：mm

圖7 切刀速度與切夾角各試驗(yàn)水平組合下嫁接夾坯變形程度

由表1 中的具體變形量數(shù)據(jù)顯示，各條件下總體變形量由0.31～0.92 mm。切夾角度在30～40°范圍內(nèi)，切割變形并不大，但是切夾角度達(dá)到50°時(shí)，切割變形量增加了2～3 倍。另外，嫁接夾坯切割時(shí)的變形量總體上與切夾速度成反比，這種趨勢(shì)隨著切夾角度的增加，表現(xiàn)得越發(fā)顯著，在切夾角度50°的情況下，低速的切割變形量是高速時(shí)的1.87倍。進(jìn)一步分析各條件下切割變形量的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差（見(jiàn)圖8），可以看出標(biāo)準(zhǔn)差與切夾速度成反比，與切夾角度成正比，這表明，切夾速度越低、切夾角度越大，切割變形量的變化跳動(dòng)越大，呈工作不穩(wěn)定趨勢(shì)，因此，選取作業(yè)切夾速度和切夾角度應(yīng)盡量避免這些區(qū)域。

圖8 切刀速度與切夾角各試驗(yàn)水平組合下變形量標(biāo)準(zhǔn)差

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，確定切夾速度和切夾角度均對(duì)嫁接夾坯切割變形量有一定的影響，切夾速度與切割變形量及變化跳動(dòng)程度成反比，切夾角度與切割變形量及變化跳動(dòng)程度成正比，隨著切夾速度降低、切夾角度增大，切割變形量越來(lái)越大，且切割變形量的變化跳動(dòng)程度也越明顯，即工作越不穩(wěn)定，認(rèn)為這是影響切割嫁接夾合格率的主要原因。為驗(yàn)證結(jié)論，選擇快（26 cm/s）切夾速度、30°切夾角度的作業(yè)參數(shù)，對(duì)切割嫁接夾合格率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示切割嫁接夾合格率達(dá)到了96%，可滿足實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)要求。

在完成自動(dòng)切夾作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)后，對(duì)嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)的實(shí)際作業(yè)性能進(jìn)行測(cè)試，即砧木苗、接穗苗的對(duì)接和自動(dòng)上夾作業(yè)試驗(yàn)。選擇切夾速度為快（26 cm/s）、切夾角度為30°的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，使用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行上夾作業(yè)，其平均速度為4.122 s/株，平均生產(chǎn)率達(dá)到873 株/h。

4 結(jié)論

1）本研究設(shè)計(jì)的嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)，主要由推送部件、切夾部件、開(kāi)夾部件和PLC 控制單元組成，能夠?qū)D壓成型嫁接夾坯切割成固定長(zhǎng)度的嫁接夾并推送到工作位置以供嫁接作業(yè)使用。

2）自動(dòng)切夾作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，切夾速度和切夾角度能夠顯著影響切割嫁接夾合格率，當(dāng)切夾速度越低、切夾角度越大時(shí)，嫁接夾坯的切割變形量越大，且切割變形量的變化跳動(dòng)程度越明顯，工作性能越不穩(wěn)定。

3）選擇切夾速度為26 cm/s、切夾角度為30°的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行切割嫁接夾合格率測(cè)試，結(jié)果顯示，此時(shí)的切割嫁接夾合格率為96%，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)要求。在同樣的作業(yè)參數(shù)下，對(duì)嫁接夾切割式自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)，嫁接作業(yè)平均生產(chǎn)率達(dá)到了873 株/h。