苗木嫁接切削參數(shù)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

馬繼業(yè),張 慧,馬嘯駿,許亞輝

(1.山東哈臨集團(tuán)有限公司,山東 臨清 252600) (2.聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 聊城 252000)

嫁接可豐富植物品種、改善品質(zhì)、提高其生態(tài)抗逆性,是目前果樹繁育的主要途徑之一。機(jī)械嫁接采用自動嫁接機(jī)輔助完成嫁接作業(yè),相比傳統(tǒng)的手工嫁接,可提高嫁接效率、穩(wěn)定嫁接質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度。隨著用工成本的增加和技術(shù)工人的流失,機(jī)械嫁接將逐漸成為果樹育苗行業(yè)的必然選擇。

自動嫁接機(jī)通常由匹配、切削、接合、固定、排苗等功能模塊組成。其中,切削模塊用于嫁接苗凹凸切口的切制,其切削參數(shù)(切削力、切削速度等)對嫁接質(zhì)量(嫁接成功率、嫁接苗成活率等)有直接影響,同時(shí)這些參數(shù)也是切削模塊的重要設(shè)計(jì)參數(shù)[1-2]。通常,學(xué)者們需要通過試驗(yàn)來研究切削參數(shù)的合理取值,試驗(yàn)中常采用通用儀器或自制設(shè)備。李明等[3-4]基于自制的切削試驗(yàn)裝置研究了轉(zhuǎn)速、滑切角、苗木直徑等對毛桃切削阻力的影響;韓會敏等[5]采用電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對葡萄枝力學(xué)特性進(jìn)行了分析;羅軍等[6]利用改進(jìn)的PC-A型皮帶傳動試驗(yàn)臺對葡萄苗莖桿進(jìn)行了切削扭矩試驗(yàn)。然而上述儀器或設(shè)備操作過程通常較復(fù)雜,且適用范圍較小,不具有通用性。

葡萄、梨、蘋果、李子、核桃等常見果樹均可采用枝接法進(jìn)行機(jī)械嫁接,且實(shí)現(xiàn)方法相近[7-8]。本文設(shè)計(jì)了一款適用于上述多種果樹的嫁接切削參數(shù)試驗(yàn)裝置,通過試驗(yàn)研究切削參數(shù)對各類嫁接苗木切削質(zhì)量的影響規(guī)律,為相應(yīng)嫁接裝備切削模塊的設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

目前,市面上適合各類果樹機(jī)械嫁接作業(yè)的嫁接刀刃口形狀主要有Ω型、U型和V型3種,如圖1(a)所示。各種刃口的嫁接特點(diǎn)和適用范圍不盡相同,其中Ω型嫁接具有接觸面積大、連接緊密等優(yōu)點(diǎn),如圖1(b)所示,相比其余兩種更為常用。

圖1 常見機(jī)械嫁接刀片

設(shè)計(jì)嫁接機(jī)切削模塊時(shí),一般需要提前確定切削速度、切削功和最大切削力等切削參數(shù)。這些參數(shù)的合理確定,通常需要進(jìn)行各種苗木切削試驗(yàn),并在分析最大切削阻力隨切削速度、砧木粗度的變化規(guī)律,切面質(zhì)量隨切削速度的變化規(guī)律以及切削速度對切削功的影響規(guī)律等的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

為滿足各種苗木切削試驗(yàn)要求,切削參數(shù)試驗(yàn)裝置除可對多種果樹嫁接苗進(jìn)行切削、方便更換嫁接刀之外,還應(yīng)能提供多種切削速度,并具有自動測量切削阻力、切削速度、苗木長短徑等參數(shù)以及方便觀測苗木切面等功能。裝置主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 Ω/U/V型嫁接刀片主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的切削參數(shù)試驗(yàn)裝置如圖2所示,由機(jī)架、切削模塊、測量模塊、氣控模塊和控制系統(tǒng)組成。機(jī)架由工作臺和安裝在工作臺上的支架組件兩部分組成;切削模塊安裝在支架組件上,用于切削待測苗木;測量模塊也安裝在支架組件上,用于實(shí)時(shí)測量嫁接刀的運(yùn)動參數(shù)和切削阻力、測量苗木直徑以及觀測切面質(zhì)量;氣控模塊控制切削模塊的切削速度;控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)模式,用于實(shí)現(xiàn)裝置的自動控制。其工作流程如圖3所示。

1—?dú)饪亟M件;2—工作臺;3—支架組件;4—切削模塊;5—測量模塊;6—PC機(jī);7—控制箱

圖3 裝置工作流程

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 切削模塊設(shè)計(jì)

切削模塊由安裝座、移動座、導(dǎo)向光軸、嫁接刀模塊、切砧、切削氣缸和浮動接頭等組成,如圖4所示。

1—安裝座;2—浮動接頭;3—導(dǎo)向光軸;4—移動座;5—觀測顯微鏡;6—嫁接刀模塊;7—切砧;8—苗徑(橫向)測量組件;9—切削氣缸;10—位移傳感器;11—壓力傳感器

嫁接刀模塊安裝在移動座右下側(cè),包括可換刀座、嫁接刀和壓刀塊,如圖5(a)所示。其中,嫁接刀片采用市售各類常見苗木嫁接刀片,通過兩側(cè)壓刀塊安裝在可換刀座上,可通過更換嫁接刀模塊滿足各種苗木對不同嫁接刀片的要求。移動座通過直線軸承套裝在導(dǎo)向光軸上,移動座與導(dǎo)向光軸構(gòu)成移動副,可帶動嫁接刀相對切砧上下移動;浮動接頭與移動座用螺栓連接,其為一球副,可降低切削氣缸相對于移動座的位置精度要求。切砧在水平方向上設(shè)有可防止切削過程中苗木移動的弧形通槽,豎直方向上設(shè)有與嫁接刀刃口相吻合、有助于苗木切斷的容刀槽,如圖5(b)所示。

1—可換刀座;2—嫁接刀;3—壓刀塊;4—弧形通槽;5—容刀槽

2.2 測量模塊設(shè)計(jì)

1)嫁接刀運(yùn)動速度測量。采用直線式位移傳感器實(shí)時(shí)測量嫁接刀的位移,并對位移求導(dǎo)得出嫁接刀的實(shí)時(shí)速度。直線式位移傳感器安裝在支架組件中部,伸出端與切削氣缸的活塞桿相連,如圖4所示。

2)切削阻力測量。采用S型壓力傳感器測量切削阻力,其安裝在切削氣缸與浮動接頭之間,可實(shí)時(shí)感知切削過程中切削阻力的變化,如圖4所示。

3)苗徑測量。果樹嫁接苗木的截面通常為類橢圓形,為保證切削的穩(wěn)定性,可使其以長徑水平、短徑豎直的姿態(tài)置于切砧內(nèi)。苗徑的測量分為短徑(垂向)測量和長徑(橫向)測量兩部分,如圖6所示。短徑(垂向)測量由壓力傳感器與位移傳感器配合完成,根據(jù)壓力傳感器的檢測數(shù)據(jù)可判斷出切削的始、終時(shí)刻,兩時(shí)刻間位移傳感器檢測的位移量即為短徑。長徑(橫向)測量由手指氣缸、齒輪齒條副和角度傳感器配合完成,長徑的變化可反映為手指的移動,手指的移動通過齒輪齒條副轉(zhuǎn)換為齒輪的轉(zhuǎn)動,齒輪的轉(zhuǎn)動角度由角度傳感器測量,即通過角度傳感器測得的角度數(shù)值換算得到長徑。

1—位移傳感器;2—切削氣缸;3—齒輪;4—齒條;5—手指連接件;6—角度傳感器;7—手指氣缸

4)切面觀測。采用顯微鏡觀測、記錄苗木在切削過程中的變形以及切削后苗木的切面質(zhì)量,其通過支架安裝在嫁接刀模塊后側(cè),如圖4所示。

2.3 氣控模塊設(shè)計(jì)

氣控模塊用于控制手指氣缸的開合運(yùn)動和切削氣缸的下行速度,由氣泵、氣源三聯(lián)件、電磁閥、節(jié)流閥、氣閥和多通接頭等組成。其中,氣源三聯(lián)件由過濾器、減壓閥和油霧器3部分組成;多通接頭有前、后2個(gè),前端接頭采用一進(jìn)多出形式,其進(jìn)氣孔與電磁閥常閉出氣孔相連,后端接頭采用多進(jìn)一出形式,其出氣孔與切削氣缸進(jìn)氣口相連,前端、后端接頭的出、進(jìn)氣口一一對應(yīng)形成多條支路,各支路均由串接的節(jié)流閥和氣閥組成,開關(guān)氣閥控制所屬支路的通斷,調(diào)節(jié)節(jié)流閥可控制所屬支路對應(yīng)的切削氣缸的速度。氣控模塊氣動回路原理如圖7所示。

1—手指氣缸;2—二位三通電磁換向閥;3—壓力表;4—油霧器;5—減壓閥;6—過濾器;7—空氣壓縮機(jī);8—流量控制閥;9—切削氣缸

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)模式,上位機(jī)為PC機(jī),下位機(jī)為STM32單片機(jī),上、下位機(jī)采用串口通信。下位機(jī)接收上位機(jī)指令,通過各電磁閥控制切削氣缸、手指氣缸運(yùn)動,同時(shí)采集和上傳壓力傳感器、位移傳感器、角度傳感器的數(shù)據(jù);上位機(jī)根據(jù)接收到的傳感器數(shù)據(jù)測算嫁接苗直徑,實(shí)時(shí)測試、記錄嫁接刀片的切削阻力、位移及速度,實(shí)時(shí)顯示、記錄顯微鏡采集的圖像,向下位機(jī)發(fā)送切削氣缸、手指氣缸的運(yùn)動控制指令。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的可行性,搭建試驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示。樣機(jī)選用LWF-100-A1直線位移傳感器,其機(jī)械行程為150 mm,重復(fù)精度為0.01 mm;選用P3022型高精度霍爾磁敏角度傳感器,其有效行程為0～360°,線性精度為±0.01%;選用GJBLS-I型高精度S型稱重傳感器作為壓力傳感器,其量程為0～100 kN,精度為0.05%F·S,可以抵抗加大的扭矩、側(cè)壓力和偏轉(zhuǎn)負(fù)載力;選用ZQ-303工業(yè)顯微鏡作為觀測顯微鏡,其采用1 000×變焦放大、1 080P高清分辨率,具有倍率調(diào)整、角度調(diào)整、拍照/錄像、亮度調(diào)節(jié)等功能;選用佳普kyj-1型無油靜音空氣壓縮機(jī)作為氣泵,其氣罐容量為30 L,排氣量為0.12 m3/min,出口壓力為0.8 MPa;選用亞德客GF20008F型氣源三聯(lián)件進(jìn)行氣源處理、亞德客4V310-10型電磁閥進(jìn)行氣動控制。

3.1 試驗(yàn)方案

選用20株SO4型葡萄砧木(如圖9所示)為試驗(yàn)對象進(jìn)行樣機(jī)性能測試,測試內(nèi)容如下。

圖9 SO4型葡萄砧木

1)苗徑測量。應(yīng)用樣機(jī)和游標(biāo)卡尺分別測量20株苗木橢形切面的長、短徑,對比兩者測量數(shù)據(jù),分析樣機(jī)的測量精度。

2)切面質(zhì)量觀測?？刂茦訖C(jī)分別以5、10、20、50 mm/s的平均切削速度切削苗木,觀測切面組織,分析切削速度的合理取值。

3)最大切削阻力測量。分別以5、10、20、50 mm/s的平均切削速度切削苗木,測量各苗木在不同切削速度下的最大切削阻力。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)苗徑測量結(jié)果如圖10所示。長徑的樣機(jī)測量結(jié)果、游標(biāo)卡尺測量結(jié)果最大絕對偏差和相對偏差的絕對值分別為0.08 mm和9.1%,平均絕對偏差和相對偏差的絕對值分別為0.039 mm和4.3%;短徑的樣機(jī)測量結(jié)果、游標(biāo)卡尺測量結(jié)果最大絕對偏差和相對偏差的絕對值分別為0.07 mm和11.2%,平均絕對偏差和相對偏差的絕對值分別為0.037 mm和6.1%。由此可知,樣機(jī)的測量精度較高,能夠滿足相關(guān)切削參數(shù)影響規(guī)律試驗(yàn)研究的需要。

圖10 苗徑測量結(jié)果

2)切面質(zhì)量觀測結(jié)果如圖11所示。當(dāng)平均切削速度為5 mm/s時(shí),苗木切面出現(xiàn)裂痕,木栓層、韌皮部組織受損較嚴(yán)重,木質(zhì)層部分導(dǎo)管出現(xiàn)破損;平均切削速度為10 mm/s時(shí),苗木切面木栓層出現(xiàn)細(xì)微裂痕,但木栓層導(dǎo)管未發(fā)現(xiàn)明顯破損;平均切削速度為20 mm/s和50 mm/s時(shí),苗木切面未發(fā)現(xiàn)裂痕,木栓層、韌皮部組織未發(fā)現(xiàn)破損?？梢?提高切削速度有利于形成良好的切面組織,對于試驗(yàn)苗木,為保證嫁接質(zhì)量,切削速度需控制在20 mm/s以上。

圖11 表面質(zhì)量記錄

3)表2為其中3株砧木在4種平均切削速度下的最大切削阻力。一般情況下,最大切削阻力會隨著苗木粗度、切削速度的增加而增大,但試驗(yàn)結(jié)果顯示最大切削阻力并不隨切削速度單調(diào)變化,而是呈先減小、后增大且增大幅度逐漸趨緩的變化趨勢。

表2 最大切削阻力測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的切削參數(shù)試驗(yàn)裝置能較準(zhǔn)確地測量苗木粗度、嫁接刀的運(yùn)動參數(shù)和切削阻力,并觀測苗木切面質(zhì)量,可滿足多種果樹的嫁接切削參數(shù)試驗(yàn)需要。切削速度對苗木切面質(zhì)量有直接影響,當(dāng)其高于一定值時(shí),才可避免過度損壞切面組織,保證苗木嫁接質(zhì)量。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的裝置可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)預(yù)設(shè)功能,設(shè)計(jì)方案可行。