瓜菜自動(dòng)嫁接機(jī)的設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)瓜菜嫁接育苗人工嫁接效率低、專(zhuān)業(yè)嫁接工人需求量大、嫁接質(zhì)量不穩(wěn)定等作業(yè)耗時(shí)耗力的問(wèn)題，設(shè)計(jì)自動(dòng)瓜菜嫁接機(jī)，實(shí)現(xiàn)砧木、接穗苗切割、貼接、包扎、下料等嫁接工藝流程的自動(dòng)化，大大減少了嫁接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該嫁接機(jī)器使用臥式滾筒多工位貼接方式進(jìn)行瓜菜嫁接，采用四工位四模組的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，將嫁接流程簡(jiǎn)單化、分布化、并行化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械精準(zhǔn)、穩(wěn)定、高效自動(dòng)化嫁接。瓜菜嫁接機(jī)的定位精度為±0.2 mm，實(shí)現(xiàn)了種苗的高精度嫁接。瓜果嫁接機(jī)的嫁接速率為1 401.0株/h，嫁接成功率為98.8%，嫁接壯苗率為98.0%，達(dá)到了快速、優(yōu)質(zhì)的嫁接育苗目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 嫁接機(jī)；嫁接效率；瓜菜；種苗

中圖分類(lèi)號(hào) S 22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）23-0197-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.043

Design of Automatic Grafting Machine for Vegetables

TIAN Hong-mei1， CAI Kui2， TAO Zhen1 et al

（ 1.Institute of Vegetable Crops， Anhui Academy of Agricultural Sciences， Hefei， Anhui 230031;2.Hefei Jiafute Robot Technology Co.， Ltd.， Hefei， Anhui 230088）

Abstract Aiming at the problems of lower efficiency of manual grafting， great demands of professional grafting workers and unstable grafting quality， an automatic vegetable grafting machine was designed to automate the grafting process such as cutting， pasting， wrapping， and cutting rootstocks and scion seedlings， which greatly reduced the labor intensity of grafting work . This grafting machine used a horizontal drum multi station grafting method for grafting， and adopted a four-station and four-module structural foundation to simplify， distribute， and parallelize the grafting process， which achieved automatic grafting accurately， stably， and efficiently. The positioning accuracy of the grafting machine was ± 0.2 mm， which achieved high-precision grafting of seedlings. The grafting rate was 1 401.0 plants per hour. The grafting success rate was 98.8%， and the strong seedling rate was 98.0%， which achieved the goal of fast and high-quality grafting seedling cultivation.

Key words Grafting machine；Grafting efficiency；Vegetables；Seedlings

基金項(xiàng)目 安徽省揭榜掛帥項(xiàng)目（2022296906020002）；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2024YL035）。

作者簡(jiǎn)介 田紅梅（1980—），女，山東無(wú)棣人，副研究員，博士，從事蔬菜新品種選育、種苗繁育及綠色栽培技術(shù)研究。

*通信作者：王朋成，研究員，從事蔬菜育種、育苗及綠色栽培技術(shù)研究；林茂先，研究員，從事機(jī)器視覺(jué)、人工智能等方面研究。

收稿日期 2024-03-25

當(dāng)前蔬菜嫁接技術(shù)已成為解決連作問(wèn)題的重要措施，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［1］。目前，我國(guó)嫁接育苗主要依靠人工嫁接作業(yè)，存在嫁接效率低、缺乏專(zhuān)業(yè)嫁接工人、嫁接苗姿態(tài)一致性不高、嫁接質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，不利于嫁接種植高效優(yōu)質(zhì)發(fā)展。嫁接機(jī)器人在解決用工短缺、提高種苗生產(chǎn)質(zhì)量和效率、保障嫁接生產(chǎn)的時(shí)效性等方面具有重要作用，其市場(chǎng)需求潛力巨大，應(yīng)用前景非常廣闊［2-3］。嫁接機(jī)器人研發(fā)較早的國(guó)家有日本、韓國(guó)、荷蘭等，基于不同的嫁接方法研發(fā)出多種類(lèi)型的嫁接機(jī)。近年來(lái)，日本GR800型半自動(dòng)瓜科嫁接機(jī)嫁接成功率在90%以上，嫁接生產(chǎn)效率為800株/h［4］；西班牙EMP300型全自動(dòng)茄果類(lèi)蔬菜嫁接用機(jī)生產(chǎn)效率為400～600株/h，嫁接成功率在98%以上［5］；韓國(guó)GR-800CS多功能全自動(dòng)嫁接機(jī)生產(chǎn)效率為800株/h，嫁接成功率達(dá)95%［6］；荷蘭ISO Graft 1100型蔬菜全自動(dòng)嫁接機(jī)生產(chǎn)效率達(dá)1 000株/h，嫁接成功率在99%以上［7］。雖然許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種全自動(dòng)嫁接機(jī)，但存在價(jià)格高、體積大、生產(chǎn)模式和育苗技術(shù)不同等問(wèn)題，不利于其在我國(guó)廣泛推廣［8］。我國(guó)蔬菜嫁接機(jī)的相關(guān)研究起步較晚，全國(guó)首臺(tái)嫁接機(jī)裝置及原理簡(jiǎn)單，嫁接成功率在60%左右，此后相繼研發(fā)的蔬菜嫁接機(jī)從控制原理上增加了PLC等技術(shù)，生產(chǎn)效率為800～1 000株/h，嫁接成功率為90%～95%。由于大部分嫁接機(jī)械仍處于試驗(yàn)樣機(jī)階段，且制造成本高、生產(chǎn)效率低，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。隨著我國(guó)設(shè)施栽培面積的不斷擴(kuò)大，人工嫁接工和低生產(chǎn)率的嫁接機(jī)已無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)對(duì)嫁接苗的需求，提高嫁接生產(chǎn)效率已迫在眉睫［9-10］。

2021年合肥佳富特機(jī)器人科技有限責(zé)任公司與安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作，聯(lián)合推出了“JFT-A1500T”自動(dòng)嫁接機(jī)器人，2023年它被評(píng)為安徽省十大創(chuàng)新農(nóng)機(jī)產(chǎn)品之一。該嫁接機(jī)器使用臥式滾筒多工位貼接方式進(jìn)行瓜菜嫁接，采用四工位四模組的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，將種苗嫁接流程簡(jiǎn)單化、分布化、并行化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械精準(zhǔn)、穩(wěn)定、高效自動(dòng)化嫁接，嫁接成功率在98%以上。

1 基本結(jié)構(gòu)及機(jī)械參數(shù)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

瓜菜嫁接機(jī)由機(jī)架、分割器、包扎組件、切割貼接模組、人機(jī)交互界面、腳踏組成，如圖1所示。機(jī)架是機(jī)器的整體框架；分割器用于機(jī)器的主軸旋轉(zhuǎn)；包扎組件完成取夾、捏夾、送夾功能；切割貼接模組實(shí)現(xiàn)砧木接穗的胚軸夾持和橫向貼接功能；人機(jī)交互界面可以記錄嫁接效率、嫁接時(shí)間、嫁接株數(shù)；腳踏是實(shí)現(xiàn)上苗工位胚軸夾持的信號(hào)觸發(fā)。

切割貼接模組（圖2）主要由夾持部件（圖3）和切割部件（圖4）組成。包扎模組主要由嫁接夾直振機(jī)構(gòu)（圖5）和送夾機(jī)構(gòu)（圖6）組成。夾持部件采用橫向手指氣缸裝配夾爪工件，并在夾爪上貼上海綿進(jìn)行配合，可以完成種苗胚軸夾持功能，既不會(huì)傷苗又可以?shī)A緊胚軸。切割部件采用直線彈簧機(jī)構(gòu)配合雙桿氣缸完成切割刀具的伸縮功能，實(shí)現(xiàn)砧木和接穗的固定角度切割。嫁接夾直振機(jī)構(gòu)是利用圓、直通道使雜亂的嫁接夾有序排列、一個(gè)個(gè)振動(dòng)前進(jìn)，進(jìn)入嫁接夾盒中供取夾機(jī)構(gòu)使用。送夾機(jī)構(gòu)通過(guò)橫向滑軌氣缸將嫁接夾送到嫁接夾夾爪上。

1.2 整機(jī)參數(shù)

整機(jī)參數(shù)如下：整機(jī)尺寸1 650 mm×1 630 mm×1 270 mm，整機(jī)重量300 kg，額定功率1.0～1.5 kW，耗氣量＜300 L/min，嫁接效率≥1 200 株/h，嫁接成功率≥98%。

2 嫁接機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

結(jié)合以往的嫁接機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上做出了修改和創(chuàng)新，極大地提高了嫁接效率。創(chuàng)新點(diǎn)如下：

①該機(jī)器采用的橫向貼接式結(jié)構(gòu)，將以往的垂直上苗方式修改為水平上苗方式，使上苗的速度得到了極大提高；

②該設(shè)計(jì)采用滾筒式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將嫁接的流程動(dòng)作分解到各個(gè)工位上，形成流水線式嫁接；

③采用四工位四模組的方式進(jìn)行嫁接，可同時(shí)使多株苗在不同工位進(jìn)行嫁接，使以往的串行動(dòng)作改為并行動(dòng)作，使嫁接效率得到了提高；

④根據(jù)嫁接夾的特征，采用圓振加直振的方式運(yùn)輸嫁接夾，在圓振中將雜亂的嫁接夾有序排列、一個(gè)個(gè)輸送出來(lái)，直振將嫁接夾傳輸?shù)郊藿訆A盒中，供取夾機(jī)構(gòu)使用。

2.2 工作流程

該機(jī)器的動(dòng)作流程分四工位進(jìn)行嫁接（上料→切割→包扎→下料），將所有嫁接流程依據(jù)工位進(jìn)行動(dòng)作，具體流程如圖7所示。

上料工位負(fù)責(zé)砧木和接穗的上料夾持，完成砧木和接穗上料后，切割貼接模組進(jìn)行胚軸夾持，對(duì)砧木和接穗實(shí)施固定，當(dāng)人手離開(kāi)安全光幕后，機(jī)械分割器90°旋轉(zhuǎn)，到達(dá)切割工位。切割工位上完成砧木和接穗苗的切割，并將胚軸托

苗機(jī)構(gòu)下降，便于砧木和接穗的橫向貼接。包扎工位上進(jìn)行

接

穗貼接，接穗通過(guò)貼接氣缸送往砧木固定位置，在貼接過(guò)程

中由送夾機(jī)構(gòu)和托苗板進(jìn)行限位，同時(shí)完成二次貼接過(guò)程，

將嫁接夾打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)包扎動(dòng)作。下料工位將已經(jīng)嫁接完成的成品苗進(jìn)行輸送，完成胚軸夾持打開(kāi)，撥苗氣缸進(jìn)行撥苗動(dòng)作，成品苗從主機(jī)落到成品苗輸送帶上傳輸出去。嫁接機(jī)的動(dòng)作屬于并行動(dòng)作，4個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行，提高了嫁接效率和嫁接成功率。

2.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中的動(dòng)力系統(tǒng)采用電機(jī)和氣缸配合運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

根據(jù)嫁接的工藝設(shè)計(jì)，嫁接機(jī)的定位精度為±0.2 mm，使用伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接絲桿，絲桿上的負(fù)載組件在滑軌上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。絲桿螺距為10 mm，伺服電機(jī)一圈的脈沖為1 000，轉(zhuǎn)矩為0.608 N·m，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負(fù)載重量為9 kg。根據(jù)嫁接的需求，選擇三菱伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)型號(hào)為DS2P-04AS。

2.4 參數(shù)的計(jì)算

2.4.1 電機(jī)功率的計(jì)算。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的要求，進(jìn)行電機(jī)的功率計(jì)算選型。

P=T×N/9 550（1）

式中，P為電機(jī)功率（W），T為轉(zhuǎn)矩（N·m），N為轉(zhuǎn)速（r/min）。

2.4.2 轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。

轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：

T=P×9 550/N（2）

2.4.3 轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)方式，輸出功率（Pb）計(jì)算公式為Pb=F×v（直線運(yùn)動(dòng)），Pb=T×ω（圓周運(yùn)動(dòng)）。其中，F(xiàn)表示受力，v表示線速度（m/s），T為轉(zhuǎn)矩（N·m），ω為角速度（單位rad/s）。

電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

N=v×1 000×60/（2πR）（3）

式中，R為半徑，單位m。

物體轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

N=v×60×1 000/Pb（4）

2.4.4 負(fù)載的計(jì)算。

水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，負(fù)載的計(jì)算公式如下：

F=μmg（5）

式中：F代表負(fù)載（單位N）；μ代表摩擦系數(shù)，這是一個(gè)無(wú)量

綱的數(shù)值，用于描述2個(gè)接觸表面之間的摩擦程度。摩擦系

數(shù)的大小取決于接觸表面的材料和粗糙程度。m代表物體

的質(zhì)量，單位為kg。

g代表重力加速度，約9.8 m/s2。

豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)，負(fù)載的計(jì)算公式如下：

F=mg（6）

3 機(jī)器3D模型的建立

根據(jù)各部件設(shè)計(jì)參數(shù)，完成瓜菜嫁接機(jī)各工作組件的三維建模，利用SolidWorks建立整機(jī)虛擬樣機(jī)。在整機(jī)裝配之前，考慮各個(gè)組件、部件之間的位置關(guān)系，然后根據(jù)裝配標(biāo)準(zhǔn)和裝配步驟裝配。瓜菜嫁接機(jī)總裝三維圖如圖9所示。經(jīng)安裝檢查，各機(jī)構(gòu)的裝配位置合理，運(yùn)動(dòng)流暢，不存在機(jī)構(gòu)干涉。

4 應(yīng)用試驗(yàn)

目前該嫁接機(jī)已在安徽、山東、新疆、四川等地蔬菜育苗場(chǎng)廣泛使用，嫁接試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)論

此次設(shè)計(jì)的瓜菜自動(dòng)嫁接機(jī)實(shí)現(xiàn)了砧木、接穗苗切割、貼接、包扎等嫁接流程的自動(dòng)化，雖然仍需人工將砧木、接穗苗移送到嫁接機(jī)上，但人工輔助操作變少。隨著未來(lái)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員數(shù)量的進(jìn)一步減少，自動(dòng)瓜菜嫁接機(jī)器人技術(shù)需要朝著“全自動(dòng)化”的方向不斷完善。蔬菜嫁接機(jī)全自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)可以解決勞動(dòng)力減少和蔬菜需求量增加的矛盾，因此提高自動(dòng)化程度也是瓜菜嫁接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在需求。結(jié)合工況檢測(cè)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，充分利用嫁接育苗過(guò)程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，使嫁接裝備更加智能化，提高不同批次嫁接苗的兼容性和穩(wěn)定性，降低操作人員對(duì)技術(shù)的要求，從而大幅度提升嫁接效率和嫁接質(zhì)量。

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