全自動整排蔬菜嫁接機(jī)嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗

李 軍 張鐵中 褚 佳 張立博 張文波 尹 權(quán)

(1.北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 北京 100020； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

全自動整排蔬菜嫁接機(jī)嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗

李 軍1，2張鐵中2褚 佳2張立博2張文波2尹 權(quán)2

(1.北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 北京 100020； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

為了提高蔬菜嫁接機(jī)的工作效率，對穴盤苗全自動整排嫁接機(jī)加以研究，基于嫁接夾固定嫁接苗的方法，設(shè)計了適用于整排苗同時嫁接的嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)、嫁接夾輸送臺、直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)3部分組成，可在一個工作循環(huán)中輸送5個嫁接夾以及同時固定一排嫁接苗。整個機(jī)構(gòu)通過振動盤完成嫁接夾的自動定向排序；由氣缸驅(qū)動實現(xiàn)自動供夾；利用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的直線機(jī)構(gòu)完成嫁接夾的自動輸送；應(yīng)用氣缸和氣爪驅(qū)動控制嫁接夾的夾口狀態(tài)，并完成5株嫁接苗的同步固定。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗研究，確定了其性能參數(shù)，試驗結(jié)果表明，嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)一個工作循環(huán)用時約12.5 s，供夾成功率達(dá)到94.7%，嫁接苗切口固定成功率為92%，可以滿足整排嫁接技術(shù)的需要。

蔬菜嫁接機(jī)； 振動盤； 嫁接夾； 輸送機(jī)構(gòu)； 設(shè)計； 試驗

引言

嫁接栽培技術(shù)可以有效增強(qiáng)植株的抗病能力和耐低溫能力，擴(kuò)大和增強(qiáng)植物根系吸收養(yǎng)分的范圍和能力，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[1-6]。傳統(tǒng)手工嫁接存在嫁接效率低、勞動強(qiáng)度大和嫁接苗成活率低等缺陷，嚴(yán)重制約嫁接栽培技術(shù)的推廣與應(yīng)用，集機(jī)械、自動化和設(shè)施園藝技術(shù)于一體的機(jī)械嫁接技術(shù)——嫁接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[7]。

貼接法是機(jī)械嫁接采用最多的方式，且一般采用塑料嫁接夾固定，嫁接苗切口愈合后去掉嫁接夾[8-11]。日本井關(guān)公司研制的GR-800B/T型半自動式嫁接機(jī)和GRF-800U型全自動嫁接機(jī)，日本洋馬公司研制的AG1200型全自動嫁接機(jī)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊麗等[12]研制的2JSZ-600型半自動嫁接機(jī)以及姜凱等[13]研制的TJ-800型半自動嫁接機(jī)等，均采用貼接法進(jìn)行嫁接并使用嫁接夾固定嫁接苗。

采用嫁接夾固定嫁接苗，人工上夾環(huán)節(jié)耗費(fèi)的時間占整個嫁接過程的30%，限制了嫁接速度，制約了嫁接育苗技術(shù)的發(fā)展[14]。因此，自動供夾系統(tǒng)的研究是提高嫁接機(jī)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。從提高嫁接機(jī)的生產(chǎn)效率考慮，全自動蔬菜嫁接機(jī)是當(dāng)前機(jī)械嫁接技術(shù)的發(fā)展方向[15]，嫁接機(jī)在一個工作循環(huán)中同時完成多株苗嫁接是有效的解決途徑，研究并開發(fā)相應(yīng)的自動供夾系統(tǒng)具有非常重要的意義。

本文對一種穴盤苗全自動整排蔬菜嫁接機(jī)的自動供夾系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實現(xiàn)嫁接夾的自動定向排序、供夾、整排輸送以及整排嫁接苗的同步固定。

1 嫁接機(jī)自動供夾系統(tǒng)

固定嫁接苗所用的塑料嫁接夾如圖1所示，根據(jù)嫁接夾的結(jié)構(gòu)將其分為夾頭、中間塊、夾柄和彈簧4部分，主要結(jié)構(gòu)尺寸包括嫁接夾寬度W、夾頭高H1、夾柄高H2、彈簧截面直徑D1和彈簧環(huán)直徑D2。

圖1 塑料嫁接夾示意圖Fig.1 Sketch of plastic grafting clip1.夾頭 2.中間塊 3.夾柄 4.彈簧

采用貼接法時，塑料嫁接夾固定嫁接苗的原理如圖2所示。砧木和接穗一般采用30°斜切，砧木和接穗的切口有效貼合后，嫁接夾的夾頭對切口貼合部位進(jìn)行夾持固定。

圖2 嫁接夾固定嫁接苗示意圖Fig.2 Sketch of fixing a grafting seedling by clip

嫁接機(jī)自動供夾系統(tǒng)主要解決3個問題：①將形狀不規(guī)則且數(shù)量眾多的嫁接夾進(jìn)行自動定向排序。②將完成定向排序的嫁接夾自動輸送到夾持位置。③使嫁接夾的夾口自動開閉，完成嫁接苗切口的夾持和固定。

國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)非常重視蔬菜嫁接機(jī)自動送夾系統(tǒng)的研究。日本生研機(jī)構(gòu)開發(fā)了一個基于回轉(zhuǎn)圓盤的自動供夾系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，但嫁接夾需要人工補(bǔ)給，自動化程度不高；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一個多筒連續(xù)供夾系統(tǒng)，送夾筒與嫁接夾形狀相似，可實現(xiàn)不中斷嫁接操作進(jìn)行換筒，自動化程度較高；沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)張秀芳[16]設(shè)計的嫁接夾液力排序及送夾裝置，通過液力排序法實現(xiàn)嫁接夾的定向排序，其排序及送夾成功率為81.6%；北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心與北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心合作開發(fā)的嫁接夾自動排序供夾裝置，利用振動盤進(jìn)行嫁接夾的自動定向排序，供夾速度可達(dá)60只/min，上夾成功率為95%；沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)田素博等[17-18]設(shè)計的嫁接夾振動排序裝置和甜瓜自動嫁接機(jī)推夾裝置，振動盤排夾效率為70只/min，排夾成功率為100%，推夾裝置推夾成功率可達(dá)92%。

這些嫁接機(jī)在一個工作循環(huán)中只有一個嫁接夾對單株嫁接苗進(jìn)行固定。

穴盤苗全自動整排蔬菜嫁接機(jī)自動供夾系統(tǒng)——嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)，在一個工作循環(huán)中同時完成多株苗的嫁接，為提高工作效率，需要多個嫁接夾同時對多株嫁接苗進(jìn)行固定。該嫁接機(jī)采用穴盤自動供苗方式，穴盤規(guī)格為50孔(5×10)，穴孔中心間距為51 mm，在嫁接機(jī)運(yùn)行時，由傳送帶將穴盤的一排苗輸送至作業(yè)位置，并同時對穴盤的一排(5株)秧苗進(jìn)行嫁接作業(yè)[19-20]。

2 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計

嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的作用是將從振動盤出口獲得的嫁接夾輸送至嫁接苗的夾合固定位置，并控制嫁接夾夾口對苗的切口進(jìn)行夾持固定。要求能在一個嫁接作業(yè)循環(huán)中從振動盤拾取5個嫁接夾，對5株嫁接苗同時進(jìn)行切口固定。

2.1 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要包括嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)、嫁接夾輸送臺、直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)3部分。嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)的作用是將振動盤已定向排列的嫁接夾從其出夾口推送至嫁接夾輸送臺的夾持手爪。嫁接夾輸送臺的作用是將嫁接夾推送到嫁接苗的切口貼合處，并控制其夾口的張開和閉合，以完成嫁接苗切口的固定。直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動嫁接夾輸送臺在嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)和嫁接苗固定作業(yè)位置之間往復(fù)運(yùn)動。

圖3 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure sketches of grafting-clip transporting mechanism1.嫁接夾輸送臺 2.直線運(yùn)動機(jī)構(gòu) 3.嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu) 4.振動盤支撐平臺

2.2 嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)

2.2.1 嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

圖6 供夾氣缸供夾過程示意圖Fig.6 Process sketches of clip-feeding by cylinder1.供夾推桿 2.嫁接夾 3.供夾滑道 4.左夾持手爪 5.右夾持手爪

嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)主要由供夾氣缸、振動盤、供夾滑道等組成，如圖4所示。供夾氣缸的活塞桿上通過連接件固定供夾推桿，供夾推桿的安裝高度可以微調(diào)。

嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)由振動盤完成嫁接夾的自動排列和定向供給，然后由供夾氣缸將嫁接夾從振動盤的供料口經(jīng)供夾滑道推送到嫁接夾輸送臺。

圖4 嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)Fig.4 Automatic grafting-clip sorting and feeding mechanism1.供夾氣缸 2.振動盤 3.供夾推桿 4.供夾滑道 5.嫁接夾

振動盤如圖5所示，振動盤利用振動排序原理進(jìn)行嫁接夾的定向排序。工作時，振動盤的振動使嫁接夾從群體中逐個分離并沿其螺旋料道前進(jìn)，前進(jìn)過程中經(jīng)設(shè)定的各種關(guān)口使嫁接夾夾口朝前順序排列并進(jìn)入供料口，方向不合要求的嫁接夾落回料斗重新排序。排在最前面的嫁接夾在供夾氣缸推送下進(jìn)入供夾滑道，緊隨其后的嫁接夾又在等待供夾氣缸推送。

圖5 振動盤Fig.5 Vibration sorting-clip device1.螺旋料道 2.嫁接夾 3.供料口 4.控制器

2.2.2 供夾原理和過程

供夾氣缸推送嫁接夾的過程如圖6所示，推夾前，供夾推桿的推夾部在嫁接夾兩中間塊結(jié)合部的后方(圖6a)。推夾時，推夾部頂住兩中間塊結(jié)合部(圖6b)，直至推夾到位(圖6c)。

為防止在嫁接夾輸送臺直線運(yùn)動時夾持手爪和供夾滑道發(fā)生碰撞，供夾滑道的出夾口和夾持手爪的入夾口之間有一定的間隙，間隙為(3±0.5) mm。

嫁接夾進(jìn)入供夾滑道和夾持手爪后，嫁接夾兩個夾柄的外側(cè)受到擠壓，夾寬W縮小，夾口呈張開狀，并使開口寬度小于夾寬W。

嫁接夾輸送臺每拾取一個嫁接夾，都須將一對嫁接夾夾持爪準(zhǔn)確定位到供夾滑槽的出夾口(定位精度為±0.2 mm)。

2.3 嫁接夾輸送臺

2.3.1 主要結(jié)構(gòu)

嫁接夾輸送臺的主要結(jié)構(gòu)如圖7所示。嫁接夾輸送臺通過主框架板和絲杠連接板與絲杠滑塊連接一起，從而嫁接夾輸送臺在絲杠驅(qū)動下在嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)和嫁接苗固定作業(yè)位置之間作往復(fù)運(yùn)動。

圖7 嫁接夾輸送臺Fig.7 Grafting-clip transporting platform1.絲杠連接板 2.主框架板 3.推送氣缸 4.左L形連接塊 5.左夾持氣缸 6.左夾持手爪 7.右夾持手爪 8.右L形連接塊 9.右夾持氣缸 10.夾持氣爪

圖9 嫁接夾夾口狀態(tài)變化示意圖Fig.9 Status changing sketches of grafting clip1.左夾持氣缸 2.夾持氣爪 3.右夾持氣缸 4.右夾持手爪 5.左夾持氣爪 6.嫁接夾

推送氣缸伸出時，可以將夾持手爪夾持的嫁接夾推送至嫁接苗的切口貼合位置，準(zhǔn)備固定嫁接苗，如圖8所示。

圖8 推送嫁接夾過程示意圖Fig.8 Process sketches of pushing grafting clip1.推送氣缸 2.嫁接夾 3.嫁接苗

2.3.2 固定嫁接苗的過程和原理

嫁接夾輸送臺從嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)依次拾取5個嫁接夾后，在直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動下，將其搬運(yùn)至嫁接苗固定作業(yè)位置實施固定嫁接苗的作業(yè)。在固定嫁接苗前，需要將嫁接夾的夾口張開到大于嫁接苗苗稈直徑的位置；嫁接夾到達(dá)嫁接苗砧木和接穗切口貼合處后(嫁接夾的兩個夾頭分別位于切口的兩側(cè))，使夾口閉合，以此夾持和固定嫁接苗。

單個嫁接夾是由嫁接夾輸送臺上的一對夾持手爪夾持的，嫁接夾兩個夾柄的外側(cè)受到擠壓，可以使夾口張開。因此，控制夾持手爪之間的相對距離，就可控制夾柄距離，即控制夾口開度。當(dāng)嫁接夾完全脫離夾持手爪夾持時，在自身彈簧彈力的作用下，夾口閉合。由嫁接夾輸送臺的結(jié)構(gòu)可知，左右兩個夾持氣缸和夾持氣爪可以驅(qū)動改變夾持手爪的相對距離。

為詳細(xì)說明嫁接夾夾口張開與閉合的實現(xiàn)過程，設(shè)左右兩個夾持氣缸的行程為S1，夾持氣爪的行程為S2，將夾持氣缸和夾持氣爪的動作狀態(tài)以及與之對應(yīng)的夾持手爪的相對距離分3種狀態(tài)說明。

(1)狀態(tài)1：兩夾持氣缸為伸出狀態(tài)，夾持氣爪為閉合狀態(tài)。如圖9a所示，此時每對夾持手爪之間的相對距離為X1，嫁接夾的夾口處于半張開狀態(tài)。狀態(tài)1時，嫁接夾輸送臺從嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)拾取嫁接夾。

(2)狀態(tài)2：兩夾持氣缸為縮回狀態(tài)，夾持氣爪處于閉合狀態(tài)。如圖9b所示，此時每對夾持手爪之間的相對距離縮小為X2，嫁接夾的夾口處于完全張開的狀態(tài)，嫁接夾輸送臺準(zhǔn)備好固定嫁接苗。

(3)狀態(tài)3：兩夾持氣缸為伸出狀態(tài)，夾持氣爪處于張開狀態(tài)。如圖9c所示，此時每對夾持手爪之間的相對距離擴(kuò)大為X3，嫁接夾完全脫離夾持手爪的夾持，在彈簧的作用下，夾口閉合，嫁接苗被夾持固定。

嫁接夾輸送臺完成嫁接苗固定的過程中，需要控制夾持爪之間的相對距離按狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3的順序變化，由此可以分析X1、X2和X3之間的關(guān)系：

(1)狀態(tài)1→狀態(tài)2：左夾持氣缸的活塞桿縮回，帶動左夾持爪向右移動S1；同理，右夾持氣缸的活塞桿縮回，右夾持爪向左滑動S1。因夾持爪之間的相對距離由X1縮小為X2，顯然有

X2=X1-2S1

(1)

(2)狀態(tài)2→狀態(tài)3：左夾持氣缸的活塞桿伸出以及夾持氣爪張開，向左滑動S1+0.5S2；右夾持氣缸活塞桿伸出以及夾持氣爪張開，向右移動S1+0.5S2。因為夾持爪之間的相對距離擴(kuò)大為X3，顯然有

X3=X2+2S1+S2

(2)

圖10 嫁接夾狀態(tài)變化的幾何模型Fig.10 Model of grafting-clip status1.右夾持手爪 2.左夾持手爪

嫁接夾從狀態(tài)2到狀態(tài)3的幾何模型如圖10所示，嫁接夾的中心距離Y1沒有發(fā)生變化，Y1在理論上應(yīng)該與穴盤的穴間距相等；相鄰的左夾持手爪和右夾持手爪由于相對滑動，兩者之間的距離由Y2縮小為Y′2。顯然，如果兩者之間的相對滑動距離過大，兩者將會發(fā)生碰撞，設(shè)該滑動距離為T，由上面的分析可得

T=X3-X2=2S1+S2

(3)

因此，夾持氣缸和夾持氣爪的行程選擇非常重要。由圖9c和圖10可得

Y1=X3+Y′2+2F

(4)

其中，Y1=51 mm，為了避免相鄰的左夾持手爪和右夾持手爪發(fā)生碰撞，需滿足Y′2≥1 mm，因此由式(4)可得

X3≤50-2F

(5)

由圖9c可知，嫁接夾在夾持固定嫁接苗后，要順利地脫離夾持手爪的夾持，須滿足：X3>W，因此可得

X3>W

(6)

根據(jù)式(1)、(2)、(5)、(6)可得

W

(7)

式(7)中，W為狀態(tài)3時嫁接夾寬度，由1.2.2節(jié)分析可知，嫁接夾進(jìn)入供夾滑道和夾持手爪后，夾頭開口寬度應(yīng)該小于此時的夾寬W(此時夾寬W=X1)，根據(jù)該條件和夾子的結(jié)構(gòu)可以確定X1，因而可以根據(jù)式(7)選擇符合條件的氣爪型號確定S2，再根據(jù)式(1)、(2)確定S1和F。

控制嫁接夾夾口完全張開后(狀態(tài)1→狀態(tài)2)，嫁接夾輸送臺的推送氣缸將嫁接夾推送到嫁接苗砧木和接穗切口貼合處(圖8)，然后控制夾口閉合(狀態(tài)2→狀態(tài)3)，對嫁接苗的切口進(jìn)行夾持固定。

2.4 直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)

直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動嫁接夾輸送臺在嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)和嫁接苗固定作業(yè)位置之間運(yùn)動。嫁接夾輸送臺從嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)拾取5個嫁接夾，每次拾取嫁接夾都須將1對嫁接夾夾持手爪準(zhǔn)確定位到供夾滑道出夾口，定位精度為±0.2 mm。嫁接夾輸送臺拾取5個嫁接夾后，直線運(yùn)動并定位到嫁接苗固定作業(yè)位置，使5個嫁接夾與5株嫁接苗位置上一一對應(yīng)，同樣需保證±0.2 mm的定位精度。

直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)選用了KK10020P-980型線性模組，該模組的定位精度為±0.01 mm，遠(yuǎn)高于直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)±0.2 mm的定位精度要求。

選擇步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)為2，即步進(jìn)電動機(jī)實際運(yùn)行時的步距角為0.6°，因為絲杠的導(dǎo)程為20 mm，可以求得嫁接夾輸送臺每移動1 mm需要的脈沖數(shù)為30(即脈沖當(dāng)量)[21-22]，嫁接夾輸送臺拾取一個嫁接夾后需移動51 mm拾取下一個嫁接夾，步進(jìn)電動機(jī)需要輸出的脈沖數(shù)為1 530。選擇步進(jìn)電動機(jī)的啟動頻率為120 Hz，運(yùn)行頻率為7 500 Hz，則運(yùn)行時嫁接夾輸送臺的移動速度約為250 mm/s(嫁接夾輸送臺的載荷忽略不計)。

3 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)工作過程

嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的主要工作過程是：嫁接夾輸送臺拾取嫁接夾→搬運(yùn)嫁接夾→固定嫁接苗。

其詳細(xì)工作流程如下：

(1)嫁接夾輸送臺由初始位置(初始位置由限位開關(guān)確定)移向嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)的供夾滑道出夾口，至嫁接夾輸送臺第1對夾持手爪入夾口與供夾滑道出夾口準(zhǔn)確對位。

(2)供夾氣缸活塞桿伸出，將嫁接夾從嫁接夾振動盤的出夾口經(jīng)由供夾滑道推送至第1對夾持手爪的夾持位置后，供夾氣缸的活塞桿縮回。

(3)嫁接夾輸送臺移動，至下一對夾持手爪入夾口與供夾滑道出夾口準(zhǔn)確對位，重復(fù)步驟(2)。

(4)重復(fù)步驟(3)，直至5對夾持手爪全部拾取到嫁接夾為止。

(5)嫁接夾輸送臺向嫁接苗固定作業(yè)位置運(yùn)動，到達(dá)位置后嫁接夾輸送臺控制左右夾持氣缸和夾持氣爪動作，使5個嫁接夾的夾口張開。

(6)嫁接夾輸送臺的推送氣缸推出，將夾口呈張開狀的5個嫁接夾推送至5株嫁接苗的切口貼合處。

(7)左右夾持氣缸和夾持氣爪動作，使5個嫁接夾的夾口閉合，固定5株嫁接苗的切口貼合處，隨后推送氣缸的活塞桿縮回。

(8)嫁接夾輸送臺反方向運(yùn)動，至第1對夾持手爪的入夾口與嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)的供夾滑道出夾口準(zhǔn)確對位，運(yùn)動過程中嫁接夾輸送臺控制左右夾持氣缸和夾持氣爪動作，使其夾持手爪恢復(fù)至取夾狀態(tài)，準(zhǔn)備下一個循環(huán)作業(yè)。

4 試驗分析

圖11 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)供夾和固苗試驗Fig.11 Experiment of feeding grafting-clips and fixing grafting-seedlings

為確定嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的工作效率和成功率，分別進(jìn)行3組試驗，每組50個嫁接夾，即每1組試驗中嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)不間斷運(yùn)行10個工作循環(huán)(以嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)開始工作動作作為開始，以最后1個工作循環(huán)中，嫁接夾輸送臺完成切口固定作業(yè)返回供夾位置作為結(jié)束)。試驗前，通過調(diào)頻控制器設(shè)定嫁接夾振動盤的工作頻率為48 Hz，設(shè)定供夾氣缸和推送氣缸的工作壓力為0.4 MPa，左夾持氣缸、右夾持氣缸和夾持氣缸的工作壓力為0.5 MPa，選擇步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率為7 500 Hz。試驗過程中，用秒表記錄每組試驗花費(fèi)的時間，記錄每組試驗成功供夾的數(shù)量和成功進(jìn)行嫁接苗固定的數(shù)量。以供夾氣缸將嫁接夾從振動盤出夾口成功推送至夾持手爪的夾持槽為供夾成功，供夾時的狀態(tài)如圖11a所示；以嫁接夾成功夾持住嫁接苗切口(砧木或接穗未出現(xiàn)脫離現(xiàn)象)為固定嫁接苗成功，固定嫁接苗時的狀態(tài)如圖11b所示。試驗結(jié)果如表1、2所示。

嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的1個工作循環(huán)主要完成5個嫁接夾的供夾、同步輸送和5株嫁接苗的同步固定，由表1可知，1個工作循環(huán)平均花費(fèi)時間為12.46 s，因此每個嫁接夾從供夾、輸送到嫁接苗固定花費(fèi)時間2.5 s左右，嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的工作效率達(dá)到了一個較高的水平。

表1 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的工作效率
Tab.1 Work efficiency of grafting clip transporting mechanism

參數(shù)第1組第2組第3組嫁接夾數(shù)/個505050總時間/s124.78123.16125.93單個循環(huán)時間/s12.4812.3112.59

表2 嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)的成功率
Tab.2 Success rate of grafting clip transporting mechanism

試驗組號試驗總數(shù)/個供夾成功數(shù)/個供夾成功率/%固苗成功數(shù)/株固苗成功率/%150479447942504998479435046924488總計15014294.713892

由表2可知，嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)平均供夾成功率為94.7%，固定嫁接苗平均成功率為92%。供夾和固定嫁接苗失敗的原因主要是出現(xiàn)不合格的嫁接夾所致，不合格的嫁接夾導(dǎo)致嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)在供夾環(huán)節(jié)和固定嫁接苗環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)故障。例如，在供夾環(huán)節(jié)，嫁接夾的加工形狀偏差使得夾子上變形較大的彈簧圈無法進(jìn)入供夾滑道的導(dǎo)槽，從而導(dǎo)致供夾氣缸推送嫁接夾時發(fā)生卡夾；在固定嫁接苗環(huán)節(jié)，嫁接夾在夾持位置夾頭方向不正(圖12)、彈簧環(huán)變形導(dǎo)致夾持力不足以及嫁接夾夾頭不能有效閉合等都是導(dǎo)致夾持嫁接苗切口失敗的原因。

圖12 固定嫁接苗失敗原因分析Fig.12 Analysis of failure cause for fixing grafting-seedlings

5 結(jié)論

(1)為滿足穴盤全自動整排蔬菜嫁接機(jī)實現(xiàn)穴盤1排5株幼苗同時嫁接的需要，設(shè)計了一個工作循環(huán)可以實現(xiàn)5個嫁接夾的供夾、輸送和5株嫁接苗同步固定的嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)。嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)主要包含嫁接夾自動排序供夾機(jī)構(gòu)、嫁接夾輸送臺和直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)3部分。

(2)在嫁接夾振動盤工作頻率為48 Hz，供夾氣缸和嫁接夾輸送臺推送氣缸工作壓力為0.4 MPa，夾持氣缸和夾持氣爪的工作壓力為0.5 MPa，步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率為7 500 Hz時，嫁接夾輸送機(jī)構(gòu)一個工作循環(huán)用時約12.5 s，供夾成功率可以達(dá)到94.7%，嫁接苗切口固定成功率為92%。

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Design and Experiment of Grafting-clip Transporting Mechanism of Full Automatic Grafting Machine for Whole-row Vegetable Seedlings

LI Jun1,2ZHANG Tiezhong2CHU Jia2ZHANG Libo2ZHANG Wenbo2YIN Quan2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUnionUniversity,Beijing100020,China2.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

To increase the working efficiency of full automatic grafting machines for whole-row vegetable seedlings in a cell tray, the field of automatic feeding of grafting clips was studied and a grafting-clip transporting mechanism was presented. In a working cycle, this mechanism could transport five grafting clips and clamp whole-row grafting seedlings synchronously. There were three parts in a grafting-clip transporting mechanism, including an automatic grafting-clip sorting and feeding mechanism, a grafting-clip transporting platform and a linear motion mechanism. In the mechanism, automatic orientation and sorting of grafting clips were realized by a vibration device and automatic feeding was driven by a cylinder; automatic transporting of five grafting clips was achieved by a linear motion mechanism which was driven by a stepping motor; cylinders and pneumatic grippers were applied to drive and control the grafting-clip opening to clamp five grafting seedlings synchronously. The experimental study on the mechanism was completed and relative performance parameters were confirmed. The experimental results indicated that the time spent on a working cycle of the grafting-clip transporting mechanism was about 12.5 s, the success rate of grafting-clip feeding could reach 94.7%, and the success rate of grafting-seedling clamping was 92%. Consequently, the grafting-clip transporting mechanism could meet the requirements of the technology of whole-row grafting; the research results laid a solid foundation for the further study on full automatic grafting machines for whole-row vegetable seedlings in a cell tray.

vegetable grafting machine; vibration sorting-clip device; grafting-clip; transporting mechanism; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.003

2016-03-23

2016-08-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA10A506-2)、公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303014-09)和北京聯(lián)合大學(xué)新起點(diǎn)計劃項目(Zk10201607)

李軍(1976—)，男，實驗師，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生，主要從事機(jī)電一體化和農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究，E-mail： jdtlijun@buu.edu.cn

張鐵中(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動化和機(jī)電一體化研究，E-mail： zhangtz56@163.com

S616; S223.1

A

1000-1298(2017)01-0014-07