嫁接夹切割式自动供给机构的设计与试验.pdf

41 第4期 杨 旭 等 嫁接夹切割式自动供给机构的设计与试验 嫁接夹切割式自动供给机构的设计与试验 杨 旭 1 初 麒 2 杨艳丽 2 辜 松 1 1 华南农业大学工程学院 广东 广州 510642 2 广州实凯机电科技有限公司 广东 广州 510640 摘 要 随着设施蔬菜集约化生产模式的不断扩大 市场对蔬菜嫁接苗的需求量越来越大 依靠人工生产嫁接苗 难以满足供求 机械化嫁接已经成为提高蔬菜嫁接苗生产能力不可或缺的技术 嫁接夹供给是机械嫁接设备中关 键的作业环节 目前嫁接夹供给形式主要有振动供给和切夹供给2种模式 振动供给存在结构复杂 噪声大 供 给不稳定等问题 切夹供给结构简单 作业噪声小 供夹稳定 但是 针对不同嫁接作业形式 不同嫁接夹厂 家 嫁接夹的断面形状会有所不同 为保证切夹质量和提高切刀使用寿命 有必要依据嫁接夹的断面优化切夹角 度和切削速度 本文研发设计了一种嫁接夹切割式自动供给机构 并以茄果类蔬菜嫁接苗用挤压成型嫁接夹坯为 作业对象 进行了自动供夹作业参数优化试验 结果表明 切夹速度与切夹角度对嫁接夹合格率有显著影响 当切 夹速度为26 cm s 切夹角度为30 时 切割的嫁接夹有96 长度偏差小于 2 mm 平均作业生产率达到873 株 h 可满足实际生产的技术要求 关键词 机械嫁接 嫁接夹坯 切割 自动供给 设计 试验 中图分类号 S274 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2022 04 0041 05 收稿日期 2022 07 07 基金项目 广东省设施农业共性关键技术创新团队项目 2022KJ131 作者简介 杨旭 2000 男 本科生 主要从事现代园艺生产装备的研究 E mail 37040732 通讯作者 辜松 1963 男 博士 教授 主要从事现代园艺生产装备的研究 E mail sgu666 现代农业装备第43卷 第4期 2022年8月 Vol 43 No 4 Aug 2022Modern Agricultural Equipment 0 引言 连作障碍是同一作物或近缘作物连作以后 即使 正常栽培管理 也会出现产量降低 品质下降 生 长状况变差的现象 1 现代种植领域正在向单一作 物 高复种指数和集约化生产方向发展 2 这种趋 势导致连作障碍问题愈加严重 轻者产量减少 重 者颗粒无收 严重影响了设施种植生产的可持续发 展 3 蔬菜种苗嫁接作为一种绿色 生态可持续性 的重要技术措施 可有效克服连作障碍问题 增强 植株抗病害能力 提高作物产量 4 近年在蔬菜生产 中得到广泛应用 5 目前 嫁接苗生产主要依靠人 工作业完成 随着大众对蔬菜品质要求的提高 6 越 来越多蔬菜种植户和企业使用嫁接苗种植蔬菜 导 致依靠人工进行蔬菜嫁接苗生产难以满足市场需求 市场上产生了巨大的蔬菜嫁接苗供应缺口 7 机械嫁 接技术在嫁接作业中代替人工进行作业 完成嫁接 作业的自动切削 对接等环节 在有效提高生产效 率的同时保证嫁接质量 是推动嫁接苗生产向现代 化 工厂化发展的关键技术措施 8 因此 蔬菜种苗 种植企业对机械嫁接技术的需求越来越强烈 机械嫁接作业中嫁接夹的供给是实现砧木苗和 接穗苗成功嫁接的重要环节 目前主要有振动供给 和切夹供给 2 种供夹方式 振动供给使用振动盘振 列供给的方式提供嫁接夹 技术成熟 被国内外嫁 接机广泛采用 但振动供给也存在振动盘体积笨重 供夹不稳定等缺点 难以满足高速嫁接对稳定 高 效供夹的要求 切夹供给方式是将长条嫁接夹坯按 照固定长度切割后 提供给机械嫁接作业使用 这 种供给方式机构结构紧凑 供夹稳定且供夹效率高 但是 对于不同嫁接作业形式和嫁接夹厂家 嫁接 夹的断面形状是不同的 而切夹供给方式的切刀切 割嫁接夹坯的角度与嫁接夹坯的断面形状有直接关 系 不合适的设置将会导致切刀寿命过短 切后嫁 接夹切口不齐 从而引起嫁接夹输送不畅等问题 因此 从提高嫁接生产效率考虑 全自动蔬菜嫁接机 42 现代农业装备 2022年 是当前机械嫁接技术的发展方向 9 研究并开发相应 的自动供夹机构具有非常重要的意义 10 本研究针对茄果类嫁接苗用嫁接夹坯 设计了 一种嫁接夹切割式自动供给机构 开展嫁接夹切割 作业参数优化试验研究 确定合理的切夹角度等作 业参数 实现茄果类蔬菜嫁接苗用嫁接夹坯的准确 切割和稳定供给 如图 1 a 所示 1 自动供夹机构设计 1 1 设计条件 1 为灵活组合 调节切割与送夹作业动作 采 用气力驱动和 PLC 控制 2 切割对象为图 1 a 所示塑料挤压成型嫁接 夹坯 具体断面尺寸如图 2 所示 3 为保证正常机械嫁接作业 嫁接用嫁接夹长 度要求为 15 2 mm 实现自动等长度推送嫁接夹坯 并将其切割成嫁接夹 如图 1 b 所示 a 嫁接夹坯 b 切割后嫁接夹 图 1 嫁接夹坯与切割后嫁接夹 图 2 嫁接夹坯断面尺寸 4 嫁接夹切割式自动供给机构要求实现自动输 送嫁接夹坯 按照设定长度切割嫁接夹坯 推送并 打开切好的嫁接夹 获得信号后夹持砧木苗与接穗 苗等作业功能 1 2 总体设计 该机构采用气力驱动 执行部件驱动气缸及电 磁阀均选用 AIRTAC 公司的产品 作业动作的控制 器选用 Mitsubishi 公司 FX1S 20MR 001 型号 PLC 根据设计条件中作业功能的要求 机构设有推送部 件 切夹部件和开夹部件 如图 3 所示 推送部件 包括夹槽 推送气缸和夹持气爪 由于卷装包装的 嫁接夹坯容易产生弯曲形变而影响推送效果 设置 夹槽的目的是把弯曲的嫁接夹坯调直 夹槽断面形 状与嫁接夹断面轮廓匹配 根据嫁接夹几何尺寸 嫁接夹在夹槽内的夹持选择 HFZ2 16D 型气爪 依 据嫁接夹长度 15 mm 的要求 推送选择 TCM16 20 型气缸 通过调整螺丝将气缸实际作用行程调节为 15 mm 气爪通过铝直角板固定在推送气缸的气缸 杆固定板上 切夹部件安装在推送部件输出端 包 括推刀气缸 切刀单元和切夹座 依据切夹动力需 求 推刀选择 TCM16 30 型气缸 切刀单元固定在 推刀气缸的气缸杆固定板上 推刀气缸安装在底板 上 在推刀气缸的推动下 进入切夹座的嫁接夹坯被 切刀单元切断成 15 mm 长嫁接夹 开夹部件由开夹 气爪和提升气缸组成 开夹气爪选择 HFZ2 20D 型 号 相较于 HFZ2 16D 有更大的夹持力 能够保证稳 1 夹槽 2 推送气缸 3 夹持气爪 4 开夹气爪 5 提升 气缸 6 切夹座 7 切刀单元 8 推刀气缸 9 底板 图 3 嫁接夹切割式自动供给机构主要部件 43 第4期 杨 旭 等 嫁接夹切割式自动供给机构的设计与试验 定开夹 开夹气爪将切割的嫁接夹打开 提升气 缸将嫁接夹向上顶出至工作平台以供嫁接作业使 用 依据嫁接夹供给机构底板的高度 提升气缸选 择TCM16 70型 有效工作行程为70 mm 如图 4 所示 切刀单元使用的刀片选用美工刀 片 尺寸为 100 mm 18 mm 0 6 mm 材质为 SK5 碳素钢 刀片通过螺钉固定在刀架上 1 推刀气缸 2 刀架 3 紧固螺钉 4 切夹座 5 切刀 图 4 切夹部件结构 1 3 工作原理 如图 3 所示 嫁接夹切割式自动供给机构的 工作过程如下 嫁接夹坯由夹槽中送入 夹持气 爪夹紧嫁接夹坯 推送气缸带动夹持气爪将嫁 接夹坯向前推送 1 个嫁接夹长度的距离 嫁接夹 坯被推进切夹座 接着 推刀气缸快速带动切刀 单元切断嫁接夹坯 随后 夹持气爪与推送气缸 配合 再次循环推送嫁接夹坯 切好的嫁接夹在 推送气缸第 2 次推送嫁接夹坯时被顶入开夹气爪 中 开夹气爪打开嫁接夹后 提升气缸上升 带 动开夹气爪上移 使嫁接夹顶出 将其送至嫁接 工作台面 待砧木苗和接穗苗放入对接后 再通 过触发电磁脚踏开关 开夹气爪打开 在材料自 身弹性作用下 嫁接夹夹住接穗苗与砧木苗的创 口 完成 1 次供夹嫁接作业 然后 嫁接夹切割 式自动供给机构再次循环相同步骤 供给下 1 个 嫁接夹 2 自动切夹作业参数优化试验 为确定合理的嫁接夹切割式自动供给机构的作 业参数 通过切割作业过程 对机构切割嫁接夹坯 的效果进行了试验 切割性能主要取决于核心切夹部件 如图 4 所 示 影响切夹效果的主要因素包括切夹速度和切夹 角度 试验考察切刀切割嫁接夹坯的作用力 切夹 时嫁接夹坯的变形及切割嫁接夹合格率 如图 5 所 示 切夹速度是指切刀在切夹过程中的平均速度 切夹角度是指切刀刃口与切夹速度之间的夹角 切 割嫁接夹合格率是指切割后嫁接夹的长度误差范围 在 2 mm 即 13 17 mm 之间的嫁接夹个数与 总数的比值 当嫁接夹长度不稳定会影响送夹作业 的稳定性 依据切夹作业可行作业参数范围 试验 中切夹速度取3个水平值 分别是快 26 cm s 中 18 cm s 慢 10 cm s 切 夹 角 度 取 为 30 40 50 考察切刀切割嫁接夹坯的作用力 使用 IMADA DS2 50N 型测力仪 考察切夹时嫁接夹坯变 形量 使用 SONY FDR AX700 型数码摄录机 采用 300 帧 帧率高速摄影进行拍摄 图 5 切夹作业过程 3 结果分析 图 6 为在慢 10 cm s 切夹速度下不同切夹角 度的切割作用力 从图中可以看出 随着切夹角度 增加 作用力平均值呈现出上升趋势 作用力最小 值出现在切夹角度为 30 为 14 7 N 此角度下对应 44 现代农业装备 2022年 图 6 切夹角度与作用力的关系 此种嫁接夹坯的断面特征切割力表现的较小 当切 夹角度为50 时 作用力高达20 1 N 这说明此时嫁 接夹坯不容易被切断 通过切割变形情况分析 也可了解嫁接夹坯切 割作用力的情况 通过高速摄影获取切夹变形情况 如图 7 为切夹速度 切夹角度各水平组合条件下嫁 接夹坯切割时的最大变形时刻 通过图 7 的变形量 得到表 1 所示的变形量数值 图 7 切刀速度与切夹角各试验水平组合下嫁接夹坯变形程度 45 第4期 杨 旭 等 嫁接夹切割式自动供给机构的设计与试验 表1 不同条件下嫁接夹坯切割变形量 单位 mm 快速 中速 低速 切夹角 30 0 31 0 09 0 38 0 15 0 39 0 17 切夹角 40 0 32 0 12 0 46 0 21 0 51 0 22 切夹角 50 0 49 0 27 0 79 0 29 0 92 0 35 由表 1 中的具体变形量数据显示 各条件下总 体变形量由0 31 0 92 mm 切夹角度在 30 40 范围内 切割变形并不大 但是切夹角度达到 50 时 切割变形量增加了 2 3 倍 另外 嫁接夹坯切 割时的变形量总体上与切夹速度成反比 这种趋势 随着切夹角度的增加 表现得越发显著 在切夹角 度 50 的情况下 低速的切割变形量是高速时的 1 87 倍 进一步分析各条件下切割变形量的数值标准差 见图 8 可以看出标准差与切夹速度成反比 与 切夹角度成正比 这表明 切夹速度越低 切夹角 度越大 切割变形量的变化跳动越大 呈工作不稳 定趋势 因此 选取作业切夹速度和切夹角度应尽 量避免这些区域 图 8 切刀速度与切夹角各试验水平 组合下变形量标准差 通过试验结果分析 确定切夹速度和切夹角度 均对嫁接夹坯切割变形量有一定的影响 切夹速度 与切割变形量及变化跳动程度成反比 切夹角度与 切割变形量及变化跳动程度成正比 随着切夹速度 降低 切夹角度增大 切割变形量越来越大 且切 割变形量的变化跳动程度也越明显 即工作越不稳 定 认为这是影响切割嫁接夹合格率的主要原因 为验证结论 选择快 26 cm s 切夹速度 30 切 夹角度的作业参数 对切割嫁接夹合格率进行测试 结果显示切割嫁接夹合格率达到了 96 可满足实 际生产的技术要求 在完成自动切夹作业参数优化试验后 对嫁接 夹切割式自动供给机构的实际作业性能进行测试 即砧木苗 接穗苗的对接和自动上夹作业试验 选择切夹速度为快 26 cm s 切夹角度为 30 的作 业参数进行测试 结果显示 使用该机构进行上夹 作业 其平均速度为4 122 s 株 平均生产率达到 873 株 h 4 结论 1 本研究设计的嫁接夹切割式自动供给机构 主要由推送部件 切夹部件 开夹部件和 PLC 控 制单元组成 能够将挤压成型嫁接夹坯切割成固 定长度的嫁接夹并推送到工作位置以供嫁接作业 使用 2 自动切夹作业参数优化试验结果表明 切夹 速度和切夹角度能够显著影响切割嫁接夹合格率 当切夹速度越低 切夹角度越大时 嫁接夹坯的切 割变形量越大 且切割变形量的变化跳动程度越明 显 工作性能越不稳定 3 选择切夹速度为 26 cm s 切夹角度为 30 的作业参数进行切割嫁接夹合格率测试 结果显示 此时的切割嫁接夹合格率为 96 能够满足实际生 产的技术要求 在同样的作业参数下 对嫁接夹切 割式自动供给机构进行实际作业试验 嫁接作业平 均生产率达到了 873 株 h 参考文献 1 高群 孟宪志 于洪飞 连作障碍原因分析及防治 途径研究 J 山东农业科学 2006 3 60 63 2 张子龙 王文全 植物连作障碍的形成机制及其调 控技术研究进展 J 生物学杂志 2010 27 5 69 72 3 郑军辉 叶素芬 喻景权 蔬菜作物连作障碍产生 原因及生物防治 J 中国蔬菜 2004 3 57 59 4 白雪 番茄嫁接栽培对其产量和经济效益的影响 J 贵州农业科学 2009 37 3 131 132 5 姜凯 冯青春 王秀 等 国外蔬菜嫁接机器人研究 动态 J 农业工程技术 2020 40 4 10 17 6 别之龙 长江流域设施蔬菜产业发展现状与思考 J 长江蔬菜 2018 8 24 29 下转第55页 55 第4期 鲍春辉 等 低场核磁共振技术在稻谷水分测定中的应用 If the interval between constant weights is prolonged the weight difference between the two measurements will exceed 2 mg and it is difficult to judge the drying end point Therefore it is speculated that the moisture measured by the national standard method is not the true value of the sample moisture At the same time this paper studies the effects of whole grain and different crushing methods on moisture measurement as well as the effects of vertical crushing time and whole grain drying time on moisture measurement in order to explore the true value moisture of rice and also provide guidance for more reasonable and accurate moisture measurement and verification of low field NMR technology which is conducive to further development and application in the later stage The results showed that the water content of whole rice was lower than that of rice after vertical crushing indicating that crushing would change the ratio of bound water to free water with the increase of milling time the bound water first increased and then decreased and the free water gradually decreased the true moisture of rice can not be obtained by prolonging the drying time Key words low field nuclear magnetic resonance LF NMR paddy rice water content 7 Z L BIE Y HUANG The History Current Status and Future of the Vegetable Grafting in China C Programme and Abstracts of 1st ISHS International Symposium on Vegetable Grafting ISVG 2014 2014 15 8 姜凯 瓜类贴接式机械嫁接机理及装置试验研究 D 哈尔滨 东北农业大学 2019 9 楼建忠 斜插式瓜类蔬菜嫁接装置机理研究及优化 设计 D 杭州 浙江大学 2014 10 李军 张铁中 褚佳 等 全自动整排蔬菜嫁接 机嫁接夹输送机构设计与试验 J 农业机械学报 2017 48 1 14 20 Design and Experiment of Automatic Feeding Mechanism for Grafting Clip Yang Xu 1 Chu Qi 2 Yang Yanli 2 Gu Song 1 1 College of Engineering South China Agricultural University Guangzhou 510642 China 2 Guangzhou Sky Mechanical grafting clip blank cutting automatic feeding design experiment 上接第45页