蔬菜自動嫁接機夾持機構設計【含14張CAD圖紙、說明書】

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Nursery specialized households, breeding companies have emerged. The nursery specialized households and nursery company, by artificial graft, due to low efficiency and low level of grafting technique, obvious adversely affected by graft timing. They hope that the grafting machine operation, and the fact that small and semi-automatic grafting machines, due to the low price in the market to be welcomed.This design introduce an automatic machine which can anvil wood, spike to lose seedling, slice seedling, coalescence and fix, line up seedling's etc. workers only need to put the anvil wood and connect spike on the transmission belt and the rest of the work will be completed automatically by machine. This text mainly studies the structure of the automatically machine for vegetable grafting. Keyword: Vegetable, Automatic, the machine for Grafting 1 前言 科技推動農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，而農(nóng)業(yè)對直接產(chǎn)生勞動價值的勞動工具不斷提出更高的要求。蔬菜嫁接機的上市，雖然在很大程度上緩解了經(jīng)濟上出現(xiàn)的矛盾，但是其中有些機構還是不能最大限度的發(fā)揮自己的能力，我們都知道蔬菜嫁接機中最關鍵的部位——夾持機構在嫁接生產(chǎn)過程中起著至關重要的作用，它的性能好壞直接影響苗木嫁接的工作效率和成功率，最重要的是蔬菜嫁接的成活率。有時蔬菜嫁接機器在工作過程中，夾持機構不能成功的完成夾持、切削工作，或是使苗木受損和推到，這就大大影響整個機器的工作效率。 我國是一個農(nóng)業(yè)大國，雖然農(nóng)業(yè)人口眾多，但隨著工業(yè)化生產(chǎn)的不斷加速，可以預計農(nóng)業(yè)勞動力將向社會其他產(chǎn)業(yè)轉移。實際上，進入21世紀后，我國面臨著比世界上任何國家都嚴重的人口老齡化問題，農(nóng)業(yè)勞動力不足將會變成現(xiàn)實。另外，隨著我國社會的進步，生活節(jié)奏的加快，飲食結構的變革和加入 WTO 后參與國際競爭，必然對進入市場的農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求。在 21 世紀，提高農(nóng)業(yè)工程的自動化生產(chǎn)水平將成為我國農(nóng)業(yè)科技領域的研究熱點，用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的各類機器人作為高級自動化設備，在我國將得到推廣應用。在日本、美國等發(fā)達國家，農(nóng)業(yè)人口較少，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、多樣化、精確化，勞動力不足的現(xiàn)象越來越明顯，許多作業(yè)項目，如蔬菜，水果的挑選與采摘，蔬菜的嫁接都是勞動密集型的工作，再加上時令的要求，勞動力問題更難解決，正是基于這種情況，農(nóng)林業(yè)機器應運而生，以此來減輕勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率[1]。 由于嫁接苗的砧木直徑在 3-4mm 左右，穗木只有 1-2mm，加之幼苗幼嫩脆弱，嫁接起來十分費力。而且受人工所掌握的嫁接技術要領及熟練程度不同的影響，難以保證高質(zhì)量的作業(yè)效果。傳統(tǒng)的手工嫁接存在一定的局限性： 1）勞動強度大、作業(yè)效率低 2）成活率受到極大影響 3）操作工長時間工作對身體健康有危害。 所以手工嫁接得不到普遍的應用，為了克服這類矛盾，機器嫁接已成為一種趨勢，況且我國蔬菜瓜果的生產(chǎn)和設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)具備了大力發(fā)展自動嫁 接機器人的基礎和條件，因此，發(fā)展自動化嫁接技術，有利于高新技術迅速轉化為生產(chǎn)力，推動我國農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展。由此可見，在我國發(fā)展機械化、自動化的嫁接技術勢在必行。本課題涉及的蔬菜嫁接機器夾持機構在一定的程度上完善嫁接過程出現(xiàn)的不足。其優(yōu)點是完成砧木和穗木的一次切削，提高了作業(yè)效率。這樣既減少了作業(yè)成本的投入、節(jié)約能源，具有明顯的綜合經(jīng)濟效益[2]。 2 蔬菜嫁接技術 2.1 蔬菜嫁接方法 圖1 蔬菜嫁接方法 Fig.1 Vegetable grafting methods 2.2 蔬菜嫁接栽培技術現(xiàn)狀 嫁接技術早就廣泛應用于園藝植物的繁殖、育種和栽培，而以果樹和觀賞樹木等木本植物為主，在草本植物的蔬菜上則應用較少。隨著嫁接技術的發(fā)展和完善，其應用范圍不斷擴大，目前已發(fā)展成為番茄、茄子、黃瓜、苦瓜、西瓜等蔬菜抗病、早熟、豐產(chǎn)的一項重要技術措施。早在50年代，日本、荷蘭等將嫁接技術應用到蔬菜生產(chǎn)上。據(jù)資料顯示[3]，1990年日本西瓜、黃瓜、甜瓜、番茄、和茄子栽培面積中有59%是嫁接栽培。我國在20世紀70年代首先在黃瓜生產(chǎn)中應用嫁接技術，80年代嫁接栽培技術逐步完善與配套，已發(fā)展到西瓜、茄子、番茄等蔬菜上，并且，嫁接栽培面積逐年擴大，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。 2.3 蔬菜嫁接研究必要性及適用類型 2.3.1 機械嫁接的必要性 　　嫁接用的砧木苗直徑和接穗苗直徑都較小，僅幾毫米，并且幼苗脆嫩細弱，所以手工嫁接很耗費精力。而且，每個人所掌握的嫁接技術要領、手法及熟練程度不同，難以保證較高的嫁接質(zhì)量和較高的成活率。．由于嫁接費工費時，有些地區(qū)出現(xiàn)了放棄嫁接栽培的現(xiàn)象，而靠大量施用農(nóng)藥防病治病。這樣，不但造成了資源和財物浪費，更嚴重的是污染了蔬菜，破壞了生態(tài)環(huán)境，對人類健康構成威脅。蔬菜的手工嫁接技術，效率低、勞動強度大、嫁接苗成活率難以保證，因此已遠遠不能適應我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。在我國，發(fā)展機械化、自動化的嫁接技術勢在必行[4]。 　　機械嫁接技術，是近年在國際上出現(xiàn)的一種集機械、自動控制與園藝技術于一體的高新技術。它可在極短的時間內(nèi)，把蔬菜苗莖稈直徑為幾毫米的砧木、接穗的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時由于砧、穗接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內(nèi)液體的流失，從而大大提高嫁接成活率。 2.3.2 嫁接機適用類型 由于瓜類連作障礙問題越來越突出, 蔬菜嫁接技術受到人們的重視。但目前開發(fā)出的各蔬菜嫁接機所采用的嫁接方法各異，適應的生產(chǎn)模式單一，適用蔬菜種類不廣，還很難做到通過價格和生產(chǎn)率及嫁接成功率進行經(jīng)濟性搭配的程度。目前蔬菜嫁接育苗生產(chǎn)沒有統(tǒng)一的標準模式，各種模式之間的育苗基質(zhì)、育秧缽或盤、播種方法、催芽設施、育秧設施和嫁接苗愈合設施等都不相同，各類嫁接機獨特的生產(chǎn)要求很難與不同的模式相吻合，并且，嫁接機的自動化程度越高問題越嚴重。因此，蔬菜育苗生產(chǎn)模式的不同制約了嫁接機的推廣使用。通過以上分析，認為根據(jù)我國農(nóng)村勞動力豐富、農(nóng)民整體技術水平不高、育苗機械化程度低和經(jīng)濟水平不高的實際國情，我國在研制全自動嫁接機提高嫁接育苗生產(chǎn)率的同時，應大力開發(fā)價格低廉、操作簡單可靠的小型半自動嫁接機，降低嫁接作業(yè)的難度，擴大嫁接育苗技術的推廣使用，以適應我國當前蔬菜生產(chǎn)機械化進程的需要。 2.4 國內(nèi)外嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀 2.4.1 國外（日本）嫁接機技術先進國家的發(fā)展現(xiàn)狀 1986年日本農(nóng)林水產(chǎn)省生物系特定產(chǎn)業(yè)技術研究推進機構組織多家公司參與,率先開始研制嫁接機。1987年研制出半自動形式1號試驗樣機G871。該機采用貼接嫁接法，適用于瓜科蔬菜的嫁接作業(yè),其嫁接成功率為78%～85%。 1989年在1號機的基礎上又研制出半自動形式2號試驗樣機G892。其嫁接成功率達到了90%～98%。 1991年又研制出全自動式3號試驗樣機G913。該機的嫁接成功率達90%以上。 1994 年日本井關公司同日本生研機構協(xié)作推出了商品化GR800B型半自動瓜科嫁接機以及GR800T型半自動茄科嫁接機（見圖2A）。嫁接成功率為95%。另外日本村田種苗公司也根據(jù)自身育苗生產(chǎn)需要，開發(fā)研制出采用專用嫁接夾的半自動嫁接機，該機同井關公司嫁接機的工作原理類似（見圖2B），可進行黃瓜和番茄的嫁接作業(yè)，生產(chǎn)率為600～700 株·h-1。 三菱公司根據(jù)日本全國農(nóng)業(yè)協(xié)同組合聯(lián)合會的嫁接苗生產(chǎn)模式開發(fā)MGM600 型全自動嫁接機（見圖2C）。該嫁接機采用套管法，砧木和接穗以單列形式送入嫁接機，切削后的砧木和接穗壓合在一起后，使用專用彈性透明套管固定，嫁接苗成活后套管自動脫落。該機適用于茄科蔬菜，生產(chǎn)率可達600 株·h- 1。 1990年日本TGR 研究所以大規(guī)模育苗生產(chǎn)系統(tǒng)為目標研制全自動嫁接機，1993年開發(fā)出商品化茄科用KGM0128 型嫁接機（見圖2D），1995年用于瓜科嫁接作業(yè)的嫁接機問世，目前小松公司負責經(jīng)營銷售。該機采用平接法，生產(chǎn)率為1000 株·h-1，嫁接成功率達97%。 日本洋馬公司同生研機構協(xié)作，1993年開始研制全自動式嫁接機,1994年末AG1000 型全自動嫁接機開始上市銷售（見圖2E）。嫁接成功率到達97%，但該機只適合于茄科蔬菜嫁接作業(yè)，生產(chǎn)率為1000 株·h-1。 為降低大型嫁接機的造價，洋馬公司于2003年推出了體積較小，操作方便的T600 型半自動化瓜科嫁接機（見圖2F）。該機生產(chǎn)率可達600 株·h- 1，嫁接成功率為98%。 圖2 日本幾種蔬菜嫁接機 Fig.2 Japan several vegetable grafting machine 上世紀90 年代末，日本大阪府立大學開發(fā)研究了“plug- in”嫁接裝置。 1999年大阪府立農(nóng)林技術中心開發(fā)出純手工作業(yè)的簡易嫁接器具TK-WH（TK-WD），由日本MARK 公司經(jīng)銷，該器具采用劈接法，適用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作業(yè)，由砧木切削器和接穗切削器兩個獨立部分構成（見圖3），完成切削的砧木和接穗用嫁接夾固定在一起[5]。 圖3 簡易嫁接器 Fig.3 Simple grafting 2.4.2 國外（韓國）嫁接機技術先進國家的發(fā)展現(xiàn)狀 上世紀90 年代初，韓國也開始研究嫁接機，開發(fā)出采用靠接法的小型半自動式嫁接機（見圖4）。該機采用凸輪傳遞動力，分別完成砧木夾持、接穗夾持、砧木和接穗切削和對插4 個動作，最高生產(chǎn)率為310 株·h-1，嫁接成功率為90%。由于結構簡單，操作方便，成本低廉，在韓國、日本和我國有一定銷量，但是由于采用靠接法嫁接，推廣使用受到限制。 圖4 韓國半自動嫁接機 Fig.4 Korean semi-automatic grafting machines 繼半自動式嫁接機之后，韓國Idealsystem公司開發(fā)出針式全自動嫁接機，該機采用防回轉五角形陶瓷針作為砧木和接穗的固定物，利用穴盤整盤上砧木和接穗苗，操作方便，作業(yè)速度快，生產(chǎn)韓國半自動嫁接機率可達1 200 株·h-1，適合茄科蔬菜的嫁接作業(yè)。 2.4.3 國內(nèi)嫁接機技術先進國家的發(fā)展現(xiàn)狀 （1）2JSZ- 600 型蔬菜自動嫁接機。中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中教授率先在國內(nèi)開展蔬菜嫁接機的研究，1998 年成功研究制出2JSZ- 600 型蔬菜自動嫁接機（見圖5）。該嫁接機采用單子葉貼接法，實現(xiàn)了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夾固定、排苗作業(yè)的自動化。該機嫁接作業(yè)時砧木可直接帶土團進行嫁接，生產(chǎn)率為600 株·h- 1，嫁接成功率高達95%，可進行黃瓜、西瓜、甜瓜等瓜菜苗的自動化嫁接作業(yè)。 圖5 中國農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的嫁接機 Fig.5 China Agricultural University, grafting machine （2）2JC-350 型插接式自動嫁接機。2005 年東北農(nóng)業(yè)大學研制出2JC- 350 型插接式自動嫁接機（見圖6）。該嫁接機采用人工上砧木和接穗苗，通過機械式凸輪傳遞動力，可完成砧木夾持、砧木生長點切除、砧木打孔、接穗夾持、接穗切削以及接穗和砧木對接動作。該機結構簡單、成本低，操作方便，生產(chǎn)率為350 株·h- 1。經(jīng)改進目前生產(chǎn)率已達500 株·h- 1。由于采用插接法進行機械嫁接，不需嫁接夾等夾持物。適用黃瓜、甜瓜和西瓜的嫁接作業(yè)，嫁接成功率達93%。 圖6 東北大學開發(fā)的嫁接機 Fig.6 Northeastern University grafting machine 2.5 蔬菜嫁接機的設計特點 2.5.1 設計的特點 為了克服現(xiàn)有的機器自動化水平較低，速度慢，而且對砧木、接穗苗的粗細程度有較嚴格的要求或體積龐大，結構復雜，價格昂貴等方面的不足, 本設計的創(chuàng)新點在于： 1）直接在營養(yǎng)缽上嫁接，從而避免將幼苗從土壤基質(zhì)中拔出。即避免了嫁接損傷，又縮短了嫁接消耗的時間和人力資源，提高了產(chǎn)量，節(jié)約了勞動成本。 2）利用光電檢測裝置，反應靈敏，目標捕捉準確。 3）利用單片機控制整個過程，性能穩(wěn)定，成本低，兼容性好，便于升級。 4）控制部分采用標準化，模塊化設計，便于維修。 5）采用氣動裝置夾持。由于氣動元件的優(yōu)點在于能夠實現(xiàn)對壓力的任意調(diào)節(jié)，所以在嫁接中有著非常重要的作用。通過調(diào)節(jié)氣閥實現(xiàn)對夾持力的調(diào)整。 6）由于嫁接機的夾持臂旋轉角度一定，為了精確實現(xiàn)對接，通過電磁鐵的吸合，使嫁接機的兩臂位置固定，從而使接穗與砧木重合。 7)采用汽缸伸縮推動旋轉刀片切割蔬菜幼苗，便于實現(xiàn)對切割角度的控制。 8) 采用高速電機帶動刀片旋轉切削蔬菜幼苗，所以砧木上部分可以省略夾持機構。 9) 包扎機構采用特殊的魔術貼包扎，所以能夠實現(xiàn)快速準確包扎的作用。并且可以在魔術貼上添加愈合激素，實現(xiàn)提高成活率的目的。 10) 蔬菜幼苗由皮帶送入，直接在營養(yǎng)缽上嫁接，便于實現(xiàn)流水線生產(chǎn)。 11)采用步進電機，靈敏、精確，容易實現(xiàn)編程控制。 12)便攜性好，可用于野外作業(yè)。 2.5.2 蔬菜自動嫁接機設計結構示意圖 圖7 俯視圖 Fig.7 Top view 圖8 正面視圖 Fig.8 The of view frontage 2.5.3 設計思路 本設計思路來源于高英武教授給我們展示的由春裕豐自動化技術有限公司、中國農(nóng)業(yè)大學采用日本和韓國專利技術研制開發(fā)的“蔬菜半自動嫁接機”。如下圖所示： 圖9 蔬菜半自動嫁接機外觀圖 Fig.9 The view of Vegetable Grafting Mechanism 由于該機器自動化程度不高，只能起到切苗的作用，其它工作由人工完成，不能實現(xiàn)自動嫁接，效果不是很理想。于是就決定自行設計一個功能更強的，能夠實現(xiàn)自動嫁接全過程的嫁接機。 2.5.4 本蔬菜自動嫁接機設計方案： 本作品設計在嫁接過程中砧木和接穗都采用營養(yǎng)缽培養(yǎng)。蔬菜幼苗營養(yǎng)缽由皮帶輸入，直接在營養(yǎng)缽上嫁接，從而避免將幼苗從土壤基質(zhì)中拔出。這種嫁接方法即避免了嫁接損傷，又縮短了嫁接消耗的時間，節(jié)約了勞動成本。蔬菜營養(yǎng)缽在皮帶的傳送下向前運動，當?shù)竭_光電檢測裝置時，蔬菜苗隔斷光線傳播，光電檢測裝置得到信號送入單片機，單片機驅動氣缸，使夾持機構工作，當夾持動作完成，單片機命令切削汽缸頂端的電機，電機軸段裝有刀片，快速切斷接穗，同理，砧木也采用相同機構夾持。然后驅動轉向電機旋轉167.8度，由于切削機構與接穗夾一同旋轉，所以砧木也被快速切除。通過電磁鐵的吸合，使接穗與砧木重合。完成對接后，通過包扎機構實現(xiàn)包扎，由于包扎機構采用特殊的魔術貼包扎，所以能夠實現(xiàn)快速準確包扎的作用。并且可以在魔術貼上添加愈合激素，實現(xiàn)提高成活率的目的。包扎完畢，傳送帶將嫁接好的苗木繼續(xù)向后傳送。嫁接機構開始下一輪嫁接。由于整個過程由程序控制，機械操作，一個嫁接周期只需6秒鐘，即每小時可嫁接600株。 本蔬菜嫁接機機械結構分為夾持機構、旋轉機構、包扎夾、切苗機構、苗木傳送機構、底盤等六個部分．本文主要進行夾持機構設計． 3 蔬菜嫁接機夾持機構設計 3.1 蔬菜嫁接機工作原理 本蔬菜自動嫁接嫁接機嫁接原理：嫁接過程中，蔬菜砧木苗和接穗苗分別置于蔬菜嫁接機的兩個傳動帶上，傳送帶在步進電機的驅動下將蔬菜苗向嫁接夾內(nèi)運送。設嫁接夾閉合的夾口中心為三維坐標系的原點，設步進電機驅動的皮帶運動方向為X軸，激光發(fā)射方向垂直于皮帶運動方向，相當于坐標系的Y軸。當蔬菜苗到達光電感應裝置區(qū)域后，苗的莖桿將激光的光線擋住，接收光的感應電路得到觸發(fā)信號，傳送給單片機，單片機控制步進電機停止轉動，因此蔬菜苗的莖桿鎖定在激光發(fā)出的這條直線上，相當于坐標系中的X軸為0。而蔬菜苗夾進給方向與X軸垂直，與激光束方向平行，即坐標系中的Y軸。當蔬菜苗莖桿擋住激光，與此同時單片機控制夾緊氣缸伸長，使嫁接夾開始左右同步向中心夾緊，即向X,Y軸平面原點夾緊，落入夾緊區(qū)域任何一點的苗的位置趨于唯一點，即原點。由于氣缸的夾緊力和速度是可調(diào)的，所以不會對苗造成傷害。當苗木夾緊后切割刀片在切割氣缸的推動下快速進給，呈30度夾角斜刺向苗木，通過電機帶動刀片實現(xiàn)高速切削。并且速度、刀片的角度可調(diào)。同理，砧木嫁接夾也采用相同機構實現(xiàn)定位、切削。由于接穗嫁接夾與砧木嫁接夾臂長可調(diào)，只要嫁接夾臂長相等，中心重合，那么旋轉一定的弧度就可以實現(xiàn)砧木與接穗自動對齊。即砧木嫁接夾的X、Y軸原點與接穗嫁接夾X、Y軸原點對齊。并且通過電磁鐵輔助定位，實現(xiàn)精確對接。 蔬菜自動嫁接機夾持機構是實現(xiàn)嫁接任務過程中最關鍵的機構之一。由設計方案可知砧木夾持機構與接穗夾持機構完全一樣，不同的是砧木嫁接夾沒有單獨配備切削機構，因為增加切削機構，刀片的切削角度容易產(chǎn)生誤差及增加系統(tǒng)控制復雜程度，所以采用同一切削機構。實現(xiàn)切削的方法是：當固定在穗木嫁接夾上的切削機構切完穗木后旋轉一定角度運轉到砧木夾上方，使砧木嫁接夾的X、Y軸原點與接穗嫁接夾X、Y軸原點對齊。切割氣缸快速進給，呈25-30度夾角斜刺向苗木，通過電機帶動刀片實現(xiàn)高速切除砧木。由于本設計主要研究的對象是蔬菜自動嫁接機的夾持機構，所以只對切削機構單獨作簡單介紹。 3.2 蔬菜嫁接機工作流程 本設計蔬菜嫁接機的工作大致可分為27步一個循環(huán)，詳見附錄1 工作流程圖。 3.3 夾持機構夾具設計 3.3.1 夾具自由度計算 要設計一個能夠夾持直徑約1-3mm大小的蔬菜苗機構，那么我們首先要考慮的是怎樣設計出能夠將一定區(qū)域內(nèi)的目標捕捉到我們希望的唯一點機構，只有滿足這樣的條件才能夠實現(xiàn)精確對接。 如圖11所示，采用連桿機構同步進給，能夠在一定捕捉區(qū)域內(nèi)嚴格保證夾具的中心點唯一。 夾具有運動機構5個,其中有運動低副7個,高副0個,所以自由度為: F=3x5-2x7=1 （1） 機構構成確定的運動。 1.夾持架2.扁連桿3.光敏接收頭4.夾苗夾具5.激光頭 圖10 夾持機構方案 Fig.10 Holding mechanism scheme 圖11 夾持機構方案原理圖 Fig.11 Holding mechanism principle picture 3.3.2 夾具傷苗優(yōu)化 為保證達到夾持而又不傷害蔬菜幼苗的功能，我們需要考慮的是夾具在蔬菜莖桿上作用力的分布。由于蔬菜苗的莖桿相當脆弱，所以我們只有考慮增加夾具與蔬菜苗莖的接觸面積以保證達到夾持而不傷害幼苗的目的。如圖所示結構12，通過改進采用交差夾合的辦法來增加接觸面積。 1 橡膠夾頭， 2 粘貼板， 3 夾具桿 圖12 夾持機構夾具示意圖 Fig.12 Holding mechanism fixture signal picture 3.3.3 夾具的捕捉范圍的確定 根據(jù)設計，傳動帶的設計的寬度為120mm，蔬菜苗種植在高80mm，直徑70mm的營養(yǎng)缽里面。為了提高嫁接的成活率，操作要求營養(yǎng)缽中的苗盡可能放在傳送帶的中心部分[6]。雖然我們希望苗最好在夾持機構的中心。但是苗正好在夾持機構中心的可能性比較小，操作難度大。因此考慮到苗的放置誤差要求允許苗有一定的偏離范圍，設計夾持機構的捕捉范圍為50mm。因為傳送帶寬為120mm，所以即使苗偏離營養(yǎng)缽中心的方向與苗偏離夾持機構的方向距離疊加這種最壞的情況下也不會從傳送帶上掉下來。 3.3.4 夾具的高度的確定 瓜類砧木的最適嫁接苗齡是以第一片真葉出現(xiàn)時為最佳，過于幼嫩的苗，嫁接時不易操作；過老的苗，不僅中心髓腔大，接口也不易愈合。一般苗的高度為60mm至120mm。由于苗的高度所限,所以這個嫁接操作應該控制在營養(yǎng)缽以上60mm高的范圍內(nèi)[7]。 3.3.5 苗木特性分析 由于苗木脆弱，特別容易折斷，夾持苗木時夾持力不能太大，太大易導致苗木的損傷;夾持力也不能太小，太小又不能滿足夾持固定的要求。因此針對上述矛盾設計如下實驗。 試驗名稱：黃瓜、西瓜幼苗莖桿的壓力承受試驗 試驗目的：為了研究蔬菜幼苗在不影響成活的情況下所能夠承受的最大壓力，從而確定在所設計嫁接機的嫁接過程中機械夾持力的大小范圍。 試驗要求：根據(jù)試驗目標及專家建議，預設嫁接苗被壓變形成厚度為自身直徑的2/3時為承壓極限。 主要設備、器材：天平，砝碼，輕質(zhì)鋁合金板(長200mm，寬34mm，重16g,在測量中忽略不計)，尺子，放大鏡 試驗條件：本苗木莖桿的壓力試驗是在剛性較強鐵質(zhì)工作臺和剛性較強鋁合金板之間進行的。 試驗步驟及原始數(shù)據(jù)記錄 試驗方法一[8]：由于預先不能確定苗所能夠承受的最大壓力，所以采用如圖13的試驗方法。 圖13 蔬菜苗莖桿壓力承受試驗一意圖 Fig.13 Vegetables seedling pressure support experiment signal picture 1 由于鋁合金板的長度為200mm，苗的直徑約30mm，所以形成的夾角相當小。當重力分布在中心時，苗所承受的壓力約為重力的1/2。 在試驗過程中我們逐漸加重作用在鋁合金板中心的壓力，我們發(fā)現(xiàn)：苗的莖桿所能承受的壓力遠超乎我們的現(xiàn)象。直到最后我們把1500g的重力完全壓在鋁合金板中心也沒有達到苗所能夠承受的最大的壓力。 試驗方法二：由于測量原理有誤差，所以采用第二種試驗方法。 圖14 蔬菜苗莖桿壓力承受試驗二意圖 Fig.14 Vegetables seedling pressure support experiment signal picture 2 根據(jù)前面試驗的經(jīng)驗積累，我們通過向左右兩邊燒杯添加水，由于水的重量使其接近臨界狀態(tài)，最終達到平衡以觀察苗莖桿的受壓情況。由于苗的莖桿受力物理特性具有一般普遍性，所以只要對相關條件下部分苗進行試驗就能發(fā)現(xiàn)它的一般規(guī)律。具體試驗數(shù)據(jù)如下： 表1 西瓜苗與黃瓜苗的抗壓能力試驗二 Table 1 melon seedling and cucumber seedling reinforcement experiment 對象 苗莖高度 直徑 生長狀態(tài) 承重量 承重狀態(tài) 黃瓜苗1 115mm 2.8mm 一葉一心 1080g 根據(jù)試驗目標及專家建議，預設嫁 黃瓜苗2 110mm 3.0mm 一葉一心 1080g 黃瓜苗3 131mm 3.3mm 一葉一心 1180g 對象 苗莖高度 直徑 生長狀態(tài) 承重量 承重狀態(tài) 黃瓜苗4 106mm 2.7mm 一葉一心 1080g 接苗被壓 變形成厚 度為自身 直徑的2/3時為承壓極 限。 黃瓜苗5 101mm 2.5mm 一葉一心 1050g 西瓜苗1 124mm 3.1mm 一葉一心 1120g 西瓜苗2 145mm 3.6mm 一葉一心 1260g 西瓜苗3 130mm 3.3mm 一葉一心 1180g 西瓜苗4 126mm 3.1mm 一葉一心 1120g 西瓜苗5 122mm 3.1mm 一葉一心 1120g 備注: 根據(jù)試驗目標及專家建議，預設嫁接苗被壓變形成厚度為自身直徑的2/3時為承壓極限。 驗結論與分析： 通過試驗可知在西瓜苗與黃瓜苗在適合嫁接期莖桿的抗壓基本在1000g以上，1000g重力轉化成壓力為9.8N。 3.3.6 夾具夾緊力的計算 由上述實驗可以得到嫁接苗能夠承受的最大壓力約為10N，由于夾具設計由四個方向的擠壓得以夾緊嫁接苗。也就是說苗在一對平衡方向上的最大受力約為10N，如圖15所示： 由力學分析可知，當苗承受10N的力時，夾具的夾緊力為N[9]。符合夾具的設計要求。 因此確定夾具的夾緊力為: N。 圖15 蔬菜苗莖桿壓力示意圖 Fig.15 Vegetables seedling reinforcement experiment signal picture 3.3.7 確定夾具的厚度及高度計算 在夾持機構設計中，我們既要求兩個夾持夾具之間的距離盡可能小，以保 證苗的切削斜面盡量重合；又要求在兩個夾持夾具之間的距離盡可能大，以方便切削刀片在兩個夾持夾具之間切削和包扎機構的包扎工作。所以在設計中要求在條件允許的情況下實現(xiàn)矛盾的統(tǒng)一。 切削刀片所占空間高度：根據(jù)勾股定律可知：當苗的直徑為3mm時，如果用刀將直徑削成30度斜切，那么斜切面的長度為6mm。所以我們就可以確定，如果要將苗斜切斷，至少刀片切削直徑大于3mm。根據(jù)設計，本設計刀片的長度為12mm，其旋轉直徑達24mm，遠遠滿足切斷的要求。當?shù)镀L度確定后又由于苗的莖桿在被夾持狀態(tài)下垂直于水平面，而刀片與苗的莖桿成28到30度角，所以刀片在旋轉狀態(tài)下的垂直高度為： mm [10] （2） 夾持夾具高度：由于苗的最低高度為60mm，所以要求整個夾持機構高度不大于50mm。又因為切削刀片在兩夾持夾具之間旋轉，要求要有一定的間隙，預計所留空間高度為26mm。所剩的24mm分配給兩夾持夾具，兩夾持夾具完全相同，即厚度為12mm。 3.3.8 夾持機構保持架設計 夾持機構保持架是保證夾頭精確工作的重要構件。嫁接機的寬度定位500mm，且為對稱結構。旋轉柱的最大直徑為60，除去保留空間，將保持架的整體長度為200mm。 如圖16所示： 3.3.9 夾具連桿長度計算 1）驅動力：由實驗可知夾具的加持力即為構件的驅動力，為：N。 2）夾具阻抗力：夾具夾緊嫁接苗，且要阻止穗木落下。 1.光敏二極管安裝孔， 2，夾具安裝孔，3. 激光器安裝孔，4.氣缸固定孔，5.連桿滑槽，6.連桿銷軸滑槽 圖16 夾持機構保持架 Fig.16 Holding mechanism 3）摩擦力計算：根據(jù)摩擦力計算公式： Ff21=fFN21=fvG (3) 式中：fv為當量摩擦系數(shù)。fv=kf(k=π) Φ=arctanf (4) 圖17 夾持機構方原理圖 Fig.17 Holding mechanism picture 由于保持架滑槽可變，夾具桿采用鉚釘連接也可變長短，在可變范圍內(nèi)都可采用，因此根據(jù)構成四桿機構桿長條件: L1+l4≤l2+l3 (5) 式中：L1為最短桿長 L4為最長桿長 綜上所述計算求得連桿長度為：80mm。 3.3.10 夾具桿長度計算和確定 根據(jù)設計,嫁接機的寬度為500mm，且兩邊是對稱結構。因此夾具桿有四個，并且要留有50mm的加持苗的空間。因此初步定夾具長度為： (500-50x2)/4=100mm （6） 夾具桿要構成機構運動，上面已經(jīng)可以確定不能小于51mm，留有伸縮空隙最后確定夾具桿長為：70mm。 3.4 夾具運動結構完善和優(yōu)化 3.4.1 苗木夾具材料優(yōu)化 上述試驗苗木莖桿的壓力試驗是在剛性較強鐵質(zhì)工作臺和剛性較強鋁合金板之間進行的。由于彈性較差，幾乎沒有形變，對苗的損害大。所以考慮采用編號為1608彈性較好的工業(yè)用橡膠材料制作夾持夾具。該材料具有一定的彈性，相對剛性材料極大地提高了苗的臨界破壞壓力值，且橡膠可以注塑成型，相對于機械加工而言大大降低了材料成本和加工成本。 但是本優(yōu)化方案由于試驗條件限制，沒有相關數(shù)據(jù)，只能根據(jù)橡膠材料具有彈性的特性預計壓力趨勢。但是為了盡可能了解彈性特性在嫁接中的作用，在前面兩個試驗的基礎上采用加夾1.2mm的泡沫塑料實現(xiàn)緩沖。 具體試驗數(shù)據(jù)如下： 圖18 蔬菜苗莖桿壓力承受試驗三示意圖 Fig.18 Vegetables seedling reinforcement experiment 3 signal picture 試驗結論與分析：通過試驗可知在西瓜苗與黃瓜苗在適合嫁接期莖桿的抗壓基本在1000g以上，1000g重力轉化成壓力為9.8N。而在增加1.2mm泡沫塑料做緩沖后其抗壓能力達3000g以上，增大了近3倍，這對于機械嫁接有著重大的作用。根據(jù)設計夾頭厚度為12mm。而試驗板寬為34mm，所以夾具的最大夾持為： [11] （7） 表2 西瓜苗與黃瓜苗的抗壓能力試驗三 Table 2 melon seedling and cucumber seedling reinforcement experiment 3 對象 苗莖高度 直徑 生長狀態(tài) 承重量 承重狀態(tài) 黃瓜苗1 115mm 2.8mm 一葉一心 3240g 根據(jù)試驗目標及專家建議，預設嫁接苗被壓變形成厚度為自身直徑的2/3時為承壓極限。 黃瓜苗2 110mm 3.0mm 一葉一心 3140g 黃瓜苗3 131mm 3.3mm 一葉一心 3560g 黃瓜苗4 106mm 2.7mm 一葉一心 3270g 黃瓜苗5 101mm 2.5mm 一葉一心 3150g 西瓜苗1 124mm 3.1mm 一葉一心 3280g 西瓜苗2 145mm 3.6mm 一葉一心 3660g 西瓜苗3 130mm 3.3mm 一葉一心 3320g 西瓜苗4 126mm 3.1mm 一葉一心 3620g 西瓜苗5 122mm 3.1mm 一葉一心 3550g 3.4.2 苗木夾具結構優(yōu)化 如果將夾具整體用PVC材料制作那么該夾具的彈性太大，影響定位的精確性能且與夾具保持機構的摩擦很大。所以根據(jù)這種情況優(yōu)化設計方案，將夾具分成夾具頭和夾具桿兩部分。夾具頭形狀復雜，要求有彈性。根據(jù)金屬材料特性選擇天然橡膠作為夾具頭材料。主要性能：彈性極大，有非常好的機械強度，抗折、耐磨、耐撓曲，有較好的耐透氣性，可塑性和工藝加工性能良好。廣泛用于輪胎、膠帶、膠管、膠鞋及其他橡膠制品以及電線電纜的絕緣層。夾具桿形狀相對簡單，要求有較好的形狀保持能力及較小的摩擦系數(shù)，所以選用圓鋼及鐵板焊接制造。夾具整體是由夾具頭和夾具桿粘接在一起構成的。當夾具頭因磨損或變形不能工作時還可以很方便地更換夾具頭。 圖19 蔬菜苗莖桿夾具頭示意圖 Fig.19 Vegetables seedling fixture head 圖20 蔬菜苗莖桿夾具桿示意圖 Fig.20 Vegetables seedling fixture shaft signal picture 3.5 原動件驅動方案設計 夾具中的原動件的運動形式是直線運動，完成這個運動，有多種設計方案[12]。 (1)直線電機驅動方案。直線電機是一種新型電機，它可以直接輸出直線運動。但是這種方案所使用的電機成本太高，不宜使用。 (2)齒輪齒條驅動方案。這種方案也能夠很方便地實現(xiàn)直線運動，但是電機夾緊力剛性太大，并且占空間不利于嫁接過程中的對接和包扎。 (3)螺紋傳動方案。螺紋傳動件可以把回轉運動轉變成直線運動，但是由于具有自鎖特性，不能良好反饋夾持力的大小，容易壓壞幼苗，且由于螺紋自鎖時傳動比較小，運動速度太慢，不宜采用。 (4) 氣壓驅動方案。氣壓驅動能夠很方便地實現(xiàn)直線住復運動，并且由于氣體具有壓縮特性，隨著壓力的增大到一定范圍后能夠達到平衡。元件結構簡單．緊湊，易于制造。這種特性對嫁接非常有利而且節(jié)省空間設計制造成本不是很高，因此采用該方案。 為保證原動桿最短長度盡量小而且便于齒輪齒條的傳動，所以將驅動電機主軸垂直于齒條桿放置。電動機輸出的動力經(jīng)過減速器減速，帶動齒輪驅動齒條上下運動。氣動工作原理圖如附錄二。 3.6 氣動元件選擇 3.6.1 氣缸 QCJ2系列微型氣缸，按日本產(chǎn)品的性能及外觀尺寸設計，采用不銹鋼筒，活塞及密封件采用進口件，端蓋和缸筒之間采用滾壓連接。本設計采用QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復動型氣缸，產(chǎn)品的動作形式是復動型；內(nèi)徑為10mm、行程為30mm；使用壓力范圍為1.5～7Kgf/cm2，最大壓力為1MPa= 7Kgf/ cm2；保證耐壓力為10 Kgf/cm2；使用溫度范圍為5～700C；使用速度范圍為50～750mm/s。 計算公式：氣缸推力 F0=0.25πD2P （8） 氣缸拉力 F0=0.25π（D2－d2）P （9） 因為本蔬菜自動嫁接機的氣缸是橫向水平使用的，所以計算出來的推力與理論出力基本相等。 “MAL1030”的D=1cm,d=0.4cm,因為使用壓力范圍為1.5～8Kgf/cm2，所以取P=2Kgf/cm2，所以解得： 氣缸推力 (10) 氣缸拉力 (11) 表3 氣缸主要技術參數(shù) Table 3 the air cylinder major technical data 缸徑/mm 6 10 16 工作介質(zhì) 經(jīng)過過濾的壓縮空氣 動作模式 單動/雙動 耐壓試驗壓力/ MPa 最高使用壓力/MPa 最低工作壓力/ MPa 0.12 0.06 緩沖 橡膠墊 環(huán)境溫度/ 5～70 使用速度 50～750 行程誤差/mm 0～+1.0 潤滑 不需要 接管口徑 注：生產(chǎn)廠：上海全偉自動化元件有限公司 式中：D-氣缸活塞直徑（cm） d-氣缸活塞桿直徑（cm） P-氣缸的工作壓力（Kgf/cm2） F0-氣缸的理論拉力（Kgf） 上述出力計算適用于氣缸速度 50 ～ 500mm/s 的范圍內(nèi)。 氣缸以上下垂直形式安裝使用，向上的推力約為理論計算推力的 50% 。 氣缸橫向水平使用時，考慮慣性因素，實際出力與理論出力基本相等。 氣缸推力也可以利用下表直接查得： 為了避免用戶選用時的有關的計算，下附氣缸輸出力換算表，用戶可根據(jù)負載、工作壓力、動作方向從表格中選擇合適的缸徑尺： 驗算：由于缸是橫向水平使用的，所以計算出來的推力與理論出力基本相等。 忽略氣缸的摩擦力，其壓力完全加在蔬菜苗莖上。根據(jù)前述實驗可知苗的承受能力為： (11) 經(jīng)計算夾緊力 (12) 表4 缸徑尺寸的選擇 Table 4 Choice of the size of the bore 缸徑（mm） 氣缸的理論輸出力（推力） 使用空氣壓力 MPa 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 10 1.57 2.36 3.14 3.93 4.71 5.50 6.28 16 4.02 6.03 8.04 10.1 12.1 14.1 16.1 20 6.28 9.42 12.6 15.7 18.8 22.0 25.0 25 9.81 14.7 19.6 24.5 29.4 34.4 39.2 32 16.0 24.1 32.2 40.2 48.3 56.3 64.4 40 25.1 37.7 50.3 62.8 75.4 88.0 100.5 50 39.2 58.9 78.5 98.2 117 137 157 63 62.3 93.5 125 156 187 218 250 80 100 151 201 251 302 352 402 100 157 236 314 393 471 550 628 125 245 368 491 615 736 859 982 160 402 603 804 1005 1206 1407 1608 180 508 763 1018 1272 1527 1781 2036 200 628 942 1257 1571 1885 2199 2514 250 981 1473 1963 2454 2945 3436 3926 320 1608 2412 3216 4021 4825 5629 6432 以上計算為理論值，實際所需夾緊力要大于理論值，因系統(tǒng)有摩擦損失，所以選夾緊力值要大于理論計算值。并且為了設計的通用性，夾緊力要求能夠實現(xiàn)可調(diào)，應該適當大于蔬菜苗的承受壓力，滿足設計要求。 所以選擇“QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復動型氣缸”是正確的！ 3.6.2 電磁閥 對于自動控制、遠距離控制及復雜控制過程選用電磁閥。根據(jù)控制的執(zhí)行元件種類的不同或應用領域和場合的不同選用合適的閥種類?？刂啤癚CJ2B10-45型不銹鋼迷你缸-復動型氣缸”氣缸采用四通或五通閥，控制各種流體的流通轉換采用兩通或三通閥。 氣動技術是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量與信號傳遞的技術，即用諸于空壓機之類的將空氣壓縮并儲存能量，用以驅動執(zhí)行元件——氣缸。因氣體的速度很快，所以氣缸能獲得高速直線或旋轉運動，一般情況下，氣缸活塞最大速度可達1m/s，實際使用要選擇最佳速度（50～500m/s），而不是最大速度，最佳速度是最經(jīng)濟的，相反最大速度工況會使磨損加劇，將減少氣缸和連接的壽命，也增加了能量消耗。推薦換向閥與氣缸的選配如下表所示： 表5 換向閥與氣缸的選配 Table 5 The apolegamies of reversing valve and air cylinder 氣缸 內(nèi)徑 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 換向閥通徑 4 × × × 6 × × × × × 8 × × × × 10 × × × × 12 × × × 15 × × × × 20 × × × 25 × × × 由流量的計算來選擇電磁閥 氣缸動作所需流量： Q=πD2V(P+1.03)×60/(4×1.03×104) (13) 其中：Q-必需流量（l/min） P-供氣壓力(Kgf/cm2) D-氣缸缸徑(cm) V-氣缸的基準理論速度(mm/s) 相關計算公式： Q=CV×984= KV×1100(NL/min) (14) S0=18CV(mm2) (15) 式中：CV-水流量（US gal/min）于600C流經(jīng)差壓為psi之閥門而所得出之流量定值。 KV-水流量（L/min）于200C流經(jīng)差壓為1Kgf/cm2之閥門而所得出之流量定值。 S0-閥的有效截面積(mm2)。 已知：“QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復動型氣缸”氣缸的工作壓力為1.5～7Kgf/cm2 ,取最大值時來選閥，以時閥能適應任何情況，所以取7Kgf/cm2,氣缸缸徑D=10mm=1cm, 取氣缸的基準理論速度V=500mm/s 所以：Q=3.14×1×2×500×（7+1.03）×60/(4×1.03×104)=353NL/min CV=Q/984=353/984=0.358 S0=18CV=18×0.358=6.46mm2 (16) 以上計算為理論值，實際所需流量要大于理論流量，因系統(tǒng)有流量損失，所以選定控制閥的CV值和S0值要大于理論計算值。 所以我根據(jù)下表6（電磁閥的規(guī)格表）選擇“4V110-06”（4V：代表五方口電磁閥）：CV=0.67，S0=12mm2[13]。 3.6.3 安裝 “QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復動型氣缸”應根據(jù)不同的用途和安裝需要，選用適當?shù)陌惭b形式，在本機器中，由于蔬菜自動嫁接機的夾持力不是很大的，所以我們采用“單腳架式”：氣缸固定在嫁接夾機架上，如圖22所示。 3.7 傳感元件選擇 3.7.1 激光器型號選擇 世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺激光器，40多年來，激光技術與應用發(fā)展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫(yī)療與光子生物學，激光加工技術，等方面發(fā)揮著非常重要的作用。本設計主要應用到激光的優(yōu)越方向特性。 能量高度集中的激光光束有可能對人體造成損害，如眼睛或皮膚。所以，國際電子技術委員會IEC(International?Electrometrical?Commission)和食品及藥品管理局FDA（Food?and?Drug?Administration）對激光設備的安全性，按其激光輸出值的大小進行了分類。正規(guī)生產(chǎn)激光設備，其安全等級均應按FDA或IEC標準進行標注。IEC標準將激光設備分為五個等級，分別稱為Class1,?Class2,?Class3A,?Class3B,?Class4。例如，Class1級激光設備，在“可預見的工作條件下”是一種安全設備；而Class4級的激光設備，則是可能生成有害的漫反射的設備，會引起皮膚的灼傷乃至火災，使用中應特別小心。FD