嫁接用大粒種子定向播種機構的設計研究

孔艷山，張鐵中，褚 佳，張立博，張文波，劉 展

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

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嫁接用大粒種子定向播種機構的設計研究

孔艷山，張鐵中，褚 佳，張立博，張文波，劉 展

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

設施園藝中嫁接機進行嫁接時對苗木的要求較高，需要人工調整苗木子葉方向，導致嫁接效率低下、勞動生產成本較高。為此，設計了一種可以定向種子長軸方向使長出子葉排列方向一致的定向播種機構，并對振動種盤機構、取送種機構、種子定向機構及整體框架進行了設計，使用歐姆龍的CPM1A型PLC控制機構的運動。試驗結果表明：其工作性能優良，可以大幅度提高播種效率。

振動種盤；定向播種；仿形刮板；PLC控制

0 引言

改革開放以來， 隨著農業產業結構的不斷調整，我國設施園藝發展迅猛，呈現出生產面積快速增加、作物種類逐步增多、設施類型日趨多樣及管理水平逐漸提高的好勢頭[1]；但設施園藝生產存在連作障礙問題，即連續種植容易造成土壤中病蟲基數積累，形成土壤傳播病害，最終導致蔬菜生產質量的下降。采用蔬菜嫁接育苗技術可以有效地防治土壤傳播的病害，且嫁接后的秧苗抗逆性和產量都得到很大提高，對蔬菜品質基本沒有不良影響。因此，蔬菜嫁接技術已成為一項無公害、增產、節能的創收技術，得到廣泛推廣，特別是對耕地面積小難以實現輪作的地區和設施栽培地更為適合[2]。傳統手工嫁接勞動生產率低、勞動強度大、勞動成本高且嫁接成活率低，已經不能適應設施園藝技術的快速發展，嫁接機應運而生[3-6]。在嫁接機嫁接過程中，需要用嫁接機砧木切削機構和穗木切削結構分別切去砧木苗的一片子葉和穗木苗的一段莖稈。為了準確切除砧木苗的子葉，要保證將砧木子葉展開的方向朝向嫁接機切刀刀口，因此現有嫁接機在作業中一般是由人工供苗，使砧木子葉方向達到上述要求。瓜科全自動嫁接機器人無需人工供苗，提高了嫁接勞動生產率，降低了勞動強度。與需人工送苗的半自動嫁接機相比，雖有很大的技術進步，但它對砧木子葉張開方向的一致性具有較高的要求，即需要砧木子葉的展開方向基本一致；而影響砧木子葉生長方向的關鍵因素，就是播種時的南瓜籽(包括云南黑籽南瓜、白籽南瓜)等大粒種子在穴盤播種時的籽粒方向。

為此，設計了一種嫁接用種子定向播種機構，主要用于調整播種時種子長軸的排列方向，以達到長出的幼苗葉片方向一致的目的。

1 整體結構

嫁接用種子定向播種機構主要由振動種盤、取送種及種子定向等機構組成。振動種盤機構采用直線振動器，振動頻率可以通過速度控制器調節，其他運動采用氣缸驅動，控制系統采用歐姆龍公司的CPM1A微型PLC。工作時，其能一次性完成供種、送種、播種及種盤傳動等過程。播種機構采用單套振動種盤搭配兩套種子定向機構，播種效率是單套種盤配單套定向機構的兩倍，從而降低了能源消耗，大幅度提高了播種效率。其整體結構如圖1所示。

2 關鍵部件的設計

2.1 振動種盤機構的設計

振動種盤的主要功能是供種并通過振動方式補充種子被吸附后所產生的空缺。種子采用真空吸盤吸附方式，種盤機構上的種子被吸附后會產生一定的空缺，采用輕微振動種盤的方式可以有效解決吸附后種子空缺問題。為了使吸盤吸附種子方便，達到更加均勻穩定的供種效果，設計了V型種盤，如圖2所示。V型種盤的種堆呈上寬下窄形狀，加大了種堆上部的寬度，使種堆緊湊地排列成一列，采用可以通過速度控制器調節振動頻率的直線振動器，可以隨時調節振動頻率。

為了使種堆表面較為平整且種子都聚集在V型種盤的底部，有利于吸盤對種子的吸附，本設計采用折彎角α=140°。

1.穴盤 2.取送種機構 3.V型振動種盤 4.機架 5.仿形刮板 6.墊板

圖2 V型板

2.2 種子定向機構的設計

大粒南瓜種子大至呈橢圓狀，尖端部分為種子發芽時的破殼出口，如圖3所示。為保證后期嫁接作業的全自動化，要求嫁接用苗的子葉展開方向一致。通過種子育苗試驗可知：只要保證種子的長軸方向在穴盤中基本一致，無論芽口朝左還是朝右，都能較好地實現幼苗子葉展開方向的一致性，如圖4所示。

外形輪廓貼合原理：南瓜等種子外形為橢圓形，與種子長軸垂直的弧面較尖銳，且距離種子重心較遠，該尖銳弧面與其他面在運動過程中處于不穩定狀態。因此，利用種子與長軸和短軸垂直的兩側的不同弧度和重心趨穩特點，就可以使其長軸保持在一定的方向上。本研究設計了一圓孔，將種子放置于該圓孔內，驅動圓孔進行幾次來回往復運動之后，種子的短軸弧邊就會與圓孔的弧邊貼合，從而使所有種子的長軸都處于同一方向，如圖5所示。

圖3 大粒南瓜種子

圖4 育子育苗試驗圖

圖5 種子定向效果圖

該種子定向的方法能夠簡便地將種子的長軸方向處理為同一方向，保證了種子出芽后其子葉展開方向的一致性。 若將定向板制成適合整盤穴盤的規格，按此方法可同時對整盤待播種子進行定向排列，達到高效率的整盤播種流程。

設計的種子定向機構由仿形刮板、墊板和驅動氣缸組成。在刮板和墊板的相對運動中，刮板采用仿形結構可以從各個方向對種子進行約束，有效提高定向效率。墊板用來支撐仿形刮板和氣缸等零件的質量，需要墊板具有較大的強度和硬度，不能在工作過程中產生變形和運動。另外，種子掉落過程中下落的距離不能太大，否則容易在下落的時候發生方向的改變從而導致長軸方向不同，因此墊板的厚度要盡可能地小。綜合考慮，墊板的材料選用不銹鋼板較為合適，能滿足上述所需的要求。氣缸行程分別設計為a和A，且a小于A，并將a行程氣缸固定在A行程氣缸推桿上，工作過程如圖6所示。其中，a行程氣缸伸出并收回，將種子在刮板上的位置和方向調整好；然后A行程氣缸伸出，刮板孔的行程超過墊板的長度，種子從刮板孔落入穴盤，A行程氣缸收回，一個行程結束。

圖6 A行程氣缸工作過程

將種子的外形近似看作兩條對稱的曲線圍成的密閉圖形，隨機取100粒種子，測量組成每粒種子的曲線的曲率半徑(mm)，結果如表1所示。

表1 種子的曲率半徑 mm

續表1

2.3 取送種機構的設計

氣吸式播種具有易于實現單粒定株距、精確播種、苗齊、節省種子及作業速度高等優點，在農作物精量播種中應用廣泛。取種機構主要由真空泵、外部先導式電磁閥及真空吸盤等構成。真空泵通過氣路向真空吸盤提供負壓，形成吸盤與種子表面的氣流壓力差產生吸力[7-10]。

本機構選用德國SCHMALZ圓形波紋吸盤2.5折通用型，能適合不同形狀和尺寸的種子，接觸種子時有良好的緩沖性能，對曲面的種子表面形狀有較好的適用性。在對吸盤固定時，采用將法蘭盤下部改為圓柱形狀的方案，可以有效地防止吸盤連接頭在軸向方向運動，并確保吸盤連接頭與安裝板在水平面上相對固定。

種子通過取送種機構從振動種盤吸住取出，再由取送種機構送到種子定向機構，需要控制取送種機構的豎直和水平運動。由于氣缸運動具有快速準確、易于控制的特點，因此本研究的取送種機構均采用氣缸作為執行元件。在豎直運動過程中，要注意避免的是取送種機構與振動種盤及取送種機構與定向機構的碰撞，還要保證下落種子的位置和刮板孔的高度差不能太大，否則會導致種子長軸方向的改變。在豎直運動中，選用CHELIC公司的70mm行程的雙軸氣缸。在水平方向上，選用CHELIC公司的350mm行程氣缸來驅動，這是一種行程較大的單軸氣缸，無法承受豎直方向的力。于是，采用滑塊導軌，種子吸附機構和滑塊相固定，滑塊與水平驅動氣缸相連接，導軌固定在機架上，從而使氣缸通過驅動滑塊來驅動種子吸附機構運動，參見圖1。

3 控制流程

可編程控制器是近年來迅速發展并得到廣泛應用的新一代工業自動化控制裝置。根據供種、取種、送種、定向等工作過程，以一定的邏輯、時序關系進行控制系統的軟件編程，整個工作過程不斷循環，PLC也在循環過程中進行周期性掃描。為提高機器播種效率，本設計中采用一套種盤搭配兩套定向機構，對兩列穴盤進行播種，從而形成了一套在振動盤吸種、另一套在穴盤中播種連續交叉的工作狀態。開始工作后，左右兩邊吸盤同時進行取種和送種。整體控制流程圖如圖7所示。

圖7 整體控制流程圖

4 實驗結果分析

經過上述對整體機構的描述，現對整機性能做初步的實驗，以考察本機構的性能。

4.1 種子定向機構定向效果

首先對種子定向機構的定向效果進行實驗。實驗時首先執行定向機構進行種子定向，對定向后種子的長軸方向進行角度測量，以考察定向效果。為便于測量，采用機器視覺與圖像處理的方法對定向后的種子測量其長軸方向的角度，如圖8所示。

圖8 種子定向檢測圖像處理方法

通過機器視覺直接采集一排種子的俯視圖像，經過圖像處理后可直接測出其長軸的偏轉角度。由圖8可以看出：所檢測的偏轉角度基本接近180°。記錄結果時，取其與180°的絕對值。

采用以上所述方法，進行種子定向效果實驗，分為3組進行，每組測試20粒種子的定向效果，結果如表2所示。

表2 種子定向試驗效果

從實驗結果可以看出：機構對種子的定向平均偏差為15°。根據嫁接實驗，砧木子葉偏轉在30°以內，可以滿足嫁接要求。

4.2 機構動作效率

經過多次反復試驗，測得機構運行一次的時間為20.2s。根據一個運動循環播種量為12粒，由此可以計算得到嫁接用種子定向播種機的播種效率為2 138粒/h。

5 結論

1)利用南瓜大粒種子的外形特點，采用弧線仿形結構，對嫁接用苗的種子達到了按長軸方向排列一致播種的效果。用圖像處理方法測得試驗后長軸的平均偏轉角為15°，均小于30°，可以滿足嫁接要求。

2)創新設計了一套振動種盤搭配兩套種子定向機構，實現了往復式的無空行程取種和播種，一個循環可以播種12粒，極大地提高了定向播種的效率。

[1] 郭世榮,孫錦,束勝,等.我國設施園藝概況及發展趨勢[J].中國蔬菜,2012(18):1-14.

[2] 辜松.蔬菜工廠化嫁接育苗系統的發展現狀[J].農機化研究,2005(6):52-54.

[3] 邢國明,亢秀萍,姬青云,等.茄果類蔬菜嫁接栽培研究進展[J].沈陽農業大學學報,2000(1):144-146.

[4] 辜松,江林斌.國內外蔬菜嫁接機的發展現狀[J].東北農業大學學報,2007(6):847-851.

[5] 宋永海. 黃瓜嫁接技術[J].現代農業科技,2010(20):145-147.

[6] 陳亞麗,朱為民,劉龍洲.嫁接技術在葫蘆科作物中的應用[J].長江蔬菜,2012(6):6-10.

[7] 高貴武,蔡善儒,付君,等.新型氣吸式播種機的設計與試驗[J].農業技術與裝備,2011(20):41-42.

[8] 張德文，李林，王惠民．精密播種機械[M].北京：農業出版社，1982．

[9] 孫錦山,楊慶華,阮健.氣動多吸盤爬壁機器人[J].液壓與氣動,2005(8):56-59.

[10] 莊森,田盈輝,蔣晶,等.真空氣吸式播種器吸嘴流場的研究[J].農機化研究,2007(11):83-86.Abstract ID:1003-188X(2017)04-0073-EA

Research Design on a Directional Seeding Mechanism for Big Seeds of Grafting

Kong Yanshan, Zhang Tiezhong, Chu Jia, Zhang Libo, Zhang Wenbo, Liu Zhan

(College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In the process of protected horticulture, planters have to adjust artificially the orientation of cotyledons as the grafting machine has a much higher requirement for seedlings. As a consequence of that, the grafting efficiency is low and the labor expenditure is high. To solve this problem, we design an oriented seeding mechanism which can orient the long axes of seeds and keep the sprouting cotyledons in the same direction.This design contains vibratory seed tray mechanism, getting & delivering seed mechanism, seed orientation mechanism and integrated framework, and it utilizes OMRON CPM1A PLC as the control component. According to the experimental results, the mechanism can significantly improve the seeding efficiency with an excellent working performance.

vibratory seedling tray;directional seeding;modeling board; PLC

2016-03-29

國家高技術研究發展計劃項目(2012AA10A506-2)；公益性行業(農業)科技專項(201303014-09)

孔艷山(1991-)，男，河南開封人，碩士研究生，(E-mail)kys_1219@163.com。

張鐵中(1957-)，男，河北邢臺人，教授，博士生導師，(E-mail)zhangtz56@163.com。

S223.1

A

1003-188X(2017)04-0073-05