嫁接育苗接穗處理機構的設計

河北農業大學機電工程學院 黃碩 張秀花 陳金明

西瓜是夏天清涼解暑的佳品，并具有廣泛的藥用價值[1]。我國作為全球最大的西瓜產地，近年來西瓜種植面積與產量呈穩定增漲趨勢。西瓜培育過程中需要采用嫁接的方法應對連作障礙的問題[2、3、4]，西瓜嫁接常采用插接法，方法簡單，并且不需要夾持物輔助后續的生長愈合[5]。插接法嫁接中接穗處理是一個十分重要的環節，但是人工操作不僅效率低并且精度無法保證，所以研究一種接穗處理機構具有十分重要的意義。

1 接穗處理機構的設計

1.1 接穗處理機構的結構與工作原理

接穗處理機構包括接穗夾持機構和接穗切削機構兩部分，其整體結構如圖1 所示。

圖1 接穗處理機構

接穗夾持機構共包含上下兩個夾持器，其中上夾持器如圖2所示，在氣動手指上安裝有夾持臂，夾持塊前端安裝在夾持臂頂端的方槽內，尾部的導柱安裝彈簧，固定在夾持臂頂端的護板可防止彈簧向外移動，夾持塊可在方槽內滑動；下夾持器結構簡單，如圖3 所示，在氣動手指上安裝兩個夾苗塊和一個扶苗架。接穗切削機構由電機支架將電機固定，切刀桿安裝在步進電機軸上，切刀桿頂端安裝有切刀。

圖2 上夾持器

圖3 下夾持器

接穗處理機構工作時，接穗苗通過上夾持器兩種V 型夾持塊交錯固定與定位，夾持塊內的彈簧在夾持塊夾持接穗苗過程起到緩沖作用，保證夾持力小于1.33N，實現柔性夾持，降低了對接穗苗的夾持損傷率。當接穗苗被接上夾持器夾持定位后，下夾持器夾持住接穗苗莖稈底部，保持接穗苗豎直，這樣可提高切削精度。切削裝置在空間允許的情況下采用旋轉切削可以提高切削速度，而且切口光滑。切削角度不宜過小，否則切口尖端會比較尖銳，當有小誤差發生時很可能接穗尖端折斷導致插接失敗，故選用切削角度為60°。

1.2 切刀軌跡分析

為保證精確的切口角度，需要對切刀運動軌跡進行分析。圖4 為切削機構運動軌跡圖。

圖4 切削機構運動軌跡圖

圖中：O 為電機軸；A 點為切刀正好將莖稈切下來的位置；B點為A 點向OC 做的垂足點；C 點為切刀初始點；C" 為切刀運動完成點；β 為 AO 與 CO 的夾角；α 為 BA 與 OA 的夾角；n 為電機的旋轉方向。

由圖4 可知，起始位置時切刀桿處于豎直狀態，切刀位于C點。當接穗苗被固定住，電機帶動切刀桿逆時針旋轉到A 點時接穗苗莖稈恰好被切下，最后運動到C" 點，電機停止工作，此時處于待機模式。當接穗夾持機構帶動接穗苗運動到下一工位后，電機回轉帶動切刀由C" 點回到C 點，等待下一工位的到來，整個切削過程結束。

2 接穗切削機構模態分析

接穗的切削效果影響嫁接的成功率，故切削機構要避免切削過程中發生共振。首先，接穗切削機構的固有頻率可根據步進電機實際工作時的轉速來確定，具體由式（3-1）計算得出：

式中：f 為接穗切削機構的固有頻率（Hz）；n 為步進電機的轉速（r/min）。

有研究表明，接穗的切削速度在1.1m/s 時成功率最高[6]，故選取電機轉速為n=86r/min，代入到式（3-1），計算得到電機輸出軸的轉動帶來的最大頻率為1.433Hz。

將模型導入ANSYS Workbench 平臺中，對其進行模態分析。

圖5 一階模態振型

對接穗切削機構的分析得到以下結果：振動頻率、相應階數的振型云圖等。圖5 為一階振型云圖，可以看出，一階模態振動頻率為34.758Hz。而電機輸出軸轉動帶來的振動頻率最大為1.433Hz，遠小于切削機構固有頻率34.758Hz，因此接穗切削機構不會產生共振，不會影響切刀運行的穩定性。

3 試驗與分析

接穗夾持機構的設計要求是能完成接穗苗的無損夾持，保證接穗苗切口平滑與精確的切削角度。本試驗的目的是檢驗接穗夾持機構的夾持成功率和傷苗率以及切削機構的切削成功率。

分別取3 組長勢良好的西瓜苗，各50 株，進行接穗夾持與切削試驗。試驗在接穗處理試驗平臺上進行，試驗裝置如圖6所示。

圖6 接穗處理試驗平臺

試驗結果如表1 所示，從試驗結果可以看出接穗苗在夾持過程中無損傷，傷苗率為0%。切削成功率達100%，切削后的接穗苗切口平滑，切削角度精準。接穗苗切口狀態圖如圖7 所示。

圖7 切口狀態圖

4 總結

本文設計的接穗苗處理機構，加持機構能夠對接穗苗進行無損夾持，切削機構能夠滿足切口角度要求，并且工作過程不會發生劇烈震動，切口光滑。最終，試驗結果表明該機構處理接穗苗成功率高，效果好。