臥式蔬菜苗嫁接機設計與試驗*

田志偉，馬偉，姚森，楊其長，段發(fā)民

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都市，610213； 2. 成都農(nóng)業(yè)科技中心，成都市，610213)

0 引言

我國蔬菜連作現(xiàn)象較普遍，土傳病害和連作障礙十分嚴重，阻礙了蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。蔬菜嫁接苗是預防土傳病害，克服連作障礙的一項有效技術措施，不僅可以改善根際微生物群落組成[1]，提高種苗抗逆性[2]，還可以保持良種品質(zhì)[3]，增加產(chǎn)量[4]。目前，嫁接苗需求量約500億株，這給育苗工廠帶來前所未有的挑戰(zhàn)[5]。傳統(tǒng)人工嫁接耗時費力，難以保證較高的嫁接效率和成活率[6]，在此背景下，研發(fā)自動嫁接裝備成為行業(yè)亟需解決的問題。

日本是世界上進行蔬菜苗自動嫁接研究最早的國家，從1986年便開始了嫁接機器人的研究。洋馬、井關等日本公司開發(fā)了多款全自動或半自動的蔬菜苗嫁接機，這些裝備嫁接效率在600株/h以上，成功率大于90%[7]。但這些引進的機器體積龐大，結構復雜，價格昂貴，無法適應我國國情。為滿足國內(nèi)急速增長的市場需求，科研人員對自動嫁接技術也做了廣泛研究。北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心研制出一種雙臂蔬菜嫁接機。該機作業(yè)效率可達800株/h，成功率為95%[8]。但價格依舊昂貴，對于中小型育苗工廠而言購機成本很高。為研發(fā)低成本嫁接機，唐興隆等[9]對蔬菜嫁接裝置的結構、工作原理、質(zhì)量效率等進行分析，開展了砧木、接穗切削、粘接試驗。馮青春等[10]基于FX1N系列PLC設計了自動嫁接機控制系統(tǒng)，可提供單步運行和連續(xù)運行兩種工作模式。嫁接苗回栽質(zhì)量水平與回栽裝置設計有關，皇甫坤等[11]設計一種集吸持和鎮(zhèn)壓于一體的回栽裝置，并對回栽精度進行仿真分析。

上述報道為小型、低成本蔬菜嫁接機的研發(fā)積累了豐富經(jīng)驗，但這些研究多處于理論和試驗階段[12-13]。機器易對秧苗造成機械損傷，作業(yè)穩(wěn)定性不高，很難應用于實際作業(yè)等問題依舊是當前的行業(yè)痛點。針對這些問題，本文通過對人工嫁接過程中的關鍵動作及流程進行梳理分析，設計一種基于氣動驅(qū)動方式和PLC控制系統(tǒng)的臥式輕便型蔬菜嫁接機，旨在降低嫁接機成本，提高嫁接效率，解決秧苗損傷問題。

1 嫁接機總體設計

1.1 嫁接方法

蔬菜嫁接方法較多，有針接法、斜接法、劈接法、套管法、靠接法等，嫁接效果除了受光照、溫度等因素制約外，不同的嫁接方法影響差異也較顯著。其中靠接成活率最高，斜接法比套管嫁接效率高，針接法抗病性好，產(chǎn)量、糖分差異不顯著[14]。在砧木和接穗長勢均勻的情況下，斜接法(圖1)嫁接后切面貼合度好，操作流程簡單，更適合機械裝置操作。

斜接法手工嫁接操作步驟如圖1所示，按照60°角度分別切削砧木和接穗，盡量保證接穗與砧木切面大小接近。將準備好的接穗苗與砧木苗切口對準貼合在一起，然后用嫁接夾夾住嫁接部位，固定牢固即可。按照手工嫁接流程可將嫁接機關鍵動作及工作流程梳理為：(1)放置砧木苗；(2)切削砧木；(3)推送砧木；(4)放置接穗苗；(5)切削接穗苗；(6)推送接穗使其與砧木對接并對齊；(7)用嫁接夾固定嫁接部位，并取走嫁接好的秧苗；(8)各部件復位，重復以上過程。

圖1 蔬菜苗斜接法嫁接過程

1.2 系統(tǒng)功能結構

嫁接機結構設計緊扣農(nóng)機農(nóng)藝融合原則。斜接法嫁接過程首先需要對砧木和接穗單獨處理，然后將兩者進行對接固定。因此采用雙向切割對接技術，將嫁接機工作部件分為左右兩部分來分別完成砧木和接穗的夾持、切削動作，然后將其推送至中間進行對齊固定。如果秧苗采用豎直放置方式，在夾持秧苗時，夾持力過大將造成秧苗的機械性損傷，而夾持力過小秧苗在根系土塊的重力作用下會出現(xiàn)松動下滑，造成砧木和接穗切面間隙變大而無法貼合。另外，豎直放苗時莖葉易遮擋視線，不利于操作員控制秧苗的放置位置和一次性精準完成放置動作。為解決該矛盾，將秧苗放置臺設計為橫臥式以供秧苗水平躺臥，并通過根系托盤來承載秧苗根系土塊重量，這樣更符合人體工學要求。如圖2所示，2個推桿氣缸分別安裝在機架兩端，在推桿頂端通過連接件固定氣動夾。為實現(xiàn)秧苗橫臥狀態(tài)下的切割效果，2個割刀氣缸豎直向下安裝，并在推桿頂端安裝有切割刀片。刀片正下方裝有配合刃口尺寸的割臺及秧苗根系托盤。

圖2 臥式蔬菜嫁接機系統(tǒng)機構

氣缸本身結構簡單、工作可靠、無需復雜的參數(shù)計算和結構設計。本研究以維護方便，機構簡單，設計成本低為目標，選用氣缸和氣動夾作為嫁接機的直接執(zhí)行部件。其中氣動夾作為秧苗夾持裝置，如圖3所示，固定在推送氣桿頂端。夾子工作氣壓范圍為0.1～0.7 MPa，尺寸為75 mm×25 mm×50 mm，開閉行程10 mm，閉合后兩指間距為16 mm。

圖3 夾持與推送機構

為彌補該間距以及確保秧苗柔性夾持效果，在上下指上固定分別2塊柔軟的聚乙烯發(fā)泡棉(EPE)墊塊，這種材料材質(zhì)柔軟、韌性強、恢復性好。EPE墊塊夾持力過大會損傷秧苗莖稈，過小則夾持不穩(wěn)定性。Wu等[15]研究發(fā)現(xiàn)，嫁接機夾持機構的最大夾持力不應大于4 N。而夾持力大小與EPE墊塊的厚度L有關，為計算適當?shù)腖值，根據(jù)

(1)

式中：ε——應變；

ΔL——EPE墊塊形變量，正值代表拉伸，負值代表壓縮，cm；

L1——EPE墊塊壓縮后的厚度，cm。

(2)

式中：F——EPE墊塊受植物莖稈的反作用力，N；

A——EPE墊塊與植物莖稈有效接觸面積，m2；

σ——應力，Pa。

(3)

式中：E——EPE墊塊彈性模量，由文獻[16]可知EPE材質(zhì)的彈性模量為100 kPa。

聯(lián)立式(1)～式(3)可得

(4)

由式(4)計算可知，在滿足EPE墊塊對番茄秧苗夾持力為4 N的條件下，單側EPE墊塊的壓縮量為2 mm，因此在EPE墊塊厚度彌補氣動夾兩指間隙并的同時，單側總厚度設計為10 mm，然后對EPE墊塊進行秧苗夾持測試，得出其厚度為10 mm時既能加緊秧苗又不至于夾傷秧苗。

然后根據(jù)式(5)計算執(zhí)行氣缸的推力，并結合實際作業(yè)阻力效果完成氣缸選型。

(5)

式中：F——推力，N；

D——缸徑，mm；

p——氣缸的工作氣壓，MPa。

經(jīng)測試滿足使用要求的氣缸選型如下：其中推送氣缸為雙桿氣缸(圖3)，行程為125mm，工作氣壓為0.1～0.6 MPa，尺寸為175 mm×25 mm×80 mm。割刀氣缸行程為20 mm，工作氣壓為0.1～0.6 MPa，尺寸為66 mm×17 mm×42 mm。為保證粗細不一的秧苗莖稈切割時的完整性，刀片刃長不宜過短，此處設計為20mm，刀刃厚2mm。根據(jù)農(nóng)藝切割要求，刀片安裝角度相對于秧苗莖長方向傾斜30°(圖4)。在刀片正下方裝有與刀片參數(shù)相配合的切割臺，切割時為避免割刀固定板和割臺發(fā)生碰撞干涉，割臺設計有長孔可上下浮動安裝。

圖4 秧苗切割機構

嫁接機采用半自動作業(yè)方式，需要人工將秧苗按照特定姿態(tài)放置于操作臺上，然后觸發(fā)傳感器來啟動后續(xù)夾持、切削、推送等工序。具體工作步驟為：操作員確定砧木切割部位，將其平放在砧木操作臺的光電開關卡槽里以觸發(fā)開關，之后夾子夾持砧木苗，割刀垂直完成切割，推桿將砧木向前推送。以同樣的工序完成接穗苗的放置、夾持、切割，然后推桿向前推送接穗苗，使其與砧木進行對接貼合。最后，人工使用夾子完成砧木—接穗固定，然后夾子松開，操作員取走嫁接苗，割刀、推桿全部復位，等待下一次嫁接操作。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

動力系統(tǒng)方面，本機設計采用氣動驅(qū)動方式。與電動推桿、絲桿等元器件相比，氣動系統(tǒng)具有動作迅速、平穩(wěn)等優(yōu)勢，且控制簡單[17]，氣動系統(tǒng)需要4個雙桿氣缸和2個氣動夾。其中氣動夾用于夾持秧苗，夾持力42 N。氣缸用于砧木、接穗切削和推送對接，其中推送氣缸推力為196 N，割刀氣缸推力為82 N。每個氣動元器件裝有2個單向節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié)氣缸伸縮速度。為了實現(xiàn)嫁接機的自動化作業(yè)，使用6個二位五通電磁閥對氣缸進行控制。氣動系統(tǒng)原理如圖5所示，根據(jù)各個氣動元件的工作氣壓要求，以及不同氣壓下的氣缸工作效果測試結果，確定系統(tǒng)的額定工作氣壓為0.60～0.65 MPa。

圖5 氣動系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)設計方面，需要根據(jù)信號輸入，按照作業(yè)流程進行指令輸出，以驅(qū)動繼電器和電磁閥開閉，從而實現(xiàn)氣動元件按預定時序動作。控制系統(tǒng)硬件包括中央控制單元、輸入模塊、輸出模塊和電路保護元件4部分。PLC內(nèi)部集成的定時器、計數(shù)器、輔助繼電器及觸點大大減少了電氣元件的使用，降低接線的復雜度[18]。綜合考慮嫁接機工作方式、開發(fā)周期、I/O口數(shù)量等因素后選用歐姆龍PLC(CP1E-E40SDR-A)作為中央控制單元。該控制器有24個輸入端口和16個輸出端口，工作電壓為110～220 V。電路設計如圖6所示，220 V電源經(jīng)過斷路器后給PLC控制器供電，并通過變壓器降壓為24 V后為其他元器件供電。PLC輸入端與輸入模塊連接，主要為光電開關、磁性開關及按鈕，傳感器工作電壓為24 V。輸出端與輸出模塊連接，包括工況指示燈、中間繼電器和電磁閥。中間繼電器與電磁閥連接，起遠程開關作用，基于PLC通斷信號控制電磁閥的開閉。表1為PLC端口分配情況。

表1 PLC輸入輸出端口分配Tab. 1 PLC input and output port allocation

圖6 電路設計接線示意

2.2 軟件設計

控制系統(tǒng)采用梯形圖編譯程序，使用CX-Programmer軟件編寫、調(diào)試和下載程序模塊。根據(jù)檢測內(nèi)容需求和系統(tǒng)工作運行要求，程序編寫采用模塊化設計思想。嫁接機控制流程如圖7所示。

工作時打開啟動按鈕，U型槽光電開關1開始檢測卡槽處是否有接穗苗，若沒有接穗苗則重復進行檢測，若有接穗苗則輸出控制信號接通中間繼電器，進而控制電磁閥使氣動夾1閉合；閉合動作觸發(fā)割刀磁性開關，以相同原理驅(qū)動割刀1氣缸垂直向下伸出進行剪切后立即縮回；剪切動作繼而觸發(fā)推送氣缸磁性開關，推桿氣缸1伸出將切削好的秧苗推向中間。此時，U型槽光電開關2檢測卡槽處是否有砧木苗，按照同樣的流程控制氣動夾2閉合，割刀氣缸2和推桿氣缸2伸出。在推桿氣缸1和推桿氣缸2均伸出時系統(tǒng)開始計時5 s，等待人工固定；定時器時間到，夾子1和夾子2 張開，推桿1、推桿2縮回，嫁接流程完畢，系統(tǒng)全部復位，進行下一輪檢測。

3 試驗研究

3.1 試驗材料與方法

為驗證臥式蔬菜嫁接機工作效率和性能，對其進行嫁接測試。嫁接機工作電壓220 V，氣壓0.6 MPa。試驗對象為茄子秧苗，平均株高18 cm，長勢均勻、健康。將60株秧苗隨機分成3組，在熟練操作下進行嫁接試驗。記錄每組秧苗完成嫁接所需的時間，并將其轉換為嫁接效率(株/h)。每組測試完成后統(tǒng)計嫁接苗成功數(shù)量和損傷數(shù)量。嫁接成功的具體技術要求為砧木—接穗緊密貼合；嫁接苗無明顯損傷；夾子固定緊密，嫁接苗無明顯錯位[19]。損傷主要查看砧木和接穗是否出現(xiàn)莖稈壓扁、傷殘等情況。

嫁接機操作過程中共2人參與，其中1人操作嫁接機，1人負責供給砧木和接穗，并運走嫁接苗。

3.2 結果與分析

測試完成后計算每組試驗的嫁接效率、嫁接成功率和秧苗損傷率，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。成功率為秧苗嫁接成功的數(shù)量占總嫁接苗數(shù)量的比率，損傷率為損傷秧苗數(shù)量占總嫁接苗數(shù)量的比率。

表2 嫁接機數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab. 2 Statistics of grafting machine

由表2可知，本文提出的臥式蔬菜嫁接機平均作業(yè)效率為348株/h，平均嫁接成功率為93.3%，損傷率為0%，說明該嫁接機工作性能較為穩(wěn)定，對秧苗無損傷，可滿足實際作業(yè)需求。

完成嫁接機設計和樣機試制后，對其成本進行核算。其中直接材料費用4 500元，直接人工費用 15 000 元，制造費用800元，輔助生產(chǎn)費用450元，總設計成本為20 750元。與市場現(xiàn)有嫁接機相比，臥式嫁接機成本顯著降低，可為中小型育苗基地和種苗生產(chǎn)農(nóng)戶節(jié)省生產(chǎn)成本。

本文設計的蔬菜嫁接機采用氣動驅(qū)動方式，工作氣壓一定程度上決定了割刀切割速度的快慢和動作的剛柔度，而切割速度快慢與動作剛柔度會影響秧苗莖稈切面的平整度，這對砧木—接穗貼合效果和嫁接苗的成活率有影響，而此次試驗主要測試了嫁接機的效率和性能，沒有研究不同工作氣壓下的秧苗切割面平整度情況，因此這是未來工作重點。另外，刀片切入角決定了其受力特征，不同的切入角將產(chǎn)生什么樣的秧苗切割效果？斜接法的秧苗斜切角度決定砧木—接穗拼接時公共區(qū)域長度，該區(qū)域最佳長度為多少時可以保證砧木和接穗貼合的面積最大，從而提高嫁接苗成活率？同時，砧木—接穗拼接的公共區(qū)域長度對人工用夾子一次完成固定動作的成功率有何影響？這些知識目前仍然未知，因此下一步工作亟需圍繞這些方面展開研究，以填補理論知識空白，進一步提升嫁接機性能。

4 結論

1) 采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)和PLC控制方式實現(xiàn)蔬菜秧苗的自動夾持、切割和對接動作。

2) 試驗結果表明，嫁接機平均作業(yè)效率為348株/h，平均嫁接成功率為93.3%，嫁接苗零損傷。

3) 該機工作性能穩(wěn)定可靠，總成本與市場現(xiàn)有嫁接機相比顯著降低，因此可為中小型育苗基地和種苗生產(chǎn)農(nóng)戶提供技術支撐的同時節(jié)省生產(chǎn)成本，同時為農(nóng)業(yè)機械化輔助裝置的研發(fā)和應用提供參考。