茄果蔬菜六株同步嫁接雙向夾持定位裝置設計

辛 璐,高春鳳,張 梅,王家勝

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

我國蔬菜常年種植面積已超過2000萬hm2,而茄果和瓜科類蔬菜占總面積的1/3[1-2],兩類蔬菜種苗集約化生產大多數采用嫁接技術來抵抗土傳病害、改善蔬菜品質和提高產量[3-4]。但當前國內蔬菜種苗嫁接工作大多數依靠人工完成,工作效率低、用工成本高,嚴重制約了蔬菜產業的集約化生產進程。日韓、荷蘭等國家已經開發出了商品化全自動和半自動蔬菜嫁接裝備[5-6],但因高昂的價格和適應性等問題,并未在我國推廣。近年來,國內蔬菜自動嫁接技術與裝備的研究已取得了較大的進展[5-6],但主要處于樣機試制試驗階段。蔬菜自動嫁接裝備可連續完成種苗多工序嫁接動作,其苗株的夾持定位是確保種苗精確切削、精準插接和穩定上苗的關鍵環節。目前,夾持機械手多由電氣結合驅動的二指或多指夾持,如樓建忠[7]設計的凹凸形夾持片交叉夾緊機構及項偉燦[8]設計的螺釘與彈簧組合式氣動夾持機構完成對嫁接苗的準確無損夾持。李軍采用氣動與電磁協同氣爪機構可一次實現5株秧苗上下兩部位的定位夾持[9]。張峰峰研究了一種橫縱向夾指機構,可對每行6株秧苗精準夾持定位[10]。為降低秧苗夾傷,姜凱采取在夾持機械手增加柔性EVA墊片與秧苗接觸[11],呂亞軍[12]、樓建忠[13]提出采用氣吸式原理固定秧苗。另外,機器視覺和圖像處理技術也被應用到嫁接苗株的智能識別和精確定位中[14-17]。

筆者針對茄果蔬菜多株同步嫁接裝備的結構技術要求,設計了一種適合6×12規格穴盤苗一排六株同步夾持定位機構裝置,并采用二維雙向夾持定位原理,實現對砧木和接穗苗的低損傷夾持和精準定位,輔助嫁接裝備完成蔬菜苗的精準切削和插接等嫁接工序。

1 嫁接苗物理特性

1.1 測試的參數、材料與方法

蔬菜嫁接苗的幾何參數和力學特性參數是自動嫁接裝備結構和工作參數設計的重要依據。嫁接苗株在被夾持定位的過程中,要求對砧木和穗木苗莖精準部位夾緊固定的同時不能造成夾持損傷,故需要參考嫁接苗的幾何參數和苗莖抵抗損傷的夾持力。其中,測量的幾何參數包括嫁接苗子葉高度H1、第一片真葉高度H2、子葉處苗莖D1和苗莖D2,如圖1所示。對于力學參數,研究表明,當嫁接苗的壓縮變形量小于20%時,對嫁接苗的損傷小,故把變形量達到20%時受到的壓縮力設定為臨界壓縮載荷。

試驗材料選擇嫁接期的砧木為托托斯加(番茄)、威壯貝爾(辣椒),穗木為津優1號(番茄)和中椒5號(辣椒)。

幾何參數采用直尺和游標卡尺進行測定,壓縮力學特性通過WDW-01型微機控制電子萬能試驗機進行測定。每個品種選出50個樣本測量幾何參數,每個品種選12株進行重復壓縮力學試驗測試力學參數,取其平均值。

1.2 測試結果

1.2.1 幾何參數

蔬菜秧苗幾何參數測試數據如表1所示。由表1數據可知:雖然各組適宜嫁接高度有一定差異,但在同組中各數據標準差都不大,表明各組秧苗均勻性較好,在同生長期中嫁接苗幾何尺寸分布比較均勻,有利于嫁接裝備的通用性。

表1 秧苗幾何尺寸參數值Table 1 Geometric parameters of vegetable plug seedlings

1.2.2 力學參數

根據幾何參數分別計算其適宜嫁接位置,即(H1+H2)/2處平均苗莖,并使用試驗臺對秧苗進行臨界壓縮試驗,臨界壓力選擇秧苗形變量為20%對應壓力值,統計數據如表2所示。

表2 秧苗臨界壓力值Table 2 Critical pressure value of seedlings

2 六株同步雙向夾持定位裝置設計

2.1 整體結構與原理

為適合6×12規格穴盤苗盤內嫁接,每次同時嫁接每行6株苗,設計相應的夾持定位裝置,如圖2所示。整體裝置由橫向夾指組、縱向夾指組、橫向氣缸、縱向氣缸、橫向滑軌、縱向滑軌、安裝板和配套連接件組成。其中,橫向夾指又分為左橫向夾指和右橫向夾指,它們在橫向氣缸驅動下沿橫向滑軌做往復滑動;縱向夾指分別套在橫向夾指的前端,在縱向氣缸驅動下相對橫向夾指做縱向往復滑動。

圖2 夾持定位裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of clamping and positioning device

橫向夾指組與縱向夾指組聯合作用實現對蔬菜苗株的雙向夾持定位,工作流程如圖3所示。初始時,橫向夾指與縱向夾指均處于分離狀態,當蔬菜苗株喂入到左右兩夾指之間預定位置后,左右橫向夾指相向運動,橫向夾持住苗株;接著,兩縱向夾指沿縱向同向運動夾持住苗株,完成苗株的精確夾持定位。

2.2 橫向夾持組件結構

橫向夾持組件的主要功能是對秧苗在橫向方向實現夾持定位,其結構如圖4所示。橫向夾持組件由左、右兩套夾指組件構成,每套夾指組件各由6條左(右)橫向夾指經連接立桿分別固定在左(右)夾指連接橫桿上,左(右)夾指連接橫桿通過固定在其上的兩個橫向滑塊沿橫向滑軌滑動,左(右)指橫向氣缸經推桿驅動左(右)橫向夾指組實現左右夾指的夾持和分離動作。

圖3 雙向夾持定位原理Fig.3 Principle of bidirectional clamping and positioning

(a)左橫向夾指組

(b)右橫向夾指組圖4 橫向夾持組件結構Fig.4 Structure of transverse clamping assembly

2.3 縱向夾持組件結構

縱向夾持組件結構如圖5所示。其中,6對左、右縱向夾指分別套接在對應的6對左、右橫向夾指尖端,可做縱向相對滑動;縱向夾指分別經縱向夾指拉桿、橫向滑板、橫向滑槽及縱向推板與縱向氣缸相連,在氣缸的驅動下做縱向往復運動。縱向夾指拉桿穿過固定在機架上的縱向滑道,在其導向約束下運動,可確保機構縱向運動平順性和高精度。由于縱向夾指套結在橫向夾指上,且橫向滑板在橫向滑槽內滑動,故可實現縱向夾指隨橫向夾指做橫向同步運動。

圖5 縱向夾指組件結構Fig.5 Structure of longitudinal clamping assembly

2.4 夾指機構關鍵參數設計

2.4.1 苗株夾指斜面參數設計

橫向與縱向夾指的觸苗端角加工為斜面狀,四指夾持狀態下呈雙“V”形夾持口,夾持口的中心即為每株苗株的定位中心點。當苗株進入到既定位置后,首先,兩橫向夾指相向運動將橫向偏離的苗株向中心推送;當左右夾指“V”形夾持口兩斜面同時觸苗時,苗株已到達橫向中點,夾指繼續橫向夾持運動。為使苗株具有自動對心效應,應使苗株沿兩斜面縱向外滑動,具體受力情況如圖6(a)所示。苗株分別受到兩側夾指斜面作用的正壓力N和摩擦力Fc。由于苗株是向“V”形口外側滑動或滑動趨勢,所以摩擦力方向指向“V”形口內側。因左右兩橫向夾指結構相同且對稱布置,苗株所受橫向合力為0,則使苗株沿斜面滑動的條件為

2Nsinθ≥2Fccosθ

(1)

式中N—夾指斜面對苗株的正壓力(N);

Fc—夾指斜面對苗株的摩擦力(N);

θ—夾指斜面張角(°)。

夾指斜面對苗株的正壓力和摩擦力的關系為

Fc=fN

(2)

式中f—苗株與夾指斜面的摩擦因數。

聯立式(1)、式(2)可得

θ≥arctanf

(3)

為減輕對苗株的夾持損傷,夾指斜面貼有PVC塑料板,試驗測試得到蔬菜苗株與PVC塑料板間的平均摩擦因數為0.765[7],代入到式(3)得

θ≥37.4°

(4)

理論上,橫向夾指斜面張角θ越大,夾持時越容易使秧苗沿斜面縱向滑動;但θ過大不利于橫向夾指橫向推苗,綜合考慮取θ=40°。

圖6 苗株夾持受力Fig.6 Clamping force of seedlings

2.4.2 夾持口徑設計

夾持口徑是指苗株處于夾緊狀態時橫向與縱向夾指中心孔最大內切圓直徑d,如圖7所示。夾持口徑的大小是確保夾緊秧苗又不損傷秧苗的關鍵,其尺寸由秧苗直徑確定。

圖7 夾指結構參數Fig.7 Clip finger structure parameters

秧苗直徑基本滿足正態分布,即

(5)

式中X—苗徑隨機變量(mm);

μ—苗徑的數學期望(mm);

σ—苗徑的標準差(mm);

Z—苗徑標準正態分布隨機變量(mm);

N(0,1)—標準正態分布。

所以

X=σ×Z+μ

(6)

以番茄砧木苗株為例,由標準正態表知,95%的數據在區間[-1.96,1.96]。番茄砧木苗徑的數學期望μ=3.93mm,番茄砧木苗徑的標準差σ=0.21mm。所以,番茄砧木苗徑有95%的概率在區間[3.52mm,4.34mm]。

夾持定位裝置在夾持番茄砧木時應既能夾緊最細的秧苗,又不夾傷最粗秧苗,所以要求

dmin

(7)

式中dmin—95%概率的最細苗徑(mm);

d—夾持口徑(mm);

dmax—95%概率的最粗苗徑(mm)。

根據式(7),夾持口徑d應滿足3.47mm

2.4.3 夾指運動行程

夾指組的結構布置取決于穴盤規格尺寸及蔬菜苗在穴盤內的株行距分布。6×12規格72孔穴盤的結構尺寸為280mm×540mm,穴孔間株行距為43mm×43mm,故相鄰兩組夾指的夾持中線間距A=43mm。為保證橫向夾指在張開狀態下,左右橫向夾指不發生干涉,夾指運動行程要滿足

S≤w/2=A/2-c-δ/2

(8)

式中S—夾指運動行程(mm);

w—相鄰兩組夾指外間距;

A—相鄰兩組夾指的夾持中線間距(mm);

c—夾指寬度(mm);

δ—左右夾指夾緊間隙(mm)。

其中,夾指寬度c=14mm,取δ=1mm,綜合考慮式(8),取橫向夾指運動行程S=6mm。

3 夾持定位裝置性能試驗

3.1 試驗設備與材料

為了驗證所設計的蔬菜苗株夾持定位裝置的合理性,進行茄科蔬菜苗株夾持定位性能試驗。試驗設備采用自行研制的2JS-6型一組六株蔬菜自動嫁接機,測量工具采用游標卡尺(寶工PD-151,量程150mm,精度0.02mm)。試驗材料為嫁接期的茄科蔬菜砧木為托托斯加(番茄)、威壯貝爾(辣椒),穗木為津優1號(番茄)和中椒5號(辣椒)。

3.2 試驗方法

評價夾持定位裝置性能優劣的主要依據是對苗株夾持定位精度和夾持損傷是否滿足作業要求,選擇夾持合格率與夾持損傷率兩個指標作為試驗評價指標。其中,夾持合格率是指蔬菜苗株在夾持狀態下切削合格與插接合格的株數占總作業株數的百分比,即

(9)

式中P—夾持合格率(%)

N1—苗株切削合格株數(株);

N2—苗株插接合格株數(株);

N0—總作業苗株數(株)。

根據嫁接實踐經驗,切削合格的判斷標準規定切削刃(切痕)偏離標準切削線20%即視為不合格,插接合格的判斷標準是穗木切削面偏出砧木切削面10%視為不合格。

夾持損傷率的計算式為

(10)

式中Q—夾持損傷率(%);

U1—苗株損傷株數(株);

U0—總試驗株數(株)。

夾持損傷率的判斷方法是將夾持試驗后的苗株(不進行切削嫁接試驗)放入穴盤內培育,48h后苗株不能繼續成活的視為損傷。

每組試驗分別選取砧木苗株和穗木苗株60株,按照以上方法統計數據并計算獲得夾持合格率與夾持損傷率指標值。

圖8 苗株夾持定位試驗Fig.8 Test of seedling clamping and positioning

3.3 試驗結果與分析

蔬菜秧苗夾持合格率與損傷率試驗結果如表3所示。由表3中數據可知:番茄和辣椒苗株的平均夾持合格率P≥96%、平均夾持損傷率Q≤3%,均滿足了設計要求。數據顯示,番茄苗株的夾持合格率要低于辣椒的夾持合格率,主要因為番茄苗莖的直立度和均勻度差于辣椒,導致夾持定位的精度更低。另外,由于辣椒苗莖的木質纖維要高于番茄苗莖,其苗莖抵抗壓損的能力更強,所以辣椒苗株的夾持損傷率低于番茄苗株。

表3 秧苗夾持合格率與損傷率Table 3 Qualified rate and damage rate of seedling clamping %

4 結論

1)設計了一種適合6×12規格穴盤苗一排六株同步自動嫁接的雙向夾持定位裝置,由橫向夾指機構與縱向夾指機構組成,由氣動裝置驅動夾指從橫、縱兩個方向實現對一排六株苗株的同步夾持定位。同時,確定了苗株夾指斜面張角為40°,根據茄科蔬菜苗徑參數和臨界壓力試驗參數,設計確定了番茄和辣椒苗夾指口直徑。

2)采用自行研制的2JS-6型一組六株蔬菜自動嫁接機開展了雙向夾持定位裝置性能試驗,結果表明:番茄和辣椒苗株的夾持合格率≥96%、夾持損傷率≤3%,均滿足了設計要求。由于番茄與辣椒苗株幾何形態和力學特性差異,番茄苗株的夾持合格率要低于辣椒的夾持合格率,且辣椒苗株的夾持損傷率低于番茄苗株。