童俊華 喻擎蒼 泮金輝 楊太瑋 丁煜華

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

雙斷根嫁接機(jī)自動(dòng)搬運(yùn)與回栽裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

童俊華1,2喻擎蒼1,2泮金輝1楊太瑋1丁煜華1

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

為提高嫁接流程的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一種適用于雙斷根嫁接機(jī)的自動(dòng)搬運(yùn)及回栽裝置，以解決嫁接后嫁接苗依靠人工搬運(yùn)、回栽作業(yè)的問題。闡述了搬運(yùn)及回栽裝置工作原理，并對(duì)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過嫁接苗貼接夾緊區(qū)域統(tǒng)計(jì)和嫁接苗搬運(yùn)試驗(yàn)，確定搬運(yùn)機(jī)構(gòu)對(duì)嫁接苗的最佳夾持位置；當(dāng)機(jī)構(gòu)夾持嫁接苗夾子下端搬運(yùn)，搬運(yùn)成功率可達(dá)94%，平均耗時(shí)為2.5 s/株。通過鎮(zhèn)壓三因素三水平正交試驗(yàn)，確定嫁接苗鎮(zhèn)壓效果最優(yōu)條件；當(dāng)打孔孔徑10 mm、打孔深度15 mm、鎮(zhèn)壓塊形狀為對(duì)分錐面鎮(zhèn)壓時(shí),嫁接苗回栽試驗(yàn)成功率可達(dá)92%，平均耗時(shí)為4 s/株，滿足目前全自動(dòng)嫁接機(jī)的嫁接速度要求。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的嫁接苗自動(dòng)搬運(yùn)及回栽裝置與嫁接機(jī)配套使用，可提高嫁接流程的自動(dòng)化程度。

雙斷根嫁接機(jī)； 搬運(yùn)； 回栽； 鎮(zhèn)壓； 夾持

引言

雙斷根嫁接法[1-3]是近年來新出現(xiàn)的嫁接方式，區(qū)別于傳統(tǒng)的嫁接方法，它將砧木和接穗的原有根系均去除，誘導(dǎo)嫁接苗產(chǎn)生新的根系[4-5]。雙斷根嫁接與常規(guī)插接方法相比人均嫁接速率、嫁接功效、嫁接成活率分別提高32%、46.8%、8%，對(duì)于商品化、工廠化育苗具有較大的推進(jìn)作用[6-8]。

目前，嫁接過程中切削自動(dòng)化已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)取苗、供苗、嫁接苗自動(dòng)栽植、后期管理等操作過程的自動(dòng)化正得到更多的研究關(guān)注[9]。2011年，日本井關(guān)公司設(shè)計(jì)的GRF800-U型全自動(dòng)嫁接裝置已經(jīng)可以自動(dòng)切斷根部實(shí)現(xiàn)雙斷根嫁接[10]。2010年，辜松等[11]、樓建忠等[12]提出的2JX-M系列氣力蔬菜嫁接切削器可對(duì)砧木和接穗進(jìn)行自動(dòng)切削作業(yè)，提升了斷根嫁接的自動(dòng)化程度。2012年，ZHANG等[13-14]提出一種適用于貼接法嫁接機(jī)的自動(dòng)上苗裝置，該裝置也可以在嫁接前對(duì)砧木和接穗進(jìn)行自動(dòng)斷根處理。2014年，張鐵中團(tuán)隊(duì)[15-16]提出單人操作的蔬菜嫁接機(jī)，該機(jī)器可以根據(jù)需要對(duì)嫁接苗進(jìn)行斷根和留根嫁接。為了提升雙斷根嫁接的自動(dòng)化程度，國(guó)內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出具有斷根切削功能的切削器和上苗裝置[17-19],部分嫁接機(jī)器人也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)雙斷根嫁接[20],但嫁接完成后嫁接苗的搬運(yùn)、回栽目前依然以人工為主。

為進(jìn)一步提高嫁接流程的自動(dòng)化程度，減少人工輔助強(qiáng)度，本文擬設(shè)計(jì)一種可以和雙斷根嫁接機(jī)配套使用的自動(dòng)搬運(yùn)與回栽裝置，并對(duì)其可行性和最佳使用條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 搬運(yùn)回栽裝置工作流程

雙斷根嫁接苗自動(dòng)搬運(yùn)及回栽裝置分為搬運(yùn)機(jī)構(gòu)和回栽機(jī)構(gòu)兩部分，如圖1所示，該裝置可直接與嫁接機(jī)對(duì)接安裝。

當(dāng)嫁接苗在嫁接臺(tái)處完成雙斷根嫁接后，嫁接苗搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將嫁接苗夾持，并搬運(yùn)至嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)處；嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)夾取嫁接苗后移動(dòng)到相應(yīng)的穴盤上方，之后由回栽機(jī)構(gòu)對(duì)穴孔基質(zhì)打孔并將嫁接苗插入基質(zhì)中鎮(zhèn)壓，完成對(duì)嫁接苗的回栽作業(yè)。

圖1 嫁接苗自動(dòng)搬運(yùn)及回栽裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of automatic carrying and replanting device for grafting1.嫁接機(jī)嫁接臺(tái) 2.搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 3.回栽機(jī)構(gòu) 4.嫁接苗回栽穴盤 5.嫁接機(jī)夾持苗機(jī)構(gòu) 6.嫁接機(jī)切削機(jī)構(gòu) 7.搬運(yùn)及回栽區(qū)域

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 嫁接苗夾持與搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

圖2 夾持機(jī)構(gòu)Fig.2 Clamping mechanism1.直線氣缸 2.齒條 3.小齒輪 4.夾爪

夾持機(jī)構(gòu)對(duì)嫁接苗的夾持可靠性會(huì)影響搬運(yùn)的成功率。如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)主要由夾爪、直線氣缸、齒條和小齒輪組成。該機(jī)構(gòu)的主要工作原理為：直線氣缸帶動(dòng)齒條前后運(yùn)動(dòng)，齒條兩側(cè)有2個(gè)相應(yīng)的小齒輪與其相嚙合，小齒輪另一端與夾持機(jī)構(gòu)的夾爪相固定。在氣缸推動(dòng)齒條前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒輪帶動(dòng)夾爪完成張開和收攏動(dòng)作。

嫁接夾持機(jī)構(gòu)的夾爪為上下兩層交錯(cuò)，兩層前端的開口為“V”字形，有利于夾持機(jī)構(gòu)攏苗，減少對(duì)嫁接苗的損傷。嫁接苗苗徑大約為3 mm，夾持機(jī)構(gòu)夾爪在收攏之后會(huì)形成一個(gè)4.5 mm左右的孔徑，同時(shí)會(huì)在夾爪“V”字形端口表面粘貼彈性EVA 軟質(zhì)墊片，避免夾持過程中對(duì)嫁接苗莖稈造成傷害。

由圖1可知，嫁接苗搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將嫁接苗從嫁接臺(tái)搬運(yùn)至回栽機(jī)構(gòu)處需要越過切削機(jī)構(gòu)。同時(shí)為了便于回栽機(jī)構(gòu)夾持，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)搬運(yùn)過程中要始終保持豎直狀態(tài)，同時(shí)夾持機(jī)構(gòu)在搬運(yùn)過程中水平方向上需要轉(zhuǎn)向180°。

嫁接苗搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的工作原理為：當(dāng)同步帶輪繞著一個(gè)固定的同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)繞著固定同步帶輪公轉(zhuǎn)而無自轉(zhuǎn)。圖3中與公轉(zhuǎn)同步帶輪固定的支架、第3轉(zhuǎn)軸和第4轉(zhuǎn)軸始終保持豎直向下狀態(tài)。如圖4所示，本方案的工作過程為：① 初始狀態(tài)，夾持機(jī)構(gòu)夾取嫁接臺(tái)處的嫁接苗。② 電動(dòng)機(jī)通過第1同步帶輪組帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)90°，同時(shí)第3轉(zhuǎn)軸始終繞著第2轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)而無自轉(zhuǎn)。③ 第4轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)同步帶輪受到固定在轉(zhuǎn)臂的固定同步帶輪影響而自轉(zhuǎn)，利用錐齒輪傳動(dòng)從而使第5轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°，嫁接苗搬運(yùn)至回載機(jī)構(gòu)處。④ 夾持機(jī)構(gòu)松開嫁接苗后，夾持機(jī)構(gòu)回到原來位置，再進(jìn)行與步驟①～③相同的下一次循環(huán)，如圖3往復(fù)循環(huán)，自動(dòng)搬運(yùn)嫁接苗。

圖3 搬運(yùn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of automatic carrying mechanism1.第1同步帶輪組 2.電動(dòng)機(jī) 3.第2同步帶輪組 4.轉(zhuǎn)臂 5.第3同步帶輪組 6.固定支架 7.錐齒輪組 8.夾持機(jī)構(gòu)

嫁接苗搬運(yùn)機(jī)構(gòu)中固定支架是唯一的，旋轉(zhuǎn)臂臂長(zhǎng)可以調(diào)節(jié)，通過更換旋轉(zhuǎn)臂可以實(shí)現(xiàn)在不同高度的嫁接機(jī)嫁接臺(tái)上旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)嫁接苗。

2.2 嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)

2.2.1回栽機(jī)構(gòu)工作原理

根據(jù)農(nóng)藝要求可知，回栽裝置需要實(shí)現(xiàn)嫁接苗夾取、基質(zhì)打孔、嫁接苗回栽以及基質(zhì)鎮(zhèn)壓功能。

圖5所示為雙驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該裝置主要由持苗打孔機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)共同組成，通過水平氣缸和豎直氣缸一起驅(qū)動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)嫁接苗的回栽。Fa代表了水平方向上的雙軸氣缸產(chǎn)生的水平方向動(dòng)力，F(xiàn)b代表了豎直方向上的雙軸氣缸產(chǎn)生的豎直方向動(dòng)力，其具體的工作步驟如下：

圖4 自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)工作示意圖Fig.4 Working process of automatic handling mechanism

圖5 雙驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structural diagram of dual drive multilink mechanism

(1)當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)N保持閉合狀態(tài)后，豎直方向上的力Fb向下移動(dòng)，除了帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)N和與其固定的滑塊E向下移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)打孔滑塊M和固定滑塊上的打孔桿向下移動(dòng)，完成打孔動(dòng)作。

(2)水平方向動(dòng)力Fa往后移動(dòng)，帶動(dòng)彎曲連桿EAK沿槽進(jìn)行水平方向的移動(dòng)，滑塊E跟隨著連桿EAK移動(dòng)使得夾持機(jī)構(gòu)變成張開狀態(tài)，同時(shí)打孔滑塊M向上移動(dòng)，收回打孔桿。彎曲連桿EAK往后運(yùn)動(dòng)通過連桿BA帶動(dòng)連桿CO旋轉(zhuǎn)。與連桿CO相連的連桿CD受到影響帶動(dòng)滑塊D往下運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)完成對(duì)基質(zhì)的鎮(zhèn)壓。之后彎曲連桿EAK繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，滑塊D開始往上移動(dòng)離開基質(zhì)。

(3)豎直方向力Fb通過連桿JG帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)等往上移動(dòng)。離開穴盤后，水平方向力Fa往前推動(dòng)彎曲連桿EAK向前運(yùn)動(dòng)，使得夾持機(jī)構(gòu)保持閉合狀態(tài)，完成對(duì)新的嫁接苗的夾持，開始下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。

2.2.2鎮(zhèn)壓和打孔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

雙驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)中水平氣缸和豎直氣缸產(chǎn)生的量程是不變的，但其驅(qū)動(dòng)的鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)的鎮(zhèn)壓速度過快容易損傷嫁接苗。本節(jié)通過對(duì)鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸參數(shù)的合理性。

圖6 鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Structural diagram of pressing mechanism

首先建立位移方程，由圖6建立機(jī)構(gòu)的矢量方程

lOB+lBA=lOA

(1)

將矢量方程轉(zhuǎn)化成解析形式，分別為

(2)

(3)

式中θ1——連桿BO和X軸的夾角

θ2——連桿BA和X軸的夾角

由上述方程組求解，可得

(4)

(5)

建立速度方程，并對(duì)方程組(2)、(3)求一階導(dǎo)數(shù)得

(6)

(7)

聯(lián)立式(6)、(7)，求解可得

(8)

(9)

式中θ′1——連桿BO的角速度

θ′2——連桿BA的角速度

已知彎曲連桿AK的速度，可得連桿OC的角速度，可進(jìn)一步計(jì)算得到鎮(zhèn)壓塊D的速度和加速度，為下一步優(yōu)化做準(zhǔn)備。

首先建立位移方程，建立機(jī)構(gòu)的矢量方程

lOC+lCD=lOD

(10)

將矢量方程轉(zhuǎn)化成解析形式，分別為

(11)

(12)

式中θ4——連桿OC和Y軸的夾角

θ5——連桿CD和Y軸的夾角

由上述方程組求解，可得

(13)

(14)

建立速度方程，對(duì)方程組(11)、(12)求一階導(dǎo)數(shù)，得

(15)

(16)

求解可得

(17)

Y′D=θ′4lCOcosθ4-θ′5lCDsinθ5

(18)

式中θ′5——連桿CD的角速度

Y′D——滑塊D的速度

得到在Fa和X′A作用下，相關(guān)連桿的速度及各連桿的極限位置?，F(xiàn)各關(guān)鍵連桿具體參數(shù)為：lCD=60 mm、lEM=65 mm、lCO=50 mm，取X′A為300 mm/s,代入到上述計(jì)算公式中,得到鎮(zhèn)壓塊速度曲線。由圖7可知，鎮(zhèn)壓滑塊速度穩(wěn)定在150～300 mm/s，鎮(zhèn)壓速度適中，不易對(duì)嫁接苗造成損傷[21]。

圖7 鎮(zhèn)壓桿速度曲線Fig.7 Velocity curve of suppression link

不同種類嫁接苗適宜的打孔深度不同，打孔機(jī)構(gòu)可以通過改變水平氣缸量程d1和豎直氣缸量程d2改變打孔深度，以適應(yīng)不同深度要求。如圖8所示，F(xiàn)a驅(qū)動(dòng)滑塊E前移距離d1，打孔滑塊M向下運(yùn)動(dòng)。然后Fb驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)打孔機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)距離d2，打孔滑塊M繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。

圖8 打孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structural diagram of drilling mechanism

打孔滑塊M點(diǎn)的初始位置為

(19)

式中mY——滑塊M與N點(diǎn)的豎直距離

滑塊E到達(dá)左極限位置時(shí)，M點(diǎn)的位置為

(20)

連桿JG向下移動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，M點(diǎn)的位置為

(21)

根據(jù)雙驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和關(guān)鍵桿件的參數(shù)，建立回栽機(jī)構(gòu)的三維模型驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的可行性，圖9所示為回栽機(jī)構(gòu)的工作示意圖。

3 試驗(yàn)與分析

為確定自動(dòng)搬運(yùn)及回栽裝置的可行性及適合的工作條件，分別對(duì)嫁接苗貼接夾緊區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及回栽鎮(zhèn)壓條件測(cè)試，然后在最佳工作條件下試驗(yàn)搬運(yùn)及回栽裝置的成功率和效率。試驗(yàn)中采用5×10規(guī)格的50孔穴盤育苗，穴盤基質(zhì)由泥炭、蛭石、珍珠巖以3∶1∶1的體積比以及適量的水均勻混合制成，基質(zhì)填滿整個(gè)穴盤孔。試驗(yàn)用砧木為浙蒲二號(hào)葫蘆苗，接穗為京欣王一號(hào)西瓜苗，砧木育苗時(shí)間要早于接穗4天，等砧木長(zhǎng)到一葉一心以及接穗子葉平展時(shí)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

圖9 自動(dòng)回栽機(jī)構(gòu)工作示意圖Fig.9 Working process diagrams of automatic replanting mechanism

3.1 搬運(yùn)機(jī)構(gòu)夾持成功率測(cè)試

搬運(yùn)機(jī)構(gòu)中末端夾持件對(duì)不同貼接夾緊區(qū)域的夾持穩(wěn)定程度不同，其最終影響搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的搬運(yùn)成功率。本節(jié)對(duì)嫁接苗嫁接夾貼接夾緊區(qū)域的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過搬運(yùn)夾持試驗(yàn)分析對(duì)嫁接苗的最佳夾持位置。

嫁接苗嫁接時(shí)，夾持氣缸松開嫁接夾子瞬間，夾子對(duì)嫁接苗貼接夾緊區(qū)域不可確定。圖10所示為嫁接夾子對(duì)砧木和接穗的夾持圖，圖中O點(diǎn)為砧木和接穗的橢圓切面的中心點(diǎn)，O點(diǎn)在夾子中的位置代表了嫁接苗的夾持位置。

圖10 貼接夾緊區(qū)域示意圖Fig.10 Regional diagram of clamping area

因嫁接所用夾子高度為10 mm，圖中以?shī)A子中心線為坐標(biāo)軸，根據(jù)嫁接時(shí)嫁接點(diǎn)O點(diǎn)所在區(qū)域劃分出上、中、下3個(gè)夾持位置。

嫁接夾子對(duì)嫁接苗貼接夾緊區(qū)域統(tǒng)計(jì)選用嫁接機(jī)嫁接成功的100株嫁接苗，對(duì)每株嫁接苗中嫁接點(diǎn)O所在位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果如表1所示。

由貼接夾緊區(qū)域統(tǒng)計(jì)可知貼接夾緊區(qū)域主要以中間為主，但仍然有32%的嫁接苗為非中間區(qū)域貼接夾緊。為尋找嫁接苗的最適宜夾持位置，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)采取嫁接夾上下兩位置對(duì)3種貼接夾緊區(qū)域的嫁接苗進(jìn)行夾持搬運(yùn)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)搬運(yùn)成功率，如圖11所示。其中，3種貼接夾緊區(qū)域的嫁接苗各50株，如圖12所示，A、B為嫁接苗夾持點(diǎn)。

表1 貼接夾緊區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Experiment results of clamping area statistics

圖11 嫁接苗自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)Fig.11 Automatic carrying mechanism

圖12 嫁接苗實(shí)物Fig.12 Grafted seedlings

搬運(yùn)試驗(yàn)為夾持機(jī)構(gòu)夾持嫁接苗，旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)嫁接苗至指定位置。其中夾持機(jī)構(gòu)將分別夾持嫁接苗的A、B兩點(diǎn)，通過試驗(yàn)記錄分析哪種組合方式成功率最高。試驗(yàn)中嫁接苗搬運(yùn)成功的指標(biāo)為：嫁接苗搬運(yùn)結(jié)束后依然保持直立狀態(tài)，角度偏差小于15°；嫁接苗砧木莖稈沒有受到擠壓等損傷；嫁接苗的砧木和接穗依然被嫁接夾子牢固夾持沒有出現(xiàn)松動(dòng)或脫離情況。嫁接搬運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 搬運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Success rate of seedling carrying

試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

(1)對(duì)3種貼接夾緊區(qū)域的嫁接苗，夾持點(diǎn)位于B處時(shí)，成功率均大于92%。

(2)夾持點(diǎn)位于A處時(shí)，貼接夾緊區(qū)域位于(2,5)的嫁接苗成功率相對(duì)較低。

(3)采用A、B夾持點(diǎn)搬運(yùn)總成功率為：各貼接夾緊區(qū)域占比例與表2中各區(qū)域搬運(yùn)成功率乘積和，則P(A)=91.4%，P(B)=93.3%，P(A)

搬運(yùn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂以30 r/min轉(zhuǎn)速對(duì)150株雙斷根嫁接苗以B點(diǎn)夾持進(jìn)行循環(huán)搬運(yùn)試驗(yàn)，其成功率為94%，與上述統(tǒng)計(jì)結(jié)論相符。搬運(yùn)試驗(yàn)平均耗時(shí)2.5 s/株，滿足目前全自動(dòng)嫁接機(jī)的7 s/株的嫁接速度要求。

3.2 鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)工作條件測(cè)試

嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)工作過程中基質(zhì)打孔孔徑、打孔深度以及鎮(zhèn)壓塊形狀會(huì)影響到鎮(zhèn)壓成功率。本測(cè)試通過正交試驗(yàn)將打孔孔徑、打孔深度、鎮(zhèn)壓塊形狀作為設(shè)計(jì)因素，分析三因素對(duì)試驗(yàn)成功率的影響權(quán)重，得到鎮(zhèn)壓成功率最高的最優(yōu)孔徑、打孔深度和鎮(zhèn)壓塊形狀組合。

確定正交試驗(yàn)因素后，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)。設(shè)計(jì)水平為：

(1)根據(jù)西瓜雙斷根育苗要求，嫁接苗插入基質(zhì)的深度在20～30 mm之間[22]，將打孔深度L水平設(shè)計(jì)為20、25、30 mm。

(2)由于砧木桿軸徑變化范圍為2.5～3.5 mm，基質(zhì)具有一定的松弛度，為了確?；卦砸约版?zhèn)壓效果，將打孔孔徑設(shè)計(jì)為8、10、12 mm 3個(gè)水平。

(3)設(shè)計(jì)了3種基質(zhì)鎮(zhèn)壓塊，分別為平面鎮(zhèn)壓塊(Ⅰ型)、錐面鎮(zhèn)壓塊(Ⅱ型)和對(duì)分錐面鎮(zhèn)壓塊(Ⅲ型)，如圖13所示。

圖13 3種鎮(zhèn)壓塊鎮(zhèn)壓示意圖Fig.13 Schematic diagram of three kinds of compaction blocks1.嫁接苗莖稈 2.鎮(zhèn)壓塊 3.基質(zhì)

試驗(yàn)具體操作為：育苗穴盤內(nèi)填滿65%濕度的基質(zhì)，打孔機(jī)構(gòu)按組次選用不同直徑的光軸打孔，其后嫁接苗豎直插入基質(zhì)并保持豎直狀態(tài)；鎮(zhèn)壓塊對(duì)基質(zhì)鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)離開0.5 h后，觀察嫁接苗鎮(zhèn)壓效果。

鎮(zhèn)壓成功的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：嫁接苗栽植直立度較好，莖稈角度偏差不超過20°；嫁接苗回栽后拔起有明顯的阻力感；嫁接苗莖稈沒有受到明顯損傷。根據(jù)測(cè)試要求，設(shè)計(jì)如表3所示的三因素三水平正交試驗(yàn)，選取嫁接苗180株，每組試驗(yàn)取20株個(gè)體進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

按照正交試驗(yàn)分析法對(duì)結(jié)果分析，如表4所示。其中，Y1、Y2和Y3分別為3個(gè)因素在3個(gè)水平下的成功率之和；y1、y2和y3分別為Y1、Y2和Y3的平均值，R為極差。根據(jù)極差可確定影響鎮(zhèn)壓成功率的主要因素以及最佳因素水平組合。

通過極差R可知打孔孔徑對(duì)試驗(yàn)成功率影響最大，鎮(zhèn)壓塊形狀次之，最后是打孔深度。當(dāng)打孔孔徑為10 mm，打孔深度為25 mm，鎮(zhèn)壓塊為對(duì)分錐面鎮(zhèn)壓塊半圓柱體(Ⅲ型)時(shí)，回栽鎮(zhèn)壓效果最好，鎮(zhèn)壓成功率最高為95%。

表3 鎮(zhèn)壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Experiment design and results of seedling pressing

表4 鎮(zhèn)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.4 Data analysis of pressing experiment

3.3 回栽機(jī)構(gòu)作業(yè)測(cè)試

在上述最佳鎮(zhèn)壓條件下，對(duì)回栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行嫁接苗的回栽鎮(zhèn)壓整體試驗(yàn)。嫁接苗回栽過程包括栽植和鎮(zhèn)壓2個(gè)階段。栽植階段栽植成功判定標(biāo)準(zhǔn)為：夾持機(jī)構(gòu)順利夾持嫁接苗；嫁接苗成功插入基質(zhì)；嫁接苗插入時(shí)直立度較好，莖稈角度偏差不超過20°；嫁接苗莖稈沒有受到夾持、插入等造成的損傷。鎮(zhèn)壓階段成功率判定標(biāo)準(zhǔn)與鎮(zhèn)壓試驗(yàn)相同。

回栽機(jī)構(gòu)整體試驗(yàn)步驟為：嫁接苗置于搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的夾持位置，豎直氣缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行夾持、打孔、栽植作業(yè)，檢驗(yàn)栽植成功率；水平氣缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)，檢驗(yàn)鎮(zhèn)壓成功率。一次回栽鎮(zhèn)壓結(jié)束后將新的嫁接苗置于回栽機(jī)構(gòu)上，同時(shí)育苗穴盤空穴孔再挪動(dòng)一格進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)。如圖14，取100株嫁接苗按照設(shè)定步驟進(jìn)行回栽鎮(zhèn)壓試驗(yàn)。

圖14 嫁接苗回栽作業(yè)測(cè)試Fig.14 Automatic replanting test for grafted seedlings

經(jīng)過不間斷試驗(yàn)后，得出的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 嫁接苗回栽作業(yè)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Replanting experiment results of grafted seedlings

試驗(yàn)結(jié)果可知，回栽階段與鎮(zhèn)壓基質(zhì)階段成功率均在96%左右，回栽試驗(yàn)整體成功率為92%，成功率較高。試驗(yàn)失敗的主要原因?yàn)樯贁?shù)砧木發(fā)育情況不好，導(dǎo)致嫁接苗的砧木莖稈彎曲度過大，嫁接苗插入基質(zhì)時(shí)失敗或者插入時(shí)候損傷莖稈。對(duì)嫁接苗連續(xù)回栽鎮(zhèn)壓測(cè)試，作業(yè)平均耗時(shí)4 s/株，滿足全自動(dòng)嫁接機(jī)的效率要求。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)目前采用雙斷根嫁接法的嫁接機(jī)，設(shè)計(jì)了一種嫁接苗自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)嫁接苗越過嫁接機(jī)切削裝置連續(xù)提升、轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)運(yùn)過程中保持豎直向下姿態(tài)不變的功能。

(2)設(shè)計(jì)了一種嫁接苗自動(dòng)回栽裝置，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析其雙驅(qū)動(dòng)多連桿關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，使各桿長(zhǎng)滿足連桿工作時(shí)速度和加速度要求，其中LCD=60 mm、LEM=65 mm、LCO=50 mm符合要求。

(3)對(duì)嫁接苗貼接夾緊區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)構(gòu)夾持試驗(yàn)，夾持嫁接夾下端位置時(shí)，嫁接苗自動(dòng)搬運(yùn)成功率可達(dá)94%，平均耗時(shí)2.5 s/株。

(4)通過正交試驗(yàn)分析影響嫁接苗鎮(zhèn)壓的因素，其中打孔孔徑對(duì)成功率影響最大，打孔孔徑為10 mm、鎮(zhèn)壓塊為對(duì)分錐面形狀、打孔深度為25 mm條件下嫁接苗鎮(zhèn)壓效果最好；回栽機(jī)構(gòu)的回栽鎮(zhèn)壓整體成功率為92%，平均耗時(shí)4 s/株，滿足目前全自動(dòng)嫁接機(jī)的嫁接速度要求。

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DesignandExperimentofAutomaticCarryingandReplantingDeviceforBoth-root-cutGraftingMachine

TONG Junhua1,2YU Qingcang1,2PAN Jinhui1YANG Taiwei1DING Yuhua1

(1.FacultyofMechanicalEngineeringandAutomation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China2.KeyLaboratoryofTransplantingEquipmentandTechnologyofZhejiangProvince,Hangzhou310018,China)

Both-root-cut grafting is a new method in seedlings grafting, which can result in a greater production in a longer harvesting period.In order to improve the automation level of grafting process, especially the current situation of grafted seedlings relying on manual carrying and artificial replanting, a mechanism of automatically carrying and replanting both-root-cut grafted seedlings was developed.The working principle of newly designed handling and replanting was introduced.The simulation and kinematic analysis of key mechanisms were carried out.Experiments of grafting seedling area statistics and automatic carrying seedlings were conducted in laboratory, the results showed that the success rate of carrying seedlings was up to 94% and the average time of carrying was 2.5 s, while the clamping mechanism was located at the lower end of the clip.Pressing experiment of three levels and three factors was designed to deal with the following conditions: the drilling hole diameter, the depth of punch and the suppression scheme of the grafted seedlings.While the hole diameter, the depth of drilling, and the pressing block was 10 mm, 15 mm, and a cylinder with lower surface separately, the effect of experiments was the best.Under this condition, the comprehensive success rate of grafted seedlings was up to 92%, and the average time of replanting was 2.5 s.The experimental results showed that the automatic carrying device and the replanting device can be well matched with the grafting machine.And they can improve the automation level of the grafting process.

both-root-cut grafting machine; carrying; replanting; pressing; clamping

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.007

S223.1; S616

A

1000-1298(2017)10-0059-08

2017-05-15

2017-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375460)、杭州市農(nóng)業(yè)科研攻關(guān)項(xiàng)目(20140432B15)和機(jī)械工程浙江省高校重中之重學(xué)科優(yōu)秀青年人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(ZSTUME01B11)

童俊華(1984—)，男，講師，博士，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究，E-mail：jhtong@zstu.edu.cn

喻擎蒼(1967—)，男，教授，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail：qcyu@zstu.edu.cn