孔艷山，張鐵中，褚 佳，張立博，張文波，劉 展

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

?

嫁接用大粒種子定向播種機構(gòu)的設(shè)計研究

孔艷山，張鐵中，褚 佳，張立博，張文波，劉 展

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

設(shè)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(diào)整苗木子葉方向，導(dǎo)致嫁接效率低下、勞動生產(chǎn)成本較高。為此，設(shè)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(gòu)，并對振動種盤機構(gòu)、取送種機構(gòu)、種子定向機構(gòu)及整體框架進行了設(shè)計，使用歐姆龍的CPM1A型PLC控制機構(gòu)的運動。試驗結(jié)果表明：其工作性能優(yōu)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，我國設(shè)施園藝發(fā)展迅猛，呈現(xiàn)出生產(chǎn)面積快速增加、作物種類逐步增多、設(shè)施類型日趨多樣及管理水平逐漸提高的好勢頭[1]；但設(shè)施園藝生產(chǎn)存在連作障礙問題，即連續(xù)種植容易造成土壤中病蟲基數(shù)積累，形成土壤傳播病害，最終導(dǎo)致蔬菜生產(chǎn)質(zhì)量的下降。采用蔬菜嫁接育苗技術(shù)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(chǎn)量都得到很大提高，對蔬菜品質(zhì)基本沒有不良影響。因此，蔬菜嫁接技術(shù)已成為一項無公害、增產(chǎn)、節(jié)能的創(chuàng)收技術(shù)，得到廣泛推廣，特別是對耕地面積小難以實現(xiàn)輪作的地區(qū)和設(shè)施栽培地更為適合[2]。傳統(tǒng)手工嫁接勞動生產(chǎn)率低、勞動強度大、勞動成本高且嫁接成活率低，已經(jīng)不能適應(yīng)設(shè)施園藝技術(shù)的快速發(fā)展，嫁接機應(yīng)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(gòu)和穗木切削結(jié)構(gòu)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(xiàn)有嫁接機在作業(yè)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(chǎn)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(shù)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(guān)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(shè)計了一種嫁接用種子定向播種機構(gòu)，主要用于調(diào)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(jié)構(gòu)

嫁接用種子定向播種機構(gòu)主要由振動種盤、取送種及種子定向等機構(gòu)組成。振動種盤機構(gòu)采用直線振動器，振動頻率可以通過速度控制器調(diào)節(jié)，其他運動采用氣缸驅(qū)動，控制系統(tǒng)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(gòu)采用單套振動種盤搭配兩套種子定向機構(gòu)，播種效率是單套種盤配單套定向機構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 振動種盤機構(gòu)的設(shè)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(chǎn)生的空缺。種子采用真空吸盤吸附方式，種盤機構(gòu)上的種子被吸附后會產(chǎn)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(wěn)定的供種效果，設(shè)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(diào)節(jié)振動頻率的直線振動器，可以隨時調(diào)節(jié)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(shè)計采用折彎角α=140°。

1.穴盤 2.取送種機構(gòu) 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(gòu)的設(shè)計

大粒南瓜種子大至呈橢圓狀，尖端部分為種子發(fā)芽時的破殼出口，如圖3所示。為保證后期嫁接作業(yè)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(xiàn)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(wěn)定狀態(tài)。因此，利用種子與長軸和短軸垂直的兩側(cè)的不同弧度和重心趨穩(wěn)特點，就可以使其長軸保持在一定的方向上。本研究設(shè)計了一圓孔，將種子放置于該圓孔內(nèi)，驅(qū)動圓孔進行幾次來回往復(fù)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(guī)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(shè)計的種子定向機構(gòu)由仿形刮板、墊板和驅(qū)動氣缸組成。在刮板和墊板的相對運動中，刮板采用仿形結(jié)構(gòu)可以從各個方向?qū)ΨN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(zhì)量，需要墊板具有較大的強度和硬度，不能在工作過程中產(chǎn)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(fā)生方向的改變從而導(dǎo)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(shè)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(diào)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(jié)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(jié)果如表1所示。

表1 種子的曲率半徑 mm

續(xù)表1

2.3 取送種機構(gòu)的設(shè)計

氣吸式播種具有易于實現(xiàn)單粒定株距、精確播種、苗齊、節(jié)省種子及作業(yè)速度高等優(yōu)點，在農(nóng)作物精量播種中應(yīng)用廣泛。取種機構(gòu)主要由真空泵、外部先導(dǎo)式電磁閥及真空吸盤等構(gòu)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(chǎn)生吸力[7-10]。

本機構(gòu)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(gòu)從振動種盤吸住取出，再由取送種機構(gòu)送到種子定向機構(gòu)，需要控制取送種機構(gòu)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(gòu)均采用氣缸作為執(zhí)行元件。在豎直運動過程中，要注意避免的是取送種機構(gòu)與振動種盤及取送種機構(gòu)與定向機構(gòu)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(dǎo)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(qū)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(dǎo)軌，種子吸附機構(gòu)和滑塊相固定，滑塊與水平驅(qū)動氣缸相連接，導(dǎo)軌固定在機架上，從而使氣缸通過驅(qū)動滑塊來驅(qū)動種子吸附機構(gòu)運動，參見圖1。

3 控制流程

可編程控制器是近年來迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新一代工業(yè)自動化控制裝置。根據(jù)供種、取種、送種、定向等工作過程，以一定的邏輯、時序關(guān)系進行控制系統(tǒng)的軟件編程，整個工作過程不斷循環(huán)，PLC也在循環(huán)過程中進行周期性掃描。為提高機器播種效率，本設(shè)計中采用一套種盤搭配兩套定向機構(gòu)，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(xù)交叉的工作狀態(tài)。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(jié)果分析

經(jīng)過上述對整體機構(gòu)的描述，現(xiàn)對整機性能做初步的實驗，以考察本機構(gòu)的性能。

4.1 種子定向機構(gòu)定向效果

首先對種子定向機構(gòu)的定向效果進行實驗。實驗時首先執(zhí)行定向機構(gòu)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(jīng)過圖像處理后可直接測出其長軸的偏轉(zhuǎn)角度。由圖8可以看出：所檢測的偏轉(zhuǎn)角度基本接近180°。記錄結(jié)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(jié)果如表2所示。

表2 種子定向試驗效果

從實驗結(jié)果可以看出：機構(gòu)對種子的定向平均偏差為15°。根據(jù)嫁接實驗，砧木子葉偏轉(zhuǎn)在30°以內(nèi)，可以滿足嫁接要求。

4.2 機構(gòu)動作效率

經(jīng)過多次反復(fù)試驗，測得機構(gòu)運行一次的時間為20.2s。根據(jù)一個運動循環(huán)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(jié)論

1)利用南瓜大粒種子的外形特點，采用弧線仿形結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)角為15°，均小于30°，可以滿足嫁接要求。

2)創(chuàng)新設(shè)計了一套振動種盤搭配兩套種子定向機構(gòu)，實現(xiàn)了往復(fù)式的無空行程取種和播種，一個循環(huán)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(shè)施園藝概況及發(fā)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(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)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(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000(1):144-146.

[4] 辜松,江林斌.國內(nèi)外蔬菜嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007(6):847-851.

[5] 宋永海. 黃瓜嫁接技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010(20):145-147.

[6] 陳亞麗,朱為民,劉龍洲.嫁接技術(shù)在葫蘆科作物中的應(yīng)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(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)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(nóng)業(yè)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(nóng)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(shù)研究發(fā)展計劃項目(2012AA10A506-2)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))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(dǎo)師，(E-mail)zhangtz56@163.com。

S223.1

A

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