姜 凱，張 騫，陳立平，郭文忠，牟艷秋

砧木上苗定位機構(gòu)吸附塊仿真設(shè)計與性能試驗

姜 凱1，張 騫2，陳立平1，郭文忠1，牟艷秋3※

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決嫁接機人工上苗過程中砧木子葉損傷和葉柄劈裂問題，采用正壓氣流壓苗和負壓吸附定位原理，設(shè)計一種輔助自動上苗作業(yè)的砧木上苗定位機構(gòu)。通過建立機構(gòu)有限元分析模型，在給定邊界約束條件下利用CFD軟件對吸附塊內(nèi)部氣流場進行動力學(xué)仿真，獲得氣室內(nèi)部流場分布情況及各因素對砧木子葉吸附力的影響。采用仿真正交試驗對吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，確定吸附塊各因素對吸孔平均吸力影響的主次順序依次為出口負壓、吸孔直徑、吸孔深度；當吸附塊出口負壓3 kPa，吸孔直徑1 mm和吸孔深度4 mm時，吸附塊對子葉具有較好的吸附能力。上苗試驗結(jié)果表明：該機構(gòu)對白籽南瓜苗子葉吸附成功率為96.67%，壓苗成功率為99.33%，綜合上苗成功率為96.03%，傷苗率僅為0.67%，作業(yè)性能滿足嫁接機自動上苗作業(yè)要求。子葉吸附失敗原因是子葉方向和上苗高度控制不準確，以及子葉展角過小導(dǎo)致葉柄劈裂。吸附塊作業(yè)面仿形和結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真試驗對提高砧木柔性和安全上苗具有重要意義，大幅縮短了吸附塊設(shè)計周期，研究結(jié)果為解決嫁接機自動上苗問題提供理論依據(jù)和設(shè)計參考。

嫁接機；試驗；砧木上苗；吸附塊；仿真設(shè)計；柔性吸附

0 引 言

蔬菜嫁接育苗能夠有效克服連年種植引發(fā)的土壤連作障礙和病蟲害等問題[1]，提高作物抗逆性，減少化肥農(nóng)藥使用量，使作物增產(chǎn)20%～50%，在全球應(yīng)用非常廣泛。中國蔬菜種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，嫁接苗年需求量達500億株，而規(guī)?；笾行陀缙髽I(yè)僅有2 000多家，導(dǎo)致育苗行業(yè)產(chǎn)能嚴重不足[2-4]。育苗企業(yè)生產(chǎn)完全依賴專業(yè)嫁接工人，從業(yè)人員老齡化和用工匱乏等問題逐年加劇，因此，“機器換人”成為解決嫁接用工短缺和提質(zhì)增效的重要措施[5-7]。

嫁接機能夠克服手工嫁接效率低、成活率不高的缺點，提高嫁接苗質(zhì)量和生產(chǎn)作業(yè)標準化。國內(nèi)外研制的瓜類嫁接機上苗環(huán)節(jié)大多需要人工參與，使得機器與純手工嫁接作業(yè)相比生產(chǎn)效率增幅不明顯，制約了嫁接機的推廣應(yīng)用[8-11]。目前，僅有日本井關(guān)公司開發(fā)出瓜類全自動嫁接機，設(shè)計了一種穴盤內(nèi)自動取苗的上苗裝置，使機器作業(yè)效率提升至800株/h；通過取苗執(zhí)行器完成穴盤內(nèi)幼苗的扶正、夾持、切斷和搬運上苗，利用機械碰撞方式對砧木子葉進行調(diào)向，上苗成功率僅為80%[12-13]。田玉鳳[14]設(shè)計了一種基于機器視覺的砧木自動供苗執(zhí)行器，對南瓜單株幼苗特征識別成功率達90%，取苗成功率為80%，調(diào)向成功率為71.4%。陳晨等[15-16]設(shè)計出一種雙搖桿上苗執(zhí)行器，利用雙搖桿攏苗機構(gòu)實現(xiàn)秧苗對中夾持定位，通過砧木子葉仿形機構(gòu)調(diào)整子葉方向，但未進行樣機驗證。彭玉平等[17]設(shè)計了一種茄果類嫁接機嫁接用苗輸送鏈和轉(zhuǎn)接手輔助人工上苗，上苗成功率達92%。上述內(nèi)容由于缺乏對柔性上苗定位方法研究，導(dǎo)致上苗精度受幼苗標準化程度影響較大，存在傷苗問題?，F(xiàn)有嫁接機上苗時需要操作者雙手完成砧木子葉下壓定位和莖部把持，以及子葉方向和上苗高度的調(diào)整，人工上苗易造成子葉劈裂或莖稈破損，影響嫁接苗愈合成活質(zhì)量。操作者上苗后需要等待夾持搬運機構(gòu)完成取苗才能松開雙手，操作者易疲勞影響機器作業(yè)效率[18-21]。研究發(fā)現(xiàn)，瓜類砧木子葉精準定位和莖部夾持是實現(xiàn)自動上苗的關(guān)鍵，直接影響幼苗切削和嫁接質(zhì)量[22]。隨著機器人、機器視覺等技術(shù)在各領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，嫁接機自動上苗成為可能，自動上苗技術(shù)成為解決機械嫁接減少用工的突破口[23-26]。

針對上述問題，本研究設(shè)計一種用于輔助自動上苗作業(yè)的砧木上苗定位機構(gòu)，提出正壓吹氣和負壓吸附相結(jié)合的子葉壓苗柔性定位方法，通過獲取砧木子葉展開曲線軌跡對吸附塊作業(yè)面進行仿形設(shè)計，提高子葉定位柔性處理能力；設(shè)計子葉定位吸附塊，基于CFD軟件構(gòu)建吸附塊流體動力學(xué)仿真模型，分析各因素對吸附塊氣室流場的影響分布情況，通過仿真正交試驗確定吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)并進行性能試驗驗證，研究結(jié)果可為嫁接機自動上苗機構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 砧木上苗定位機構(gòu)

砧木上苗作業(yè)質(zhì)量在機器嫁接作業(yè)過程中至關(guān)重要，直接影響切口成型和對接精度。為解決人工上苗存在傷苗和易疲勞等問題，砧木上苗定位機構(gòu)可輔助自動上苗裝置實現(xiàn)快速柔性上苗作業(yè)，提高機器嫁接生產(chǎn)效率，大幅降低上苗人員作業(yè)強度。

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

為實現(xiàn)砧木子葉上苗定位的柔性化處理，提出正壓吹氣和負壓吸附相結(jié)合的子葉定位方法，通過壓苗塊噴射正壓氣流下壓砧木子葉，吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計和負壓吸附實現(xiàn)子葉吸附定位。砧木上苗定位機構(gòu)如圖1所示，包括調(diào)節(jié)滑臺、立座、向固定塊、調(diào)節(jié)螺母、壓苗塊、吸附塊、托架、夾持手爪和固定螺釘。調(diào)節(jié)滑臺與向固定塊用于實現(xiàn)砧木苗在空間內(nèi)位置的精確調(diào)整，吸附塊設(shè)有燕尾槽滑動安裝于向固定塊上，與調(diào)節(jié)螺母兩側(cè)的正反向螺紋配合連接，實現(xiàn)上苗口距離可調(diào)以便適應(yīng)不同莖徑的砧木苗；托架滑動安裝于向固定塊上，夾持手爪安裝于托架下部；壓苗塊安裝于吸附塊正上方，壓苗塊的氣吹孔與吸附塊的吸附孔上下一一對應(yīng)，確保子葉在壓苗和吸附定位過程中受力均勻。

1.XY調(diào)節(jié)滑臺 2.立座 3.Z向固定塊 4.調(diào)節(jié)螺母 5.壓苗塊 6.吸附塊 7.托架 8.夾持手爪 9.固定螺釘

工作時，首先將砧木子葉置于壓苗塊和吸附塊之間，苗莖置于托架內(nèi)，調(diào)整好子葉方向和上苗高度后，夾持手爪夾持住苗莖；壓苗塊和吸附塊同時分別接通正壓和負壓氣流，子葉受到下壓力和吸附力作用，待子葉完全貼附于吸附塊作業(yè)面上切斷壓苗塊正壓氣流；嫁接機夾持搬運機構(gòu)夾持苗莖，夾持手爪和吸附塊同時切斷氣源釋放砧木苗，完成1個上苗作業(yè)過程。

1.2 吸附塊設(shè)計

吸附塊的作業(yè)面用于承載砧木子葉，作業(yè)時與子葉背面緊密貼合。為減小子葉吸附損傷提高柔性定位性能，對吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計，需要獲取砧木子葉背面展開曲線軌跡，以及子葉壓縮力學(xué)特性。選用中國北方地區(qū)瓜類嫁接常用的京欣8號白籽南瓜作為砧木，根據(jù)貼接法要求，在28～30 ℃溫室內(nèi)培育7～10 d，如圖2所示。

注：H為株高；k為生長點長度；l為子葉跨度。單位均為mm。

吸附塊結(jié)構(gòu)設(shè)計需要了解砧木苗外部幾何形態(tài)和子葉力學(xué)特性，選取50株白籽南瓜苗進行外部形態(tài)幾何參數(shù)測量，株高為（67.52±5.23）mm、子葉跨度為（97.26±1.63）mm、生長點長度為（18.56±2.43）mm；利用MTS力學(xué)萬能試驗機（型號E43.104）測量白籽南瓜苗子葉破裂點壓力，測試點選為子葉主葉脈中心的兩側(cè)，壓桿直徑5 mm，測試樣本數(shù)50，得到白子南瓜苗子葉破裂點壓力0為（1.616±0.524）kPa。

采用取點擬合法提取砧木子葉背面自然展開下的曲線軌跡步驟如下：1）選取兩子葉展開度較好的白籽南瓜苗，調(diào)整好子葉方向并以豎直方向固定于上苗機構(gòu)中，利用高清相機在同焦距條件下拍攝白籽南瓜苗的側(cè)面圖像20張。2）以兩子葉展開方向的中心線設(shè)為軸，上苗口底部邊線設(shè)為軸，建立直角坐標系；在計算機畫圖軟件中沿左側(cè)子葉背面下邊緣平均獲取10個特征點（1～10），提取10個特征點的像素坐標值，如圖3所示；1為左側(cè)子葉基部與軸的交點，10為左側(cè)子葉展開方向的最外邊緣點。3）以1為原點，對其他9個特征點（2～10）的像素坐標值進行變換，得到9個特征點（2～10）相對1點的像素坐標值。

利用Office Excel軟件對每張圖片的10個特征點（1～10）坐標進行多項式擬合，得到一條平滑曲線，取20張圖片的子葉背面曲線擬合方程為

=(-2e-0.6)3+0.003 52+2.152 9+0.78（1）

式中為子葉背面曲線上像素點的橫坐標值，為子葉背面曲線上像素點的縱坐標值。

該方程決定系數(shù)2＝0.999 5，表明回歸模型的擬合度良好，可用于吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計。根據(jù)子葉展開形態(tài)確定吸附塊外形結(jié)構(gòu)尺寸為32 mm×25 mm×20 mm，吸附塊作業(yè)面中心沿豎直方向的剖視圖如圖4a所示，壓力進口為吸附塊作業(yè)面上所有吸孔，壓力出口位于吸附塊底部；在吸附塊作業(yè)面上吸孔數(shù)按作業(yè)面俯視方向以橢圓形對稱劃分為1、5、12、21，如圖4b所示。吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)需要通過建立氣室內(nèi)部流體動力學(xué)模型進行仿真分析來確定。

注：a1～a10為左側(cè)子葉背面平均獲取的10個特征點；xoy為子葉展開方向中心線y與上苗口底部邊線x建立的直角坐標系；L為上苗塊的總寬度，mm。

注：d為吸孔直徑，mm；h為吸孔深度，mm；D為壓力出口直徑，mm；n為吸孔數(shù)量。

1.3 子葉定位受力情況

子葉在負壓氣流場中受力取決于吸附塊的吸附能力，上苗時苗莖和子葉分別受到夾持手爪夾持力和吸附塊吸附力處于平衡狀態(tài)，由于吸附塊作業(yè)面與子葉展開曲線非常接近，忽略子葉與吸附作業(yè)面之間摩擦力，子葉受力分析如圖5所示。

注：FN為作業(yè)面反力，N；FM為子葉吸附力，N；FP為夾持力，N；FQ為夾苗手爪與苗莖之間的摩擦力，N；G為砧木苗重力，N。

在保證子葉被安全吸附前提下，吸附力越大定位越穩(wěn)定，則理論上

M<（2）

0（3）

=π2/4（4）

式中為子葉破裂點屈服壓力，N；0為子葉破裂點壓強，kPa；為吸孔面積，m2。

整理式（2）～（4）可得

M< π20/4（5）

子葉吸附力取決于吸孔平均流速與吸孔面積，吸附力M表示為

M=πd22/8（6）

式中為空氣密度，取1.29 kg/m3，d為阻力系數(shù)，取1；為受力平衡時氣流場平均速度，m/s。

2 吸附塊氣室流體動力學(xué)仿真

子葉破裂點壓力和吸附塊作業(yè)面仿形能夠保證子葉定位安全性和柔性，以砧木子葉吸附定位穩(wěn)定性為目標，在確保子葉安全條件下以吸附力越大定位效果越好為設(shè)計原則，利用CFD軟件分析吸附塊氣流場分布情況，并確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 仿真模型建立

利用Solidworks 2017軟件創(chuàng)建吸附塊三維模型，導(dǎo)入有限元分析前處理軟件ICEM CFD中，選擇六面體對氣室模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格單元長度為0.02 mm。在計算流體動力學(xué)時，將氣室內(nèi)流體看作連續(xù)相，則必須遵守質(zhì)量、動量和能量守恒定律，滿足連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程[27-28]。

根據(jù)子葉吸附過程設(shè)置吸附塊氣流場特性求解參數(shù)。壓力進口設(shè)為標準大氣壓，壓力出口設(shè)為0～4 kPa，壓力出口直徑為8 mm，壁面設(shè)為無滑移邊界條件，使用標準壁面函數(shù)法對邊界層進行處理。選擇標準-湍流模型，采用SIMPLE算法的壓力求解器，求解器控制方程為有限體積法離散，離散格式設(shè)為二階迎風格式，獲得吸附塊氣室的流場特性。

2.2 吸孔直徑對氣室氣流場影響

吸附塊進口壓力為標準大氣壓、出口負壓3 kPa、孔深2 mm，分析吸孔直徑1～2.5 mm氣室內(nèi)氣流場特性分布情況，圖6為孔徑1mm氣流場分布。分析可知，吸孔直徑增大氣室內(nèi)真空度減小，進口流速減小吸附力逐漸降低，孔徑2和2.5 mm相對1和1.5 mm氣室內(nèi)壓力分布均勻?？讖皆酱笞尤~吸附時耗氣量越大，因此，選擇孔徑1～2 mm有利于提高子葉吸附穩(wěn)定性。

2.3 出口負壓對氣室氣流場影響

吸附塊進口壓力為標準大氣壓，吸孔直徑2 mm、孔深2 mm，分析出口負壓1～4 kPa氣室內(nèi)氣流場特性分布情況，圖7為出口負壓3 kPa氣流場分布。分析可知，壓力出口負壓增大氣室內(nèi)真空度增加、壓力分布均勻；進口流速增加吸附力逐漸增大，氣室內(nèi)流場分布均勻，負壓4 kPa氣室內(nèi)邊緣吸孔處出現(xiàn)少量旋渦，因此，選擇出口負壓為1～3 kPa。

圖6 孔徑1 mm氣流場分布

圖7 出口負壓3 kPa氣流場分布

2.4 吸孔數(shù)對氣室氣流場影響

吸附塊進口壓力為標準大氣壓、吸孔直徑2 mm、孔深2 mm，分析吸孔數(shù)量5、12和21氣室內(nèi)氣流場特性分布情況。分析可知，氣室內(nèi)真空度隨吸孔數(shù)增加逐漸減小，吸孔數(shù)21相對吸孔數(shù)5、12氣室出口壓力分布均勻。出口流速減小，流量增加吸附力降低，但子葉吸附穩(wěn)定性變好。吸孔數(shù)5、12氣室內(nèi)產(chǎn)生一些旋渦，吸孔數(shù)21氣室內(nèi)流速分布均勻，吸孔數(shù)優(yōu)選21，圖8為吸孔數(shù)21氣流場分布。

圖8 吸孔數(shù)21氣流場分布

2.5 吸孔深度對氣室氣流場影響

吸附塊進口壓力為標準大氣壓、出口負壓3 kPa、吸孔直徑2 mm，分析吸孔深度1～4 mm氣室內(nèi)氣流場特性分布情況，圖9為吸孔深度3mm氣流場分布。分析可知，吸孔深度增加氣室內(nèi)氣流場壓力分布均勻，入口壓力變化不大。氣流場速度和流量變化較小，孔深1 mm氣室內(nèi)出現(xiàn)少量旋渦，孔深2 mm入口負壓最小吸附力最大。因此，吸孔深度選擇2～4 mm。

圖9 吸孔深度3 mm氣流場分布

2.6 吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

選取出口負壓、吸孔直徑和吸孔深度為影響因素，吸孔數(shù)21，考察21個吸孔平均壓力和變異系數(shù)，采用3因素3水平正交試驗，因素及水平如表1所示。

表1 試驗因素及水平

選用9(34) 正交表試驗，根據(jù)各因素之間不同水平組合改變模型參數(shù)進行仿真，試驗方案及仿真結(jié)果如表2所示。吸孔平均壓力是吸附塊作業(yè)面作用于子葉背面的吸力，吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)以子葉吸附安全作業(yè)為依據(jù)，吸力越大子葉定位效果越好，因此，選取吸孔平均壓力作為吸附塊柔性作業(yè)的考核指標。吸孔平均壓力通過仿真試驗后處理數(shù)據(jù)分析獲得。

表2 試驗方案與結(jié)果

由表2中吸孔平均壓力極差分析可知，三因素對吸孔平均壓力P影響的主次順序依次是吸孔深度、出口負壓、吸孔直徑，優(yōu)化搭配方案是133。1～9組試驗平均壓力均小于白籽南瓜子葉破裂點壓力1 616 Pa。第3和7組結(jié)果排在前兩位，吸孔平均壓力P分別為1 503.97和973.38 Pa，變異系數(shù)為14.1%和12.12%。

對平均壓力和變異系數(shù)進行方差分析，結(jié)果如表3所示。每個因素不同水平，對平均壓力影響不顯著。由于方差分析誤差項自由度為0，無法進行因素交互分析，增加仿真試驗重復(fù)次數(shù)無實際意義，因此不考慮因素交互作用?？蓮谋?中選擇平均壓力最大的第3組試驗133為最優(yōu)組合。

表3 吸孔平均壓力方差分析

注：<0.01表示極顯著；<0.05表示顯著。

Note:<0.01 was the very significant;<0.05 was the significant.

最優(yōu)水平組合第3組試驗結(jié)果的吸孔平均壓力與白籽南瓜苗子葉破裂點壓力接近，存在子葉吸附破裂的風險。需要從仿真試驗結(jié)果中提取第3和第7組試驗的21個吸孔壓力數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖10所示。

圖10 試驗3和7吸孔壓力分布

分析圖10得出，第3組試驗21個吸孔壓力為1 772.49～910.64 Pa，其中，有9個吸孔壓力高于白籽南瓜苗子葉破裂點平均壓力1 616 Pa，20個吸孔壓力高于子葉破裂點最小壓力1 092 Pa，因此，排除第3組試驗結(jié)果。第7組試驗21個吸孔壓力為1 142.37～711.29 Pa，其中，21個吸孔壓力均小于白籽南瓜苗子葉破裂點平均壓力1 616 Pa，有4個吸孔壓力略高于子葉破裂點最小壓力1 092 Pa；吸孔平均壓力變異系數(shù)為12.12%，變異系數(shù)更小，壓力分布較為均勻，綜合考慮吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳方案選擇第7組試驗313，即出口負壓3 kPa、吸孔直徑1 mm和吸孔深度4 mm。

3 試驗與分析

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

砧木子葉吸附定位過程中既要保證具有一定的吸附力，又要避免子葉被吸破。高質(zhì)量的砧木上苗是嫁接機后續(xù)切削和對接環(huán)節(jié)成功作業(yè)的前提，為驗證吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計是否合理，結(jié)合壓苗塊作業(yè)綜合考察子葉吸附成功率與傷苗情況，評價砧木上苗定位機構(gòu)性能。

3.2 試驗方法

試驗裝置如圖11所示。試驗時先將上苗機構(gòu)復(fù)位，將砧木子葉放入吸附塊和壓苗塊之間，苗莖置于莖部托架內(nèi)，并調(diào)整好子葉方向和上苗高度；壓苗塊和吸附塊同時接通正壓和負壓氣流，子葉受下壓氣流貼附于吸附塊作業(yè)面，完成子葉柔性吸附定位，夾持手爪通氣夾持苗莖；切斷壓苗塊正壓氣流完成上苗作業(yè)。統(tǒng)計分析子葉壓苗成功率、吸附成功率和傷苗率。

1.夾持手爪 2.砧木苗 3.吸附塊 4.壓苗塊 5.托架 6.調(diào)節(jié)螺母 7.立座 8.XY調(diào)節(jié)滑臺

3.3 結(jié)果與分析

選取3組嫁接適齡的白籽南瓜苗，每組數(shù)量50株。試驗在所設(shè)計的砧木上苗定位機構(gòu)上完成。選用樹脂材料3D打印制作吸附塊（吸孔直徑1 mm和孔深4 mm，出口直徑8 mm），利用真空發(fā)生器調(diào)整吸附塊出口負壓3 kPa進行上苗試驗。子葉壓苗成功率、吸附成功率和傷苗率為

=/×100%（7）

×100%（8）

=/×100%（9）

式中為子葉壓苗成功株數(shù)；為子葉吸附成功株數(shù)；為子葉吸附損傷株數(shù)；為上苗試驗總株數(shù)。

試驗結(jié)果如表4所示。子葉吸附成功率為96.67%，壓苗成功率為99.33%，綜合上苗成功率為96.03%，作業(yè)性能滿足嫁接機自動上苗要求。子葉吸附失敗原因是子葉方向和上苗高度控制不準確，以及子葉出現(xiàn)褶皺變形導(dǎo)致與吸附塊作業(yè)面貼合不緊密。傷苗率僅為0.67%，由于兩子葉展角過小在吸附過程中發(fā)生葉柄劈裂，但子葉無傷苗現(xiàn)象，表明吸附塊作業(yè)面仿形效果顯著。將子葉畸形苗剔除，以及子葉方向和上苗高度精準定位能夠進一步提高嫁接機上苗成功率。

表4 試驗結(jié)果

注：樣本數(shù)均為50株。

Note: Number of each sample is 50.

本文設(shè)計的砧木上苗定位機構(gòu)與傳統(tǒng)上苗臺相比具有子葉柔性定位和安全上苗功能，解決了人工上苗效率低易傷苗的問題，實現(xiàn)了砧木上苗的柔性化和精細化作業(yè)，可與自動上苗裝置配套使用，提高嫁接機作業(yè)效率和嫁接質(zhì)量。

4 結(jié) 論

為提高嫁接機砧木上苗質(zhì)量，本文設(shè)計一種輔助自動上苗作業(yè)的砧木上苗定位機構(gòu)，以子葉安全柔性上苗為原則，采用正壓吹氣與負壓吸附原理，對吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真設(shè)計與試驗，得出以下結(jié)論：

1）利用圖像取點擬合法獲得了白籽南瓜苗子葉背面曲線軌跡的擬合方程，用于吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計。以白籽南瓜苗外部形態(tài)幾何參數(shù)為依據(jù)設(shè)計了吸附塊結(jié)構(gòu)，確定出子葉破裂點最小壓力（1 092 Pa），為保證子葉被安全吸附提供必要前提。

2）利用CFD有限元方法構(gòu)建吸附塊氣室內(nèi)流場動力學(xué)仿真模型，分析出口負壓、吸孔直徑和吸孔深度對吸附塊氣流場的影響，確定單因素選取范圍；采用仿真正交試驗分析吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)，當出口負壓3 kPa、吸孔直徑1 mm和吸孔深度4 mm時，對子葉吸附性能表現(xiàn)最佳，21個吸孔壓力均小于白籽南瓜子葉破裂點平均壓力，變異系數(shù)為12.12 %。利用仿真試驗方法能夠有效提高吸附塊結(jié)構(gòu)設(shè)計工作效率。

3）上苗試驗結(jié)果表明：白籽南瓜苗子葉吸附成功率為96.67%，壓苗成功率為99.33%，綜合上苗成功率為96.03%，傷苗率為0.67%，滿足嫁接機自動上苗作業(yè)要求。研究結(jié)果可為嫁接機自動上苗裝置研發(fā)提供理論支撐和設(shè)計參考，解決人工上苗效率低、易傷苗的問題。

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Simulation design and performance experiment of adsorption block in feeding and positioning mechanism for rootstock

Jiang Kai1, Zhang Qian2, Chen Liping1, Guo Wenzhong1, Mu Yanqiu3※

(1.,100097,; 2.,100097,; 3.,,150030,)

Grafting seedling technology of vegetable is very extensive application in worldwide. Currently, the aging of employees and the shortage of employment have posed a great challenge on the seedling production, due to the seedling enterprises previously relied fully on grafting technical workers. Alternatively, a grafting machine can be used to improve the efficiency and quality of grafting seedlings, as well as the standardized and automatic operation. However, an artificial feeding seedling is still in manual in most grafting machines, and thereby to greatly limit the production efficiency, particularly on the popularization and application of grafting seedling technology. Adsorption block generally serves as a feeding and positioning device of a rootstock in a new grafting machine. The simulation test can be used to design the working face profile and structural parameters of adsorption block, further to improve the flexibility and safety of rootstock. It can also greatly shorten the design cycle of adsorption block. In this study, a seedling positioning device of rootstock was designed, based on the principles of air pressing seedling at a positive pressure and adsorption positioning at a negative pressure, in order to rootstock cotyledon damage and petiole splitting during the artificial feeding seedling of grafting machine. The external geometric parameters of cucurbita moschata seedlings and the breakpoint pressure of cotyledon were measured for the structural and working parameters of adsorption block. A point fitting method was used to extract the trajectory equation of cotyledon back development curve, which was used for the profile design of working face in an adsorption block. A finite element model of device was established under the given boundary conditions. A CFD software was selected to dynamically simulate the airflow field inside the adsorption block, thereby to obtain the distribution of flow field in the gas chamber, with emphasis on the influence of various factors on the adsorption force of rootstock cotyledon. A simulation orthogonal test was used to determine the optimal structural parameters of adsorbent block. The influence of various factors on the average suction was ranked in order, the outlet negative pressure, diameter, depth. When the negative pressure at the outlet of adsorption block was 3kPa, the pore diameter was 1 mm, and the depth of suction hole was 4 mm, the pressure of 21 suction holes was less than the rupture point pressure of cucurbita moschata cotyledon, indicating that the adsorption block showed a good adsorption and localization ability for cotyledon. In the feeding seedling test, the adsorption success rate of cucurbita moschata cotyledon was 96.67%, the success rate of pressing seedling was 99.33%, the comprehensive feeding success rate of seedling was 96.03%, and the seedling injury rate was only 0.67%. The performance of device can fully meet the requirements of automatic feeding seedling for a grafting machine. The failure of cotyledon adsorption can be attributed to the inaccurate control of cotyledon direction and feeding seedling height, as well as the petiole splitting caused by relatively small cotyledon angle. The findings can provide a sound theoretical basis and design reference for automatic feeding seedling of grafting machine.

grafting machine; experiments; feeding rootstock; absorbing block; simulation design; flexible absorption

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.010

S233.74

A

1002-6819(2020)-18-0073-08

姜凱，張騫，陳立平，等. 砧木上苗定位機構(gòu)吸附塊仿真設(shè)計與性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(18)：73-80.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.010 http://www.tcsae.org

Jiang Kai, Zhang Qian, Chen Liping, et al. Simulation design and performance experiment of adsorption block in feeding and positioning mechanism for rootstock[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 73-80. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.010 http://www.tcsae.org

2020-03-19

2020-08-31

北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新能力建設(shè)專項（KJCX20180420）；北京市農(nóng)林科學(xué)院2020年度科研創(chuàng)新平臺建設(shè)（PT2020-06）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2013AA102406）

姜凱，博士，高級工程師，主要從事設(shè)施園藝智能裝備與農(nóng)業(yè)機器人等方面的研究。Email：jiangk@nercita.org.cn

牟艷秋，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工工藝與技術(shù)裝備研究。Email：muyanqiu@neau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：姜凱（E0412012235）