辛 璐,高春鳳,張 梅,王家勝

(青島農(nóng)業(yè)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(chǎn)大多數(shù)采用嫁接技術(shù)來抵抗土傳病害、改善蔬菜品質(zhì)和提高產(chǎn)量[3-4]。但當前國內(nèi)蔬菜種苗嫁接工作大多數(shù)依靠人工完成,工作效率低、用工成本高,嚴重制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的集約化生產(chǎn)進程。日韓、荷蘭等國家已經(jīng)開發(fā)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(yīng)性等問題,并未在我國推廣。近年來,國內(nèi)蔬菜自動嫁接技術(shù)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(xù)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(wěn)定上苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前,夾持機械手多由電氣結(jié)合驅(qū)動的二指或多指夾持,如樓建忠[7]設(shè)計的凹凸形夾持片交叉夾緊機構(gòu)及項偉燦[8]設(shè)計的螺釘與彈簧組合式氣動夾持機構(gòu)完成對嫁接苗的準確無損夾持。李軍采用氣動與電磁協(xié)同氣爪機構(gòu)可一次實現(xiàn)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(gòu),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(shù)也被應(yīng)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(jié)構(gòu)技術(shù)要求,設(shè)計了一種適合6×12規(guī)格穴盤苗一排六株同步夾持定位機構(gòu)裝置,并采用二維雙向夾持定位原理,實現(xiàn)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(shù)、材料與方法

蔬菜嫁接苗的幾何參數(shù)和力學特性參數(shù)是自動嫁接裝備結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)。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(shù)和苗莖抵抗損傷的夾持力。其中,測量的幾何參數(shù)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(shù),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(shè)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(yōu)1號(番茄)和中椒5號(辣椒)。

幾何參數(shù)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(shù),每個品種選12株進行重復(fù)壓縮力學試驗測試力學參數(shù),取其平均值。

1.2 測試結(jié)果

1.2.1 幾何參數(shù)

蔬菜秧苗幾何參數(shù)測試數(shù)據(jù)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知:雖然各組適宜嫁接高度有一定差異,但在同組中各數(shù)據(jù)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(shù)值Table 1 Geometric parameters of vegetable plug seedlings

1.2.2 力學參數(shù)

根據(jù)幾何參數(shù)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(yīng)壓力值,統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)與原理

為適合6×12規(guī)格穴盤苗盤內(nèi)嫁接,每次同時嫁接每行6株苗,設(shè)計相應(yīng)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(qū)動下沿橫向滑軌做往復(fù)滑動;縱向夾指分別套在橫向夾指的前端,在縱向氣缸驅(qū)動下相對橫向夾指做縱向往復(fù)滑動。

圖2 夾持定位裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of clamping and positioning device

橫向夾指組與縱向夾指組聯(lián)合作用實現(xiàn)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(tài),當蔬菜苗株喂入到左右兩夾指之間預(yù)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(jié)構(gòu)

橫向夾持組件的主要功能是對秧苗在橫向方向?qū)崿F(xiàn)夾持定位,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。橫向夾持組件由左、右兩套夾指組件構(gòu)成,每套夾指組件各由6條左(右)橫向夾指經(jīng)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(jīng)推桿驅(qū)動左(右)橫向夾指組實現(xiàn)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(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of transverse clamping assembly

2.3 縱向夾持組件結(jié)構(gòu)

縱向夾持組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中,6對左、右縱向夾指分別套接在對應(yīng)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(jīng)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(qū)動下做縱向往復(fù)運動?？v向夾指拉桿穿過固定在機架上的縱向滑道,在其導(dǎo)向約束下運動,可確保機構(gòu)縱向運動平順性和高精度。由于縱向夾指套結(jié)在橫向夾指上,且橫向滑板在橫向滑槽內(nèi)滑動,故可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of longitudinal clamping assembly

2.4 夾指機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.4.1 苗株夾指斜面參數(shù)設(shè)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(tài)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(xù)橫向夾持運動。為使苗株具有自動對心效應(yīng),應(yīng)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(cè)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(cè)滑動或滑動趨勢,所以摩擦力方向指向“V”形口內(nèi)側(cè)。因左右兩橫向夾指結(jié)構(gòu)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(guān)系為

Fc=fN

(2)

式中f—苗株與夾指斜面的摩擦因數(shù)。

聯(lián)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(shù)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(shè)計

夾持口徑是指苗株處于夾緊狀態(tài)時橫向與縱向夾指中心孔最大內(nèi)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(guān)鍵,其尺寸由秧苗直徑確定。

圖7 夾指結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.7 Clip finger structure parameters

秧苗直徑基本滿足正態(tài)分布,即

(5)

式中X—苗徑隨機變量(mm);

μ—苗徑的數(shù)學期望(mm);

σ—苗徑的標準差(mm);

Z—苗徑標準正態(tài)分布隨機變量(mm);

N(0,1)—標準正態(tài)分布。

所以

X=σ×Z+μ

(6)

以番茄砧木苗株為例,由標準正態(tài)表知,95%的數(shù)據(jù)在區(qū)間[-1.96,1.96]。番茄砧木苗徑的數(shù)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(qū)間[3.52mm,4.34mm]。

夾持定位裝置在夾持番茄砧木時應(yīng)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(jù)式(7),夾持口徑d應(yīng)滿足3.47mm

2.4.3 夾指運動行程

夾指組的結(jié)構(gòu)布置取決于穴盤規(guī)格尺寸及蔬菜苗在穴盤內(nèi)的株行距分布。6×12規(guī)格72孔穴盤的結(jié)構(gòu)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(tài)下,左右橫向夾指不發(fā)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(shè)備與材料

為了驗證所設(shè)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(shè)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(yōu)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(yōu)劣的主要依據(jù)是對苗株夾持定位精度和夾持損傷是否滿足作業(yè)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(tài)下切削合格與插接合格的株數(shù)占總作業(yè)株數(shù)的百分比,即

(9)

式中P—夾持合格率(%)

N1—苗株切削合格株數(shù)(株);

N2—苗株插接合格株數(shù)(株);

N0—總作業(yè)苗株數(shù)(株)。

根據(jù)嫁接實踐經(jīng)驗,切削合格的判斷標準規(guī)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(shù)(株);

U0—總試驗株數(shù)(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(nèi)培育,48h后苗株不能繼續(xù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

蔬菜秧苗夾持合格率與損傷率試驗結(jié)果如表3所示。由表3中數(shù)據(jù)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(shè)計要求。數(shù)據(jù)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(dǎo)致夾持定位的精度更低。另外,由于辣椒苗莖的木質(zhì)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(jié)論

1)設(shè)計了一種適合6×12規(guī)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(gòu)與縱向夾指機構(gòu)組成,由氣動裝置驅(qū)動夾指從橫、縱兩個方向?qū)崿F(xiàn)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(jù)茄科蔬菜苗徑參數(shù)和臨界壓力試驗參數(shù),設(shè)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(jié)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(shè)計要求。由于番茄與辣椒苗株幾何形態(tài)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。