适用不同直径配比的自动化硬枝嫁接装置设计

适用不同直径配比的自动化硬枝嫁接装置设计
李㊀娜,寇㊀雷,于㊀博,姜海勇,徐鹏云
(河北农业大学机电工程学院,河北保定㊀071000)
摘㊀要:嫁接是硬枝苗木育苗中的重要环节,然而由于硬枝嫁接存在不同品种切削力差异大且需要保证其形成层对齐等问题,导致硬枝嫁接自动化程度低㊂为此,结合自动化硬枝嫁接装置现状,针对穗㊁砧枝条直径相差较大时难以保证形成层对齐而导致成活率低的问题,提出了保证不同直径配比的穗㊁砧形成层对齐原理,设计了适用不同直径配比的自动化硬枝嫁接机㊂装置由穗木直径测量㊁削穗㊁破砧㊁送进对接4部分组成㊂工作时,通过手指气缸闭合夹紧穗木同时带动齿条移动,齿条与角度传感器输出轴上的齿轮啮合传动完成穗木直径测量;滑台模组电机根据测量直径带动破砧气缸移动到相应位置完成破砧,送进气缸将削楔完成的穗木送进至砧木切口处完成嫁接,从而保证不同直径配比的穗㊁砧形成层对齐㊂对影响形成层对齐的关键结构进行了有限元仿真分析和优化,并在此基础上完成了不同直径配比的样机实验㊂
关键词:硬枝嫁接装置;不同直径配比;自动化
中图分类号:S223.1㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)06-0052-06
0㊀引言
2018年,我国果园种植面积达11874.93khm2,比2017年增长6.64%[1]㊂为了使果树保持优良的遗传性,实现早期丰产,更新品种,提高果树适应性,需要对果树进行嫁接[2]㊂在田间作业中发现,目前,嫁接主要是依靠人工来实现的,由于嫁接任务强度高且嫁接作业本身对于嫁接工人的技术要求较高,导致人工成本增加,且存在诸多不稳定因素,导致嫁接成功率低㊂嫁接属于高度重复的体力劳动,适合机械化作业㊂目前,拖拉机㊁收割机等粗放型农业机械已经可以达到解放劳动力的目的[3-5]㊂经过多年的发展,日本㊁韩国等一些农业发达国家研制出了作业精度相对较高的蔬菜嫁接机[6-9]㊂在硬枝苗木嫁接领域,国外对硬枝苗木自动化嫁接研究较少,尤其相关文献报道较少㊂
由于硬枝苗木种类繁多,不同品种切削力差异大,且一些品种穗㊁砧直径相差较大,因此保证嫁接形成层对齐成为影响成活率的关键因素㊂目前,国内对苗木自动化嫁接装置研究取得了一定进展[10-12],但对穗㊁砧直径相差较大时如何精确保证嫁接形成层对齐方面并没有相关研究㊂综合国内文献,硬枝苗木嫁接收稿日期:2020-03-31
基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFD0700600)
作者简介:李㊀娜(1981-),女,河北保定人,副教授,硕士生导师,博士,(E-mail)res_lina@㊂装置的研制包括如下几种:可用于苗木嫁接的多功能嫁接剪刀,该嫁接剪的工作原理为通过人力将砧㊁穗剪切成吻合的嫁接口完成嫁接[13];中国农业大学以杨树苗为研究对象研制了1台毛白杨树苗自动嫁接机样机[14-16];哈尔滨林业机械研究所研制出油茶苗木自动嫁接机,并在后续将苗木对中后的固定方案进行了改进[17-19];湖南农业大学以毛桃苗为对象研制出苗木半旋转切削机构,并针对葡萄苗研制了基于Plug-in 的苗木嫁接切削机构[20-22]㊂
嫁接作业对象属不同科属类型植物,存在嫁接农艺过程差异大等问题,所以嫁接装置的适用对象不具备互换性,且在穗㊁砧对接时如何保证不同直径枝条形成层对齐问题尚未进行研究㊂为此,针对硬枝苗木穗㊁砧直径相差较大时如何精确保证嫁接形成层对齐的问题,基于嫁接农艺中的 劈接法 ,提出适用于机械化的嫁接方法,推导了砧木㊁穗木嫁接楔面尺寸与穗木直径的函数关系;同时,设计了适用不同直径配比的自动化硬枝嫁接装置,并对关键部件进行优化设计,以保证嫁接精度㊂在此基础上,以苹果苗木嫁接为例,结合控制系统,进行砧穗不同直径配比的样机嫁接实验㊂
1㊀直径配比原理
1.1㊀适合机械化嫁接的方法
根据农艺中的 劈接法 ,嫁接工人利用嫁接剪将穗木剪成如图1(b)所示楔形形状,其削剪完成的穗
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木的两侧削楔面与穗木轴心的夹角α㊁β不同,形成
长㊁短削楔面;令α>β,则α侧为短削楔面,点E为短
削楔面顶点,削楔面尖端有平台㊂图1(c)所示为田
间嫁接工人破砧形式的实物图,由砧木侧面斜向砧木
轴心方向将砧木劈剪出一道嫁接口㊂将剪切完成的
穗木对接插入到砧木的嫁接口处,最终使E㊁E2两点距离在一定范围内保证留白[23]㊂由于此种嫁接口在对接插入过程中所需的力较大,不适用于机械化嫁
接,所以对砧木嫁接口进行改进,如图1(a)所示㊂将
砧木切口切削成V形,γ为破砧开口的角度,δ为其短
削楔面与右侧面夹角,E1点一侧的削楔面为砧木短削楔面,且E1点为削楔面顶点;对接插入后,令穗木短削楔面与砧木短削楔面配合,使E点与E1点距离在一定范围内保证留白㊂通过实验可知:当0<EE1ɤ2mm时,可满足要求㊂图1中,α+β=γ=40ʎ,α=22. 5ʎ,β=17.5ʎ,δ=30ʎ㊂
图1㊀穗木㊁砧木切口示意图
Fig.1㊀Schematic of the incisions of the scions and stocks
1.2㊀配比函数关系
可保证形成层对齐的对接示意图如图2所示㊂
图2㊀对接示意图
Fig.2㊀Schematic of butt joint
设d为穗木直径,D为砧木直径,L为穗木短削楔面尺寸,L1为砧木短削楔面尺寸,b为平台宽度,e为留白尺寸,b㊁e为定值,则穗木短削楔面尺寸为
L=d-b
2sinα(1)砧木短削楔面尺寸为
L1=d2sinα-e(2)因此,只要将穗木㊁砧木切削成为满足上述函数关系的形式,嫁接时即可保证嫁接形成层对齐㊂
2㊀嫁接装置
2.1㊀机械结构
工作过程中,旋转风管的运动过程可看作是旋转风管绕其中心轴线的旋转运动和沿着工作方向水平运动的合成㊂对旋转风管建立直角坐标系,且其中1个气流喷嘴出口转动到坐标原点作为初始位置,如图3所示㊂
装置机械结构如图3㊁图4所示㊂其中,削穗气缸1㊁2非对称地分布在穗木两侧,其切削方向与穗木轴线夹角分别为17.5ʎ㊁22.5ʎ,目的是获得穗木长㊁短削楔面㊂手指气缸的手指与齿条固定板连接,齿条与角度传感器输出轴上的齿轮啮合,从而实现穗木直径测量㊂手指气缸闭合时,外接手指夹紧穗木将其侧面定位,穗木底㊁端面定位架将其底㊁侧面定位,定位刀片保证穗木装夹位置居中㊂为使穗木切屑掉落,且保证定位精度,选用尼龙块与穗木端面接触㊂砧木固定气缸伸出推动手爪将砧木定位,破砧气缸1㊁2安装于气缸固定板上,两气缸的切削夹角为40ʎ,滚珠丝杠电机可带动两气缸移动㊂穗木底面定位架与砧木底面定位架提供的定位面处于同一水平面,保证对接后底面平齐,切削完成后,送进气缸推动支架将穗木送至砧木切口处完成嫁接㊂
2.2㊀控制系统及工作原理
控制系统硬件采用工控板控制器,支持GX Works2软件编程及RS232/RS485通信方式,晶体管输出,支持模拟量采集㊂启动按钮占用1个输入触点,由于2个送进气缸同时动作,所以样机的9个气缸只需要占用8个输出触点,滑台模组步进电机占用脉冲量与脉冲方向两个输出触点,角度传感器占用1个电压模拟量采集触点㊂角度传感器测量范围为0ʎ~355ʎ,给其接入10V电压,工控板内部对应数字量为0ʎ~4095,两者为正比例关系㊂
装置工作流程图如图5所示㊂工作时,人工装夹穗木㊁砧木后按下启动按钮,手指气缸㊁砧木固定气缸分别夹紧穗木㊁砧木,两个削穗气缸按顺序带动刀片完成穗木切削;同时,根据角度传感器测得的穗木直
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径,工控板控制滚珠丝杠电机将破砧气缸1㊁2移动到相应位置,并完成破砧;破砧完成后,步进电机返回原位;返回过程中,端面定位气缸带动穗木端面定位架下移,待滚珠丝杠电机返回原位后,送进气缸将穗木
送进至砧木切口处完成嫁接对接;对接完成后,手指气缸张开,送进气缸返回原位,且砧木固定气缸收回,完成单次嫁接,总时长为14s㊂
1.支架㊀
2.削穗气缸1㊀
3.手指气缸㊀
4.齿条安装板㊀
5.角度传感器㊀
6.削穗刀架㊀
7.削穗气缸2㊀
8.送进气缸㊀
9.直线滑块
10.导杆㊀11.端面定位气缸㊀12.气缸连接板㊀13.穗木底面定位架㊀14.外接手指㊀15.穗木㊀16.定位刀片㊀17.尼龙块㊀18.穗木端面定位架
19.破砧气缸2㊀20.破砧刀架㊀21.砧木底面定位架㊀22.砧木㊀23.手爪㊀24.砧木固定气缸㊀25.滚珠丝杠电机㊀26.破砧气缸1㊀27.气缸固定板
图3㊀嫁接装置总装图
Fig.3㊀The structure of hard -twig graft device
1.齿轮㊀
2.齿条㊀
3.手指气缸固定架图4㊀测量部分图
Fig.4㊀Structure of measurement part
3㊀关键结构设计及优化
3.1㊀穗㊁砧定位切削机构设计
测量穗木直径时,要避免手指气缸由张开到夹紧
过程中齿轮旋转超过1圈㊂设手指气缸开时外接手指内间距为a ,齿条㊁齿轮的模数为m ,齿轮齿数为z ㊂假设穗木直径为d ,此时对应的角度传感器圆心角弧度数为θ㊂其中,θ可通过工控板测得,为已知量,则
d =a -θmz
(3)
如图6所示,定位刀片与穗木轴线重合保证居中㊂为保证切屑切除,h 为削穗气缸伸出最大距离时刀刃切入尼龙块的深度,h =1mm;c 为此时刀刃与穗木中轴线的距离,c =0.25mm;b 为此结构下平台宽度㊂
b =2(
c +h tan α)
(4)
穗木短削楔面尺寸L 为
L =
a -[θmz +2(c +h tan α)]
2sin α
(5)
图5㊀工作流程图
Fig.5㊀Work flow chart
图6㊀穗木定位及削楔示意图
Fig.6㊀Location of scions and wedge cutting schematic 如图7所示,S为破砧气缸1伸出到最远端时刀刃与砧木右侧面距离,S=450mm;S1为滚珠丝杠电机带动气缸移动的距离,从而获得匹配短削楔面㊂为保证切屑切除,破砧气缸2伸出时刀刃末端略超过破砧气缸1刀刃末端㊂通过工控板采集角度传感器测得的数值,则S1计算公式为
S1=S-a-θmz
2sinα-e
()sinδ(6)
其中,a为外接手指开时间距,a=10mm;齿轮模数m=0.5,齿数z=17,留白e=1mm㊂手指气缸开闭行程为4mm,即该装置可完成直径6~10mm枝条测量与切削㊂为了防止对接完成后切口处松动,送进气缸送进对接实际到达的位置略大于留白1mm位置,满足留白㊂
图7㊀砧木削楔示意图
Fig.7㊀Cutting wedge schematic of stocks
3.2㊀穗木定位切削结构优化
3.2.1㊀变形与穗木短削楔面尺寸误差分析
嫁接成功的关键是穗木短削楔面尺寸与砧木短削楔面尺寸相匹配,从而保证形成层对㊂切削时,穗木端面定位架因受穗木轴向力大而产生变形,从而影响短削楔面尺寸,因此需要对穗木定位切削结构进行变形分析,如图8所示㊂
图8㊀变形示意图
Fig.8㊀Deformation schematic
理想情况下,设穗木端面定位架不变形,切削时穗木短削楔面进刀点为F点,切削终点为F1点,短削楔面尺寸为L㊂实际切削时,其穗木短削楔面刀片进刀点不变,仍为F点㊂假设穗木端面定位架沿穗木轴线变形为y,则切削终点为F2点,短削楔面尺寸变长为Lᶄ㊂当y>1mm时,切屑不能掉落;当穗木端面定位架产生变形量y后,其短削楔面尺寸Lᶄ为
Lᶄ=a-θmz-2[c+(h-y)tanα]
2sinα(7)结合式(5),令
ΔL=Lᶄ-L=y cosα(8)其中,ΔL为零件变形时穗木短削楔面尺寸的误差㊂
3.2.2㊀变形与穗木短削楔面尺寸误差分析
将穗木定位切削结构导入ABAQUS对装置进行有限元分析㊂结构中,手指气缸材料为铝合金,定位刀片为合金钢,穗木底面和端面定位架㊁外接手指为304不锈钢㊂改变图8中穗木端面定位架厚度k,并保持k1㊁k2尺寸不变,对穗木定位切削结构进行优化㊂表1为穗木端面定位架尺寸参数及材料参数㊂
表1㊀尺寸及材料参数表
Table1㊀Size and material parameters table
k1 /mm k2
/mm
密度
/t㊃mm-3
杨氏模量
/MPa泊松比
12207.98ˑ10-9 1.9ˑ1050.3㊀㊀在实验室中,测得直径6~10mm苹果枝条的最大切削力约120N㊂为保证结构可靠,对结构中穗木施加最大200N的切削力,并分析穗木端面定位架的变形情况㊂对穗木定位切削结构添加约束㊁接触,并施加切削力后,所得的变形云图如图9所示㊂对穗木由小到大施加切削力时,k=2㊁3㊁4㊁5㊁6mm厚度的穗木端面定位架沿穗木轴线方向变形量y如图10所示㊂其中,4mm厚的穗木端面定位架在受到200N的最大切削力时变形量比0.6mm略小,满足yɤ1mm,5mm㊁6mm与4mm变形相比变化不大㊂考虑到轻质且受到最大切削力时切屑仍然可以被切除,最终选用4mm 厚不锈钢板制作端面定位架㊂
由式(8)可知:当y取最大值时,ΔL最大㊂以200N时变形量计算,ΔL=0.6494mm,外加原留白1mm,共1.6494mm,满足0<EE1ɤ2mm要求,且Lᶄ>L,对接时可以满足 上露白,下蹬空 的要求㊂所以,4mm厚端面定位零件可以满足嫁接农艺要求㊂
图9㊀定位结构变形云图
Fig.9㊀Nephogram of positioning structure deformation
图10㊀受力变形曲线图
Fig.10㊀Force deformation graph
4㊀实验
河北地区是国内苹果种植大省之一,以苹果枝条为例对枝条进行嫁接实验,证明该样机可以完成硬枝嫁接任务㊂图11中(a)㊁(b)㊁(c)㊁(d)为4个嫁接过程:(a)为削穗过程,(b)为破砧过程,(c)为对接过程,(d)为对接过程㊂对接完成后,定位底面平齐,且短削楔面满足留白,如图12所示㊂图12中(a)㊁(b)㊁
(c)㊁(d)为随机选取的4组不同直径配比的穗木与砧木嫁接完成的枝条,直径配比分别为6:9.2㊁7.1:9.8㊁8:10.2㊁10:12㊂
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图11㊀装置试验
Fig.11㊀Hard-twig graft device Trial
图12㊀不同直径配比嫁接枝条
Fig.12㊀Grafting branches with different diameter ratios
5㊀结论
结合适用于机械化嫁接的切口方法,并基于保证成活率的农艺要求,提出了不同穗㊁砧直径配比的嫁接形成层对齐原理,并设计了适用不同直径配比的自动化硬枝嫁接装置㊂该装置可完成穗木直径6~
10mm硬枝嫁接,单次嫁接时长为14s㊂通过推导穗木端面定位架变形与穗木短削楔面尺寸误差的关系,基于仿真分析对影响形成层对齐的关键结构进行了优化设计㊂在此基础上进行了不同直径配比苹果枝条嫁接实验,结果表明:装置可完成砧㊁穗直径比值最大约为1.5时的嫁接作业,需要注意的是选取的砧木直径应大于穗木直径㊂本研究解决了直径配比相差较大时嫁接困难的问题,提高了装置的普适性㊂
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(3):4-6.(下转第65页)
2021年6月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第6期
ward speed of the machine,the rotating speed of the rotary tiller and the turning radius of the rotary tillage blade.The ro-tary tillage depth of the rear rotary tiller group,the installation height of the top of the retaining plate relative to the center of the rear tillage axis,and the overall dimension height of the retaining plate were further determined when the sowing depth of wheat was40mm.The above research provided a theoretical basis for the actual prototype design.Five-point sampling method was used to test the actual prototype in the field.The average sowing depth was37.04mm,and the qualified rate of sowing depth was92%.The relative error between actual soil cover thickness and theoretical design thickness was about7.4%.Further tracking the sowing depth after wheat emergence,the average characteristic length of root and stem of wheat seedling was measured.The value was33.76mm and the qualified rate of sowing depth was 90%.The experimental results showed that the design of the sowing depth control device based on doulbe-axis rotary tillage can better ensure the same depth of wheat seeds and meet the requirements of wheat sowing agronomy. Key words:wheat;sowing depth control;double-axis rotary tillage;analysis of throwing soil theory
(上接第57页)
Abstract ID:1003-188X(2021)06-0052-EA
[18]㊀徐克生,罗菊英,李全罡.劈接法油茶苗木嫁接机的设计
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Design of Automatic Hard-twig Graft Device With
Different Diameter Ratios
Li Na,Kou Lei,Yu Bo,Jiang Haiyong,Xu Pengyun
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Hebei Agricultural University,Baoding071000,China) Abstract:Grafting is an important link in the nursery of hard-branched seedlings,due to the large difference of cutting force of different varieties of hard branch grafting,and the need to ensure the alignment of its formation layer,the degree of automation of hard-twig graft is low.In this paper,combined with the current situation of automatic hard-twig graft device,for the scion,stock diameter difference is large,it is difficult to ensure the formation of layer alignment and lead to low survival rate,put forward to ensure that different diameter ratio of the scion,stock formation layer alignment prin-ciple,designed the applicable diameter ratio of the automatic hard-twig graft device.The device consists of the diameter measurement part of the scion,the cutting wedge part of the scion,the cutting part of the stock,and the feed-to-doc-king part.The diameter measurement part of the scion is to close the clamping scion by the finger cylinder,while driving the tooth to move,the gear meshing drive on the output shaft of the angle sensor completes the measurement of the diame-ter of the scion,and the slide module motor moves the cutting wedge cylinder of the stock to the corresponding position according to the measuring diameter to complete the cutting wedge of the stock.The sprocket sprocket is sent into the cut -wedge-completed wood into the cut-out to complete the graft,thus ensuring that the scion and the wood formation layer alignment of different diameter ratios are aligned.Through the simulation analysis of the key structures affecting the for-mation of layer alignment,the structure is optimized,and on this basis,a prototype experiment of different diameter ratios is carried out.
Key words:hard-twig graft device;different diameter ratio;automatic
2021年6月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第6期。