嫁接夹切割式自动供给机构的设计与试验

杨 旭，初 麒，杨艳丽，辜 松

（1.华南农业大学工程学院，广东 广州 510642；2.广州实凯机电科技有限公司，广东 广州 510640）

0 引言

连作障碍是同一作物或近缘作物连作以后,即使正常栽培管理，也会出现产量降低、品质下降、生长状况变差的现象[1]。现代种植领域正在向单一作物、高复种指数和集约化生产方向发展[2]，这种趋势导致连作障碍问题愈加严重，轻者产量减少，重者颗粒无收，严重影响了设施种植生产的可持续发展[3]。蔬菜种苗嫁接作为一种绿色、生态可持续性的重要技术措施，可有效克服连作障碍问题，增强植株抗病害能力,提高作物产量[4]，近年在蔬菜生产中得到广泛应用[5]。目前，嫁接苗生产主要依靠人工作业完成。随着大众对蔬菜品质要求的提高[6]，越来越多蔬菜种植户和企业使用嫁接苗种植蔬菜，导致依靠人工进行蔬菜嫁接苗生产难以满足市场需求，市场上产生了巨大的蔬菜嫁接苗供应缺口[7]。机械嫁接技术在嫁接作业中代替人工进行作业，完成嫁接作业的自动切削、对接等环节，在有效提高生产效率的同时保证嫁接质量，是推动嫁接苗生产向现代化、工厂化发展的关键技术措施[8]。因此，蔬菜种苗种植企业对机械嫁接技术的需求越来越强烈。

机械嫁接作业中嫁接夹的供给是实现砧木苗和接穗苗成功嫁接的重要环节，目前主要有振动供给和切夹供给2 种供夹方式。振动供给使用振动盘振列供给的方式提供嫁接夹，技术成熟，被国内外嫁接机广泛采用，但振动供给也存在振动盘体积笨重、供夹不稳定等缺点，难以满足高速嫁接对稳定、高效供夹的要求。切夹供给方式是将长条嫁接夹坯按照固定长度切割后，提供给机械嫁接作业使用。这种供给方式机构结构紧凑、供夹稳定且供夹效率高。但是，对于不同嫁接作业形式和嫁接夹厂家，嫁接夹的断面形状是不同的，而切夹供给方式的切刀切割嫁接夹坯的角度与嫁接夹坯的断面形状有直接关系，不合适的设置将会导致切刀寿命过短、切后嫁接夹切口不齐，从而引起嫁接夹输送不畅等问题。因此，从提高嫁接生产效率考虑,全自动蔬菜嫁接机是当前机械嫁接技术的发展方向[9]，研究并开发相应的自动供夹机构具有非常重要的意义[10]。

本研究针对茄果类嫁接苗用嫁接夹坯，设计了一种嫁接夹切割式自动供给机构，开展嫁接夹切割作业参数优化试验研究，确定合理的切夹角度等作业参数，实现茄果类蔬菜嫁接苗用嫁接夹坯的准确切割和稳定供给，如图1（a）所示。

1 自动供夹机构设计

1.1 设计条件

1）为灵活组合、调节切割与送夹作业动作，采用气力驱动和PLC 控制。

2）切割对象为图1（a）所示塑料挤压成型嫁接夹坯，具体断面尺寸如图2 所示。

图2 嫁接夹坯断面尺寸

3）为保证正常机械嫁接作业，嫁接用嫁接夹长度要求为15±2 mm；实现自动等长度推送嫁接夹坯并将其切割成嫁接夹，如图1（b）所示。

图1 嫁接夹坯与切割后嫁接夹

4）嫁接夹切割式自动供给机构要求实现自动输送嫁接夹坯、按照设定长度切割嫁接夹坯、推送并打开切好的嫁接夹、获得信号后夹持砧木苗与接穗苗等作业功能。

1.2 总体设计

该机构采用气力驱动，执行部件驱动气缸及电磁阀均选用AIRTAC 公司的产品，作业动作的控制器选用Mitsubishi 公司FX1S-20MR-001 型号PLC。根据设计条件中作业功能的要求，机构设有推送部件、切夹部件和开夹部件。如图3 所示，推送部件包括夹槽、推送气缸和夹持气爪，由于卷装包装的嫁接夹坯容易产生弯曲形变而影响推送效果，设置夹槽的目的是把弯曲的嫁接夹坯调直，夹槽断面形状与嫁接夹断面轮廓匹配。根据嫁接夹几何尺寸，嫁接夹在夹槽内的夹持选择HFZ2-16D 型气爪，依据嫁接夹长度15 mm 的要求，推送选择TCM16-20型气缸（通过调整螺丝将气缸实际作用行程调节为15 mm）,气爪通过铝直角板固定在推送气缸的气缸杆固定板上。切夹部件安装在推送部件输出端，包括推刀气缸、切刀单元和切夹座，依据切夹动力需求，推刀选择TCM16-30 型气缸，切刀单元固定在推刀气缸的气缸杆固定板上，推刀气缸安装在底板上；在推刀气缸的推动下，进入切夹座的嫁接夹坯被切刀单元切断成15 mm 长嫁接夹。开夹部件由开夹气爪和提升气缸组成，开夹气爪选择HFZ2-20D 型号，相较于HFZ2-16D 有更大的夹持力，能够保证稳定开夹，开夹气爪将切割的嫁接夹打开，提升气缸将嫁接夹向上顶出至工作平台以供嫁接作业使用，依据嫁接夹供给机构底板的高度，提升气缸选择TCM16-70型，有效工作行程为70 mm。

图3 嫁接夹切割式自动供给机构主要部件

如图4 所示，切刀单元使用的刀片选用美工刀片，尺寸为100 mm×18 mm×0.6 mm，材质为SK5碳素钢，刀片通过螺钉固定在刀架上。

图4 切夹部件结构

1.3 工作原理

如图3 所示，嫁接夹切割式自动供给机构的工作过程如下：嫁接夹坯由夹槽中送入，夹持气爪夹紧嫁接夹坯，推送气缸带动夹持气爪将嫁接夹坯向前推送1 个嫁接夹长度的距离，嫁接夹坯被推进切夹座；接着，推刀气缸快速带动切刀单元切断嫁接夹坯；随后，夹持气爪与推送气缸配合，再次循环推送嫁接夹坯；切好的嫁接夹在推送气缸第2 次推送嫁接夹坯时被顶入开夹气爪中，开夹气爪打开嫁接夹后，提升气缸上升，带动开夹气爪上移，使嫁接夹顶出，将其送至嫁接工作台面；待砧木苗和接穗苗放入对接后，再通过触发电磁脚踏开关，开夹气爪打开，在材料自身弹性作用下，嫁接夹夹住接穗苗与砧木苗的创口，完成1 次供夹嫁接作业。然后，嫁接夹切割式自动供给机构再次循环相同步骤，供给下1 个嫁接夹。

2 自动切夹作业参数优化试验

为确定合理的嫁接夹切割式自动供给机构的作业参数，通过切割作业过程，对机构切割嫁接夹坯的效果进行了试验。

切割性能主要取决于核心切夹部件，如图4 所示，影响切夹效果的主要因素包括切夹速度和切夹角度，试验考察切刀切割嫁接夹坯的作用力、切夹时嫁接夹坯的变形及切割嫁接夹合格率。如图5 所示，切夹速度是指切刀在切夹过程中的平均速度，切夹角度是指切刀刃口与切夹速度之间的夹角。切割嫁接夹合格率是指切割后嫁接夹的长度误差范围在±2 mm（即13～17 mm）之间的嫁接夹个数与总数的比值，当嫁接夹长度不稳定会影响送夹作业的稳定性。依据切夹作业可行作业参数范围，试验中切夹速度取3 个水平值，分别是快（26 cm/s）、中（18 cm/s）、慢（10 cm/s）,切夹角度取为30、40、50°。考察切刀切割嫁接夹坯的作用力，使用IMADA DS2-50N 型测力仪；考察切夹时嫁接夹坯变形量，使用SONY FDR-AX700 型数码摄录机，采用300 帧/帧率高速摄影进行拍摄。

图5 切夹作业过程

3 结果分析

图6 为在慢（10 cm/s）切夹速度下不同切夹角度的切割作用力，从图中可以看出，随着切夹角度增加，作用力平均值呈现出上升趋势，作用力最小值出现在切夹角度为30°，为14.7 N，此角度下对应此种嫁接夹坯的断面特征切割力表现的较小；当切夹角度为50°时，作用力高达20.1 N，这说明此时嫁接夹坯不容易被切断。

图6 切夹角度与作用力的关系

通过切割变形情况分析，也可了解嫁接夹坯切割作用力的情况。通过高速摄影获取切夹变形情况，如图7 为切夹速度、切夹角度各水平组合条件下嫁接夹坯切割时的最大变形时刻。通过图7 的变形量得到表1 所示的变形量数值。

表1 不同条件下嫁接夹坯切割变形量 单位：mm

图7 切刀速度与切夹角各试验水平组合下嫁接夹坯变形程度

由表1 中的具体变形量数据显示，各条件下总体变形量由0.31～0.92 mm。切夹角度在30～40°范围内，切割变形并不大，但是切夹角度达到50°时，切割变形量增加了2～3 倍。另外，嫁接夹坯切割时的变形量总体上与切夹速度成反比，这种趋势随着切夹角度的增加，表现得越发显著，在切夹角度50°的情况下，低速的切割变形量是高速时的1.87倍。进一步分析各条件下切割变形量的数值标准差（见图8），可以看出标准差与切夹速度成反比，与切夹角度成正比，这表明，切夹速度越低、切夹角度越大，切割变形量的变化跳动越大，呈工作不稳定趋势，因此，选取作业切夹速度和切夹角度应尽量避免这些区域。

图8 切刀速度与切夹角各试验水平组合下变形量标准差

通过试验结果分析，确定切夹速度和切夹角度均对嫁接夹坯切割变形量有一定的影响，切夹速度与切割变形量及变化跳动程度成反比，切夹角度与切割变形量及变化跳动程度成正比，随着切夹速度降低、切夹角度增大，切割变形量越来越大，且切割变形量的变化跳动程度也越明显，即工作越不稳定，认为这是影响切割嫁接夹合格率的主要原因。为验证结论，选择快（26 cm/s）切夹速度、30°切夹角度的作业参数，对切割嫁接夹合格率进行测试，结果显示切割嫁接夹合格率达到了96%，可满足实际生产的技术要求。

在完成自动切夹作业参数优化试验后，对嫁接夹切割式自动供给机构的实际作业性能进行测试，即砧木苗、接穗苗的对接和自动上夹作业试验。选择切夹速度为快（26 cm/s）、切夹角度为30°的作业参数进行测试，结果显示，使用该机构进行上夹作业，其平均速度为4.122 s/株，平均生产率达到873 株/h。

4 结论

1）本研究设计的嫁接夹切割式自动供给机构，主要由推送部件、切夹部件、开夹部件和PLC 控制单元组成，能够将挤压成型嫁接夹坯切割成固定长度的嫁接夹并推送到工作位置以供嫁接作业使用。

2）自动切夹作业参数优化试验结果表明，切夹速度和切夹角度能够显著影响切割嫁接夹合格率，当切夹速度越低、切夹角度越大时，嫁接夹坯的切割变形量越大，且切割变形量的变化跳动程度越明显，工作性能越不稳定。

3）选择切夹速度为26 cm/s、切夹角度为30°的作业参数进行切割嫁接夹合格率测试，结果显示，此时的切割嫁接夹合格率为96%，能够满足实际生产的技术要求。在同样的作业参数下，对嫁接夹切割式自动供给机构进行实际作业试验，嫁接作业平均生产率达到了873 株/h。