茄果蔬菜六株同步嫁接双向夹持定位装置设计

辛 璐,高春凤,张 梅,王家胜

(青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109)

0 引言

我国蔬菜常年种植面积已超过2000万hm2,而茄果和瓜科类蔬菜占总面积的1/3[1-2],两类蔬菜种苗集约化生产大多数采用嫁接技术来抵抗土传病害、改善蔬菜品质和提高产量[3-4]。但当前国内蔬菜种苗嫁接工作大多数依靠人工完成,工作效率低、用工成本高,严重制约了蔬菜产业的集约化生产进程。日韩、荷兰等国家已经开发出了商品化全自动和半自动蔬菜嫁接装备[5-6],但因高昂的价格和适应性等问题,并未在我国推广。近年来,国内蔬菜自动嫁接技术与装备的研究已取得了较大的进展[5-6],但主要处于样机试制试验阶段。蔬菜自动嫁接装备可连续完成种苗多工序嫁接动作,其苗株的夹持定位是确保种苗精确切削、精准插接和稳定上苗的关键环节。目前,夹持机械手多由电气结合驱动的二指或多指夹持,如楼建忠[7]设计的凹凸形夹持片交叉夹紧机构及项伟灿[8]设计的螺钉与弹簧组合式气动夹持机构完成对嫁接苗的准确无损夹持。李军采用气动与电磁协同气爪机构可一次实现5株秧苗上下两部位的定位夹持[9]。张峰峰研究了一种横纵向夹指机构,可对每行6株秧苗精准夹持定位[10]。为降低秧苗夹伤,姜凯采取在夹持机械手增加柔性EVA垫片与秧苗接触[11],吕亚军[12]、楼建忠[13]提出采用气吸式原理固定秧苗。另外,机器视觉和图像处理技术也被应用到嫁接苗株的智能识别和精确定位中[14-17]。

笔者针对茄果蔬菜多株同步嫁接装备的结构技术要求,设计了一种适合6×12规格穴盘苗一排六株同步夹持定位机构装置,并采用二维双向夹持定位原理,实现对砧木和接穗苗的低损伤夹持和精准定位,辅助嫁接装备完成蔬菜苗的精准切削和插接等嫁接工序。

1 嫁接苗物理特性

1.1 测试的参数、材料与方法

蔬菜嫁接苗的几何参数和力学特性参数是自动嫁接装备结构和工作参数设计的重要依据。嫁接苗株在被夹持定位的过程中,要求对砧木和穗木苗茎精准部位夹紧固定的同时不能造成夹持损伤,故需要参考嫁接苗的几何参数和苗茎抵抗损伤的夹持力。其中,测量的几何参数包括嫁接苗子叶高度H1、第一片真叶高度H2、子叶处苗茎D1和苗茎D2,如图1所示。对于力学参数,研究表明,当嫁接苗的压缩变形量小于20%时,对嫁接苗的损伤小,故把变形量达到20%时受到的压缩力设定为临界压缩载荷。

试验材料选择嫁接期的砧木为托托斯加(番茄)、威壮贝尔(辣椒),穗木为津优1号(番茄)和中椒5号(辣椒)。

几何参数采用直尺和游标卡尺进行测定,压缩力学特性通过WDW-01型微机控制电子万能试验机进行测定。每个品种选出50个样本测量几何参数,每个品种选12株进行重复压缩力学试验测试力学参数,取其平均值。

1.2 测试结果

1.2.1 几何参数

蔬菜秧苗几何参数测试数据如表1所示。由表1数据可知:虽然各组适宜嫁接高度有一定差异,但在同组中各数据标准差都不大,表明各组秧苗均匀性较好,在同生长期中嫁接苗几何尺寸分布比较均匀,有利于嫁接装备的通用性。

表1 秧苗几何尺寸参数值Table 1 Geometric parameters of vegetable plug seedlings

1.2.2 力学参数

根据几何参数分别计算其适宜嫁接位置,即(H1+H2)/2处平均苗茎,并使用试验台对秧苗进行临界压缩试验,临界压力选择秧苗形变量为20%对应压力值,统计数据如表2所示。

表2 秧苗临界压力值Table 2 Critical pressure value of seedlings

2 六株同步双向夹持定位装置设计

2.1 整体结构与原理

为适合6×12规格穴盘苗盘内嫁接,每次同时嫁接每行6株苗,设计相应的夹持定位装置,如图2所示。整体装置由横向夹指组、纵向夹指组、横向气缸、纵向气缸、横向滑轨、纵向滑轨、安装板和配套连接件组成。其中,横向夹指又分为左横向夹指和右横向夹指,它们在横向气缸驱动下沿横向滑轨做往复滑动;纵向夹指分别套在横向夹指的前端,在纵向气缸驱动下相对横向夹指做纵向往复滑动。

图2 夹持定位装置结构图Fig.2 Structure diagram of clamping and positioning device

横向夹指组与纵向夹指组联合作用实现对蔬菜苗株的双向夹持定位,工作流程如图3所示。初始时,横向夹指与纵向夹指均处于分离状态,当蔬菜苗株喂入到左右两夹指之间预定位置后,左右横向夹指相向运动,横向夹持住苗株;接着,两纵向夹指沿纵向同向运动夹持住苗株,完成苗株的精确夹持定位。

2.2 横向夹持组件结构

横向夹持组件的主要功能是对秧苗在横向方向实现夹持定位,其结构如图4所示。横向夹持组件由左、右两套夹指组件构成,每套夹指组件各由6条左(右)横向夹指经连接立杆分别固定在左(右)夹指连接横杆上,左(右)夹指连接横杆通过固定在其上的两个横向滑块沿横向滑轨滑动,左(右)指横向气缸经推杆驱动左(右)横向夹指组实现左右夹指的夹持和分离动作。

图3 双向夹持定位原理Fig.3 Principle of bidirectional clamping and positioning

(a)左横向夹指组

(b)右横向夹指组图4 横向夹持组件结构Fig.4 Structure of transverse clamping assembly

2.3 纵向夹持组件结构

纵向夹持组件结构如图5所示。其中,6对左、右纵向夹指分别套接在对应的6对左、右横向夹指尖端,可做纵向相对滑动;纵向夹指分别经纵向夹指拉杆、横向滑板、横向滑槽及纵向推板与纵向气缸相连,在气缸的驱动下做纵向往复运动。纵向夹指拉杆穿过固定在机架上的纵向滑道,在其导向约束下运动,可确保机构纵向运动平顺性和高精度。由于纵向夹指套结在横向夹指上,且横向滑板在横向滑槽内滑动,故可实现纵向夹指随横向夹指做横向同步运动。

图5 纵向夹指组件结构Fig.5 Structure of longitudinal clamping assembly

2.4 夹指机构关键参数设计

2.4.1 苗株夹指斜面参数设计

横向与纵向夹指的触苗端角加工为斜面状,四指夹持状态下呈双“V”形夹持口,夹持口的中心即为每株苗株的定位中心点。当苗株进入到既定位置后,首先,两横向夹指相向运动将横向偏离的苗株向中心推送;当左右夹指“V”形夹持口两斜面同时触苗时,苗株已到达横向中点,夹指继续横向夹持运动。为使苗株具有自动对心效应,应使苗株沿两斜面纵向外滑动,具体受力情况如图6(a)所示。苗株分别受到两侧夹指斜面作用的正压力N和摩擦力Fc。由于苗株是向“V”形口外侧滑动或滑动趋势,所以摩擦力方向指向“V”形口内侧。因左右两横向夹指结构相同且对称布置,苗株所受横向合力为0,则使苗株沿斜面滑动的条件为

2Nsinθ≥2Fccosθ

(1)

式中N—夹指斜面对苗株的正压力(N);

Fc—夹指斜面对苗株的摩擦力(N);

θ—夹指斜面张角(°)。

夹指斜面对苗株的正压力和摩擦力的关系为

Fc=fN

(2)

式中f—苗株与夹指斜面的摩擦因数。

联立式(1)、式(2)可得

θ≥arctanf

(3)

为减轻对苗株的夹持损伤,夹指斜面贴有PVC塑料板,试验测试得到蔬菜苗株与PVC塑料板间的平均摩擦因数为0.765[7],代入到式(3)得

θ≥37.4°

(4)

理论上,横向夹指斜面张角θ越大,夹持时越容易使秧苗沿斜面纵向滑动;但θ过大不利于横向夹指横向推苗,综合考虑取θ=40°。

图6 苗株夹持受力Fig.6 Clamping force of seedlings

2.4.2 夹持口径设计

夹持口径是指苗株处于夹紧状态时横向与纵向夹指中心孔最大内切圆直径d,如图7所示。夹持口径的大小是确保夹紧秧苗又不损伤秧苗的关键,其尺寸由秧苗直径确定。

图7 夹指结构参数Fig.7 Clip finger structure parameters

秧苗直径基本满足正态分布,即

(5)

式中X—苗径随机变量(mm);

μ—苗径的数学期望(mm);

σ—苗径的标准差(mm);

Z—苗径标准正态分布随机变量(mm);

N(0,1)—标准正态分布。

所以

X=σ×Z+μ

(6)

以番茄砧木苗株为例,由标准正态表知,95%的数据在区间[-1.96,1.96]。番茄砧木苗径的数学期望μ=3.93mm,番茄砧木苗径的标准差σ=0.21mm。所以,番茄砧木苗径有95%的概率在区间[3.52mm,4.34mm]。

夹持定位装置在夹持番茄砧木时应既能夹紧最细的秧苗,又不夹伤最粗秧苗,所以要求

dmin

(7)

式中dmin—95%概率的最细苗径(mm);

d—夹持口径(mm);

dmax—95%概率的最粗苗径(mm)。

根据式(7),夹持口径d应满足3.47mm

2.4.3 夹指运动行程

夹指组的结构布置取决于穴盘规格尺寸及蔬菜苗在穴盘内的株行距分布。6×12规格72孔穴盘的结构尺寸为280mm×540mm,穴孔间株行距为43mm×43mm,故相邻两组夹指的夹持中线间距A=43mm。为保证横向夹指在张开状态下,左右横向夹指不发生干涉,夹指运动行程要满足

S≤w/2=A/2-c-δ/2

(8)

式中S—夹指运动行程(mm);

w—相邻两组夹指外间距;

A—相邻两组夹指的夹持中线间距(mm);

c—夹指宽度(mm);

δ—左右夹指夹紧间隙(mm)。

其中,夹指宽度c=14mm,取δ=1mm,综合考虑式(8),取横向夹指运动行程S=6mm。

3 夹持定位装置性能试验

3.1 试验设备与材料

为了验证所设计的蔬菜苗株夹持定位装置的合理性,进行茄科蔬菜苗株夹持定位性能试验。试验设备采用自行研制的2JS-6型一组六株蔬菜自动嫁接机,测量工具采用游标卡尺(宝工PD-151,量程150mm,精度0.02mm)。试验材料为嫁接期的茄科蔬菜砧木为托托斯加(番茄)、威壮贝尔(辣椒),穗木为津优1号(番茄)和中椒5号(辣椒)。

3.2 试验方法

评价夹持定位装置性能优劣的主要依据是对苗株夹持定位精度和夹持损伤是否满足作业要求,选择夹持合格率与夹持损伤率两个指标作为试验评价指标。其中,夹持合格率是指蔬菜苗株在夹持状态下切削合格与插接合格的株数占总作业株数的百分比,即

(9)

式中P—夹持合格率(%)

N1—苗株切削合格株数(株);

N2—苗株插接合格株数(株);

N0—总作业苗株数(株)。

根据嫁接实践经验,切削合格的判断标准规定切削刃(切痕)偏离标准切削线20%即视为不合格,插接合格的判断标准是穗木切削面偏出砧木切削面10%视为不合格。

夹持损伤率的计算式为

(10)

式中Q—夹持损伤率(%);

U1—苗株损伤株数(株);

U0—总试验株数(株)。

夹持损伤率的判断方法是将夹持试验后的苗株(不进行切削嫁接试验)放入穴盘内培育,48h后苗株不能继续成活的视为损伤。

每组试验分别选取砧木苗株和穗木苗株60株,按照以上方法统计数据并计算获得夹持合格率与夹持损伤率指标值。

图8 苗株夹持定位试验Fig.8 Test of seedling clamping and positioning

3.3 试验结果与分析

蔬菜秧苗夹持合格率与损伤率试验结果如表3所示。由表3中数据可知:番茄和辣椒苗株的平均夹持合格率P≥96%、平均夹持损伤率Q≤3%,均满足了设计要求。数据显示,番茄苗株的夹持合格率要低于辣椒的夹持合格率,主要因为番茄苗茎的直立度和均匀度差于辣椒,导致夹持定位的精度更低。另外,由于辣椒苗茎的木质纤维要高于番茄苗茎,其苗茎抵抗压损的能力更强,所以辣椒苗株的夹持损伤率低于番茄苗株。

表3 秧苗夹持合格率与损伤率Table 3 Qualified rate and damage rate of seedling clamping %

4 结论

1)设计了一种适合6×12规格穴盘苗一排六株同步自动嫁接的双向夹持定位装置,由横向夹指机构与纵向夹指机构组成,由气动装置驱动夹指从横、纵两个方向实现对一排六株苗株的同步夹持定位。同时,确定了苗株夹指斜面张角为40°,根据茄科蔬菜苗径参数和临界压力试验参数,设计确定了番茄和辣椒苗夹指口直径。

2)采用自行研制的2JS-6型一组六株蔬菜自动嫁接机开展了双向夹持定位装置性能试验,结果表明:番茄和辣椒苗株的夹持合格率≥96%、夹持损伤率≤3%,均满足了设计要求。由于番茄与辣椒苗株几何形态和力学特性差异,番茄苗株的夹持合格率要低于辣椒的夹持合格率,且辣椒苗株的夹持损伤率低于番茄苗株。