蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（含CAD文件圖紙）,蔬菜,自動(dòng),嫁接,夾持,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),cad,文件,圖紙 全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) DESIGN OF THE HOLDING MECHANISM OF VEGETABLE AUTOMATIC GRAFTING MACHINE 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 年級(jí)專業(yè)及班級(jí)： 指導(dǎo)老師及職稱： 學(xué) 部： 提交日期： 全日制普通本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。同時(shí)，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院、指導(dǎo)教師共同擁有。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要 1 關(guān)鍵詞 1 1 前言 2 2 蔬菜嫁接技術(shù) 3 2.1 蔬菜嫁接方法 3 2.2 蔬菜嫁接栽培技術(shù)現(xiàn)狀 3 2.3 蔬菜嫁接研究必要性及適用類型 3 2.3.1 機(jī)械嫁接的必要性 3 2.3.2 嫁接機(jī)適用類型 4 2.4 國(guó)內(nèi)外嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 2.4.1 國(guó)外（日本）嫁接機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀 4 2.4.2 國(guó)外（韓國(guó)）嫁接機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀 6 2.4.3 國(guó)內(nèi)嫁接機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀 6 2.5 蔬菜嫁接機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 7 2.5.1 設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 7 2.5.2 蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 8 2.5.3 設(shè)計(jì)思路 9 2.5.4 本蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)設(shè)計(jì)方案： 10 3 蔬菜嫁接機(jī)夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.1 蔬菜嫁接機(jī)工作原理 10 3.2 蔬菜嫁接機(jī)工作流程 11 3.3 夾持機(jī)構(gòu)夾具設(shè)計(jì) 11 3.3.1 夾具自由度計(jì)算 11 3.3.2 夾具傷苗優(yōu)化 12 3.3.3 夾具的捕捉范圍的確定 13 3.3.4 夾具的高度的確定 13 3.3.5 苗木特性分析 13 3.3.6 夾具夾緊力的計(jì)算 15 3.3.7 確定夾具的厚度及高度計(jì)算 16 3.3.8 夾持機(jī)構(gòu)保持架設(shè)計(jì) 16 3.3.9 夾具連桿長(zhǎng)度計(jì)算 16 3.3.10 夾具桿長(zhǎng)度計(jì)算和確定 18 3.4 夾具運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)完善和優(yōu)化 18 3.4.1 苗木夾具材料優(yōu)化 18 3.4.2 苗木夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化 19 3.5 原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 20 3.6 氣動(dòng)元件選擇 20 3.6.1 氣缸 20 3.6.2 電磁閥 23 3.6.3 安裝 24 3.7 傳感元件選擇 24 3.7.1 激光器型號(hào)選擇 24 3.7.2 光敏感元件型號(hào)選擇 26 4 其它機(jī)構(gòu) 27 4.1 夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì) 27 4.2 切苗機(jī)構(gòu) 28 4.3 包扎夾簡(jiǎn)介 28 4.4 控制電路簡(jiǎn)介 29 4.5 苗木傳送機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 29 5 總結(jié) 29 5.1 蔬菜嫁接機(jī)的總體結(jié)果 29 5.2 蔬菜嫁接機(jī)存在的不足 30 參考文獻(xiàn) 30 致謝 31 附錄 31 蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要：由于瓜類連作障礙問(wèn)題越來(lái)越突出，蔬菜嫁接技術(shù)受到人們的重視。育苗專業(yè)戶、育苗公司也應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于育苗專業(yè)戶和育苗公司，如果靠人工嫁接，由于工作效率低和嫁接技術(shù)水平低，顯然易貽誤嫁接時(shí)機(jī)。因此采用嫁接機(jī)作業(yè)，小型和半自動(dòng)式嫁接機(jī)，由于售價(jià)低廉，在市場(chǎng)上受到歡迎。本設(shè)計(jì)涉及一種能完成蔬菜嫁接中砧木、接穗的輸苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接過(guò)程的自動(dòng)化作業(yè)機(jī)器。操作者只需把砧木和接穗放到相應(yīng)的供苗傳送帶上，其余嫁接作業(yè)均由機(jī)器自動(dòng)完成。本文主要研究該蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：蔬菜；自動(dòng)；嫁接機(jī)；夾持機(jī)構(gòu) Design of the Holding Mechanism of Vegetable Automatic Grafting Abstract: More and more prominent melon cropping obstacles, vegetable grafting technique attention has been paid. Nursery specialized households, breeding companies have emerged. The nursery specialized households and nursery company, by artificial graft, due to low efficiency and low level of grafting technique, obvious adversely affected by graft timing. They hope that the grafting machine operation, and the fact that small and semi-automatic grafting machines, due to the low price in the market to be welcomed.This design introduce an automatic machine which can anvil wood, spike to lose seedling, slice seedling, coalescence and fix, line up seedling's etc. workers only need to put the anvil wood and connect spike on the transmission belt and the rest of the work will be completed automatically by machine. This text mainly studies the structure of the automatically machine for vegetable grafting. Keyword: Vegetable, Automatic, the machine for Grafting 1 前言 科技推動(dòng)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，而農(nóng)業(yè)對(duì)直接產(chǎn)生勞動(dòng)價(jià)值的勞動(dòng)工具不斷提出更高的要求。蔬菜嫁接機(jī)的上市，雖然在很大程度上緩解了經(jīng)濟(jì)上出現(xiàn)的矛盾，但是其中有些機(jī)構(gòu)還是不能最大限度的發(fā)揮自己的能力，我們都知道蔬菜嫁接機(jī)中最關(guān)鍵的部位——夾持機(jī)構(gòu)在嫁接生產(chǎn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，它的性能好壞直接影響苗木嫁接的工作效率和成功率，最重要的是蔬菜嫁接的成活率。有時(shí)蔬菜嫁接機(jī)器在工作過(guò)程中，夾持機(jī)構(gòu)不能成功的完成夾持、切削工作，或是使苗木受損和推到，這就大大影響整個(gè)機(jī)器的工作效率。 我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，雖然農(nóng)業(yè)人口眾多，但隨著工業(yè)化生產(chǎn)的不斷加速，可以預(yù)計(jì)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力將向社會(huì)其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。實(shí)際上，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)面臨著比世界上任何國(guó)家都嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。另外，隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步，生活節(jié)奏的加快，飲食結(jié)構(gòu)的變革和加入 WTO 后參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，必然對(duì)進(jìn)入市場(chǎng)的農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求。在 21 世紀(jì)，提高農(nóng)業(yè)工程的自動(dòng)化生產(chǎn)水平將成為我國(guó)農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的各類機(jī)器人作為高級(jí)自動(dòng)化設(shè)備，在我國(guó)將得到推廣應(yīng)用。在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)人口較少，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象越來(lái)越明顯，許多作業(yè)項(xiàng)目，如蔬菜，水果的挑選與采摘，蔬菜的嫁接都是勞動(dòng)密集型的工作，再加上時(shí)令的要求，勞動(dòng)力問(wèn)題更難解決，正是基于這種情況，農(nóng)林業(yè)機(jī)器應(yīng)運(yùn)而生，以此來(lái)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[1]。 由于嫁接苗的砧木直徑在 3-4mm 左右，穗木只有 1-2mm，加之幼苗幼嫩脆弱，嫁接起來(lái)十分費(fèi)力。而且受人工所掌握的嫁接技術(shù)要領(lǐng)及熟練程度不同的影響，難以保證高質(zhì)量的作業(yè)效果。傳統(tǒng)的手工嫁接存在一定的局限性： 1）勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低 2）成活率受到極大影響 3）操作工長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)身體健康有危害。 所以手工嫁接得不到普遍的應(yīng)用，為了克服這類矛盾，機(jī)器嫁接已成為一種趨勢(shì)，況且我國(guó)蔬菜瓜果的生產(chǎn)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)具備了大力發(fā)展自動(dòng)嫁 接機(jī)器人的基礎(chǔ)和條件，因此，發(fā)展自動(dòng)化嫁接技術(shù)，有利于高新技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展。由此可見(jiàn)，在我國(guó)發(fā)展機(jī)械化、自動(dòng)化的嫁接技術(shù)勢(shì)在必行。本課題涉及的蔬菜嫁接機(jī)器夾持機(jī)構(gòu)在一定的程度上完善嫁接過(guò)程出現(xiàn)的不足。其優(yōu)點(diǎn)是完成砧木和穗木的一次切削，提高了作業(yè)效率。這樣既減少了作業(yè)成本的投入、節(jié)約能源，具有明顯的綜合經(jīng)濟(jì)效益[2]。 2 蔬菜嫁接技術(shù) 2.1 蔬菜嫁接方法 圖1 蔬菜嫁接方法 Fig.1 Vegetable grafting methods 2.2 蔬菜嫁接栽培技術(shù)現(xiàn)狀 嫁接技術(shù)早就廣泛應(yīng)用于園藝植物的繁殖、育種和栽培，而以果樹(shù)和觀賞樹(shù)木等木本植物為主，在草本植物的蔬菜上則應(yīng)用較少。隨著嫁接技術(shù)的發(fā)展和完善，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前已發(fā)展成為番茄、茄子、黃瓜、苦瓜、西瓜等蔬菜抗病、早熟、豐產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。早在50年代，日本、荷蘭等將嫁接技術(shù)應(yīng)用到蔬菜生產(chǎn)上。據(jù)資料顯示[3]，1990年日本西瓜、黃瓜、甜瓜、番茄、和茄子栽培面積中有59%是嫁接栽培。我國(guó)在20世紀(jì)70年代首先在黃瓜生產(chǎn)中應(yīng)用嫁接技術(shù)，80年代嫁接栽培技術(shù)逐步完善與配套，已發(fā)展到西瓜、茄子、番茄等蔬菜上，并且，嫁接栽培面積逐年擴(kuò)大，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 2.3 蔬菜嫁接研究必要性及適用類型 2.3.1 機(jī)械嫁接的必要性 　　嫁接用的砧木苗直徑和接穗苗直徑都較小，僅幾毫米，并且幼苗脆嫩細(xì)弱，所以手工嫁接很耗費(fèi)精力。而且，每個(gè)人所掌握的嫁接技術(shù)要領(lǐng)、手法及熟練程度不同，難以保證較高的嫁接質(zhì)量和較高的成活率。．由于嫁接費(fèi)工費(fèi)時(shí)，有些地區(qū)出現(xiàn)了放棄嫁接栽培的現(xiàn)象，而靠大量施用農(nóng)藥防病治病。這樣，不但造成了資源和財(cái)物浪費(fèi)，更嚴(yán)重的是污染了蔬菜，破壞了生態(tài)環(huán)境，對(duì)人類健康構(gòu)成威脅。蔬菜的手工嫁接技術(shù)，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、嫁接苗成活率難以保證，因此已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。在我國(guó)，發(fā)展機(jī)械化、自動(dòng)化的嫁接技術(shù)勢(shì)在必行[4]。 　　機(jī)械嫁接技術(shù)，是近年在國(guó)際上出現(xiàn)的一種集機(jī)械、自動(dòng)控制與園藝技術(shù)于一體的高新技術(shù)。它可在極短的時(shí)間內(nèi)，把蔬菜苗莖稈直徑為幾毫米的砧木、接穗的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時(shí)由于砧、穗接合迅速，避免了切口長(zhǎng)時(shí)間氧化和苗內(nèi)液體的流失，從而大大提高嫁接成活率。 2.3.2 嫁接機(jī)適用類型 由于瓜類連作障礙問(wèn)題越來(lái)越突出, 蔬菜嫁接技術(shù)受到人們的重視。但目前開(kāi)發(fā)出的各蔬菜嫁接機(jī)所采用的嫁接方法各異，適應(yīng)的生產(chǎn)模式單一，適用蔬菜種類不廣，還很難做到通過(guò)價(jià)格和生產(chǎn)率及嫁接成功率進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性搭配的程度。目前蔬菜嫁接育苗生產(chǎn)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模式，各種模式之間的育苗基質(zhì)、育秧缽或盤(pán)、播種方法、催芽設(shè)施、育秧設(shè)施和嫁接苗愈合設(shè)施等都不相同，各類嫁接機(jī)獨(dú)特的生產(chǎn)要求很難與不同的模式相吻合，并且，嫁接機(jī)的自動(dòng)化程度越高問(wèn)題越嚴(yán)重。因此，蔬菜育苗生產(chǎn)模式的不同制約了嫁接機(jī)的推廣使用。通過(guò)以上分析，認(rèn)為根據(jù)我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力豐富、農(nóng)民整體技術(shù)水平不高、育苗機(jī)械化程度低和經(jīng)濟(jì)水平不高的實(shí)際國(guó)情，我國(guó)在研制全自動(dòng)嫁接機(jī)提高嫁接育苗生產(chǎn)率的同時(shí)，應(yīng)大力開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單可靠的小型半自動(dòng)嫁接機(jī)，降低嫁接作業(yè)的難度，擴(kuò)大嫁接育苗技術(shù)的推廣使用，以適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)程的需要。 2.4 國(guó)內(nèi)外嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 2.4.1 國(guó)外（日本）嫁接機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀 1986年日本農(nóng)林水產(chǎn)省生物系特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究推進(jìn)機(jī)構(gòu)組織多家公司參與,率先開(kāi)始研制嫁接機(jī)。1987年研制出半自動(dòng)形式1號(hào)試驗(yàn)樣機(jī)G871。該機(jī)采用貼接嫁接法，適用于瓜科蔬菜的嫁接作業(yè),其嫁接成功率為78%～85%。 1989年在1號(hào)機(jī)的基礎(chǔ)上又研制出半自動(dòng)形式2號(hào)試驗(yàn)樣機(jī)G892。其嫁接成功率達(dá)到了90%～98%。 1991年又研制出全自動(dòng)式3號(hào)試驗(yàn)樣機(jī)G913。該機(jī)的嫁接成功率達(dá)90%以上。 1994 年日本井關(guān)公司同日本生研機(jī)構(gòu)協(xié)作推出了商品化GR800B型半自動(dòng)瓜科嫁接機(jī)以及GR800T型半自動(dòng)茄科嫁接機(jī)（見(jiàn)圖2A）。嫁接成功率為95%。另外日本村田種苗公司也根據(jù)自身育苗生產(chǎn)需要，開(kāi)發(fā)研制出采用專用嫁接夾的半自動(dòng)嫁接機(jī)，該機(jī)同井關(guān)公司嫁接機(jī)的工作原理類似（見(jiàn)圖2B），可進(jìn)行黃瓜和番茄的嫁接作業(yè)，生產(chǎn)率為600～700 株·h-1。 三菱公司根據(jù)日本全國(guó)農(nóng)業(yè)協(xié)同組合聯(lián)合會(huì)的嫁接苗生產(chǎn)模式開(kāi)發(fā)MGM600 型全自動(dòng)嫁接機(jī)（見(jiàn)圖2C）。該嫁接機(jī)采用套管法，砧木和接穗以單列形式送入嫁接機(jī)，切削后的砧木和接穗壓合在一起后，使用專用彈性透明套管固定，嫁接苗成活后套管自動(dòng)脫落。該機(jī)適用于茄科蔬菜，生產(chǎn)率可達(dá)600 株·h- 1。 1990年日本TGR 研究所以大規(guī)模育苗生產(chǎn)系統(tǒng)為目標(biāo)研制全自動(dòng)嫁接機(jī)，1993年開(kāi)發(fā)出商品化茄科用KGM0128 型嫁接機(jī)（見(jiàn)圖2D），1995年用于瓜科嫁接作業(yè)的嫁接機(jī)問(wèn)世，目前小松公司負(fù)責(zé)經(jīng)營(yíng)銷售。該機(jī)采用平接法，生產(chǎn)率為1000 株·h-1，嫁接成功率達(dá)97%。 日本洋馬公司同生研機(jī)構(gòu)協(xié)作，1993年開(kāi)始研制全自動(dòng)式嫁接機(jī),1994年末AG1000 型全自動(dòng)嫁接機(jī)開(kāi)始上市銷售（見(jiàn)圖2E）。嫁接成功率到達(dá)97%，但該機(jī)只適合于茄科蔬菜嫁接作業(yè)，生產(chǎn)率為1000 株·h-1。 為降低大型嫁接機(jī)的造價(jià)，洋馬公司于2003年推出了體積較小，操作方便的T600 型半自動(dòng)化瓜科嫁接機(jī)（見(jiàn)圖2F）。該機(jī)生產(chǎn)率可達(dá)600 株·h- 1，嫁接成功率為98%。 圖2 日本幾種蔬菜嫁接機(jī) Fig.2 Japan several vegetable grafting machine 上世紀(jì)90 年代末，日本大阪府立大學(xué)開(kāi)發(fā)研究了“plug- in”嫁接裝置。 1999年大阪府立農(nóng)林技術(shù)中心開(kāi)發(fā)出純手工作業(yè)的簡(jiǎn)易嫁接器具TK-WH（TK-WD），由日本MARK 公司經(jīng)銷，該器具采用劈接法，適用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作業(yè)，由砧木切削器和接穗切削器兩個(gè)獨(dú)立部分構(gòu)成（見(jiàn)圖3），完成切削的砧木和接穗用嫁接夾固定在一起[5]。 圖3 簡(jiǎn)易嫁接器 Fig.3 Simple grafting 2.4.2 國(guó)外（韓國(guó)）嫁接機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀 上世紀(jì)90 年代初，韓國(guó)也開(kāi)始研究嫁接機(jī)，開(kāi)發(fā)出采用靠接法的小型半自動(dòng)式嫁接機(jī)（見(jiàn)圖4）。該機(jī)采用凸輪傳遞動(dòng)力，分別完成砧木夾持、接穗夾持、砧木和接穗切削和對(duì)插4 個(gè)動(dòng)作，最高生產(chǎn)率為310 株·h-1，嫁接成功率為90%。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉，在韓國(guó)、日本和我國(guó)有一定銷量，但是由于采用靠接法嫁接，推廣使用受到限制。 圖4 韓國(guó)半自動(dòng)嫁接機(jī) Fig.4 Korean semi-automatic grafting machines 繼半自動(dòng)式嫁接機(jī)之后，韓國(guó)Idealsystem公司開(kāi)發(fā)出針式全自動(dòng)嫁接機(jī)，該機(jī)采用防回轉(zhuǎn)五角形陶瓷針作為砧木和接穗的固定物，利用穴盤(pán)整盤(pán)上砧木和接穗苗，操作方便，作業(yè)速度快，生產(chǎn)韓國(guó)半自動(dòng)嫁接機(jī)率可達(dá)1 200 株·h-1，適合茄科蔬菜的嫁接作業(yè)。 2.4.3 國(guó)內(nèi)嫁接機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀 （1）2JSZ- 600 型蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展蔬菜嫁接機(jī)的研究，1998 年成功研究制出2JSZ- 600 型蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)（見(jiàn)圖5）。該嫁接機(jī)采用單子葉貼接法，實(shí)現(xiàn)了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夾固定、排苗作業(yè)的自動(dòng)化。該機(jī)嫁接作業(yè)時(shí)砧木可直接帶土團(tuán)進(jìn)行嫁接，生產(chǎn)率為600 株·h- 1，嫁接成功率高達(dá)95%，可進(jìn)行黃瓜、西瓜、甜瓜等瓜菜苗的自動(dòng)化嫁接作業(yè)。 圖5 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的嫁接機(jī) Fig.5 China Agricultural University, grafting machine （2）2JC-350 型插接式自動(dòng)嫁接機(jī)。2005 年?yáng)|北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出2JC- 350 型插接式自動(dòng)嫁接機(jī)（見(jiàn)圖6）。該嫁接機(jī)采用人工上砧木和接穗苗，通過(guò)機(jī)械式凸輪傳遞動(dòng)力，可完成砧木夾持、砧木生長(zhǎng)點(diǎn)切除、砧木打孔、接穗夾持、接穗切削以及接穗和砧木對(duì)接動(dòng)作。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，操作方便，生產(chǎn)率為350 株·h- 1。經(jīng)改進(jìn)目前生產(chǎn)率已達(dá)500 株·h- 1。由于采用插接法進(jìn)行機(jī)械嫁接，不需嫁接夾等夾持物。適用黃瓜、甜瓜和西瓜的嫁接作業(yè)，嫁接成功率達(dá)93%。 圖6 東北大學(xué)開(kāi)發(fā)的嫁接機(jī) Fig.6 Northeastern University grafting machine 2.5 蔬菜嫁接機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 2.5.1 設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 為了克服現(xiàn)有的機(jī)器自動(dòng)化水平較低，速度慢，而且對(duì)砧木、接穗苗的粗細(xì)程度有較嚴(yán)格的要求或體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等方面的不足, 本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于： 1）直接在營(yíng)養(yǎng)缽上嫁接，從而避免將幼苗從土壤基質(zhì)中拔出。即避免了嫁接損傷，又縮短了嫁接消耗的時(shí)間和人力資源，提高了產(chǎn)量，節(jié)約了勞動(dòng)成本。 2）利用光電檢測(cè)裝置，反應(yīng)靈敏，目標(biāo)捕捉準(zhǔn)確。 3）利用單片機(jī)控制整個(gè)過(guò)程，性能穩(wěn)定，成本低，兼容性好，便于升級(jí)。 4）控制部分采用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計(jì)，便于維修。 5）采用氣動(dòng)裝置夾持。由于氣動(dòng)元件的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓力的任意調(diào)節(jié)，所以在嫁接中有著非常重要的作用。通過(guò)調(diào)節(jié)氣閥實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持力的調(diào)整。 6）由于嫁接機(jī)的夾持臂旋轉(zhuǎn)角度一定，為了精確實(shí)現(xiàn)對(duì)接，通過(guò)電磁鐵的吸合，使嫁接機(jī)的兩臂位置固定，從而使接穗與砧木重合。 7)采用汽缸伸縮推動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀片切割蔬菜幼苗，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)切割角度的控制。 8) 采用高速電機(jī)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)切削蔬菜幼苗，所以砧木上部分可以省略?shī)A持機(jī)構(gòu)。 9) 包扎機(jī)構(gòu)采用特殊的魔術(shù)貼包扎，所以能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確包扎的作用。并且可以在魔術(shù)貼上添加愈合激素，實(shí)現(xiàn)提高成活率的目的。 10) 蔬菜幼苗由皮帶送入，直接在營(yíng)養(yǎng)缽上嫁接，便于實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)。 11)采用步進(jìn)電機(jī)，靈敏、精確，容易實(shí)現(xiàn)編程控制。 12)便攜性好，可用于野外作業(yè)。 2.5.2 蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 圖7 俯視圖 Fig.7 Top view 圖8 正面視圖 Fig.8 The of view frontage 2.5.3 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)思路來(lái)源于高英武教授給我們展示的由春裕豐自動(dòng)化技術(shù)有限公司、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)采用日本和韓國(guó)專利技術(shù)研制開(kāi)發(fā)的“蔬菜半自動(dòng)嫁接機(jī)”。如下圖所示： 圖9 蔬菜半自動(dòng)嫁接機(jī)外觀圖 Fig.9 The view of Vegetable Grafting Mechanism 由于該機(jī)器自動(dòng)化程度不高，只能起到切苗的作用，其它工作由人工完成，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)嫁接，效果不是很理想。于是就決定自行設(shè)計(jì)一個(gè)功能更強(qiáng)的，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)嫁接全過(guò)程的嫁接機(jī)。 2.5.4 本蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)設(shè)計(jì)方案： 本作品設(shè)計(jì)在嫁接過(guò)程中砧木和接穗都采用營(yíng)養(yǎng)缽培養(yǎng)。蔬菜幼苗營(yíng)養(yǎng)缽由皮帶輸入，直接在營(yíng)養(yǎng)缽上嫁接，從而避免將幼苗從土壤基質(zhì)中拔出。這種嫁接方法即避免了嫁接損傷，又縮短了嫁接消耗的時(shí)間，節(jié)約了勞動(dòng)成本。蔬菜營(yíng)養(yǎng)缽在皮帶的傳送下向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)光電檢測(cè)裝置時(shí)，蔬菜苗隔斷光線傳播，光電檢測(cè)裝置得到信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)氣缸，使夾持機(jī)構(gòu)工作，當(dāng)夾持動(dòng)作完成，單片機(jī)命令切削汽缸頂端的電機(jī)，電機(jī)軸段裝有刀片，快速切斷接穗，同理，砧木也采用相同機(jī)構(gòu)夾持。然后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)167.8度，由于切削機(jī)構(gòu)與接穗夾一同旋轉(zhuǎn)，所以砧木也被快速切除。通過(guò)電磁鐵的吸合，使接穗與砧木重合。完成對(duì)接后，通過(guò)包扎機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包扎，由于包扎機(jī)構(gòu)采用特殊的魔術(shù)貼包扎，所以能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確包扎的作用。并且可以在魔術(shù)貼上添加愈合激素，實(shí)現(xiàn)提高成活率的目的。包扎完畢，傳送帶將嫁接好的苗木繼續(xù)向后傳送。嫁接機(jī)構(gòu)開(kāi)始下一輪嫁接。由于整個(gè)過(guò)程由程序控制，機(jī)械操作，一個(gè)嫁接周期只需6秒鐘，即每小時(shí)可嫁接600株。 本蔬菜嫁接機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)分為夾持機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、包扎夾、切苗機(jī)構(gòu)、苗木傳送機(jī)構(gòu)、底盤(pán)等六個(gè)部分．本文主要進(jìn)行夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)． 3 蔬菜嫁接機(jī)夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 蔬菜嫁接機(jī)工作原理 本蔬菜自動(dòng)嫁接嫁接機(jī)嫁接原理：嫁接過(guò)程中，蔬菜砧木苗和接穗苗分別置于蔬菜嫁接機(jī)的兩個(gè)傳動(dòng)帶上，傳送帶在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將蔬菜苗向嫁接夾內(nèi)運(yùn)送。設(shè)嫁接夾閉合的夾口中心為三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，設(shè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸，激光發(fā)射方向垂直于皮帶運(yùn)動(dòng)方向，相當(dāng)于坐標(biāo)系的Y軸。當(dāng)蔬菜苗到達(dá)光電感應(yīng)裝置區(qū)域后，苗的莖桿將激光的光線擋住，接收光的感應(yīng)電路得到觸發(fā)信號(hào)，傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因此蔬菜苗的莖桿鎖定在激光發(fā)出的這條直線上，相當(dāng)于坐標(biāo)系中的X軸為0。而蔬菜苗夾進(jìn)給方向與X軸垂直，與激光束方向平行，即坐標(biāo)系中的Y軸。當(dāng)蔬菜苗莖桿擋住激光，與此同時(shí)單片機(jī)控制夾緊氣缸伸長(zhǎng)，使嫁接夾開(kāi)始左右同步向中心夾緊，即向X,Y軸平面原點(diǎn)夾緊，落入夾緊區(qū)域任何一點(diǎn)的苗的位置趨于唯一點(diǎn)，即原點(diǎn)。由于氣缸的夾緊力和速度是可調(diào)的，所以不會(huì)對(duì)苗造成傷害。當(dāng)苗木夾緊后切割刀片在切割氣缸的推動(dòng)下快速進(jìn)給，呈30度夾角斜刺向苗木，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)刀片實(shí)現(xiàn)高速切削。并且速度、刀片的角度可調(diào)。同理，砧木嫁接夾也采用相同機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位、切削。由于接穗嫁接夾與砧木嫁接夾臂長(zhǎng)可調(diào)，只要嫁接夾臂長(zhǎng)相等，中心重合，那么旋轉(zhuǎn)一定的弧度就可以實(shí)現(xiàn)砧木與接穗自動(dòng)對(duì)齊。即砧木嫁接夾的X、Y軸原點(diǎn)與接穗嫁接夾X、Y軸原點(diǎn)對(duì)齊。并且通過(guò)電磁鐵輔助定位，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接。 蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)夾持機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)嫁接任務(wù)過(guò)程中最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)之一。由設(shè)計(jì)方案可知砧木夾持機(jī)構(gòu)與接穗夾持機(jī)構(gòu)完全一樣，不同的是砧木嫁接夾沒(méi)有單獨(dú)配備切削機(jī)構(gòu)，因?yàn)樵黾忧邢鳈C(jī)構(gòu)，刀片的切削角度容易產(chǎn)生誤差及增加系統(tǒng)控制復(fù)雜程度，所以采用同一切削機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)切削的方法是：當(dāng)固定在穗木嫁接夾上的切削機(jī)構(gòu)切完穗木后旋轉(zhuǎn)一定角度運(yùn)轉(zhuǎn)到砧木夾上方，使砧木嫁接夾的X、Y軸原點(diǎn)與接穗嫁接夾X、Y軸原點(diǎn)對(duì)齊。切割氣缸快速進(jìn)給，呈25-30度夾角斜刺向苗木，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)刀片實(shí)現(xiàn)高速切除砧木。由于本設(shè)計(jì)主要研究的對(duì)象是蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)，所以只對(duì)切削機(jī)構(gòu)單獨(dú)作簡(jiǎn)單介紹。 3.2 蔬菜嫁接機(jī)工作流程 本設(shè)計(jì)蔬菜嫁接機(jī)的工作大致可分為27步一個(gè)循環(huán)，詳見(jiàn)附錄1 工作流程圖。 3.3 夾持機(jī)構(gòu)夾具設(shè)計(jì) 3.3.1 夾具自由度計(jì)算 要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠夾持直徑約1-3mm大小的蔬菜苗機(jī)構(gòu)，那么我們首先要考慮的是怎樣設(shè)計(jì)出能夠?qū)⒁欢▍^(qū)域內(nèi)的目標(biāo)捕捉到我們希望的唯一點(diǎn)機(jī)構(gòu)，只有滿足這樣的條件才能夠?qū)崿F(xiàn)精確對(duì)接。 如圖11所示，采用連桿機(jī)構(gòu)同步進(jìn)給，能夠在一定捕捉區(qū)域內(nèi)嚴(yán)格保證夾具的中心點(diǎn)唯一。 夾具有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5個(gè),其中有運(yùn)動(dòng)低副7個(gè),高副0個(gè),所以自由度為: F=3x5-2x7=1 （1） 機(jī)構(gòu)構(gòu)成確定的運(yùn)動(dòng)。 1.夾持架2.扁連桿3.光敏接收頭4.夾苗夾具5.激光頭 圖10 夾持機(jī)構(gòu)方案 Fig.10 Holding mechanism scheme 圖11 夾持機(jī)構(gòu)方案原理圖 Fig.11 Holding mechanism principle picture 3.3.2 夾具傷苗優(yōu)化 為保證達(dá)到夾持而又不傷害蔬菜幼苗的功能，我們需要考慮的是夾具在蔬菜莖桿上作用力的分布。由于蔬菜苗的莖桿相當(dāng)脆弱，所以我們只有考慮增加夾具與蔬菜苗莖的接觸面積以保證達(dá)到夾持而不傷害幼苗的目的。如圖所示結(jié)構(gòu)12，通過(guò)改進(jìn)采用交差?yuàn)A合的辦法來(lái)增加接觸面積。 1 橡膠夾頭， 2 粘貼板， 3 夾具桿 圖12 夾持機(jī)構(gòu)夾具示意圖 Fig.12 Holding mechanism fixture signal picture 3.3.3 夾具的捕捉范圍的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)帶的設(shè)計(jì)的寬度為120mm，蔬菜苗種植在高80mm，直徑70mm的營(yíng)養(yǎng)缽里面。為了提高嫁接的成活率，操作要求營(yíng)養(yǎng)缽中的苗盡可能放在傳送帶的中心部分[6]。雖然我們希望苗最好在夾持機(jī)構(gòu)的中心。但是苗正好在夾持機(jī)構(gòu)中心的可能性比較小，操作難度大。因此考慮到苗的放置誤差要求允許苗有一定的偏離范圍，設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)的捕捉范圍為50mm。因?yàn)閭魉蛶挒?20mm，所以即使苗偏離營(yíng)養(yǎng)缽中心的方向與苗偏離夾持機(jī)構(gòu)的方向距離疊加這種最壞的情況下也不會(huì)從傳送帶上掉下來(lái)。 3.3.4 夾具的高度的確定 瓜類砧木的最適嫁接苗齡是以第一片真葉出現(xiàn)時(shí)為最佳，過(guò)于幼嫩的苗，嫁接時(shí)不易操作；過(guò)老的苗，不僅中心髓腔大，接口也不易愈合。一般苗的高度為60mm至120mm。由于苗的高度所限,所以這個(gè)嫁接操作應(yīng)該控制在營(yíng)養(yǎng)缽以上60mm高的范圍內(nèi)[7]。 3.3.5 苗木特性分析 由于苗木脆弱，特別容易折斷，夾持苗木時(shí)夾持力不能太大，太大易導(dǎo)致苗木的損傷;夾持力也不能太小，太小又不能滿足夾持固定的要求。因此針對(duì)上述矛盾設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。 試驗(yàn)名稱：黃瓜、西瓜幼苗莖桿的壓力承受試驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)康模簽榱搜芯渴卟擞酌缭诓挥绊懗苫畹那闆r下所能夠承受的最大壓力，從而確定在所設(shè)計(jì)嫁接機(jī)的嫁接過(guò)程中機(jī)械夾持力的大小范圍。 試驗(yàn)要求：根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及專家建議，預(yù)設(shè)嫁接苗被壓變形成厚度為自身直徑的2/3時(shí)為承壓極限。 主要設(shè)備、器材：天平，砝碼，輕質(zhì)鋁合金板(長(zhǎng)200mm，寬34mm，重16g,在測(cè)量中忽略不計(jì))，尺子，放大鏡 試驗(yàn)條件：本苗木莖桿的壓力試驗(yàn)是在剛性較強(qiáng)鐵質(zhì)工作臺(tái)和剛性較強(qiáng)鋁合金板之間進(jìn)行的。 試驗(yàn)步驟及原始數(shù)據(jù)記錄 試驗(yàn)方法一[8]：由于預(yù)先不能確定苗所能夠承受的最大壓力，所以采用如圖13的試驗(yàn)方法。 圖13 蔬菜苗莖桿壓力承受試驗(yàn)一意圖 Fig.13 Vegetables seedling pressure support experiment signal picture 1 由于鋁合金板的長(zhǎng)度為200mm，苗的直徑約30mm，所以形成的夾角相當(dāng)小。當(dāng)重力分布在中心時(shí)，苗所承受的壓力約為重力的1/2。 在試驗(yàn)過(guò)程中我們逐漸加重作用在鋁合金板中心的壓力，我們發(fā)現(xiàn)：苗的莖桿所能承受的壓力遠(yuǎn)超乎我們的現(xiàn)象。直到最后我們把1500g的重力完全壓在鋁合金板中心也沒(méi)有達(dá)到苗所能夠承受的最大的壓力。 試驗(yàn)方法二：由于測(cè)量原理有誤差，所以采用第二種試驗(yàn)方法。 圖14 蔬菜苗莖桿壓力承受試驗(yàn)二意圖 Fig.14 Vegetables seedling pressure support experiment signal picture 2 根據(jù)前面試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)積累，我們通過(guò)向左右兩邊燒杯添加水，由于水的重量使其接近臨界狀態(tài)，最終達(dá)到平衡以觀察苗莖桿的受壓情況。由于苗的莖桿受力物理特性具有一般普遍性，所以只要對(duì)相關(guān)條件下部分苗進(jìn)行試驗(yàn)就能發(fā)現(xiàn)它的一般規(guī)律。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下： 表1 西瓜苗與黃瓜苗的抗壓能力試驗(yàn)二 Table 1 melon seedling and cucumber seedling reinforcement experiment 對(duì)象 苗莖高度 直徑 生長(zhǎng)狀態(tài) 承重量 承重狀態(tài) 黃瓜苗1 115mm 2.8mm 一葉一心 1080g 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及專家建議，預(yù)設(shè)嫁 黃瓜苗2 110mm 3.0mm 一葉一心 1080g 黃瓜苗3 131mm 3.3mm 一葉一心 1180g 對(duì)象 苗莖高度 直徑 生長(zhǎng)狀態(tài) 承重量 承重狀態(tài) 黃瓜苗4 106mm 2.7mm 一葉一心 1080g 接苗被壓 變形成厚 度為自身 直徑的2/3時(shí)為承壓極 限。 黃瓜苗5 101mm 2.5mm 一葉一心 1050g 西瓜苗1 124mm 3.1mm 一葉一心 1120g 西瓜苗2 145mm 3.6mm 一葉一心 1260g 西瓜苗3 130mm 3.3mm 一葉一心 1180g 西瓜苗4 126mm 3.1mm 一葉一心 1120g 西瓜苗5 122mm 3.1mm 一葉一心 1120g 備注: 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及專家建議，預(yù)設(shè)嫁接苗被壓變形成厚度為自身直徑的2/3時(shí)為承壓極限。 驗(yàn)結(jié)論與分析： 通過(guò)試驗(yàn)可知在西瓜苗與黃瓜苗在適合嫁接期莖桿的抗壓基本在1000g以上，1000g重力轉(zhuǎn)化成壓力為9.8N。 3.3.6 夾具夾緊力的計(jì)算 由上述實(shí)驗(yàn)可以得到嫁接苗能夠承受的最大壓力約為10N，由于夾具設(shè)計(jì)由四個(gè)方向的擠壓得以?shī)A緊嫁接苗。也就是說(shuō)苗在一對(duì)平衡方向上的最大受力約為10N，如圖15所示： 由力學(xué)分析可知，當(dāng)苗承受10N的力時(shí)，夾具的夾緊力為N[9]。符合夾具的設(shè)計(jì)要求。 因此確定夾具的夾緊力為: N。 圖15 蔬菜苗莖桿壓力示意圖 Fig.15 Vegetables seedling reinforcement experiment signal picture 3.3.7 確定夾具的厚度及高度計(jì)算 在夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們既要求兩個(gè)夾持夾具之間的距離盡可能小，以保 證苗的切削斜面盡量重合；又要求在兩個(gè)夾持夾具之間的距離盡可能大，以方便切削刀片在兩個(gè)夾持夾具之間切削和包扎機(jī)構(gòu)的包扎工作。所以在設(shè)計(jì)中要求在條件允許的情況下實(shí)現(xiàn)矛盾的統(tǒng)一。 切削刀片所占空間高度：根據(jù)勾股定律可知：當(dāng)苗的直徑為3mm時(shí)，如果用刀將直徑削成30度斜切，那么斜切面的長(zhǎng)度為6mm。所以我們就可以確定，如果要將苗斜切斷，至少刀片切削直徑大于3mm。根據(jù)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)刀片的長(zhǎng)度為12mm，其旋轉(zhuǎn)直徑達(dá)24mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足切斷的要求。當(dāng)?shù)镀L(zhǎng)度確定后又由于苗的莖桿在被夾持狀態(tài)下垂直于水平面，而刀片與苗的莖桿成28到30度角，所以刀片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的垂直高度為： mm [10] （2） 夾持夾具高度：由于苗的最低高度為60mm，所以要求整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)高度不大于50mm。又因?yàn)榍邢鞯镀趦蓨A持夾具之間旋轉(zhuǎn)，要求要有一定的間隙，預(yù)計(jì)所留空間高度為26mm。所剩的24mm分配給兩夾持夾具，兩夾持夾具完全相同，即厚度為12mm。 3.3.8 夾持機(jī)構(gòu)保持架設(shè)計(jì) 夾持機(jī)構(gòu)保持架是保證夾頭精確工作的重要構(gòu)件。嫁接機(jī)的寬度定位500mm，且為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)柱的最大直徑為60，除去保留空間，將保持架的整體長(zhǎng)度為200mm。 如圖16所示： 3.3.9 夾具連桿長(zhǎng)度計(jì)算 1）驅(qū)動(dòng)力：由實(shí)驗(yàn)可知夾具的加持力即為構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)力，為：N。 2）夾具阻抗力：夾具夾緊嫁接苗，且要阻止穗木落下。 1.光敏二極管安裝孔， 2，夾具安裝孔，3. 激光器安裝孔，4.氣缸固定孔，5.連桿滑槽，6.連桿銷軸滑槽 圖16 夾持機(jī)構(gòu)保持架 Fig.16 Holding mechanism 3）摩擦力計(jì)算：根據(jù)摩擦力計(jì)算公式： Ff21=fFN21=fvG (3) 式中：fv為當(dāng)量摩擦系數(shù)。fv=kf(k=π) Φ=arctanf (4) 圖17 夾持機(jī)構(gòu)方原理圖 Fig.17 Holding mechanism picture 由于保持架滑槽可變，夾具桿采用鉚釘連接也可變長(zhǎng)短，在可變范圍內(nèi)都可采用，因此根據(jù)構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)條件: L1+l4≤l2+l3 (5) 式中：L1為最短桿長(zhǎng) L4為最長(zhǎng)桿長(zhǎng) 綜上所述計(jì)算求得連桿長(zhǎng)度為：80mm。 3.3.10 夾具桿長(zhǎng)度計(jì)算和確定 根據(jù)設(shè)計(jì),嫁接機(jī)的寬度為500mm，且兩邊是對(duì)稱結(jié)構(gòu)。因此夾具桿有四個(gè)，并且要留有50mm的加持苗的空間。因此初步定夾具長(zhǎng)度為： (500-50x2)/4=100mm （6） 夾具桿要構(gòu)成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，上面已經(jīng)可以確定不能小于51mm，留有伸縮空隙最后確定夾具桿長(zhǎng)為：70mm。 3.4 夾具運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)完善和優(yōu)化 3.4.1 苗木夾具材料優(yōu)化 上述試驗(yàn)苗木莖桿的壓力試驗(yàn)是在剛性較強(qiáng)鐵質(zhì)工作臺(tái)和剛性較強(qiáng)鋁合金板之間進(jìn)行的。由于彈性較差，幾乎沒(méi)有形變，對(duì)苗的損害大。所以考慮采用編號(hào)為1608彈性較好的工業(yè)用橡膠材料制作夾持夾具。該材料具有一定的彈性，相對(duì)剛性材料極大地提高了苗的臨界破壞壓力值，且橡膠可以注塑成型，相對(duì)于機(jī)械加工而言大大降低了材料成本和加工成本。 但是本優(yōu)化方案由于試驗(yàn)條件限制，沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù)，只能根據(jù)橡膠材料具有彈性的特性預(yù)計(jì)壓力趨勢(shì)。但是為了盡可能了解彈性特性在嫁接中的作用，在前面兩個(gè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用加夾1.2mm的泡沫塑料實(shí)現(xiàn)緩沖。 具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下： 圖18 蔬菜苗莖桿壓力承受試驗(yàn)三示意圖 Fig.18 Vegetables seedling reinforcement experiment 3 signal picture 試驗(yàn)結(jié)論與分析：通過(guò)試驗(yàn)可知在西瓜苗與黃瓜苗在適合嫁接期莖桿的抗壓基本在1000g以上，1000g重力轉(zhuǎn)化成壓力為9.8N。而在增加1.2mm泡沫塑料做緩沖后其抗壓能力達(dá)3000g以上，增大了近3倍，這對(duì)于機(jī)械嫁接有著重大的作用。根據(jù)設(shè)計(jì)夾頭厚度為12mm。而試驗(yàn)板寬為34mm，所以?shī)A具的最大夾持為： [11] （7） 表2 西瓜苗與黃瓜苗的抗壓能力試驗(yàn)三 Table 2 melon seedling and cucumber seedling reinforcement experiment 3 對(duì)象 苗莖高度 直徑 生長(zhǎng)狀態(tài) 承重量 承重狀態(tài) 黃瓜苗1 115mm 2.8mm 一葉一心 3240g 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及專家建議，預(yù)設(shè)嫁接苗被壓變形成厚度為自身直徑的2/3時(shí)為承壓極限。 黃瓜苗2 110mm 3.0mm 一葉一心 3140g 黃瓜苗3 131mm 3.3mm 一葉一心 3560g 黃瓜苗4 106mm 2.7mm 一葉一心 3270g 黃瓜苗5 101mm 2.5mm 一葉一心 3150g 西瓜苗1 124mm 3.1mm 一葉一心 3280g 西瓜苗2 145mm 3.6mm 一葉一心 3660g 西瓜苗3 130mm 3.3mm 一葉一心 3320g 西瓜苗4 126mm 3.1mm 一葉一心 3620g 西瓜苗5 122mm 3.1mm 一葉一心 3550g 3.4.2 苗木夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化 如果將夾具整體用PVC材料制作那么該夾具的彈性太大，影響定位的精確性能且與夾具保持機(jī)構(gòu)的摩擦很大。所以根據(jù)這種情況優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將夾具分成夾具頭和夾具桿兩部分。夾具頭形狀復(fù)雜，要求有彈性。根據(jù)金屬材料特性選擇天然橡膠作為夾具頭材料。主要性能：彈性極大，有非常好的機(jī)械強(qiáng)度，抗折、耐磨、耐撓曲，有較好的耐透氣性，可塑性和工藝加工性能良好。廣泛用于輪胎、膠帶、膠管、膠鞋及其他橡膠制品以及電線電纜的絕緣層。夾具桿形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，要求有較好的形狀保持能力及較小的摩擦系數(shù)，所以選用圓鋼及鐵板焊接制造。夾具整體是由夾具頭和夾具桿粘接在一起構(gòu)成的。當(dāng)夾具頭因磨損或變形不能工作時(shí)還可以很方便地更換夾具頭。 圖19 蔬菜苗莖桿夾具頭示意圖 Fig.19 Vegetables seedling fixture head 圖20 蔬菜苗莖桿夾具桿示意圖 Fig.20 Vegetables seedling fixture shaft signal picture 3.5 原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 夾具中的原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式是直線運(yùn)動(dòng)，完成這個(gè)運(yùn)動(dòng)，有多種設(shè)計(jì)方案[12]。 (1)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。直線電機(jī)是一種新型電機(jī)，它可以直接輸出直線運(yùn)動(dòng)。但是這種方案所使用的電機(jī)成本太高，不宜使用。 (2)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方案。這種方案也能夠很方便地實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，但是電機(jī)夾緊力剛性太大，并且占空間不利于嫁接過(guò)程中的對(duì)接和包扎。 (3)螺紋傳動(dòng)方案。螺紋傳動(dòng)件可以把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，但是由于具有自鎖特性，不能良好反饋夾持力的大小，容易壓壞幼苗，且由于螺紋自鎖時(shí)傳動(dòng)比較小，運(yùn)動(dòng)速度太慢，不宜采用。 (4) 氣壓驅(qū)動(dòng)方案。氣壓驅(qū)動(dòng)能夠很方便地實(shí)現(xiàn)直線住復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且由于氣體具有壓縮特性，隨著壓力的增大到一定范圍后能夠達(dá)到平衡。元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單．緊湊，易于制造。這種特性對(duì)嫁接非常有利而且節(jié)省空間設(shè)計(jì)制造成本不是很高，因此采用該方案。 為保證原動(dòng)桿最短長(zhǎng)度盡量小而且便于齒輪齒條的傳動(dòng)，所以將驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸垂直于齒條桿放置。電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器減速，帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條上下運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)工作原理圖如附錄二。 3.6 氣動(dòng)元件選擇 3.6.1 氣缸 QCJ2系列微型氣缸，按日本產(chǎn)品的性能及外觀尺寸設(shè)計(jì)，采用不銹鋼筒，活塞及密封件采用進(jìn)口件，端蓋和缸筒之間采用滾壓連接。本設(shè)計(jì)采用QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復(fù)動(dòng)型氣缸，產(chǎn)品的動(dòng)作形式是復(fù)動(dòng)型；內(nèi)徑為10mm、行程為30mm；使用壓力范圍為1.5～7Kgf/cm2，最大壓力為1MPa= 7Kgf/ cm2；保證耐壓力為10 Kgf/cm2；使用溫度范圍為5～700C；使用速度范圍為50～750mm/s。 計(jì)算公式：氣缸推力 F0=0.25πD2P （8） 氣缸拉力 F0=0.25π（D2－d2）P （9） 因?yàn)楸臼卟俗詣?dòng)嫁接機(jī)的氣缸是橫向水平使用的，所以計(jì)算出來(lái)的推力與理論出力基本相等。 “MAL1030”的D=1cm,d=0.4cm,因?yàn)槭褂脡毫Ψ秶鸀?.5～8Kgf/cm2，所以取P=2Kgf/cm2，所以解得： 氣缸推力 (10) 氣缸拉力 (11) 表3 氣缸主要技術(shù)參數(shù) Table 3 the air cylinder major technical data 缸徑/mm 6 10 16 工作介質(zhì) 經(jīng)過(guò)過(guò)濾的壓縮空氣 動(dòng)作模式 單動(dòng)/雙動(dòng) 耐壓試驗(yàn)壓力/ MPa 最高使用壓力/MPa 最低工作壓力/ MPa 0.12 0.06 緩沖 橡膠墊 環(huán)境溫度/ 5～70 使用速度 50～750 行程誤差/mm 0～+1.0 潤(rùn)滑 不需要 接管口徑 注：生產(chǎn)廠：上海全偉自動(dòng)化元件有限公司 式中：D-氣缸活塞直徑（cm） d-氣缸活塞桿直徑（cm） P-氣缸的工作壓力（Kgf/cm2） F0-氣缸的理論拉力（Kgf） 上述出力計(jì)算適用于氣缸速度 50 ～ 500mm/s 的范圍內(nèi)。 氣缸以上下垂直形式安裝使用，向上的推力約為理論計(jì)算推力的 50% 。 氣缸橫向水平使用時(shí)，考慮慣性因素，實(shí)際出力與理論出力基本相等。 氣缸推力也可以利用下表直接查得： 為了避免用戶選用時(shí)的有關(guān)的計(jì)算，下附氣缸輸出力換算表，用戶可根據(jù)負(fù)載、工作壓力、動(dòng)作方向從表格中選擇合適的缸徑尺： 驗(yàn)算：由于缸是橫向水平使用的，所以計(jì)算出來(lái)的推力與理論出力基本相等。 忽略氣缸的摩擦力，其壓力完全加在蔬菜苗莖上。根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)可知苗的承受能力為： (11) 經(jīng)計(jì)算夾緊力 (12) 表4 缸徑尺寸的選擇 Table 4 Choice of the size of the bore 缸徑（mm） 氣缸的理論輸出力（推力） 使用空氣壓力 MPa 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 10 1.57 2.36 3.14 3.93 4.71 5.50 6.28 16 4.02 6.03 8.04 10.1 12.1 14.1 16.1 20 6.28 9.42 12.6 15.7 18.8 22.0 25.0 25 9.81 14.7 19.6 24.5 29.4 34.4 39.2 32 16.0 24.1 32.2 40.2 48.3 56.3 64.4 40 25.1 37.7 50.3 62.8 75.4 88.0 100.5 50 39.2 58.9 78.5 98.2 117 137 157 63 62.3 93.5 125 156 187 218 250 80 100 151 201 251 302 352 402 100 157 236 314 393 471 550 628 125 245 368 491 615 736 859 982 160 402 603 804 1005 1206 1407 1608 180 508 763 1018 1272 1527 1781 2036 200 628 942 1257 1571 1885 2199 2514 250 981 1473 1963 2454 2945 3436 3926 320 1608 2412 3216 4021 4825 5629 6432 以上計(jì)算為理論值，實(shí)際所需夾緊力要大于理論值，因系統(tǒng)有摩擦損失，所以選夾緊力值要大于理論計(jì)算值。并且為了設(shè)計(jì)的通用性，夾緊力要求能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)，應(yīng)該適當(dāng)大于蔬菜苗的承受壓力，滿足設(shè)計(jì)要求。 所以選擇“QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復(fù)動(dòng)型氣缸”是正確的！ 3.6.2 電磁閥 對(duì)于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)距離控制及復(fù)雜控制過(guò)程選用電磁閥。根據(jù)控制的執(zhí)行元件種類的不同或應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)合的不同選用合適的閥種類?？刂啤癚CJ2B10-45型不銹鋼迷你缸-復(fù)動(dòng)型氣缸”氣缸采用四通或五通閥，控制各種流體的流通轉(zhuǎn)換采用兩通或三通閥。 氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量與信號(hào)傳遞的技術(shù)，即用諸于空壓機(jī)之類的將空氣壓縮并儲(chǔ)存能量，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件——?dú)飧住Ｒ驓怏w的速度很快，所以氣缸能獲得高速直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一般情況下，氣缸活塞最大速度可達(dá)1m/s，實(shí)際使用要選擇最佳速度（50～500m/s），而不是最大速度，最佳速度是最經(jīng)濟(jì)的，相反最大速度工況會(huì)使磨損加劇，將減少氣缸和連接的壽命，也增加了能量消耗。推薦換向閥與氣缸的選配如下表所示： 表5 換向閥與氣缸的選配 Table 5 The apolegamies of reversing valve and air cylinder 氣缸 內(nèi)徑 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 換向閥通徑 4 × × × 6 × × × × × 8 × × × × 10 × × × × 12 × × × 15 × × × × 20 × × × 25 × × × 由流量的計(jì)算來(lái)選擇電磁閥 氣缸動(dòng)作所需流量： Q=πD2V(P+1.03)×60/(4×1.03×104) (13) 其中：Q-必需流量（l/min） P-供氣壓力(Kgf/cm2) D-氣缸缸徑(cm) V-氣缸的基準(zhǔn)理論速度(mm/s) 相關(guān)計(jì)算公式： Q=CV×984= KV×1100(NL/min) (14) S0=18CV(mm2) (15) 式中：CV-水流量（US gal/min）于600C流經(jīng)差壓為psi之閥門而所得出之流量定值。 KV-水流量（L/min）于200C流經(jīng)差壓為1Kgf/cm2之閥門而所得出之流量定值。 S0-閥的有效截面積(mm2)。 已知：“QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復(fù)動(dòng)型氣缸”氣缸的工作壓力為1.5～7Kgf/cm2 ,取最大值時(shí)來(lái)選閥，以時(shí)閥能適應(yīng)任何情況，所以取7Kgf/cm2,氣缸缸徑D=10mm=1cm, 取氣缸的基準(zhǔn)理論速度V=500mm/s 所以：Q=3.14×1×2×500×（7+1.03）×60/(4×1.03×104)=353NL/min CV=Q/984=353/984=0.358 S0=18CV=18×0.358=6.46mm2 (16) 以上計(jì)算為理論值，實(shí)際所需流量要大于理論流量，因系統(tǒng)有流量損失，所以選定控制閥的CV值和S0值要大于理論計(jì)算值。 所以我根據(jù)下表6（電磁閥的規(guī)格表）選擇“4V110-06”（4V：代表五方口電磁閥）：CV=0.67，S0=12mm2[13]。 3.6.3 安裝 “QCJ2B10-30型不銹鋼迷你缸-復(fù)動(dòng)型氣缸”應(yīng)根據(jù)不同的用途和安裝需要，選用適當(dāng)?shù)陌惭b形式，在本機(jī)器中，由于蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的夾持力不是很大的，所以我們采用“單腳架式”：氣缸固定在嫁接夾機(jī)架上，如圖22所示。 3.7 傳感元件選擇 3.7.1 激光器型號(hào)選擇 世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年，我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器，40多年來(lái)，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，等方面發(fā)揮著非常重要的作用。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用到激光的優(yōu)越方向特性。 能量高度集中的激光光束有可能對(duì)人體造成損害，如眼睛或皮膚。所以，國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)IEC(International?Electrometrical?Commission)和食品及藥品管理局FDA（Food?and?Drug?Administration）對(duì)激光設(shè)備的安全性，按其激光輸出值的大小進(jìn)行了分類。正規(guī)生產(chǎn)激光設(shè)備，其安全等級(jí)均應(yīng)按FDA或IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)注。IEC標(biāo)準(zhǔn)將激光設(shè)備分為五個(gè)等級(jí)，分別稱為Class1,?Class2,?Class3A,?Class3B,?Class4。例如，Class1級(jí)激光設(shè)備，在“可預(yù)見(jiàn)的工作條件下”是一種安全設(shè)備；而Class4級(jí)的激光設(shè)備，則是可能生成有害的漫反射的設(shè)備，會(huì)引起皮膚的灼傷乃至火災(zāi)，使用中應(yīng)特別小心。FD