树苗劈接嫁接机器人机械系统设计与试验

2013-07-13赵栋杰

河南科技大学学报(自然科学版) 2013年1期

孙群，赵栋杰，赵颖

(聊城大学汽车与交通工程学院，山东聊城252059)

0 引言

树苗嫁接可加快优良树种繁育、增强抗病能力、改善果实品质、提高其环境适应能力。但迄今为止，树苗嫁接作业仍然延续传统的手工方式，导致劳动强度大、生产效率低、嫁接苗木的成活率也不高，而且不适应种植业季节性强的特点，难以实现树苗育苗工厂化生产[1-5］。有关树苗嫁接机器人的研究在国际上尚未见到报道，中国见诸文献报道的研究主要集中在苗木力学特性试验[6-7］和苗木嫁接机构设计[8-15］两个方面。“劈接法”是树苗嫁接的一种主要方式，多用于杨木、葡萄、枣、梨、苹果、柿子等树苗，其手工操作流程为:①将穗木削成正双面楔形切口;②砧木劈成一字形劈口;③将穗木插入砧木劈口，使砧木横断面形成层和穗木楔形切削面形成层紧密接合，若松动，可以捆绑。本文以杨树苗劈接嫁接为研究对象，模拟手工嫁接作业，研制出一种树苗嫁接机器人样机。

1 树苗劈接嫁接机器人机械系统设计

1.1 机械系统总体设计

树苗劈接嫁接机器人的工作流程为:砧木、穗木供苗→砧木、穗木夹持→穗木、砧木切削→穗木、砧木接合→嫁接苗排出，其中，砧木、穗木供苗与嫁接苗排出为人工操作。根据以上流程，确定树苗嫁接机器人的工位为:砧木、穗木取苗工位→穗木切削工位→砧木切削工位→穗木砧木接合工位→嫁接苗排出工位。各工位的时间分配为

其中，tz为单次循环总时间;tg为砧木、穗木供苗时间;ty为砧木、穗木在各工位间移动时间;tq为穗木、砧木切削时间;tj为穗木、砧木结合时间;tp为嫁接苗排出时间。

树苗嫁接机器人基于虚拟样机理念，利用三维设计软件Pro/E进行虚拟建模与装配，并进行虚拟样机仿真，然后加工装配出物理样机。树苗嫁接机器人机械系统包括:机架、穗木夹持机械手、穗木切削机构、砧木夹持机械手和砧木切削机构。

1.2 砧木、穗木夹持机械手设计

1.2.1 砧木夹持机械手

砧木夹持机械手用于在砧木供苗工位实现砧木苗的夹持，并能够搬运砧木苗到砧木切削工位，待砧木、穗木接合后，运动到嫁接苗排出工位。为此，本文采用伺服电机加丝杠实现砧木夹持机械手的运动，采用直动电磁铁实现砧木机械手的夹持，设计出的砧木夹持机械手见图1。

1.2.2 穗木夹持机械手

穗木夹持机械用于在穗木供苗位置实现穗木夹持，搬运穗木苗至穗木切削工位，搬运切削好的穗木苗至砧木切削工位，插入完成一字切削的砧木劈口，实现砧木穗木的接合。穗木机械手实现两个方向的运动:一是水平搬运;二是垂直插入运动。为此，采用驱动电机加水平丝杠实现水平运动，采用驱动电机加垂直丝杠实现垂直运动，采用直动电磁铁实现穗木夹持，设计出的穗木夹持机械手如图2所示。

1.3 砧木、穗木切削机构设计

1.3.1 砧木切削机构

砧木切削机构用于砧木的一字形切削，切削力采用伺服电机加丝杠实现，可以根据砧木的直径改变切削深度，设计出的砧木切削机构如图3所示。

图1 砧木夹持机械手结构图

图2 穗木夹持机械手结构图

图3 砧木切削机构结构图

1.3.2 穗木切削机构

穗木切削机构用于穗木的双面正楔形切削，该机构由结构相同、左右对称安装的穗木切削组件和穗木切削调位组件组成。穗木切削组件采用两个直动电磁铁作为切削驱动力，实现穗木双面楔形切削。穗木切削调位组件用于调整穗木切刀相对于穗木的切角，实现穗木切削装置的微调。设计的穗木切削机构见图4。

图4 穗木切削机构结构图

2 树苗嫁接机器人嫁接试验

2.1 树苗嫁接机器人样机

树苗嫁接机器人各个关键机构设计完毕后，便进行机械零部件加工、制造和装配，研制出树苗嫁接机器人样机，如图5所示。

2.2 试验对象

嫁接试验用砧木为一年生通直杨树枝条，直径为20～25 mm，长度为100 mm;穗木为当年生健壮饱满带穗枝条，直径为4～6 mm，长度为100 mm。

2.3 试验结果与分析

选取砧木、穗木试样各100根，随机分为10组，采用研制的树苗嫁接机器人进行嫁接试验，试验结果见表1。砧木切削成功率为94%，失败的原因有两个:一是有些砧木不是通直，导致轴向切偏;二是砧木切削切口处存在苞节，切削力增大，砧木夹持机械手受力后不稳。穗木切削成功率为93%，穗木生长的不一致性致使穗木切削面难以呈现双面楔形。砧木、穗木嫁接的成功率为86%，由于树苗生长的不一致性，砧木和穗木的形成层难以准确的对齐，导致嫁接成功率受到影响。树苗嫁接机器人样机平均嫁接时间为20.9 s，与普通嫁接操作人员的手工嫁接作业时间近似。试验结果表明:树苗嫁接机器人样机的嫁接时间和嫁接成功率接近人工嫁接水平，待进一步改进后，作业效率能够高于人工水平。