河北农业大学机电工程学院 黄硕 张秀花 陈金明

西瓜是夏天清凉解暑的佳品，并具有广泛的药用价值[1]。我国作为全球最大的西瓜产地，近年来西瓜种植面积与产量呈稳定增涨趋势。西瓜培育过程中需要采用嫁接的方法应对连作障碍的问题[2、3、4]，西瓜嫁接常采用插接法，方法简单，并且不需要夹持物辅助后续的生长愈合[5]。插接法嫁接中接穗处理是一个十分重要的环节，但是人工操作不仅效率低并且精度无法保证，所以研究一种接穗处理机构具有十分重要的意义。

1 接穗处理机构的设计

1.1 接穗处理机构的结构与工作原理

接穗处理机构包括接穗夹持机构和接穗切削机构两部分，其整体结构如图1 所示。

图1 接穗处理机构

接穗夹持机构共包含上下两个夹持器，其中上夹持器如图2所示，在气动手指上安装有夹持臂，夹持块前端安装在夹持臂顶端的方槽内，尾部的导柱安装弹簧，固定在夹持臂顶端的护板可防止弹簧向外移动，夹持块可在方槽内滑动；下夹持器结构简单，如图3 所示，在气动手指上安装两个夹苗块和一个扶苗架。接穗切削机构由电机支架将电机固定，切刀杆安装在步进电机轴上，切刀杆顶端安装有切刀。

图2 上夹持器

图3 下夹持器

接穗处理机构工作时，接穗苗通过上夹持器两种V 型夹持块交错固定与定位，夹持块内的弹簧在夹持块夹持接穗苗过程起到缓冲作用，保证夹持力小于1.33N，实现柔性夹持，降低了对接穗苗的夹持损伤率。当接穗苗被接上夹持器夹持定位后，下夹持器夹持住接穗苗茎秆底部，保持接穗苗竖直，这样可提高切削精度。切削装置在空间允许的情况下采用旋转切削可以提高切削速度，而且切口光滑。切削角度不宜过小，否则切口尖端会比较尖锐，当有小误差发生时很可能接穗尖端折断导致插接失败，故选用切削角度为60°。

1.2 切刀轨迹分析

为保证精确的切口角度，需要对切刀运动轨迹进行分析。图4 为切削机构运动轨迹图。

图4 切削机构运动轨迹图

图中：O 为电机轴；A 点为切刀正好将茎秆切下来的位置；B点为A 点向OC 做的垂足点；C 点为切刀初始点；C" 为切刀运动完成点；β 为 AO 与 CO 的夹角；α 为 BA 与 OA 的夹角；n 为电机的旋转方向。

由图4 可知，起始位置时切刀杆处于竖直状态，切刀位于C点。当接穗苗被固定住，电机带动切刀杆逆时针旋转到A 点时接穗苗茎秆恰好被切下，最后运动到C" 点，电机停止工作，此时处于待机模式。当接穗夹持机构带动接穗苗运动到下一工位后，电机回转带动切刀由C" 点回到C 点，等待下一工位的到来，整个切削过程结束。

2 接穗切削机构模态分析

接穗的切削效果影响嫁接的成功率，故切削机构要避免切削过程中发生共振。首先，接穗切削机构的固有频率可根据步进电机实际工作时的转速来确定，具体由式（3-1）计算得出：

式中：f 为接穗切削机构的固有频率（Hz）；n 为步进电机的转速（r/min）。

有研究表明，接穗的切削速度在1.1m/s 时成功率最高[6]，故选取电机转速为n=86r/min，代入到式（3-1），计算得到电机输出轴的转动带来的最大频率为1.433Hz。

将模型导入ANSYS Workbench 平台中，对其进行模态分析。

图5 一阶模态振型

对接穗切削机构的分析得到以下结果：振动频率、相应阶数的振型云图等。图5 为一阶振型云图，可以看出，一阶模态振动频率为34.758Hz。而电机输出轴转动带来的振动频率最大为1.433Hz，远小于切削机构固有频率34.758Hz，因此接穗切削机构不会产生共振，不会影响切刀运行的稳定性。

3 试验与分析

接穗夹持机构的设计要求是能完成接穗苗的无损夹持，保证接穗苗切口平滑与精确的切削角度。本试验的目的是检验接穗夹持机构的夹持成功率和伤苗率以及切削机构的切削成功率。

分别取3 组长势良好的西瓜苗，各50 株，进行接穗夹持与切削试验。试验在接穗处理试验平台上进行，试验装置如图6所示。

图6 接穗处理试验平台

试验结果如表1 所示，从试验结果可以看出接穗苗在夹持过程中无损伤，伤苗率为0%。切削成功率达100%，切削后的接穗苗切口平滑，切削角度精准。接穗苗切口状态图如图7 所示。

图7 切口状态图

4 总结

本文设计的接穗苗处理机构，加持机构能够对接穗苗进行无损夹持，切削机构能够满足切口角度要求，并且工作过程不会发生剧烈震动，切口光滑。最终，试验结果表明该机构处理接穗苗成功率高，效果好。