卧式蔬菜苗嫁接机设计与试验*

2022-10-27田志伟马伟姚森杨其长段发民

中国农机化学报 2022年11期

田志伟，马伟，姚森，杨其长，段发民

(1. 中国农业科学院都市农业研究所，成都市，610213； 2. 成都农业科技中心，成都市，610213)

0 引言

我国蔬菜连作现象较普遍，土传病害和连作障碍十分严重，阻碍了蔬菜产业的可持续发展。蔬菜嫁接苗是预防土传病害，克服连作障碍的一项有效技术措施，不仅可以改善根际微生物群落组成[1]，提高种苗抗逆性[2]，还可以保持良种品质[3]，增加产量[4]。目前，嫁接苗需求量约500亿株，这给育苗工厂带来前所未有的挑战[5]。传统人工嫁接耗时费力，难以保证较高的嫁接效率和成活率[6]，在此背景下，研发自动嫁接装备成为行业亟需解决的问题。

日本是世界上进行蔬菜苗自动嫁接研究最早的国家，从1986年便开始了嫁接机器人的研究。洋马、井关等日本公司开发了多款全自动或半自动的蔬菜苗嫁接机，这些装备嫁接效率在600株/h以上，成功率大于90%[7]。但这些引进的机器体积庞大，结构复杂，价格昂贵，无法适应我国国情。为满足国内急速增长的市场需求，科研人员对自动嫁接技术也做了广泛研究。北京农业智能装备研究中心研制出一种双臂蔬菜嫁接机。该机作业效率可达800株/h，成功率为95%[8]。但价格依旧昂贵，对于中小型育苗工厂而言购机成本很高。为研发低成本嫁接机，唐兴隆等[9]对蔬菜嫁接装置的结构、工作原理、质量效率等进行分析，开展了砧木、接穗切削、粘接试验。冯青春等[10]基于FX1N系列PLC设计了自动嫁接机控制系统，可提供单步运行和连续运行两种工作模式。嫁接苗回栽质量水平与回栽装置设计有关，皇甫坤等[11]设计一种集吸持和镇压于一体的回栽装置，并对回栽精度进行仿真分析。

上述报道为小型、低成本蔬菜嫁接机的研发积累了丰富经验，但这些研究多处于理论和试验阶段[12-13]。机器易对秧苗造成机械损伤，作业稳定性不高，很难应用于实际作业等问题依旧是当前的行业痛点。针对这些问题，本文通过对人工嫁接过程中的关键动作及流程进行梳理分析，设计一种基于气动驱动方式和PLC控制系统的卧式轻便型蔬菜嫁接机，旨在降低嫁接机成本，提高嫁接效率，解决秧苗损伤问题。

1 嫁接机总体设计

1.1 嫁接方法

蔬菜嫁接方法较多，有针接法、斜接法、劈接法、套管法、靠接法等，嫁接效果除了受光照、温度等因素制约外，不同的嫁接方法影响差异也较显著。其中靠接成活率最高，斜接法比套管嫁接效率高，针接法抗病性好，产量、糖分差异不显著[14]。在砧木和接穗长势均匀的情况下，斜接法(图1)嫁接后切面贴合度好，操作流程简单，更适合机械装置操作。

斜接法手工嫁接操作步骤如图1所示，按照60°角度分别切削砧木和接穗，尽量保证接穗与砧木切面大小接近。将准备好的接穗苗与砧木苗切口对准贴合在一起，然后用嫁接夹夹住嫁接部位，固定牢固即可。按照手工嫁接流程可将嫁接机关键动作及工作流程梳理为：(1)放置砧木苗；(2)切削砧木；(3)推送砧木；(4)放置接穗苗；(5)切削接穗苗；(6)推送接穗使其与砧木对接并对齐；(7)用嫁接夹固定嫁接部位，并取走嫁接好的秧苗；(8)各部件复位，重复以上过程。

图1 蔬菜苗斜接法嫁接过程

1.2 系统功能结构

嫁接机结构设计紧扣农机农艺融合原则。斜接法嫁接过程首先需要对砧木和接穗单独处理，然后将两者进行对接固定。因此采用双向切割对接技术，将嫁接机工作部件分为左右两部分来分别完成砧木和接穗的夹持、切削动作，然后将其推送至中间进行对齐固定。如果秧苗采用竖直放置方式，在夹持秧苗时，夹持力过大将造成秧苗的机械性损伤，而夹持力过小秧苗在根系土块的重力作用下会出现松动下滑，造成砧木和接穗切面间隙变大而无法贴合。另外，竖直放苗时茎叶易遮挡视线，不利于操作员控制秧苗的放置位置和一次性精准完成放置动作。为解决该矛盾，将秧苗放置台设计为横卧式以供秧苗水平躺卧，并通过根系托盘来承载秧苗根系土块重量，这样更符合人体工学要求。如图2所示，2个推杆气缸分别安装在机架两端，在推杆顶端通过连接件固定气动夹。为实现秧苗横卧状态下的切割效果，2个割刀气缸竖直向下安装，并在推杆顶端安装有切割刀片。刀片正下方装有配合刃口尺寸的割台及秧苗根系托盘。

图2 卧式蔬菜嫁接机系统机构

气缸本身结构简单、工作可靠、无需复杂的参数计算和结构设计。本研究以维护方便，机构简单，设计成本低为目标，选用气缸和气动夹作为嫁接机的直接执行部件。其中气动夹作为秧苗夹持装置，如图3所示，固定在推送气杆顶端。夹子工作气压范围为0.1～0.7 MPa，尺寸为75 mm×25 mm×50 mm，开闭行程10 mm，闭合后两指间距为16 mm。

图3 夹持与推送机构

为弥补该间距以及确保秧苗柔性夹持效果，在上下指上固定分别2块柔软的聚乙烯发泡棉(EPE)垫块，这种材料材质柔软、韧性强、恢复性好。EPE垫块夹持力过大会损伤秧苗茎秆，过小则夹持不稳定性。Wu等[15]研究发现，嫁接机夹持机构的最大夹持力不应大于4 N。而夹持力大小与EPE垫块的厚度L有关，为计算适当的L值，根据

(1)

式中：ε——应变；

ΔL——EPE垫块形变量，正值代表拉伸，负值代表压缩，cm；

L1——EPE垫块压缩后的厚度，cm。

(2)

式中：F——EPE垫块受植物茎秆的反作用力，N；

A——EPE垫块与植物茎秆有效接触面积，m2；

σ——应力，Pa。

(3)

式中：E——EPE垫块弹性模量，由文献[16]可知EPE材质的弹性模量为100 kPa。

联立式(1)～式(3)可得

(4)

由式(4)计算可知，在满足EPE垫块对番茄秧苗夹持力为4 N的条件下，单侧EPE垫块的压缩量为2 mm，因此在EPE垫块厚度弥补气动夹两指间隙并的同时，单侧总厚度设计为10 mm，然后对EPE垫块进行秧苗夹持测试，得出其厚度为10 mm时既能加紧秧苗又不至于夹伤秧苗。

然后根据式(5)计算执行气缸的推力，并结合实际作业阻力效果完成气缸选型。

(5)

式中：F——推力，N；

D——缸径，mm；

p——气缸的工作气压，MPa。

经测试满足使用要求的气缸选型如下：其中推送气缸为双杆气缸(图3)，行程为125mm，工作气压为0.1～0.6 MPa，尺寸为175 mm×25 mm×80 mm。割刀气缸行程为20 mm，工作气压为0.1～0.6 MPa，尺寸为66 mm×17 mm×42 mm。为保证粗细不一的秧苗茎秆切割时的完整性，刀片刃长不宜过短，此处设计为20mm，刀刃厚2mm。根据农艺切割要求，刀片安装角度相对于秧苗茎长方向倾斜30°(图4)。在刀片正下方装有与刀片参数相配合的切割台，切割时为避免割刀固定板和割台发生碰撞干涉，割台设计有长孔可上下浮动安装。

图4 秧苗切割机构

嫁接机采用半自动作业方式，需要人工将秧苗按照特定姿态放置于操作台上，然后触发传感器来启动后续夹持、切削、推送等工序。具体工作步骤为：操作员确定砧木切割部位，将其平放在砧木操作台的光电开关卡槽里以触发开关，之后夹子夹持砧木苗，割刀垂直完成切割，推杆将砧木向前推送。以同样的工序完成接穗苗的放置、夹持、切割，然后推杆向前推送接穗苗，使其与砧木进行对接贴合。最后，人工使用夹子完成砧木—接穗固定，然后夹子松开，操作员取走嫁接苗，割刀、推杆全部复位，等待下一次嫁接操作。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

动力系统方面，本机设计采用气动驱动方式。与电动推杆、丝杆等元器件相比，气动系统具有动作迅速、平稳等优势，且控制简单[17]，气动系统需要4个双杆气缸和2个气动夹。其中气动夹用于夹持秧苗，夹持力42 N。气缸用于砧木、接穗切削和推送对接，其中推送气缸推力为196 N，割刀气缸推力为82 N。每个气动元器件装有2个单向节流阀，用于调节气缸伸缩速度。为了实现嫁接机的自动化作业，使用6个二位五通电磁阀对气缸进行控制。气动系统原理如图5所示，根据各个气动元件的工作气压要求，以及不同气压下的气缸工作效果测试结果，确定系统的额定工作气压为0.60～0.65 MPa。

图5 气动系统原理

控制系统设计方面，需要根据信号输入，按照作业流程进行指令输出，以驱动继电器和电磁阀开闭，从而实现气动元件按预定时序动作。控制系统硬件包括中央控制单元、输入模块、输出模块和电路保护元件4部分。PLC内部集成的定时器、计数器、辅助继电器及触点大大减少了电气元件的使用，降低接线的复杂度[18]。综合考虑嫁接机工作方式、开发周期、I/O口数量等因素后选用欧姆龙PLC(CP1E-E40SDR-A)作为中央控制单元。该控制器有24个输入端口和16个输出端口，工作电压为110～220 V。电路设计如图6所示，220 V电源经过断路器后给PLC控制器供电，并通过变压器降压为24 V后为其他元器件供电。PLC输入端与输入模块连接，主要为光电开关、磁性开关及按钮，传感器工作电压为24 V。输出端与输出模块连接，包括工况指示灯、中间继电器和电磁阀。中间继电器与电磁阀连接，起远程开关作用，基于PLC通断信号控制电磁阀的开闭。表1为PLC端口分配情况。

表1 PLC输入输出端口分配Tab. 1 PLC input and output port allocation

图6 电路设计接线示意

2.2 软件设计

控制系统采用梯形图编译程序，使用CX-Programmer软件编写、调试和下载程序模块。根据检测内容需求和系统工作运行要求，程序编写采用模块化设计思想。嫁接机控制流程如图7所示。

工作时打开启动按钮，U型槽光电开关1开始检测卡槽处是否有接穗苗，若没有接穗苗则重复进行检测，若有接穗苗则输出控制信号接通中间继电器，进而控制电磁阀使气动夹1闭合；闭合动作触发割刀磁性开关，以相同原理驱动割刀1气缸垂直向下伸出进行剪切后立即缩回；剪切动作继而触发推送气缸磁性开关，推杆气缸1伸出将切削好的秧苗推向中间。此时，U型槽光电开关2检测卡槽处是否有砧木苗，按照同样的流程控制气动夹2闭合，割刀气缸2和推杆气缸2伸出。在推杆气缸1和推杆气缸2均伸出时系统开始计时5 s，等待人工固定；定时器时间到，夹子1和夹子2 张开，推杆1、推杆2缩回，嫁接流程完毕，系统全部复位，进行下一轮检测。

3 试验研究

3.1 试验材料与方法

为验证卧式蔬菜嫁接机工作效率和性能，对其进行嫁接测试。嫁接机工作电压220 V，气压0.6 MPa。试验对象为茄子秧苗，平均株高18 cm，长势均匀、健康。将60株秧苗随机分成3组，在熟练操作下进行嫁接试验。记录每组秧苗完成嫁接所需的时间，并将其转换为嫁接效率(株/h)。每组测试完成后统计嫁接苗成功数量和损伤数量。嫁接成功的具体技术要求为砧木—接穗紧密贴合；嫁接苗无明显损伤；夹子固定紧密，嫁接苗无明显错位[19]。损伤主要查看砧木和接穗是否出现茎秆压扁、伤残等情况。

嫁接机操作过程中共2人参与，其中1人操作嫁接机，1人负责供给砧木和接穗，并运走嫁接苗。

3.2 结果与分析

测试完成后计算每组试验的嫁接效率、嫁接成功率和秧苗损伤率，数据统计见表2。成功率为秧苗嫁接成功的数量占总嫁接苗数量的比率，损伤率为损伤秧苗数量占总嫁接苗数量的比率。

表2 嫁接机数据统计Tab. 2 Statistics of grafting machine

由表2可知，本文提出的卧式蔬菜嫁接机平均作业效率为348株/h，平均嫁接成功率为93.3%，损伤率为0%，说明该嫁接机工作性能较为稳定，对秧苗无损伤，可满足实际作业需求。

完成嫁接机设计和样机试制后，对其成本进行核算。其中直接材料费用4 500元，直接人工费用 15 000 元，制造费用800元，辅助生产费用450元，总设计成本为20 750元。与市场现有嫁接机相比，卧式嫁接机成本显著降低，可为中小型育苗基地和种苗生产农户节省生产成本。

本文设计的蔬菜嫁接机采用气动驱动方式，工作气压一定程度上决定了割刀切割速度的快慢和动作的刚柔度，而切割速度快慢与动作刚柔度会影响秧苗茎秆切面的平整度，这对砧木—接穗贴合效果和嫁接苗的成活率有影响，而此次试验主要测试了嫁接机的效率和性能，没有研究不同工作气压下的秧苗切割面平整度情况，因此这是未来工作重点。另外，刀片切入角决定了其受力特征，不同的切入角将产生什么样的秧苗切割效果？斜接法的秧苗斜切角度决定砧木—接穗拼接时公共区域长度，该区域最佳长度为多少时可以保证砧木和接穗贴合的面积最大，从而提高嫁接苗成活率？同时，砧木—接穗拼接的公共区域长度对人工用夹子一次完成固定动作的成功率有何影响？这些知识目前仍然未知，因此下一步工作亟需围绕这些方面展开研究，以填补理论知识空白，进一步提升嫁接机性能。