河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黃碩 張秀花 陳金明

西瓜是夏天清涼解暑的佳品，并具有廣泛的藥用價值[1]。我國作為全球最大的西瓜產(chǎn)地，近年來西瓜種植面積與產(chǎn)量呈穩(wěn)定增漲趨勢。西瓜培育過程中需要采用嫁接的方法應(yīng)對連作障礙的問題[2、3、4]，西瓜嫁接常采用插接法，方法簡單，并且不需要夾持物輔助后續(xù)的生長愈合[5]。插接法嫁接中接穗處理是一個十分重要的環(huán)節(jié)，但是人工操作不僅效率低并且精度無法保證，所以研究一種接穗處理機(jī)構(gòu)具有十分重要的意義。

1 接穗處理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 接穗處理機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

接穗處理機(jī)構(gòu)包括接穗夾持機(jī)構(gòu)和接穗切削機(jī)構(gòu)兩部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 接穗處理機(jī)構(gòu)

接穗夾持機(jī)構(gòu)共包含上下兩個夾持器，其中上夾持器如圖2所示，在氣動手指上安裝有夾持臂，夾持塊前端安裝在夾持臂頂端的方槽內(nèi)，尾部的導(dǎo)柱安裝彈簧，固定在夾持臂頂端的護(hù)板可防止彈簧向外移動，夾持塊可在方槽內(nèi)滑動；下夾持器結(jié)構(gòu)簡單，如圖3 所示，在氣動手指上安裝兩個夾苗塊和一個扶苗架。接穗切削機(jī)構(gòu)由電機(jī)支架將電機(jī)固定，切刀桿安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上，切刀桿頂端安裝有切刀。

圖2 上夾持器

圖3 下夾持器

接穗處理機(jī)構(gòu)工作時，接穗苗通過上夾持器兩種V 型夾持塊交錯固定與定位，夾持塊內(nèi)的彈簧在夾持塊夾持接穗苗過程起到緩沖作用，保證夾持力小于1.33N，實(shí)現(xiàn)柔性夾持，降低了對接穗苗的夾持損傷率。當(dāng)接穗苗被接上夾持器夾持定位后，下夾持器夾持住接穗苗莖稈底部，保持接穗苗豎直，這樣可提高切削精度。切削裝置在空間允許的情況下采用旋轉(zhuǎn)切削可以提高切削速度，而且切口光滑。切削角度不宜過小，否則切口尖端會比較尖銳，當(dāng)有小誤差發(fā)生時很可能接穗尖端折斷導(dǎo)致插接失敗，故選用切削角度為60°。

1.2 切刀軌跡分析

為保證精確的切口角度，需要對切刀運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析。圖4 為切削機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡圖。

圖4 切削機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡圖

圖中：O 為電機(jī)軸；A 點(diǎn)為切刀正好將莖稈切下來的位置；B點(diǎn)為A 點(diǎn)向OC 做的垂足點(diǎn)；C 點(diǎn)為切刀初始點(diǎn)；C" 為切刀運(yùn)動完成點(diǎn)；β 為 AO 與 CO 的夾角；α 為 BA 與 OA 的夾角；n 為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

由圖4 可知，起始位置時切刀桿處于豎直狀態(tài)，切刀位于C點(diǎn)。當(dāng)接穗苗被固定住，電機(jī)帶動切刀桿逆時針旋轉(zhuǎn)到A 點(diǎn)時接穗苗莖稈恰好被切下，最后運(yùn)動到C" 點(diǎn)，電機(jī)停止工作，此時處于待機(jī)模式。當(dāng)接穗夾持機(jī)構(gòu)帶動接穗苗運(yùn)動到下一工位后，電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動切刀由C" 點(diǎn)回到C 點(diǎn)，等待下一工位的到來，整個切削過程結(jié)束。

2 接穗切削機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

接穗的切削效果影響嫁接的成功率，故切削機(jī)構(gòu)要避免切削過程中發(fā)生共振。首先，接穗切削機(jī)構(gòu)的固有頻率可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際工作時的轉(zhuǎn)速來確定，具體由式（3-1）計(jì)算得出：

式中：f 為接穗切削機(jī)構(gòu)的固有頻率（Hz）；n 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。

有研究表明，接穗的切削速度在1.1m/s 時成功率最高[6]，故選取電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=86r/min，代入到式（3-1），計(jì)算得到電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動帶來的最大頻率為1.433Hz。

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 平臺中，對其進(jìn)行模態(tài)分析。

圖5 一階模態(tài)振型

對接穗切削機(jī)構(gòu)的分析得到以下結(jié)果：振動頻率、相應(yīng)階數(shù)的振型云圖等。圖5 為一階振型云圖，可以看出，一階模態(tài)振動頻率為34.758Hz。而電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動帶來的振動頻率最大為1.433Hz，遠(yuǎn)小于切削機(jī)構(gòu)固有頻率34.758Hz，因此接穗切削機(jī)構(gòu)不會產(chǎn)生共振，不會影響切刀運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)與分析

接穗夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求是能完成接穗苗的無損夾持，保證接穗苗切口平滑與精確的切削角度。本試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)接穗夾持機(jī)構(gòu)的夾持成功率和傷苗率以及切削機(jī)構(gòu)的切削成功率。

分別取3 組長勢良好的西瓜苗，各50 株，進(jìn)行接穗夾持與切削試驗(yàn)。試驗(yàn)在接穗處理試驗(yàn)平臺上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 接穗處理試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出接穗苗在夾持過程中無損傷，傷苗率為0%。切削成功率達(dá)100%，切削后的接穗苗切口平滑，切削角度精準(zhǔn)。接穗苗切口狀態(tài)圖如圖7 所示。

圖7 切口狀態(tài)圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的接穗苗處理機(jī)構(gòu)，加持機(jī)構(gòu)能夠?qū)铀朊邕M(jìn)行無損夾持，切削機(jī)構(gòu)能夠滿足切口角度要求，并且工作過程不會發(fā)生劇烈震動，切口光滑。最終，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)處理接穗苗成功率高，效果好。