田志偉，馬偉，姚森，楊其長(zhǎng)，段發(fā)民

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都市，610213； 2. 成都農(nóng)業(yè)科技中心，成都市，610213)

0 引言

我國(guó)蔬菜連作現(xiàn)象較普遍，土傳病害和連作障礙十分嚴(yán)重，阻礙了蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。蔬菜嫁接苗是預(yù)防土傳病害，克服連作障礙的一項(xiàng)有效技術(shù)措施，不僅可以改善根際微生物群落組成[1]，提高種苗抗逆性[2]，還可以保持良種品質(zhì)[3]，增加產(chǎn)量[4]。目前，嫁接苗需求量約500億株，這給育苗工廠帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)[5]。傳統(tǒng)人工嫁接耗時(shí)費(fèi)力，難以保證較高的嫁接效率和成活率[6]，在此背景下，研發(fā)自動(dòng)嫁接裝備成為行業(yè)亟需解決的問題。

日本是世界上進(jìn)行蔬菜苗自動(dòng)嫁接研究最早的國(guó)家，從1986年便開始了嫁接機(jī)器人的研究。洋馬、井關(guān)等日本公司開發(fā)了多款全自動(dòng)或半自動(dòng)的蔬菜苗嫁接機(jī)，這些裝備嫁接效率在600株/h以上，成功率大于90%[7]。但這些引進(jìn)的機(jī)器體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)國(guó)情。為滿足國(guó)內(nèi)急速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，科研人員對(duì)自動(dòng)嫁接技術(shù)也做了廣泛研究。北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心研制出一種雙臂蔬菜嫁接機(jī)。該機(jī)作業(yè)效率可達(dá)800株/h，成功率為95%[8]。但價(jià)格依舊昂貴，對(duì)于中小型育苗工廠而言購(gòu)機(jī)成本很高。為研發(fā)低成本嫁接機(jī)，唐興隆等[9]對(duì)蔬菜嫁接裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、質(zhì)量效率等進(jìn)行分析，開展了砧木、接穗切削、粘接試驗(yàn)。馮青春等[10]基于FX1N系列PLC設(shè)計(jì)了自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)，可提供單步運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行兩種工作模式。嫁接苗回栽質(zhì)量水平與回栽裝置設(shè)計(jì)有關(guān)，皇甫坤等[11]設(shè)計(jì)一種集吸持和鎮(zhèn)壓于一體的回栽裝置，并對(duì)回栽精度進(jìn)行仿真分析。

上述報(bào)道為小型、低成本蔬菜嫁接機(jī)的研發(fā)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，但這些研究多處于理論和試驗(yàn)階段[12-13]。機(jī)器易對(duì)秧苗造成機(jī)械損傷，作業(yè)穩(wěn)定性不高，很難應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)等問題依舊是當(dāng)前的行業(yè)痛點(diǎn)。針對(duì)這些問題，本文通過對(duì)人工嫁接過程中的關(guān)鍵動(dòng)作及流程進(jìn)行梳理分析，設(shè)計(jì)一種基于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式和PLC控制系統(tǒng)的臥式輕便型蔬菜嫁接機(jī)，旨在降低嫁接機(jī)成本，提高嫁接效率，解決秧苗損傷問題。

1 嫁接機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 嫁接方法

蔬菜嫁接方法較多，有針接法、斜接法、劈接法、套管法、靠接法等，嫁接效果除了受光照、溫度等因素制約外，不同的嫁接方法影響差異也較顯著。其中靠接成活率最高，斜接法比套管嫁接效率高，針接法抗病性好，產(chǎn)量、糖分差異不顯著[14]。在砧木和接穗長(zhǎng)勢(shì)均勻的情況下，斜接法(圖1)嫁接后切面貼合度好，操作流程簡(jiǎn)單，更適合機(jī)械裝置操作。

斜接法手工嫁接操作步驟如圖1所示，按照60°角度分別切削砧木和接穗，盡量保證接穗與砧木切面大小接近。將準(zhǔn)備好的接穗苗與砧木苗切口對(duì)準(zhǔn)貼合在一起，然后用嫁接夾夾住嫁接部位，固定牢固即可。按照手工嫁接流程可將嫁接機(jī)關(guān)鍵動(dòng)作及工作流程梳理為：(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)推送接穗使其與砧木對(duì)接并對(duì)齊；(7)用嫁接夾固定嫁接部位，并取走嫁接好的秧苗；(8)各部件復(fù)位，重復(fù)以上過程。

圖1 蔬菜苗斜接法嫁接過程

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

嫁接機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊扣農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合原則。斜接法嫁接過程首先需要對(duì)砧木和接穗單獨(dú)處理，然后將兩者進(jìn)行對(duì)接固定。因此采用雙向切割對(duì)接技術(shù)，將嫁接機(jī)工作部件分為左右兩部分來(lái)分別完成砧木和接穗的夾持、切削動(dòng)作，然后將其推送至中間進(jìn)行對(duì)齊固定。如果秧苗采用豎直放置方式，在夾持秧苗時(shí)，夾持力過大將造成秧苗的機(jī)械性損傷，而夾持力過小秧苗在根系土塊的重力作用下會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)下滑，造成砧木和接穗切面間隙變大而無(wú)法貼合。另外，豎直放苗時(shí)莖葉易遮擋視線，不利于操作員控制秧苗的放置位置和一次性精準(zhǔn)完成放置動(dòng)作。為解決該矛盾，將秧苗放置臺(tái)設(shè)計(jì)為橫臥式以供秧苗水平躺臥，并通過根系托盤來(lái)承載秧苗根系土塊重量，這樣更符合人體工學(xué)要求。如圖2所示，2個(gè)推桿氣缸分別安裝在機(jī)架兩端，在推桿頂端通過連接件固定氣動(dòng)夾。為實(shí)現(xiàn)秧苗橫臥狀態(tài)下的切割效果，2個(gè)割刀氣缸豎直向下安裝，并在推桿頂端安裝有切割刀片。刀片正下方裝有配合刃口尺寸的割臺(tái)及秧苗根系托盤。

圖2 臥式蔬菜嫁接機(jī)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

氣缸本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、無(wú)需復(fù)雜的參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本研究以維護(hù)方便，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低為目標(biāo)，選用氣缸和氣動(dòng)夾作為嫁接機(jī)的直接執(zhí)行部件。其中氣動(dòng)夾作為秧苗夾持裝置，如圖3所示，固定在推送氣桿頂端。夾子工作氣壓范圍為0.1～0.7 MPa，尺寸為75 mm×25 mm×50 mm，開閉行程10 mm，閉合后兩指間距為16 mm。

圖3 夾持與推送機(jī)構(gòu)

為彌補(bǔ)該間距以及確保秧苗柔性?shī)A持效果，在上下指上固定分別2塊柔軟的聚乙烯發(fā)泡棉(EPE)墊塊，這種材料材質(zhì)柔軟、韌性強(qiáng)、恢復(fù)性好。EPE墊塊夾持力過大會(huì)損傷秧苗莖稈，過小則夾持不穩(wěn)定性。Wu等[15]研究發(fā)現(xiàn)，嫁接機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的最大夾持力不應(yīng)大于4 N。而夾持力大小與EPE墊塊的厚度L有關(guān)，為計(jì)算適當(dāng)?shù)腖值，根據(jù)

(1)

式中：ε——應(yīng)變；

ΔL——EPE墊塊形變量，正值代表拉伸，負(fù)值代表壓縮，cm；

L1——EPE墊塊壓縮后的厚度，cm。

(2)

式中：F——EPE墊塊受植物莖稈的反作用力，N；

A——EPE墊塊與植物莖稈有效接觸面積，m2；

σ——應(yīng)力，Pa。

(3)

式中：E——EPE墊塊彈性模量，由文獻(xiàn)[16]可知EPE材質(zhì)的彈性模量為100 kPa。

聯(lián)立式(1)～式(3)可得

(4)

由式(4)計(jì)算可知，在滿足EPE墊塊對(duì)番茄秧苗夾持力為4 N的條件下，單側(cè)EPE墊塊的壓縮量為2 mm，因此在EPE墊塊厚度彌補(bǔ)氣動(dòng)夾兩指間隙并的同時(shí)，單側(cè)總厚度設(shè)計(jì)為10 mm，然后對(duì)EPE墊塊進(jìn)行秧苗夾持測(cè)試，得出其厚度為10 mm時(shí)既能加緊秧苗又不至于夾傷秧苗。

然后根據(jù)式(5)計(jì)算執(zhí)行氣缸的推力，并結(jié)合實(shí)際作業(yè)阻力效果完成氣缸選型。

(5)

式中：F——推力，N；

D——缸徑，mm；

p——?dú)飧椎墓ぷ鳉鈮?，MPa。

經(jīng)測(cè)試滿足使用要求的氣缸選型如下：其中推送氣缸為雙桿氣缸(圖3)，行程為125mm，工作氣壓為0.1～0.6 MPa，尺寸為175 mm×25 mm×80 mm。割刀氣缸行程為20 mm，工作氣壓為0.1～0.6 MPa，尺寸為66 mm×17 mm×42 mm。為保證粗細(xì)不一的秧苗莖稈切割時(shí)的完整性，刀片刃長(zhǎng)不宜過短，此處設(shè)計(jì)為20mm，刀刃厚2mm。根據(jù)農(nóng)藝切割要求，刀片安裝角度相對(duì)于秧苗莖長(zhǎng)方向傾斜30°(圖4)。在刀片正下方裝有與刀片參數(shù)相配合的切割臺(tái)，切割時(shí)為避免割刀固定板和割臺(tái)發(fā)生碰撞干涉，割臺(tái)設(shè)計(jì)有長(zhǎng)孔可上下浮動(dòng)安裝。

圖4 秧苗切割機(jī)構(gòu)

嫁接機(jī)采用半自動(dòng)作業(yè)方式，需要人工將秧苗按照特定姿態(tài)放置于操作臺(tái)上，然后觸發(fā)傳感器來(lái)啟動(dòng)后續(xù)夾持、切削、推送等工序。具體工作步驟為：操作員確定砧木切割部位，將其平放在砧木操作臺(tái)的光電開關(guān)卡槽里以觸發(fā)開關(guān)，之后夾子夾持砧木苗，割刀垂直完成切割，推桿將砧木向前推送。以同樣的工序完成接穗苗的放置、夾持、切割，然后推桿向前推送接穗苗，使其與砧木進(jìn)行對(duì)接貼合。最后，人工使用夾子完成砧木—接穗固定，然后夾子松開，操作員取走嫁接苗，割刀、推桿全部復(fù)位，等待下一次嫁接操作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)方面，本機(jī)設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。與電動(dòng)推桿、絲桿等元器件相比，氣動(dòng)系統(tǒng)具有動(dòng)作迅速、平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，且控制簡(jiǎn)單[17]，氣動(dòng)系統(tǒng)需要4個(gè)雙桿氣缸和2個(gè)氣動(dòng)夾。其中氣動(dòng)夾用于夾持秧苗，夾持力42 N。氣缸用于砧木、接穗切削和推送對(duì)接，其中推送氣缸推力為196 N，割刀氣缸推力為82 N。每個(gè)氣動(dòng)元器件裝有2個(gè)單向節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié)氣缸伸縮速度。為了實(shí)現(xiàn)嫁接機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)，使用6個(gè)二位五通電磁閥對(duì)氣缸進(jìn)行控制。氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖5所示，根據(jù)各個(gè)氣動(dòng)元件的工作氣壓要求，以及不同氣壓下的氣缸工作效果測(cè)試結(jié)果，確定系統(tǒng)的額定工作氣壓為0.60～0.65 MPa。

圖5 氣動(dòng)系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，需要根據(jù)信號(hào)輸入，按照作業(yè)流程進(jìn)行指令輸出，以驅(qū)動(dòng)繼電器和電磁閥開閉，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)元件按預(yù)定時(shí)序動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)硬件包括中央控制單元、輸入模塊、輸出模塊和電路保護(hù)元件4部分。PLC內(nèi)部集成的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器及觸點(diǎn)大大減少了電氣元件的使用，降低接線的復(fù)雜度[18]。綜合考慮嫁接機(jī)工作方式、開發(fā)周期、I/O口數(shù)量等因素后選用歐姆龍PLC(CP1E-E40SDR-A)作為中央控制單元。該控制器有24個(gè)輸入端口和16個(gè)輸出端口，工作電壓為110～220 V。電路設(shè)計(jì)如圖6所示，220 V電源經(jīng)過斷路器后給PLC控制器供電，并通過變壓器降壓為24 V后為其他元器件供電。PLC輸入端與輸入模塊連接，主要為光電開關(guān)、磁性開關(guān)及按鈕，傳感器工作電壓為24 V。輸出端與輸出模塊連接，包括工況指示燈、中間繼電器和電磁閥。中間繼電器與電磁閥連接，起遠(yuǎn)程開關(guān)作用，基于PLC通斷信號(hào)控制電磁閥的開閉。表1為PLC端口分配情況。

表1 PLC輸入輸出端口分配Tab. 1 PLC input and output port allocation

圖6 電路設(shè)計(jì)接線示意

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用梯形圖編譯程序，使用CX-Programmer軟件編寫、調(diào)試和下載程序模塊。根據(jù)檢測(cè)內(nèi)容需求和系統(tǒng)工作運(yùn)行要求，程序編寫采用模塊化設(shè)計(jì)思想。嫁接機(jī)控制流程如圖7所示。

工作時(shí)打開啟動(dòng)按鈕，U型槽光電開關(guān)1開始檢測(cè)卡槽處是否有接穗苗，若沒有接穗苗則重復(fù)進(jìn)行檢測(cè)，若有接穗苗則輸出控制信號(hào)接通中間繼電器，進(jìn)而控制電磁閥使氣動(dòng)夾1閉合；閉合動(dòng)作觸發(fā)割刀磁性開關(guān)，以相同原理驅(qū)動(dòng)割刀1氣缸垂直向下伸出進(jìn)行剪切后立即縮回；剪切動(dòng)作繼而觸發(fā)推送氣缸磁性開關(guān)，推桿氣缸1伸出將切削好的秧苗推向中間。此時(shí)，U型槽光電開關(guān)2檢測(cè)卡槽處是否有砧木苗，按照同樣的流程控制氣動(dòng)夾2閉合，割刀氣缸2和推桿氣缸2伸出。在推桿氣缸1和推桿氣缸2均伸出時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)5 s，等待人工固定；定時(shí)器時(shí)間到，夾子1和夾子2 張開，推桿1、推桿2縮回，嫁接流程完畢，系統(tǒng)全部復(fù)位，進(jìn)行下一輪檢測(cè)。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)材料與方法

為驗(yàn)證臥式蔬菜嫁接機(jī)工作效率和性能，對(duì)其進(jìn)行嫁接測(cè)試。嫁接機(jī)工作電壓220 V，氣壓0.6 MPa。試驗(yàn)對(duì)象為茄子秧苗，平均株高18 cm，長(zhǎng)勢(shì)均勻、健康。將60株秧苗隨機(jī)分成3組，在熟練操作下進(jìn)行嫁接試驗(yàn)。記錄每組秧苗完成嫁接所需的時(shí)間，并將其轉(zhuǎn)換為嫁接效率(株/h)。每組測(cè)試完成后統(tǒng)計(jì)嫁接苗成功數(shù)量和損傷數(shù)量。嫁接成功的具體技術(shù)要求為砧木—接穗緊密貼合；嫁接苗無(wú)明顯損傷；夾子固定緊密，嫁接苗無(wú)明顯錯(cuò)位[19]。損傷主要查看砧木和接穗是否出現(xiàn)莖稈壓扁、傷殘等情況。

嫁接機(jī)操作過程中共2人參與，其中1人操作嫁接機(jī)，1人負(fù)責(zé)供給砧木和接穗，并運(yùn)走嫁接苗。

3.2 結(jié)果與分析

測(cè)試完成后計(jì)算每組試驗(yàn)的嫁接效率、嫁接成功率和秧苗損傷率，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。成功率為秧苗嫁接成功的數(shù)量占總嫁接苗數(shù)量的比率，損傷率為損傷秧苗數(shù)量占總嫁接苗數(shù)量的比率。

表2 嫁接機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistics of grafting machine

由表2可知，本文提出的臥式蔬菜嫁接機(jī)平均作業(yè)效率為348株/h，平均嫁接成功率為93.3%，損傷率為0%，說明該嫁接機(jī)工作性能較為穩(wěn)定，對(duì)秧苗無(wú)損傷，可滿足實(shí)際作業(yè)需求。

完成嫁接機(jī)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制后，對(duì)其成本進(jìn)行核算。其中直接材料費(fèi)用4 500元，直接人工費(fèi)用 15 000 元，制造費(fèi)用800元，輔助生產(chǎn)費(fèi)用450元，總設(shè)計(jì)成本為20 750元。與市場(chǎng)現(xiàn)有嫁接機(jī)相比，臥式嫁接機(jī)成本顯著降低，可為中小型育苗基地和種苗生產(chǎn)農(nóng)戶節(jié)省生產(chǎn)成本。

本文設(shè)計(jì)的蔬菜嫁接機(jī)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，工作氣壓一定程度上決定了割刀切割速度的快慢和動(dòng)作的剛?cè)岫龋懈钏俣瓤炻c動(dòng)作剛?cè)岫葧?huì)影響秧苗莖稈切面的平整度，這對(duì)砧木—接穗貼合效果和嫁接苗的成活率有影響，而此次試驗(yàn)主要測(cè)試了嫁接機(jī)的效率和性能，沒有研究不同工作氣壓下的秧苗切割面平整度情況，因此這是未來(lái)工作重點(diǎn)。另外，刀片切入角決定了其受力特征，不同的切入角將產(chǎn)生什么樣的秧苗切割效果？斜接法的秧苗斜切角度決定砧木—接穗拼接時(shí)公共區(qū)域長(zhǎng)度，該區(qū)域最佳長(zhǎng)度為多少時(shí)可以保證砧木和接穗貼合的面積最大，從而提高嫁接苗成活率？同時(shí)，砧木—接穗拼接的公共區(qū)域長(zhǎng)度對(duì)人工用夾子一次完成固定動(dòng)作的成功率有何影響？這些知識(shí)目前仍然未知，因此下一步工作亟需圍繞這些方面展開研究，以填補(bǔ)理論知識(shí)空白，進(jìn)一步提升嫁接機(jī)性能。

4 結(jié)論

1) 采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC控制方式實(shí)現(xiàn)蔬菜秧苗的自動(dòng)夾持、切割和對(duì)接動(dòng)作。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，嫁接機(jī)平均作業(yè)效率為348株/h，平均嫁接成功率為93.3%，嫁接苗零損傷。

3) 該機(jī)工作性能穩(wěn)定可靠，總成本與市場(chǎng)現(xiàn)有嫁接機(jī)相比顯著降低，因此可為中小型育苗基地和種苗生產(chǎn)農(nóng)戶提供技術(shù)支撐的同時(shí)節(jié)省生產(chǎn)成本，同時(shí)為農(nóng)業(yè)機(jī)械化輔助裝置的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。