頂芽斜插瓜類嫁接裝置關(guān)鍵機構(gòu)的研究

梁 玉，韋鴻鈺，馬稚昱※

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電學(xué)院，廣州 510225）

頂芽斜插瓜類嫁接裝置關(guān)鍵機構(gòu)的研究

梁 玉1，韋鴻鈺2，馬稚昱2※

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電學(xué)院，廣州 510225）

頂芽斜插法嫁接是瓜類蔬菜嫁接生產(chǎn)中常用的一種方法，其特點是操作簡單、不需要夾持固定物、成活率高，也是實現(xiàn)瓜類蔬菜機械化嫁接的一種理想方法。本研究通過對頂芽斜插嫁接法的操作過程及工藝要求進(jìn)行研究分析，對實現(xiàn)瓜類蔬菜頂芽斜插機械化嫁接的關(guān)鍵機構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了實驗研究，確定了砧木和接穗夾口部位的結(jié)構(gòu)形狀尺寸；砧木打孔簽為1.80mm的圓錐形時，插孔形狀整齊、清楚、無毛刺；接穗切削角度為20°時，切削面長度適中且具有一定的剛性，插入砧木插孔內(nèi)的成功率比較高。在上述研究基礎(chǔ)上完成了頂芽斜插嫁接機的關(guān)鍵機構(gòu)的設(shè)計，包括砧木和接穗夾持機構(gòu)、砧木打孔機構(gòu)、接穗切削機構(gòu)，這些機構(gòu)在人工上苗后可以實現(xiàn)砧木的夾持，砧木子葉的展平壓平、打孔和接穗的上苗、夾持、切削，及砧木和接穗的插接作業(yè)。

頂芽斜插法 瓜類蔬菜 嫁接機 機械化

0 引言

瓜類蔬菜的頂芽斜插嫁接法具有方法簡單、操作易行、不需要夾持固定物、砧木與接穗結(jié)合緊密、嫁接成活率高的特點，因此在傳統(tǒng)的瓜類蔬菜人工嫁接中得以普遍采用[1-4]，也是實現(xiàn)瓜類蔬菜機械化嫁接的一種非常理想的方法。本研究在對頂芽斜插嫁接工藝要求和操作方法研究的基礎(chǔ)上，對實現(xiàn)瓜類頂芽斜插嫁接裝置的關(guān)鍵機構(gòu)進(jìn)行了試驗研究。

1 頂芽斜插嫁接方法

圖1 頂芽斜插法嫁接示意圖

頂芽斜插法在瓜科蔬菜嫁接中廣泛應(yīng)用[5-8]，其手工的操作過程如圖1所示。①去除砧木生長點：用插扦尾平切掉砧木生長點，留下生長點以下的部分，使其形成“平臺”狀，同時抹掉腋芽。②砧木打孔：用左手指輕捏砧木子葉節(jié)部位，右手拿插扦，沿著子葉平行方向，輕抵在“平臺”外右腳部位，與砧木子葉平行方向成40～45°角，然后以插扦扦

頭和“外右角部位”為原點，再向懷外轉(zhuǎn)40～45°角。位置選好后，從“外右角部位”斜向懷中扎孔并扎通，扦頭露出的位置正好在左側(cè)子葉環(huán)下方。③接穗切削：用刀片在距離接穗苗生長點下方5～8mm處，以20～25°角雙斜面切成楔形，切口長6～7mm。④砧木和接穗插接：將切好的接穗，沿著砧木插孔插入，下端露出1mm左右，使砧穗的切口密切結(jié)合。

基于上述頂芽斜插操作流程的描述可以發(fā)現(xiàn)，在頂芽斜插工作過程中，要注意避免以下幾點：一是避免插接時破壞砧木子葉，因此插孔時插扦插入點必須在生長點內(nèi)部；二是避免接穗插入髓腔，而導(dǎo)致接穗產(chǎn)生自生根，造成嫁接失??；三是保證接穗插入砧木生長點內(nèi)后，砧木與接穗接合面長度盡可能長，以增大砧木和接穗愈合接觸面的面積，提高嫁接苗愈合成活率。因此，要實現(xiàn)頂芽斜插法的機械化嫁接，對嫁接裝置的要求：一是作業(yè)速度要快，以防止砧木和接穗的傷口暴露時間過長，不利于傷口愈合；二是作業(yè)精度要高，準(zhǔn)確插入到砧木左右生長點之間，避免損傷子葉及插入髓腔內(nèi)部?？紤]到我國農(nóng)民實際經(jīng)濟能力和需求能力，本研究所設(shè)計開發(fā)的頂芽斜插嫁接機定位于：以主要滿足普通蔬菜種植農(nóng)戶使用的需求為主；作業(yè)對象以瓜科蔬菜為主，砧木為瓜科嫁接常用品種南瓜和瓠瓜，接穗為黃瓜和西瓜。

2 斜插式嫁接機關(guān)鍵機構(gòu)的研究

根據(jù)對嫁接機使用和定位要求，本研究設(shè)計的嫁接機采用人工上苗，自動完成夾持、打孔、切削及插接，實現(xiàn)頂芽斜插的機械化嫁接作業(yè)。具體為：①砧木、接穗苗的夾持供給。操作者將砧木、接穗苗放到指定夾口位置，完成砧穗的夾持固定，并完成砧木子葉的展開、壓平。②砧木插孔機構(gòu)。從砧木右生長點外側(cè)沿45°方向向左下方斜插，從砧木左側(cè)子葉環(huán)下方露出，完成砧木插扦打孔作業(yè)。③接穗的切削機構(gòu)。完成接穗的下胚軸切削，刀片的切削角度及切削速度可以調(diào)節(jié)。④砧木與接穗結(jié)合機構(gòu)。將切削好的接穗沿插孔插入砧木生長點內(nèi)部，完成砧木和接穗的插接作業(yè)，獲得成功的嫁接苗。

本機采用氣動為主、電動為輔，控制系統(tǒng)以PLC為控制器，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，提高工作效率，其結(jié)構(gòu)框架圖見圖2。

圖2 斜插嫁接裝置系統(tǒng)框圖

2.1 夾持機構(gòu)的分析

圖3 砧木夾持機構(gòu)

夾持機構(gòu)的主要功能是在人工將砧木和接穗放入夾口部位后，自動完成夾持和展開并壓平子葉，并為后續(xù)操作做好準(zhǔn)備。砧木夾持機構(gòu)如圖3所示，是由砧木夾持和砧木壓苗機構(gòu)組成，人工去除生長點后將苗放入夾頭2內(nèi)，在氣缸驅(qū)動下砧木夾持機構(gòu)完成砧木夾持，然后壓苗片向下運動將砧木子葉展開并壓平，為后續(xù)砧木打孔做好準(zhǔn)備。接穗夾持機構(gòu)如圖4所示，是由接穗手爪和驅(qū)動裝置組成，人工將接穗苗放到接穗夾口內(nèi)，在氣缸驅(qū)動下完成

對接穗的夾持，為后續(xù)接穗切削做好準(zhǔn)備；驅(qū)動裝置采用2個氣爪構(gòu)成，將切好后的接穗送到砧木接穗對插工位為后續(xù)的砧木和接穗插接作業(yè)做好準(zhǔn)備。

圖4 接穗夾持機構(gòu)

砧木夾持機構(gòu)在頂芽斜插嫁接作業(yè)中非常重要，需要保證斜插作業(yè)過程中對砧木苗夾持的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，特別是在對砧木進(jìn)行打孔時，如果砧木苗夾持不穩(wěn)定，向上偏移會導(dǎo)致插扦容易進(jìn)入髓腔，引起接穗苗在愈合過程中產(chǎn)生自生根，嫁接失敗；如果向下偏移會導(dǎo)致插扦扎破砧木子葉，損壞子葉。因此在砧木和接穗夾持機構(gòu)的夾口部位設(shè)計過程中，如圖5a和5b所示，采用仿形設(shè)計即模仿砧木和接穗子葉節(jié)處形狀，將砧木夾口和接穗夾口設(shè)計成傾角為45°斜面，并粘貼彈性軟子墊片，一方面避免損傷砧木和接穗子葉和下胚軸表面，另一方面通過墊片的彈性收縮以適應(yīng)砧木及接穗下胚軸直徑的不一致性。

圖5 砧穗夾持手爪結(jié)構(gòu)

基于對瓜類蔬菜常用砧木苗（南瓜、瓠瓜）和接穗苗（西瓜、黃瓜）幾何參數(shù)的測量，得到在嫁接適宜期間內(nèi)，砧木下胚軸長軸平均直徑為3.503± 0.320mm，短軸平均直徑為2.700±0.270mm；接穗苗下胚軸長軸平均直徑為1.869±0.028mm，短軸平均直徑為1.436±0.022mm。因此將砧木夾口直徑設(shè)計為4.500mm，接穗夾口直徑為2.500mm，并經(jīng)過試驗驗證不同的彈性材料對幼苗下胚軸的影響，最后確定在夾口表面粘貼EVA膠墊夾頭[9，10]，可以保證在夾持過程中莖稈的最大抗拉力較大，同時又可以避免對莖稈造成損傷。

2.2 砧木打孔機構(gòu)的分析

砧木上苗夾持后，砧木打孔機構(gòu)完成砧木打孔作業(yè)，如圖6a所示該機構(gòu)的驅(qū)動部件為下插雙導(dǎo)桿氣缸，具有導(dǎo)向精度高、能抗扭矩、負(fù)載能力強、工作平穩(wěn)、組裝簡單方便的特點。砧木打孔作業(yè)過程中主要工作部件是插扦，對其要求是前端平直銳利、無毛刺、易清理消毒、不變形，因此在本研究中選擇了銅桿作為插扦材料，并對插扦尖部形狀進(jìn)行了研究。

圖6 砧木打孔機構(gòu)示意圖

根據(jù)斜插嫁接操作工藝要求：打孔作業(yè)過程中要一次性完成打孔，且在砧木生長點處形成的插孔要清晰、無毛茬。因此本研究中結(jié)合人工嫁接作業(yè)過程中農(nóng)戶常用插扦的形狀設(shè)計并加工了2種插扦，如圖6b所示為人工嫁接常采用的楔形，其寬度為1.8mm，尖部鋒利；圖6c所示插扦頭部形狀為鋒利圓錐形尖角，其上部直徑為1.8mm。利用這2種插扦，分別進(jìn)行了插扦打孔試驗。實驗對象選擇了瓜科嫁接常用砧木黑籽南瓜和瓠瓜，進(jìn)行打孔作業(yè)，并利用電子顯微鏡對每次打孔后砧木生長點的成孔

部位進(jìn)行了背投光源觀測，并進(jìn)行成孔部位的圖像采集，如圖7所示。圖7a所示的楔形插扦形成的孔近似為半橢圓形、透光成孔面積較??；圖7b所示的是采用圓錐形插扦形成的插孔，形狀為近似圓形，周邊整齊、透光成孔的面積較大。因此在打孔機構(gòu)中，我們采用了圖6c所示的圓錐形插扦。

采用頂芽斜插進(jìn)行嫁接，要求插扦沿著子葉平行方向，輕抵在“平臺”外右腳部位，與砧木子葉平行方向成40～45°角，然后以插扦扦頭和“外右角部位”為原點，再向懷外轉(zhuǎn)40～45°角。位置選好后，從“外右角部位”斜向懷中扎孔并扎通，扦頭露出的位置正好在左側(cè)子葉環(huán)下方，其穿透砧木表皮露出1mm，能看到插扦尖端而未插透為最佳，并且插扦要在砧木插孔內(nèi)停留一小段時間，確保插孔定型。因此本機構(gòu)中選擇插簽角度為45°，插入后通過程序控制插扦停留1 s后，拔出插扦，完成打孔作業(yè)。

2.3 接穗切削機構(gòu)的分析

接穗切削機構(gòu)主要功能是完成對接穗下胚軸斜切作業(yè)，即對被穩(wěn)定夾持住的接穗下胚軸進(jìn)行斜切。在頂芽斜插操作中對接穗切削的要求是：切口平整、去毛刺且不留表皮、不能打彎、切削面盡可能大，以增大砧木和接穗結(jié)合面的面積，提高砧木和接穗愈合率。因此在本機構(gòu)中采用了橫向滑切方式進(jìn)行切削，結(jié)構(gòu)仿真圖如圖8所示。機構(gòu)由針式氣缸驅(qū)動，并設(shè)計了走刀槽，為接穗下胚軸的切削起支撐作用，同時也起引導(dǎo)切刀的作用。嫁接作業(yè)中，接穗切口面面積越大，越有利于增加接穗苗和砧木苗貼合面的維管束接通數(shù)量，越有利于提高砧木和接穗的愈合率；為了保證接穗順利插入砧木，要求接穗切口具有一定的強度，而當(dāng)切削角過小時，會降低切削面強度，造成接穗苗下胚軸彎曲，導(dǎo)致砧木和接穗插接失敗。因而在本研究中設(shè)計了3種走刀槽（圖9），切削角度分別為10°，20°和30°，進(jìn)行了接穗苗切削實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削角度為20°時，接穗苗下胚軸切削面的長度平均值為7.539±0.189mm，接穗成功插入砧木插孔的機率可達(dá)到93%；而當(dāng)切削角為10°時，切削面長度雖然增大，但是插接成功率僅為71.9%；當(dāng)切削角度為30°時，接穗切削面長度減小平均為 6.16±0.17mm，而插接成功率為95.6%。因此，本設(shè)計中選擇接穗切削角度20°。

圖7 不同插扦形成插孔效果對比

圖8 接穗切削機構(gòu)

圖9 接穗切削刀槽角度

3 整機實驗驗證

為了驗證上述嫁接機構(gòu)的合理性，在上述分析基礎(chǔ)上構(gòu)建了頂芽斜插嫁接試驗裝置，并以黑籽南瓜和黃瓜為嫁接對象進(jìn)行頂芽斜插嫁接試驗。

3.1 實驗方法

3.1.1 嫁接幼苗的準(zhǔn)備

黑籽南瓜要比黃瓜提前6～8 d，當(dāng)砧木幼苗子葉展開并露出第一片真葉，接穗黃瓜幼苗子葉展平、新葉露尖時開始進(jìn)行機械化嫁接作業(yè)。

3.1.2 嫁接方法

根據(jù)第2節(jié)研究結(jié)果確定斜插嫁接裝置的斜插角度確定為45°，打孔簽的形狀確定為圓錐形。嫁接裝置采用PLC為控制器，控制流程圖如圖10所示，具體步驟如下：首先啟動嫁接機，然后將去掉生長點的砧木苗放到砧木夾持機構(gòu)上，砧木夾持機構(gòu)自動夾持住砧木下胚軸后，壓苗片將子葉展開壓平；同時將接穗黃瓜苗放到接穗夾持機構(gòu)上并夾持，然后接穗切削機構(gòu)對接穗進(jìn)行切削；接穗切削的同時，砧木打孔機構(gòu)完成砧木打孔作業(yè)，打孔簽留在孔內(nèi)保持不動1 s后，將砧木打孔簽拔出，然后接穗夾持輸送機構(gòu)將切削好的接穗送到砧穗結(jié)合工位與完成打孔作業(yè)的砧木進(jìn)行插接作業(yè)，最后將接苗取出，并移栽到事先預(yù)備好的穴盤內(nèi)，并把穴盤搬入嫁接愈合室內(nèi)進(jìn)行愈合栽培。嫁接所有工作由1人獨立完成。

圖10 斜插自動嫁接機控制系統(tǒng)流程圖

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 對插效果分析

在100組插接試驗中，完全插入的有92組，即插入成功率為92%。且根據(jù)觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致插接失敗的原因有以下幾點：①接穗下胚軸本身彎曲、偏斜造成插入失?。虎诮铀肭邢鬟^程中切刀沖擊力過大，造成接穗下胚軸偏斜。③雖然接穗成功插入砧木，但在壓苗片打開時將接穗苗帶出，造成失敗，需要進(jìn)一步改善壓苗機構(gòu)。

3.2.2 砧木與接穗結(jié)合效果分析

圖11是利用嫁接裝置進(jìn)行嫁接后得到的嫁接苗。從圖11可以發(fā)現(xiàn)，砧木和接穗嫁接穩(wěn)固性很好，接穗苗插接位置準(zhǔn)確到位，接穗沿砧木子葉邊緣插入砧木生長點插孔內(nèi)，并從對面子葉下方伸出，且接穗下端露出砧木下胚軸表皮1mm左右，砧木與接穗切口密切結(jié)合，同時砧木子葉加強了對接穗的支撐，提高了接穗苗的穩(wěn)定性。

圖11 利用斜插嫁接機獲得的嫁接苗

3.2.3 嫁接苗愈合情況分析

將嫁接苗放入愈合人工氣候室內(nèi)，愈合室內(nèi)溫度控制在25°，相對濕度在95%，光源采用弱紅色光源。保證接穗從切削到移入愈合室內(nèi)不萎蔫。1周后觀察嫁接苗的成活率，結(jié)果顯示經(jīng)過開發(fā)的頂芽斜插嫁接裝置進(jìn)行嫁接作業(yè)，嫁接苗的成活率可達(dá)90%。

4 小結(jié)

1）本研究對斜插嫁接裝置中的關(guān)鍵機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及參數(shù)分析，包括砧木和接穗苗的夾持、打孔、切削、插接作業(yè)機構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行研究分析。

2）經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)砧木打孔扦形狀選擇直徑為

1.8mm圓錐形，且插入后停留1 s有利于砧木插孔孔型的穩(wěn)定；接穗切削采用20°切削角時可以獲得切削面比較大且具有一定強度的接穗切削平面，提高砧木和接穗的插接成功率。

3）研究設(shè)計的斜插式嫁接裝置具有斜插法嫁接的優(yōu)點，又克服了直插法接穗易脫落問題的，不需要任何夾持固定物，簡化機構(gòu)，節(jié)省了后續(xù)工序，具有重要的實用價值。

4）初步嫁接實驗結(jié)果表明，研究設(shè)計的斜插裝置的嫁接成功率達(dá)92%，但目前還有些具體問題和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計還有待進(jìn)一步解決和完善，以進(jìn)一步提高嫁接裝置的穩(wěn)定性和成功率。

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Study on the Key Mechanism in Cucurbits Grafting Machine for Hole Inserting Grafting

Liang Yu1， Wei hongyu2， Ma zhiyu2※
(Modern Agricultural Equipment of Guangdong Province，Guangzhou，510630;ZhongKai University of Agriculture and Engineering，F(xiàn)aculty of Mechanica and Electrical Engineering,Guangzhou 510225,China)

The hole-insertion grafting is a mainly grafting method of vegetable seedling production,it is characterized by simple operation,does not need clamp with high survival rate.So the method is an ideal method for achieve the mechanization grafting.This paper researches structure and parameter of the key actuator for the hole-insertion grafting machine on the analysis of operation process and technological requirements of hole-inserting grafting method.The structure and size of the clamping device of rootstock and scion were determine;when the punch pin of rootstock is cone-shaped and it’s diameter is 1.8mm,the punch hole is neat without burrs;when the scion cutting angle is 20°,the surface has certain rigidity and the success rate of grafting can reach a high level.On the basis of the above,the hole-insertion grafting machine was designed, and includes rootstock and scion clamping,rootstock punching,and scion cutting.After artificial seedling,the machine can achieve rootstock seedling clamping,flat the rootstock cotyledon,punching,the scion seedling clamping,cutting,and plugging into rootstock.

Hole-inserting,Grafting,Grafting machine,Mechanization

2012年廣東省扶持農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展專項課題：瓜類蔬菜機械化嫁接加工技術(shù)集成與示范（項目編號KB12061）

作者介紹：梁玉（1974-），女（漢），廣東，工程師，機電工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)機械推廣。

※通訊作者：馬稚昱（1974-），女（漢），黑龍江，副研究員，博士，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備研究。廣東省仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電學(xué)院，510225。Email:mazhiyu2002@hotmail.com