嫁接用大粒種子定向播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

孔艷山，張鐵中，褚 佳，張立博，張文波，劉 展

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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嫁接用大粒種子定向播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

孔艷山，張鐵中，褚 佳，張立博，張文波，劉 展

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

設(shè)施園藝中嫁接機(jī)進(jìn)行嫁接時(shí)對(duì)苗木的要求較高，需要人工調(diào)整苗木子葉方向，導(dǎo)致嫁接效率低下、勞動(dòng)生產(chǎn)成本較高。為此，設(shè)計(jì)了一種可以定向種子長(zhǎng)軸方向使長(zhǎng)出子葉排列方向一致的定向播種機(jī)構(gòu)，并對(duì)振動(dòng)種盤機(jī)構(gòu)、取送種機(jī)構(gòu)、種子定向機(jī)構(gòu)及整體框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用歐姆龍的CPM1A型PLC控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：其工作性能優(yōu)良，可以大幅度提高播種效率。

振動(dòng)種盤；定向播種；仿形刮板；PLC控制

0 引言

改革開放以來(lái)， 隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，我國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展迅猛，呈現(xiàn)出生產(chǎn)面積快速增加、作物種類逐步增多、設(shè)施類型日趨多樣及管理水平逐漸提高的好勢(shì)頭[1]；但設(shè)施園藝生產(chǎn)存在連作障礙問(wèn)題，即連續(xù)種植容易造成土壤中病蟲基數(shù)積累，形成土壤傳播病害，最終導(dǎo)致蔬菜生產(chǎn)質(zhì)量的下降。采用蔬菜嫁接育苗技術(shù)可以有效地防治土壤傳播的病害，且嫁接后的秧苗抗逆性和產(chǎn)量都得到很大提高，對(duì)蔬菜品質(zhì)基本沒有不良影響。因此，蔬菜嫁接技術(shù)已成為一項(xiàng)無(wú)公害、增產(chǎn)、節(jié)能的創(chuàng)收技術(shù)，得到廣泛推廣，特別是對(duì)耕地面積小難以實(shí)現(xiàn)輪作的地區(qū)和設(shè)施栽培地更為適合[2]。傳統(tǒng)手工嫁接勞動(dòng)生產(chǎn)率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)成本高且嫁接成活率低，已經(jīng)不能適應(yīng)設(shè)施園藝技術(shù)的快速發(fā)展，嫁接機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[3-6]。在嫁接機(jī)嫁接過(guò)程中，需要用嫁接機(jī)砧木切削機(jī)構(gòu)和穗木切削結(jié)構(gòu)分別切去砧木苗的一片子葉和穗木苗的一段莖稈。為了準(zhǔn)確切除砧木苗的子葉，要保證將砧木子葉展開的方向朝向嫁接機(jī)切刀刀口，因此現(xiàn)有嫁接機(jī)在作業(yè)中一般是由人工供苗，使砧木子葉方向達(dá)到上述要求。瓜科全自動(dòng)嫁接機(jī)器人無(wú)需人工供苗，提高了嫁接勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。與需人工送苗的半自動(dòng)嫁接機(jī)相比，雖有很大的技術(shù)進(jìn)步，但它對(duì)砧木子葉張開方向的一致性具有較高的要求，即需要砧木子葉的展開方向基本一致；而影響砧木子葉生長(zhǎng)方向的關(guān)鍵因素，就是播種時(shí)的南瓜籽(包括云南黑籽南瓜、白籽南瓜)等大粒種子在穴盤播種時(shí)的籽粒方向。

為此，設(shè)計(jì)了一種嫁接用種子定向播種機(jī)構(gòu)，主要用于調(diào)整播種時(shí)種子長(zhǎng)軸的排列方向，以達(dá)到長(zhǎng)出的幼苗葉片方向一致的目的。

1 整體結(jié)構(gòu)

嫁接用種子定向播種機(jī)構(gòu)主要由振動(dòng)種盤、取送種及種子定向等機(jī)構(gòu)組成。振動(dòng)種盤機(jī)構(gòu)采用直線振動(dòng)器，振動(dòng)頻率可以通過(guò)速度控制器調(diào)節(jié)，其他運(yùn)動(dòng)采用氣缸驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采用歐姆龍公司的CPM1A微型PLC。工作時(shí)，其能一次性完成供種、送種、播種及種盤傳動(dòng)等過(guò)程。播種機(jī)構(gòu)采用單套振動(dòng)種盤搭配兩套種子定向機(jī)構(gòu)，播種效率是單套種盤配單套定向機(jī)構(gòu)的兩倍，從而降低了能源消耗，大幅度提高了播種效率。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)種盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

振動(dòng)種盤的主要功能是供種并通過(guò)振動(dòng)方式補(bǔ)充種子被吸附后所產(chǎn)生的空缺。種子采用真空吸盤吸附方式，種盤機(jī)構(gòu)上的種子被吸附后會(huì)產(chǎn)生一定的空缺，采用輕微振動(dòng)種盤的方式可以有效解決吸附后種子空缺問(wèn)題。為了使吸盤吸附種子方便，達(dá)到更加均勻穩(wěn)定的供種效果，設(shè)計(jì)了V型種盤，如圖2所示。V型種盤的種堆呈上寬下窄形狀，加大了種堆上部的寬度，使種堆緊湊地排列成一列，采用可以通過(guò)速度控制器調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率的直線振動(dòng)器，可以隨時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。

為了使種堆表面較為平整且種子都聚集在V型種盤的底部，有利于吸盤對(duì)種子的吸附，本設(shè)計(jì)采用折彎角α=140°。

1.穴盤 2.取送種機(jī)構(gòu) 3.V型振動(dòng)種盤 4.機(jī)架 5.仿形刮板 6.墊板

圖2 V型板

2.2 種子定向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

大粒南瓜種子大至呈橢圓狀，尖端部分為種子發(fā)芽時(shí)的破殼出口，如圖3所示。為保證后期嫁接作業(yè)的全自動(dòng)化，要求嫁接用苗的子葉展開方向一致。通過(guò)種子育苗試驗(yàn)可知：只要保證種子的長(zhǎng)軸方向在穴盤中基本一致，無(wú)論芽口朝左還是朝右，都能較好地實(shí)現(xiàn)幼苗子葉展開方向的一致性，如圖4所示。

外形輪廓貼合原理：南瓜等種子外形為橢圓形，與種子長(zhǎng)軸垂直的弧面較尖銳，且距離種子重心較遠(yuǎn)，該尖銳弧面與其他面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，利用種子與長(zhǎng)軸和短軸垂直的兩側(cè)的不同弧度和重心趨穩(wěn)特點(diǎn)，就可以使其長(zhǎng)軸保持在一定的方向上。本研究設(shè)計(jì)了一圓孔，將種子放置于該圓孔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)圓孔進(jìn)行幾次來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)之后，種子的短軸弧邊就會(huì)與圓孔的弧邊貼合，從而使所有種子的長(zhǎng)軸都處于同一方向，如圖5所示。

圖3 大粒南瓜種子

圖4 育子育苗試驗(yàn)圖

圖5 種子定向效果圖

該種子定向的方法能夠簡(jiǎn)便地將種子的長(zhǎng)軸方向處理為同一方向，保證了種子出芽后其子葉展開方向的一致性。 若將定向板制成適合整盤穴盤的規(guī)格，按此方法可同時(shí)對(duì)整盤待播種子進(jìn)行定向排列，達(dá)到高效率的整盤播種流程。

設(shè)計(jì)的種子定向機(jī)構(gòu)由仿形刮板、墊板和驅(qū)動(dòng)氣缸組成。在刮板和墊板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，刮板采用仿形結(jié)構(gòu)可以從各個(gè)方向?qū)ΨN子進(jìn)行約束，有效提高定向效率。墊板用來(lái)支撐仿形刮板和氣缸等零件的質(zhì)量，需要墊板具有較大的強(qiáng)度和硬度，不能在工作過(guò)程中產(chǎn)生變形和運(yùn)動(dòng)。另外，種子掉落過(guò)程中下落的距離不能太大，否則容易在下落的時(shí)候發(fā)生方向的改變從而導(dǎo)致長(zhǎng)軸方向不同，因此墊板的厚度要盡可能地小。綜合考慮，墊板的材料選用不銹鋼板較為合適，能滿足上述所需的要求。氣缸行程分別設(shè)計(jì)為a和A，且a小于A，并將a行程氣缸固定在A行程氣缸推桿上，工作過(guò)程如圖6所示。其中，a行程氣缸伸出并收回，將種子在刮板上的位置和方向調(diào)整好；然后A行程氣缸伸出，刮板孔的行程超過(guò)墊板的長(zhǎng)度，種子從刮板孔落入穴盤，A行程氣缸收回，一個(gè)行程結(jié)束。

圖6 A行程氣缸工作過(guò)程

將種子的外形近似看作兩條對(duì)稱的曲線圍成的密閉圖形，隨機(jī)取100粒種子，測(cè)量組成每粒種子的曲線的曲率半徑(mm)，結(jié)果如表1所示。

表1 種子的曲率半徑 mm

續(xù)表1

2.3 取送種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

氣吸式播種具有易于實(shí)現(xiàn)單粒定株距、精確播種、苗齊、節(jié)省種子及作業(yè)速度高等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)作物精量播種中應(yīng)用廣泛。取種機(jī)構(gòu)主要由真空泵、外部先導(dǎo)式電磁閥及真空吸盤等構(gòu)成。真空泵通過(guò)氣路向真空吸盤提供負(fù)壓，形成吸盤與種子表面的氣流壓力差產(chǎn)生吸力[7-10]。

本機(jī)構(gòu)選用德國(guó)SCHMALZ圓形波紋吸盤2.5折通用型，能適合不同形狀和尺寸的種子，接觸種子時(shí)有良好的緩沖性能，對(duì)曲面的種子表面形狀有較好的適用性。在對(duì)吸盤固定時(shí)，采用將法蘭盤下部改為圓柱形狀的方案，可以有效地防止吸盤連接頭在軸向方向運(yùn)動(dòng)，并確保吸盤連接頭與安裝板在水平面上相對(duì)固定。

種子通過(guò)取送種機(jī)構(gòu)從振動(dòng)種盤吸住取出，再由取送種機(jī)構(gòu)送到種子定向機(jī)構(gòu)，需要控制取送種機(jī)構(gòu)的豎直和水平運(yùn)動(dòng)。由于氣缸運(yùn)動(dòng)具有快速準(zhǔn)確、易于控制的特點(diǎn)，因此本研究的取送種機(jī)構(gòu)均采用氣缸作為執(zhí)行元件。在豎直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要注意避免的是取送種機(jī)構(gòu)與振動(dòng)種盤及取送種機(jī)構(gòu)與定向機(jī)構(gòu)的碰撞，還要保證下落種子的位置和刮板孔的高度差不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致種子長(zhǎng)軸方向的改變。在豎直運(yùn)動(dòng)中，選用CHELIC公司的70mm行程的雙軸氣缸。在水平方向上，選用CHELIC公司的350mm行程氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，這是一種行程較大的單軸氣缸，無(wú)法承受豎直方向的力。于是，采用滑塊導(dǎo)軌，種子吸附機(jī)構(gòu)和滑塊相固定，滑塊與水平驅(qū)動(dòng)氣缸相連接，導(dǎo)軌固定在機(jī)架上，從而使氣缸通過(guò)驅(qū)動(dòng)滑塊來(lái)驅(qū)動(dòng)種子吸附機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，參見圖1。

3 控制流程

可編程控制器是近年來(lái)迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。根據(jù)供種、取種、送種、定向等工作過(guò)程，以一定的邏輯、時(shí)序關(guān)系進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件編程，整個(gè)工作過(guò)程不斷循環(huán)，PLC也在循環(huán)過(guò)程中進(jìn)行周期性掃描。為提高機(jī)器播種效率，本設(shè)計(jì)中采用一套種盤搭配兩套定向機(jī)構(gòu)，對(duì)兩列穴盤進(jìn)行播種，從而形成了一套在振動(dòng)盤吸種、另一套在穴盤中播種連續(xù)交叉的工作狀態(tài)。開始工作后，左右兩邊吸盤同時(shí)進(jìn)行取種和送種。整體控制流程圖如圖7所示。

圖7 整體控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)上述對(duì)整體機(jī)構(gòu)的描述，現(xiàn)對(duì)整機(jī)性能做初步的實(shí)驗(yàn)，以考察本機(jī)構(gòu)的性能。

4.1 種子定向機(jī)構(gòu)定向效果

首先對(duì)種子定向機(jī)構(gòu)的定向效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先執(zhí)行定向機(jī)構(gòu)進(jìn)行種子定向，對(duì)定向后種子的長(zhǎng)軸方向進(jìn)行角度測(cè)量，以考察定向效果。為便于測(cè)量，采用機(jī)器視覺與圖像處理的方法對(duì)定向后的種子測(cè)量其長(zhǎng)軸方向的角度，如圖8所示。

圖8 種子定向檢測(cè)圖像處理方法

通過(guò)機(jī)器視覺直接采集一排種子的俯視圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后可直接測(cè)出其長(zhǎng)軸的偏轉(zhuǎn)角度。由圖8可以看出：所檢測(cè)的偏轉(zhuǎn)角度基本接近180°。記錄結(jié)果時(shí)，取其與180°的絕對(duì)值。

采用以上所述方法，進(jìn)行種子定向效果實(shí)驗(yàn)，分為3組進(jìn)行，每組測(cè)試20粒種子的定向效果，結(jié)果如表2所示。

表2 種子定向試驗(yàn)效果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：機(jī)構(gòu)對(duì)種子的定向平均偏差為15°。根據(jù)嫁接實(shí)驗(yàn)，砧木子葉偏轉(zhuǎn)在30°以內(nèi)，可以滿足嫁接要求。

4.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)作效率

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得機(jī)構(gòu)運(yùn)行一次的時(shí)間為20.2s。根據(jù)一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)播種量為12粒，由此可以計(jì)算得到嫁接用種子定向播種機(jī)的播種效率為2 138粒/h。

5 結(jié)論

1)利用南瓜大粒種子的外形特點(diǎn)，采用弧線仿形結(jié)構(gòu)，對(duì)嫁接用苗的種子達(dá)到了按長(zhǎng)軸方向排列一致播種的效果。用圖像處理方法測(cè)得試驗(yàn)后長(zhǎng)軸的平均偏轉(zhuǎn)角為15°，均小于30°，可以滿足嫁接要求。

2)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一套振動(dòng)種盤搭配兩套種子定向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了往復(fù)式的無(wú)空行程取種和播種，一個(gè)循環(huán)可以播種12粒，極大地提高了定向播種的效率。

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Research Design on a Directional Seeding Mechanism for Big Seeds of Grafting

Kong Yanshan, Zhang Tiezhong, Chu Jia, Zhang Libo, Zhang Wenbo, Liu Zhan

(College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In the process of protected horticulture, planters have to adjust artificially the orientation of cotyledons as the grafting machine has a much higher requirement for seedlings. As a consequence of that, the grafting efficiency is low and the labor expenditure is high. To solve this problem, we design an oriented seeding mechanism which can orient the long axes of seeds and keep the sprouting cotyledons in the same direction.This design contains vibratory seed tray mechanism, getting & delivering seed mechanism, seed orientation mechanism and integrated framework, and it utilizes OMRON CPM1A PLC as the control component. According to the experimental results, the mechanism can significantly improve the seeding efficiency with an excellent working performance.

vibratory seedling tray;directional seeding;modeling board; PLC

2016-03-29

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA10A506-2)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科技專項(xiàng)(201303014-09)

孔艷山(1991-)，男，河南開封人，碩士研究生，(E-mail)kys_1219@163.com。

張鐵中(1957-)，男，河北邢臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangtz56@163.com。

S223.1

A

1003-188X(2017)04-0073-05