砧木上苗定位機(jī)構(gòu)吸附塊仿真設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

姜 凱，張 騫，陳立平，郭文忠，牟艷秋

砧木上苗定位機(jī)構(gòu)吸附塊仿真設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

姜 凱1，張 騫2，陳立平1，郭文忠1，牟艷秋3※

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決嫁接機(jī)人工上苗過程中砧木子葉損傷和葉柄劈裂問題，采用正壓氣流壓苗和負(fù)壓吸附定位原理，設(shè)計(jì)一種輔助自動(dòng)上苗作業(yè)的砧木上苗定位機(jī)構(gòu)。通過建立機(jī)構(gòu)有限元分析模型，在給定邊界約束條件下利用CFD軟件對(duì)吸附塊內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得氣室內(nèi)部流場(chǎng)分布情況及各因素對(duì)砧木子葉吸附力的影響。采用仿真正交試驗(yàn)對(duì)吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定吸附塊各因素對(duì)吸孔平均吸力影響的主次順序依次為出口負(fù)壓、吸孔直徑、吸孔深度；當(dāng)吸附塊出口負(fù)壓3 kPa，吸孔直徑1 mm和吸孔深度4 mm時(shí)，吸附塊對(duì)子葉具有較好的吸附能力。上苗試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)對(duì)白籽南瓜苗子葉吸附成功率為96.67%，壓苗成功率為99.33%，綜合上苗成功率為96.03%，傷苗率僅為0.67%，作業(yè)性能滿足嫁接機(jī)自動(dòng)上苗作業(yè)要求。子葉吸附失敗原因是子葉方向和上苗高度控制不準(zhǔn)確，以及子葉展角過小導(dǎo)致葉柄劈裂。吸附塊作業(yè)面仿形和結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真試驗(yàn)對(duì)提高砧木柔性和安全上苗具有重要意義，大幅縮短了吸附塊設(shè)計(jì)周期，研究結(jié)果為解決嫁接機(jī)自動(dòng)上苗問題提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

嫁接機(jī)；試驗(yàn)；砧木上苗；吸附塊；仿真設(shè)計(jì)；柔性吸附

0 引 言

蔬菜嫁接育苗能夠有效克服連年種植引發(fā)的土壤連作障礙和病蟲害等問題[1]，提高作物抗逆性，減少化肥農(nóng)藥使用量，使作物增產(chǎn)20%～50%，在全球應(yīng)用非常廣泛。中國(guó)蔬菜種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，嫁接苗年需求量達(dá)500億株，而規(guī)?；笾行陀缙髽I(yè)僅有2 000多家，導(dǎo)致育苗行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重不足[2-4]。育苗企業(yè)生產(chǎn)完全依賴專業(yè)嫁接工人，從業(yè)人員老齡化和用工匱乏等問題逐年加劇，因此，“機(jī)器換人”成為解決嫁接用工短缺和提質(zhì)增效的重要措施[5-7]。

嫁接機(jī)能夠克服手工嫁接效率低、成活率不高的缺點(diǎn)，提高嫁接苗質(zhì)量和生產(chǎn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。國(guó)內(nèi)外研制的瓜類嫁接機(jī)上苗環(huán)節(jié)大多需要人工參與，使得機(jī)器與純手工嫁接作業(yè)相比生產(chǎn)效率增幅不明顯，制約了嫁接機(jī)的推廣應(yīng)用[8-11]。目前，僅有日本井關(guān)公司開發(fā)出瓜類全自動(dòng)嫁接機(jī)，設(shè)計(jì)了一種穴盤內(nèi)自動(dòng)取苗的上苗裝置，使機(jī)器作業(yè)效率提升至800株/h；通過取苗執(zhí)行器完成穴盤內(nèi)幼苗的扶正、夾持、切斷和搬運(yùn)上苗，利用機(jī)械碰撞方式對(duì)砧木子葉進(jìn)行調(diào)向，上苗成功率僅為80%[12-13]。田玉鳳[14]設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的砧木自動(dòng)供苗執(zhí)行器，對(duì)南瓜單株幼苗特征識(shí)別成功率達(dá)90%，取苗成功率為80%，調(diào)向成功率為71.4%。陳晨等[15-16]設(shè)計(jì)出一種雙搖桿上苗執(zhí)行器，利用雙搖桿攏苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)秧苗對(duì)中夾持定位，通過砧木子葉仿形機(jī)構(gòu)調(diào)整子葉方向，但未進(jìn)行樣機(jī)驗(yàn)證。彭玉平等[17]設(shè)計(jì)了一種茄果類嫁接機(jī)嫁接用苗輸送鏈和轉(zhuǎn)接手輔助人工上苗，上苗成功率達(dá)92%。上述內(nèi)容由于缺乏對(duì)柔性上苗定位方法研究，導(dǎo)致上苗精度受幼苗標(biāo)準(zhǔn)化程度影響較大，存在傷苗問題?，F(xiàn)有嫁接機(jī)上苗時(shí)需要操作者雙手完成砧木子葉下壓定位和莖部把持，以及子葉方向和上苗高度的調(diào)整，人工上苗易造成子葉劈裂或莖稈破損，影響嫁接苗愈合成活質(zhì)量。操作者上苗后需要等待夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)完成取苗才能松開雙手，操作者易疲勞影響機(jī)器作業(yè)效率[18-21]。研究發(fā)現(xiàn)，瓜類砧木子葉精準(zhǔn)定位和莖部夾持是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上苗的關(guān)鍵，直接影響幼苗切削和嫁接質(zhì)量[22]。隨著機(jī)器人、機(jī)器視覺等技術(shù)在各領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，嫁接機(jī)自動(dòng)上苗成為可能，自動(dòng)上苗技術(shù)成為解決機(jī)械嫁接減少用工的突破口[23-26]。

針對(duì)上述問題，本研究設(shè)計(jì)一種用于輔助自動(dòng)上苗作業(yè)的砧木上苗定位機(jī)構(gòu)，提出正壓吹氣和負(fù)壓吸附相結(jié)合的子葉壓苗柔性定位方法，通過獲取砧木子葉展開曲線軌跡對(duì)吸附塊作業(yè)面進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)，提高子葉定位柔性處理能力；設(shè)計(jì)子葉定位吸附塊，基于CFD軟件構(gòu)建吸附塊流體動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析各因素對(duì)吸附塊氣室流場(chǎng)的影響分布情況，通過仿真正交試驗(yàn)確定吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果可為嫁接機(jī)自動(dòng)上苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 砧木上苗定位機(jī)構(gòu)

砧木上苗作業(yè)質(zhì)量在機(jī)器嫁接作業(yè)過程中至關(guān)重要，直接影響切口成型和對(duì)接精度。為解決人工上苗存在傷苗和易疲勞等問題，砧木上苗定位機(jī)構(gòu)可輔助自動(dòng)上苗裝置實(shí)現(xiàn)快速柔性上苗作業(yè)，提高機(jī)器嫁接生產(chǎn)效率，大幅降低上苗人員作業(yè)強(qiáng)度。

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

為實(shí)現(xiàn)砧木子葉上苗定位的柔性化處理，提出正壓吹氣和負(fù)壓吸附相結(jié)合的子葉定位方法，通過壓苗塊噴射正壓氣流下壓砧木子葉，吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計(jì)和負(fù)壓吸附實(shí)現(xiàn)子葉吸附定位。砧木上苗定位機(jī)構(gòu)如圖1所示，包括調(diào)節(jié)滑臺(tái)、立座、向固定塊、調(diào)節(jié)螺母、壓苗塊、吸附塊、托架、夾持手爪和固定螺釘。調(diào)節(jié)滑臺(tái)與向固定塊用于實(shí)現(xiàn)砧木苗在空間內(nèi)位置的精確調(diào)整，吸附塊設(shè)有燕尾槽滑動(dòng)安裝于向固定塊上，與調(diào)節(jié)螺母兩側(cè)的正反向螺紋配合連接，實(shí)現(xiàn)上苗口距離可調(diào)以便適應(yīng)不同莖徑的砧木苗；托架滑動(dòng)安裝于向固定塊上，夾持手爪安裝于托架下部；壓苗塊安裝于吸附塊正上方，壓苗塊的氣吹孔與吸附塊的吸附孔上下一一對(duì)應(yīng)，確保子葉在壓苗和吸附定位過程中受力均勻。

1.XY調(diào)節(jié)滑臺(tái) 2.立座 3.Z向固定塊 4.調(diào)節(jié)螺母 5.壓苗塊 6.吸附塊 7.托架 8.夾持手爪 9.固定螺釘

工作時(shí)，首先將砧木子葉置于壓苗塊和吸附塊之間，苗莖置于托架內(nèi)，調(diào)整好子葉方向和上苗高度后，夾持手爪夾持住苗莖；壓苗塊和吸附塊同時(shí)分別接通正壓和負(fù)壓氣流，子葉受到下壓力和吸附力作用，待子葉完全貼附于吸附塊作業(yè)面上切斷壓苗塊正壓氣流；嫁接機(jī)夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)夾持苗莖，夾持手爪和吸附塊同時(shí)切斷氣源釋放砧木苗，完成1個(gè)上苗作業(yè)過程。

1.2 吸附塊設(shè)計(jì)

吸附塊的作業(yè)面用于承載砧木子葉，作業(yè)時(shí)與子葉背面緊密貼合。為減小子葉吸附損傷提高柔性定位性能，對(duì)吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計(jì)，需要獲取砧木子葉背面展開曲線軌跡，以及子葉壓縮力學(xué)特性。選用中國(guó)北方地區(qū)瓜類嫁接常用的京欣8號(hào)白籽南瓜作為砧木，根據(jù)貼接法要求，在28～30 ℃溫室內(nèi)培育7～10 d，如圖2所示。

注：H為株高；k為生長(zhǎng)點(diǎn)長(zhǎng)度；l為子葉跨度。單位均為mm。

吸附塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要了解砧木苗外部幾何形態(tài)和子葉力學(xué)特性，選取50株白籽南瓜苗進(jìn)行外部形態(tài)幾何參數(shù)測(cè)量，株高為（67.52±5.23）mm、子葉跨度為（97.26±1.63）mm、生長(zhǎng)點(diǎn)長(zhǎng)度為（18.56±2.43）mm；利用MTS力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)E43.104）測(cè)量白籽南瓜苗子葉破裂點(diǎn)壓力，測(cè)試點(diǎn)選為子葉主葉脈中心的兩側(cè)，壓桿直徑5 mm，測(cè)試樣本數(shù)50，得到白子南瓜苗子葉破裂點(diǎn)壓力0為（1.616±0.524）kPa。

采用取點(diǎn)擬合法提取砧木子葉背面自然展開下的曲線軌跡步驟如下：1）選取兩子葉展開度較好的白籽南瓜苗，調(diào)整好子葉方向并以豎直方向固定于上苗機(jī)構(gòu)中，利用高清相機(jī)在同焦距條件下拍攝白籽南瓜苗的側(cè)面圖像20張。2）以兩子葉展開方向的中心線設(shè)為軸，上苗口底部邊線設(shè)為軸，建立直角坐標(biāo)系；在計(jì)算機(jī)畫圖軟件中沿左側(cè)子葉背面下邊緣平均獲取10個(gè)特征點(diǎn)（1～10），提取10個(gè)特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)值，如圖3所示；1為左側(cè)子葉基部與軸的交點(diǎn)，10為左側(cè)子葉展開方向的最外邊緣點(diǎn)。3）以1為原點(diǎn)，對(duì)其他9個(gè)特征點(diǎn)（2～10）的像素坐標(biāo)值進(jìn)行變換，得到9個(gè)特征點(diǎn)（2～10）相對(duì)1點(diǎn)的像素坐標(biāo)值。

利用Office Excel軟件對(duì)每張圖片的10個(gè)特征點(diǎn)（1～10）坐標(biāo)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到一條平滑曲線，取20張圖片的子葉背面曲線擬合方程為

=(-2e-0.6)3+0.003 52+2.152 9+0.78（1）

式中為子葉背面曲線上像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，為子葉背面曲線上像素點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

該方程決定系數(shù)2＝0.999 5，表明回歸模型的擬合度良好，可用于吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計(jì)。根據(jù)子葉展開形態(tài)確定吸附塊外形結(jié)構(gòu)尺寸為32 mm×25 mm×20 mm，吸附塊作業(yè)面中心沿豎直方向的剖視圖如圖4a所示，壓力進(jìn)口為吸附塊作業(yè)面上所有吸孔，壓力出口位于吸附塊底部；在吸附塊作業(yè)面上吸孔數(shù)按作業(yè)面俯視方向以橢圓形對(duì)稱劃分為1、5、12、21，如圖4b所示。吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)需要通過建立氣室內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析來確定。

注：a1～a10為左側(cè)子葉背面平均獲取的10個(gè)特征點(diǎn)；xoy為子葉展開方向中心線y與上苗口底部邊線x建立的直角坐標(biāo)系；L為上苗塊的總寬度，mm。

注：d為吸孔直徑，mm；h為吸孔深度，mm；D為壓力出口直徑，mm；n為吸孔數(shù)量。

1.3 子葉定位受力情況

子葉在負(fù)壓氣流場(chǎng)中受力取決于吸附塊的吸附能力，上苗時(shí)苗莖和子葉分別受到夾持手爪夾持力和吸附塊吸附力處于平衡狀態(tài)，由于吸附塊作業(yè)面與子葉展開曲線非常接近，忽略子葉與吸附作業(yè)面之間摩擦力，子葉受力分析如圖5所示。

注：FN為作業(yè)面反力，N；FM為子葉吸附力，N；FP為夾持力，N；FQ為夾苗手爪與苗莖之間的摩擦力，N；G為砧木苗重力，N。

在保證子葉被安全吸附前提下，吸附力越大定位越穩(wěn)定，則理論上

M<（2）

0（3）

=π2/4（4）

式中為子葉破裂點(diǎn)屈服壓力，N；0為子葉破裂點(diǎn)壓強(qiáng)，kPa；為吸孔面積，m2。

整理式（2）～（4）可得

M< π20/4（5）

子葉吸附力取決于吸孔平均流速與吸孔面積，吸附力M表示為

M=πd22/8（6）

式中為空氣密度，取1.29 kg/m3，d為阻力系數(shù)，取1；為受力平衡時(shí)氣流場(chǎng)平均速度，m/s。

2 吸附塊氣室流體動(dòng)力學(xué)仿真

子葉破裂點(diǎn)壓力和吸附塊作業(yè)面仿形能夠保證子葉定位安全性和柔性，以砧木子葉吸附定位穩(wěn)定性為目標(biāo)，在確保子葉安全條件下以吸附力越大定位效果越好為設(shè)計(jì)原則，利用CFD軟件分析吸附塊氣流場(chǎng)分布情況，并確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 仿真模型建立

利用Solidworks 2017軟件創(chuàng)建吸附塊三維模型，導(dǎo)入有限元分析前處理軟件ICEM CFD中，選擇六面體對(duì)氣室模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為0.02 mm。在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)時(shí)，將氣室內(nèi)流體看作連續(xù)相，則必須遵守質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律，滿足連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程[27-28]。

根據(jù)子葉吸附過程設(shè)置吸附塊氣流場(chǎng)特性求解參數(shù)。壓力進(jìn)口設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壓力出口設(shè)為0～4 kPa，壓力出口直徑為8 mm，壁面設(shè)為無滑移邊界條件，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對(duì)邊界層進(jìn)行處理。選擇標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，采用SIMPLE算法的壓力求解器，求解器控制方程為有限體積法離散，離散格式設(shè)為二階迎風(fēng)格式，獲得吸附塊氣室的流場(chǎng)特性。

2.2 吸孔直徑對(duì)氣室氣流場(chǎng)影響

吸附塊進(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、出口負(fù)壓3 kPa、孔深2 mm，分析吸孔直徑1～2.5 mm氣室內(nèi)氣流場(chǎng)特性分布情況，圖6為孔徑1mm氣流場(chǎng)分布。分析可知，吸孔直徑增大氣室內(nèi)真空度減小，進(jìn)口流速減小吸附力逐漸降低，孔徑2和2.5 mm相對(duì)1和1.5 mm氣室內(nèi)壓力分布均勻?？讖皆酱笞尤~吸附時(shí)耗氣量越大，因此，選擇孔徑1～2 mm有利于提高子葉吸附穩(wěn)定性。

2.3 出口負(fù)壓對(duì)氣室氣流場(chǎng)影響

吸附塊進(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，吸孔直徑2 mm、孔深2 mm，分析出口負(fù)壓1～4 kPa氣室內(nèi)氣流場(chǎng)特性分布情況，圖7為出口負(fù)壓3 kPa氣流場(chǎng)分布。分析可知，壓力出口負(fù)壓增大氣室內(nèi)真空度增加、壓力分布均勻；進(jìn)口流速增加吸附力逐漸增大，氣室內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，負(fù)壓4 kPa氣室內(nèi)邊緣吸孔處出現(xiàn)少量旋渦，因此，選擇出口負(fù)壓為1～3 kPa。

圖6 孔徑1 mm氣流場(chǎng)分布

圖7 出口負(fù)壓3 kPa氣流場(chǎng)分布

2.4 吸孔數(shù)對(duì)氣室氣流場(chǎng)影響

吸附塊進(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、吸孔直徑2 mm、孔深2 mm，分析吸孔數(shù)量5、12和21氣室內(nèi)氣流場(chǎng)特性分布情況。分析可知，氣室內(nèi)真空度隨吸孔數(shù)增加逐漸減小，吸孔數(shù)21相對(duì)吸孔數(shù)5、12氣室出口壓力分布均勻。出口流速減小，流量增加吸附力降低，但子葉吸附穩(wěn)定性變好。吸孔數(shù)5、12氣室內(nèi)產(chǎn)生一些旋渦，吸孔數(shù)21氣室內(nèi)流速分布均勻，吸孔數(shù)優(yōu)選21，圖8為吸孔數(shù)21氣流場(chǎng)分布。

圖8 吸孔數(shù)21氣流場(chǎng)分布

2.5 吸孔深度對(duì)氣室氣流場(chǎng)影響

吸附塊進(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、出口負(fù)壓3 kPa、吸孔直徑2 mm，分析吸孔深度1～4 mm氣室內(nèi)氣流場(chǎng)特性分布情況，圖9為吸孔深度3mm氣流場(chǎng)分布。分析可知，吸孔深度增加氣室內(nèi)氣流場(chǎng)壓力分布均勻，入口壓力變化不大。氣流場(chǎng)速度和流量變化較小，孔深1 mm氣室內(nèi)出現(xiàn)少量旋渦，孔深2 mm入口負(fù)壓最小吸附力最大。因此，吸孔深度選擇2～4 mm。

圖9 吸孔深度3 mm氣流場(chǎng)分布

2.6 吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

選取出口負(fù)壓、吸孔直徑和吸孔深度為影響因素，吸孔數(shù)21，考察21個(gè)吸孔平均壓力和變異系數(shù)，采用3因素3水平正交試驗(yàn)，因素及水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平

選用9(34) 正交表試驗(yàn)，根據(jù)各因素之間不同水平組合改變模型參數(shù)進(jìn)行仿真，試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果如表2所示。吸孔平均壓力是吸附塊作業(yè)面作用于子葉背面的吸力，吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)以子葉吸附安全作業(yè)為依據(jù)，吸力越大子葉定位效果越好，因此，選取吸孔平均壓力作為吸附塊柔性作業(yè)的考核指標(biāo)。吸孔平均壓力通過仿真試驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)分析獲得。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

由表2中吸孔平均壓力極差分析可知，三因素對(duì)吸孔平均壓力P影響的主次順序依次是吸孔深度、出口負(fù)壓、吸孔直徑，優(yōu)化搭配方案是133。1～9組試驗(yàn)平均壓力均小于白籽南瓜子葉破裂點(diǎn)壓力1 616 Pa。第3和7組結(jié)果排在前兩位，吸孔平均壓力P分別為1 503.97和973.38 Pa，變異系數(shù)為14.1%和12.12%。

對(duì)平均壓力和變異系數(shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。每個(gè)因素不同水平，對(duì)平均壓力影響不顯著。由于方差分析誤差項(xiàng)自由度為0，無法進(jìn)行因素交互分析，增加仿真試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)無實(shí)際意義，因此不考慮因素交互作用?？蓮谋?中選擇平均壓力最大的第3組試驗(yàn)133為最優(yōu)組合。

表3 吸孔平均壓力方差分析

注：<0.01表示極顯著；<0.05表示顯著。

Note:<0.01 was the very significant;<0.05 was the significant.

最優(yōu)水平組合第3組試驗(yàn)結(jié)果的吸孔平均壓力與白籽南瓜苗子葉破裂點(diǎn)壓力接近，存在子葉吸附破裂的風(fēng)險(xiǎn)。需要從仿真試驗(yàn)結(jié)果中提取第3和第7組試驗(yàn)的21個(gè)吸孔壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)3和7吸孔壓力分布

分析圖10得出，第3組試驗(yàn)21個(gè)吸孔壓力為1 772.49～910.64 Pa，其中，有9個(gè)吸孔壓力高于白籽南瓜苗子葉破裂點(diǎn)平均壓力1 616 Pa，20個(gè)吸孔壓力高于子葉破裂點(diǎn)最小壓力1 092 Pa，因此，排除第3組試驗(yàn)結(jié)果。第7組試驗(yàn)21個(gè)吸孔壓力為1 142.37～711.29 Pa，其中，21個(gè)吸孔壓力均小于白籽南瓜苗子葉破裂點(diǎn)平均壓力1 616 Pa，有4個(gè)吸孔壓力略高于子葉破裂點(diǎn)最小壓力1 092 Pa；吸孔平均壓力變異系數(shù)為12.12%，變異系數(shù)更小，壓力分布較為均勻，綜合考慮吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳方案選擇第7組試驗(yàn)313，即出口負(fù)壓3 kPa、吸孔直徑1 mm和吸孔深度4 mm。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

砧木子葉吸附定位過程中既要保證具有一定的吸附力，又要避免子葉被吸破。高質(zhì)量的砧木上苗是嫁接機(jī)后續(xù)切削和對(duì)接環(huán)節(jié)成功作業(yè)的前提，為驗(yàn)證吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，結(jié)合壓苗塊作業(yè)綜合考察子葉吸附成功率與傷苗情況，評(píng)價(jià)砧木上苗定位機(jī)構(gòu)性能。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置如圖11所示。試驗(yàn)時(shí)先將上苗機(jī)構(gòu)復(fù)位，將砧木子葉放入吸附塊和壓苗塊之間，苗莖置于莖部托架內(nèi)，并調(diào)整好子葉方向和上苗高度；壓苗塊和吸附塊同時(shí)接通正壓和負(fù)壓氣流，子葉受下壓氣流貼附于吸附塊作業(yè)面，完成子葉柔性吸附定位，夾持手爪通氣夾持苗莖；切斷壓苗塊正壓氣流完成上苗作業(yè)。統(tǒng)計(jì)分析子葉壓苗成功率、吸附成功率和傷苗率。

1.夾持手爪 2.砧木苗 3.吸附塊 4.壓苗塊 5.托架 6.調(diào)節(jié)螺母 7.立座 8.XY調(diào)節(jié)滑臺(tái)

3.3 結(jié)果與分析

選取3組嫁接適齡的白籽南瓜苗，每組數(shù)量50株。試驗(yàn)在所設(shè)計(jì)的砧木上苗定位機(jī)構(gòu)上完成。選用樹脂材料3D打印制作吸附塊（吸孔直徑1 mm和孔深4 mm，出口直徑8 mm），利用真空發(fā)生器調(diào)整吸附塊出口負(fù)壓3 kPa進(jìn)行上苗試驗(yàn)。子葉壓苗成功率、吸附成功率和傷苗率為

=/×100%（7）

×100%（8）

=/×100%（9）

式中為子葉壓苗成功株數(shù)；為子葉吸附成功株數(shù)；為子葉吸附損傷株數(shù)；為上苗試驗(yàn)總株數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。子葉吸附成功率為96.67%，壓苗成功率為99.33%，綜合上苗成功率為96.03%，作業(yè)性能滿足嫁接機(jī)自動(dòng)上苗要求。子葉吸附失敗原因是子葉方向和上苗高度控制不準(zhǔn)確，以及子葉出現(xiàn)褶皺變形導(dǎo)致與吸附塊作業(yè)面貼合不緊密。傷苗率僅為0.67%，由于兩子葉展角過小在吸附過程中發(fā)生葉柄劈裂，但子葉無傷苗現(xiàn)象，表明吸附塊作業(yè)面仿形效果顯著。將子葉畸形苗剔除，以及子葉方向和上苗高度精準(zhǔn)定位能夠進(jìn)一步提高嫁接機(jī)上苗成功率。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

注：樣本數(shù)均為50株。

Note: Number of each sample is 50.

本文設(shè)計(jì)的砧木上苗定位機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)上苗臺(tái)相比具有子葉柔性定位和安全上苗功能，解決了人工上苗效率低易傷苗的問題，實(shí)現(xiàn)了砧木上苗的柔性化和精細(xì)化作業(yè)，可與自動(dòng)上苗裝置配套使用，提高嫁接機(jī)作業(yè)效率和嫁接質(zhì)量。

4 結(jié) 論

為提高嫁接機(jī)砧木上苗質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)一種輔助自動(dòng)上苗作業(yè)的砧木上苗定位機(jī)構(gòu)，以子葉安全柔性上苗為原則，采用正壓吹氣與負(fù)壓吸附原理，對(duì)吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）利用圖像取點(diǎn)擬合法獲得了白籽南瓜苗子葉背面曲線軌跡的擬合方程，用于吸附塊作業(yè)面仿形設(shè)計(jì)。以白籽南瓜苗外部形態(tài)幾何參數(shù)為依據(jù)設(shè)計(jì)了吸附塊結(jié)構(gòu)，確定出子葉破裂點(diǎn)最小壓力（1 092 Pa），為保證子葉被安全吸附提供必要前提。

2）利用CFD有限元方法構(gòu)建吸附塊氣室內(nèi)流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析出口負(fù)壓、吸孔直徑和吸孔深度對(duì)吸附塊氣流場(chǎng)的影響，確定單因素選取范圍；采用仿真正交試驗(yàn)分析吸附塊結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)出口負(fù)壓3 kPa、吸孔直徑1 mm和吸孔深度4 mm時(shí)，對(duì)子葉吸附性能表現(xiàn)最佳，21個(gè)吸孔壓力均小于白籽南瓜子葉破裂點(diǎn)平均壓力，變異系數(shù)為12.12 %。利用仿真試驗(yàn)方法能夠有效提高吸附塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作效率。

3）上苗試驗(yàn)結(jié)果表明：白籽南瓜苗子葉吸附成功率為96.67%，壓苗成功率為99.33%，綜合上苗成功率為96.03%，傷苗率為0.67%，滿足嫁接機(jī)自動(dòng)上苗作業(yè)要求。研究結(jié)果可為嫁接機(jī)自動(dòng)上苗裝置研發(fā)提供理論支撐和設(shè)計(jì)參考，解決人工上苗效率低、易傷苗的問題。

[1]孫光聞，陳日遠(yuǎn)，劉厚誠. 設(shè)施蔬菜連作障礙原因及防治措施[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(14)：184-188. Sun Guangwen, Chen Riyuan, Liu Houcheng. Causes and control measures for continuous cropping obstacles in protected vegetable cultivation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(14): 184-188. (in Chinese with English abstract)

[2]蔣衛(wèi)杰，鄧杰，余宏軍. 設(shè)施園藝發(fā)展概況、存在問題與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，48(17)：3515-3523. Jiang Weijie, Deng Jie, Yu Hongjun. Development situation, problems and suggestions on industrial development of protected horticulture[J]. Scientia Agricultural Sinica, 2015, 48(17): 3515-3523. (in Chinese with English abstract)

[3]齊飛，魏曉明，張躍峰. 中國(guó)設(shè)施園藝裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來研究方向[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(24)：1-9. Qi Fei, Wei Xiaoming, Zhang Yuefeng. Development status and future research emphases on greenhouse horticultural equipment and its relative technology in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[4]Huang Y, Kong Q S, Chen F, et al. The history, current status and future prospects of vegetable grafting in China[J]. Acta Horticulture, 2015 (1086): 31-39.

[5]楊延敏，王廣斌. 我國(guó)農(nóng)村人口老齡化問題研究[J]. 山西農(nóng)經(jīng)，2018(2)：1-3. Yang Yanmin, Wang Guangbin. Research on the aging of rural population in China[J]. Shanxi Agricultural Economy, 2018(2): 1-3. (in Chinese with English abstract)

[6]陳曉，龔艷，張曉，等. 西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)瓜菜，2019，32(8)：65-68. Chen Xiao, Gong Yan, Zhang Xiao, et al. Development status of machinery and equipment for watermelon and melon production[J]. China Cucurbits and Vegetables, 2019, 32(8): 65-68. (in Chinese with English abstract)

[7]齊飛，李愷，李邵，等. 世界設(shè)施園藝智能化裝備發(fā)展對(duì)中國(guó)的啟示研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：183-195. Qi Fei, Li Kai, Li Shao, et al. Development of intelligent equipment for protected horticulture in world and enlightenment to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 183-195. (in Chinese with English abstract)

[8]Kang D H, Lee S Y, Kim J K, et al. Development of an automatic grafting robot for fruit vegetables using image recognition[J]. Protected Horticulture and Plant Factory, 2019, 28(4): 322-327.

[9]張凱良，褚佳，張鐵中，等. 蔬菜自動(dòng)嫁接技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(3)：1-13. Zhang Kailiang, Chu Jia, Zhang Tiezhong, et al. Development status and analysis of automatic grafting technology for vegetables[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(3): 1-13. (in Chinese with English abstract)

[10]Kim H M, Hwang S J. Comparison of pepper grafting efficiency by grafting robot[J]. Protected Horticulture and Plant Factory, 2015, 24(2): 57-62.

[11]Kobayashi K, Sasaya S. Study on automation of seedlings feeding for grafting robot for cucurbitaceous vegetables (Part2)-Examination of a cotyledon-orienting mechanism for stock[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery and Food Engineers, 2007, 69(5): 70-77.

[12]Kobayashi K, Fujii M, Ohkoshi T. Development of automatic seedling feeding mechanism for grafting robot for cucurbits[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery, 2011, 73(1): 57-64.

[13]Ohkoshi T, Kobayashi K. Development of automatic seedling feeding device for cucurbits grafting robot (Part1)-Evaluation of automatic stock feeder[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery and Food Engineers, 2013, 75(2): 100-107.

[14]田玉鳳. 瓜科嫁接機(jī)自動(dòng)供苗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

Tian Yufeng. Key Technologies of Automatic Seedling for Cucurbitaceous Grafting Machine[D]. Xi'an: Northwest A&F University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[15]陳晨. 蔬菜嫁接機(jī)上下苗末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 杭州：浙江理工大學(xué)，2015. Chen Chen. Research on End Effector of Feeding and Replanting Seedlings for Grafting Robot[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2015. (in Chinese with English abstract)

[16]王哲祿，程向嬌，尤文生. 基于機(jī)器視覺的蔬菜嫁接機(jī)自動(dòng)上苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47(7)：218-220. Wang Zhelu, Cheng Xiangjiao, You Wensheng. Design of automatic seedling control system for vegetable grafting machine based on machine vision[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2019, 47(7): 218-220. (in Chinese with English abstract)

[17]彭玉平，辜松，初麒，等. 茄果類嫁接機(jī)砧木上苗裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(11)：76-82. Peng Yuping, Gu Song, Chu Qi, et al. Design of stock feeding device of grafting robot for solanaceae[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 76-82. (in Chinese with English abstract)

[18]童俊華，丁煜華，武傳宇，等. 單人工上苗式半自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(10)：65-72. Tong Junhua, Ding Yuhua, Wu Chuanyu, et al. Design and experiment of key mechanism for semi-automatic vegetable grafting machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(10): 65-72. (in Chinese with English abstract)

[19]褚佳，張立博，張鐵中，等. 葫蘆科穴盤苗單人操作嫁接機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(1)：7-13. Chu Jia, Zhang Libo, Zhang Tiezhong, et al. Design and experiment of grafting robot operated by one person for cucurbitaceous seedlings cultivated in Plug trays[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 7-13. (in Chinese with English abstract)

[20]Jiang Kai, Wang Jinwu, Li Cuiling. Design and test of melon grafting device based on splice grafting[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2018, 27(4): 65-74.

[21]姜?jiǎng)P，鄭文剛，張騫，等. 蔬菜嫁接機(jī)器人研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(4)：8-14. Jiang Kai, Zheng Wengang, Zhang Qian, et al. Development and experiment of vegetable grafting robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(4): 8-14. (in Chinese with English abstract)

[22]姜?jiǎng)P. 瓜類貼接式機(jī)械嫁接機(jī)理及裝置試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2019. Jiang Kai. Study on Mechanism and Experimental Device of Splice Mechanical Grafting of Cucurbit[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[23]賈根良. 第三次工業(yè)革命與工業(yè)智能化[J]. 中國(guó)社會(huì)科學(xué)，2016(6)：87-106. Jia Genliang. The third industrial revolution and industrial intellectualization[J]. Social Sciences in China, 2016(6): 87-106. (in Chinese with English abstract)

[24]李丹丹，史云，李會(huì)賓，等. 農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究進(jìn)展評(píng)述[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)信息，2018，30(6)：1-17. Li Dandan, Shi Yun, Li Huibin, et al. Review on the progress of agricultural robot research[J]. China Agricultural Informatics, 2018, 30(6): 1-17. (in Chinese with English abstract)

[25]張青，呂亞軍，初麒，等. 幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：69-75. Zhang Qing, Lü Yajun, Chu Qi, et al. Design and experiment on flexible seedling seat of pneumatic pick-up for seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 69-75. (in Chinese with English abstract)

[26]楊蒙愛. 瓜類嫁接機(jī)配對(duì)上苗關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江理工大學(xué)，2014. Yang Meng'ai. Study on Key Technology of Taking Seedling of Melon[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[27]張芙嫻，郭占斌. 基于CFD的2BM-4型氣吸式排種器氣流場(chǎng)分析[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，29(5)：95-98. Zhang Fuxian, Guo Zhanbin. Analysis of 2BM-4 gas suction seed metering device airflow field based on CFD[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural Reclamation University, 2017, 29(5): 95-98. (in Chinese with English abstract)

[28]郭烈錦. 兩相流與多相流動(dòng)力學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

Simulation design and performance experiment of adsorption block in feeding and positioning mechanism for rootstock

Jiang Kai1, Zhang Qian2, Chen Liping1, Guo Wenzhong1, Mu Yanqiu3※

(1.,100097,; 2.,100097,; 3.,,150030,)

Grafting seedling technology of vegetable is very extensive application in worldwide. Currently, the aging of employees and the shortage of employment have posed a great challenge on the seedling production, due to the seedling enterprises previously relied fully on grafting technical workers. Alternatively, a grafting machine can be used to improve the efficiency and quality of grafting seedlings, as well as the standardized and automatic operation. However, an artificial feeding seedling is still in manual in most grafting machines, and thereby to greatly limit the production efficiency, particularly on the popularization and application of grafting seedling technology. Adsorption block generally serves as a feeding and positioning device of a rootstock in a new grafting machine. The simulation test can be used to design the working face profile and structural parameters of adsorption block, further to improve the flexibility and safety of rootstock. It can also greatly shorten the design cycle of adsorption block. In this study, a seedling positioning device of rootstock was designed, based on the principles of air pressing seedling at a positive pressure and adsorption positioning at a negative pressure, in order to rootstock cotyledon damage and petiole splitting during the artificial feeding seedling of grafting machine. The external geometric parameters of cucurbita moschata seedlings and the breakpoint pressure of cotyledon were measured for the structural and working parameters of adsorption block. A point fitting method was used to extract the trajectory equation of cotyledon back development curve, which was used for the profile design of working face in an adsorption block. A finite element model of device was established under the given boundary conditions. A CFD software was selected to dynamically simulate the airflow field inside the adsorption block, thereby to obtain the distribution of flow field in the gas chamber, with emphasis on the influence of various factors on the adsorption force of rootstock cotyledon. A simulation orthogonal test was used to determine the optimal structural parameters of adsorbent block. The influence of various factors on the average suction was ranked in order, the outlet negative pressure, diameter, depth. When the negative pressure at the outlet of adsorption block was 3kPa, the pore diameter was 1 mm, and the depth of suction hole was 4 mm, the pressure of 21 suction holes was less than the rupture point pressure of cucurbita moschata cotyledon, indicating that the adsorption block showed a good adsorption and localization ability for cotyledon. In the feeding seedling test, the adsorption success rate of cucurbita moschata cotyledon was 96.67%, the success rate of pressing seedling was 99.33%, the comprehensive feeding success rate of seedling was 96.03%, and the seedling injury rate was only 0.67%. The performance of device can fully meet the requirements of automatic feeding seedling for a grafting machine. The failure of cotyledon adsorption can be attributed to the inaccurate control of cotyledon direction and feeding seedling height, as well as the petiole splitting caused by relatively small cotyledon angle. The findings can provide a sound theoretical basis and design reference for automatic feeding seedling of grafting machine.

grafting machine; experiments; feeding rootstock; absorbing block; simulation design; flexible absorption

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.010

S233.74

A

1002-6819(2020)-18-0073-08

姜?jiǎng)P，張騫，陳立平，等. 砧木上苗定位機(jī)構(gòu)吸附塊仿真設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：73-80.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.010 http://www.tcsae.org

Jiang Kai, Zhang Qian, Chen Liping, et al. Simulation design and performance experiment of adsorption block in feeding and positioning mechanism for rootstock[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 73-80. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.010 http://www.tcsae.org

2020-03-19

2020-08-31

北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)（KJCX20180420）；北京市農(nóng)林科學(xué)院2020年度科研創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)（PT2020-06）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2013AA102406）

姜?jiǎng)P，博士，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)施園藝智能裝備與農(nóng)業(yè)機(jī)器人等方面的研究。Email：jiangk@nercita.org.cn

牟艷秋，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工工藝與技術(shù)裝備研究。Email：muyanqiu@neau.edu.cn

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：姜?jiǎng)P（E0412012235）