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基于贴接法的蔬菜嫁接机器人设计 0 嫁接机的研究现状 目前，我国农村老龄化和精细管理人员短缺问题日益严重。这意味着蔬菜营销和育苗生产中迫切需要自动设备来解决这一问题。嫁接是一项技术性很强的工种,要求操作人员精神集中、体力充沛,并且需在短时间内完成大量的嫁接苗。蔬菜嫁接机器人的出现,可代替人工嫁接作业,显著提高嫁接效率、降低劳动强度,保证嫁接质量,促进蔬菜工厂化育苗产业化发展,因此,嫁接机器人的研制意义重大。 国外嫁接机研究主要集中在日、韩2国,均实现了商品化,因价格昂贵,只有少数规模化生产的育苗中心使用。在中国,嫁接机的研究主要集中在高校和研究所[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24],相关产品仍处于样机研发阶段,缺乏实际应用。1998年中国农业大学张铁中采用贴接法研制出2JSZ-600型单臂嫁接机,后改进为双臂嫁接机,嫁接速度850株/h;2008年华南农业大学辜松采用插接法研制出2JC-600型嫁接机,嫁接速度600株/h,后与国家农业智能装备工程技术研究中心合作,研制出2JC-1000A瓜科全自动嫁接机,嫁接速度1 000株/h;以上嫁接机均未实现商品化,制约因素包括嫁接设备的适应性、可靠性不高,以及蔬菜育苗生产的集约化、工厂化程度低,缺乏相关配套设备。前人关于嫁接机的研究已具备一定基础,由于采用的嫁接方法不同,结构设计复杂不一,需结合通用的嫁接方法,在机器的适应性、可调性、高效性等方面进一步深入研究。本文拟解决以瓜、茄类蔬菜“贴接法”嫁接工艺为基础,采用双工位上苗方式,利用虚拟样机技术,构建瓜、茄类嫁接机器人模型,结合气动输出和PLC控制系统,研制蔬菜嫁接机器人。 1 蔬菜育种机器人 1.1 苗木嫁接加工 蔬菜嫁接机器人主要包括搬运装置、上苗装置、切削装置、自动送夹装置和输苗带等,如图1所示。 布局设计:整机布局以砧木和接穗的搬运装置为基准分别设置上苗、切削和送夹装置。砧木和接穗搬运装置的初始位置设为水平0,在操作台两侧分别设置相应上苗工位;2搬运装置相向旋转90°,分别设置2组砧木和接穗的切削工位;2搬运装置相向旋转180°,设置为砧木和接穗对接工位。 工作过程如图1中:1)将砧木1和接穗1分别放入砧木和接穗的上苗装置11、5中。2)踩下砧木和接穗的上苗触发脚踏开关,砧木和接穗的搬运装置10、6的第1组夹持手伸出,夹持住砧木1和接穗1并缩回,搬运装置10、6相向旋转90°至砧木和接穗的切削工位9、7。3)砧木和接穗切刀Ⅰ分别对砧木1和接穗1进行切削。4)搬运装置10、6继续相向旋转90°至对接工位,第1组夹持手再次同时伸出,使砧木1和接穗1的2切削面刚好贴合在一起。5)送夹装置3推出嫁接夹,夹持住砧木1和接穗1的贴合部位,第1组夹持手松开嫁接苗并缩回,嫁接苗落到输苗带上并输出,完成1株苗嫁接。6)在砧木1和接穗1对接作业同时,搬运装置10、6的第2组夹持手处于上苗工位11、5,伸出并对砧木2和接穗2进行取苗。7)搬运装置10、6同时反向旋转90°,第2组夹持手至砧木和接穗的切削工位2、4,砧木和接穗切刀Ⅱ分别对砧木2和接穗2进行切削;同时,第1组夹持手也到达相应的切削工位9、7,但不作业。8)搬运装置10、6继续反向旋转90°,第2组夹持手到达对接工位,同时,第2组夹持手再次伸出,使砧木2和接穗2的2切削面贴合。9)送夹装置3再次推出嫁接夹,完成2株苗嫁接。10)此时,第1组夹持手重新处于上苗工位,依次类推循环作业。 1.2 关键设备的设计 1.2.1 接穗分拣装置设计 嫁接机器人各工序精度要求主要体现在搬运装置经过上苗、切削、对接3个工位,以及切刀作业位置的调整,精度均控制在±0.5 mm以内满足嫁接要求,以下分别说明各工序精度要求和实现方式。 搬运装置是实现双工位上苗作业的核心部分,采用水平对称式双夹持手的旋转臂结构,设计要求砧木和接穗搬运装置运转具有同步性,确保上苗、切削、对接工位的精度。砧木搬运装置如图2所示,由夹持手爪、子叶推杆、取苗气缸、固定座、连接块、旋转马达等组成,如图2所示。虚线、箭头表示砧木切刀旋转切削轨迹,用以切除1片子叶和生长点。 作业过程:在上苗工位,取苗气缸带动夹持手1伸出夹持住砧木;旋转90°至切削工位,砧木切刀由下至上旋转切削,将夹持手1中的砧木的1片子叶和生长点切除,形成切削面;继续旋转90°,夹持手1中的砧木苗处于对接工位,准备嫁接。同时,夹持手2处于上苗工位,实现了夹持手1在对接作业时,夹持手2进行上苗作业。接穗搬运装置的结构与砧木搬运装置类似,不再敖述。 综合上苗与对接装置的位置关系与作业行程要求,气缸选型如下:取苗气缸选用TPC ADRM10-30双杆气缸,夹持手选用TPC NFP2-12D-T气爪,推杆气缸选