苗木嫁接切削参数试验装置的设计

马继业,张 慧,马啸骏,许亚辉

(1.山东哈临集团有限公司,山东 临清 252600) (2.聊城大学机械与汽车工程学院,山东 聊城 252000)

嫁接可丰富植物品种、改善品质、提高其生态抗逆性,是目前果树繁育的主要途径之一。机械嫁接采用自动嫁接机辅助完成嫁接作业,相比传统的手工嫁接,可提高嫁接效率、稳定嫁接质量、降低劳动强度。随着用工成本的增加和技术工人的流失,机械嫁接将逐渐成为果树育苗行业的必然选择。

自动嫁接机通常由匹配、切削、接合、固定、排苗等功能模块组成。其中,切削模块用于嫁接苗凹凸切口的切制,其切削参数(切削力、切削速度等)对嫁接质量(嫁接成功率、嫁接苗成活率等)有直接影响,同时这些参数也是切削模块的重要设计参数[1-2]。通常,学者们需要通过试验来研究切削参数的合理取值,试验中常采用通用仪器或自制设备。李明等[3-4]基于自制的切削试验装置研究了转速、滑切角、苗木直径等对毛桃切削阻力的影响;韩会敏等[5]采用电子式万能试验机对葡萄枝力学特性进行了分析;罗军等[6]利用改进的PC-A型皮带传动试验台对葡萄苗茎杆进行了切削扭矩试验。然而上述仪器或设备操作过程通常较复杂,且适用范围较小,不具有通用性。

葡萄、梨、苹果、李子、核桃等常见果树均可采用枝接法进行机械嫁接,且实现方法相近[7-8]。本文设计了一款适用于上述多种果树的嫁接切削参数试验装置,通过试验研究切削参数对各类嫁接苗木切削质量的影响规律,为相应嫁接装备切削模块的设计提供参考。

1 总体设计方案

1.1 设计要求

目前,市面上适合各类果树机械嫁接作业的嫁接刀刃口形状主要有Ω型、U型和V型3种,如图1(a)所示。各种刃口的嫁接特点和适用范围不尽相同,其中Ω型嫁接具有接触面积大、连接紧密等优点,如图1(b)所示,相比其余两种更为常用。

图1 常见机械嫁接刀片

设计嫁接机切削模块时,一般需要提前确定切削速度、切削功和最大切削力等切削参数。这些参数的合理确定,通常需要进行各种苗木切削试验,并在分析最大切削阻力随切削速度、砧木粗度的变化规律,切面质量随切削速度的变化规律以及切削速度对切削功的影响规律等的基础上进行。

为满足各种苗木切削试验要求,切削参数试验装置除可对多种果树嫁接苗进行切削、方便更换嫁接刀之外,还应能提供多种切削速度,并具有自动测量切削阻力、切削速度、苗木长短径等参数以及方便观测苗木切面等功能。装置主要技术指标见表1。

表1 Ω/U/V型嫁接刀片主要技术指标

1.2 设计方案

设计的切削参数试验装置如图2所示,由机架、切削模块、测量模块、气控模块和控制系统组成。机架由工作台和安装在工作台上的支架组件两部分组成;切削模块安装在支架组件上,用于切削待测苗木;测量模块也安装在支架组件上,用于实时测量嫁接刀的运动参数和切削阻力、测量苗木直径以及观测切面质量;气控模块控制切削模块的切削速度;控制系统采用上、下位机模式,用于实现装置的自动控制。其工作流程如图3所示。

1—气控组件;2—工作台;3—支架组件;4—切削模块;5—测量模块;6—PC机;7—控制箱

图3 装置工作流程

2 关键部件设计

2.1 切削模块设计

切削模块由安装座、移动座、导向光轴、嫁接刀模块、切砧、切削气缸和浮动接头等组成,如图4所示。

1—安装座;2—浮动接头;3—导向光轴;4—移动座;5—观测显微镜;6—嫁接刀模块;7—切砧;8—苗径(横向)测量组件;9—切削气缸;10—位移传感器;11—压力传感器

嫁接刀模块安装在移动座右下侧,包括可换刀座、嫁接刀和压刀块,如图5(a)所示。其中,嫁接刀片采用市售各类常见苗木嫁接刀片,通过两侧压刀块安装在可换刀座上,可通过更换嫁接刀模块满足各种苗木对不同嫁接刀片的要求。移动座通过直线轴承套装在导向光轴上,移动座与导向光轴构成移动副,可带动嫁接刀相对切砧上下移动;浮动接头与移动座用螺栓连接,其为一球副,可降低切削气缸相对于移动座的位置精度要求。切砧在水平方向上设有可防止切削过程中苗木移动的弧形通槽,竖直方向上设有与嫁接刀刃口相吻合、有助于苗木切断的容刀槽,如图5(b)所示。

1—可换刀座;2—嫁接刀;3—压刀块;4—弧形通槽;5—容刀槽

2.2 测量模块设计

1)嫁接刀运动速度测量。采用直线式位移传感器实时测量嫁接刀的位移,并对位移求导得出嫁接刀的实时速度。直线式位移传感器安装在支架组件中部,伸出端与切削气缸的活塞杆相连,如图4所示。

2)切削阻力测量。采用S型压力传感器测量切削阻力,其安装在切削气缸与浮动接头之间,可实时感知切削过程中切削阻力的变化,如图4所示。

3)苗径测量。果树嫁接苗木的截面通常为类椭圆形,为保证切削的稳定性,可使其以长径水平、短径竖直的姿态置于切砧内。苗径的测量分为短径(垂向)测量和长径(横向)测量两部分,如图6所示。短径(垂向)测量由压力传感器与位移传感器配合完成,根据压力传感器的检测数据可判断出切削的始、终时刻,两时刻间位移传感器检测的位移量即为短径。长径(横向)测量由手指气缸、齿轮齿条副和角度传感器配合完成,长径的变化可反映为手指的移动,手指的移动通过齿轮齿条副转换为齿轮的转动,齿轮的转动角度由角度传感器测量,即通过角度传感器测得的角度数值换算得到长径。

1—位移传感器;2—切削气缸;3—齿轮;4—齿条;5—手指连接件;6—角度传感器;7—手指气缸

4)切面观测。采用显微镜观测、记录苗木在切削过程中的变形以及切削后苗木的切面质量,其通过支架安装在嫁接刀模块后侧,如图4所示。

2.3 气控模块设计

气控模块用于控制手指气缸的开合运动和切削气缸的下行速度,由气泵、气源三联件、电磁阀、节流阀、气阀和多通接头等组成。其中,气源三联件由过滤器、减压阀和油雾器3部分组成;多通接头有前、后2个,前端接头采用一进多出形式,其进气孔与电磁阀常闭出气孔相连,后端接头采用多进一出形式,其出气孔与切削气缸进气口相连,前端、后端接头的出、进气口一一对应形成多条支路,各支路均由串接的节流阀和气阀组成,开关气阀控制所属支路的通断,调节节流阀可控制所属支路对应的切削气缸的速度。气控模块气动回路原理如图7所示。

1—手指气缸;2—二位三通电磁换向阀;3—压力表;4—油雾器;5—减压阀;6—过滤器;7—空气压缩机;8—流量控制阀;9—切削气缸

2.4 控制系统

控制系统采用上、下位机模式,上位机为PC机,下位机为STM32单片机,上、下位机采用串口通信。下位机接收上位机指令,通过各电磁阀控制切削气缸、手指气缸运动,同时采集和上传压力传感器、位移传感器、角度传感器的数据;上位机根据接收到的传感器数据测算嫁接苗直径,实时测试、记录嫁接刀片的切削阻力、位移及速度,实时显示、记录显微镜采集的图像,向下位机发送切削气缸、手指气缸的运动控制指令。

3 样机试验

为验证上述设计方案的可行性,搭建试验样机如图8所示。样机选用LWF-100-A1直线位移传感器,其机械行程为150 mm,重复精度为0.01 mm;选用P3022型高精度霍尔磁敏角度传感器,其有效行程为0～360°,线性精度为±0.01%;选用GJBLS-I型高精度S型称重传感器作为压力传感器,其量程为0～100 kN,精度为0.05%F·S,可以抵抗加大的扭矩、侧压力和偏转负载力;选用ZQ-303工业显微镜作为观测显微镜,其采用1 000×变焦放大、1 080P高清分辨率,具有倍率调整、角度调整、拍照/录像、亮度调节等功能;选用佳普kyj-1型无油静音空气压缩机作为气泵,其气罐容量为30 L,排气量为0.12 m3/min,出口压力为0.8 MPa;选用亚德客GF20008F型气源三联件进行气源处理、亚德客4V310-10型电磁阀进行气动控制。

3.1 试验方案

选用20株SO4型葡萄砧木(如图9所示)为试验对象进行样机性能测试,测试内容如下。

图9 SO4型葡萄砧木

1)苗径测量。应用样机和游标卡尺分别测量20株苗木椭形切面的长、短径,对比两者测量数据,分析样机的测量精度。

2)切面质量观测。控制样机分别以5、10、20、50 mm/s的平均切削速度切削苗木,观测切面组织,分析切削速度的合理取值。

3)最大切削阻力测量。分别以5、10、20、50 mm/s的平均切削速度切削苗木,测量各苗木在不同切削速度下的最大切削阻力。

3.2 试验结果

1)苗径测量结果如图10所示。长径的样机测量结果、游标卡尺测量结果最大绝对偏差和相对偏差的绝对值分别为0.08 mm和9.1%,平均绝对偏差和相对偏差的绝对值分别为0.039 mm和4.3%;短径的样机测量结果、游标卡尺测量结果最大绝对偏差和相对偏差的绝对值分别为0.07 mm和11.2%,平均绝对偏差和相对偏差的绝对值分别为0.037 mm和6.1%。由此可知,样机的测量精度较高,能够满足相关切削参数影响规律试验研究的需要。

图10 苗径测量结果

2)切面质量观测结果如图11所示。当平均切削速度为5 mm/s时,苗木切面出现裂痕,木栓层、韧皮部组织受损较严重,木质层部分导管出现破损;平均切削速度为10 mm/s时,苗木切面木栓层出现细微裂痕,但木栓层导管未发现明显破损;平均切削速度为20 mm/s和50 mm/s时,苗木切面未发现裂痕,木栓层、韧皮部组织未发现破损。可见,提高切削速度有利于形成良好的切面组织,对于试验苗木,为保证嫁接质量,切削速度需控制在20 mm/s以上。

图11 表面质量记录

3)表2为其中3株砧木在4种平均切削速度下的最大切削阻力。一般情况下,最大切削阻力会随着苗木粗度、切削速度的增加而增大,但试验结果显示最大切削阻力并不随切削速度单调变化,而是呈先减小、后增大且增大幅度逐渐趋缓的变化趋势。

表2 最大切削阻力测量结果

4 结束语

本文设计的切削参数试验装置能较准确地测量苗木粗度、嫁接刀的运动参数和切削阻力,并观测苗木切面质量,可满足多种果树的嫁接切削参数试验需要。切削速度对苗木切面质量有直接影响,当其高于一定值时,才可避免过度损坏切面组织,保证苗木嫁接质量。样机试验结果表明,所设计的装置可实现各项预设功能,设计方案可行。