頂芽斜插瓜類嫁接裝置研究范文

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《現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備雜志》2014年第三期

1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。

1.1夾持機構(gòu)的分析夾持機構(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)做好準備。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)定性和準確性，特別是在對砧木進行打孔時，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。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。

1.2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行了研究。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行了背投光源觀測，并進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、透光成孔面積較小；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1s后，拔出插扦，完成打孔作業(yè)。

1.3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，而當切削角過小時，會低切削面強度，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°，進行了接穗苗切削實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當切削角度為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到93%；而當切削角為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°。

2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行頂芽斜插嫁接試驗。

2.1實驗方法

2.1.1嫁接幼苗的準備黑籽南瓜要比黃瓜提前6～8d，當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、新葉露尖時開始進行機械化嫁接作業(yè)。

2.1.2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1s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)進行愈合栽培。嫁接所有工作由1人獨立完成。

2.2試驗結(jié)果分析

2.2.1對插效果分析在100組插接試驗中，完全插入的有92組，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、偏斜造成插入失敗；②接穗切削過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，需要進一步改善壓苗機構(gòu)。

2.2.2砧木與接穗結(jié)合效果分析圖11是利用嫁接裝置進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。

2.2.3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行嫁接作業(yè)，嫁接苗的成活率可達90%。

3小結(jié)

1）本研究對斜插嫁接裝置中的關(guān)鍵機構(gòu)進行結(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1s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)計還有待進一步解決和完善，以進一步提高嫁接裝置的穩(wěn)定性和成功率。

作者：梁玉韋鴻鈺馬稚昱單位：廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電學(xué)院