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蔬菜自动嫁接机夹持机构设计【16张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 蔬菜自动嫁接机夹持机构设计 cad图纸

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蔬菜自动嫁接机夹持机构设计

35页 16000字数+说明书+16张CAD图纸

嫁接机工作流程图.dwg

气动工作原理图.dwg

蔬菜自动嫁接机夹持机构总汇14张.dwg

蔬菜自动嫁接机夹持机构设计论文.docx

摘要1

关键词1

1 前言2

2 蔬菜嫁接技术3

　2.1 蔬菜嫁接方法3

　2.2 蔬菜嫁接栽培技术现状3

　2.3 蔬菜嫁接研究必要性及适用类型3

　　2.3.1 机械嫁接的必要性3

　　2.3.2 嫁接机适用类型4

　2.4 国内外嫁接机的发展现状4

　　2.4.1 国外（日本）嫁接机技术先进国家的发展现状4

　　2.4.2 国外（韩国）嫁接机技术先进国家的发展现状6

　　2.4.3 国内嫁接机技术先进国家的发展现状6

　2.5 蔬菜嫁接机的设计特点7

　　2.5.1 设计的特点7

　　2.5.2 蔬菜自动嫁接机设计结构示意图8

　　2.5.3 设计思路9

　　2.5.4 本蔬菜自动嫁接机设计方案：10

3 蔬菜嫁接机夹持机构设计10

　3.1 蔬菜嫁接机工作原理10

　3.2 蔬菜嫁接机工作流程11

　3.3 夹持机构夹具设计11

　　3.3.1 夹具自由度计算11

　　3.3.2 夹具伤苗优化12

　　3.3.3 夹具的捕捉范围的确定13

　　3.3.4 夹具的高度的确定13

　　3.3.5 苗木特性分析13

　　3.3.6 夹具夹紧力的计算15

　　3.3.7 确定夹具的厚度及高度计算16

　　3.3.8 夹持机构保持架设计16

　　3.3.9 夹具连杆长度计算16

　　3.3.10 夹具杆长度计算和确定18

　3.4 夹具运动结构完善和优化18

　　3.4.1 苗木夹具材料优化18

　　3.4.2 苗木夹具结构优化19

　3.5 原动件驱动方案设计20

　3.6 气动元件选择20

　　3.6.1 气缸20

　　3.6.2 电磁阀23

　　3.6.3 安装24

　3.7 传感元件选择24

　　3.7.1 激光器型号选择24

　　3.7.2 光敏感元件型号选择26

4 其它机构27

　4.1 夹持机构的旋转部件设计27

　4.2 切苗机构28

　4.3 包扎夹简介28

　4.4 控制电路简介29

　4.5 苗木传送机构机构29

5 总结29

　　5.1 蔬菜嫁接机的总体结果29

　　5.2 蔬菜嫁接机存在的不足30

参考文献30

致谢31

附录31

蔬菜自动嫁接机的夹持机构设计

　　　摘要：由于瓜类连作障碍问题越来越突出，蔬菜嫁接技术受到人们的重视。育苗专业户、育苗公司也应运而生。对于育苗专业户和育苗公司，如果靠人工嫁接，由于工作效率低和嫁接技术水平低，显然易贻误嫁接时机。因此采用嫁接机作业，小型和半自动式嫁接机，由于售价低廉，在市场上受到欢迎。本设计涉及一种能完成蔬菜嫁接中砧木、接穗的输苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化作业机器。操作者只需把砧木和接穗放到相应的供苗传送带上，其余嫁接作业均由机器自动完成。本文主要研究该蔬菜自动嫁接机的夹持机构。

　　　关键词：蔬菜；自动；嫁接机；夹持机构

Design of the Holding Mechanism of Vegetable Automatic Grafting Machine

　　　Abstract: More and more prominent melon cropping obstacles, vegetable grafting technique attention has been paid. Nursery specialized households, breeding companies have emerged. The nursery specialized households and nursery company, by artificial graft, due to low efficiency and low level of grafting technique, obvious adversely affected by graft timing. They hope that the grafting machine operation, and the fact that small and semi-automatic grafting machines, due to the low price in the market to be welcomed.This design introduce an automatic machine which can anvil wood, spike to lose seedling, slice seedling, coalescence and fix, line up seedling's etc. workers only need to put the anvil wood and connect spike on the transmission belt and the rest of the work will be completed automatically by machine. This text mainly studies the structure of the automatically machine for vegetable grafting.

　　　Keyword: Vegetable, Automatic, the machine for Grafting

　　本蔬菜自动嫁接机设计方案：

　　　本作品设计在嫁接过程中砧木和接穗都采用营养钵培养。蔬菜幼苗营养钵由皮带输入，直接在营养钵上嫁接，从而避免将幼苗从土壤基质中拔出。这种嫁接方法即避免了嫁接损伤，又缩短了嫁接消耗的时间，节约了劳动成本。蔬菜营养钵在皮带的传送下向前运动，当到达光电检测装置时，蔬菜苗隔断光线传播，光电检测装置得到信号送入单片机，单片机驱动气缸，使夹持机构工作，当夹持动作完成，单片机命令切削汽缸顶端的电机，电机轴段装有刀片，快速切断接穗，同理，砧木也采用相同机构夹持。然后驱动转向电机旋转167.8度，由于切削机构与接穗夹一同旋转，所以砧木也被快速切除。通过电磁铁的吸合，使接穗与砧木重合。完成对接后，通过包扎机构实现包扎，由于包扎机构采用特殊的魔术贴包扎，所以能够实现快速准确包扎的作用。并且可以在魔术贴上添加愈合激素，实现提高成活率的目的。包扎完毕，传送带将嫁接好的苗木继续向后传送。嫁接机构开始下一轮嫁接。由于整个过程由程序控制，机械操作，一个嫁接周期只需6秒钟，即每小时可嫁接600株。

　　　本蔬菜嫁接机机械结构分为夹持机构、旋转机构、包扎夹、切苗机构、苗木传送机构、底盘等六个部分．本文主要进行夹持机构设计．

3 蔬菜嫁接机夹持机构设计

3.1 蔬菜嫁接机工作原理

　　　本蔬菜自动嫁接嫁接机嫁接原理：嫁接过程中，蔬菜砧木苗和接穗苗分别置于蔬菜嫁接机的两个传动带上，传送带在步进电机的驱动下将蔬菜苗向嫁接夹内运送。设嫁接夹闭合的夹口中心为三维坐标系的原点，设步进电机驱动的皮带运动方向为X轴，激光发射方向垂直于皮带运动方向，相当于坐标系的Y轴。当蔬菜苗到达光电感应装置区域后，苗的茎杆将激光的光线挡住，接收光的感应电路得到触发信号，传送给单片机，单片机控制步进电机停止转动，因此蔬菜苗的茎杆锁定在激光发出的这条直线上，相当于坐标系中的X轴为0。而蔬菜苗夹进给方向与X轴垂直，与激光束方向平行，即坐标系中的Y轴。当蔬菜苗茎杆挡住激光，与此同时单片机控制夹紧气缸伸长，使嫁接夹开始左右同步向中心夹紧，即向X,Y轴平面原点夹紧，落入夹紧区域任何一点的苗的位置趋于唯一点，即原点。由于气缸的夹紧力和速度是可调的，所以不会对苗造成伤害。当苗木夹紧后切割刀片在切割气缸的推动下快速进给，呈30度夹角斜刺向苗木，通过电机带动刀片实现高速切削。并且速度、刀片的角度可调。同理，砧木嫁接夹也采用相同机构实现定位、切削。由于接穗嫁接夹与砧木嫁接夹臂长可调，只要嫁接夹臂长相等，中心重合，那么旋转一定的弧度就可以实现砧木与接穗自动对齐。即砧木嫁接夹的X、Y轴原点与接穗嫁接夹X、Y轴原点对齐。并且通过电磁铁辅助定位，实现精确对接。

　　　蔬菜自动嫁接机夹持机构是实现嫁接任务过程中最关键的机构之一。由设计方案可知砧木夹持机构与接穗夹持机构完全一样，不同的是砧木嫁接夹没有单独配备切削机构，因为增加切削机构，刀片的切削角度容易产生误差及增加系统控制复杂程度，所以采用同一切削机构。实现切削的方法是：当固定在穗木嫁接夹上的切削机构切完穗木后旋转一定角度运转到砧木夹上方，使砧木嫁接夹的X、Y轴原点与接穗嫁接夹X、Y轴原点对齐。切割气缸快速进给，呈25-30度夹角斜刺向苗木，通过电机带动刀片实现高速切除砧木。由于本设计主要研究的对象是蔬菜自动嫁接机的夹持机构，所以只对切削机构单独作简单介绍。

3.2 蔬菜嫁接机工作流程

本设计蔬菜嫁接机的工作大致可分为27步一个循环，详见附录1 工作流程图。

3.3 夹持机构夹具设计

3.3.1 夹具自由度计算

　　　要设计一个能够夹持直径约1-3mm大小的蔬菜苗机构，那么我们首先要考虑的是怎样设计出能够将一定区域内的目标捕捉到我们希望的唯一点机构，只有满足这样的条件才能够实现精确对接。

夹持机构装配图.gif

蔬菜自动嫁接机夹持机构设计.gif

蔬菜自动嫁接机总装图.gif

旋转机构装配图.gif

内容简介：: 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计蔬菜自动嫁接机的夹持机构设计DESIGN OF THE HOLDING MECHANISM OF VEGETABLE AUTOMATIC GRAFTING MACHINE学生姓名：学号：年级专业及班级：2008级机制（5）班指导老师及职称：学部：湖南长沙提交日期：2012年5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名：年月日目录摘要1关键词11 前言22 蔬菜嫁接技术32.1 蔬菜嫁接方法32.2 蔬菜嫁接栽培技术现状32.3 蔬菜嫁接研究必要性及适用类型32.3.1 机械嫁接的必要性32.3.2 嫁接机适用类型42.4 国内外嫁接机的发展现状42.4.1 国外（日本）嫁接机技术先进国家的发展现状42.4.2 国外（韩国）嫁接机技术先进国家的发展现状62.4.3 国内嫁接机技术先进国家的发展现状62.5 蔬菜嫁接机的设计特点72.5.1 设计的特点72.5.2 蔬菜自动嫁接机设计结构示意图82.5.3 设计思路92.5.4 本蔬菜自动嫁接机设计方案：103 蔬菜嫁接机夹持机构设计103.1 蔬菜嫁接机工作原理103.2 蔬菜嫁接机工作流程113.3 夹持机构夹具设计113.3.1 夹具自由度计算113.3.2 夹具伤苗优化123.3.3 夹具的捕捉范围的确定133.3.4 夹具的高度的确定133.3.5 苗木特性分析133.3.6 夹具夹紧力的计算153.3.7 确定夹具的厚度及高度计算163.3.8 夹持机构保持架设计163.3.9 夹具连杆长度计算163.3.10 夹具杆长度计算和确定183.4 夹具运动结构完善和优化183.4.1 苗木夹具材料优化183.4.2 苗木夹具结构优化193.5 原动件驱动方案设计203.6 气动元件选择203.6.1 气缸203.6.2 电磁阀233.6.3 安装243.7 传感元件选择243.7.1 激光器型号选择243.7.2 光敏感元件型号选择264 其它机构274.1 夹持机构的旋转部件设计274.2 切苗机构284.3 包扎夹简介284.4 控制电路简介294.5 苗木传送机构机构295 总结295.1 蔬菜嫁接机的总体结果295.2 蔬菜嫁接机存在的不足30参考文献30致谢31附录31蔬菜自动嫁接机的夹持机构设计摘要：由于瓜类连作障碍问题越来越突出，蔬菜嫁接技术受到人们的重视。育苗专业户、育苗公司也应运而生。对于育苗专业户和育苗公司，如果靠人工嫁接，由于工作效率低和嫁接技术水平低，显然易贻误嫁接时机。因此采用嫁接机作业，小型和半自动式嫁接机，由于售价低廉，在市场上受到欢迎。本设计涉及一种能完成蔬菜嫁接中砧木、接穗的输苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化作业机器。操作者只需把砧木和接穗放到相应的供苗传送带上，其余嫁接作业均由机器自动完成。本文主要研究该蔬菜自动嫁接机的夹持机构。关键词：蔬菜；自动；嫁接机；夹持机构 Design of the Holding Mechanism of Vegetable Automatic Grafting MachineAuthor:Cao Bo Tutor: Tang ChuZhou(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: More and more prominent melon cropping obstacles, vegetable grafting technique attention has been paid. Nursery specialized households, breeding companies have emerged. The nursery specialized households and nursery company, by artificial graft, due to low efficiency and low level of grafting technique, obvious adversely affected by graft timing. They hope that the grafting machine operation, and the fact that small and semi-automatic grafting machines, due to the low price in the market to be welcomed.This design introduce an automatic machine which can anvil wood, spike to lose seedling, slice seedling, coalescence and fix, line up seedlings etc. workers only need to put the anvil wood and connect spike on the transmission belt and the rest of the work will be completed automatically by machine. This text mainly studies the structure of the automatically machine for vegetable grafting.Keyword: Vegetable, Automatic, the machine for Grafting1 前言科技推动农业的快速发展，而农业对直接产生劳动价值的劳动工具不断提出更高的要求。蔬菜嫁接机的上市，虽然在很大程度上缓解了经济上出现的矛盾，但是其中有些机构还是不能最大限度的发挥自己的能力，我们都知道蔬菜嫁接机中最关键的部位夹持机构在嫁接生产过程中起着至关重要的作用，它的性能好坏直接影响苗木嫁接的工作效率和成功率，最重要的是蔬菜嫁接的成活率。有时蔬菜嫁接机器在工作过程中，夹持机构不能成功的完成夹持、切削工作，或是使苗木受损和推到，这就大大影响整个机器的工作效率。我国是一个农业大国，虽然农业人口众多，但随着工业化生产的不断加速，可以预计农业劳动力将向社会其他产业转移。实际上，进入21世纪后，我国面临着比世界上任何国家都严重的人口老龄化问题，农业劳动力不足将会变成现实。另外，随着我国社会的进步，生活节奏的加快，饮食结构的变革和加入 WTO 后参与国际竞争，必然对进入市场的农产品的质量提出更高的要求。在 21 世纪，提高农业工程的自动化生产水平将成为我国农业科技领域的研究热点，用于农产品生产的各类机器人作为高级自动化设备，在我国将得到推广应用。在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，劳动力不足的现象越来越明显，许多作业项目，如蔬菜，水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接都是劳动密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力问题更难解决，正是基于这种情况，农林业机器应运而生，以此来减轻劳动强度、提高劳动生产率1。由于嫁接苗的砧木直径在 3-4mm 左右，穗木只有 1-2mm，加之幼苗幼嫩脆弱，嫁接起来十分费力。而且受人工所掌握的嫁接技术要领及熟练程度不同的影响，难以保证高质量的作业效果。传统的手工嫁接存在一定的局限性：1）劳动强度大、作业效率低2）成活率受到极大影响3）操作工长时间工作对身体健康有危害。所以手工嫁接得不到普遍的应用，为了克服这类矛盾，机器嫁接已成为一种趋势，况且我国蔬菜瓜果的生产和设施农业的发展，已经具备了大力发展自动嫁接机器人的基础和条件，因此，发展自动化嫁接技术，有利于高新技术迅速转化为生产力，推动我国农业的跨越式发展。由此可见，在我国发展机械化、自动化的嫁接技术势在必行。本课题涉及的蔬菜嫁接机器夹持机构在一定的程度上完善嫁接过程出现的不足。其优点是完成砧木和穗木的一次切削，提高了作业效率。这样既减少了作业成本的投入、节约能源，具有明显的综合经济效益2。2 蔬菜嫁接技术2.1 蔬菜嫁接方法图1 蔬菜嫁接方法Fig.1 Vegetable grafting methods2.2 蔬菜嫁接栽培技术现状嫁接技术早就广泛应用于园艺植物的繁殖、育种和栽培，而以果树和观赏树木等木本植物为主，在草本植物的蔬菜上则应用较少。随着嫁接技术的发展和完善，其应用范围不断扩大，目前已发展成为番茄、茄子、黄瓜、苦瓜、西瓜等蔬菜抗病、早熟、丰产的一项重要技术措施。早在50年代，日本、荷兰等将嫁接技术应用到蔬菜生产上。据资料显示3，1990年日本西瓜、黄瓜、甜瓜、番茄、和茄子栽培面积中有59%是嫁接栽培。我国在20世纪70年代首先在黄瓜生产中应用嫁接技术，80年代嫁接栽培技术逐步完善与配套，已发展到西瓜、茄子、番茄等蔬菜上，并且，嫁接栽培面积逐年扩大，取得了显著的经济效益和社会效益。2.3 蔬菜嫁接研究必要性及适用类型2.3.1 机械嫁接的必要性嫁接用的砧木苗直径和接穗苗直径都较小，仅几毫米，并且幼苗脆嫩细弱，所以手工嫁接很耗费精力。而且，每个人所掌握的嫁接技术要领、手法及熟练程度不同，难以保证较高的嫁接质量和较高的成活率。由于嫁接费工费时，有些地区出现了放弃嫁接栽培的现象，而靠大量施用农药防病治病。这样，不但造成了资源和财物浪费，更严重的是污染了蔬菜，破坏了生态环境，对人类健康构成威胁。蔬菜的手工嫁接技术，效率低、劳动强度大、嫁接苗成活率难以保证，因此已远远不能适应我国农业生产的要求。在我国，发展机械化、自动化的嫁接技术势在必行4。机械嫁接技术，是近年在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术。它可在极短的时间内，把蔬菜苗茎秆直径为几毫米的砧木、接穗的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高；同时由于砧、穗接合迅速，避免了切口长时间氧化和苗内液体的流失，从而大大提高嫁接成活率。2.3.2 嫁接机适用类型由于瓜类连作障碍问题越来越突出, 蔬菜嫁接技术受到人们的重视。但目前开发出的各蔬菜嫁接机所采用的嫁接方法各异，适应的生产模式单一，适用蔬菜种类不广，还很难做到通过价格和生产率及嫁接成功率进行经济性搭配的程度。目前蔬菜嫁接育苗生产没有统一的标准模式，各种模式之间的育苗基质、育秧钵或盘、播种方法、催芽设施、育秧设施和嫁接苗愈合设施等都不相同，各类嫁接机独特的生产要求很难与不同的模式相吻合，并且，嫁接机的自动化程度越高问题越严重。因此，蔬菜育苗生产模式的不同制约了嫁接机的推广使用。通过以上分析，认为根据我国农村劳动力丰富、农民整体技术水平不高、育苗机械化程度低和经济水平不高的实际国情，我国在研制全自动嫁接机提高嫁接育苗生产率的同时，应大力开发价格低廉、操作简单可靠的小型半自动嫁接机，降低嫁接作业的难度，扩大嫁接育苗技术的推广使用，以适应我国当前蔬菜生产机械化进程的需要。2.4 国内外嫁接机的发展现状2.4.1 国外（日本）嫁接机技术先进国家的发展现状 1986年日本农林水产省生物系特定产业技术研究推进机构组织多家公司参与,率先开始研制嫁接机。1987年研制出半自动形式1号试验样机G871。该机采用贴接嫁接法，适用于瓜科蔬菜的嫁接作业,其嫁接成功率为78%85%。 1989年在1号机的基础上又研制出半自动形式2号试验样机G892。其嫁接成功率达到了90%98%。 1991年又研制出全自动式3号试验样机G913。该机的嫁接成功率达90%以上。 1994 年日本井关公司同日本生研机构协作推出了商品化GR800B型半自动瓜科嫁接机以及GR800T型半自动茄科嫁接机（见图2A）。嫁接成功率为95%。另外日本村田种苗公司也根据自身育苗生产需要，开发研制出采用专用嫁接夹的半自动嫁接机，该机同井关公司嫁接机的工作原理类似（见图2B），可进行黄瓜和番茄的嫁接作业，生产率为600700 株h-1。三菱公司根据日本全国农业协同组合联合会的嫁接苗生产模式开发MGM600 型全自动嫁接机（见图2C）。该嫁接机采用套管法，砧木和接穗以单列形式送入嫁接机，切削后的砧木和接穗压合在一起后，使用专用弹性透明套管固定，嫁接苗成活后套管自动脱落。该机适用于茄科蔬菜，生产率可达600 株h- 1。1990年日本TGR 研究所以大规模育苗生产系统为目标研制全自动嫁接机，1993年开发出商品化茄科用KGM0128 型嫁接机（见图2D），1995年用于瓜科嫁接作业的嫁接机问世，目前小松公司负责经营销售。该机采用平接法，生产率为1000 株h-1，嫁接成功率达97%。日本洋马公司同生研机构协作，1993年开始研制全自动式嫁接机,1994年末AG1000 型全自动嫁接机开始上市销售（见图2E）。嫁接成功率到达97%，但该机只适合于茄科蔬菜嫁接作业，生产率为1000 株h-1。为降低大型嫁接机的造价，洋马公司于2003年推出了体积较小，操作方便的T600 型半自动化瓜科嫁接机（见图2F）。该机生产率可达600 株h- 1，嫁接成功率为98%。图2 日本几种蔬菜嫁接机Fig.2 Japan several vegetable grafting machine上世纪90 年代末，日本大阪府立大学开发研究了“plug- in”嫁接装置。 1999年大阪府立农林技术中心开发出纯手工作业的简易嫁接器具TK-WH（TK-WD），由日本MARK 公司经销，该器具采用劈接法，适用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作业，由砧木切削器和接穗切削器两个独立部分构成（见图3），完成切削的砧木和接穗用嫁接夹固定在一起5。图3 简易嫁接器Fig.3 Simple grafting2.4.2 国外（韩国）嫁接机技术先进国家的发展现状上世纪90 年代初，韩国也开始研究嫁接机，开发出采用靠接法的小型半自动式嫁接机（见图4）。该机采用凸轮传递动力，分别完成砧木夹持、接穗夹持、砧木和接穗切削和对插4 个动作，最高生产率为310 株h-1，嫁接成功率为90%。由于结构简单，操作方便，成本低廉，在韩国、日本和我国有一定销量，但是由于采用靠接法嫁接，推广使用受到限制。图4 韩国半自动嫁接机Fig.4 Korean semi-automatic grafting machines继半自动式嫁接机之后，韩国Idealsystem公司开发出针式全自动嫁接机，该机采用防回转五角形陶瓷针作为砧木和接穗的固定物，利用穴盘整盘上砧木和接穗苗，操作方便，作业速度快，生产韩国半自动嫁接机率可达1 200 株h-1，适合茄科蔬菜的嫁接作业。2.4.3 国内嫁接机技术先进国家的发展现状（1）2JSZ- 600 型蔬菜自动嫁接机。中国农业大学张铁中教授率先在国内开展蔬菜嫁接机的研究，1998 年成功研究制出2JSZ- 600 型蔬菜自动嫁接机（见图5）。该嫁接机采用单子叶贴接法，实现了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夹固定、排苗作业的自动化。该机嫁接作业时砧木可直接带土团进行嫁接，生产率为600 株h- 1，嫁接成功率高达95%，可进行黄瓜、西瓜、甜瓜等瓜菜苗的自动化嫁接作业。图5 中国农业大学开发的嫁接机Fig.5 China Agricultural University, grafting machine（2）2JC-350 型插接式自动嫁接机。2005 年东北农业大学研制出2JC- 350 型插接式自动嫁接机（见图6）。该嫁接机采用人工上砧木和接穗苗，通过机械式凸轮传递动力，可完成砧木夹持、砧木生长点切除、砧木打孔、接穗夹持、接穗切削以及接穗和砧木对接动作。该机结构简单、成本低，操作方便，生产率为350 株h- 1。经改进目前生产率已达500 株h- 1。由于采用插接法进行机械嫁接，不需嫁接夹等夹持物。适用黄瓜、甜瓜和西瓜的嫁接作业，嫁接成功率达93%。图6 东北大学开发的嫁接机Fig.6 Northeastern University grafting machine2.5 蔬菜嫁接机的设计特点2.5.1 设计的特点为了克服现有的机器自动化水平较低，速度慢，而且对砧木、接穗苗的粗细程度有较严格的要求或体积庞大，结构复杂，价格昂贵等方面的不足, 本设计的创新点在于：1）直接在营养钵上嫁接，从而避免将幼苗从土壤基质中拔出。即避免了嫁接损伤，又缩短了嫁接消耗的时间和人力资源，提高了产量，节约了劳动成本。2）利用光电检测装置，反应灵敏，目标捕捉准确。3）利用单片机控制整个过程，性能稳定，成本低，兼容性好，便于升级。4）控制部分采用标准化，模块化设计，便于维修。5）采用气动装置夹持。由于气动元件的优点在于能够实现对压力的任意调节，所以在嫁接中有着非常重要的作用。通过调节气阀实现对夹持力的调整。6）由于嫁接机的夹持臂旋转角度一定，为了精确实现对接，通过电磁铁的吸合，使嫁接机的两臂位置固定，从而使接穗与砧木重合。7)采用汽缸伸缩推动旋转刀片切割蔬菜幼苗，便于实现对切割角度的控制。8) 采用高速电机带动刀片旋转切削蔬菜幼苗，所以砧木上部分可以省略夹持机构。9) 包扎机构采用特殊的魔术贴包扎，所以能够实现快速准确包扎的作用。并且可以在魔术贴上添加愈合激素，实现提高成活率的目的。10) 蔬菜幼苗由皮带送入，直接在营养钵上嫁接，便于实现流水线生产。11)采用步进电机，灵敏、精确，容易实现编程控制。12)便携性好，可用于野外作业。2.5.2 蔬菜自动嫁接机设计结构示意图图7 俯视图Fig.7 Top view图8 正面视图Fig.8 The of view frontage2.5.3 设计思路本设计思路来源于高英武教授给我们展示的由春裕丰自动化技术有限公司、中国农业大学采用日本和韩国专利技术研制开发的“蔬菜半自动嫁接机”。如下图所示：图9 蔬菜半自动嫁接机外观图Fig.9 The view of Vegetable Grafting Mechanism由于该机器自动化程度不高，只能起到切苗的作用，其它工作由人工完成，不能实现自动嫁接，效果不是很理想。于是就决定自行设计一个功能更强的，能够实现自动嫁接全过程的嫁接机。2.5.4 本蔬菜自动嫁接机设计方案：本作品设计在嫁接过程中砧木和接穗都采用营养钵培养。蔬菜幼苗营养钵由皮带输入，直接在营养钵上嫁接，从而避免将幼苗从土壤基质中拔出。这种嫁接方法即避免了嫁接损伤，又缩短了嫁接消耗的时间，节约了劳动成本。蔬菜营养钵在皮带的传送下向前运动，当到达光电检测装置时，蔬菜苗隔断光线传播，光电检测装置得到信号送入单片机，单片机驱动气缸，使夹持机构工作，当夹持动作完成，单片机命令切削汽缸顶端的电机，电机轴段装有刀片，快速切断接穗，同理，砧木也采用相同机构夹持。然后驱动转向电机旋转167.8度，由于切削机构与接穗夹一同旋转，所以砧木也被快速切除。通过电磁铁的吸合，使接穗与砧木重合。完成对接后，通过包扎机构实现包扎，由于包扎机构采用特殊的魔术贴包扎，所以能够实现快速准确包扎的作用。并且可以在魔术贴上添加愈合激素，实现提高成活率的目的。包扎完毕，传送带将嫁接好的苗木继续向后传送。嫁接机构开始下一轮嫁接。由于整个过程由程序控制，机械操作，一个嫁接周期只需6秒钟，即每小时可嫁接600株。本蔬菜嫁接机机械结构分为夹持机构、旋转机构、包扎夹、切苗机构、苗木传送机构、底盘等六个部分本文主要进行夹持机构设计3 蔬菜嫁接机夹持机构设计3.1 蔬菜嫁接机工作原理本蔬菜自动嫁接嫁接机嫁接原理：嫁接过程中，蔬菜砧木苗和接穗苗分别置于蔬菜嫁接机的两个传动带上，传送带在步进电机的驱动下将蔬菜苗向嫁接夹内运送。设嫁接夹闭合的夹口中心为三维坐标系的原点，设步进电机驱动的皮带运动方向为X轴，激光发射方向垂直于皮带运动方向，相当于坐标系的Y轴。当蔬菜苗到达光电感应装置区域后，苗的茎杆将激光的光线挡住，接收光的感应电路得到触发信号，传送给单片机，单片机控制步进电机停止转动，因此蔬菜苗的茎杆锁定在激光发出的这条直线上，相当于坐标系中的X轴为0。而蔬菜苗夹进给方向与X轴垂直，与激光束方向平行，即坐标系中的Y轴。当蔬菜苗茎杆挡住激光，与此同时单片机控制夹紧气缸伸长，使嫁接夹开始左右同步向中心夹紧，即向X,Y轴平面原点夹紧，落入夹紧区域任何一点的苗的位置趋于唯一点，即原点。由于气缸的夹紧力和速度是可调的，所以不会对苗造成伤害。当苗木夹紧后切割刀片在切割气缸的推动下快速进给，呈30度夹角斜刺向苗木，通过电机带动刀片实现高速切削。并且速度、刀片的角度可调。同理，砧木嫁接夹也采用相同机构实现定位、切削。由于接穗嫁接夹与砧木嫁接夹臂长可调，只要嫁接夹臂长相等，中心重合，那么旋转一定的弧度就可以实现砧木与接穗自动对齐。即砧木嫁接夹的X、Y轴原点与接穗嫁接夹X、Y轴原点对齐。并且通过电磁铁辅助定位，实现精确对接。蔬菜自动嫁接机夹持机构是实现嫁接任务过程中最关键的机构之一。由设计方案可知砧木夹持机构与接穗夹持机构完全一样，不同的是砧木嫁接夹没有单独配备切削机构，因为增加切削机构，刀片的切削角度容易产生误差及增加系统控制复杂程度，所以采用同一切削机构。实现切削的方法是：当固定在穗木嫁接夹上的切削机构切完穗木后旋转一定角度运转到砧木夹上方，使砧木嫁接夹的X、Y轴原点与接穗嫁接夹X、Y轴原点对齐。切割气缸快速进给，呈25-30度夹角斜刺向苗木，通过电机带动刀片实现高速切除砧木。由于本设计主要研究的对象是蔬菜自动嫁接机的夹持机构，所以只对切削机构单独作简单介绍。3.2 蔬菜嫁接机工作流程本设计蔬菜嫁接机的工作大致可分为27步一个循环，详见附录1 工作流程图。3.3 夹持机构夹具设计3.3.1 夹具自由度计算要设计一个能够夹持直径约1-3mm大小的蔬菜苗机构，那么我们首先要考虑的是怎样设计出能够将一定区域内的目标捕捉到我们希望的唯一点机构，只有满足这样的条件才能够实现精确对接。如图11所示，采用连杆机构同步进给，能够在一定捕捉区域内严格保证夹具的中心点唯一。夹具有运动机构5个,其中有运动低副7个,高副0个,所以自由度为: F=3x5-2x7=1 （1）机构构成确定的运动。1.夹持架2.扁连杆3.光敏接收头4.夹苗夹具5.激光头图10 夹持机构方案Fig.10 Holding mechanism scheme图11 夹持机构方案原理图Fig.11 Holding mechanism principle picture3.3.2 夹具伤苗优化为保证达到夹持而又不伤害蔬菜幼苗的功能，我们需要考虑的是夹具在蔬菜茎杆上作用力的分布。由于蔬菜苗的茎杆相当脆弱，所以我们只有考虑增加夹具与蔬菜苗茎的接触面积以保证达到夹持而不伤害幼苗的目的。如图所示结构12，通过改进采用交差夹合的办法来增加接触面积。1 橡胶夹头， 2 粘贴板， 3 夹具杆图12 夹持机构夹具示意图Fig.12 Holding mechanism fixture signal picture3.3.3 夹具的捕捉范围的确定根据设计，传动带的设计的宽度为120mm，蔬菜苗种植在高80mm，直径70mm的营养钵里面。为了提高嫁接的成活率，操作要求营养钵中的苗尽可能放在传送带的中心部分6。虽然我们希望苗最好在夹持机构的中心。但是苗正好在夹持机构中心的可能性比较小，操作难度大。因此考虑到苗的放置误差要求允许苗有一定的偏离范围，设计夹持机构的捕捉范围为50mm。因为传送带宽为120mm，所以即使苗偏离营养钵中心的方向与苗偏离夹持机构的方向距离叠加这种最坏的情况下也不会从传送带上掉下来。3.3.4 夹具的高度的确定瓜类砧木的最适嫁接苗龄是以第一片真叶出现时为最佳，过于幼嫩的苗，嫁接时不易操作；过老的苗，不仅中心髓腔大，接口也不易愈合。一般苗的高度为60mm至120mm。由于苗的高度所限,所以这个嫁接操作应该控制在营养钵以上60mm高的范围内7。3.3.5 苗木特性分析由于苗木脆弱，特别容易折断，夹持苗木时夹持力不能太大，太大易导致苗木的损伤;夹持力也不能太小，太小又不能满足夹持固定的要求。因此针对上述矛盾设计如下实验。试验名称：黄瓜、西瓜幼苗茎杆的压力承受试验试验目的：为了研究蔬菜幼苗在不影响成活的情况下所能够承受的最大压力，从而确定在所设计嫁接机的嫁接过程中机械夹持力的大小范围。试验要求：根据试验目标及专家建议，预设嫁接苗被压变形成厚度为自身直径的2/3时为承压极限。主要设备、器材：天平，砝码，轻质铝合金板(长200mm，宽34mm，重16g,在测量中忽略不计)，尺子，放大镜试验条件：本苗木茎杆的压力试验是在刚性较强铁质工作台和刚性较强铝合金板之间进行的。试验步骤及原始数据记录试验方法一8：由于预先不能确定苗所能够承受的最大压力，所以采用如图13的试验方法。图13 蔬菜苗茎杆压力承受试验一意图Fig.13 Vegetables seedling pressure support experiment signal picture 1由于铝合金板的长度为200mm，苗的直径约30mm，所以形成的夹角相当小。当重力分布在中心时，苗所承受的压力约为重力的1/2。在试验过程中我们逐渐加重作用在铝合金板中心的压力，我们发现：苗的茎杆所能承受的压力远超乎我们的现象。直到最后我们把1500g的重力完全压在铝合金板中心也没有达到苗所能够承受的最大的压力。试验方法二：由于测量原理有误差，所以采用第二种试验方法。图14 蔬菜苗茎杆压力承受试验二意图Fig.14 Vegetables seedling pressure support experiment signal picture 2根据前面试验的经验积累，我们通过向左右两边烧杯添加水，由于水的重量使其接近临界状态，最终达到平衡以观察苗茎杆的受压情况。由于苗的茎杆受力物理特性具有一般普遍性，所以只要对相关条件下部分苗进行试验就能发现它的一般规律。具体试验数据如下：表1 西瓜苗与黄瓜苗的抗压能力试验二Table 1 melon seedling and cucumber seedling reinforcement experiment对象苗茎高度直径生长状态承重量承重状态黄瓜苗1115mm2.8mm一叶一心1080g根据试验目标及专家建议，预设嫁黄瓜苗2110mm3.0mm一叶一心1080g黄瓜苗3131mm3.3mm一叶一心1180g对象苗茎高度直径生长状态承重量承重状态黄瓜苗4106mm2.7mm一叶一心1080g接苗被压变形成厚度为自身直径的2/3时为承压极限。黄瓜苗5101mm2.5mm一叶一心1050g西瓜苗1124mm3.1mm一叶一心1120g西瓜苗2145mm3.6mm一叶一心1260g西瓜苗3130mm3.3mm一叶一心1180g西瓜苗4126mm3.1mm一叶一心1120g西瓜苗5122mm3.1mm一叶一心1120g备注: 根据试验目标及专家建议，预设嫁接苗被压变形成厚度为自身直径的2/3时为承压极限。验结论与分析：通过试验可知在西瓜苗与黄瓜苗在适合嫁接期茎杆的抗压基本在1000g以上，1000g重力转化成压力为9.8N。3.3.6 夹具夹紧力的计算由上述实验可以得到嫁接苗能够承受的最大压力约为10N，由于夹具设计由四个方向的挤压得以夹紧嫁接苗。也就是说苗在一对平衡方向上的最大受力约为10N，如图15所示：由力学分析可知，当苗承受10N的力时，夹具的夹紧力为N9。符合夹具的设计要求。因此确定夹具的夹紧力为: N。图15 蔬菜苗茎杆压力示意图Fig.15 Vegetables seedling reinforcement experiment signal picture3.3.7 确定夹具的厚度及高度计算在夹持机构设计中，我们既要求两个夹持夹具之间的距离尽可能小，以保证苗的切削斜面尽量重合；又要求在两个夹持夹具之间的距离尽可能大，以方便切削刀片在两个夹持夹具之间切削和包扎机构的包扎工作。所以在设计中要求在条件允许的情况下实现矛盾的统一。切削刀片所占空间高度：根据勾股定律可知：当苗的直径为3mm时，如果用刀将直径削成30度斜切，那么斜切面的长度为6mm。所以我们就可以确定，如果要将苗斜切断，至少刀片切削直径大于3mm。根据设计，本设计刀片的长度为12mm，其旋转直径达24mm，远远满足切断的要求。当刀片长度确定后又由于苗的茎杆在被夹持状态下垂直于水平面，而刀片与苗的茎杆成28到30度角，所以刀片在旋转状态下的垂直高度为： mm 10 （2）夹持夹具高度：由于苗的最低高度为60mm，所以要求整个夹持机构高度不大于50mm。又因为切削刀片在两夹持夹具之间旋转，要求要有一定的间隙，预计所留空间高度为26mm。所剩的24mm分配给两夹持夹具，两夹持夹具完全相同，即厚度为12mm。3.3.8 夹持机构保持架设计夹持机构保持架是保证夹头精确工作的重要构件。嫁接机的宽度定位500mm，且为对称结构。旋转柱的最大直径为60，除去保留空间，将保持架的整体长度为200mm。如图16所示：3.3.9 夹具连杆长度计算1）驱动力：由实验可知夹具的加持力即为构件的驱动力，为：N。2）夹具阻抗力：夹具夹紧嫁接苗，且要阻止穗木落下。1.光敏二极管安装孔， 2，夹具安装孔，3. 激光器安装孔，4.气缸固定孔，5.连杆滑槽，6.连杆销轴滑槽图16 夹持机构保持架Fig.16 Holding mechanism3）摩擦力计算：根据摩擦力计算公式：Ff21=fFN21=fvG (3)式中：fv为当量摩擦系数。fv=kf(k=)=arctanf (4)图17 夹持机构方原理图Fig.17 Holding mechanism picture由于保持架滑槽可变，夹具杆采用铆钉连接也可变长短，在可变范围内都可采用，因此根据构成四杆机构杆长条件:L1+l4l2+l3 (5) 式中：L1为最短杆长 L4为最长杆长综上所述计算求得连杆长度为：80mm。3.3.10 夹具杆长度计算和确定根据设计,嫁接机的宽度为500mm，且两边是对称结构。因此夹具杆有四个，并且要留有50mm的加持苗的空间。因此初步定夹具长度为： (500-50x2)/4=100mm （6）夹具杆要构成机构运动，上面已经可以确定不能小于51mm，留有伸缩空隙最后确定夹具杆长为：70mm。3.4 夹具运动结构完善和优化3.4.1 苗木夹具材料优化上述试验苗木茎杆的压力试验是在刚性较强铁质工作台和刚性较强铝合金板之间进行的。由于弹性较差，几乎没有形变，对苗的损害大。所以考虑采用编号为1608弹性较好的工业用橡胶材料制作夹持夹具。该材料具有一定的弹性，相对刚性材料极大地提高了苗的临界破坏压力值，且橡胶可以注塑成型，相对于机械加工而言大大降低了材料成本和加工成本。但是本优化方案由于试验条件限制，没有相关数据，只能根据橡胶材料具有弹性的特性预计压力趋势。但是为了尽可能了解弹性特性在嫁接中的作用，在前面两个试验的基础上采用加夹1.2mm的泡沫塑料实现缓冲。具体试验数据如下：图18 蔬菜苗茎杆压力承受试验三示意图Fig.18 Vegetables seedling reinforcement experiment 3 signal picture 试验结论与分析：通过试验可知在西瓜苗与黄瓜苗在适合嫁接期茎杆的抗压基本在1000g以上，1000g重力转化成压力为9.8N。而在增加1.2mm泡沫塑料做缓冲后其抗压能力达3000g以上，增大了近3倍，这对于机械嫁接有着重大的作用。根据设计夹头厚度为12mm。而试验板宽为34mm，所以夹具的最大夹持为： 11 （7）表2 西瓜苗与黄瓜苗的抗压能力试验三Table 2 melon seedling and cucumber seedling reinforcement experiment 3对象苗茎高度直径生长状态承重量承重状态黄瓜苗1115mm2.8mm一叶一心3240g根据试验目标及专家建议，预设嫁接苗被压变形成厚度为自身直径的2/3时为承压极限。黄瓜苗2110mm3.0mm一叶一心3140g黄瓜苗3131mm3.3mm一叶一心3560g黄瓜苗4106mm2.7mm一叶一心3270g黄瓜苗5101mm2.5mm一叶一心3150g西瓜苗1124mm3.1mm一叶一心3280g西瓜苗2145mm3.6mm一叶一心3660g西瓜苗3130mm3.3mm一叶一心3320g西瓜苗4126mm3.1mm一叶一心3620g西瓜苗5122mm3.1mm一叶一心3550g3.4.2 苗木夹具结构优化如果将夹具整体用PVC材料制作那么该夹具的弹性太大，影响定位的精确性能且与夹具保持机构的摩擦很大。所以根据这种情况优化设计方案，将夹具分成夹具头和夹具杆两部分。夹具头形状复杂，要求有弹性。根据金属材料特性选择天然橡胶作为夹具头材料。主要性能：弹性极大，有非常好的机械强度，抗折、耐磨、耐挠曲，有较好的耐透气性，可塑性和工艺加工性能良好。广泛用于轮胎、胶带、胶管、胶鞋及其他橡胶制品以及电线电缆的绝缘层。夹具杆形状相对简单，要求有较好的形状保持能力及较小的摩擦系数，所以选用圆钢及铁板焊接制造。夹具整体是由夹具头和夹具杆粘接在一起构成的。当夹具头因磨损或变形不能工作时还可以很方便地更换夹具头。图19 蔬菜苗茎杆夹具头示意图Fig.19 Vegetables seedling fixture head图20 蔬菜苗茎杆夹具杆示意图Fig.20 Vegetables seedling fixture shaft signal picture3.5 原动件驱动方案设计夹具中的原动件的运动形式是直线运动，完成这个运动，有多种设计方案12。(1)直线电机驱动方案。直线电机是一种新型电机，它可以直接输出直线运动。但是这种方案所使用的电机成本太高，不宜使用。(2)齿轮齿条驱动方案。这种方案也能够很方便地实现直线运动，但是电机夹紧力刚性太大，并且占空间不利于嫁接过程中的对接和包扎。(3)螺纹传动方案。螺纹传动件可以把回转运动转变成直线运动，但是由于具有自锁特性，不能良好反馈夹持力的大小，容易压坏幼苗，且由于螺纹自锁时传动比较小，运动速度太慢，不宜采用。(4) 气压驱动方案。气压驱动能够很方便地实现直线住复运动，并且由于气体具有压缩特性，随着压力的增大到一定范围后能够达到平衡。元件结构简单紧凑，易于制造。这种特性对嫁接非常有利而且节省空间设计制造成本不是很高，因此采用该方案。为保证原动杆最短长度尽量小而且便于齿轮齿条的传动，所以将驱动电机主轴垂直于齿条杆放置。电动机输出的动力经过减速器减速，带动齿轮驱动齿条上下运动。气动工作原理图如附录二。3.6 气动元件选择3.6.1 气缸QCJ2系列微型气缸，按日本产品的性能及外观尺寸设计，采用不锈钢筒，活塞及密封件采用进口件，端盖和缸筒之间采用滚压连接。本设计采用QCJ2B10-30型不锈钢迷你缸-复动型气缸，产品的动作形式是复动型；内径为10mm、行程为30mm；使用压力范围为1.57Kgf/cm2，最大压力为1MPa= 7Kgf/ cm2；保证耐压力为10 Kgf/cm2；使用温度范围为5700C；使用速度范围为50750mm/s。计算公式：气缸推力 F0=0.25D2P （8）气缸拉力 F0=0.25（D2d2）P （9）因为本蔬菜自动嫁接机的气缸是横向水平使用的，所以计算出来的推力与理论出力基本相等。“MAL1030”的D=1cm,d=0.4cm,因为使用压力范围为1.58Kgf/cm2，所以取P=2Kgf/cm2，所以解得：气缸推力 (10)气缸拉力 (11)表3 气缸主要技术参数Table 3 the air cylinder major technical data缸径/mm61016工作介质经过过滤的压缩空气动作模式单动/双动耐压试验压力/ MPa最高使用压力/MPa最低工作压力/ MPa0.120.06缓冲橡胶垫环境温度/570使用速度50750行程误差/mm0+1.0润滑不需要接管口径注：生产厂：上海全伟自动化元件有限公司式中：D-气缸活塞直径（cm） d-气缸活塞杆直径（cm） P-气缸的工作压力（Kgf/cm2） F0-气缸的理论拉力（Kgf）上述出力计算适用于气缸速度 50 500mm/s 的范围内。气缸以上下垂直形式安装使用，向上的推力约为理论计算推力的 50% 。气缸横向水平使用时，考虑惯性因素，实际出力与理论出力基本相等。气缸推力也可以利用下表直接查得：为了避免用户选用时的有关的计算，下附气缸输出力换算表，用户可根据负载、工作压力、动作方向从表格中选择合适的缸径尺：验算：由于缸是横向水平使用的，所以计算出来的推力与理论出力基本相等。忽略气缸的摩擦力，其压力完全加在蔬菜苗茎上。根据前述实验可知苗的承受能力为： (11)经计算夹紧力 (12)表4 缸径尺寸的选择Table 4 Choice of the size of the bore 缸径（mm）气缸的理论输出力（推力）使用空气压力 MPa0.20.30.40.50.60.70.8101.572.363.143.934.715.506.28164.026.038.0410.112.114.116.1206.289.4212.615.718.822.025.0259.8114.719.624.529.434.439.23216.024.132.240.248.356.364.44025.137.750.362.875.488.0100.55039.258.978.598.21171371576362.393.512515618721825080100151201251302352402100157236314393471550628125245368491615736859982160402603804100512061407160818050876310181272152717812036200628942125715711885219925142509811473196324542945343639263201608241232164021482556296432以上计算为理论值，实际所需夹紧力要大于理论值，因系统有摩擦损失，所以选夹紧力值要大于理论计算值。并且为了设计的通用性，夹紧力要求能够实现可调，应该适当大于蔬菜苗的承受压力，满足设计要求。所以选择“QCJ2B10-30型不锈钢迷你缸-复动型气缸”是正确的！3.6.2 电磁阀对于自动控制、远距离控制及复杂控制过程选用电磁阀。根据控制的执行元件种类的不同或应用领域和场合的不同选用合适的阀种类。控制“QCJ2B10-45型不锈钢迷你缸-复动型气缸”气缸采用四通或五通阀，控制各种流体的流通转换采用两通或三通阀。气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量与信号传递的技术，即用诸于空压机之类的将空气压缩并储存能量，用以驱动执行元件气缸。因气体的速度很快，所以气缸能获得高速直线或旋转运动，一般情况下，气缸活塞最大速度可达1m/s，实际使用要选择最佳速度（50500m/s），而不是最大速度，最佳速度是最经济的，相反最大速度工况会使磨损加剧，将减少气缸和连接的寿命，也增加了能量消耗。推荐换向阀与气缸的选配如下表所示：表5 换向阀与气缸的选配Table 5 The apolegamies of reversing valve and air cylinder气缸内径101620253240506380100125160200250320400换向阀通径4681012152025 由流量的计算来选择电磁阀气缸动作所需流量： Q=D2V(P+1.03)60/(41.03104) (13)其中：Q-必需流量（l/min） P-供气压力(Kgf/cm2) D-气缸缸径(cm) V-气缸的基准理论速度(mm/s)相关计算公式：Q=CV984= KV1100(NL/min) (14)S0=18CV(mm2) (15)式中：CV-水流量（US gal/min）于600C流经差压为psi之阀门而所得出之流量定值。KV-水流量（L/min）于200C流经差压为1Kgf/cm2之阀门而所得出之流量定值。S0-阀的有效截面积(mm2)。已知：“QCJ2B10-30型不锈钢迷你缸-复动型气缸”气缸的工作压力为1.57Kgf/cm2 ,取最大值时来选阀，以时阀能适应任何情况，所以取7Kgf/cm2,气缸缸径D=10mm=1cm,取气缸的基准理论速度V=500mm/s所以：Q=3.1412500（7+1.03）60/(41.03104)=353NL/minCV=Q/984=353/984=0.358 S0=18CV=180.358=6.46mm2 (16)以上计算为理论值，实际所需流量要大于理论流量，因系统有流量损失，所以选定控制阀的CV值和S0值要大于理论计算值。所以我根据下表6（电磁阀的规格表）选择“4V110-06”（4V：代表五方口电磁阀）：CV=0.67，S0=12mm213。3.6.3 安装“QCJ2B10-30型不锈钢迷你缸-复动型气缸”应根据不同的用途和安装需要，选用适当的安装形式，在本机器中，由于蔬菜自动嫁接机的夹持力不是很大的，所以我们采用“单脚架式”：气缸固定在嫁接夹机架上，如图22所示。3.7 传感元件选择3.7.1 激光器型号选择世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，等方面发挥着非常重要的作用。本设计主要应用到激光的优越方向特性。能量高度集中的激光光束有可能对人体造成损害，如眼睛或皮肤。所以，国际电子技术委员会IEC(InternationalElectrometricalCommission)和食品及药品管理局FDA（FoodandDrugAdministration）对激光设备的安全性，按其激光输出值的大小进行了分类。正规生产激光设备，其安全等级均应按FDA或IEC标准进行标注。IEC标准将激光设备分为五个等级，分别称为Class1,Class2,Class3A,Class3B,Class4。例如，Class1级激光设备，在“可预见的工作条件下”是一种安全设备；而Class4级的激光设备，则是可能生成有害的漫反射的设备，会引起皮肤的灼伤乃至火灾，使用中应特别小心。FDA标准将激光设备分为六个等级，即Class,Classa, Class,Classa,Classb和Class。对Class级者，其激光辐射量不认为是有害的，对Class级者，其激光辐射量无论是直接辐射还是散射（Scattered）,或者对皮肤和眼睛均是有害的14。型号选择：根据设计，我们需要选用能量小、光的直线性好、光斑小于2mm、发射距离500mm以上、外型小于10mm的激光器。图22 气缸安装示意图Fig. 22 air cylinder fix place图23 激光器型号说明Fig .23 laser termination model illustrate根据需要选用 D-系列（点式）激光器点式激光器有多种不同类型，光斑有圆形和椭圆形两种，光斑大小和光束发散也各有不同。不同种类的激光器皆由不同种类的光学玻璃透镜或高品质的光塑透镜组成，用户可根据具体的使用要求选择或定制。图24 工业级激光器电压光功率、电流图Fig .24 laser termination voltageluminous power,current picture点式激光器可由数种不同的透镜组成, 不同种类透镜发出的光斑形状也有差异, 有椭圆形和圆形, 光束发散度和光斑大小也都不一样, 出口功率也可根据不同的使用要求调整, 用户可根据具体用途选择或定制15。外形尺寸有6.5x11,7x14, 8x20, 8x25, 9x21, 9x25, 10x32, 10x36, 12x32, 12x36, 13x35, 14x42, 16x50, 16x70, 18x60, 20x70, 22x80, 26x70, 26x110 (mm)。所以根据激光器的类型选定外形尺寸为7x14mm的EL65D05IPE型激光器作为直线检测光源。3.7.2 光敏感元件型号选择光敏感元件（简称光敏元件）是将光（或光能）转变成电（或电能）信号的元件。光敏元件种类繁多，主要有光敏电阻器、光敏二极管、及光敏三极管等几类常用的光敏元件。由于在工作过程当中，苗的茎较小，而激光发射的光点也小于1mm，如果光敏元件反应速度太慢的话就会降低捕捉信号能力。根据需要选择光敏二极管也叫光电二极管。它的工作原理是当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏二极管的电路符号、外形见图25所示。图25 激光器型号说明Fig.25 Photosensitive diode model illustrate其封装有金封和塑封两种（即圆柱形和扁方形）。有的光敏二极管为了提高其稳定性，还外加了一个屏蔽接地脚，外形似光敏三极管。光敏二极管工作于反向偏压，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度所决定。同一型号的光敏二极管在一定的反偏电压、相同强度和不同波长的入射光照射下，产生的光电流并不相同，但有一最大值。不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、同一强度的入射光照射下，所产生的光电流最大值也不相同，且光电流最大值所对应的入射光的波长也不相同16。图26的曲线、分别是光敏二极管的光谱响应特性曲线。由图可看出，它们的光电流的最大值分别在可见光区和红外线区，其中的速度响应较快（5-50ns）。所以选定二极管2CU5为本设计产品的感光元件17。4 其它机构4.1 夹持机构的旋转部件设计当完成夹持动作，切削气缸快速伸长，切断接穗，然后单片机命令固定夹持机构的电磁铁一放开、命令转向电机转动。由于在中间固定轴上有一个齿轮通过定位销卡在轴的槽内实现位置调节与固定的功能。转向电机安装在动滑套上，电机上的齿轮与固定轴上的齿轮啮合。当单片机命令电机转动时，安装了电机的动滑套相对于固定轴上的定齿轮自身位置旋转167.8度，停止转动，通过电磁铁吸合定位，正好与砧木垂直18。由于切削机构的刀片随接穗夹一同旋转，所以砧木也会被切削机构的刀片快速切除，使接穗与砧木重合，完成对接。图26 旋转驱动机构安装位置Fig.27 Revolve drive mechanism fix place4.2 切苗机构当夹持动作完成，单片机命令切削汽缸顶端的电机转动19，电机轴端装有刀片，气缸快速伸长，刀片切断接穗，同理，砧木也采用相同机构夹持。然后转向电机驱动旋转机构旋转167.8度，通过电磁铁的吸合定位，正好与砧木垂直。由于切削机构的刀片与接穗夹一同旋转，所以砧木也会被切削机构的刀片快速切除，使接穗与砧木重合，完成对接20。图27 切苗机构安装位置Fig.28 Seeding cut mechanism fix place4.3 包扎夹简介完成对接后，通过包扎机构实现包扎，由于包扎机构采用特殊的魔术贴包扎，所以能够实现快速准确包扎

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