葡萄苗嫁接机的设计

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计葡萄苗嫁接机的设计DESIGN ON THE GRAFTING MACHINE FOR GRAPES学生姓名：张 孝学 号：200741914331年级专业及班级：2007级机制（3）班指导老师及职称：高英武 教授湖南长沙提交日期：2011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：所呈交的本科毕业设计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。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21.1 选题研究意义21.2 国内外研究现状2 1.2.1 日本嫁接机的研究与开发2 1.2.2 韩国嫁接机的发展现状3 1.2.3 国内嫁接机的发展现状4 1.2.4 对国内外现状的几点分析5 1.3 本课题研究的主要内容和技术难点52 嫁接苗特性试验和嫁接方案选择6 2.1 砧、穗木苗选取6 2.2 苗木物理机械特性试验6 2.2.1 物理模拟切削试验装置7 2.2.2 试验装置调节8 2.2.3 切割理论与试验8 2.2.4 苗木嫁接机上正切的理论分析9 2.2.5 正切试验10 2.3 抗压伤试验10 2.4 嫁接方案选择113 葡萄苗嫁接机的总体方案拟定11 3.1 本方案设计思路与论证12 3.2 本方案工作原理图12 3.3 葡萄苗嫁接机机构原理图134 葡萄苗手持式嫁接机修枝剪断机构的设计13 4.1 修枝剪断机构的结构设计13 4.1.1 材料选用13 4.1.2 修枝剪断机构的强度和寿命校核15 4.2 葡萄苗嫁接机成形刀片机构的设计17 4.2.1 材料选用17 4.2.2 V形面切削刃高度分析17 4.2.3 V形夹角设计17 4.2.4 成形刀片的强度和寿命校核18 4.3 葡萄苗嫁接机刀柄机构的设计20 4.3.1 刀柄机构的设计原则20 4.3.2 材料选用20 4.3.3 刀柄结构设计20 4.3.4 刀柄强度和寿命校核21 4.4 嫁接机其他部分的设计22 4.4.1 定位支撑块的设计22 4.4.2 弧口板的设计24 4.4.3 外壳设计25 4.4.4 葡萄苗嫁接机刀柄压缩弹簧的设计26 4.4.5 葡萄苗嫁接机定位棒的设计26 4.4.6 葡萄苗嫁接机虚拟样机装配275 结论28参考文献 28致谢29葡萄苗嫁接机的设计学 生：张 孝指导老师：高英武(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128) 摘 要：本文根据葡萄苗的生物特性、力学特性、栽培方式、嫁接工艺和嫁接机的综合设计原则来确定嫁接机的类型为手持式。基本原理为杠杆原理，即以剪刀机构构成主要运动机构，以竖直安装在剪刀夹上的成形刀片机构作为切削机构。鉴于手持式嫁接机的方便实用性，本设计无需再设计夹取机构，而绑枝则采取人工塑料夹夹持的方式。在确定手持式嫁接机的机械结构尺寸后，采用当代大型的SolidWorks设计理念设计基本结构，并用运动仿真和干涉检查来修正手持式嫁接机的具体尺寸，同时运用COSMOSWorks简单有限元分析来对关键零部件进行强度和寿命校核。 本文研究过程中应用了SolidWorks现代三维建模技术、运动仿真技术、有限元分析技术等现代科技，大大提高了设计效率。研究结果解决了现代台式嫁接机移动性差的难题，对机械嫁接装置小型化、简单化、嫁接高效化都有重要意义。关键词：嫁接机；杠杆原理；三维软件分析Design on the Grafting Machine for GrapesAuthor:Zhang XiaoTutor:Gao Ying-wu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract：In this paper, according to the grapes biological nature, mechanical characteristics, cultivation patterns,grafting technique and the comprehensive designing principle of grafting machine, the handheld grafting machine is to decided to design for grapes.The basic principle is lever principle, namely to shears mechanism with a major sports organizations, and clip blade institutions as forming cutting institutions clamping with vertical installed in the shears mechanism . In view of the convenient, designing clip institutions are replaced by plastic clip which are prepared for the mechanical structure.The paper design its basic structure by utilizing the project concept of contemporary large size of SolidWorks design basic structure, and revise the dimensions by movement simulation and interference, and use finite element analysis of COSMOSWorks to check strength and fatigue for key parts respectively. In theprocess of studies the paper make full use of SolidWorks 3D modeling technology, motion simulation technology, finite element analysis technology and so on. So this paper have improved the design efficiency greatly.The results have solved difficult problems of poor mobility of modern desktop mechanical grafting which contribute to device miniaturization, simplistic and grafting efficiency. Key words：grafting machine; lever principle; three-dimensional software analysis1 前言1.1 选题研究意义 嫁接技术2000多年前发源于我国，日本于20年世纪20年代开始将其用于瓜类蔬菜栽培生产，20世纪80年代，蔬菜嫁接栽培技术遍及日本、中国和欧美各国。手工嫁接育苗存在作业率低、嫁接苗成活率不高，出苗不均匀，这种状况制约了嫁接育苗技术的推广与应用，在葡萄嫁接领域同样存在这样的困境，并且目前针对葡萄苗嫁接机的研究开发尚处于起步阶段，因此设计一种可提高生产率、降低嫁接作业难度、提高嫁接苗的成活率、保证嫁接苗生长一致，有利于生产管理和规模化，从而最终提高葡萄品质，增加农民收入的嫁接机势在必行。1.2 国内外研究现状1.2.1 日本嫁接机的研究与开发 机械嫁接作为当代的一种新兴技术，主要目的是为了减少劳动者劳动强度以及提高嫁接效率和质量，使嫁接技术为当代农业更好的服务。机械嫁接技术是精准农业、微电子、计算机和自动控制等技术在农业中应用的集中体现，是农业生产过程自动化、智能化的重要标志。1986年日本农林水产省生物系特定产业技术研究推进机构(生研机构)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l号试验样机G871（图1），上砧木和接穗苗由人工完成，其余由机械完成。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l号机的基础上又研制出半自动形式2号试验样机G892（图2）。为方便连续作业，该机采用圆盘输送砧木、接穗，一次可上盘20套砧木苗、接穗苗和嫁接夹。在不计向圆盘输送机构上放置砧木苗、接穗苗和嫁接夹的时间条件下，3 s完成一株苗的嫁接作业，其嫁接成功率达到了90-98。 1991年又研制出全自动式的3号试验样机 G913（图3）。3号机所用砧木和接穗苗采用营养钵育苗，嫁接时分别将砧木和接穗营养钵置于8穴6穴的专用穴盘中，输送皮带移动穴盘自动上苗；通过光电传感器检测苗钵位置和秧苗叶片方向，自动夹持、切削、对接和上嫁接夹。该机的嫁接成功率达90，亦适用葡萄苗的嫁接。 图1 样机一代 图2 样机二代 图3 样机三代Fig.1 The No.1 prototype Fig.2 The No.2 prototype Fig.3 The No.3 prototype 日本最近的一次有重大突破的研究是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)(图4)，由日本 MARK公司经销，该器具采用劈接法，适用于茄子、番茄等的嫁接作业，由砧木切削器和接穗切削器两个独立部分构成，完成切削的砧木和接穗用嫁接夹固定在一起。图4 日本简易嫁接器具Fig.4 Japanese simple grafting tools1.2.2 韩国嫁接机的发展现状上世纪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（图5）。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株每小时，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。 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，生产率可达1 200株每小时，适合茄科蔬菜的嫁接作业，但价格昂贵。图5 韩国半自动嫁接机Fig.5 Korea semi-automatic grafting machine1.2.3 国内嫁接机的发展现状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(图6)。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株每小时，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。 2005年东北农业大学研制出2JC-350型插接式自动嫁接机(图7)。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株每小时。经改进目前生产率已达500株每小时。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 中国农大开发的嫁接机样机 图7东北农大开发的嫁接机样机 Fig.6 The GM prototype of CAU Fig.7 The GM prototype of NEAU 另外，湖南农业大学也开展了苗木机械嫁接的研究工作，特别是针对植物茎的力学特性进行了毛桃苗木的嫁接机技术研究。1.2.4 对国内外现状的几点分析 从国内外果蔬嫁接机的发展情况来看，果蔬自动嫁接技术基本上还处于研究开发和试验推广阶段。通过对国内外几种果蔬嫁接机技术参数的比较，可以看出目前果蔬自动嫁接技术还存在一些问题:（1）日本的自动嫁接机，机械化程度和效率均较高，但体积庞人，重量重，另外价格也比较昂贵，如洋马的全自动嫁接机，价格近2000万日元，与我国的国情不相适应，大多数用户都难以接受；（2）韩国的嫁接机，嫁接效率低，成活率也相对较低；（3）目前嫁接的对象主要是针对穴盘式和营养钵育苗方式。据调查，目前国内外还没有公开发表的关于手持式葡萄嫁接机的相关研究文献。1.3 本课题研究的主要内容和技术难点 本研究根据大面积田间种植的葡萄生长特性和育苗种植特性，对葡萄嫁接进行研究，并在实现机械嫁接同时使其微小型化，使手持式嫁接机能够具有小巧，实用性强，通用性强，高速，准确，较强的开放性和低造价这些优点。其研究主要内容及技术难点包括以下几个方面：（1）根据葡萄生物学特性和种植特性，研究人工嫁接过程，深入地研究嫁接工艺要求，综合对比选取嫁接方式，设计手持式嫁接机的机械嫁接动作和动作过程。根据研究的机械嫁接工序和嫁接苗木的生物结构特性，设计出手持式嫁接机的执行机构和部件。并实现快速定位和砧木苗无需拔苗即可直接嫁接的操作，既使砧木根系免受损伤，有助于嫁接后的苗的愈合，又减少工作量，符合生产实际。（2）在设计中检查零件之间的干涉现象，可加速本研究的进程，所以手持式嫁接机的研究以SolidWorks软件为基础建模，以top to down的设计理念，即从名称到进行草绘原理结构，到底层名称，再到零件草图设计，最后完成设计任务的设计理念。同时在样机未被加工之前更好地了解的整机运动情况、再次检查零件之间的干涉情况、关键零部件的强度和寿命校核、进一步采取Solidworks机械仿真软件进行分析。（3）手持式嫁接机的物理样机制造完毕后，进行调试，并用统计性试验评定手持式嫁接机的部分机构优化，并对试验数据进行相关分析。2 嫁接苗特性试验和嫁接方案选择2.1 砧、穗木苗选取嫁接是利用砧木的根系代替接穗根系行使地下部的生理功能，为地上部提供水分和营养，协同完成生长过程。因此，砧木应当比接穗具有更强的环境适应能力，耐旱、耐涝、耐热、耐寒、抗病虫等，尤其对某些土传病害免疫或高抗；要求砧木根系发达，耐移植，吸收肥水能力强，促进接穗生长发育，易实现早熟丰产目标；砧穗嫁接亲和力要强，嫁接后容易成活，生长后期不发生不亲和现象；嫁接植株长势正常，产品质量稳定。选择砧木是嫁接育苗的前提，关系到育苗的成败。目前生产上使用的葡萄苗砧木主要是从已种植的葡萄苗木中筛选。以长沙市四季果园的葡萄苗为考察对象，现对随机选取的砧木和穗木各特性参数记录如下：表1 枕木盒穗木直径Table.1 The diameter of scion and stoching序号 砧木直径(mm) 穗木直径(mm) 1 15.4 15.2 2 15.7 15.63 18.5 17.84 17.3 17.05 16.9 16.36 18.6 18.37 16.7 16.68 16.3 15.09 15.9 15.210 17.4 16.9均值 16.9 15.42.2 苗木物理机械特性试验 本文所研究的苗木嫁接机的切削装置又称切割装置，是苗木嫁接机主要工作部件之一。它的主要功能是完成穗木和砧木按照嫁接的标准切削，并将切削苗木嫁接后，保证其嫁接成活率在80%以上。苗木嫁接机切削装置应满足以下要求:(l)质量好，切削符合嫁接的要求，不堵刀、不漏削、不推倒苗木、不扯断和撕裂苗木杆。(2)切割省力，操作简便。(3)良好的定位机构，使能顺利切下砧木和穗木，并且使砧木和穗木切口能尽量吻合，提高嫁接成活率。(4)结构简单，安全可靠，调节使用方便。(5)通用性广，除能切削葡萄苗木外，还能切削多种作物，如桃、李、梨、杨梅等。2.2.1 物理模拟切削试验装置本文的物理模拟切削试验装置，是根据湖南农业大学李明的苗木嫁接机切削机构试验研究与设计所用到的机器稍作改装而成。是将切削刀片与刀杆所成角度作等于90度的改动，使刀片与砧木和穗木正切，从而测出受力。其装置主要由Pc-A型皮带传动实验台部分设备，扭力传感器，数字测量控制仪，自制刀杆，支承架等组成，如图2-1。试验装置的主要设备：PC-A型皮带传动实验台，长沙机电教学仪器厂生产，主电机功率355W，转速1500r/min。扭力传感器及数字测量控制仪是哈尔滨工业大学功达试验设备公司生产，精度:0.2%FS，分辨率:士1个字。刀杆，PCA型皮带传动实验台的限制，刀杆半径为50试验装置的结构及其工作原理：试验装置主要由两部分构成:主机和测量系统。主机是由PC-A型皮带传动实验台主机中主电机部分、开关、光电测转速装置和刀杆，刀片等组成。主电机是直流电动机，主机是PC-A型皮带传动实验台主机改进来的，其主要的改进之处是，拆卸皮带轮，安装刀杆。拆卸皮带实验台测力计，安装上扭力传感器。注意传感器受力的表面与皮带实验台的主电机外壳的力臂端平行。 测量系统由转速测量装置和电机测扭力装置两部分组成。A.光电测转速装置在主电机的轴上安装同步转盘，在转盘上钻有一小孔，在小孔的一侧固定有光电传感器，并使传感器的测头正对小孔。电机转动时，可通过数码管直接读出电机轴的转速。B.扭力测量装置直流电机轴带动刀杆和刀片旋转切削苗木，切削阻力凡通过电机的外壳测力臂和传感器来测定。1. 固定架 2.仪表台 3.测力传感器 4.测力臂 5.主电机 6.刀杆 7.刀片 8.夹持机构 9.工作台 10.数字测量控制仪 11.电源线图8 物理模拟切削试验装置Fig.8 Physics simulation cutting test device 电动机的外壳固定在支座的滚动轴承中，并可与绕转子相重合的轴线摆动。当电机启动后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电机的外壳将向转子旋转的反向倾倒，倾倒扭力矩可通过固定在定子外壳上的传感器测力的力矩来平衡。根据直流电动机的电力拖动，在一般的工程计算中，可略去空载转矩T0，即T0=O，电磁转矩T与轴上的输出转矩Td相等。轴上输出的转矩Td=FcL1;(kgF)电磁转矩T=Q1L2(kgF)式中FC切削阻力，Fq数字测量控制仪的读数，其中1牛顿(N)=0.102千克力(kgF)。L1，L2测力臂的长度，L1=50，L2=120。略去T。，得Fc=KFq，K=L2/L1，若考虑T。，则Fc略减小，这符合设计的要求。2.2.2试验装置调节(1)每次试验时，先接通电源，按下启动开关，调节转速n，然后调节调零螺丝，使数字测量控制仪的读数为零；(2)检查并调整测力臂是否处于平衡状态;(3)检查传感器的好坏。2.2.3 切割理论与试验 嫁接苗木的切削过程与切刀的特性，苗木的物理机械性质，切刀与苗木的相对位置以及切割的速度和方向都有密切的关系。刀片的刃口越薄，工作时对材料产生的单位压力越大，刃口也就越锐利。但是，由于双面刀片容易弯曲或折断，说明过于单薄而尖锐的刃口，没有足够的强度，并会很快磨损或折断而缩短寿命。而且考虑到安装的简便，因此在实验中，只需使用单面刀片。与切割过程有关的苗木的物理机械性质包括:切割阻力，折断阻力，弯曲阻力，弹性模量等。这些性质随苗木的直径大小、成长期和湿度的不同而在很大范围内变化。苗木的横断面大都呈圆形或略带椭圆形。苗木的茎杆由按照一定规律排列而形成的纤维组织的细胞所构成，其外表有一层由硬质纤维形成的韧皮圈，使茎杆具有一定的刚度，里面的维管束用来输送水分和养料的，而髓部是空心的。并且茎杆呈各向异性，所以在切割茎杆的过程中，刀刃与茎杆的相对位置和相对运动的方向和速度，对切割的效果也有影响。 由于本手持式嫁接机切削原理都是正切，故此次测试也只需对正切进行测试。由于嫁接是直接在田间现场作业，故此苗木嫁接机的切割器是不需夹持机构固定嫁接苗的，其切断实际是由两把分别只有一面是斜面的动刀片对嫁接苗进行切割的，故实际又可看成是一把两面都是斜面的动刀片对苗木进行切割。2.2.4 苗木嫁接机上正切的理论分析 如图9，苗木嫁接机的嫁接苗的正切受力分析图。假设在刀刃楔角两边各增加的一个磨擦角。得到下面的方程式: (2N/cos)sin()=PPC (2.1)PC刃口透入苗杆的阻力，苗杆相同时决定于刃口厚度，其方向如图垂直于刃口；N楔面压缩后苗杆纤维的正压力。图9 正切时受力分析图Fig.9 Secant cutting foree analysis由(2.1)式得分析(2.2)式， P=PC(2N/cos)sin() （2.2）正切时切割阻力P与楔角及PC成正相关2.2.5 正切试验试验目的:测试正切的最大切割阻力试验材料:砧木葡萄嫁接苗，穗木良种嫁接葡萄苗。试验过程:取平均直径为16.9，(游标卡尺测量)的砧木和平均直径为15.4mm穗木各10棵，在物理模拟切削试验装置上安装手术刀片进行试验，并固定转速n=65r/min。分下面步骤:(l)分别随机取砧木和穗木各10棵。(2)安装刀片。先完成正切，则刀片与刀杆安装等于90度，即刀片与水平放置的苗木垂直。固定苗木。把苗木水平固定，使切削角a=O。进行切割。(4)记录数字测量控制仪数据(kgF)，按照公式:FC=KFq，其中Fq为数字测量控制仪显示值，计算结果分别填入表1、表2。表2 穗木正切试验数据Tab.2 The test results of stoching试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10切削阻力 1.68 1.72 1.45 1.64 1.61 1.69 1.77 1.54 1.42 1.68(KgF)表3 砧木正切试验数据Tab.3 The test results of scion试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10切削阻力 2.41 2.32 2.12 2.40 2.56 2.34 2.21 2.43 2.40 2.38(KgF)通过计算其平均值，在试验中正切的平均切割阻力 F穗木=1.62(KgF)=15.876N，F砧木=2.36(KgF)=23.128N2.3 抗压伤试验 理论分析葡萄苗抗压强度一般分为顺纹抗压强度和横纹抗压强度。其压伤主要是指夹持机构夹持苗木在嫁接过程中夹持力的作用而产生苗木的压缩，压缩超过一定的强度之后，出现对苗木的损伤。在本课题的研究中，研究的对象是葡萄苗木，手持式机械嫁接，利用的是剪刀原理，不需夹持，只需在嫁接后，人工进行绑扎或塑料夹进行固定，故切削过程中不须对夹持时最大抗压伤能力进行测试。目前生产上使用的葡萄苗砧木主要是从已种植的葡萄苗木中筛选。在其他条件相同的条件下，影响葡萄苗抗压伤能力的主要因素是苗木直径，根据前人综合试验得出：葡萄苗苗抗压伤极限载荷为1635N；苗木直径较大地影响抗压伤能力，因此嫁接时，尽量选取直径均匀的苗木，再以此选用专用的塑料夹。2.4 嫁接方案选择 靠接法是在砧木和接穗的胚轴上对应切成舌形，将两切口相互插靠到一起，再用嫁接夹固定，待伤口愈合后去掉嫁接夹，并断掉接穗的根，此法由于愈合期保留接穗的根，成活率高，但是作业繁琐， 插接法是在砧木上用打孔签打孔，将接穗去根并切成楔形，再将接穗插入砧木中，对于成熟的嫁接人员不需夹持物固定嫁接苗，该方法作业简单、应用面广泛。贴接法是将砧木和接穗都削成斜面，然后将两个斜面贴靠在一起，再用嫁接夹固定，此方法作业较简单，是机械嫁接机采用最多的方式。 劈接法是在砧木上开楔形槽，将接穗切削成相应的楔形插入砧木的槽中，用嫁接夹固定，由于需要在砧木上开通槽，瓜科砧木都有随腔而不适用，此法一般用于茄科蔬菜或葡萄苗等。套管法是在贴接法的基础上演变而成的，该法将嫁接夹改为塑料套管，并且砧木和接穗的接触面也可切削成V形。 平接法主要用在自动化嫁接机上，该法将砧木和接穗平切，固定物不是可重复利用的嫁接夹或套管，而是喷涂一种生物胶粘和砧木和接穗，嫁接苗成活后不需去除，这种方法作业速度快，但生物固定胶成本较。 针接法是对夹持物进行了改进，采用针形物固定对接在一起的砧木和接穗，嫁接苗成活后不去除针形物，该法作业速度快，但针形物不重复使用，与嫁接夹相比成本较高。根据葡萄苗的实际特性，以及根据机器进行自动嫁接必须具备以下条件：必须要将砧木的生长点准确地切除。这样，才能使砧木只长根不长叶。砧木穗木的切口要准确结合。只有这样，才能保证高的成活率。人工嫁接，虽有靠接、插接、劈接等多种方法，但采用机械进行自动嫁接，不能简单模仿人工方法，而必须研究适合于机器特点的快速、准确的方法。本课题决定采用类似于劈接法的嫁接方法。3 葡萄苗嫁接机的总体方案拟定3.1 本方案设计思路与论证 考虑到葡萄苗株大、高，不可能像其他瓜果苗如黄瓜、西瓜等一样单独对砧木进行盆栽培养等，而只能是下到田间直接将穗木嫁接到砧木株上，因此所设计的嫁接机必须轻巧、简便、高效。通过平常对生活的观察，本人发现可对剪刀进行一下改造，有可能获得所需嫁接机。由于剪刀的工作原理是杠杆定理动力臂大于阻力臂，故可用剪刀修剪枝，同时，若在剪刀的某一臂上另外安装一块成形刀片，通过变换手持剪刀的方向，使砧木能横向靠在所安成形刀片下，然后快速剪下，即可得所需成形的砧木；对所剪穗木采取同样的操作，亦得所需成形的穗木。由于砧木和穗木都是由同一块成形刀片所切，故只要定位一致，其切口形状能完全吻合。考虑到葡萄苗的生长特性和和砧、穗木的亲和力特性，以及综合考虑到嫁接方法的实用性，成形刀片可采用U形刀片，因此，此嫁接机的嫁接方法类似于劈接法。3.2 本方案工作剪取穗木（修枝）流程图剪取砧木（修枝）剪取穗木（成形）剪取砧木（成形）砧穗木结合塑料夹夹紧图10 机构工作流程图Fig.10 The flow chart of mechanism work3.3 葡萄苗手持式嫁接机机构工作原理 其工作原理见图11。先是手用力F1将刀柄5合拢，使修枝剪断机构1将砧木和穗木剪断并进行修枝，移开力F1，将准备好的砧木和穗木水平放入支座3上，再用力将刀柄5合拢，使安装在修枝剪断机构上的V形刀片2下压，完成成形切削，最后用人工塑料夹进行绑枝固定。1. 修枝剪断刀片 2.V形刀片 3.支座 4.弹簧 5.刀柄图11 机构工作原理图 Fig.11 The mechanism work of flow theory chart4 葡萄苗手持式嫁接机修枝剪断机构的设计4.1修枝剪断机构的结构设计4.1.1材料选用 葡萄苗嫁接机修枝剪断机构实际上就是一把剪刀，即一连杆机构。剪断机构的刀片用高碳钢制作，考虑到刀片是在常温下工作，且根据前面对葡萄苗的机械物理特性分析可知，选用碳素工具钢，下面对碳素工具钢进行各项特性进行说明：碳素工具钢生产成本较低，原材料来源方便；易于冷、热加工，在热处理后可获得相当高的硬度；在工作受热不高的情况下，耐磨性也较好，因而得到广泛应用。其中，高级优质碳素工具钢韧度较高，磨削时可获得较高的光洁度，适宜制造形状复杂、精度较高的工具。但是，这类钢红硬性较差，工作温度超过250以后，硬度和耐磨性迅速下降。这类钢淬透性低，工具断面尺寸大于15mm时，水淬后只有表面层得到高的硬度，故不能做大尺寸的工具。这类钢淬火温度范围窄，易过热，淬火时畸变、开裂倾向性大，且易产生软点。与合金工具钢相比，此类钢淬透性低，在水中淬透直径为15mm，而在油中淬透直径仅为5mm。另外，此类钢的热硬性低，工作温度高于250时钢的硬度和耐磨性急剧下降，从而钢的切削能力显著降低，所以此类钢只适于制作尺寸小、形状简单、切削速度低、进刀量小、工作温度不高的工具。此类钢的碳含量范围为0.651.35。在中国国家标准GB129877中共有8个牌号碳素工具钢。其中碳含量较低的T7钢具有良好的韧性，但耐磨性不高，适于制作切削软材料的刃具和承受冲击负荷的工具，如木工工具、镰刀、凿子、睡子等。T8钢具有较好的韧性和较高的硬度，适于制作冲头、剪刀，也可制作木工工具。锰含量较高的T8Mn钢淬透性较好，适于制作断口较大的木工工具、煤矿用凿、石工凿和要求变形小的手锯条、横纹锉刀。T10钢耐磨性较好，应用范围较广，适于制作切削条件较差、耐磨性要求较高的金属切削工具，以及冷冲模具和测量工具，如车刀、刨刀、铣刀、搓丝板、拉丝模、刻纹凿子、卡尺和塞规等。T12钢硬度高、耐磨性好，但是韧性低，可以用于制作不受冲击的，要求硬度高、耐磨性好的切削工具和测量工具，如刮刀、钻头、铰刀、扩孔钻、丝锥、板牙和千分尺等。T13钢是碳素工具钢中碳含量最高的钢种，其硬度极高，但韧性低，不能承受冲击载荷，只适于制作切削高硬度材料的刃具和加工坚硬岩石的工具，如锉刀、刻刀、拉丝模具、雕刻工具等。 根据以上说明，进一步确定，采用T8牌号的碳素工具钢，其主要性能指标如下：（1） 力学性能 硬度 ：退火187HB,压痕直径4.40mm;淬火62HRC 由于在国标或其他相应文献上查不到其他力学指标，可参考含碳量与T8相同的优质碳素结构钢的力学指标。即抗拉强度1030MPa以上,抗剪切强度600MPa以上 ,屈服点834MPa以上，抗弯强度2.452.75GPa。（2）热处理规范：试样淬火780800,水冷，冷作硬化， 金相组织：珠光体，其抗拉强度极限是770MPa，延伸率是20%35%，（3） 交货状态：钢材以退火状态交货。经双方协议，也可以不退火状态交货。 以上各数据对于植物嫩枝和茎秆的剪切，都足以符合要求，使用前淬硬处理，使其具有持久的锋利和耐磨性能。根据葡萄苗砧木直径平均在16.9mm,穗木平均直径15.4mm，故剪断切削刃长需大于等于3倍其直径，初步定于50mm。其切削斜面与刀片主平面成15度角，斜面宽度为其横截面宽度的1/3。非切削刃处由于要另外安装成形刀具以及预留螺孔并与刀柄配合，需设计得长些。成形刀片初步定长40mm，宽30mm，故非切削刃处初定长度为70mm，根据以上数据对其进行三维建模。在三维模型下再进行修正。所建模型如下图：图12修枝剪断机构模型Fig.12The modle of lopper 4.1.2 修枝剪断机构的强度和寿命校核砧木平均直径为16.9mm,刀片切削刃横向宽度为0.78mm,故承受压强为P=F/s=23.128N/(16.9mmX0.78mm)=1.75Mpa,在一般机械设计制造中，对塑性材料安全系数一般取1.22.5，现定为2，取最大安全变形为0.1mm。将刀刃简化为直梁，进行等强度截面校核。（1）弯曲正应力校核根据材料力学分析，最大弯矩发生在支座孔处， max=Mmax/W, （4.1）截面看成矩形，则W=bh2/6,其中b=5mm,h=18.6mmMmax=FL=23.128Nx50.75mm所以max=Mmax/W=4.07MPa=s/2=834MPa/2=417MPa，符合要求。（2） 弯曲切应力校核 根据材料力学分析， max=3Fs/(2bh) （4.2）其中Fs=23.128N，所以max=0.37MPa/2=600MPa/2=300MPa，符合要求。（3） 第三强度理论校核显然，当把刀刃看成等强度截面梁时，经力学分析，其截面为二向应力状态，其中1=max=4.07MPa,3=0,由第三强度理论校核公式， 1-3 （4.3） 知1-3=s/2=417MPa,符合强度要求。经COSMOSWoks分析，取安全系数n为2，其应力分布图解如下：图13 修枝剪断机构应力分布图解Fig.13 The stress distribution of lopper位移分布图解如下：图14 修枝剪断机构位移分布图解Fig.14 The displacement distribution of lopper 综上分析，知修枝剪断件的最大应力1.19283X107 N/m2=11.93MPa417MPa，最大位移为0.06mm0.1mm，且均发生在支座孔处，符合要求。4.2 葡萄苗嫁接机成形刀片机构的设计4.2.1 材料选用 葡萄苗嫁接机成形刀片机构固定安装在修枝剪断机构上，同样可看出剪刀的一部分，即一连杆机构，其刀片用高碳钢制作，考虑到刀片是在常温下工作，且根据前面对葡萄苗的机械物理特性分析可知，同样选用碳素工具钢T8。其他各项材料性能指标同修枝剪断机构。据上初步分析知选用的成形刀片尺寸为长40mm，宽30mm，4.2.2 V形面切削刃高度分析切削标准是切削时干脆利落，苗木不留表皮、不被打弯。为保证良好切削，在切削装置上应设置切削定位面（其定位装置为弧口板，在下节再单独进行设计）。根据葡萄苗的机械特性和愈合亲和力特性，劈接法一般是当砧木切口深度为22.5时，成活率才能达到90%。因此切削刃横向垂直高度可设为2.1。4.2.3 V形夹角设计首先V形刀片应为双面刀片，以便横向切削时能准确而且干脆、利落地切入苗木。另外V形夹角是一个重要参数，要求设计的V形刀具能将砧木茎杆横向切掉里部，而对穗木而言，则要横向切掉外部两边，使其两面成楔面，并能与砧木的切口准确吻合。现在通过对V形刀具进行力学分析找出最佳夹角。 图15 V形刀具的受力分析Fig.15 The blade of shape of V foree analysis其中F苗木反作用力，Fl=Fr刀具张力反力，Fv苗木挤压力实际上还有一个垂直于纸面的切削力，但由于此力垂直于此平面，故不对此平面上的力构成影响，因此不予分析。据图分析，知 F=Fv+Flsin+Frsin （4.4）即sin=(FFv)/2Fl，式中F的大小取决于人手的推力。Fl和Fr为刀具张力反力，也为幼苗茎杆收缩力，其大小主要由茎杆的材质特性决定。因此，和Fv成线性递减关系。在切削刃高度不变的情况下，从劈切的角度看，越小切削面越大，穗木与砧木的结合面积就越大，同时嫁接夹夹持时，苗木夹持才能越稳定，嫁接苗越容易成活，越大，则效果相反。但在嫁接过程中要求将砧木茎杆切开后，保持足够的张开，以利于穗木苗插接到砧木中来，因此又要求越大越好。同时考虑到砧木平均直径为16.9mm，切削刃高度为21mm,切削刃构成的等腰三角形其底边长应不大于苗木直径的1/3，综合考虑到各方面因素，2在45度到60度之间时嫁接接效果较好。而在实际设计中，为便于刀片加工，可以把此锐角设计成一微小弧与两边相切连接，角度初定于45度。 下面对成形刀片进行具体的三维建模。其模型如下：图16 成形刀片模型Fig.16 The modle of forming blade4.2.4 成形刀片的强度和寿命校核砧木平均直径为16.9mm,刀片切削刃横向宽度为0.78mm，故承受压强为P=F/s=23.128N/(16.9mmX0.78mm)=1.75Mpa，在一般机械设计制造中，对塑性材料安全系数一般取1.22.5，现定为2，最大安全变形定为0.1mm。将刀刃简化为直梁的一部分，进行等强度截面校核。（1）弯曲正应力校核根据材料力学分析，最大弯矩发生在支座孔处， max=Mmax/W (4.5)截面看成矩形，则W=bh2/6,其中b=5mm,h=18.6mmMmax=FL=23