畢業(yè)論文（設計）任務書學院 機械電氣化工程學院 班級學生姓名 學號課題名稱 全自動嫁接裝置設計起止時間 指導教師 職稱 副教授課題內容：本次畢業(yè)設計是苗木自動嫁接機設計。通過分析原有各種嫁接機，決定選取傳感器配合帶式運輸機作為苗木傳輸系統(tǒng)。（1）首先對嫁接機及其苗木傳輸系統(tǒng)和膠帶輸送機作了簡單的概述；（2）接著分析了帶式輸送機的選型原則及計算方法；（3）然后根據這些設計準則與計算選型方法按照給定參數要求進行選型設計；（4）接著對所選擇的輸送機各主要零部件進行了校核。（5）簡單說明輸送機的安裝與維護。最后說明傳感器的選擇，平臺的設計。（6）對關鍵部件進行三維建模。（7）編寫設計說明書。擬定工作進度（以周為單位）第一周：查閱文獻資料、熟悉課題內容。第二周：撰寫開題報告，制定總體方案。第三、四周：查找相關的設計資料，了解全自動嫁接裝置常用的設計結構。第五、六周：設計全自動嫁接裝置及其圖紙繪制，并且完成整體布局。第七、八周：設計傳輸機構，并且完成圖紙繪制。第九、十周：平臺傳感器、平臺機構，并且完成圖紙繪制。第十一、十二周：整體設計檢查及其修改。第十三、十四周：撰寫完成設計說明書。主要參考文獻[1]楊麗 ,劉長青 ,張鐵中.雙臂蔬菜嫁接機設計與試驗[J].農業(yè)機械學報,2009,09:175-181.[2]李興 .針接式蔬菜嫁接機的研究[D].浙江大學,2013.[3]樓建忠 ,李建平 ,朱盤安,呂谷來.斜插式蔬菜嫁接機砧木夾持機構研制與試驗[J].農業(yè)工程學報,2013,07:30-35.[4]劉凱 ,初麒 ,辜松,李元強,牟艷秋,楊艷麗.茄科蔬菜自動嫁接機的研究現(xiàn)狀[J].農機化研究,2011,02:230-233.[5]辜松 .2JC-350 型蔬菜插接式自動嫁接機的研究[J].農業(yè)工程學報,2006,12:103-106.[6]賈學武 .手持式嫁接機的研究[D].東北農業(yè)大學,2007.[7]譚妮克 .套管式蔬菜自動嫁接機的研究[D].中國農業(yè)大學,2005.[8]龍濤 .雙向式自動嫁接機的研究[D].中國農業(yè)大學,2005.[9]趙金英 ,張鐵中 .PLC 在自動嫁接機控制系統(tǒng)中的應用[J].中國農業(yè)大學學報,2004,06:53-55+84.[10]羅軍 ,高英武 ,何幸保.自動嫁接機的研究現(xiàn)狀與展望[J].湖南農機,2010,03:1-2.[11]項偉燦.直插式蔬菜自動嫁接機的研究[D].浙江理工大學,2010. 任務下達人（簽字）2015 年 10 月 10 日任務接受人意見任務接受人簽名 程翔 2015 年 10 月 13 日注：1、此任務書由指導教師填寫，任務下達人為指導教師。2、此任務書須在學生畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)開始前一周下達給學生本人。3、此任務書一式三份，一份留學院存檔，一份學生本人留存，一份指導教師留存。全自動嫁接裝置設計學生姓名 學 號 所屬學院 專 業(yè) 班 級 指導老師 日 期 16 屆畢業(yè)設計工程學院制前 言由于疏菜連作障礙問題越來越突出，嫁接技術受到人們的重視。育苗專業(yè)戶、育苗公司也應運而生。對于育苗專業(yè)戶和育苗公司，如果靠人工嫁接，由于工作效率低和嫁接技術水平低，顯然易貽誤嫁接時機。因此采用嫁接機作業(yè)，小型和半自動式嫁接機，由于售價低廉，在市場上受到歡迎。本設計涉及一種能完成苗木嫁接中砧木、接穗的輸苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接過程的自動化作業(yè)機器。操作者只需把砧木和接穗放到相應的供苗傳送帶上，其余嫁接作業(yè)均由機器自動完成。營養(yǎng)缽育苗在移栽時對幼苗無損傷，所以有取代傳統(tǒng)移栽育苗的趨勢。為了滿足營養(yǎng)缽育苗日益普遍的現(xiàn)狀，研制新型嫁接機成為現(xiàn)在的一個熱門課題。本次設計的自動嫁接機針對的是采用營養(yǎng)缽育苗的苗木，實現(xiàn)了砧木苗在營養(yǎng)缽內無需拔苗即可直接的操作，有助于嫁接以后苗的恢復，在生產中具有較高的使用價值。關鍵詞：苗木；全自動；嫁接機目 錄1 緒論 11.1 全自動嫁接機研究的目的及意義 11.2 嫁接栽培技術現(xiàn)狀 11.3 嫁接研究必要性及適用類型 11.4 國內外嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀 21.5 嫁接機的設計方法 42 總體設計方案 62.1 全自動嫁接機設計結構示意圖 62.2 全自動嫁接機設計方案 62.3 全自動嫁接機工作原理 72.4 全自動嫁接機工作流程 73 關鍵部件設計 83.1 夾持機構夾具設計 83.2 傳感元件選擇 123.3 帶式輸送機設計 15總 結 20致 謝 21參考文獻 22工程概況嫁接技術早就廣泛應用于園藝植物的繁殖、育種和栽培，而以果樹和觀賞樹木等木本植物為主，在草本植物的蔬菜上則應用較少。隨著嫁接技術的發(fā)展和完善，其應用范圍不斷擴大，目前已發(fā)展成為番茄、茄子、黃瓜、苦瓜、西瓜等蔬菜抗病、早熟、豐產的一項重要技術措施。早在50 年代，日本、荷蘭等將嫁接技術應用到蔬菜生產上。據資料顯示，1990 年日本西瓜、黃瓜、甜瓜、番茄、和茄子栽培面積中有 59%是嫁接栽培。我國在 20 世紀 70 年代首先在黃瓜生產中應用嫁接技術，80 年代嫁接栽培技術逐步完善與配套，已發(fā)展到西瓜、茄子、番茄等蔬菜上，并且，嫁接栽培面積逐年擴大，取得了顯著的經濟效益和社會效益。嫁接用的砧木苗直徑和接穗苗直徑都較小，僅幾毫米，并且幼苗脆嫩細弱，所以手工嫁接很耗費精力。而且，每個人所掌握的嫁接技術要領、手法及熟練程度不同，難以保證較高的嫁接質量和較高的成活率。 ．由于嫁接費工費時，有些地區(qū)出現(xiàn)了放棄嫁接栽培的現(xiàn)象，而靠大量施用農藥防病治病。這樣，不但造成了資源和財物浪費，更嚴重的是污染了蔬菜，破壞了生態(tài)環(huán)境，對人類健康構成威脅。蔬菜的手工嫁接技術，效率低、勞動強度大、嫁接苗成活率難以保證，因此已遠遠不能適應我國農業(yè)生產的要求。在我國，發(fā)展機械化、自動化的嫁接技術勢在必行。 機械嫁接技術，是近年在國際上出現(xiàn)的一種集機械、自動控制與園藝技術于一體的高新技術。它可在極短的時間內，把蔬菜苗莖稈直徑為幾毫米的砧木、接穗的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時由于砧、穗接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內液體的流失，從而大大提高嫁接成活率。11 緒論1.1 全自動嫁接機研究的目的及意義主要目的和意義是為了減少工作者勞動強度和提高嫁接質量，使嫁接技術為當代農業(yè)更好的服務。機械嫁接技術是精準農業(yè)、微電子、計算機和自動控制等技術在農業(yè)中應用的集中體現(xiàn)，是農業(yè)生產過程自動化、智能化的重要標志。全自動嫁接技術是當代農業(yè)果蔬生產的重要環(huán)節(jié)。為了提高勞動生產率和作業(yè)質量，降低勞動強度，改善工作環(huán)境，實現(xiàn)果蔬育苗機械化、自動化、智能化，與果蔬育苗生物學特性和栽培方式結合的嫁接機械得到發(fā)展。1.2 嫁接栽培技術現(xiàn)狀嫁接技術早就廣泛應用于園藝植物的繁殖、育種和栽培，而以果樹和觀賞樹木等木本植物為主，在草本植物的蔬菜上則應用較少。隨著嫁接技術的發(fā)展和完善，其應用范圍不斷擴大，目前已發(fā)展成為番茄、茄子、黃瓜、苦瓜、西瓜等蔬菜抗病、早熟、豐產的一項重要技術措施。早在50 年代，日本、荷蘭等將嫁接技術應用到蔬菜生產上。據資料顯示，1990 年日本西瓜、黃瓜、甜瓜、番茄、和茄子栽培面積中有 59%是嫁接栽培。我國在 20 世紀 70 年代首先在黃瓜生產中應用嫁接技術，80 年代嫁接栽培技術逐步完善與配套，已發(fā)展到西瓜、茄子、番茄等蔬菜上，并且，嫁接栽培面積逐年擴大，取得了顯著的經濟效益和社會效益。1.3 嫁接研究必要性及適用類型1.3.1 機械嫁接的必要性 嫁接用的砧木苗直徑和接穗苗直徑都較小，僅幾毫米，并且幼苗脆嫩細弱，所以手工嫁接很耗費精力。而且，每個人所掌握的嫁接技術要領、手法及熟練程度不同，難以保證較高的嫁接質量和較高的成活率。 ．由于嫁接費工費時，有些地區(qū)出現(xiàn)了放棄嫁接栽培的現(xiàn)象，而靠大量施用農藥防病治病。這樣，不但造成了資源和財物浪費，更嚴重的是污染了蔬菜，破壞了生態(tài)環(huán)境，對人類健康構成威脅。蔬菜的手工嫁接技術，效率低、勞動強度大、嫁接苗成活率難以保證，因此已遠遠不能適應我國農業(yè)生產的要求。在我國，發(fā)展機械化、自動化的嫁接技術勢在必行。 機械嫁接技術，是近年在國際上出現(xiàn)的一種集機械、自動控制與園藝技術于一體的高新技術。它可在極短的時間內，把蔬菜苗莖稈直徑為幾毫米的砧木、接穗的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時由于砧、穗接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內液體的流失，從而大大提高嫁接成活率。1.3.2 嫁接機適用類型由于瓜類連作障礙問題越來越突出, 苗木嫁接技術受到人們的重視。但目前開發(fā)出的各蔬菜嫁接機所采用的嫁接方法各異，適應的生產模式單一，適用苗木種類不廣，還很難做到通過價格和生產率及嫁接成功率進行經濟性搭配的程度。目前蔬菜嫁接育苗生產沒有統(tǒng)一的標準模式，各種模式之間的育苗基質、育秧缽或盤、播種方法、催芽設施、育秧設施和嫁接苗愈合設施等都不相同，各類嫁接機獨特的生產要求很難與不同的模式相吻合，并且，嫁接機的自動化程度越高問題越嚴重。因此，蔬菜育苗生產模式的不同制約了嫁接機的推廣使用。通過以上分析，認為根據我國農村勞動力豐富、農民整體技術水平不高、育苗機械化程度低和經濟水平不高的實際國情，我國在研制全自動嫁接機提高嫁接育苗生產率的同時，應大力開發(fā)價格低廉、操作簡單可靠的小型半自動嫁接機，降低嫁接作業(yè)的難度，擴大嫁接育苗技術的推廣使用，以適應我國當前農業(yè)生產機械化進程的需要。21.4 國內外嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1 國外（日本）嫁接機技術先進國家的發(fā)展現(xiàn)狀1986 年日本農林水產省生物系特定產業(yè)技術研究推進機構組織多家公司參與,率先開始研制嫁接機。1987 年研制出半自動形式 1 號試驗樣機 G871。該機采用貼接嫁接法，適用于瓜科蔬菜的嫁接作業(yè),其嫁接成功率為 78%～85% 。1989 年在 1 號機的基礎上又研制出半自動形式 2 號試驗樣機 G892。其嫁接成功率達到了90%～98%。1991 年又研制出全自動式 3 號試驗樣機 G913。該機的嫁接成功率達 90%以上。1994 年日本井關公司同日本生研機構協(xié)作推出了商品化 GR800B 型半自動瓜科嫁接機以及GR800T 型半自動茄科嫁接機（見圖 1-1 A） 。嫁接成功率為 95%。另外日本村田種苗公司也根據自身育苗生產需要，開發(fā)研制出采用專用嫁接夾的半自動嫁接機，該機同井關公司嫁接機的工作原理類似（見圖 1-1 B） ，可進行黃瓜和番茄的嫁接作業(yè)，生產率為 600～700 株·h -1。三菱公司根據日本全國農業(yè)協(xié)同組合聯(lián)合會的嫁接苗生產模式開發(fā) MGM600 型全自動嫁接機（見圖 1-1 C） 。該嫁接機采用套管法，砧木和接穗以單列形式送入嫁接機，切削后的砧木和接穗壓合在一起后，使用專用彈性透明套管固定，嫁接苗成活后套管自動脫落。該機適用于茄科蔬菜，生產率可達 600 株·h - 1。1990 年日本 TGR 研究所以大規(guī)模育苗生產系統(tǒng)為目標研制全自動嫁接機，1993 年開發(fā)出商品化茄科用 KGM0128 型嫁接機（見圖 1-1 D） ，1995 年用于瓜科嫁接作業(yè)的嫁接機問世，目前小松公司負責經營銷售。該機采用平接法，生產率為 1000 株·h -1，嫁接成功率達 97%。日本洋馬公司同生研機構協(xié)作，1993 年開始研制全自動式嫁接機,1994 年末 AG1000 型全自動嫁接機開始上市銷售（見圖 1-1 E） 。嫁接成功率到達 97%，但該機只適合于茄科蔬菜嫁接作業(yè)，生產率為 1000 株·h -1。為降低大型嫁接機的造價，洋馬公司于 2003 年推出了體積較小，操作方便的 T600 型半自動化瓜科嫁接機（見圖 1-1 F） 。該機生產率可達 600 株·h - 1，嫁接成功率為 98%。圖 1-1 日本幾種蔬菜嫁接機上世紀 90 年代末，日本大阪府立大學開發(fā)研究了“plug- in”嫁接裝置。 1999 年大阪府立農林技術中心開發(fā)出純手工作業(yè)的簡易嫁接器具 TK-WH（TK-WD） ，由日本 MARK 公司經銷，該器具采用劈接法，適用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作業(yè)，由砧木切削器和接穗切削器兩個獨立部分構成（見 圖 1-） ，完成切削的砧木和接穗用嫁接夾固定在一起。3圖 1-2 簡易嫁接機1.4.2 國外（韓國）嫁接機技術先進國家的發(fā)展現(xiàn)狀上世紀 90 年代初，韓國也開始研究嫁接機，開發(fā)出采用靠接法的小型半自動式嫁接機（見圖 1-3 ） 。該機采用凸輪傳遞動力，分別完成砧木夾持、接穗夾持、砧木和接穗切削和對插 4 個動作，最高生產率為 310 株 ·h-1，嫁接成功率為 90%。由于結構簡單，操作方便，成本低廉，在韓國、日本和我國有一定銷量，但是由于采用靠接法嫁接，推廣使用受到限制。繼半自動式嫁接機之后，韓國 Idealsystem 公司開發(fā)出針式全自動嫁接機，該機采用防回轉五角形陶瓷針作為砧木和接穗的固定物，利用穴盤整盤上砧木和接穗苗，操作方便，作業(yè)速度快，生產韓國半自動嫁接機率可達 1 200 株·h -1，適合茄科蔬菜的嫁接作業(yè)。圖 1-3 韓國半自動嫁接機繼半自動式嫁接機之后，韓國 Idealsystem 公司開發(fā)出針式全自動嫁接機，該機采用防回轉五角形陶瓷針作為砧木和接穗的固定物，利用穴盤整盤上砧木和接穗苗，操作方便，作業(yè)速度快，生產韓國半自動嫁接機率可達 1 200 株·h -1，適合茄科蔬菜的嫁接作業(yè)。1.4.3 國內嫁接機技術先進國家的發(fā)展現(xiàn)狀（1）2JSZ- 600 型蔬菜自動嫁接機。中國農業(yè)大學張鐵中教授率先在國內開展苗木嫁接機的研究，1998 年成功研究制出 2JSZ- 600 型蔬菜自動嫁接機（見圖 1-4） 。該嫁接機采用單子葉貼接法，實現(xiàn)了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夾固定、排苗作業(yè)的自動化。該機嫁接作業(yè)時砧木可直接帶土團進行嫁接，生產率為 600 株·h - 1，嫁接成功率高達 95%，可進行黃瓜、西瓜、甜瓜等瓜菜苗的自動化嫁接作業(yè)。4圖 1-4 中國農業(yè)大學開發(fā)的嫁接機（2）2JC-350 型插接式自動嫁接機。2005 年東北農業(yè)大學研制出 2JC- 350 型插接式自動嫁接機（見圖 1-5） 。該嫁接機采用人工上砧木和接穗苗，通過機械式凸輪傳遞動力，可完成砧木夾持、砧木生長點切除、砧木打孔、接穗夾持、接穗切削以及接穗和砧木對接動作。該機結構簡單、成本低，操作方便，生產率為 350 株·h - 1。經改進目前生產率已達 500 株·h - 1。由于采用插接法進行機械嫁接，不需嫁接夾等夾持物。適用黃瓜、甜瓜和西瓜的嫁接作業(yè)，嫁接成功率達93%。圖 1-5 東北農業(yè)大學開發(fā)的嫁接機1.5 嫁接機的設計方法1.5.1 嫁接方法圖 1-6 苗木嫁接方法1.5.2 設計的方法為了克服現(xiàn)有的機器自動化水平較低，速度慢，而且對砧木、接穗苗的粗細程度有較嚴格的要求或體積龐大，結構復雜，價格昂貴等方面的不足, 本設計的創(chuàng)新點在于：1）直接在營養(yǎng)缽上嫁接，從而避免將幼苗從土壤基質中拔出。即避免了嫁接損傷，又縮短了嫁接消耗的時間和人力資源，提高了產量，節(jié)約了勞動成本。2）利用光電檢測裝置，反應靈敏，目標捕捉準確。53）利用單片機控制整個過程，性能穩(wěn)定，成本低，兼容性好，便于升級。4）控制部分采用標準化，模塊化設計，便于維修。5）采用氣動裝置夾持。由于氣動元件的優(yōu)點在于能夠實現(xiàn)對壓力的任意調節(jié)，所以在嫁接中有著非常重要的作用。通過調節(jié)氣閥實現(xiàn)對夾持力的調整。6）由于嫁接機的夾持臂旋轉角度一定，為了精確實現(xiàn)對接，通過電磁鐵的吸合，使嫁接機的兩臂位置固定，從而使接穗與砧木重合。7) 采用電機旋轉刀片切割苗木幼苗，便于實現(xiàn)對切割角度的控制。8) 采用高速電機帶動刀片旋轉切削苗木幼苗，所以砧木上部分可以省略切削電機。9) 包扎機構采用特殊的魔術貼包扎，所以能夠實現(xiàn)快速準確包扎的作用。并且可以在魔術貼上添加愈合激素，實現(xiàn)提高成活率的目的。10) 苗木幼苗由皮帶送入，直接在營養(yǎng)缽上嫁接，便于實現(xiàn)流水線生產。11) 采用步進電機，靈敏、精確，容易實現(xiàn)編程控制。12) 便攜性好，可用于野外作業(yè)。62 總體設計方案2.1 全自動嫁接機設計結構示意圖圖 2-1 全自動嫁接裝置圖 2-2 全自動嫁接裝置2.2 全自動嫁接機設計方案本作品設計在嫁接過程中砧木和接穗都采用營養(yǎng)缽培養(yǎng)。苗木幼苗營養(yǎng)缽由皮帶輸入，直接在營養(yǎng)缽上嫁接，從而避免將幼苗從土壤基質中拔出。這種嫁接方法即避免了嫁接損傷，又縮短了嫁接消耗的時間，節(jié)約了勞動成本。營養(yǎng)缽在皮帶的傳送下向前運動，當到達光電檢測裝置時，苗木隔斷光線傳播，光電檢測裝置得到信號送入單片機，單片機驅動氣缸，使夾持機構工作，當夾持動作完成，單片機命令切削汽缸頂端的電機，電機軸段裝有刀片，快速切斷接穗，同理，砧木也采用相同機構夾持。然后驅動轉向電機旋轉一定角度，由于切削機構與接穗夾一同旋轉，所以砧木也被快速切除。通過電磁鐵的吸合，使接穗與砧木重合。完成對接后，通過包扎機構實現(xiàn)包扎，由于包扎機構采用特殊的魔術貼包扎，所以能夠實現(xiàn)快速準確包扎的作用。并且可以在魔術貼上添加愈合激素，實現(xiàn)提高成活率的目的。包扎完畢，傳送帶將嫁接好的苗木繼續(xù)向后傳送。嫁接機構開始下一輪嫁接。由于整個過程由程序控制，機械操作，一個嫁接周期只需 6 秒鐘，即7每小時可嫁接 600 株。本全自動嫁接機機械結構分為夾持機構、旋轉機構、包扎夾、切苗機構、苗木傳送機構、底盤等六個部分。2.3 全自動嫁接機工作原理本全自動嫁接嫁接機嫁接原理：嫁接過程中，蔬菜砧木苗和接穗苗分別置于全自動嫁接機的兩個傳動帶上，傳送帶在步進電機的驅動下將苗木向嫁接夾內運送。設嫁接夾閉合的夾口中心為三維坐標系的原點，設步進電機驅動的皮帶運動方向為 X 軸，激光發(fā)射方向垂直于皮帶運動方向，相當于坐標系的 Y 軸。當苗木到達光電感應裝置區(qū)域后，苗的莖桿將激光的光線擋住，接收光的感應電路得到觸發(fā)信號，傳送給單片機，單片機控制步進電機停止轉動，因此蔬菜苗的莖桿鎖定在激光發(fā)出的這條直線上，相當于坐標系中的 X 軸為 0。而蔬菜苗夾進給方向與 X 軸垂直，與激光束方向平行，即坐標系中的 Y 軸。當蔬菜苗莖桿擋住激光，與此同時單片機控制夾緊氣缸伸長，使嫁接夾開始左右同步向中心夾緊，即向 X,Y 軸平面原點夾緊，落入夾緊區(qū)域任何一點的苗的位置趨于唯一點，即原點。由于氣缸的夾緊力和速度是可調的，所以不會對苗造成傷害。當苗木夾緊后切割刀片在切割電機的推動下快速進給，呈 30 度夾角斜刺向苗木，通過電機帶動刀片實現(xiàn)高速切削。并且速度、刀片的角度可調。同理，砧木嫁接夾也采用相同機構實現(xiàn)定位、切削。由于接穗嫁接夾與砧木嫁接夾臂長可調，只要嫁接夾臂長相等，中心重合，那么旋轉一定的弧度就可以實現(xiàn)砧木與接穗自動對齊。即砧木嫁接夾的 X、Y 軸原點與接穗嫁接夾 X、Y 軸原點對齊。并且通過電磁鐵輔助定位，實現(xiàn)精確對接。全自動嫁接機夾持機構是實現(xiàn)嫁接任務過程中最關鍵的機構之一。由設計方案可知砧木夾持機構與接穗夾持機構完全一樣，不同的是砧木嫁接夾沒有單獨配備切削機構，因為增加切削機構，刀片的切削角度容易產生誤差及增加系統(tǒng)控制復雜程度，所以采用同一切削機構。實現(xiàn)切削的方法是：當固定在穗木嫁接夾上的切削機構切完穗木后旋轉一定角度運轉到砧木夾上方，使砧木嫁接夾的 X、Y 軸原點與接穗嫁接夾 X、Y 軸原點對齊。切割氣缸快速進給，呈 25-30 度夾角斜刺向苗木，通過電機帶動刀片實現(xiàn)高速切除砧木。2.4 全自動嫁接機工作流程圖 2-3 工作流程83 關鍵部件設計3.1 夾持機構夾具設計3.1.1 夾具自由度計算要設計一個能夠夾持直徑約 1-3mm 大小的蔬菜苗機構，那么我們首先要考慮的是怎樣設計出能夠將一定區(qū)域內的目標捕捉到我們希望的唯一點機構，只有滿足這樣的條件才能夠實現(xiàn)精確對接。如 圖 3-1 所示，采用連桿機構同步進給，能夠在一定捕捉區(qū)域內嚴格保證夾具的中心點唯一。夾具有運動機構 5 個,其中有運動低副 7 個,高副 0 個,所以自由度為:F=3x5-2x7=1 (3-1)機構構成確定的運動。圖 3-1 夾持機構方案3.1.2 夾具設計為保證達到夾持而又不傷害蔬菜幼苗的功能，我們需要考慮的是夾具在莖桿上作用力的分布。由于蔬菜苗的莖桿相當脆弱，所以我們只有考慮增加夾具與蔬菜苗莖的接觸面積以保證達到夾持而不傷害幼苗的目的。如 圖 3-2 夾持機構夾具示意圖 3-2 所示結構，通過改進采用交差夾合的辦法來增加接觸面積。9圖 3-2 夾持機構夾具示意圖3.1.3 夾具的捕捉范圍的確定根據設計，傳動帶的設計的寬度為 140mm，苗木種植在高 80mm，直徑 70mm 的營養(yǎng)缽里面。為了提高嫁接的成活率，操作要求營養(yǎng)缽中的苗盡可能放在傳送帶的中心部分。雖然我們希望苗最好在夾持機構的中心。但是苗正好在夾持機構中心的可能性比較小，操作難度大。因此考慮到苗的放置誤差要求允許苗有一定的偏離范圍，設計夾持機構的捕捉范圍為 50mm。因為傳送帶寬為 120mm，所以即使苗偏離營養(yǎng)缽中心的方向與苗偏離夾持機構的方向距離疊加這種最壞的情況下也不會從傳送帶上掉下來。3.1.4 夾具的高度的確定瓜類砧木的最適嫁接苗齡是以第一片真葉出現(xiàn)時為最佳，過于幼嫩的苗，嫁接時不易操作；過老的苗，不僅中心髓腔大，接口也不易愈合。一般苗的高度為 60mm 至 120mm。由于苗的高度所限,所以這個嫁接操作應該控制在營養(yǎng)缽以上 60mm 高的范圍內。3.1.5 夾具夾緊力的計算嫁接苗能夠承受的最大壓力約為 10N，由于夾具設計由四個方向的擠壓得以夾緊嫁接苗。也就是說苗在一對平衡方向上的最大受力約為 10N。由力學分析可知，當苗承受 10N 的力時，夾具的夾緊力為 N。符合夾具的設計要求。因210此確定夾具的夾緊力為: N。 2103.1.6 夾具的厚度及高度計算在夾持機構設計中，我們既要求兩個夾持夾具之間的距離盡可能小，以保證苗的切削斜面盡量重合；又要求在兩個夾持夾具之間的距離盡可能大，以方便切削刀片在兩個夾持夾具之間切削和包扎機構的包扎工作。所以在設計中要求在條件允許的情況下實現(xiàn)矛盾的統(tǒng)一。切削刀片所占空間高度：根據勾股定律可知：當苗的直徑為 3mm 時，如果用刀將直徑削成30 度斜切，那么斜切面的長度為 6mm。所以我們就可以確定，如果要將苗斜切斷，至少刀片切削直徑大于 3mm。根據設計，本設計刀片的長度為 12mm，其旋轉直徑達 24mm，遠遠滿足切斷的要求。當刀片長度確定后又由于苗的莖桿在被夾持狀態(tài)下垂直于水平面，而刀片與苗的莖桿成 28到 30 度角，所以刀片在旋轉狀態(tài)下的垂直高度為：(3-2)mh8.203cos12????夾持夾具高度：由于苗的最低高度為 60mm，所以要求整個夾持機構高度不大于 50mm。又因為切削刀片在兩夾持夾具之間旋轉，要求要有一定的間隙，預計所留空間高度為 26mm。所剩的24mm 分配給兩夾持夾具，兩夾持夾具完全相同，即厚度為 12mm。3.1.7 夾持機構保持架設計夾持機構保持架是保證夾頭精確工作的重要構件。嫁接機的寬度定位 500mm，且為對稱結構。旋轉柱的最大直徑為 60，除去保留空間，將保持架的整體長度為 200mm。如圖 3-3 所示：10圖 3-3 夾持機構保持架3.1.8 夾具連桿長度計算1）驅動力：由夾具的加持力即為構件的驅動力，為： N。2102）夾具阻抗力：夾具夾緊嫁接苗，且要阻止穗木落下。3）摩擦力計算：根據摩擦力計算公式：Ff21=fFN21=fvG (3-3)式中：f v 為當量摩擦系數。f v=kf(k=π)Φ=arctanf (3-4)由于保持架滑槽可變，夾具桿采用鉚釘連接也可變長短，在可變范圍內都可采用，因此根據構成四桿機構桿長條件:L1+L4≤L2+L3 (3-5)式中：L1 為最短桿長L4 為最長桿長綜上所述計算求得連桿長度為：80mm。3.1.9 夾具桿長度計算和確定根據設計,嫁接機的寬度為 500mm，且兩邊是對稱結構。因此夾具桿有四個，并且要留有50mm 的加持苗的空間。因此初步定夾具長度為：11(500-50x2)/4=100mm (3-6)夾具桿要構成機構運動，上面已經可以確定不能小于 51mm，留有伸縮空隙最后確定夾具桿長為：70mm。3.1.10 夾具結構設計如果將夾具整體用 PVC 材料制作那么該夾具的彈性太大，影響定位的精確性能且與夾具保持機構的摩擦很大。所以根據這種情況優(yōu)化設計方案，將夾具分成夾具頭和夾具桿兩部分。夾具頭形狀復雜，要求有彈性。根據金屬材料特性選擇天然橡膠作為夾具頭材料。主要性能：彈性極大，有非常好的機械強度，抗折、耐磨、耐撓曲，有較好的耐透氣性，可塑性和工藝加工性能良好。廣泛用于輪胎、膠帶、膠管、膠鞋及其他橡膠制品以及電線電纜的絕緣層。夾具桿形狀相對簡單，要求有較好的形狀保持能力及較小的摩擦系數，所以選用圓鋼及鐵板焊接制造。夾具整體是由夾具頭和夾具桿粘接在一起構成的。當夾具頭因磨損或變形不能工作時還可以很方便地更換夾具頭。圖 3-4 苗莖桿夾具頭示意圖圖 3-5 苗莖桿夾具桿示意圖3.1.11 夾持機構的驅動方案設計夾持機構的原動件的運動形式是直線運動，完成這個運動，有多種設計方案。(1)直線電機驅動方案。直線電機是一種新型電機，它可以直接輸出直線運動。但是這種方案所使用的電機成本太高，不宜使用。(2)齒輪齒條驅動方案。這種方案也能夠很方便地實現(xiàn)直線運動，但是電機夾緊力剛性太大，并且占空間不利于嫁接過程中的對接和包扎。12(3)螺紋傳動方案。螺紋傳動件可以把回轉運動轉變成直線運動，但是由于具有自鎖特性，不能良好反饋夾持力的大小，容易壓壞幼苗，且由于螺紋自鎖時傳動比較小，運動速度太慢，不宜采用。(4)氣壓驅動方案。氣壓驅動能夠很方便地實現(xiàn)直線住復運動，并且由于氣體具有壓縮特性，隨著壓力的增大到一定范圍后能夠達到平衡。元件結構簡單．緊湊，易于制造。這種特性對嫁接非常有利而且節(jié)省空間設計制造成本不是很高，因此采用該方案。3.2 傳感元件選擇3.2.1 激光器型號選擇世界上第一臺激光器誕生于 1960 年，我國于 1961 年研制出第一臺激光器，40 多年來，激光技術與應用發(fā)展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫(yī)療與光子生物學，激光加工技術，等方面發(fā)揮著非常重要的作用。本設計主要應用到激光的優(yōu)越方向特性。能量高度集中的激光光束有可能對人體造成損害，如眼睛或皮膚。所以，國際電子技術委員會 IEC(International Electrometrical Commission)和食品及藥品管理局FDA（Food and Drug Administration）對激光設備的安全性，按其激光輸出值的大小進行了分類。正規(guī)生產激光設備，其安全等級均應按 FDA 或 IEC 標準進行標注。IEC 標準將激光設備分為五個等級，分別稱為 Class1, Class2, Class3A, Class3B, Class4。例如，Class1 級激光設備，在“可預見的工作條件下”是一種安全設備；而 Class4 級的激光設備，則是可能生成有害的漫反射的設備，會引起皮膚的灼傷乃至火災，使用中應特別小心。FDA 標準將激光設備分為六個等級，即ClassⅠ , ClassⅡ a, ClassⅡ,Class Ⅲa, Class Ⅲb 和 ClassⅣ。對 ClassⅠ級者，其激光輻射量不認為是有害的，對 ClassⅣ級者，其激光輻射量無論是直接輻射還是散射（Scattered）,或者對皮膚和眼睛均是有害的。型號選擇：根據設計，我們需要選用能量小、光的直線性好、光斑小于 2mm、發(fā)射距離500mm 以上、外型小于 Φ10mm 的激光器。圖 3-6 激光器型號說明根據需要選用 D-系列（點式）激光器點式激光器有多種不同類型，光斑有圓形和橢圓形兩種，光斑大小和光束發(fā)散也各有不同。不同種類的激光器皆由不同種類的光學玻璃透鏡或高品質的光塑透鏡組成，用戶可根據具體的使用要求選擇或定制。13圖 3-7 工業(yè)級激光器電壓~光功率、電流圖點式激光器可由數種不同的透鏡組成, 不同種類透鏡發(fā)出的光斑形狀也有差異, 有橢圓形和圓形, 光束發(fā)散度和光斑大小也都不一樣, 出口功率也可根據不同的使用要求調整, 用戶可根據具體用途選擇或定制。外形尺寸有 Φ6.5x11,Φ7x14, Φ8x20, Φ8x25, Φ9x21, Φ9x25, Φ10x32, Φ10x36, Φ12x32, Φ12x36, Φ13x35, Φ14x42, Φ16x50, Φ16x70, Φ18x60, Φ20x70, Φ22x80, Φ26x70, Φ26x110 (mm)。所以根據激光器的類型選定外形尺寸為 Φ7x14mm 的 EL65D05IPE 型激光器作為直線檢測光源。3.2.2 光敏感元件型號選擇光敏感元件（簡稱光敏元件）是將光（或光能）轉變成電（或電能）信號的元件。光敏元件種類繁多，主要有光敏電阻器、光敏二極管、及光敏三極管等幾類常用的光敏元件。由于在工作過程當中，苗的莖較小，而激光發(fā)射的光點也小于 1mm，如果光敏元件反應速度太慢的話就會降低捕捉信號能力。根據需要選擇光敏二極管也叫光電二極管。它的工作原理是當光線照射 PN 結時，可以使 PN 結中產生電子一空穴對，使少數載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。光敏二極管的電路符號、外形見 圖 3-8 所示。圖 3-8 激光器型號說明其封裝有金封和塑封兩種（即圓柱形和扁方形） 。有的光敏二極管為了提高其穩(wěn)定性，還外加了一個屏蔽接地腳，外形似光敏三極管。光敏二極管工作于反向偏壓，其光譜響應特性主要由半導體材料中所摻的雜質濃度所決定。同一型號的光敏二極管在一定的反偏電壓、相同強度和不同波長的入射光照射下，產生的光電流并不相同，但有一最大值。不同型號的光敏二極管在同一反14偏電壓、同一強度的入射光照射下，所產生的光電流最大值也不相同，且光電流最大值所對應的入射光的波長也不相同。由圖可看出，它們的光電流的最大值分別在可見光區(qū)和紅外線區(qū)，其中的速度響應較快（5-50ns） 。所以選定二極管 2CU5 為本設計產品的感光元件。153.3 帶式輸送機設計3.3.1 已知原始數據及工作條件帶式輸送機的設計計算，應具有下列原始數據及工作條件資料（1）物料的名稱和輸送能力： （2）物料的性質：粒度大小，最大粒度和粗度組成情況；堆積密度；動堆積角、靜堆積角，溫度、濕度、粒度和磨損性等。（3）工作環(huán)境：露天、室內、干燥、潮濕和灰塵多少等。（4）卸料方式和卸料裝置形式；（5）給料點數目和位置；（6）輸送機布置形式和尺寸，即輸送機系統(tǒng)（單機或多機）綜合布置形式、地形條件和供電情況。輸送距離、上運或下運、提升高度、最大傾角等；（7）裝置布置形式，是否需要設置制動器。原始參數和工作條件（1）輸送物料：營養(yǎng)缽（2）物料特性： 1）塊度：0～80mm 2）散裝密度：0.099t/ 3）在輸送帶上堆積角：mρ=0 ° 4）物料溫度：50 ℃ 。（3）工作環(huán)境：室內（4）輸送系統(tǒng)及相關尺寸： 1）運距：1.5m 2）傾斜角：β=0° 3）最大運量:0.18t/h ，初步確定輸送機布置形式，如圖 3-9 所示：圖 3-9 傳動系統(tǒng)圖3.3.2 計算步驟3.3.2.1 帶寬的確定按給定的工作條件,取堆積角為 0°堆積密度按 99kg/3m輸送機的工作傾角 β=0°;帶式輸送機的最大運輸能力計算公式為(1)??ksQ＝6.3式中： ——輸送量（ ）ht/——速度（ ）?sm16——物料堆積密度（ ）?3/mkg——在運行的輸送帶上物料的最大堆積面積（ ）s 2m——輸送裝置的項斜系數k帶速選擇原則：(1)輸送量大、輸送帶較寬時，應選擇較高的帶速。(2)較長的水平輸送機，應選擇較高的帶速；輸送機傾角愈大，輸送距離愈短，則帶速應愈低。(3)物料易滾動、粒度大、磨琢性強的，或容易揚塵的以及環(huán)境衛(wèi)生條件要求較高的，宜選用較低帶速。(4)一般用于給了或輸送粉塵量大時，帶速可取 0.8 ~1 ；或根據物料特性和工藝要求sm//決定。(5)人工配料稱重時，帶速不應大于 1.25 。/(6)采用犁式卸料器時，帶速不宜超過 2.0 。s(7)采用卸料車時，帶速一般不宜超過 2.5m/s；當輸送細碎物料或小塊料時，允許帶速為3.15m/s。(8)有計量秤時，帶速應按自動計量秤的要求決定。(9)輸送成品物件時，帶速一般小于 1.25 sm/帶速與帶寬、輸送能力、物料性質、塊度和輸送機的線路傾角有關.當輸送機向上運輸時，傾角大，帶速應低；下運時，帶速更應低；水平運輸時，可選擇高帶速.帶速的確定還應考慮輸送機卸料裝置類型，當采用犁式卸料車時，帶速不宜超過 3.15 。s/表 3-1 傾斜系數 k 選用表傾角(°) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20k 1.00 0.99 0.98 0.97 0.95 0.93 0.91 0.89 0.85 0.81輸送機的工作傾角=0°查《機械設計手冊》 〈帶式輸送機選用手冊（ Error! Reference source not found.）( 此后凡未注明均為該書)得 k=1按給定的工作條件,取堆積角為 0°堆積密度為 99kg/m3考慮工作條件取帶速為 0.6m/s將參數值代入上式, 可得到為保證給定的運輸能力,帶上必須具有的的截面積：208.16.9.3806. mkQs＝＝ ????因為營養(yǎng)缽是直徑 m8?且重量較輕,所以我們確定選用帶寬 B=140mm,CC-56 棉帆布輸送帶CC-56 棉帆布輸送帶的技術規(guī)格：17帶厚 6.0m輸送帶質量 5.44kg/3.3.2.2 輸送帶寬度的核算由于營養(yǎng)缽直徑 ，小于帶寬 140 ，故，輸送帶寬滿足輸送要求。80?m3.3.3 圓周驅動力3.3.3.1 計算公式傳動滾筒所需的圓周驅動力 為輸送機的所有阻力之和可用式（ 2）計算：UF（2）stSNHF???21式中： ——主要阻力（ N）HF——附加阻力（N）——特種主要阻力（N）1S——特種附加阻力（ N）2F——傾斜阻力（N）tS五種阻力中， 、 是所有輸送機都有的，其他三類阻力，根據輸送機側型及附件裝置情H況定，由設計者選擇。3.3.4 主要阻力計算輸送機的主要阻力 是物料及輸送帶移動和承載分支及回程分支托輥旋轉所產生的阻力總和。HF可用式（3）計算：（3）]cos)2([?GBRUOqqfLg??式中： ——模擬摩擦系數，根據工作條件及制造安裝水平決定，一般可按表查取。f運行阻力系數值應根據選取。取 =0.02f f表 3-1 阻力系數 f輸送機工況 f工作條件和設備質量良好，帶速低，物料內摩擦較小 0.02～0.023工作條件和設備質量一般，帶速較高，物料內摩擦較大 0.025～0.03018工作條件惡劣、多塵低溫、濕度大，設備質量較差，托輥成槽角大于 35°0.035～0.045——輸送機長度（頭尾滾筒中心距） （ ）Lm——重力加速度g——承載分支托輥組每米長度旋轉部分重量（kg/m）用式（ 4）計算：ROq（4）01aGqRO?其中： ——承載分支每組托輥旋轉部分重量（kg）1G——承載分支托輥間距（m）0a托輥已經選好，知 kg9.21?計算： maqRO/6.5.0＝＝——回程分支托輥組每米長度旋轉部分質量（kg/m）用式（5）計算：U（5）URaGq2?kgG6.2?計算： mkgaqUR/2.5062＝＝——每米長度輸送物料質量（kg/m）GkgQIqm/83.60.31.????——每米長度輸送帶的質量（kg/m）B mkqB/4.5]cos)2([?GBRUOHqfLgF?= 0.02×0.75×9.8×[11.6+5.2+（2×5.44+0.083 ）×cos0°]=4.081 N3.3.4.1 主要特種阻力計算主要特種阻力 包括托輥前傾的摩擦阻力 和被輸送物料與導料槽攔板間的摩擦阻力1S ?F兩部分，由于這次設計運輸機沒有導料槽，托輥為水平托輥，故主要特種阻力為 0。glF193.3.4.2 附加特種阻力計算傾斜阻力計算附加特種阻力 包括輸送帶清掃器摩擦阻力 和卸料器摩擦阻力 等部分，2SFrFaF由于本次設計的輸送機沒有清掃器，卸料器，所以附加特種阻力為 0。傾斜阻力 按下式計算：stF（6）HgqGst??式中：因為是本輸送機水平運輸，所有 H=00＝HgqFGst??由式： ＝4.081+0+0+0+0＝4.081 NstSNUF??213.3.5 傳動功率計算3.3.5.1 傳動軸功率（ ）計算AP傳動滾筒軸功率（ ）按式（7）計算：(7)10???UAF3.3.5.2 電動機功率計算電動機功率 ，按式（8）計算：MP（8）'?AMP?式中： ——傳動效率，一般在 0.85~0.95 之間，取 0.95?——聯(lián)軸器的效率，一般在 0.90~0.95 之間，取 0.95'——減速器的效率，一般在 094~0.98 之間，取 0.94'由式（7） W024.168.40????＝?UAFP由式（8） W8.95' ＝＝?M20總 結本設計是在電腦上通過軟件虛擬造型的理想機器。由于軟件設計建立在理想條件下，所以只能根據理論設計推斷，很多的地方沒有考慮到具體情況。理論上的虛擬設計與現(xiàn)實存在一定的差距，但是理論是指導實踐的星星，總有一天能夠將它變成現(xiàn)實。本設計中主要對嫁接機的夾持機構進行了大幅度的改進，其它機構仍然存在很多的不足。（1）嫁接機的包扎機構有待改進，包扎的效果在理論上行的通，但是沒有做出具體的機器，難以考慮到各種誤差因素。（2）雖然對傳動機構進行了改進，但是平穩(wěn)因素在現(xiàn)實情況中仍需要考慮。（3）主要控制電路基本確定，但是還不夠完整。還沒有考慮執(zhí)行元件、反饋環(huán)節(jié)具體電路設計。（4）只完了成部分執(zhí)行元件的控制試驗，總控制程序還沒有連接起來。21致 謝本論文是在指導老師張涵的悉心指導下完成的。這是我大學期間學習的成果，也是我大學四年的結晶，它包含了我的收獲也顯示了我的不足。時光匆匆如流水，轉眼便是大學畢業(yè)時節(jié)，春夢秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!22參考文獻[1]楊麗,劉長青,張鐵中.雙臂蔬菜嫁接機設計與試驗[J]. 農業(yè)機械學報 ,2009,09:175-181.[2]李興.針接式蔬菜嫁接機的研究[D].浙江大學,2013.[3]樓建忠,李建平,朱盤安,呂谷來.斜插式蔬菜嫁接機砧木夾持機構研制與試驗 [J].農業(yè)工程學報,2013,07:30-35.[4]劉凱,初麒,辜松,李元強,牟艷秋,楊艷麗.茄科蔬菜自動嫁接機的研究現(xiàn)狀 [J].農機化研究,2011,02:230-233.[5]辜松.2JC-350 型蔬菜插接式自動嫁接機的研究 [J].農業(yè)工程學報 ,2006,12:103-106.[6]賈學武.手持式嫁接機的研究[D].東北農業(yè)大學,2007.[7]譚妮克.套管式蔬菜自動嫁接機的研究[D].中國農業(yè)大學,2005.[8]龍濤.雙向式自動嫁接機的研究[D].中國農業(yè)大學,2005.[9]趙金英,張鐵中.PLC 在自動嫁接機控制系統(tǒng)中的應用[J].中國農業(yè)大學學報,2004,06:53-55+84.[10]羅軍,高英武,何幸保.自動嫁接機的研究現(xiàn)狀與展望[J].湖南農機,2010,03:1-2.[11]項偉燦.直插式蔬菜自動嫁接機的研究[D].浙江理工大學,2010.