顶芽斜插瓜类嫁接装置关键机构的研究

梁 玉，韦鸿钰，马稚昱※

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510630；2.仲恺农业工程学院机电学院，广州 510225）

顶芽斜插瓜类嫁接装置关键机构的研究

梁 玉1，韦鸿钰2，马稚昱2※

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510630；2.仲恺农业工程学院机电学院，广州 510225）

顶芽斜插法嫁接是瓜类蔬菜嫁接生产中常用的一种方法，其特点是操作简单、不需要夹持固定物、成活率高，也是实现瓜类蔬菜机械化嫁接的一种理想方法。本研究通过对顶芽斜插嫁接法的操作过程及工艺要求进行研究分析，对实现瓜类蔬菜顶芽斜插机械化嫁接的关键机构及参数进行了实验研究，确定了砧木和接穗夹口部位的结构形状尺寸；砧木打孔签为1.80mm的圆锥形时，插孔形状整齐、清楚、无毛刺；接穗切削角度为20°时，切削面长度适中且具有一定的刚性，插入砧木插孔内的成功率比较高。在上述研究基础上完成了顶芽斜插嫁接机的关键机构的设计，包括砧木和接穗夹持机构、砧木打孔机构、接穗切削机构，这些机构在人工上苗后可以实现砧木的夹持，砧木子叶的展平压平、打孔和接穗的上苗、夹持、切削，及砧木和接穗的插接作业。

顶芽斜插法 瓜类蔬菜 嫁接机 机械化

0 引言

瓜类蔬菜的顶芽斜插嫁接法具有方法简单、操作易行、不需要夹持固定物、砧木与接穗结合紧密、嫁接成活率高的特点，因此在传统的瓜类蔬菜人工嫁接中得以普遍采用[1-4]，也是实现瓜类蔬菜机械化嫁接的一种非常理想的方法。本研究在对顶芽斜插嫁接工艺要求和操作方法研究的基础上，对实现瓜类顶芽斜插嫁接装置的关键机构进行了试验研究。

1 顶芽斜插嫁接方法

图1 顶芽斜插法嫁接示意图

顶芽斜插法在瓜科蔬菜嫁接中广泛应用[5-8]，其手工的操作过程如图1所示。①去除砧木生长点：用插扦尾平切掉砧木生长点，留下生长点以下的部分，使其形成“平台”状，同时抹掉腋芽。②砧木打孔：用左手指轻捏砧木子叶节部位，右手拿插扦，沿着子叶平行方向，轻抵在“平台”外右脚部位，与砧木子叶平行方向成40～45°角，然后以插扦扦

头和“外右角部位”为原点，再向怀外转40～45°角。位置选好后，从“外右角部位”斜向怀中扎孔并扎通，扦头露出的位置正好在左侧子叶环下方。③接穗切削：用刀片在距离接穗苗生长点下方5～8mm处，以20～25°角双斜面切成楔形，切口长6～7mm。④砧木和接穗插接：将切好的接穗，沿着砧木插孔插入，下端露出1mm左右，使砧穗的切口密切结合。

基于上述顶芽斜插操作流程的描述可以发现，在顶芽斜插工作过程中，要注意避免以下几点：一是避免插接时破坏砧木子叶，因此插孔时插扦插入点必须在生长点内部；二是避免接穗插入髓腔，而导致接穗产生自生根，造成嫁接失败；三是保证接穗插入砧木生长点内后，砧木与接穗接合面长度尽可能长，以增大砧木和接穗愈合接触面的面积，提高嫁接苗愈合成活率。因此，要实现顶芽斜插法的机械化嫁接，对嫁接装置的要求：一是作业速度要快，以防止砧木和接穗的伤口暴露时间过长，不利于伤口愈合；二是作业精度要高，准确插入到砧木左右生长点之间，避免损伤子叶及插入髓腔内部。考虑到我国农民实际经济能力和需求能力，本研究所设计开发的顶芽斜插嫁接机定位于：以主要满足普通蔬菜种植农户使用的需求为主；作业对象以瓜科蔬菜为主，砧木为瓜科嫁接常用品种南瓜和瓠瓜，接穗为黄瓜和西瓜。

2 斜插式嫁接机关键机构的研究

根据对嫁接机使用和定位要求，本研究设计的嫁接机采用人工上苗，自动完成夹持、打孔、切削及插接，实现顶芽斜插的机械化嫁接作业。具体为：①砧木、接穗苗的夹持供给。操作者将砧木、接穗苗放到指定夹口位置，完成砧穗的夹持固定，并完成砧木子叶的展开、压平。②砧木插孔机构。从砧木右生长点外侧沿45°方向向左下方斜插，从砧木左侧子叶环下方露出，完成砧木插扦打孔作业。③接穗的切削机构。完成接穗的下胚轴切削，刀片的切削角度及切削速度可以调节。④砧木与接穗结合机构。将切削好的接穗沿插孔插入砧木生长点内部，完成砧木和接穗的插接作业，获得成功的嫁接苗。

本机采用气动为主、电动为辅，控制系统以PLC为控制器，实现连续作业，提高工作效率，其结构框架图见图2。

图2 斜插嫁接装置系统框图

2.1 夹持机构的分析

图3 砧木夹持机构

夹持机构的主要功能是在人工将砧木和接穗放入夹口部位后，自动完成夹持和展开并压平子叶，并为后续操作做好准备。砧木夹持机构如图3所示，是由砧木夹持和砧木压苗机构组成，人工去除生长点后将苗放入夹头2内，在气缸驱动下砧木夹持机构完成砧木夹持，然后压苗片向下运动将砧木子叶展开并压平，为后续砧木打孔做好准备。接穗夹持机构如图4所示，是由接穗手爪和驱动装置组成，人工将接穗苗放到接穗夹口内，在气缸驱动下完成

对接穗的夹持，为后续接穗切削做好准备；驱动装置采用2个气爪构成，将切好后的接穗送到砧木接穗对插工位为后续的砧木和接穗插接作业做好准备。

图4 接穗夹持机构

砧木夹持机构在顶芽斜插嫁接作业中非常重要，需要保证斜插作业过程中对砧木苗夹持的稳定性和准确性，特别是在对砧木进行打孔时，如果砧木苗夹持不稳定，向上偏移会导致插扦容易进入髓腔，引起接穗苗在愈合过程中产生自生根，嫁接失败；如果向下偏移会导致插扦扎破砧木子叶，损坏子叶。因此在砧木和接穗夹持机构的夹口部位设计过程中，如图5a和5b所示，采用仿形设计即模仿砧木和接穗子叶节处形状，将砧木夹口和接穗夹口设计成倾角为45°斜面，并粘贴弹性软子垫片，一方面避免损伤砧木和接穗子叶和下胚轴表面，另一方面通过垫片的弹性收缩以适应砧木及接穗下胚轴直径的不一致性。

图5 砧穗夹持手爪结构

基于对瓜类蔬菜常用砧木苗（南瓜、瓠瓜）和接穗苗（西瓜、黄瓜）几何参数的测量，得到在嫁接适宜期间内，砧木下胚轴长轴平均直径为3.503± 0.320mm，短轴平均直径为2.700±0.270mm；接穗苗下胚轴长轴平均直径为1.869±0.028mm，短轴平均直径为1.436±0.022mm。因此将砧木夹口直径设计为4.500mm，接穗夹口直径为2.500mm，并经过试验验证不同的弹性材料对幼苗下胚轴的影响，最后确定在夹口表面粘贴EVA胶垫夹头[9，10]，可以保证在夹持过程中茎秆的最大抗拉力较大，同时又可以避免对茎秆造成损伤。

2.2 砧木打孔机构的分析

砧木上苗夹持后，砧木打孔机构完成砧木打孔作业，如图6a所示该机构的驱动部件为下插双导杆气缸，具有导向精度高、能抗扭矩、负载能力强、工作平稳、组装简单方便的特点。砧木打孔作业过程中主要工作部件是插扦，对其要求是前端平直锐利、无毛刺、易清理消毒、不变形，因此在本研究中选择了铜杆作为插扦材料，并对插扦尖部形状进行了研究。

图6 砧木打孔机构示意图

根据斜插嫁接操作工艺要求：打孔作业过程中要一次性完成打孔，且在砧木生长点处形成的插孔要清晰、无毛茬。因此本研究中结合人工嫁接作业过程中农户常用插扦的形状设计并加工了2种插扦，如图6b所示为人工嫁接常采用的楔形，其宽度为1.8mm，尖部锋利；图6c所示插扦头部形状为锋利圆锥形尖角，其上部直径为1.8mm。利用这2种插扦，分别进行了插扦打孔试验。实验对象选择了瓜科嫁接常用砧木黑籽南瓜和瓠瓜，进行打孔作业，并利用电子显微镜对每次打孔后砧木生长点的成孔

部位进行了背投光源观测，并进行成孔部位的图像采集，如图7所示。图7a所示的楔形插扦形成的孔近似为半椭圆形、透光成孔面积较小；图7b所示的是采用圆锥形插扦形成的插孔，形状为近似圆形，周边整齐、透光成孔的面积较大。因此在打孔机构中，我们采用了图6c所示的圆锥形插扦。

采用顶芽斜插进行嫁接，要求插扦沿着子叶平行方向，轻抵在“平台”外右脚部位，与砧木子叶平行方向成40～45°角，然后以插扦扦头和“外右角部位”为原点，再向怀外转40～45°角。位置选好后，从“外右角部位”斜向怀中扎孔并扎通，扦头露出的位置正好在左侧子叶环下方，其穿透砧木表皮露出1mm，能看到插扦尖端而未插透为最佳，并且插扦要在砧木插孔内停留一小段时间，确保插孔定型。因此本机构中选择插签角度为45°，插入后通过程序控制插扦停留1 s后，拔出插扦，完成打孔作业。

2.3 接穗切削机构的分析

接穗切削机构主要功能是完成对接穗下胚轴斜切作业，即对被稳定夹持住的接穗下胚轴进行斜切。在顶芽斜插操作中对接穗切削的要求是：切口平整、去毛刺且不留表皮、不能打弯、切削面尽可能大，以增大砧木和接穗结合面的面积，提高砧木和接穗愈合率。因此在本机构中采用了横向滑切方式进行切削，结构仿真图如图8所示。机构由针式气缸驱动，并设计了走刀槽，为接穗下胚轴的切削起支撑作用，同时也起引导切刀的作用。嫁接作业中，接穗切口面面积越大，越有利于增加接穗苗和砧木苗贴合面的维管束接通数量，越有利于提高砧木和接穗的愈合率；为了保证接穗顺利插入砧木，要求接穗切口具有一定的强度，而当切削角过小时，会降低切削面强度，造成接穗苗下胚轴弯曲，导致砧木和接穗插接失败。因而在本研究中设计了3种走刀槽（图9），切削角度分别为10°，20°和30°，进行了接穗苗切削实验。结果发现，当切削角度为20°时，接穗苗下胚轴切削面的长度平均值为7.539±0.189mm，接穗成功插入砧木插孔的机率可达到93%；而当切削角为10°时，切削面长度虽然增大，但是插接成功率仅为71.9%；当切削角度为30°时，接穗切削面长度减小平均为 6.16±0.17mm，而插接成功率为95.6%。因此，本设计中选择接穗切削角度20°。

图7 不同插扦形成插孔效果对比

图8 接穗切削机构

图9 接穗切削刀槽角度

3 整机实验验证

为了验证上述嫁接机构的合理性，在上述分析基础上构建了顶芽斜插嫁接试验装置，并以黑籽南瓜和黄瓜为嫁接对象进行顶芽斜插嫁接试验。

3.1 实验方法

3.1.1 嫁接幼苗的准备

黑籽南瓜要比黄瓜提前6～8 d，当砧木幼苗子叶展开并露出第一片真叶，接穗黄瓜幼苗子叶展平、新叶露尖时开始进行机械化嫁接作业。

3.1.2 嫁接方法

根据第2节研究结果确定斜插嫁接装置的斜插角度确定为45°，打孔签的形状确定为圆锥形。嫁接装置采用PLC为控制器，控制流程图如图10所示，具体步骤如下：首先启动嫁接机，然后将去掉生长点的砧木苗放到砧木夹持机构上，砧木夹持机构自动夹持住砧木下胚轴后，压苗片将子叶展开压平；同时将接穗黄瓜苗放到接穗夹持机构上并夹持，然后接穗切削机构对接穗进行切削；接穗切削的同时，砧木打孔机构完成砧木打孔作业，打孔签留在孔内保持不动1 s后，将砧木打孔签拔出，然后接穗夹持输送机构将切削好的接穗送到砧穗结合工位与完成打孔作业的砧木进行插接作业，最后将接苗取出，并移栽到事先预备好的穴盘内，并把穴盘搬入嫁接愈合室内进行愈合栽培。嫁接所有工作由1人独立完成。

图10 斜插自动嫁接机控制系统流程图

3.2 试验结果分析

3.2.1 对插效果分析

在100组插接试验中，完全插入的有92组，即插入成功率为92%。且根据观察，发现导致插接失败的原因有以下几点：①接穗下胚轴本身弯曲、偏斜造成插入失败；②接穗切削过程中切刀冲击力过大，造成接穗下胚轴偏斜。③虽然接穗成功插入砧木，但在压苗片打开时将接穗苗带出，造成失败，需要进一步改善压苗机构。

3.2.2 砧木与接穗结合效果分析

图11是利用嫁接装置进行嫁接后得到的嫁接苗。从图11可以发现，砧木和接穗嫁接稳固性很好，接穗苗插接位置准确到位，接穗沿砧木子叶边缘插入砧木生长点插孔内，并从对面子叶下方伸出，且接穗下端露出砧木下胚轴表皮1mm左右，砧木与接穗切口密切结合，同时砧木子叶加强了对接穗的支撑，提高了接穗苗的稳定性。

图11 利用斜插嫁接机获得的嫁接苗

3.2.3 嫁接苗愈合情况分析

将嫁接苗放入愈合人工气候室内，愈合室内温度控制在25°，相对湿度在95%，光源采用弱红色光源。保证接穗从切削到移入愈合室内不萎蔫。1周后观察嫁接苗的成活率，结果显示经过开发的顶芽斜插嫁接装置进行嫁接作业，嫁接苗的成活率可达90%。

4 小结

1）本研究对斜插嫁接装置中的关键机构进行结构及参数分析，包括砧木和接穗苗的夹持、打孔、切削、插接作业机构及参数进行研究分析。

2）经过研究发现砧木打孔扦形状选择直径为

1.8mm圆锥形，且插入后停留1 s有利于砧木插孔孔型的稳定；接穗切削采用20°切削角时可以获得切削面比较大且具有一定强度的接穗切削平面，提高砧木和接穗的插接成功率。

3）研究设计的斜插式嫁接装置具有斜插法嫁接的优点，又克服了直插法接穗易脱落问题的，不需要任何夹持固定物，简化机构，节省了后续工序，具有重要的实用价值。

4）初步嫁接实验结果表明，研究设计的斜插装置的嫁接成功率达92%，但目前还有些具体问题和机械结构设计还有待进一步解决和完善，以进一步提高嫁接装置的稳定性和成功率。

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Study on the Key Mechanism in Cucurbits Grafting Machine for Hole Inserting Grafting

Liang Yu1， Wei hongyu2， Ma zhiyu2※
(Modern Agricultural Equipment of Guangdong Province，Guangzhou，510630;ZhongKai University of Agriculture and Engineering，Faculty of Mechanica and Electrical Engineering,Guangzhou 510225,China)

The hole-insertion grafting is a mainly grafting method of vegetable seedling production,it is characterized by simple operation,does not need clamp with high survival rate.So the method is an ideal method for achieve the mechanization grafting.This paper researches structure and parameter of the key actuator for the hole-insertion grafting machine on the analysis of operation process and technological requirements of hole-inserting grafting method.The structure and size of the clamping device of rootstock and scion were determine;when the punch pin of rootstock is cone-shaped and it’s diameter is 1.8mm,the punch hole is neat without burrs;when the scion cutting angle is 20°,the surface has certain rigidity and the success rate of grafting can reach a high level.On the basis of the above,the hole-insertion grafting machine was designed, and includes rootstock and scion clamping,rootstock punching,and scion cutting.After artificial seedling,the machine can achieve rootstock seedling clamping,flat the rootstock cotyledon,punching,the scion seedling clamping,cutting,and plugging into rootstock.

Hole-inserting,Grafting,Grafting machine,Mechanization

2012年广东省扶持农业机械化发展专项课题：瓜类蔬菜机械化嫁接加工技术集成与示范（项目编号KB12061）

作者介绍：梁玉（1974-），女（汉），广东，工程师，机电工程技术、农业机械推广。

※通讯作者：马稚昱（1974-），女（汉），黑龙江，副研究员，博士，现代设施农业装备研究。广东省仲恺农业工程学院机电学院，510225。Email:mazhiyu2002@hotmail.com