景 新，樊樹凱，史穎剛，趙 娜，任一鵬，李世奇

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)設(shè)計

景 新，樊樹凱，史穎剛*，趙 娜，任一鵬，李世奇

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

摘要針對當(dāng)前我國室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化和自動化水平低，人工投飼勞動強度大的現(xiàn)狀，利用軌道傳動、傳感器和PLC技術(shù)，設(shè)計了新型的室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)。從室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)要求和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計3個方面進(jìn)行介紹，主要對行走裝置、料倉、定量控制裝置、拋撒裝置、上料裝置和自動控制裝置等方面做了詳細(xì)的設(shè)計。同時，利用Pro/E軟件對室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維實體建模。結(jié)果證明，該投飼機(jī)各部分組裝合理，可以進(jìn)行后續(xù)的樣機(jī)制作，并有望應(yīng)用于國內(nèi)現(xiàn)有的室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠，來替代效率低、成本高的人工投飼。

關(guān)鍵詞水產(chǎn)養(yǎng)殖；設(shè)計；自動投飼；控制器；軌道式；三維實體建模

我國是水產(chǎn)品養(yǎng)殖大國和出口大國[1]，但水產(chǎn)品養(yǎng)殖的投飼環(huán)節(jié)，基本依靠人工。在水產(chǎn)品室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖模式中，依靠人工投飼存在勞動強度大，且不均勻、不準(zhǔn)確、不準(zhǔn)時，投飼量控制難等問題，容易使飼料殘留過多，導(dǎo)致養(yǎng)殖水域環(huán)境惡化[2-5]。

國外水產(chǎn)品養(yǎng)殖普遍使用自動裝備，餌料的運輸、儲存、輸送和投放環(huán)節(jié)，都有精確的數(shù)量控制[6]。但進(jìn)口設(shè)備費用高，而且不適合國內(nèi)的養(yǎng)殖環(huán)境，所以，研究開發(fā)適合我國國情的水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)，已成當(dāng)務(wù)之急[7-8]。

針對現(xiàn)有的室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)，筆者設(shè)計了一種自動投飼系統(tǒng)，希望能替代效率低、成本高的人工投飼，并與其他環(huán)節(jié)的生產(chǎn)活動相結(jié)合，以提高室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)率。同時，借助于Pro/E軟件，對自動投飼機(jī)進(jìn)行了三維實體建模。

1系統(tǒng)的工作原理及技術(shù)要求

1.1系統(tǒng)的工作原理室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)，主要由行走裝置、投飼裝置、上料裝置和控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。它的工作原理是：在魚池上方架設(shè)跑道形封閉軌道，軌道上對應(yīng)的每個魚池都裝有一個起始點限位開關(guān)和一個終止點限位開關(guān)，當(dāng)自動投飼機(jī)沿軌道行走，觸發(fā)了需要進(jìn)行投飼魚池上方的起始點限位開關(guān)時，根據(jù)自動控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，進(jìn)行相應(yīng)的投飼工作，當(dāng)自動投飼機(jī)觸發(fā)了終止點限位開關(guān)時，則結(jié)束該魚池的投飼任務(wù)，自動投飼機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序沿軌道行走至下一個需要投飼的魚池上方。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)定量裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制投飼量，從而實現(xiàn)對該魚池的定量精確投飼。

注：1.上料裝置；2.自動投飼；3.行走裝置；4.PLC控制箱；5.料斗；6.定量控制裝置；7.拋撒裝置；8.上位機(jī)。Note：1.Feeding device；2.Automatic feeding；3.Walking device；4.PLC control box；5.Jopper；6.Quantitative control device；7.Throwing and spreading device.8.PC.圖1　室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1　The overall structure of the automatic feeding system for the indoor factory

1.2系統(tǒng)技術(shù)要求根據(jù)室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)規(guī)程和操作規(guī)范，參考SC/T6023—2011投飼機(jī)標(biāo)準(zhǔn)[9]，確定了室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)應(yīng)滿足的主要技術(shù)指標(biāo)如下：投飼方式為擺動下落；料倉儲料量(3#飼料)為15 kg；行走速度≥20 m/min；定位精度為±100 mm；投飼量誤差≤5%。

2關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1行走裝置行走裝置主要由軌道、行走滑車和限位開關(guān)組成。在魚池上方架設(shè)跑道形封閉軌道，如圖2所示，根據(jù)自動投飼機(jī)重量以及行走裝置安裝空間的要求，軌道由型號為直徑1 100 mm的方形鋼管加工而成[10]，總長約為24.57 m，自重644.7 kg，使用支架將軌道架設(shè)于魚池上方1.6 m處。考慮到安裝及運輸?shù)姆奖?，將整個軌道分解成6根長度為2 m的直段和4根半徑為2 m的四分之一圓形彎段，使用拼接夾板將各段對接成一套完整的跑道形封閉軌道。

注：1.彎段；2.直段；3.支架；4.拼接夾板；5.限位開關(guān)。Note：1.Bending segment；2.Straight segment；3.Bracket；4.Splicing plywood；5.Limit switch.圖2　軌道結(jié)構(gòu)示意Fig.2　Schematic diagram of track structure

行走滑車由一對T型主動輪和從動輪、夾緊輪、直流電機(jī)、減速傳動齒輪組、安裝固定板組成，如圖3(b)所示。24 V直流電機(jī)通過減速傳動齒輪組驅(qū)動2個主動輪讓行走滑車沿方形鋼上部運動。T型軌道輪直徑為0.04 m，齒輪組減速比為11.56，設(shè)計行走機(jī)構(gòu)的運行速度為20 m/min以上，據(jù)此選擇合適的直流電機(jī)。則：

(1)

式中，n0為軌道輪最低轉(zhuǎn)速(r/min)；v為行走機(jī)構(gòu)運行速度(m/min)；D為T型軌道輪直徑(m)。

ni=n0×i=159.2×11.56=1 840.6 r/min

(2)

式中，ni為電機(jī)最低轉(zhuǎn)速(r/min)；i為齒輪組減速比。

另外，在選定電機(jī)之前，估計投飼機(jī)滿載時其重量為4倍的飼料重量，即m0=4×15 kg=60 kg。T型軌道輪與軌道間的滑動摩擦系數(shù)為μ=0.15，則T型軌道輪與軌道間的最大靜摩擦力為Ff=m0×μ=90 N。則主動輪為自動投飼機(jī)提供的驅(qū)動力矩為：

(3)

式中，M為T型主動輪驅(qū)動力矩(N·m)；Ff為T型軌道輪與軌道的最大靜摩擦力(N)。

傳動效率：

(4)

式中，η為減速齒輪組傳動效率；η1為開式齒輪傳動效率；η3為滾動軸承傳動效率。

則：

(5)

式中，T為直流電機(jī)輸出扭矩(N·m)。

(6)

式中，P為直流電機(jī)輸出功率(kW)。

根據(jù)上述計算結(jié)果，考慮到行走系統(tǒng)工作時的載荷變化，安全系數(shù)選為1.4，選擇行走驅(qū)動電機(jī)的型號為DT60BL80-230-2GNXK，其功率50 W，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，電壓為直流24 V。

在方形鋼的側(cè)面對應(yīng)6個魚池，安裝了6組共12個限位開關(guān)，分別為6個起始點限位開關(guān)和6個終止點限位開關(guān)，如圖2所示。限位開關(guān)選用型號為V-156-1C25，當(dāng)投飼機(jī)觸發(fā)了需要投飼魚池上方的起始點限位開關(guān)時，其定量裝置和拋撒裝置的電機(jī)會啟動，然后按照程序的要求進(jìn)行拋撒工作。當(dāng)投飼機(jī)觸發(fā)了該魚池上方的終止點限位開關(guān)時，其行走裝置的驅(qū)動電機(jī)、定量裝置和拋撒裝置的電機(jī)都會停止。待定量裝置和拋撒裝置的電機(jī)完全停止后，行走裝置的驅(qū)動電機(jī)重新啟動，投飼機(jī)繼續(xù)行走，前往下個魚池。

注：1.中間軸大齒輪；2.中間軸小齒輪；3.直流電機(jī)輸出軸齒輪；4.直流電機(jī)；5.輸出軸齒輪；6.T型軌道輪主動輪；7.T型輪固定板；8.夾緊輪固定板；9.夾緊輪；10.T型軌道輪從動輪。Note：1.Shaft gear；2.Small gear shaft；3.DC motor output shaft gear；4.DC motor；5.Output shaft gear；6.T type track wheel driving wheel；7.T type wheel fixing plate；8.Clamping wheel fixing plate；9.Camping wheel；10.T type track wheel driven wheel.圖3　行走裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.3　Schematic diagram of walking device structure

2.2料斗如圖4(a)所示，料斗由4個型號為CFBLSM的S型拉壓力傳感器吊裝在行走裝置的下方，料斗內(nèi)部空間由倒三角立方體與立方體組成，總?cè)莘e為40 L，可容納3#飼料15 kg(容積密度約為376 kg/m3)。

注：1.拉壓力傳感器；2.入料口；3.定量槽；4.定量轉(zhuǎn)盤；5.出料口；6.步進(jìn)電機(jī)。Note：1.Pull pressure sensor；2.Feed inlet；3.Quantitative slot；4.Quantitative turntable；5.Discharge port；6.Step motor.圖4　料斗與定量控制裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.4　Schematic diagram of the structure of hopper and quantitative control device

2.3定量控制裝置定量控制裝置主要由定量轉(zhuǎn)盤、步進(jìn)電機(jī)以及定量室組成，如圖4(b)所示。定量控制裝置工作時，向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制信號，促使定量轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，入料口正下方定量槽中的飼料隨定量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動落入定量室內(nèi)，并從出料口進(jìn)入拋撒機(jī)構(gòu)，空的定量槽轉(zhuǎn)至入料口下方時，料斗中的飼料通過重力作用又會落入定量槽中。此過程反復(fù)進(jìn)行，即可得到連續(xù)且精準(zhǔn)的定量落料過程。

定量控制裝置停止工作后，通過給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送合適的脈沖信號，可控制定量槽正對入料口停止，此時料斗內(nèi)的飼料積滿定量槽和入料口，保證料斗內(nèi)飼料靜止不動，也不會從定量槽和入料口之間的縫隙漏出。

2.4拋撒裝置拋撒裝置主要由拋料室、拋料導(dǎo)管和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖5所示。當(dāng)自動投飼機(jī)開始進(jìn)行拋撒工作時，控制系統(tǒng)會發(fā)出信號控制步進(jìn)電機(jī)工作。步進(jìn)電機(jī)軸帶動拋料室在一定的旋轉(zhuǎn)角內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運動，飼料從入料口落入拋料室，由于重力作用滑入拋料導(dǎo)管，并隨著拋料導(dǎo)管的運動拋撒出去。通過控制步進(jìn)電機(jī)來精確控制拋料室旋轉(zhuǎn)角度，控制拋料導(dǎo)管擺動角度，進(jìn)而控制飼料拋撒軌跡，以使飼料拋撒較為均勻。

注：1.入料口；2.拋料室；3.步進(jìn)電機(jī)軸；4.拋料導(dǎo)管；5.步進(jìn)電機(jī)。Note：1.Feed inlet；2.Feed chamber；3.Step motor shaft；4.Throw material guide pipe；5.Step motor.圖5　拋撒裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5　Schematic diagram of the structure of throwing device

2.5上料裝置上料裝置包括料倉、上料轉(zhuǎn)盤、鼓風(fēng)機(jī)、導(dǎo)料管、出料口和紅外測距傳感器，如圖6所示。當(dāng)自動投飼機(jī)進(jìn)行投飼工作時，若投飼機(jī)料斗內(nèi)飼料預(yù)存量低于預(yù)警值時，投飼機(jī)會自動停至初始上料點，即出料口的下方?？刂葡到y(tǒng)控制上料裝置開始工作，上料轉(zhuǎn)盤的控制電機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)同時運作，料倉內(nèi)的飼料隨著上料轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動落入導(dǎo)料管中，鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高氣壓推動飼料移動至導(dǎo)料管上端，并從出料口落入投飼機(jī)的料斗中。當(dāng)投飼機(jī)上的拉壓力傳感器感應(yīng)到料斗中的飼料量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，上料轉(zhuǎn)盤控制電機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)停止運行，投飼機(jī)繼續(xù)執(zhí)行投飼任務(wù)。

在出料口附近裝有一個紅外測距傳感器，型號為GP2Y0A60SZ0F，有效測量范圍為10～150 cm。通過紅外測距傳感器來測量自動投飼機(jī)與出料口的距離，從而確定投飼機(jī)是否位于初始點，若未處于初始點，則行走系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)啟動，行走至初始點后停止。

注：1.料倉；2.導(dǎo)料管；3.上料轉(zhuǎn)盤；4.鼓風(fēng)機(jī)；5.出料口；6.紅外測距傳感器。Note：1.Bin；2.Material guide pipe；3.Turntable；4.Blower；5.Discharge port；6.Infrared sensors.圖6　上料裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.6　Schematic diagram of the structure of the feeding device

2.6自動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由控制器(PLC)、上位機(jī)、傳感器、限位開關(guān)和電機(jī)這5部分組成，如圖7所示。限位開關(guān)與上位機(jī)相連，拉壓力傳感器將采集到的信號傳輸給自動投飼機(jī)上的PLC，自動投飼機(jī)的PLC再通過無線通訊的方式將信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)向數(shù)據(jù)庫調(diào)用數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后將信號再傳輸給自動投飼機(jī)PLC，再由自動投飼機(jī)PLC來控制電機(jī)的運行和啟停。當(dāng)自動投飼機(jī)需要補充飼料時，由上位機(jī)通過無線通訊的方式向上料裝置PLC發(fā)出控制信號，再由上料裝置PLC控制上料轉(zhuǎn)盤控制電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的運行和啟停來完成上料工作，如此周而復(fù)始，形成了一個閉環(huán)控制的自動控制系統(tǒng)。

圖7　控制系統(tǒng)組成Fig.7　Composition of control system

圖8為自動投飼系統(tǒng)工作流程圖。其工作流程是：首先按下啟動開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，無故障狀態(tài)下，紅外測距傳感器開始工作，判斷自動投飼機(jī)是否位于初始點，若未處于初始點，則行走系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)啟動，行走至初始點后停止。然后上料裝置的定量轉(zhuǎn)盤控制電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)同時啟動，當(dāng)拉壓力傳感器發(fā)出上限信號后，上料電機(jī)就會停止工作。到了設(shè)定的投飼時間后，行走系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)啟動。當(dāng)自動投飼機(jī)觸發(fā)待投飼魚池上方的起始點限位開關(guān)時，其定量裝置和拋撒裝置的電機(jī)會啟動，進(jìn)行拋撒工作，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)定量裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制投飼量，當(dāng)自動投飼機(jī)觸發(fā)該魚池上方的終止點限位開關(guān)時，其行走裝置的驅(qū)動電機(jī)及定量裝置和拋撒裝置的電機(jī)都會停止。待定量裝置和拋撒裝置的電機(jī)完全停止后，行走裝置的驅(qū)動電機(jī)重新啟動，自動投飼機(jī)繼續(xù)行走，前往下個魚池。若拉壓力傳感器發(fā)出下限信號，則自動投飼機(jī)直接行走至起始點，通過上料系統(tǒng)給料斗上料，然后進(jìn)行剩余的投飼工作。當(dāng)所有投飼點的投飼任務(wù)全部完成后，投飼機(jī)會自動回到初始點進(jìn)行飼料補充，等待下一次的投飼時間。

圖8　自動投飼系統(tǒng)工作流程Fig.8　Working flow chart of automatic feeding system

3自動投飼機(jī)的三維建模

根據(jù)投飼機(jī)各個部分的實際尺寸，利用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，并將上述的關(guān)鍵部件進(jìn)行了虛擬樣機(jī)整機(jī)裝配，最終獲得了整機(jī)的三維模型，如圖9所示。

圖9　Pro/E三維模型Fig.9　Pro/E 3D model

4結(jié)論

該研究使用直徑1 100 mm的方形鋼管為軌道，以T型軌道輪、傳動齒輪組和24 V直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)為行走裝置，通過V-156-1C25限位開關(guān)實現(xiàn)系統(tǒng)定位，利用CFBLSM拉壓力傳感器判斷投飼量，并以FX2N-64MT-001PLC和FX2N-32MT-001PLC作為控制器等集成開發(fā)的軌道式自

動投飼系統(tǒng)在理論上是具有可實現(xiàn)性的。

設(shè)計計算分析可得：當(dāng)選用直徑1 100 mm的方形鋼管制作軌道，以直徑為0.04 m的T型鍛鋼軌道輪、減速比為11.34∶1的2級傳動齒輪組和24 V直流電機(jī)組成行走裝置，為保證行走速度在20 m/min以上，則電機(jī)功率需50 W，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，輸出扭矩要求在0.58 N·m以上。

利用Pro/E軟件，對室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維實體建模。結(jié)果證明，該投飼機(jī)各部分組裝合理，可以進(jìn)行后續(xù)的樣機(jī)制作，并有望應(yīng)用于國內(nèi)現(xiàn)有的室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠，來替代效率低、成本高的人工投飼。

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Design of Automatic Feeding System for Indoor Factory

JING Xin, FAN Shu-kai, SHI Ying-gang*et al

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100)

AbstractIn view of the low aquatic farming machinery and automation level, and the high labor intensity of artificial feeding of indoor factories in current China, we used the orbit driving, sensor and PLC to design the automatic feeding system for new indoor recirculating aquaculture system. In this research, the walking device, storage bin, quantitative control device, throwing device, feeding device and automatic control device and other aspects were designed in detail from three aspects of the working principle, technical requirements and key components of the indoor recirculating aquaculture system automatically feeding system. At the same time, Pro/E software was used to carry out 3D modeling of the whole structure of indoor aquaculture automatic feeding. Results proved that each part of the feeding system assembly was reasonable, which could be used for follow-up manufacture of sample device. And it was expected to be applied in the existing domestic indoor aquaculture factory, to replace the artificial feeding of low efficiency and high cost investment.

Key wordsAquaculture; Design; Automatic feeding; Controller; Track type; 3D solid modeling

基金項目國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510712058)。

作者簡介景新(1994- )，男，山西忻州人，本科生，專業(yè)：農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化。*通訊作者，講師，碩士，從事農(nóng)業(yè)電氣化研究。

收稿日期2016-03-21

中圖分類號S 951

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-260-04