唐春華，李軍利，張彥東，梁仍余，尹秉奎

（1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東珠海 519090；2.翔龍自動(dòng)化科技有限公司，廣東珠海 519031）

0 引言

牡蠣作為重要的海產(chǎn)品，味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富，中國(guó)是世界上牡蠣養(yǎng)殖量最大的國(guó)家之一，年產(chǎn)量約占全球的80%，牡蠣年養(yǎng)殖量約占全國(guó)海水養(yǎng)殖總量的1/3，且整體呈增加趨勢(shì)，但是受生產(chǎn)方式影響，牡蠣的采苗、投放、收獲等養(yǎng)殖環(huán)節(jié)幾乎以人工作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、養(yǎng)殖效率低，各養(yǎng)殖環(huán)節(jié)相關(guān)工作自動(dòng)化程度亟需提高[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)牡蠣養(yǎng)殖相關(guān)的自動(dòng)化設(shè)備研究較少，主要集中在結(jié)繩式牡蠣采苗串、牡蠣收獲清洗等方面的專(zhuān)用設(shè)備研究[3-6]。

牡蠣水泥制采苗串（廣東省俗稱(chēng)蠔餅）是廣東省沿海垂下式牡蠣養(yǎng)殖中采苗環(huán)節(jié)的關(guān)鍵輔助材料，為牡蠣的附著、生長(zhǎng)提供重要的平臺(tái)，相關(guān)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的研究成果鮮有報(bào)道。針對(duì)當(dāng)前牡蠣水泥制采苗串人工生產(chǎn)存在的作業(yè)環(huán)境惡劣、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，研究與設(shè)計(jì)一種符合廣東省牡蠣養(yǎng)殖地區(qū)采苗技術(shù)需求的牡蠣水泥制采苗串自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，自動(dòng)完成牡蠣水泥制串主要部件采苗器和定距擋塊的自動(dòng)送料、傳輸、孔位檢測(cè)、定位、穿線(xiàn)、計(jì)數(shù)、剪線(xiàn)等工序，以實(shí)現(xiàn)牡蠣水泥制采苗串的自動(dòng)化生產(chǎn)，滿(mǎn)足大型牡蠣育苗場(chǎng)、牡蠣養(yǎng)殖基地、牡蠣采苗串生產(chǎn)廠家的多元化市場(chǎng)需求，為科技服務(wù)鄉(xiāng)村振興提供自動(dòng)化技術(shù)支持，對(duì)于推進(jìn)牡蠣養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

目前牡蠣水泥制采苗串人工生產(chǎn)工序如圖1 所示，在牡蠣養(yǎng)殖放苗期間，養(yǎng)殖農(nóng)民需在牡蠣養(yǎng)殖場(chǎng)淺海岸邊，人工用尼龍繩將水泥制牡蠣采苗器、定距擋塊穿成串，作業(yè)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大且生產(chǎn)效率低。

圖1 牡蠣水泥制采苗串

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)牡蠣水泥制采苗串傳統(tǒng)生產(chǎn)工序開(kāi)發(fā)出牡蠣水泥制采苗串自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)方案，如圖2 所示，該設(shè)備主要由采苗器自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、孔位檢測(cè)系統(tǒng)、定位機(jī)構(gòu)、定距擋塊送料機(jī)構(gòu)、穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)、剪線(xiàn)機(jī)構(gòu)等組成。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作流程

設(shè)備工作流程如圖3 所示，牡蠣水泥制采苗器先通過(guò)采苗器自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)自動(dòng)送入輸送機(jī)構(gòu)，并傳送至孔位檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)確定牡蠣水泥制采苗器的中心孔位坐標(biāo)，定位機(jī)構(gòu)的真空吸盤(pán)根據(jù)中心孔位坐標(biāo)數(shù)據(jù)抓取采苗器至穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)的尼龍繩處，然后切斷真空吸盤(pán)的進(jìn)氣，牡蠣水泥制采苗器落入尼龍繩中，完成采苗器的穿線(xiàn)；與此同時(shí)，定距擋塊自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)送出定距擋塊，在采苗器完成穿線(xiàn)后通過(guò)機(jī)械手抓取定距擋塊至尼龍繩處，然后松開(kāi)機(jī)械手，定距擋塊落入尼龍繩中，完成定距擋塊的穿線(xiàn)。依次循環(huán)交替實(shí)現(xiàn)更多采苗器及定距擋塊的自動(dòng)穿線(xiàn)，直至采苗器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到指定數(shù)量后，由剪線(xiàn)機(jī)構(gòu)剪斷尼龍繩完成一串采苗器生產(chǎn)。

圖3 工作流程

1.3 采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)

采苗器中心孔識(shí)別是實(shí)現(xiàn)采苗串自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵，為后續(xù)的采苗器定位抓取、穿線(xiàn)等提供關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。一般零件的尺寸檢測(cè)多采用基于圖像檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)孔徑的測(cè)量以及孔的精準(zhǔn)定位[7-10]，但是存在成本高、工作環(huán)境要求高等不足?；诩す鈧鞲衅鞯牧慵叽鐧z測(cè)在工作環(huán)境復(fù)雜的情況下可以有效的避免外界環(huán)境因素的干擾[11-13]，因此針對(duì)采苗串生產(chǎn)過(guò)程中水泥粉塵多的實(shí)際檢測(cè)條件，提出一種基于漫反射激光傳感器孔位協(xié)同檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝了多個(gè)漫反射激光傳感器，當(dāng)采苗器通過(guò)激光傳感器的檢測(cè)位置時(shí)，傳感器向采苗器表面發(fā)送激光信號(hào)，采苗器除中心孔部位以外的外表面產(chǎn)生激光反射信號(hào)，控制器通過(guò)激光傳感器反射信號(hào)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算，從而判定采苗器中心孔位置，為后續(xù)的采苗器分揀、定位、穿線(xiàn)等工序控制處理提供關(guān)鍵的孔位數(shù)據(jù)。

圖4 采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

為了適應(yīng)不同外形和孔位尺寸的采苗器孔位測(cè)量，傳感器布局采用組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器的數(shù)量和間距可根據(jù)實(shí)際工作情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4 定位機(jī)構(gòu)

根據(jù)孔位檢測(cè)系統(tǒng)輸出的孔位數(shù)據(jù)，如圖5 所示的定位機(jī)構(gòu)通過(guò)定點(diǎn)抓取方式進(jìn)行采苗器定位，該機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為HG-KN13J-S100，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩0.95 N·m；通過(guò)絲桿模組進(jìn)行傳動(dòng)，從而精準(zhǔn)地將采苗器輸送到指定的穿線(xiàn)位置，避免出現(xiàn)累計(jì)輸送誤差、影響穿線(xiàn)工序，根據(jù)搬運(yùn)行程和速度選用絲桿，絲桿直徑為?16 mm、螺距為10 mm、有效行程為400 mm；抓取機(jī)械手設(shè)置有彈簧結(jié)構(gòu)的真空吸盤(pán)，根據(jù)采苗器重量和大小選用真空吸盤(pán)，吸盤(pán)吸力為2 kg、直徑為?125 mm，滿(mǎn)足抓取形狀各異的采苗器的工作要求。

圖5 定位機(jī)構(gòu)

1.5 穿線(xiàn)與剪線(xiàn)機(jī)構(gòu)

如圖6 所示的穿線(xiàn)、剪線(xiàn)機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)與氣動(dòng)控制相結(jié)合，機(jī)械傳動(dòng)采用絲桿模組，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行精確定位；氣動(dòng)控制采用穿線(xiàn)升降、穿線(xiàn)前退、剪線(xiàn)升降、剪線(xiàn)機(jī)械手、夾線(xiàn)機(jī)械手1、夾線(xiàn)機(jī)械手2 等控制氣缸，此組合傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，且零部件加工較容易實(shí)現(xiàn)，性?xún)r(jià)比高。該機(jī)構(gòu)通過(guò)PLC 控制6 個(gè)中間繼電器的通斷來(lái)控制6 個(gè)二位五通電磁閥的換向，從而控制6個(gè)氣缸的運(yùn)行。

圖6 穿線(xiàn)與剪線(xiàn)機(jī)構(gòu)

穿線(xiàn)、剪線(xiàn)機(jī)構(gòu)的有效行程L可根據(jù)客戶(hù)采苗串長(zhǎng)度需求進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，采苗器厚度為10 mm，定距擋塊厚度為20 mm定距擋塊，則有：

式中：x為采苗器數(shù)量；y為定距擋塊數(shù)量；l1為夾線(xiàn)機(jī)械手上部預(yù)留行程；l2為剪線(xiàn)機(jī)械手下部預(yù)留行程。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)整體方案

圖7 所示為設(shè)備控制系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，通過(guò)接受各機(jī)構(gòu)配置的傳感器發(fā)送的信號(hào)，來(lái)精準(zhǔn)控制各機(jī)構(gòu)氣缸控制閥或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制各機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件的動(dòng)作，協(xié)同完成設(shè)備各機(jī)構(gòu)的設(shè)定工作，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)送料、傳輸、檢測(cè)、定位、穿線(xiàn)、計(jì)數(shù)、剪線(xiàn)等工序，完成采苗器及定距擋塊的自動(dòng)穿線(xiàn)成串工作。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備采用三菱GX Works2軟件設(shè)計(jì)程序，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，編制控制系統(tǒng)PLC程序，實(shí)現(xiàn)軟件控制編程與硬件動(dòng)作精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中某步工序出現(xiàn)故障時(shí)，當(dāng)前工序以及后續(xù)工序動(dòng)作將自動(dòng)停止，直至故障排除之后，系統(tǒng)才繼續(xù)恢復(fù)運(yùn)行。程序控制流程圖如下圖8所示。

圖8 程序控制流程

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏、激光傳感器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、控制氣缸等元器件組成。根據(jù)系統(tǒng)控制要求和信號(hào)輸入輸出接口類(lèi)型，選用性?xún)r(jià)較高的三菱FX 系列第三代控制器FX3U-48MT；觸摸屏選用具有程序穿透功能的威綸通TK8071，避免在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中頻繁拔插程序下載線(xiàn)，以提高設(shè)備調(diào)試的效率和質(zhì)量。詳細(xì)輸入輸出地址分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出地址分配（部分）

根據(jù)表1 所示I/O 地址分配表，設(shè)計(jì)的硬件接線(xiàn)圖（部分）如圖9、圖10所示。

圖9 控制電路接線(xiàn)圖

圖10 控制系統(tǒng)接線(xiàn)圖

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備控制系統(tǒng)軟件主要由PLC 程序與觸摸屏程序組成[14-15]。通過(guò)設(shè)計(jì)觸摸屏界面、編制觸摸屏程序建立人機(jī)交互界面，通過(guò)人機(jī)界面建立虛擬輸入信號(hào)，取代物理按鈕，減少輸入控制線(xiàn)路的連接數(shù)量，從而減少硬件線(xiàn)路故障。設(shè)備觸摸屏硬件采用威綸通TK8071，設(shè)計(jì)如圖11 所示的觸摸屏人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)了解產(chǎn)量及設(shè)備故障信息，同時(shí)設(shè)計(jì)手動(dòng)控制與自動(dòng)控制切換功能程序，以滿(mǎn)足樣品試產(chǎn)、設(shè)備調(diào)試、故障排除及維修時(shí)的設(shè)備手動(dòng)控制運(yùn)行的需要。

圖11 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

搭建設(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC信號(hào)交互，即利用觸摸屏畫(huà)面控制PLC程序，對(duì)控制程序中的輸入輸出信號(hào)與觸摸屏畫(huà)面對(duì)應(yīng)的圖形元件進(jìn)行連接，完成觸摸屏畫(huà)面與PLC程序的校對(duì)與驗(yàn)證。如圖12 所示的觸摸屏與PLC 聯(lián)機(jī)仿真驗(yàn)證結(jié)果可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)的控制流程動(dòng)作，采苗串的生產(chǎn)產(chǎn)量及備料情況均能準(zhǔn)確顯示在觸摸屏界面上，本次仿真試驗(yàn)對(duì)控制過(guò)程監(jiān)視的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，滿(mǎn)足了PLC控制器與觸摸屏通信監(jiān)控的要求，確保了設(shè)備運(yùn)行可靠性。

圖12 觸摸屏與PLC聯(lián)機(jī)仿真效果

3.2 孔位檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)

采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)是牡蠣水泥制采苗串自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的核心技術(shù)部分，制作了如圖13 所示的采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī)。

圖13 采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)

采用正交試驗(yàn)方法確定檢測(cè)系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合設(shè)備工作效率、采苗器樣品尺寸等實(shí)際工況，選擇輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速（A）、傳感器數(shù)量（B）、傳感器間距（C）作為正交試驗(yàn)因子，每個(gè)因子有3個(gè)水平，具體的參數(shù)代碼及實(shí)際值如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子及水平

使用Minitab數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，根據(jù)正交試驗(yàn)表中的參數(shù)組合方案，在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行9 組試驗(yàn)，每組200個(gè)采苗器樣品，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)成功的采苗器數(shù)量，得到檢測(cè)精度n（n=檢測(cè)成功的采苗器數(shù)量200），正交試驗(yàn)組合及結(jié)果如表3所示。表4 所示的信噪比響應(yīng)表中的“排秩”可知試驗(yàn)因子主次順序?yàn)锳BC，即輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)精度影響最大，其他影響因子依次為傳感器數(shù)量、傳感器間距；選取各因子對(duì)應(yīng)的信噪比值最大時(shí)的水平組合預(yù)測(cè)最佳參數(shù)方案，最佳方案為A1B2C1，即輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速600 r/min、傳感器數(shù)量4個(gè)、傳感器間距7 mm。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 信噪比響應(yīng)表

為驗(yàn)證樣機(jī)預(yù)測(cè)參數(shù)方案的正確性，按預(yù)測(cè)方案參數(shù)組合進(jìn)行5 組檢測(cè)測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)，精度均達(dá)到99.5%以上，滿(mǎn)足了設(shè)備對(duì)孔位檢測(cè)的技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)牡蠣養(yǎng)殖中牡蠣水泥制采苗串生產(chǎn)的需求與工序特點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)了采苗串自動(dòng)化設(shè)備整體結(jié)構(gòu)方案，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)采苗器及定距擋塊的送料、傳輸、檢測(cè)、定位、穿線(xiàn)、計(jì)數(shù)、剪線(xiàn)等工序。針對(duì)采苗器孔位檢測(cè)工作環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于漫反射激光傳感器的采苗器孔位檢測(cè)系統(tǒng)，為后續(xù)工序提供了關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了采苗串自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，降低了設(shè)備操作難度和維護(hù)成本。

開(kāi)展了設(shè)備控制系統(tǒng)的模擬仿真及孔位檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)，分析結(jié)果可知，控制系統(tǒng)可按照預(yù)定的控制過(guò)程進(jìn)行控制，觸摸屏與PLC通信監(jiān)控的準(zhǔn)確性高，孔位檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)運(yùn)行正常，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，檢測(cè)精度達(dá)到了99.5%，滿(mǎn)足設(shè)備孔位檢測(cè)的技術(shù)要求。

該設(shè)備的設(shè)計(jì)可有助于降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境，提升采苗串生產(chǎn)自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量，為解決沿海農(nóng)民的貝類(lèi)海鮮養(yǎng)殖的采苗串自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題提供了重要的借鑒與參考。