摘要
" ^+ j2 N- n, Z
, C( I5 j. K; v水产养殖实验系统中，投饵装备受振动和潮湿环境等因素的影响，易发生称重不精确，饵料粘结等问题。设计的投饵系统克服了称重不精确、饵料易粘结等缺点，同时简化了结构，提高了效率。在宁波大学中试基地进行样机试验，在拟定的工况下，定量误差控制在4%以内，该系统能较好的应用于水产养殖实验系 统，同时也为水产养殖装备的研发提供一定参考。7 F; {: r/ s) z ^' M' [
9 q8 f* X+ k* Y4 |7 l: F
- A# `% _. t1 E4 a) l关键词
/ L j+ Y4 n: h. O' L水产养殖; 投饵系统; 养殖设备
9 z1 e+ K% |7 ?
& l: e, o" s3 z$ f* Q1 M近年来我国水产养殖业有了很大的发展，投饵方式和自动化程度有了很大程度的提升。在投饵方式上，主要有螺旋输送式、离心抛投式、振动下料式等[1-3]，在定量方式上，主要有称重定量式、转盘定量式、套筒定量式等[4-5]，在自动化程度上，主要由单片机配合不同的传感器，控制投料动作。国外有采用音响集鱼式投饵机，电脑控制的随温度和阳光变化自动调整投饵数量的投饵机等[6-7]。目前针对工厂化水产养殖自动投饵系统，袁凯等人已经做了相关研究[8]，但面向小批量水产养殖投饵试验时，受振动和潮湿环境的影响，当前投饵系统仍存在行走时称重不精确，称重时饵料易粘结等问题[9]。针对这一系列问题，本文提出了一种集自动行走，定量投饵于一体的投饵系统，该系统克服了常用行走式投饵装置行走时称重不精确，称重时饵料易粘结等缺点， 在保证性能的同时简化了结构，提高了效率。试验表明，该系统能较好的应用于水产养殖投饵试验，同时也为水产养殖装备的研发提供一定的参考。1 G9 k9 u! O2 q9 ^3 n9 ]
016 A* \' E, |: ~. ]% [* K
设计方案
% F1 Z5 ~1 e; I7 r, \" x7 w/ B7 h0 t6 s! q: p0 I
4 j2 o7 \6 I1 C6 w8 |
1.1 设计思路 1 m) {, x/ g7 i1 T6 T. t; a
不同于投饵位置固定的投饵模式，搭载行走机构的投饵系统，边行走边称重，导致称重不准确[10]。此外，由于工作 环境潮湿，易导致饵料粘结。为克服上述问题，提出以下设计思路: " k3 q4 E- s$ P6 A. v' `0 {
(1) 选取合适的传动方式，以便行走机构在运行过程中，产生振动幅度更小。
* n" ~3 n e0 _) R2 _ i, x/ K. g(2) 优化传动装置的基本结构，促使传动过程中产生的振动幅度尽可能降低。! G1 ?$ ]; \+ c6 z1 E% v3 ^; M
^9 S% h6 m) {0 i# u- \1.2 基本结构及工作原理
" z+ V C) s1 \5 M9 Q投饵系统的总体结构示意图如图1所示，主要由行走机构、投饵装置、控制箱三部分组成[11-12]。
2 ?3 ?" ~- \- K- s% }8 }4 A, v. L( {- {
▲图 1 投饵系统结构示意图
8 s6 H F$ P6 D7 y0 i% H. Z+ Y* E行走机构主要由支架、横向步进电机、横向轨道、同步带、纵向步进电机，纵向轨道、减速齿轮组、同步带压紧装置、同步导轨等组成。横向轨道设立在支架之上，左右各一条，在左侧横向轨道的一端安装有横向步进电机，横向步进电机的输出轴连接减速齿轮组，减速齿轮组输出轴连接同步导 轨，同步导轨的两端分别连接有一条横向同步带，同步带与压紧装置配合，并驱动压紧装置在导轨上滑动。纵向轨道的两端皆安装于横向同步带压紧装置之上，二者通过螺钉固定连接; 纵向轨道的一侧安装有纵向步进电机，纵向步进电机连接减速齿轮组，其输出轴带动纵向同步带，同步带与纵向压紧装置配合，并驱动纵向压紧装置在纵向轨道上滑动; 纵向压紧装置与投饵装置通过螺钉固定连接。其基本原理如下: ; K6 U5 K$ @0 S) \
当控制箱9驱动横向步进电机2工作 时，在同步导轨10的作用下，驱动同步带3( 左右各一条) 工作，在横向同步带压紧装置4的配合作用下，带动纵向导轨5沿横向导轨滑动，同时，控制箱9驱动纵向步进电机8工作，通过同步带带动纵向压紧装置6运动，压紧装置与投饵装置7一同沿纵向轨道5滑动。在控制箱的协同控制下，投饵装 置可在横向轨道和纵向轨道覆盖的矩形范围内移动并投饵。& H/ A- l6 j. X/ P4 }
4 c/ a ?# a- ^
8 S7 P W& @5 h6 o T/ ^: B
02
. j6 L# [- H& O! e/ ? H; [ P1 T硬件设计结构
- ?9 `3 l& D& T+ r _- F/ |" H2 F$ V. F' G; Z. Y& O
' l! m9 ?5 F( G& n# `2 r7 |( H* c+ y- W
2.1 设计思路
2 }: y" w# E' S. }; K6 V: k4 m6 ~行走机构主要功能是将投饵装置输送到到指定的位置。其设计的关键有两点: ① 最大程度减小振动，以便于提高投饵定量精度; ② 使用合适的材料，较好抵抗腐蚀。在选材方面，支架选用4080铝合金型材，导轨选用6063高强度铝合金型材，铝型材具有较高的强度，其表面经过氧化处理后，耐腐蚀性能极好[13]。导轨接触面采用高精度轴承钢光轴，耐 磨性好。在抗震方面，通过比较几种常见传动方式[14-17]见表1，最终选用同步带传动。
9 x8 b' w. o- |0 y* `( f6 R# `7 x. f& B
本设计采用步进电机，控制简单且有较好的位置精度，输出轴连接两对减速齿轮组，如图2所示。
$ ^8 g. o/ E# u5 C" k$ e 4 o& A; M& w/ {0 ?& i
9 \7 t# d) s1 s2 n% m( k
▲图 2 传动机构示意图
. G3 X4 I/ I! c7 D& J: q! L同步带轮直径为 0.06m，设计行走机构的运行速度为20m/min，由此选择合适的步进电机参数。同步带压紧装置 如图2(b) 所示，滑块10可在导轨7上相对滑动，滑块的驱动 力有同步带8提供，同步带上安装有一同步带压紧板9，该压 紧板在工作时，通过压紧同步带，将同步带传动过程中产生的振动进行吸收，极大程度提高抗振性能。
% d L! S ]! ` L. W. Y4 J( m) y1 N( c# a, L k
* {1 I- [$ u: e
4 a/ S3 Z& b( G# V; f/ m8 d2.2 投饵装置 + y9 N+ K4 Z+ ]0 f6 U
投饵装置关键结构如图3所示，主要由振动盘、物料斗、 支板、物料斗门盖、引料槽、开门机构等组成，本装置由德兴 牌茶叶分装机改装而成[18]。. S2 k. a# i5 x& ]" e" x- ?
3 D/ Q& K7 h+ a▲图 3 投饵装置结构示意图
2 w& A u# x+ Q C$ j8 Y该装置的基本原理如下: 手动设定称重质量后，饵料进入振动盘中，振动盘在激振器的作用下开始振动，使饵料慢慢的滑入物料斗内，物料斗上安装有一称重传感器，通过感应物料斗整体质量的变化，可计算出物料斗内饵料的质量，从而实现定量称重。称重完成后，由PLC给下料信号到投饵装置控制器，将称完重的饵料通过引料槽下料，下料过程中，由下料电机提供激振力，驱使饵料离散下料。
8 _, j( F. p; j3 G% X. m6 a. h1 w开门结构主要由一曲柄摇杆机构组成，该机构将电机的转动转变成物料斗门盖的往复摆动。根据电机输出轴转动的行程，可知摇杆的运动状态，从而能实时控制料斗门的开启与关闭。
3 z3 s6 P0 E6 t. H' g) j
2 u" Y7 T6 g8 L R! O8 o/ _7 M$ ?2 P, g- W, L! M( C
r' d; _ d0 {% Q w! u7 O6 G7 i% c
2.3 控制系统
, r9 \' V" H* I- t" a8 t控制系统是由西门子S7-200PLC搭配步进电机驱动器组成，该部分中行走机构控制梯形图如图4所示。- T! f+ r6 j g: M& d! K
, N; y4 L* _! f5 @
▲图 4 行走机构控制梯形图
( W7 R8 A! N# q其系统控制过程如下，PLC发送指定数量的脉冲信号给 步进电机控制器，步进电机驱动器收到脉冲信号后，控制步进电机运行一定的转数。在行走机构控制过程中，先驱动横向步进电机运转，横向步进电机运转结束后再驱动纵向步进电机运转，此时行走机构运行到指定的位置点，若还需运行至其他位置，需重复上述控制过程。
5 k) R+ ]! e% L- T. t( \整个行走机构的控制过程可分为三种模式，第一种为手动模式，即通过手动控制按钮，控制行走机构的水平竖直行走，该过程可到达范围内的任意指定位置; 第二种为定步长模式，即通过设定固定的横向与纵向步长值，行走机构每次都以该值为单位行走。第三种为传感器模式，在投料点安装红外传感器，行走机构到达传感器位置，接收到传感器信号后停止行进并进行相关操作。为了方便操作管理，开发了一套基于昆仑通态TPC7062TI触摸屏的人机交互界面，通过modbus协议[19]将触摸屏与行走机构控制器进行通信。在触摸屏上可设定行走工作参数。整个控制系统的流程图如图5所示:9 T% c/ w! s. R3 E1 P( ]
3 v3 w% b3 U `; R' n
▲图 5 控制系统工作流程图 i l6 i, [1 V4 \! H
% f+ |1 [/ L+ l3 T
03& K$ A0 c% [+ n2 y) `; d* D6 u
投饵系统试验分析& {# @( f8 ?% q
3 ?2 ]. V1 P4 _# @" }9 ]
3.1 试验环境 3 K9 ]5 H" o) u
本试验于2020年9月在宁波大学中试基地智慧养殖实验室进行，投饵系统现场试验图如图6所示。考虑到实际养殖过程中饵料直接抛投到水中不便于测量质量，本次试验在养殖池不蓄 水的情况下进行，用容器收集每次抛投下的饵料，便于测量饵料的实际质量，提高测量精度。
9 m) {8 b' R& h" p
% p% G5 z, z8 e1 V4 E* Y
3 N3 V# Z5 Q( H+ t▲图 6 投饵系统现场试验图
. Y5 j3 O5 M. F4 ]4 f% D7 V( r7 @' Q8 w+ S# x k! H
) n( G/ ~ v5 T1 U, q% Q/ B6 u) x
; d# Z0 V3 @ l$ _
9 U6 w/ K7 y8 D% s1 x
3.2 样机性能试验结构及分析
3 J9 j, [: t+ q9 ?0 ^. H) k' B( q试验过程中，以三疣梭子蟹养殖实验为例，由于梭子蟹成长到 V 期后才会进行单筐体养殖，这一阶段三疣梭子蟹体重在70g~200g之间，对应投饵量占体重比例大约为3%－8%[20]。故按此设计，将投饵量设置在3g～12g 之间，且分梯度进行测试，本次测量采用恒兴牌蟹饲料进行测试，测得的试验结果如图7所示。 & L' _ Y5 W+ T" y' R, {* Y* D( Y
% b1 L/ e$ D8 [8 M$ R1 Z X▲图 7 投饵装置定量精度测试结果 ; ?# h0 q2 ~% U# G; k" A0 I7 V* J
将上述六组相对误差求得平均值，计算其方差，并绘制成曲线如图8所示:! m7 Z' y4 x2 h
6 \! \" c6 y8 d* @9 J* G/ L" s
▲图 8 投饵装置误差数据分析 % h- ]) _5 `5 l& j- O9 W
& m) M6 y* c: M' n3 Z+ N& S, w/ Q( B- a! K0 w: ~" u- t# W9 l+ W
3.3 结果分析
/ r e: c; p. p8 o- ]% B7 T通过分析试验数据可知，实际投饵量与理论投饵量存在一定误差，在设定的投饵量范围内，误差不超过4%，具体来 说，投饵量越大，误差越小，但误差始终存在，从方差数据可 以看出，误差的波动幅度较小，方差值均小于0.6，在平均值 附近波动。造成该误差的主要原因有: ①行走装置在工作过程中会产生振动，该振动幅度虽然很小，但仍然会产生影响; ② 投饵装置在定量称重过程中，由于自身的精度问题，会产生误差。按照70g幼蟹摄食量占体质量波动范围2% 计算，可满足梭子蟹水产养殖过程中定量化投饵的需求。+ M6 c$ {" N R3 R/ m
* ^ ^0 L* e0 v, Y# k9 v
3 Y7 w% p' {% K$ y" l, ^& ~CONCLUSION
0 }: i' u/ Q1 w% d6 l% q3 m结论
5 L6 K3 B' s) z4 b8 Q( E9 p% G
& r3 E% ^( S( |$ N本文基于PLC控制器设计了一套适用于水产养殖试验的自动投饵系统。该系统克服了常用试验环境下，振动和潮湿等恶劣因素的影响。在养殖基地进行投饵试验，饵料定量范围设置在3g ～12g间，实际投饵量最大误差不超过4%，可较好满足水产养殖试验系统要求，同时也为水产养殖 备的研发提供一定参考。' I% v4 s# H0 S# t% F5 h( K
4 @1 g. c' I3 z$ @$ G, G; N
该文章来源互联网，如有侵权请联系删除
& d, J) C7 L; @1 I7 p1 {7 s6 e查看原文：www.52ocean.cn | 
+ g) c& E( b8 E( O- m* k2 x0 v. O
; G6 b+ _$ k% ~4 K, Z8 y
( k1 _9 y( n9 F$ D& u
/ Y0 V6 t! o& Q
