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学术推荐| 水产养殖投饵系统的设计

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摘要
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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。$ t( W5 F1 h/ J3 s- `7 `9 P+ v7 B
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) v- v/ N! z$ g( z2 i0 r2 \1 l关键词
- s1 B3 f# h; T7 i0 t水产养殖; 投饵系统; 养殖设备
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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。
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3 X3 y2 |# W- E5 T' G设计方案
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1.1 设计思路 : N. X6 o4 a' j2 a+ A" ^$ T4 ?
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:
! x; `; p# h# v/ L; X" j(1) 选取合适的传动方式以便行走机构在运行过程产生振动幅度更小
" G4 u5 z7 t; S- D4 N(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: P/ P8 @7 u" K+ O/ Y0 t% l$ R
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1.2 基本结构及工作原理 - A/ B7 N4 b9 R4 b2 q! V
投饵系统的总体结构示意图如图1所示主要由行走机投饵装置控制箱三部分组成[11-12]
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1 投饵系统结构示意图

6 H; ]7 b% n, i$ }0 n行走机构主要由支架横向步进电机横向轨道同步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 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; 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: ! S, A+ H' X1 l- ^+ x
当控制箱9驱动横向步进电机2工作 在同步导轨10的作用下驱动同步带3( 左右各一条) 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
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硬件设计结构2 F2 N7 I: W4 C' t) O$ `

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2.1 设计思路

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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: 最大程度减小振动以便于提高投饵定量精度; 使用合适的材料较好抵抗腐蚀在选材方支架选用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腐蚀性能极好[13]导轨接触面采用高精度轴承钢光轴磨性好在抗震方面通过比较几种常见传动方式[14-17]1最终选用同步带传动
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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
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' ]7 T2 o. ^' E5 L6 h▲图 2 传动机构示意图% D* R; a, q3 X, ]: `( e
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
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. M! \" `5 O2 U) a3 I# I. L2.2 投饵装置   J' v. O/ n% ^  ~8 X
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]) p# O: r% N3 X3 p" B
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▲图 3 投饵装置结构示意图
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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) ]$ D( F0 o# a$ O) A8 c' a
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
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2.3 控制系统
3 s& Q" V# t8 U5 Z. I3 I+ }* i% |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
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▲图 4 行走机构控制梯形图
- e" p4 s: L9 G5 P, r2 b" B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* ?. e5 l# u6 a
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:
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▲图 5 控制系统工作流程图
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! w$ S* T  N: f8 d( c投饵系统试验分析
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3.1 试验环境 6 }+ o4 @/ Y. n3 [$ ]3 {$ g
本试验于20209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次试验在养殖池不蓄 水的情况下进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
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6 投饵系统现场试验图- _+ t. F- ~9 h# E( b  n  D$ V1 [8 n
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3.2 样机性能试验结构及分析 3 b, [# M6 X' T2 W. E! s6 U2 }
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测得的试验结果如图7所示7 F% Z* ^2 J+ q2 R  U1 C* w2 _8 x, I
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▲图 7 投饵装置定量精度测试结果

$ A* g, Q. {0 p9 g2 p0 |6 a. E; }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:- K+ \9 G0 E) O
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▲图 8 投饵装置误差数据分析

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  n' B1 `" ]  a! i) n: @3.3 结果分析
% O/ k1 X) @, h4 G- E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 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: 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; 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& g6 P8 N4 K- B6 G) m

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CONCLUSION/ X% t/ \+ A4 S# O9 M
结论
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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。
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+ @8 o$ u4 f: q: r- Y6 t' X  J该文章来源互联网,如有侵权请联系删除
4 m7 o! ?5 d  f0 q. _% A  `! A1 Z查看原文:www.52ocean.cn
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靶诘主
活跃在2021-7-11
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