牡蠣水泥制采苗串自動化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計與試驗*

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)院機電工程學(xué)院，廣東珠海 519090；2.翔龍自動化科技有限公司，廣東珠海 519031）

0 引言

牡蠣作為重要的海產(chǎn)品，味道鮮美、營養(yǎng)豐富，中國是世界上牡蠣養(yǎng)殖量最大的國家之一，年產(chǎn)量約占全球的80%，牡蠣年養(yǎng)殖量約占全國海水養(yǎng)殖總量的1/3，且整體呈增加趨勢，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，勞動強度大、養(yǎng)殖效率低，各養(yǎng)殖環(huán)節(jié)相關(guān)工作自動化程度亟需提高[1-2]。目前國內(nèi)外針對牡蠣養(yǎng)殖相關(guān)的自動化設(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用設(shè)備研究[3-6]。

牡蠣水泥制采苗串（廣東省俗稱蠔餅）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、生長提供重要的平臺，相關(guān)的自動化生產(chǎn)設(shè)備的研究成果鮮有報道。針對當(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)效率低等問題，研究與設(shè)計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化生產(chǎn)設(shè)備，自動完成牡蠣水泥制串主要部件采苗器和定距擋塊的自動送料、傳輸、孔位檢測、定位、穿線、計數(shù)、剪線等工序，以實現(xiàn)牡蠣水泥制采苗串的自動化生產(chǎn)，滿足大型牡蠣育苗場、牡蠣養(yǎng)殖基地、牡蠣采苗串生產(chǎn)廠家的多元化市場需求，為科技服務(wù)鄉(xiāng)村振興提供自動化技術(shù)支持，對于推進牡蠣養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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、勞動強度大且生產(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

根據(jù)牡蠣水泥制采苗串傳統(tǒng)生產(chǎn)工序開發(fā)出牡蠣水泥制采苗串自動化生產(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送料機構(gòu)、輸送機構(gòu)、孔位檢測系統(tǒng)、定位機構(gòu)、定距擋塊送料機構(gòu)、穿線機構(gòu)、剪線機構(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采苗器自動送料機構(gòu)自動送入輸送機構(gòu)，并傳送至孔位檢測系統(tǒng)，通過檢測系統(tǒng)自動確定牡蠣水泥制采苗器的中心孔位坐標(biāo)，定位機構(gòu)的真空吸盤根據(jù)中心孔位坐標(biāo)數(shù)據(jù)抓取采苗器至穿線機構(gòu)的尼龍繩處，然后切斷真空吸盤的進氣，牡蠣水泥制采苗器落入尼龍繩中，完成采苗器的穿線；與此同時，定距擋塊自動送料機構(gòu)送出定距擋塊，在采苗器完成穿線后通過機械手抓取定距擋塊至尼龍繩處，然后松開機械手，定距擋塊落入尼龍繩中，完成定距擋塊的穿線。依次循環(huán)交替實現(xiàn)更多采苗器及定距擋塊的自動穿線，直至采苗器計數(shù)器計數(shù)到指定數(shù)量后，由剪線機構(gòu)剪斷尼龍繩完成一串采苗器生產(chǎn)。

圖3 工作流程

1.3 采苗器孔位檢測系統(tǒng)

采苗器中心孔識別是實現(xiàn)采苗串自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵，為后續(xù)的采苗器定位抓取、穿線等提供關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。一般零件的尺寸檢測多采用基于圖像檢測技術(shù)的檢測系統(tǒng)實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)孔徑的測量以及孔的精準(zhǔn)定位[7-10]，但是存在成本高、工作環(huán)境要求高等不足。基于激光傳感器的零件尺寸檢測在工作環(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]，因此針對采苗串生產(chǎn)過程中水泥粉塵多的實際檢測條件，提出一種基于漫反射激光傳感器孔位協(xié)同檢測技術(shù)，設(shè)計了如圖4 所示的采苗器孔位檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)設(shè)計安裝了多個漫反射激光傳感器，當(dāng)采苗器通過激光傳感器的檢測位置時，傳感器向采苗器表面發(fā)送激光信號，采苗器除中心孔部位以外的外表面產(chǎn)生激光反射信號，控制器通過激光傳感器反射信號數(shù)據(jù)自動計算，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量，傳感器布局采用組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器的數(shù)量和間距可根據(jù)實際工作情況進行調(diào)節(jié)。

1.4 定位機構(gòu)

根據(jù)孔位檢測系統(tǒng)輸出的孔位數(shù)據(jù)，如圖5 所示的定位機構(gòu)通過定點抓取方式進行采苗器定位，該機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動，型號為HG-KN13J-S100，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩0.95 N·m；通過絲桿模組進行傳動，從而精準(zhǔn)地將采苗器輸送到指定的穿線位置，避免出現(xiàn)累計輸送誤差、影響穿線工序，根據(jù)搬運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；抓取機械手設(shè)置有彈簧結(jié)構(gòu)的真空吸盤，根據(jù)采苗器重量和大小選用真空吸盤，吸盤吸力為2 kg、直徑為?125 mm，滿足抓取形狀各異的采苗器的工作要求。

圖5 定位機構(gòu)

1.5 穿線與剪線機構(gòu)

如圖6 所示的穿線、剪線機構(gòu)采用機械傳動與氣動控制相結(jié)合，機械傳動采用絲桿模組，通過伺服電機驅(qū)動進行精確定位；氣動控制采用穿線升降、穿線前退、剪線升降、剪線機械手、夾線機械手1、夾線機械手2 等控制氣缸，此組合傳動方式的結(jié)構(gòu)簡單有效，且零部件加工較容易實現(xiàn)，性價比高。該機構(gòu)通過PLC 控制6 個中間繼電器的通斷來控制6 個二位五通電磁閥的換向，從而控制6個氣缸的運行。

圖6 穿線與剪線機構(gòu)

穿線、剪線機構(gòu)的有效行程L可根據(jù)客戶采苗串長度需求進行適度調(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為夾線機械手上部預(yù)留行程；l2為剪線機械手下部預(yù)留行程。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

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，通過接受各機構(gòu)配置的傳感器發(fā)送的信號，來精準(zhǔn)控制各機構(gòu)氣缸控制閥或步進電機驅(qū)動器，從而控制各機構(gòu)執(zhí)行元件的動作，協(xié)同完成設(shè)備各機構(gòu)的設(shè)定工作，自動實現(xiàn)送料、傳輸、檢測、定位、穿線、計數(shù)、剪線等工序，完成采苗器及定距擋塊的自動穿線成串工作。

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)計程序，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，編制控制系統(tǒng)PLC程序，實現(xiàn)軟件控制編程與硬件動作精準(zhǔn)對應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)過程中某步工序出現(xiàn)故障時，當(dāng)前工序以及后續(xù)工序動作將自動停止，直至故障排除之后，系統(tǒng)才繼續(xù)恢復(fù)運行。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

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、伺服驅(qū)動器、變頻器、控制氣缸等元器件組成。根據(jù)系統(tǒng)控制要求和信號輸入輸出接口類型，選用性價較高的三菱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)試過程中頻繁拔插程序下載線，以提高設(shè)備調(diào)試的效率和質(zhì)量。詳細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)計的硬件接線圖（部分）如圖9、圖10所示。

圖9 控制電路接線圖

圖10 控制系統(tǒng)接線圖

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

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]。通過設(shè)計觸摸屏界面、編制觸摸屏程序建立人機交互界面，通過人機界面建立虛擬輸入信號，取代物理按鈕，減少輸入控制線路的連接數(shù)量，從而減少硬件線路故障。設(shè)備觸摸屏硬件采用威綸通TK8071，設(shè)計如圖11 所示的觸摸屏人機交互界面，實時了解產(chǎn)量及設(shè)備故障信息，同時設(shè)計手動控制與自動控制切換功能程序，以滿足樣品試產(chǎn)、設(shè)備調(diào)試、故障排除及維修時的設(shè)備手動控制運行的需要。

圖11 觸摸屏程序設(shè)計

3 試驗驗證

3.1 控制系統(tǒng)仿真試驗

搭建設(shè)備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)觸摸屏與PLC信號交互，即利用觸摸屏畫面控制PLC程序，對控制程序中的輸入輸出信號與觸摸屏畫面對應(yīng)的圖形元件進行連接，完成觸摸屏畫面與PLC程序的校對與驗證。如圖12 所示的觸摸屏與PLC 聯(lián)機仿真驗證結(jié)果可知，執(zhí)行機構(gòu)能夠按照預(yù)先設(shè)計的控制流程動作，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，本次仿真試驗對控制過程監(jiān)視的準(zhǔn)確性進行了驗證，滿足了PLC控制器與觸摸屏通信監(jiān)控的要求，確保了設(shè)備運行可靠性。

圖12 觸摸屏與PLC聯(lián)機仿真效果

3.2 孔位檢測系統(tǒng)樣機試驗

采苗器孔位檢測系統(tǒng)是牡蠣水泥制采苗串自動化生產(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系統(tǒng)的試驗樣機。

圖13 采苗器孔位檢測系統(tǒng)試驗樣機

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

表2 正交試驗設(shè)計因子及水平

使用Minitab數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件設(shè)計正交試驗表，根據(jù)正交試驗表中的參數(shù)組合方案，在試驗樣機上進行9 組試驗，每組200個采苗器樣品，統(tǒng)計檢測成功的采苗器數(shù)量，得到檢測精度n（n=檢測成功的采苗器數(shù)量200），正交試驗組合及結(jié)果如表3所示。表4 所示的信噪比響應(yīng)表中的“排秩”可知試驗因子主次順序為ABC，即輸送帶電機轉(zhuǎn)速對精度影響最大，其他影響因子依次為傳感器數(shù)量、傳感器間距；選取各因子對應(yīng)的信噪比值最大時的水平組合預(yù)測最佳參數(shù)方案，最佳方案為A1B2C1，即輸送帶電機轉(zhuǎn)速600 r/min、傳感器數(shù)量4個、傳感器間距7 mm。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 信噪比響應(yīng)表

為驗證樣機預(yù)測參數(shù)方案的正確性，按預(yù)測方案參數(shù)組合進行5 組檢測測試驗證試驗，精度均達到99.5%以上，滿足了設(shè)備對孔位檢測的技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

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，提出并設(shè)計了采苗串自動化設(shè)備整體結(jié)構(gòu)方案，自動實現(xiàn)采苗器及定距擋塊的送料、傳輸、檢測、定位、穿線、計數(shù)、剪線等工序。針對采苗器孔位檢測工作環(huán)境復(fù)雜的特點，設(shè)計了一種基于漫反射激光傳感器的采苗器孔位檢測系統(tǒng)，為后續(xù)工序提供了關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)，增強了采苗串自動化生產(chǎn)設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)性，降低了設(shè)備操作難度和維護成本。

開展了設(shè)備控制系統(tǒng)的模擬仿真及孔位檢測系統(tǒng)樣機試驗，分析結(jié)果可知，控制系統(tǒng)可按照預(yù)定的控制過程進行控制，觸摸屏與PLC通信監(jiān)控的準(zhǔn)確性高，孔位檢測系統(tǒng)樣機運行正常，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，檢測精度達到了99.5%，滿足設(shè)備孔位檢測的技術(shù)要求。

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