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/ L4 s' F) s. M! Z7 ?2 _9 n
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水产养殖; 投饵系统; 养殖设备. K6 ?1 ?; E& t' w) U* v ?8 [) z
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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。% e/ ?' H3 y( T U! _2 C) N+ l
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设计方案
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1.1 设计思路 1 K3 p2 a- Q: Y6 o0 M0 @
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:
0 w) u5 R8 x! c; c9 E(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。 . q9 W% s/ j# s5 f) ]. S
(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。
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1.2 基本结构及工作原理
- F$ Z) r- @% ~# V- F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]。
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0 |- p% c$ V* n( Y' S2 K▲图 1 投饵系统结构示意图 7 t" c: M( n5 y3 G! s2 Q( y" h* T
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:
" T4 N: @3 Z# a" Z5 a* R7 O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。6 W0 ^0 u' \! z. j* E3 R9 |
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硬件设计结构
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2.1 设计思路 ! H, M' O. n$ {: y3 Q- n6 M
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。
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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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! _9 F. ~0 p$ c2 x: I# t8 O▲图 2 传动机构示意图
5 I$ ]& j% K8 ~( i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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) W$ J$ V( l1 ^5 q: u8 a; `2.2 投饵装置
# b* }3 a! l% E' e9 n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]。3 |: A8 Q* r4 E" I m" L. z7 d7 \( A* y
! D% s9 y( R" ]) d+ p3 i' J- E$ l▲图 3 投饵装置结构示意图 + @$ ~- u, _" |( v. F+ V$ a3 p
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。
) H: O8 r" X3 O: x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 0 n" }( m9 U M( a% G! ~ `8 b8 K
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。/ e) f' T) d0 |: g5 d6 F
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▲图 4 行走机构控制梯形图
. }5 ^" W l+ a* k# ?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。
9 u& E0 K) S6 n- w! |5 J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:
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S' G+ e8 e& f0 K+ u▲图 5 控制系统工作流程图
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投饵系统试验分析9 |) [% M8 {( }2 t- d
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3.1 试验环境
, X- N& R+ {6 `$ h8 ]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。; N% U0 y8 @5 ~# g9 n
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▲图 6 投饵系统现场试验图) \# N/ M- |1 I$ M ]+ w Q
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Z! c5 m! ?1 L, x1 X5 u3.2 样机性能试验结构及分析 $ Z/ \4 ~$ y) Q. B3 z+ z0 |
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。
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E4 @' j4 N% K& V$ i: c▲图 7 投饵装置定量精度测试结果 4 G5 T- Z( O( E$ s9 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:
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▲图 8 投饵装置误差数据分析 - G( s# _0 _: ?- X% N6 R9 Z8 T
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$ i w5 Q4 h3 i* f& a3.3 结果分析
# f0 d5 \2 o, c. a# W; _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。
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结论
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* o* ?1 I x# ^+ @& ~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。+ n- ]4 d5 r4 ?3 s$ F3 Z
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