多工位海帶自動夾苗系統(tǒng)設計與試驗

朱 燁,江 濤,洪 揚,楊 猛

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室,上海 200092)

中國從20世紀50年代進行海帶培育,在沿海地區(qū)開展海帶筏式養(yǎng)殖,經(jīng)過深入探索和試驗,以及海帶養(yǎng)殖技術(shù)不斷完善,海帶養(yǎng)殖產(chǎn)量穩(wěn)步增長。據(jù)統(tǒng)計,2019—2020 年中國藻類養(yǎng)殖產(chǎn)量由253.84萬t增至261.51萬t[1],中國已成為具有完整海帶養(yǎng)殖技術(shù)的國家[2]。隨著海帶高產(chǎn)化發(fā)展,海帶養(yǎng)殖業(yè)也進入育苗、夾苗、采收、加工等大規(guī)模化生產(chǎn)過程[3-4]。而海帶夾苗是海帶養(yǎng)殖業(yè)的關(guān)鍵工序,夾苗時間為每年11月中旬至12月底,目前海帶夾苗依然以人工為主,存在勞動強度大、機械化程度低、工作環(huán)境惡劣等問題。國內(nèi)從20世紀80年代開始,研究者對海帶夾苗進行相關(guān)研究,同時逐步研發(fā)海帶夾苗機械化裝備,如繩夾式夾苗機、縫紉式夾苗機、分繩機頭式夾苗機、腳踏式海帶夾苗機等裝置[5-6]。至今,多家高校、企業(yè)以及研究機構(gòu)在這方面取得了一些成果,基本實現(xiàn)夾苗功能,但研究方向主要以模仿人工夾苗動作設計,速度和傷苗率上存在不足[7-12]。陳建輝[13]設計了一種可控制多條苗繩將海帶苗插入苗繩的自動夾苗機,利用機器苗繩擴孔,海帶苗自動插入,縮短了夾苗時間,減輕了勞動力,但只是對前人設計自動夾苗機基礎上改進,生產(chǎn)效率和創(chuàng)新性不足。張慶力等[14]研制的海帶夾苗機械系統(tǒng),采用后插方式將海帶幼苗插入苗繩中,實現(xiàn)了海帶夾苗機的半自動插苗,但傷苗率較高,且夾苗速度接近手工操作,還有較大的提升空間。王慧等[15]對傳統(tǒng)海帶夾苗系統(tǒng)傳動機構(gòu)進行改進,得到擴孔最佳參數(shù),但夾苗效率無法保證。韓鳴迪[16]對夾苗繩進行力學理論分析和仿真,研究了海帶苗繩開口等關(guān)鍵技術(shù),提高了夾苗成功率,但海帶夾苗機裝備是基于福建海帶機改進重新設計,夾苗效率不高。

研制了一種30工位自動海帶夾苗系統(tǒng),確定了30工位海帶同步夾苗的模式,分析了苗繩特性、30工位海帶夾苗系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成、夾苗工藝及工作原理、旋轉(zhuǎn)擴繩扭矩和插繩阻力動態(tài)測量,并驗證了系統(tǒng)運行時間、工作效率等性能參數(shù),為后續(xù)開展海帶自動夾苗裝備研究提供數(shù)據(jù)參考與技術(shù)支撐。

1 海帶夾苗工藝及苗繩特性

1.1 海帶夾苗工藝

海帶養(yǎng)殖是將培育好的100～150 mm長幼苗,夾于直徑16～20 mm和2 300～2 500 mm長的苗繩上,夾苗30～40棵/繩,然后將苗繩掛在淺海筏架上進行養(yǎng)殖[17-20]。海帶夾苗是海帶養(yǎng)殖中關(guān)鍵工序之一。現(xiàn)階段海帶夾苗以人工為主,人工夾苗步驟為:首先由人工將苗繩反向擰松,繩股出現(xiàn)縫隙,再將海帶苗根插入,然后松手使繩股夾緊,完成一個周期的夾苗動作。

1.2 苗繩分析

苗繩解旋如圖1所示。

圖1 苗繩解旋

山東省榮成市海帶養(yǎng)殖企業(yè)尋山集團提供的苗繩,其單根海帶苗繩是由3小股尼龍繩螺旋捻合而成,具有耐腐性和延展性好、海帶苗不易脫落且使用壽命長等特點。當苗繩受損時,可回收加工再次使用。若將苗繩逆旋擰扭轉(zhuǎn),3股苗繩之間會形成縫隙。如圖1b所示。

對苗繩交織的捻度松弛進行分析,得出小段苗繩拉緊后內(nèi)縮解旋,尼龍纖維由應力產(chǎn)生形變,導致苗繩松弛,出現(xiàn)縫隙,如圖1c所示。鑒于此,本研究確定了苗繩分段拉伸收縮的夾苗模式。為了提高夾苗效率,設計了多工位解旋夾苗模式。同時為提高擴繩成功率,研發(fā)了旋轉(zhuǎn)偏心擴繩夾苗裝置。

2 海帶夾苗系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成

研制的30工位海帶自動夾苗系統(tǒng)主要由多工位夾繩裝置、苗繩內(nèi)縮解旋裝置、旋轉(zhuǎn)擴繩夾苗裝置等組成。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

其工作原理:整根苗繩拉緊,31個夾爪同時夾住整根苗繩,30段同時內(nèi)縮解旋,苗繩出現(xiàn)縫隙,然后將30個內(nèi)部空心的旋轉(zhuǎn)偏心擴繩頭插入相對應的苗繩縫隙,夾苗爪從30個空心擴繩頭內(nèi)穿出,夾住海帶苗的根柄,從苗繩縫隙中提至苗繩上沿,然后解旋裝置將苗繩張緊,實現(xiàn)夾苗動作。主要夾苗工藝流程如圖2所示。達到了根系保護及高效夾苗的目標,海帶自動夾苗系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 海帶自動夾苗系統(tǒng)

2.2 30工位解旋夾苗

設計并驗證了單苗繩10工位同步解旋與夾苗器擴繩插入夾苗的機理并進行模擬試驗,如圖4所示。試驗中將苗繩橫置于夾繩器前方,夾繩器的夾爪分段夾住苗繩后,通過驅(qū)動器帶動絲桿使夾繩架帶動夾緊的分段苗繩一起往左收縮,收縮距離至設定間距后,張緊的苗繩段內(nèi)交織的3股繩由原先捻緊狀態(tài)變得松弛,繩間縫隙變大變松。待海帶苗根系植入后,驅(qū)動器驅(qū)動絲桿,使夾繩器帶動苗繩段右移至另一設定間距,使苗繩段內(nèi)交織的3股繩由松弛狀態(tài)變得捻緊,完成對海帶苗根系在苗繩內(nèi)的固定。

基于10工位海帶同步夾苗模式,設計31個夾緊器夾緊海帶苗繩,苗繩被分成等距的30段單元,平均每段70 mm,收縮距離50 mm。夾緊器移動收縮,使各單元均勻縮短,在縮短過程中,苗繩內(nèi)交織的3股繩捻力松弛,交織的縫隙擴大,便于30 棵海帶苗根系成排插入。

2.3 旋轉(zhuǎn)偏心擴繩

試驗設計了8種擴繩器,如圖5所示。設計的擴繩器具有一空腔,空腔內(nèi)部可伸出細管狀夾苗爪,抓取海帶苗。同步帶輪帶動偏心穿繩插頭旋轉(zhuǎn),在旋轉(zhuǎn)偏心的作用下,可自動尋找苗繩內(nèi)3股繩交織的縫隙。

圖5 8種擴繩器及擴繩狀態(tài)

第1種圓頭擴繩器擴孔,旋轉(zhuǎn)擴孔會頂?shù)?股繩中間;第2種偏心10 mm擴繩器和第3種偏心30 mm擴繩器,第3種旋轉(zhuǎn)擴孔效果要好于第2種,是第7、第8種偏心擴繩器的基礎;第4種尖頭擴繩器驗證尖頭旋轉(zhuǎn)擴孔效果,擴繩要好于第1種,但對苗繩有損傷;第5種和第6種分別采用一字型擴繩頭和尖頭螺旋型擴繩頭,對苗繩損傷大;第7種和第8種空腔偏心擴繩器,第7種偏平狀擴繩頭會損傷苗繩,優(yōu)化后采用第8種圓頭狀擴繩器。

通過對8種不同擴繩器進行擴繩試驗,苗繩為φ16 mm。試驗25次,一次擴繩孔數(shù)30個。其中第8種圓頭狀擴繩器,其頭部偏心式伸出凸出圓頭部位的偏心穿繩插頭,擴繩頭橢球d5×12,穿透苗繩的成功率99%,阻力小,速度快,對苗繩沒有損傷。其余7種擴繩器成功率不高且對苗繩一定程度的損傷,如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)偏心擴繩試驗

2.4 電氣控制系統(tǒng)

2.4.1 伺服調(diào)速定位系統(tǒng)

本研究采用西門子PROFINET通信協(xié)議[21-23]。先采用SINAMICS V-ASSISTANT調(diào)試軟件對伺服驅(qū)動進行配置,連接驅(qū)動設置、選擇速度控制模式,選擇標準報文3,PZD-5/9,配置PN站名及IP協(xié)議。再對TIA Portal V16編程軟件[24]中硬件組態(tài),PLC屬性網(wǎng)絡設置,組態(tài)SINAMICS V90 PROFINET網(wǎng)絡,再設置組態(tài)軸工藝對象,最后調(diào)用PLC Open標準程序塊中的軸使能控制指令MC_Power、軸回原點指令MC_Home、軸絕對位移控制指令MC_MoveAbsolute,實現(xiàn)對伺服電機的編程,提高可靠性,精準性,高效實現(xiàn)夾苗過程。

在試驗過程中,上下電機行至苗繩上部位時控制轉(zhuǎn)速10 mm/s,當擴孔時由于存在阻力,則轉(zhuǎn)速降至2 mm/s,保證系統(tǒng)運行平穩(wěn),如表2所示。

表2 伺服定位

整體上下伺服電機和頂升伺服電機參數(shù)設定中電機每轉(zhuǎn)行程計算[25-26]:

(1)

式中:L1為整體上下伺服電機每轉(zhuǎn)一圈行程,d1為整體上下分度圓直徑,i1為整體上下減速比,d1=110 mm,i1=1∶ 40。計算可得L1=8.635 mm。

2.4.2 控制電路系統(tǒng)設計

海帶自動夾苗核心控制硬件系統(tǒng)由伺服電機、減速電機、多組氣缸等元器件組成。通過控制氣缸動作實現(xiàn)了海帶夾苗自動化。其中自動控制系統(tǒng)主要通過PLC邏輯編程實現(xiàn),集成了送繩、送苗、夾苗、收繩功能,圖7為海帶夾苗控制系統(tǒng)的電路示意圖。

圖7 電路示意圖

運行動作:30個夾苗繩氣缸夾緊(Q 0.0)→夾苗繩夾緊限位(I 0.3)→30個夾苗繩氣缸收縮(Q 0.1)→夾苗繩收縮限位(I 0.6)→旋轉(zhuǎn)擴孔電機動作(Q 0.6)→夾苗整體伺服電機下行擴孔→到位夾苗整體伺服電機停止,旋轉(zhuǎn)擴孔電機停止→夾苗氣缸整體下行(Q 0.4)→下行限位(I 1.2)→夾苗氣缸打開(Q 0.3)→夾苗氣缸打開限位(I 1.0)→送苗→夾苗氣缸閉合(Q 0.2)→夾苗氣缸閉合限位(I 0.7)→夾苗整體伺服電機上行,至苗繩上部→夾苗氣缸打開(Q 0.3)→夾苗氣缸打開限位(I 1.0)→夾苗整體伺服電機上行,至初始位→苗繩拉伸氣缸(Q 0.1)→拉伸限位(I 0.5)→夾苗氣缸閉合(Q 0.2)→夾苗氣缸閉合限位(I 0.7)→夾苗氣缸整體上行(Q 0.5)→上行限位(I 1.1)→30個夾苗繩氣缸釋放(Q 0.0)→夾苗繩釋放限位(I 0.4)。下一組動作重復運行。

3 系統(tǒng)試驗

3.1 旋轉(zhuǎn)擴繩扭矩和插繩阻力動態(tài)測量試驗

目前實際生產(chǎn)中使用的苗繩粗細不均勻,不同位置的松緊程度也存在較大差別,從而使得偏心擴繩插頭在旋轉(zhuǎn)插入苗繩時存在隨機性,部分偏心擴繩插頭會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況,導致擴繩失敗,影響海帶自動化夾苗的作業(yè)穩(wěn)定性。本研究研發(fā)了擴繩扭矩和插繩阻力動態(tài)檢測平臺,如圖8所示。

圖8 擴繩扭矩和阻力動態(tài)檢測平臺

圖9 平臺實物圖

將10工位解旋夾苗系統(tǒng)應用于檢測平臺。利用扭矩傳感器和阻力傳感器通過力值顯示控制器與PC端的DAQ測量系統(tǒng)連接。

試驗時將偏心擴繩插頭移至苗繩等距解旋后的正上方,然后接通調(diào)速電機,帶動扭矩測量部件勻速下降至偏心擴繩插頭擴繩。測得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 動態(tài)測量試驗數(shù)據(jù)

海帶夾苗系統(tǒng)試驗如圖10所示。

圖10 海帶自動夾苗系統(tǒng)試驗

偏心旋轉(zhuǎn)自導引擴孔是指采用回轉(zhuǎn)電機帶動30個內(nèi)部空心的偏心插繩頭旋轉(zhuǎn),從海帶相對應苗繩縫隙中擴孔插入,保護插繩頭內(nèi)部的海帶夾爪穿透苗繩。根據(jù)扭矩測試結(jié)果,可計算插繩頭裝置回轉(zhuǎn)電機功率計算:

W=Max(T1∶T10)

(2)

T0=m×W

(3)

(4)

T=F×r

(5)

式中:T0為總回轉(zhuǎn)插繩頭扭矩,T1∶T10為10次插繩頭扭矩,W為測量最大回轉(zhuǎn)插繩頭扭矩,m為回轉(zhuǎn)插繩頭個數(shù),n為電機最高轉(zhuǎn)速,P為電機功率,F為最高下阻力,T為額定扭矩,r為分度圓齒輪半徑。

根據(jù)試驗測得:W=0.44 N·m,T0=13.2 N·m,n=150 r/min,m=30個,F=42 N,r=55 mm。

得出旋轉(zhuǎn)電機功率P=0.21 kW,下壓電機額定扭矩T=2.31 N·m。

選用旋轉(zhuǎn)電機為可調(diào)速配齒輪減速箱電機功率0.25 kW;下壓電機選用西門子V90伺服電機帶抱閘,額定功率為0.75 kW,額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min,額定扭矩為2.39 N·m。

3.2 系統(tǒng)運行分析

根據(jù)傳統(tǒng)海帶筏架養(yǎng)殖模式[27-30],設計運行一次苗繩夾取長度為2.3 m小串。夾苗系統(tǒng)整體運行時間主要為氣動元件運行時間及伺服電機運行時間。計算夾苗時間,則可得出整體運行效率,伺服運行定位如表2所示。

E1=E2+E3

(6)

H=M/E1

(7)

式中:E1為一個周期系統(tǒng)運行時間,E2為各步驟氣動元件運行時間之和,E3為伺服電機運行時間,M為夾苗棵樹,H為夾苗產(chǎn)量。

通過程序編寫和系統(tǒng)調(diào)試得到E2=10 s,E3=34 s,E1=44 s,M=30棵,H=0.68棵/s。

3.3 夾苗試驗

本研究在自動和人工模式下進行夾苗試驗,記錄兩種模式海帶夾苗方式、夾苗掉苗率、夾苗產(chǎn)量、夾苗自動化程度等。最后分析兩種模式下海帶夾苗情況。測定性能參數(shù)如表4所示。

表4 夾苗效果

海帶自動夾苗較人工夾苗自動化程度高,夾苗方式采用30分段解旋夾苗比逐個分段解旋效率高,夾苗產(chǎn)量是人工夾苗的2.45倍,掉苗率和損傷程度方面較低。

4 結(jié)論

根據(jù)苗繩內(nèi)縮擴孔模式,研發(fā)了一種多工位海帶夾苗機,實現(xiàn)了擴繩頭穿透交織3股繩形成縫隙,夾苗爪夾取海帶苗根至苗繩上沿,解旋裝置將苗繩張緊,實現(xiàn)夾苗動作。采用30工位同時解旋夾苗方式,實現(xiàn)了苗繩快速等距分段解旋和30棵海帶苗同時夾苗。研發(fā)了一種浮動旋轉(zhuǎn)偏心擴繩夾苗裝置,利用扭矩測量和插繩阻力動態(tài)檢測系統(tǒng)軟件對多工位海帶夾苗旋轉(zhuǎn)擴繩結(jié)構(gòu)進行試驗分析,得到比較好的效果。該系統(tǒng)采用PLC控制30段同步解旋、擴孔、夾苗等動作,一個周期系統(tǒng)運行時間為44 s,夾苗產(chǎn)量是人工夾苗的2.45倍。多工位海帶夾苗機自動化程度高、效率高,解決了實際生產(chǎn)中勞動力不足等問題,為藻類加工裝備和技術(shù)研究提供參考,同時為藻類生產(chǎn)全程機械化打下基礎。