結(jié)繩式牡蠣采苗串生產(chǎn)裝置設(shè)計

李海蕓，邱榮斌，葉大鵬

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002)

牡蠣因其肉味鮮美、營養(yǎng)豐富，具有“海中牛奶”之稱[1]，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，是世界各國重要的海水養(yǎng)殖對象，已成為中國乃至世界養(yǎng)殖產(chǎn)量最大的經(jīng)濟(jì)貝類。2015年，中國牡蠣養(yǎng)殖產(chǎn)量占世界牡蠣養(yǎng)殖總量的70%，已成為全球最大的牡蠣養(yǎng)殖國和消費(fèi)國，牡蠣養(yǎng)殖在中國海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖中占據(jù)重要地位[2]。2017年，牡蠣養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到4 879 422 t，比2016年增加44 895 t。目前國內(nèi)絕大部分牡蠣養(yǎng)殖是垂下式養(yǎng)殖，苗種主要依靠自然海區(qū)的人工采苗串采捕，因而采苗串不可或缺且需求量大[3]。然而生產(chǎn)牡蠣采苗器技術(shù)落后，完全依靠手工制作，導(dǎo)致牡蠣采苗串供應(yīng)無法滿足牡蠣養(yǎng)殖的需求。人工采苗串存在著制作工藝落后、生產(chǎn)效率低下、制作成本高昂、勞動力短缺等問題。實(shí)現(xiàn)牡蠣采苗串生產(chǎn)的自動化成為推動牡蠣養(yǎng)殖現(xiàn)代化的一大關(guān)鍵。

設(shè)計了一種牡蠣采苗串自動化生產(chǎn)專用裝置，牡蠣采苗串制作中自動化成串制結(jié)，用機(jī)械流水循環(huán)作業(yè)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工工藝，在一次工作中完成上料、沖孔、穿繩、打結(jié)、裁片、收串等一系列工序，服務(wù)于垂下式牡蠣養(yǎng)殖的采苗串生產(chǎn)。該裝置能有效提升勞動效率、降低勞動強(qiáng)度，可滿足牡蠣育苗場、牡蠣養(yǎng)殖合作社和大型牡蠣養(yǎng)殖戶的需求。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

結(jié)繩式牡蠣采苗串自動化生產(chǎn)裝置采用模塊化設(shè)計[4-7]，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由原料存儲裝置(包括防銹鋁鎂合金絲、尼龍繩、聚氯乙烯帶存儲器)、加工工作臺、沖孔模塊、送絲裁斷模塊、打結(jié)模塊、裁帶模塊等組成。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

運(yùn)用PLC控制電機(jī)和氣缸有序作業(yè)，將防銹鎂鋁合金線、尼龍繩、聚氯乙烯帶經(jīng)過一套完整的流水線生產(chǎn)工藝(圖2)，實(shí)現(xiàn)沖孔、頂繩穿孔、打結(jié)、裁帶、收串等一系列工序，進(jìn)而獲得符合要求的結(jié)繩式牡蠣采苗串，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)牡蠣采苗串。

圖2 加工工藝流程圖

1.3 動力傳送系統(tǒng)

裝置動力傳送采用機(jī)械傳動與氣壓傳動相結(jié)合。機(jī)械傳動主要用于原料供給和收串運(yùn)動，采用一級齒形帶傳動，步進(jìn)電機(jī)為動力源，可精確控制執(zhí)行件行程；氣壓傳動主要應(yīng)用于沖孔、頂繩、裁線、裁帶工藝。該組合傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省空間，且經(jīng)濟(jì)性好。PLC輸出端通過控制4個繼電器的通斷來控制4個氣動閥的換向，從而控制4個氣缸的運(yùn)行，氣動回路如圖3所示。

圖3 氣動回路圖

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 原料儲存裝置

原料存儲裝置為可拆結(jié)構(gòu)，用于儲存待加工的防銹鋁鎂合金線、尼龍繩和聚氯乙烯帶，各存儲器結(jié)構(gòu)相似。聚氯乙烯帶儲存器(圖4)在采苗串制作過程中確保原料的持續(xù)穩(wěn)定供給和便于更換，避免發(fā)生卡殼現(xiàn)象。

圖4 聚氯乙烯帶儲存器

2.2 加工工作臺

工作臺(圖5)機(jī)架采用鋁合金型材搭接而成，承受來自鋁合金工作臺上所有部件的質(zhì)量。送帶導(dǎo)向槽由左至右橫穿整個工作臺中心，實(shí)現(xiàn)對聚氯乙烯帶傳輸導(dǎo)向的同時，不僅在沖孔環(huán)節(jié)中卸下沖孔后箍在凸模上的聚氯乙烯帶，而且在打結(jié)環(huán)節(jié)對其進(jìn)行限位和蓋壓，防止在頂繩過程中聚氯乙烯帶彎曲或撕裂。

圖5 工作臺布局

2.3 沖孔模塊

沖孔模塊(圖6)采用沖裁方式，在處于送帶導(dǎo)向槽中的聚氯乙烯帶上完成精確位置沖孔，用于后續(xù)尼龍繩穿過。導(dǎo)向元件保證凸凹模間隙要求，利用氣缸作為沖裁動力，動作簡單、迅速，適合應(yīng)用于大批量沖孔加工，且沖孔的孔形及尺寸誤差較小，通孔周邊不易產(chǎn)生裂紋，避免在牡蠣養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)脫落。

沖裁過程中,沖孔氣缸主要受到?jīng)_裁力、卸料力以及推件力。沖裁力為沖裁過程主要受到的阻力，沖裁力的大小隨沖裁程度產(chǎn)生變化，計算公式如下：

F=KLtτ0

(1)

式中：F—沖裁力，N；K—安全系數(shù)，取值1.3；L—剪切長度，mm；t—沖裁板料厚度，mm；τ0—沖裁板料的抗剪強(qiáng)度，MPa。

卸料力特指沖裁氣缸與聚氯乙烯片分離所需要的力；推件力特指將沖裁氣缸從沖裁過的聚氯乙烯片里脫離所需要的力。計算公式如下：

F卸=K卸F

(2)

F推=nK推F

(3)

式中：F卸—卸料力，N；K卸—卸料力系數(shù)，N；F推—推件力，N；K推—推件力系數(shù)，K卸—卸料力系數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)資料[8]，分別取值為0.05、0.06。

由此可計算沖裁過程中受到的總沖裁力：

F總=F+F卸+F推=3 265+163.25+391.8

=3 820.05 N

(4)

查閱氣缸理論出力表，經(jīng)分析，選取氣缸型號為SC80×25，氣缸軸頸25 cm，當(dāng)處在正常大氣壓0.9 MPa時，計算沖裁力可達(dá)4 523 N，大于總沖裁力，滿足控制系統(tǒng)要求。

圖6 沖孔模塊

2.4 送線裁斷模塊及裁帶裝置

聚氯乙烯帶裁斷模塊結(jié)構(gòu)，采用摩擦傳動原理，2個送絲滾輪將鎂鋁合金絲從原料盤牽引出并拉直，之后快速準(zhǔn)確地定量輸送進(jìn)頂繩機(jī)構(gòu)的U型槽中，通過裁刀裁剪的方式進(jìn)行裁斷(圖7)。使用氣缸和鍘刀的連接件，將氣缸的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為鍘刀一定角度的回轉(zhuǎn)裁剪運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對聚氯乙烯帶的裁剪。為避免裁剪聚氯乙烯片過程中將尼龍繩裁斷，將鍘刀架分割成兩段，中間留一段通槽。在裁剪過程中，尼龍繩將通過裝繩輪自動彌補(bǔ)長度，使得尼龍繩可延槽被頂下，從而避免其被裁斷。

圖7 送線裁斷裝置與裁帶裝置

2.5 打結(jié)模塊

牡蠣采苗串的固結(jié)要求不同于海帶打結(jié)機(jī)的單結(jié)制作，亦不同于縫紉機(jī)的雙線連續(xù)打結(jié)，而是單線成串制結(jié)，且每相鄰采苗器間距要求為約15 cm[9-10]。打結(jié)模塊[11-12]如圖8所示。當(dāng)聚氯乙烯帶沖孔后，由收繩系統(tǒng)牽引至穿繩孔的位置，在氣缸驅(qū)動下，頂繩機(jī)構(gòu)將兩股尼龍繩從下方平滑地垂直頂過聚氯乙烯帶上的沖孔，其弧形頂端托住繩子，形成拱形繩孔，使鎂鋁合金絲能穿過頂繩機(jī)構(gòu)頂端U形槽，待鎂鋁合金絲裁斷，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以頂繩機(jī)構(gòu)U形槽為支點(diǎn)和固定端，繞頂繩裝置360°旋轉(zhuǎn)，形成S型結(jié)，將尼龍繩固結(jié)在聚氯乙烯片的通孔上方，頂繩裝置回收，繩子不會被帶回，打結(jié)工序完成(圖9)。

圖8 打結(jié)模塊

圖9 打結(jié)效果示意圖

2.6 繩帶輸送模塊

繩帶輸送模塊(收串機(jī)構(gòu))對沖完孔的采苗片實(shí)現(xiàn)定距傳輸[13-16]，精準(zhǔn)地將采苗片上的孔輸送至指定固結(jié)位置，且避免出現(xiàn)累計傳輸誤差以影響固結(jié)工作[17]。收串機(jī)構(gòu)(圖10)將定距送片與收合采苗串同步結(jié)合，通過尼龍繩牽引聚氯乙烯帶完成片的傳輸，避免聚氯乙烯片與送片導(dǎo)向槽之間因摩擦力過大而引起翹曲現(xiàn)象，從而阻礙傳輸，同時也完成了頂繩、打結(jié)工序的張緊和采苗串的收合。在尼龍繩和聚氯乙烯帶緊固結(jié)合后，由收串輪對采苗串進(jìn)行收集，同時尼龍繩牽引原料帶沿工作臺上的送片導(dǎo)向槽行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)采苗串成品和原料的傳輸。定距輸送帶通過定位沖孔裝置和固結(jié)裝置中間的漫反射式激光傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。從左到右定位沖孔工位、光電傳感器檢測工位、固結(jié)工位之間間隔的采苗片長度。收串輪轉(zhuǎn)動，直到光電傳感器檢測到聚氯乙烯帶上的通孔，收串電機(jī)停止，此時聚氯乙烯帶上的通孔被精確送到固結(jié)工位，以保證頂繩繞絲桿能順利穿過通孔完成聚氯乙烯帶的固結(jié)，接著設(shè)備同步完成沖孔、頂繩固定、裁片動作后，收串輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動開始下一個工藝流程。

圖10 收串機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)牡蠣采苗串的生產(chǎn)工藝和機(jī)械結(jié)構(gòu)，以西門子S7-200 PLC為控制核心，精確控制各執(zhí)行元件動作。以西門子Smart 700 IE 液晶觸摸屏為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控，工藝參數(shù)實(shí)時修改，實(shí)時數(shù)據(jù)庫以及報警等功能[18-22]。使用Step7 MicroWIN編程軟件，編制PLC梯形圖程序，保證各個程序塊的共同協(xié)調(diào)運(yùn)作。如遇某個環(huán)節(jié)故障，全部工作部件停止，直至故障排除后方能啟動。PLC控制系統(tǒng)控制程序流程如圖11所示。

圖11 控制流程圖

4 試驗(yàn)分析

4.1 采苗串生產(chǎn)情況

圖12為結(jié)繩式牡蠣采苗串自動化生產(chǎn)裝置試驗(yàn)樣機(jī)。為了驗(yàn)證所設(shè)計的牡蠣采苗串自動化生產(chǎn)裝置功能的可行性和性能的穩(wěn)定性，設(shè)置5組試驗(yàn)，每組自動加工20 min，試驗(yàn)用聚氯乙烯帶寬度為28 mm，定距向前輸送150 mm；防銹鎂鋁合金絲定距輸送距離50 mm，隨旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)順時針回旋360°。試驗(yàn)制得牡蠣采苗串情況如圖13所示。

圖12 試驗(yàn)樣機(jī)

圖13 分組試驗(yàn)制得牡蠣采苗串

圖13A為生產(chǎn)的新型牡蠣采苗串，試驗(yàn)各組采苗串結(jié)點(diǎn)打結(jié)基本完好，防銹鎂鋁合金絲形成S型結(jié)以及裁帶均未出現(xiàn)較大質(zhì)量問題，不影響采苗串的使用；圖13B所示為完好的聚氯乙烯帶沖孔；圖13C紅線圈所示，出現(xiàn)個別沖孔撕裂的情況，可能是由于在沖孔模塊凹凸模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在不足；圖13D所示為正常防銹鎂鋁合金絲形成S型結(jié)，其中紅圈所示位置為尼龍繩穿引位置；圖13E紅圈所示為尼龍繩穿引位置，出現(xiàn)單面閉合情況，在長期使用過程中可能引起尼龍繩滑落，可能是由于頂繩機(jī)構(gòu)將尼龍繩垂直頂過聚氯乙烯帶上的沖孔，形成拱形繩孔的角度有所偏差導(dǎo)致。

采苗串生產(chǎn)損壞率計算：

k=q/(a·b)

(5)

式中：k—損壞率，%；q—沖孔/制結(jié)損壞數(shù)，個；

a—采苗串串?dāng)?shù)，串；b—每串采苗串上制結(jié)數(shù)，個/串。獲得試驗(yàn)制結(jié)情況如圖14所示。采苗串自動化生產(chǎn)裝置在連續(xù)加工狀態(tài)下，生產(chǎn)的平均成功率達(dá)96.55%以上，人機(jī)交互界面實(shí)時顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，整機(jī)運(yùn)行安全平穩(wěn)，未發(fā)生卡料現(xiàn)象。

圖14 試驗(yàn)各組的損壞率情況

4.2 可選用制結(jié)材料對比

為了保證鎂鋁合金線材作為打結(jié)材料固結(jié)的可靠性，將傳統(tǒng)的牡蠣采苗串與設(shè)計所用的采苗串浸于海水中進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)。按時間分別記錄采苗串的情況。截取1個月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用以參考。由表1可知，鋁鎂合金線材固結(jié)的牡蠣采苗串在經(jīng)歷了1個月以上的海水沖刷與浸泡后，線材表面沒有生銹失效的情況，固結(jié)情況良好，牡蠣苗片的位置也沒有發(fā)生很明顯的變化，符合預(yù)期的要求。

表1 制結(jié)材料試驗(yàn)對比情況

4.3 自動化樣機(jī)與人工成本對比分析

試驗(yàn)樣機(jī)制作成本主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)制作加工費(fèi)和控制系統(tǒng)硬件材料費(fèi)等。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)制作加工費(fèi)約7 800元。控制系統(tǒng)硬件如西門子PLC S7—200，1300元；位控模塊EM253，750元；步進(jìn)電機(jī)86BYG250B、86BYG250H和42BYGH47，1 100元；開關(guān)電源，190元；人機(jī)交互界面西門子Smart 700 IE，1 080元；其他780元。合計13 000元。牡蠣采苗串需求量：

K=n/(m·s)

(6)

式中：K—牡蠣采苗串需求量，串/年；n—牡蠣年產(chǎn)量，萬t；m—每串附著牡蠣質(zhì)量，kg；s—牡蠣采苗串使用壽命，年。

以2016年牡蠣年產(chǎn)量進(jìn)行估算，牡蠣采苗串需求量為2.44×108(串/年)。傳統(tǒng)方式制備牡蠣采苗串需雇傭工人，以工人每天工作10 h計算，每個工人每年可以固結(jié)約500串，為了滿足以上牡蠣采苗串年需求量，需要雇傭約48.8萬的工人；而按現(xiàn)有的每串人工費(fèi)0.2元計，每年需花費(fèi)的人工費(fèi)約為4 880萬元。表明牡蠣采苗串的制備效率有很大的提升空間，且其加工費(fèi)用也有很大的縮減空間。如果能夠使用合理的機(jī)械代替人工，進(jìn)行牡蠣采苗串自動化生產(chǎn)制備，不但能提高效率、降低成本和釋放勞動力，還能促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的自動化發(fā)展。

5 結(jié)論

結(jié)繩式牡蠣采苗串自動化生產(chǎn)裝置通過模塊化設(shè)計，利用齒形帶傳動和氣壓傳動相結(jié)合的動力傳輸方式，實(shí)現(xiàn)采苗串的自動化生產(chǎn)，同時在一次工作中完成輸送、沖孔、打結(jié)、裁剪、回收等，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度和人工成本。試驗(yàn)表明，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，已基本上實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，傳感器檢測與PLC系統(tǒng)共同作用，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。該裝置目前僅適用于生產(chǎn)垂下式牡蠣采苗串，考慮到今后在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)上的推廣，可以通過對樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的完善、調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多種固著型貝類采苗串的自動化生產(chǎn)。

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