小型智能化家禽低內(nèi)臟破損率凈膛流水線設(shè)計(jì)

熊利榮，羅舒豪，王樹(shù)才

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小型智能化家禽低內(nèi)臟破損率凈膛流水線設(shè)計(jì)

熊利榮，羅舒豪，王樹(shù)才

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)家禽屠宰凈膛作業(yè)中自動(dòng)化程度低、設(shè)備配套性差、凈膛破損率較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套小型智能化家禽低內(nèi)臟破損率凈膛流水線系統(tǒng)。系統(tǒng)由家禽凈膛流水線裝置、夾取式凈膛機(jī)械手、觸覺(jué)系統(tǒng)、光電傳感器和PLC控制器組成，可實(shí)現(xiàn)家禽屠宰過(guò)程中的自動(dòng)化凈膛。以光電傳感器的觸發(fā)信號(hào)作為家禽的到位信號(hào)，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的高速脈沖信號(hào)控制凈膛流水線的運(yùn)動(dòng)和精確定位、機(jī)械手爪的張合以及機(jī)械臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；利用EM235模塊將實(shí)時(shí)采集到的機(jī)械手爪內(nèi)壁壓力傳感器上的壓力信號(hào)傳輸?shù)絇LC中，一旦壓力值達(dá)到壓力閾值8.22 N時(shí)，機(jī)械手爪即反轉(zhuǎn)一定角度后再掏膛，從而降低內(nèi)臟破損率。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)蝹€(gè)機(jī)械手的凈膛效率約為100只/h；平均凈膛率為86.95%，內(nèi)臟平均破損率為20%。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化地低內(nèi)臟破損率家禽凈膛，且性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單。

控制系統(tǒng)分析；智能控制；壓力傳感器；家禽凈膛；流水線；PLC

0 引 言

在中國(guó)，禽肉類(lèi)產(chǎn)品深受居民的喜愛(ài)，其消費(fèi)量占總?cè)忸?lèi)消費(fèi)量的25%以上[1]。中國(guó)家禽業(yè)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已逐漸由傳統(tǒng)的農(nóng)戶(hù)散養(yǎng)、活禽交易模式過(guò)渡到規(guī)?；B(yǎng)殖、集中定點(diǎn)屠宰模式[2]。這種轉(zhuǎn)變既能降低家禽食品安全隱患，為市場(chǎng)提供高質(zhì)量產(chǎn)品，也有利于集中監(jiān)管，從而保障家禽業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展[3]。但與此同時(shí)這也對(duì)中國(guó)家禽屠宰加工提出了更高的要求，家禽屠宰取內(nèi)臟作業(yè)作為家禽屠宰生產(chǎn)線中一道關(guān)鍵的工序，也是目前中國(guó)家禽屠宰加工生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與機(jī)械化程度最低的工序之一[4-6]。國(guó)外早在20世紀(jì)初就開(kāi)始進(jìn)行家禽屠宰加工裝備的研究，經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，自動(dòng)掏膛技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)日漸完善，并逐漸應(yīng)用于禽類(lèi)的屠宰加工生產(chǎn)中，取代了人工作業(yè)[7]。而中國(guó)由于起步較晚，屠宰加工取內(nèi)臟作業(yè)還處于研究階段，目前仍依靠人工輔助流水線完成，效率低、工作環(huán)境差且人工成本高。僅有少數(shù)企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)成套設(shè)備，投資大，設(shè)備維護(hù)昂貴，且由于國(guó)內(nèi)外對(duì)家禽內(nèi)臟飲食習(xí)慣的差異，進(jìn)口的掏膛設(shè)備并不能完全適用于國(guó)內(nèi)家禽屠宰加工當(dāng)中[8-9]。因此，隨著家禽規(guī)?；B(yǎng)殖技術(shù)的普及，中國(guó)家禽屠宰加工裝備亟需形成相應(yīng)規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)鏈。

規(guī)模化養(yǎng)殖為家禽提供了標(biāo)準(zhǔn)的飼養(yǎng)模式，使得同一批次同一品種的禽體長(zhǎng)成后的大小基本均勻一致，這為家禽自動(dòng)掏膛作業(yè)提供了有利的條件[10]。挖取式、扒取式和夾取式這3種是目前研究較多的應(yīng)用于家禽屠宰掏膛中的機(jī)械手[11-13]。本文提出并設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)的智能家禽凈膛流水線控制系統(tǒng)，以PLC為控制器，以光電傳感器的觸發(fā)信號(hào)作為家禽到達(dá)指定凈膛位置的到位信號(hào)，以壓力傳感器構(gòu)成觸覺(jué)感知系統(tǒng)，根據(jù)家禽內(nèi)臟大小，實(shí)時(shí)控制凈膛力度，降低凈膛過(guò)程中內(nèi)臟的破損率，從而達(dá)到智能化自動(dòng)掏取家禽內(nèi)臟作業(yè)的目的。

1 流水線及控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

凈膛流水線系統(tǒng)整體如圖1所示。該系統(tǒng)包括家禽凈膛流水線裝置、試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)械臂、機(jī)械手爪、觸覺(jué)系統(tǒng)、光電傳感器以及由計(jì)算機(jī)和PLC組成的控制系統(tǒng)。其中觸覺(jué)系統(tǒng)由安裝在機(jī)械手指內(nèi)壁的壓力傳感器及相應(yīng)的采集電路組成。

上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485通信電纜將相應(yīng)控制指令發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)接收到的指令控制各機(jī)械結(jié)構(gòu)的既定運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)流水線的精確運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)械臂、機(jī)械手爪的凈膛動(dòng)作控制，并在凈膛過(guò)程中實(shí)時(shí)采集凈膛壓力值，控制凈膛力度，實(shí)現(xiàn)家禽凈膛的自動(dòng)化。

1.2 凈膛裝置機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 家禽凈膛流水線的設(shè)計(jì)

凈膛流水線整體設(shè)計(jì)為環(huán)型，由支架支撐，傳動(dòng)方式為同步帶傳送，由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、直線導(dǎo)軌、圓弧導(dǎo)軌、底板、同步帶主動(dòng)輪、同步帶從動(dòng)輪、同步帶、滑臺(tái)、家禽固定裝置和支架組成。步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與減速機(jī)固定通過(guò)聯(lián)軸器與同步帶主動(dòng)輪連接，直線導(dǎo)軌和圓弧導(dǎo)軌拼接后通過(guò)螺栓固定在環(huán)形底板，滑臺(tái)與同步帶之間通過(guò)卡槽固定，家禽固定裝置與滑臺(tái)之間通過(guò)螺栓連接。整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 家禽凈膛流水線系統(tǒng)裝置圖

1. 直線導(dǎo)軌 2. 圓弧導(dǎo)軌 3. 同步帶從動(dòng)輪 4. 同步帶 5. 滑臺(tái) 6. 家禽固定裝置 7. 底板 8. 同步帶主動(dòng)輪 9. 減速機(jī) 10. 步進(jìn)電機(jī) 11. 支架

凈膛流水線圓弧導(dǎo)軌直徑為400 mm，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪中心距為800 mm，考慮到家禽的體型，流水線上等間距設(shè)計(jì)了6個(gè)滑臺(tái)（每2個(gè)滑臺(tái)間距為476 mm）。同步帶設(shè)計(jì)為雙面齒同步帶，一面與帶輪上的齒嚙合，一面與滑臺(tái)嚙合，家禽采用倒掛的方式固定在家禽固定裝置上。系統(tǒng)啟動(dòng)后，凈膛流水線同步帶帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)行，使得家禽也能隨之在環(huán)型導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，形成流水線。

1.2.2 凈膛機(jī)械手的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的機(jī)械臂與機(jī)械手爪共同構(gòu)成家禽的凈膛機(jī)械手裝置。機(jī)械臂設(shè)計(jì)為三維空間下直角坐標(biāo)型機(jī)械臂，運(yùn)動(dòng)軌跡為空間直角坐標(biāo)系下軸、軸、軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)，各軸運(yùn)動(dòng)最大行程分別為300、600、400 mm；凈膛機(jī)械手爪設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，4根機(jī)械手指兩兩對(duì)稱(chēng)，形成一定的包容空間。凈膛機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械手爪和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械手爪通過(guò)螺栓固定后安裝在機(jī)械臂軸方向的滑臺(tái)上，設(shè)置好機(jī)械臂各軸以及機(jī)械手爪的行程參數(shù)和初始位置。系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)械臂軸帶動(dòng)機(jī)械手爪前后運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手爪通過(guò)機(jī)械手指張開(kāi)或抓緊，實(shí)現(xiàn)家禽凈膛。

1.2.3 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

根據(jù)系統(tǒng)中各凈膛機(jī)械裝置的負(fù)載需求，在節(jié)約成本的前提下選取符合要求的步進(jìn)電機(jī)[14]?？紤]到系統(tǒng)中各步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、額定轉(zhuǎn)矩、控制精度等要求，選擇型號(hào)為信捷DP508系列驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)中各電機(jī)具體型號(hào)及相應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

另外，凈膛流水線和步進(jìn)電機(jī)間選用型號(hào)為PX86N024S0的行星減速機(jī)，傳動(dòng)比為24∶1，用來(lái)匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩。

1.3 觸覺(jué)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手爪的4根手指為上下左右對(duì)稱(chēng)式分布，其中上下2根手指在抓取內(nèi)臟時(shí)由于受到重力因素的影響，測(cè)得的壓力與實(shí)際的壓力值會(huì)有差異。因此只將壓力傳感器安裝在機(jī)械手爪的左右2只手指內(nèi)壁，凈膛時(shí)，一旦左右2根手指中任意1個(gè)壓力傳感器測(cè)得的壓力值達(dá)到設(shè)定的壓力閾值，機(jī)械手會(huì)立即停止抓緊[15]。本系統(tǒng)選取RFP系列薄膜壓力傳感器及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，額定電壓為5 V，量程為0～2 kg。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定[16]，分別將2個(gè)壓力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)繪制成電壓-壓力圖并進(jìn)行擬合，圖4為標(biāo)定后測(cè)得的電壓-壓力擬合曲線圖，圖中實(shí)線和虛線分別代表各傳感器電壓-壓力的實(shí)際對(duì)應(yīng)曲線和擬合后的對(duì)應(yīng)曲線，擬合的多項(xiàng)式公式也如圖中所示。

1.4 PLC控制系統(tǒng)選型

PLC在整個(gè)家禽凈膛流水線系統(tǒng)中起到核心控制作用。本系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200系列PLC（CPU226 DC/ DC/DC）作為控制器，再加上模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊（EM235）、定位模塊（EM253）共同構(gòu)成控制及壓力采集系統(tǒng)的硬件裝置[17-19]。PLC與各模塊間通過(guò)自帶的專(zhuān)用擴(kuò)展電纜線連接。控制系統(tǒng)與外部設(shè)備電路接線示意圖如圖5所示。

圖4 壓力傳感器電壓-壓力擬合曲線

圖5 系統(tǒng)電路接線示意圖

1.5 光電傳感器選型及安裝

光電傳感器的發(fā)光器可以發(fā)出光束，當(dāng)家禽通過(guò)并擋住光束時(shí)，會(huì)有部分光反射到接收器[20]。此時(shí)光電傳感器會(huì)輸出高電平，PLC接收到上升沿后控制系統(tǒng)的下一步動(dòng)作。本系統(tǒng)選用鑫社電氣M18漫反射型光電傳感器，光電傳感器與主電路接線如圖6所示。

圖6 光電傳感器接線圖

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械手爪的中心與流水線上夾具中心的連線垂直于豎直作業(yè)面時(shí)，最有利于機(jī)械手深入家禽腹腔凈膛作業(yè)，系統(tǒng)將此位置定義為流水線的標(biāo)準(zhǔn)凈膛位置。因此試驗(yàn)前，調(diào)整好光電傳感器位置，并通過(guò)EM253模塊與光電傳感器配合確保每次凈膛時(shí)，流水線都能停在標(biāo)準(zhǔn)凈膛位置處。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)交互界面程序設(shè)計(jì)和控制器PLC的程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。上位機(jī)發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)命令給控制器PLC，系統(tǒng)啟動(dòng)后，家禽凈膛流水線開(kāi)始工作并輸送家禽。當(dāng)檢測(cè)到光電傳感器觸發(fā)信號(hào)上升沿時(shí)，流水線會(huì)立即減速至低速運(yùn)行，檢測(cè)到光電傳感器信號(hào)下降沿后，表明家禽已被輸送至指定凈膛位置；PLC接收信號(hào)后，流水線即暫停運(yùn)動(dòng)。同時(shí)機(jī)械臂軸從原點(diǎn)前進(jìn)，當(dāng)前進(jìn)至接近家禽內(nèi)臟時(shí)，軸減速直至到達(dá)家禽內(nèi)臟處后停止運(yùn)動(dòng)；隨后機(jī)械手爪開(kāi)始抓取內(nèi)臟，凈膛過(guò)程中安裝在機(jī)械手爪末端的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械手爪對(duì)內(nèi)臟施加的壓力。當(dāng)壓力值到達(dá)預(yù)設(shè)壓力閾值時(shí)，機(jī)械手爪張開(kāi)適當(dāng)角度，以減少內(nèi)臟的破損；若壓力值始終小于壓力閾值，機(jī)械手爪會(huì)執(zhí)行完初始設(shè)定步數(shù)，然后機(jī)械臂后退并掏出內(nèi)臟。機(jī)械臂軸接近原點(diǎn)時(shí)會(huì)減速直至回到原點(diǎn)位置；此時(shí)機(jī)械手爪張開(kāi)使內(nèi)臟脫落，同時(shí)給PLC發(fā)出一個(gè)信號(hào)，使流水線重新啟動(dòng)，重復(fù)這一凈膛流程，從而實(shí)現(xiàn)家禽凈膛的全自動(dòng)化過(guò)程。

圖7 系統(tǒng)流程圖

2.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序是在STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件中通過(guò)梯形圖進(jìn)行開(kāi)發(fā)[21-22]?？刂葡到y(tǒng)程序根據(jù)功能可分為機(jī)械手爪及機(jī)械臂控制模塊、凈膛流水線控制模塊以及壓力采集模塊，由控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，PLC的I/O口分配如下表2所示。

表2 輸入輸出分配

2.1.1 機(jī)械手爪及機(jī)械臂控制模塊

S7-200系列PLC有2個(gè)高速脈沖發(fā)生器，執(zhí)行脈沖輸出指令（PLS指令）時(shí)可輸出高速脈沖串（PTO），實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂軸以及機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)控制[23-24]。機(jī)械手爪和機(jī)械臂軸上分別安裝有手爪張開(kāi)到位、前后限位開(kāi)關(guān)，規(guī)定了系統(tǒng)的工作原點(diǎn)，其中機(jī)械臂軸靠近前、后限位開(kāi)關(guān)處還分別安裝有2個(gè)減速開(kāi)關(guān)，控制機(jī)械臂接近停止位置時(shí)的速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的軟停止，保護(hù)限位開(kāi)關(guān)。機(jī)械臂軸凈膛時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。

注：v為家禽傳輸速度，t為家禽傳輸時(shí)間。

2.1.2 凈膛流水線控制模塊

凈膛流水線的運(yùn)動(dòng)由西門(mén)子定位模塊EM253控制完成。將家禽的標(biāo)準(zhǔn)凈膛位置在系統(tǒng)中設(shè)置為參考點(diǎn)，調(diào)用“POSx_RSEEK”子程序，檢測(cè)到光電傳感器輸出上升沿時(shí)，流水線會(huì)立即由高速降到設(shè)置的低速運(yùn)行，當(dāng)光電傳感器輸出下降沿時(shí)，尋找參考點(diǎn)結(jié)束，流水線停在凈膛位置。EM253的尋參功能可以提高系統(tǒng)凈膛時(shí)的定位精度[25-26]。尋找參考點(diǎn)軌跡如圖9所示。

圖9 尋找參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

2.1.3 壓力采集模塊

系統(tǒng)用EM235模塊的2路輸入通道（AIW0和AIW2）分別連接2個(gè)壓力轉(zhuǎn)換模塊，用來(lái)采集機(jī)械手爪左右2根手指上的電壓信號(hào)。以其中一路AIW0為例，壓力傳感器量程為0～2 kg，輸出的電壓范圍為0～5 V，經(jīng)/轉(zhuǎn)換后，數(shù)值范圍為0～32 000，呈線性關(guān)系，可見(jiàn)每伏特對(duì)應(yīng)的/值為32 000/5=6 400。因此，當(dāng)數(shù)字量為時(shí)，假設(shè)壓力為，那么AIW0的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值的計(jì)算公式為

＝/6 400 （1）

又根據(jù)圖4中壓力傳感器的電壓-壓力擬合公式，可以計(jì)算出機(jī)械手爪對(duì)家禽內(nèi)臟實(shí)際的壓力值，并在程序中實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

VS 2013（Microsoft Visual Studio 2013）是Windows環(huán)境下廣泛采用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，系統(tǒng)的家禽自動(dòng)凈膛軟件使用VS2013基于MFC（Microsoft Foundation Class）開(kāi)發(fā)[27]。主界面如圖10所示，主要有3部分組成，分別是通訊調(diào)試、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式。通訊調(diào)試模塊存在兩個(gè)文本編輯框，分別是“發(fā)送輸入”和“接受顯示”，點(diǎn)擊“發(fā)送”時(shí)，可以將“發(fā)送輸入”文本框的內(nèi)容發(fā)送給PLC，通訊模塊主要用于與PLC程序聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試使用。手動(dòng)模式則分為3部分，分別是“軸前進(jìn)”、“軸后退”，“手爪夾緊”、“手爪張開(kāi)”，“流水線正轉(zhuǎn)”、“流水線反轉(zhuǎn)”，自動(dòng)模式則是通過(guò)3個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是“自動(dòng)啟動(dòng)”、“急停”、“復(fù)位”，其中急停按鈕也可以作為手動(dòng)模式的停止按鈕。上位機(jī)通過(guò)通信將指令發(fā)送給PLC，PLC接收到相應(yīng)的指令后，會(huì)完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡[28]。

圖10 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選取農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)宰殺的新鮮肉雞，試驗(yàn)前，購(gòu)買(mǎi)60只肉雞，在經(jīng)過(guò)浸燙、去毛、放血等處理步驟后并完整保留內(nèi)臟，肉雞的質(zhì)量大多分布在1.20 kg～1.70 kg之間，將60只肉雞隨機(jī)分為3組，每組各20只，分別命名為A組、B組、C組。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)所考察的指標(biāo)主要為家禽的凈膛率和掏出內(nèi)臟的破損率。其中凈膛率公式如下：

式中為掏出內(nèi)臟的質(zhì)量，g；為殘留在家禽腹腔中的內(nèi)臟質(zhì)量，g。

而由于肝臟質(zhì)地脆弱，且其附在內(nèi)臟表面，凈膛時(shí)與機(jī)械手接觸面積最大[29]。因此本試驗(yàn)將肝臟是否破損作為衡量掏出內(nèi)臟破損的指標(biāo)。掏出內(nèi)臟中肝臟出現(xiàn)破裂或表面有裂痕記為1，肝臟完整且無(wú)裂痕則記為0。

3.3 家禽流水線自動(dòng)凈膛試驗(yàn)

3.3.1 壓力閾值的確定

為了不破壞內(nèi)臟的可食用性，需保證家禽凈膛率的同時(shí)降低凈膛過(guò)程中內(nèi)臟的破損率。系統(tǒng)以A組為本試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量?jī)籼艜r(shí)機(jī)械手從原始張開(kāi)狀態(tài)到最大程度抓緊時(shí)，安裝在機(jī)械手內(nèi)壁的2個(gè)壓力傳感器中的最大值[30]。對(duì)測(cè)得的20組壓力值取平均值，確定為本試驗(yàn)的凈膛壓力閾值F。如表3所示，最終壓力閾值F確定為8.22 N。

3.3.2 家禽凈膛試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以B組和C組為試驗(yàn)對(duì)象。將壓力閾值在系統(tǒng)中設(shè)置為8.22 N。C組作為對(duì)照組，在手動(dòng)模式下調(diào)整好家禽的凈膛位置使之處于標(biāo)準(zhǔn)凈膛位置處后，使流水線處于靜止?fàn)顟B(tài)下試驗(yàn)。而B(niǎo)組在系統(tǒng)程序自動(dòng)模式下進(jìn)行，設(shè)單個(gè)機(jī)械手的凈膛效率為（只/h），則

表3 測(cè)定壓力閾值試驗(yàn)

式中1為機(jī)械手對(duì)單只家禽的凈膛時(shí)間，約為30 s/只（不同內(nèi)臟質(zhì)量的家禽，凈膛時(shí)間略有差異）；為2個(gè)滑臺(tái)的間距；為家禽的傳輸速度，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載與穩(wěn)定運(yùn)行的需求，將設(shè)定為105 mm/s，此時(shí)系統(tǒng)的凈膛效率約為100只/h。

試驗(yàn)時(shí)，分別測(cè)定B組和C組中每只試驗(yàn)家禽的凈膛率，并對(duì)所得的20組凈膛率數(shù)據(jù)取平均值，記為平均凈膛率；統(tǒng)計(jì)B組和C組凈膛過(guò)程中試驗(yàn)家禽的肝臟破損情況，將肝臟破損出現(xiàn)的次數(shù)占20組數(shù)據(jù)中的比例記為內(nèi)臟的破損率。對(duì)比B組和C組中各試驗(yàn)指標(biāo)，考察流水線的運(yùn)行是否對(duì)家禽的凈膛效果以及內(nèi)臟的破損率有影響。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

流水線電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，B組平均凈膛率為86.95%，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，B組試驗(yàn)對(duì)象中，有4組肝臟出現(xiàn)破損，破損率為20%。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 流水線運(yùn)行狀態(tài)下凈膛試驗(yàn)

注：表中0表示內(nèi)臟無(wú)破損，1表示內(nèi)臟有破損，下同。

Note: In table, 0 indicates no damage to viscera, and 1 indicates damage to viscera, the same below.

如下表5所示，在流水線靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)C組家禽進(jìn)行凈膛試驗(yàn)，試驗(yàn)可得平均凈膛率為88.09%，且掏出內(nèi)臟中沒(méi)有出現(xiàn)肝臟破損情況。

試驗(yàn)結(jié)果表明：就凈膛率而言，與靜態(tài)凈膛相比，流水線運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)凈膛率僅降低了1.14個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)凈膛效果影響不大；就破損率而言，動(dòng)態(tài)凈膛時(shí)內(nèi)臟破損情況出現(xiàn)4次，高于流水線靜止?fàn)顟B(tài)下凈膛試驗(yàn)中的0次。這說(shuō)明流水線的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)內(nèi)臟的破損率有一定的影響。這是因?yàn)椋?）凈膛時(shí)，不能根據(jù)禽體內(nèi)臟的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整；2）流水線在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不是絕對(duì)平穩(wěn)；3）家禽在傳輸時(shí)內(nèi)臟會(huì)發(fā)生輕微移位，尤其是肝臟，附著在內(nèi)臟表面，更易在傳輸時(shí)受到擾動(dòng)發(fā)生位置偏移，所以?xún)籼艜r(shí)偏離了設(shè)定的凈膛位置而出現(xiàn)內(nèi)臟破損情況。

表5 流水線靜止?fàn)顟B(tài)下凈膛試驗(yàn)

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)以PLC為核心控制器，以光電傳感器的觸發(fā)信號(hào)作為家禽的到位信號(hào)，以壓力傳感器作為觸覺(jué)系統(tǒng)，并以基于MFC開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面作為控制界面，設(shè)計(jì)了一套小型智能化家禽低內(nèi)臟破損率凈膛流水線系統(tǒng)。在夾取式機(jī)械手的基礎(chǔ)上，對(duì)凈膛流水線的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體控制，且結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便。試驗(yàn)結(jié)果表明，家禽凈膛流水線穩(wěn)定工作時(shí)，單個(gè)機(jī)械手的凈膛效率約為100只/h，家禽的整體凈膛率為86.95%，整體破損率為20%，與靜態(tài)凈膛試驗(yàn)相比，凈膛率差別不大，但破損率有所上升，總體符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

后續(xù)研究中，可以測(cè)試家禽的肝臟在凈膛過(guò)程中的應(yīng)力—應(yīng)變結(jié)果，根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整機(jī)械手凈膛動(dòng)作，以期達(dá)到更好的凈膛效果和提高凈膛效率。

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Design of assembly line for small intelligent poultry eviscerated with low visceral damage rate

Xiong Lirong, Luo Shuhao, Wang Shucai

(430070,)

Aiming at the problems of low automation, poor equipment matching and high damage rate in the domestic poultry slaughtering operation, we designed a small intelligent control system for the eviscerated assembly line of poultry. The system consists of poultry eviscerated assembly line, clamping manipulator, mechanical arm, tactile system, photoelectric sensor and PLC controller, which can realize automatic eviscerating in the process of poultry slaughter.On the basis of the mechanical arm and the mechanical paw, we have conceived and designed the structure of the eviscerated assembly line device.The eviscerated assembly line is designed as a ring type, and the poultry is fixed on the poultry fixing device by hanging upside down. The synchronous belt drives the slide table to run on the guide rail so that the poultry can follow the loop guide rail to form an assembly line. The synchronous belt drives the slide table to run on the guide rail so that the poultry can follow the loop guide rail to form an assembly line.The system takes the trigger signal of the photoelectric sensor as the signal of the poultry have been in place, when the rising edge of the photoelectric sensor signal is detected, the EM253 module immediately controls the assembly line from high speed to low speed. When the falling edge of the photoelectric sensor signal is detected, the assembly line stops and waits for evisceration of the manipulator. The CPU226 provides two high-speed pulse outputs (Q0.0 and Q0.1) to control the speed of the two stepping motors on the-axis of mechanical arm and the mechanical paw, which can realize reciprocating motion of the mechanical arm and tension of the mechanical paw. During the net eviscerating process, the pressure sensors installed on the manipulator paws monitor the pressure exerted by the manipulator paw on the viscera in real time. The EM235 module transmits the pressure signal collected in real time to the PLC, once the pressure value reaches the pressure threshold of 8.22 N, the manipulator paw reverses a certain angle to reduce the damage rate of the internal organs. The human-computer interaction interface of the system mainly consists of three parts: Communication debugging, manual mode, and automatic mode. The automatic mode is realized by three buttons, namely “auto start”, “emergency stop” and “reset”, and the emergency stop button can also be used as the stop button of the manual mode. In order to test the stability of the system and the eviscerating effect on poultry, 60 chickens were randomly divided into 3 groups, 20 in each group, named group A, group B and group C. Group A was used to determine the pressure threshold, group B was tested under the steady operation of the assembly line, and group C, as the control group, was tested under the static state of the assembly line. The test indicators were the evisceration rate and breakage rate of poultry. The results of test showed that the control system can realize automatic evisceration of poultry, with stable performance and simple operation. The operating efficiency of a single manipulator is about 100 pieces/h, the average evisceration rate was 86.95% and the average breakage rate of visceral was 20%.Compared with entrails test in static state, the evisceration rate has little difference, but the breakage rate has increased, which generally meets the expected design requirements.

control system analysis; intelligent control; pressure sensors;evisceration of poultry; assembly line; PLC

2018-09-28

2019-01-07

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD19B00）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助（2662016PY069）

熊利榮，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究。Email：bearlgj@webmail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.036

S24

A

1002-6819(2019)-05-0294-08

熊利榮，羅舒豪，王樹(shù)才. 小型智能化家禽低內(nèi)臟破損率凈膛流水線設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(5)：294－301.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.036 http://www.tcsae.org

Xiong Lirong, Luo Shuhao, Wang Shucai. Design of assembly line for small intelligent poultry eviscerated with low visceral damage rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 294－301. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.036 http://www.tcsae.org