回轉(zhuǎn)式活魚分級(jí)與計(jì)數(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

洪 揚(yáng)，朱 燁，江 濤，徐宏治，陳曉龍，倪 琦

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

隨著中國集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)正朝著精細(xì)化的方向不斷發(fā)展[1-3]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，魚群內(nèi)優(yōu)勢大的個(gè)體對(duì)小個(gè)體的生長會(huì)產(chǎn)生不利影響，其影響機(jī)制主要包括殘食[4-6]、食物競爭[7]等問題。魚類的分級(jí)篩選可以避免種內(nèi)競爭帶來的不利影響，提高魚體存活率。國內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)魚類分級(jí)所做的研究還不是很充分，手工操作不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且由于魚類轉(zhuǎn)移速度緩慢以及操作過程中對(duì)魚體的損傷和對(duì)魚群的驚嚇等，還會(huì)帶來較高的死亡率，且無法做到對(duì)魚苗精準(zhǔn)快速的分級(jí)[8]。國外水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中利用柵格間隙大小來控制魚類分級(jí)[9]，這類分級(jí)裝置較為笨重，又多是剛性連接，易造成魚體損傷。王志勇等[10]設(shè)計(jì)的魚類重量自動(dòng)分級(jí)裝置采用水平式調(diào)節(jié)輥間距模式篩選幼魚，雖然實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化代替人工篩選，但存在著導(dǎo)致魚脫水、易受機(jī)械損傷等缺陷。其次在計(jì)數(shù)過程中，傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方法以人工肉眼的方法計(jì)數(shù)，存在誤差大、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)[11]。隨著圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可大大提高水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和自動(dòng)化水平。目前，已有研究人員利用端點(diǎn)細(xì)化算法[12-13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14-15]、四鄰域標(biāo)記[16]、灰度圖像分析[17-18]、曲線演化法[19]等方法對(duì)生物幼苗進(jìn)行計(jì)數(shù)，但現(xiàn)有的圖像采集中存在魚的分布隨意性、不均勻性和重疊性、技術(shù)處理復(fù)雜、價(jià)格高昂等問題[20-21]。

在分析現(xiàn)有活魚分級(jí)設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合活魚的生理特性，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)式活魚分級(jí)計(jì)數(shù)設(shè)備，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，依托工廠化養(yǎng)殖水池，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分析影響魚體分級(jí)和計(jì)數(shù)的因素，為活魚精準(zhǔn)分級(jí)設(shè)備的研發(fā)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)式活魚分級(jí)及計(jì)數(shù)設(shè)備試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由計(jì)數(shù)裝置、機(jī)架、活魚分級(jí)回轉(zhuǎn)裝置、凸輪裝置、變頻電機(jī)、凸輪調(diào)節(jié)裝置、接魚漏斗、噴淋水等裝置組成。其中活魚分級(jí)回轉(zhuǎn)裝置由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該裝置由16個(gè)分級(jí)單元組成，每個(gè)單元之間相互獨(dú)立，確保活魚分級(jí)時(shí)魚苗不會(huì)產(chǎn)生大量堆積，影響分級(jí)效果。整機(jī)可將活魚苗按大小分成3個(gè)規(guī)格等級(jí)，每個(gè)檔位間隔可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。計(jì)數(shù)模塊將分級(jí)后的魚苗進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，方便為后續(xù)養(yǎng)殖作為參考。

圖1 回轉(zhuǎn)式活魚分級(jí)及計(jì)數(shù)裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

分級(jí)作業(yè)時(shí)，將整機(jī)與真空吸魚泵連接，通過吸魚泵將魚苗從待分級(jí)養(yǎng)殖池中抽取上來，進(jìn)入活魚分級(jí)單元。分級(jí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活魚分級(jí)單元旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，噴淋水裝置給魚苗供水，防止魚苗脫水導(dǎo)致?lián)p傷。分級(jí)單元開度大小由凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制，分級(jí)單元上的凸輪經(jīng)過立柱上的凸輪調(diào)節(jié)裝置時(shí)，凸輪旋轉(zhuǎn)一定角度，分級(jí)單元對(duì)應(yīng)形成一定開度大小，對(duì)應(yīng)背寬在此區(qū)間范圍內(nèi)的魚苗落入接魚漏斗，分級(jí)單元繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在經(jīng)過3次凸輪調(diào)節(jié)后，分級(jí)單元開口達(dá)到最大，里面的魚苗均落入對(duì)應(yīng)的接魚漏斗中。分級(jí)完成后，魚苗通過管道進(jìn)入各自計(jì)數(shù)通道，完成分級(jí)和計(jì)數(shù)后，返回養(yǎng)殖水池。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

活魚分級(jí)單元如圖2所示。固定軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪腔體內(nèi)嵌入滾動(dòng)軸承，外端加入旋轉(zhuǎn)阻尼器，與固定軸配合，使其具有主動(dòng)保持現(xiàn)有姿態(tài)的能力?；匚粡椈稍诜旨?jí)單元閉合時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)門進(jìn)行輔助回位。

圖2 活魚分級(jí)單元

2.1 凸輪運(yùn)動(dòng)分析

活魚分級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)原理如圖3所示，每個(gè)分級(jí)單元在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期需要進(jìn)行4次開門寬度調(diào)節(jié)，通過凸輪調(diào)節(jié)裝置預(yù)先設(shè)定，設(shè)定區(qū)間為1～30 mm。前3次調(diào)節(jié)逐漸增大，將分級(jí)單元中待分級(jí)魚苗依次按大小分級(jí)，第4次調(diào)節(jié)凸輪回位，分級(jí)單元門關(guān)閉，分級(jí)單元進(jìn)魚，開始下一次分級(jí)周期。

圖3 凸輪運(yùn)動(dòng)示意圖

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上述對(duì)活魚回轉(zhuǎn)分級(jí)裝置工作原理的分析可知，凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)分級(jí)精準(zhǔn)性影響較大，活魚分級(jí)單元開度大小通過凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度來控制。采用解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線，基本思路是：根據(jù)分級(jí)單元分級(jí)要求，設(shè)計(jì)合理的凸輪壓力角，確定旋轉(zhuǎn)門的最大位移；選擇合適的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)；根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方程，得到滿足要求的凸輪輪廓曲線。

2.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角及最大位移確定

在江蘇某養(yǎng)殖試驗(yàn)基地，測量苗齡1年以內(nèi)的虹鱒魚，得到魚苗背寬10～25 mm，為了將此背寬以內(nèi)的魚苗進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)又防止有超過極限值的魚苗，需要留有設(shè)計(jì)余量。根據(jù)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，分級(jí)魚最大背寬不超過30 mm。為了防止出現(xiàn)極端情況，分級(jí)單元張開最大距離不小于極限魚背寬，本文取設(shè)計(jì)分級(jí)單元最大開度為30 mm。為了防止形成死角以及產(chǎn)生過高的壓力，凸輪連桿下壓應(yīng)與垂直線保持一定角度。通過計(jì)算可得凸輪連桿起始位置與水平夾角為60°時(shí)，連桿受力較小。因此，設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)最大運(yùn)動(dòng)角為2π/3。

2.2.2 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇及基本參數(shù)確定

由于分級(jí)門開度要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行設(shè)定，為了便于分級(jí)精度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足凸輪調(diào)節(jié)裝置滑動(dòng)模組螺距要求，凸輪連桿下壓某一距離hi后，凸輪旋轉(zhuǎn)某一角度βi，凸輪連桿下壓的豎直距離與凸輪在旋轉(zhuǎn)某一角度后半徑的差值(ri-r1)為線性關(guān)系，根據(jù)實(shí)際需要，構(gòu)造式(1)函數(shù)關(guān)系，旋轉(zhuǎn)門開度大小關(guān)系如圖4所示。

(1)

式中：hi為輪調(diào)節(jié)壓板帶動(dòng)凸輪連桿向下移動(dòng)垂直距離，mm；α為凸輪連桿起始位置角度，(°)；βi為向下移動(dòng)垂直距離后所轉(zhuǎn)動(dòng)角度，(°)；l為凸輪連桿長度，mm；di為旋轉(zhuǎn)門凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)βi角度時(shí)開度大小，mm；r1為凸輪曲線起始點(diǎn)半徑，mm；ri為凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)后凸輪曲線半徑，mm；h為單位長度，這里取1 mm。

圖4 凸輪工作段運(yùn)動(dòng)軌跡分析

2.2.3 凸輪連桿長度選取

根據(jù)凸輪調(diào)節(jié)滑動(dòng)模組的螺距、凸輪旋轉(zhuǎn)角度等因素，連桿下壓4π/3后，垂直距離能夠到達(dá)120 mm，因此暫定凸輪連桿頂端距離基圓圓心距離l=90 mm。由于凸輪連桿頂端受下壓力作用，需要對(duì)凸輪連桿進(jìn)行撓度校核[18]。將連桿部分視為懸臂梁，其最大撓度：

(2)

(3)

|y|≤[y]

(4)

2.2.4 凸輪基圓半徑及壓力角設(shè)計(jì)

凸輪連桿滾輪處下壓距離為hi，通過公式(1)可以推導(dǎo)出公式(6)。

(5)

式中：hi為凸輪連桿滾輪處下壓距離，mm；l為桿長,mm；α為初始位置時(shí)凸輪連桿與水平基準(zhǔn)線所成角度,(°)；βi為桿與水平方向轉(zhuǎn)過后夾角,(°)。

根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]凸輪輪廓線方程以及凸輪壓力角計(jì)算公式得出公式(7)：

(6)

式中：s為滾輪第i次步進(jìn)的推程,mm；s0為基圓圓心與滾輪和凸輪接觸點(diǎn)的垂直距離,mm；rb為基圓半徑,mm；e為偏心距,mm，此處為0；η為符號(hào)系數(shù)，左偏置時(shí)η=1，右偏置時(shí)η=-1；

由于此凸輪運(yùn)動(dòng)軌跡是根據(jù)實(shí)際工作需要所設(shè)計(jì)，由Matlab根據(jù)凸輪輪廓曲線方程進(jìn)行編程，編程實(shí)現(xiàn)功能：輸入基圓半徑rb，推程h，偏心距e，輸出凸輪輪廓線，輪廓線上各點(diǎn)坐標(biāo)x(i),y(i)及其壓力角f(i)。根據(jù)Matlab計(jì)算，當(dāng)基圓半徑rb≤42 mm時(shí)，凸輪最大壓力角<30°，因此，凸輪基圓半徑選42 mm可滿足要求，此時(shí)凸輪輪廓線如圖5所示。

圖5 Matlab計(jì)算下的凸輪輪廓曲線

1.5 計(jì)數(shù)裝置設(shè)計(jì)

在輸送管道中放置光學(xué)計(jì)數(shù)裝置(圖6)。計(jì)數(shù)裝置分為平流裝置和光柵計(jì)數(shù)裝置，在透明的亞克力板上方安裝光柵尺，下方安裝光源接收器，每個(gè)輸送管道分成兩個(gè)較窄通道，以便使魚單一通過，光柵計(jì)數(shù)器給通過的魚苗進(jìn)行計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)通過主控屏幕顯示各分級(jí)管道內(nèi)魚苗個(gè)數(shù)，其計(jì)數(shù)流程見圖7。

圖6 計(jì)數(shù)裝置

圖7 計(jì)數(shù)流程圖

3 分級(jí)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為養(yǎng)殖池中魚齡為1年以內(nèi)的虹鱒，從養(yǎng)殖水池內(nèi)撈出放入暫養(yǎng)桶中。該裝置使用變頻器調(diào)整回轉(zhuǎn)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速，使用水泵，通過分布在分級(jí)機(jī)支架上的水管給分級(jí)裝置均勻?yàn)⑺?，防止魚苗脫水，增加分級(jí)通道潤滑。將魚苗放置滑道中，通過滑道進(jìn)入分級(jí)格柵，回轉(zhuǎn)一周，按照魚背厚度進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后的魚苗通過不同的通道進(jìn)入分級(jí)回魚管道，并通過計(jì)數(shù)裝置，試驗(yàn)結(jié)束后測量每級(jí)魚苗的背寬，統(tǒng)計(jì)每條通道中魚體個(gè)數(shù)。

計(jì)數(shù)誤差率和分級(jí)誤差率所用公式如下：

(7)

(8)

式中：δ1為計(jì)數(shù)誤差率；Δ1為未檢測到的魚數(shù)量，條；δ2為分級(jí)誤差率,%；Δ2為未檢測到的魚數(shù)量，條；L為實(shí)際總條數(shù)，條。

3.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中分級(jí)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工作安全可靠。通過對(duì)250條魚齡1年以內(nèi)的虹鱒魚進(jìn)行試驗(yàn)，在單一轉(zhuǎn)速為8 r/min，功率為0.19 kW下的結(jié)果見表1。

表1 單一轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，試驗(yàn)中計(jì)數(shù)裝置檢測到的魚苗比實(shí)際魚苗數(shù)量略少，誤差2.5%～4.5%，是由于存在首尾相連的情況，雖然通過將分級(jí)回魚通道分隔成兩個(gè)單獨(dú)的過魚計(jì)數(shù)通道，減少了魚體重疊，但仍存在重疊情況；分級(jí)誤差4.4%～6.3%，是由于魚體是柔軟體，在分級(jí)設(shè)定寬度附近產(chǎn)生1～2 mm的魚體厚度上的誤差。

通過調(diào)整變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，測定分級(jí)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的分級(jí)速度以及裝置穩(wěn)定性，由試驗(yàn)結(jié)果表2可知，不同的分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速下，活魚分級(jí)速度不同，分級(jí)速度與轉(zhuǎn)速接近線性遞增關(guān)系，但分級(jí)誤差率也有增加的趨勢，誤差率4.0%～5.5%，經(jīng)過計(jì)算，分級(jí)機(jī)每小時(shí)活魚分級(jí)量為9 600～14 400條。所以在分級(jí)過程中，應(yīng)選擇合理轉(zhuǎn)速，既能滿足分級(jí)速率需要，又能保證魚的誤差率。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的分級(jí)速度及誤差率

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)式活魚分級(jí)計(jì)數(shù)裝置，選用虹鱒魚進(jìn)行試驗(yàn)，魚背寬度為9～26 mm，其凸輪連桿下壓距離與分級(jí)單元門開度近似線性關(guān)系，便于實(shí)際生產(chǎn)過程中按照實(shí)際需要調(diào)節(jié)分級(jí)魚規(guī)格。在轉(zhuǎn)速6～15 r/min時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí)，最大偏差為2 mm；計(jì)算分級(jí)產(chǎn)量為9 600～14 400條/h，分級(jí)誤差率4.4%～5.5%，計(jì)數(shù)誤差率2.5%～4.5%，較傳統(tǒng)分級(jí)計(jì)數(shù)方式，該裝置能夠更好地滿足池塘養(yǎng)殖需求。