自动集蛋装置机械和控制系统设计

　　引言

　　养殖业是农业的重要支撑，是人类获得动物性食物的主要出口，在国民经济发展中占有重要的地位。养殖业生产的机械化及自动化不仅能减轻饲养人员劳动强度、提高劳动生产率、提高产品的数量和质量，而且能实现养殖业的规模化生产，是养殖产业化的必由之路和现代化的基础及保障。

　　在传统的养殖业中，以养鸡为例，其作业内容主要有: 一是饲料和水的供给; 二是鸡蛋的收集; 三是粪便的处理; 四是病虫害的防治。本设计仅解决鸡蛋的自动收集问题。

　　目前，不管是工厂化养鸡，还是农户成一定规模的养鸡，都是笼养方式。这就要求自动集蛋装置与鸡笼的布置相适应。笔者在分析鸡舍布局、鸡笼布置的基础上，利用数控工作台，控制鸡蛋落入指定位置; 利用二级液压缸，实现不同高度鸡蛋的收集; 通过89C51单片机实现自动控制，使自动集蛋装置结构简单、操作方便。

　　1 自动集蛋装置机械系统设计

　　1． 1 自动集蛋装置机械系统总体结构

　　自动鸡蛋装置机械系统( 如图 1 所示) 主要由安装底座、传动装置、工作台及蛋盘托板等组成，可根据功能划分为两个子系统: 一是实现工作台 X、Y 方向运动的结构，其用两台混合式步进电机提供动力，通过膜片弹性联轴器与滚珠丝杠联接，控制工作台按照预定的轨迹完成 X、Y 方向的移动; 二是用于控制 Z 方向运动的结构，由二级液压缸实现，以收集不同高度的鸡蛋。【图1】

　　
　　为了提高集蛋装置的刚性和运动的稳定性，系统在液压缸底座和托盘之间设置了导向结构，即导柱副。

　　1． 2 自动集蛋装置在鸡舍中的工作位置

　　目前，不管是工厂化养鸡，还是农户成一定规模养鸡，大都是笼养方式; 而笼养方式就存在鸡笼的布置问题。为了提高养殖效率且便于进行养殖作业的相关操作，鸡笼在高度方向上常布置 3 层，在前后方向上也相互错开。研究自动集蛋装置在鸡舍中的工作位置，是为了解决运动干涉问题，防止装置在工作时与鸡笼碰撞; 同时，也是为了确定集蛋装置的初始工作位置，保证鸡蛋能按照预定的轨迹落入蛋盘的确定位置。自动集蛋装置在鸡舍中的工作位置如图 2所示。【图2】

　　
　　2 自动集蛋装置控制系统设计

　　2． 1 工作台控制系统

　　工作台控制系统采用行程开关及光电开关采集输入信号，经过 89C51 单片机的控制将输出信号通过8713 脉冲分配器、7406 功率放大电路传给步进电机。

　　本设计采用两个 89C51 单片机控制工作台 X、Y 两个方向的运动，具有上限工作频率高的优点。

　　1) 89C51 单片机输入信号接口电路如图 3 所示。将信号输入 89C51 单片机的 10、11 号引脚。

　　2) 89C51 单片机接口电路如图 4 所示。其中，10号、11 号引脚接收光电开关发出的开关信号，单片机根据信号在程序控制下向脉冲分配器发射控制信号，从而控制步进电机执行相应的动作。

　　3) 步进电机接线图如图 5 所示。【图3-5】

　　
　　在图 3 中，SW 是手动开关，SQ 是行程开关，SP 是光电开关。其控制过程如下: 按下开关 SW，鸡蛋输送装置运行，行程开关 SQ1 工作，产生脉冲后向单片机发射控制脉冲，工作台按数控程序控制的轨迹逐步运行，直至鸡蛋装满蛋盘。此时，托盘( 图 1 中 16) 碰到行程开关 SQ2( 见图 8) ，鸡蛋输送装置停止运行，同时工作台返回起始点( 程序控制) ，SQ1 使 SW 断开; 将装满鸡蛋的蛋盘取下来，重新装上空蛋盘; 依次循环，实现鸡蛋的自动收集。

　　2． 2 液压系统设计

　　为了解决不同高度鸡笼上鸡蛋的收集问题，集蛋装置采用了以二级液压缸为输出工作机构的液压系统。根据二级液压缸的工作特点，设计了使活塞能根据需要在某高度位置停留一段时间、以完成不同高度鸡蛋收集的液压控制系统。液压系统组成如图 6 所示，液压系统控制电路如图 7 所示。液压系统主要由液压泵、M 型中位机能的三位四通电磁阀、二级液压缸及溢流阀等组成。【图6-7】

　　
　　液压系统的控制过程如下: ①一级活塞保持。按下开关 QS 泵工作，按下 SB1( K 断开) ，液压缸进油;当一级活塞完全伸出时，光电开关 SP2 动作，电磁阀进入中位机能，液压泵卸荷，系统进入保压状态，一级活塞保持。②二级活塞保持。闭合 K，按下 SB1，液压缸进油; 二级活塞完全伸出时，光电开关 SP3 动作，电磁阀进入中位机能，进入保压状态，二级活塞保持。③回程。按下 SB2，KM2 得电，活塞依次缩回; SB1、SB2 联锁，使 KM1、KM2 不能同时工作。

　　采用液压控制，具有噪声小，便于调节等优点。

　　2． 3 主控制电路设计

　　主控制电路的功能是控制鸡蛋传送装置、步进电机以及二级液压缸协调动作。由于不同高度鸡蛋传送的控制电路相同，这里仅以某一层为例说明。

　　鸡蛋传送装置的作用就是将鸡笼上的鸡蛋输送到装盘位置。鸡蛋是否输送到装盘位置，由光电开关识别检测。每当有一个鸡蛋送来，光电开关的开关状态改变一次，并将信号传给控制器，控制器向控制工作台的步进电机发出指令，工作台便按照预先设定的轨迹运行，使鸡蛋一一装到盘中。主控制电路如图 8所示。【图8】

　　
　　主控制电路的工作过程如下: ①按下 SB1 后，KM32 启动，延时一定时间 T1 后，KM31 启动。延时的目的是防止鸡蛋在输送带上堆积。②按下 SB2 后，KM31 停止，延时一段时间 T2 后，KM32 停止。延时的目的是保证停转后输送带上不滞留鸡蛋。③SQ2用于切断主电路。此时蛋盘装满返回到起始位置。其它高度鸡蛋的收集应用相同的电路，不再赘述。

　　3 结论

　　随着社会的进步和人民生活水平的不断提高，社会对禽蛋的质量和数量都有更高的需求。实现禽蛋的自动收集，能减轻养殖业工人的劳动强度，提高生产效率和成品质量。自动集蛋装置具有以下特点:

　　1) 占地面积小、灵活，不受鸡舍布置方式及养殖规模的限制。

　　2) 由于实现了禽蛋的自动收集，大大降低了操作工人劳动强度，提高了鸡蛋收集效率。

　　3) 采用光机电一体化数字程序控制集蛋装置的位置，定位准确，有效降低鸡蛋的破损率。
　　
　　参考文献:

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　　［2］ 李庆余，孟光耀． 机械制造装备设计［M］． 北京: 机械工业出版社，2013．
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　　［4］ 侯宝利，孙广岩，王林元． 鸡舍的选址、建筑及结构［J］． 养殖技术顾问，2011( 6) : 49．
　　［5］ 黄志坚，赵旭东． 新型电气伺服控制技术应用案例精选［M］． 北京: 中国电力出版社，2010.