轨道式自动投料机器人设计【含CAD图纸、说明书】
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轨道式自动投料机器人设计 Design of rail type automatic feeding robot 学生姓名 所在学院 所在专业 申请学位 指导教师 副 指 导 教 师 答辩时间 目 录 目 录 设计总说明 .II INTRODUCTION.II 1 绪论 .1 1.1 课题来源: .1 1.2 研究的目的和意义: .1 1.3 国内外发展状况、发展水平与存在问题: .1 2 总体方案及基础技术指标 .2 2.1 工作原理: .2 2.2 设计的基本技术要求: .3 3 关键部件设计: .3 3.1 行走装置: .3 3.1.1 行走轨道: .3 3.1.2 电动行走滑车部分 .4 3.1.3 定位识别装置部分: .6 3.2 自动投料装置 .7 3.2.1 料仓: .7 3.2.2 卸料器 .8 3.2.3 控制部分 .8 3.3 电源模块: .9 3.4 控制终端及软件设计: .10 4 结语 .11 鸣 谢 .12 参考文献 .13 设计总说明 I 设计总说明 在工厂化水产养殖中,较多的成本往往在于人工成本和饲料成本,为了减少养殖 过程中饲料的成本投入并降低人工劳动强度,提高生产效率。设计一种基于 PLC 控制 的自动投料机制,该自动投饲系统能工作于高温高湿的水产养殖车间,能够排除相关 养殖设备的干扰,实现对养殖车间的准确定位、精准的投饲以及对投饲的相关数据进 行记录存储。自动投饲系统在工厂化水产养殖中能够稳定运行,其基本的运行参数为: 运行速度:10 至 15/min,投饲精度 95%以上,定位精度最大偏差为 43mm。 关键词:工厂化水产养殖;自动投饲;轨道式 ABSTRACT II INTRODUCTION In the factory of aquaculture, the cost of more often lies in the cost of labor and feed, in order to reduce the breeding process in feed costs and reduce labor intensity and improve production efficiency. Design a kind of based on PLC control of automatic feeding mechanism, the automatic feeding system can work in high temperature and humidity in the aquaculture workshop, to exclude the interference of farming equipment, realize accurate positioning of aquaculture workshop, accurate feeding and of feeding related data recording storage. Automatic feeding system can run stably in the factory aquaculture, its basic operating parameters are: running speed: 10 to 15/min, feeding precision 95%, the maximum deviation of the positioning accuracy is 43mm. KEYWORDS: Factory aquaculture;automatic feeding;rail type 1 导轨式自动投料机器人设计 设计说明书 1 绪论 1.1 课题来源: 本题目来源于生产实际,在完成上下料的步奏后,将饲料进行定量的分配投料, 手工搬运效率低,养殖环境高温、高湿,操作环境差,因此采用机器人技术,实现搬 运操作的柔性自动化,通过自动控制系统实现投料的量精确度以及位置的准确度,以 提高生产效率,一般工人难以胜任这一工作。因此,投料过程的完全自动化已成为重要 的研究课题。其中,十分重要的就是要应用投料机器人。 1.2 研究的目的和意义: 为了减少工厂化水产养殖过程中的人工成本和饲料成本,设计了一种基于 PLC 控制 的轨道式工厂化水产养殖自动投饲系统。该系统自有电源供电,运行在高温、高湿的工 厂化水产养殖车间鱼池上方的 H 型钢轨上,能够排除车间相关养殖设备对自动投饲系统 运行的干扰,实现对工厂化水产养殖车间鱼池的准确定位、精准投饲和投饲数据记录储。 该系统的设计大大减少了水产养殖行业对于劳动力成本的投入。 1.3 国内外发展状况、发展水平与存在问题: 近年来,趋于工业化的水产养殖方式成为水产行业发展的重要方向,各国工厂化 水产养殖的技术的到了全新的开发,工厂化水产养殖这种新型的水产养殖方式规模在 日益扩大。在工厂化水产养殖中,成本的投入集中于饲料成本和劳动力成本,而工厂 化水产养殖技术的开发致力于提高养殖效率、降低饲料以及人工成本的投入,逐渐趋 于自动化的投料方式使得饲料的投放更加合理,既减少了不必要的饲料浪费,也降低 了饲料残渣对水体的污染 。各水产养殖强国致力于开发具有实际用途的系列化自动1 投料系统并取的了较好的成就,大大提高了饲料投放的精确度以及利用率,降低了劳 动强度以及劳动成本的投入 。然而,国内工程水产养殖起步晚,先进的自动养殖技2 术并没有得到很好 2 的开发和应用,水产养殖饲料的投放基本都是人工投喂,劳动力投入高,劳动强 度高,养殖效率较低。另外,已存在的投料机器已经无法满足现阶段高强度的工厂化 水产养殖需求,新型的自动投料装置的开发仍停留在实验研究阶段,国内对于工厂化 水产养殖的自动投料技术的开发有待深入。 2 总体方案及基础技术指标 2.1 工作原理: 行走滑车、投饲料仓和卸料器、电能供给装置以及由 PLC 组成的控制终端是构 成自动投料装置的主要结构。自动投饲装置结构如图 1 所示。 投料装置的工作原理为:在鱼池上方架设 型钢轨道作为行走装置行走路径,并H 在对应鱼池的上方轨道上设置相应的定位识别点,通过射频识别技术区别各个鱼池位 置,实现自动定位,行走装置由直流电机驱动行走到设定区域,投饲装置由拉式传感 器配合步进电机控制,使卸料器能够准确下料,完成投饲指令。自动投料系统由 作为控制终端并连接控制触摸显示屏,系统内安装蓄电池作为电源模块207SPLC 提供电能。控制触摸屏是改变自动投料系统运行参数,制定系统运行的控制命令的外 在结构;同时也起到记录实际投料状况以及存储投料反馈数据的作用,所保存的数据 为养殖人员查看养殖状况提供了方便。 图 1 自动投饲装置结构 3 2.2 设计的基本技术要求: 根据实际生产中工厂化水产养殖车间的实际情况并结合已有的试验养殖的情 况,对自动投料系统稳定运行状态下各类参数状况进行分析,确定设计的基础技术参 数要求如下表: 设计参数表 3 关键部件设计: 3.1 行走装置: 自动投料装置的行走装置包括:行走轨道、电动行走滑车以及定位装置。 3.1.1 行走轨道: 行走轨道选择 型号的 型钢作为材料,结构如下图 2 所示,该类10HWH 型钢具有翼缘厚度大、斜度较小的特点。H 根据实际水产养殖车间的情况,滑车行走轨道由 4 部分钢轨结构拼接而成, 纵向 4 由两根平行的直段构成,其长度为 6m,横向由两段半圆形弯段组成,半圆直径为 4m, 可得到轨道总长度为 24556mm。为了保证行走轨道的整体稳定性,钢轨采用缝隙处经焊 接、打磨处理使轨道形成光滑环形。养殖车间钢梁上设置 6 个均匀分布的吊架吊装行 走轨道,为保证行走钢轨整体的稳定性以及安全性能,4 段钢轨拼接处以及悬挂吊环连 接处需要做作加固处理。行走轨道结构示意如图 3: 3.1.2 电动行走滑车部分 电动行走滑车部分由 4 轮行走滑车、减速齿轮组电机以及安装平台组成,选定车 轮材料为锻钢,其直径为 。自动投料系统具备 2 个行走滑车,牵引滑车在前m06.R 通过简易的牵引机构牵引无动力滑车行走,牵型引机构有两个相互平行的 型钢管与T 两行走滑车相连组成,牵引滑车同 型钢连杆简易牵引,后者与钢杆焊接固定,保证T 两行走滑车之间的稳定性。为保证投料系统行走过程中的安全稳定型,由电机驱动的 牵引滑车采用双前轮驱动的行走模式。选定减速传动齿轮组的减速比为 ,行走滑1:5 车最大运行速度为 ,据此可选择适当的直流电机,即:in/15 (1)mi/r7906.2n0 RV 可计算出电机最大转速为: (2)in/r851in/r0K 式中 n 为电机最低转速,K 为减速齿轮组传动比为 15K 由式 计算结果可选得 型直流电机,电机参数如下表所示:21、 019BL 电机参数表 由此可计算出在电机额定转速下行走滑车的行走速度为: ,另外,min/56.12 5 为了实现快速停启功能,行走系统配套使用型号为 的制动器,0547056BFKRE 其制动力矩为: m2N 减速传动齿轮组结构如图 4 所示,设定电机输出轴齿轮即齿轮 1 的齿数 为1Z 55,与其啮合的齿轮轴主动齿轮即齿轮 2 齿数为 =11,另外一对互相啮合的出轮组,2Z 齿轮轴从动齿轮 以及驱动轮齿轮 齿数分别为 和 ,通过这样的齿轮组可实现3Z431 减速比: 满足传动比要求51i4321Z 图 4 传动齿轮组 3.1.3 定位识别装置部分: 投料系统是通过射频识别技术达到位置识别目的的。射频识别装置主要由应答 器、阅读器以及应用软件系统 3 部分组成 。 本设计采用电子标签作为应答器,电子9 标签安装在各个鱼池正上方的钢轨上,存储各个相应鱼池的位置信息,阅读器通过射 频识别技术采用非接触式的读取方式,可以获取电子标签所存储的位置信息,这是自 6 动投料系统实现自动定位的基础。电子标签所表示的数据的收集与管理由应用软件系 统部分完成 。10 射频识别技术的工作原理是:来自养殖人员设定的运行数据信号经由阅读器调制 后通过其内部天线把载波信息播放出去,当电子标签进入载波信号范围内时,接收解 读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的位置信息, 或者由标签调解所接受的载波信号并通过天线主动发送某一频率的信号,解读器读取 信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。应答器通常由天线、耦合原件 及芯片组成,一般来说都是使用无源标签作为应答器,其工作电能由其耦合器作用来 自应答器的电信号得到。 。1 考虑水产养殖车间的工作环境,为了保证自动投料系统能够正常运行,选用 型阅读器,该阅读器体积小,耐温耐湿,且据具备防水保护外壳,运行性LTRF35 能稳定,能够在水产养殖车间持续稳定的工作。 阅读器的工作频率为:LTRF35 ,正常工作电压为: ,信号感应距离为: ,阅读器接口z6.1MHV5.0m0 是与 之间交流信息的通道。485SPC 3.2 自动投料装置 投料装置由料仓、卸料器以及控制部分构成。 3.2.1 料仓: 料仓结构采用常见的圆筒形结构,料仓结构如图 5 所示: 根据水产养殖车间所使用的养殖饲料可得,所使用的饲料其密度约为 ,系统运载的饲料量为 ,则设定每个料仓所承载的饲料质量为 ,2m/kg376kg20 kg10 7 可算得料仓容积为: ,取料仓容积为 27L。设计料仓横截面尺LV59.26m/kg3710 寸以及高度时需要配合行走滑车尺寸,设定圆筒料仓横截面直径为 则 料m280D 仓高度为: 取 H=440mm。49r2LH 在实际的水产养殖过程中料仓在卸料过程中由于饲料流动的不均匀容易造成卸料 口的“鼠洞”状况以及在料仓中形成粘性料拱,影响卸料动作的顺利完成。为了避免上 述状况发生,提高投料的精确度,料仓应选择整体流型。经试验证实 ,聚四氟乙烯12 和不锈钢,其次为铝合金 ,等材料对于构造整体流型料仓较为适合。考虑到重量对13 行走装置的影响以及整个投饲系统减重的需求,选用镀锌钢板材料。料斗半顶角 与 料仓流型的配合是决定卸料能否顺利进行的重要因素,经试验的到:料斗仓壁倾斜度 与养殖饲料的休止角 满足关系: 时比较合适 ,粒状料仓底部倾角1A2A1521A14 应在 之间,在满足该条件下应尽量减小料斗半顶角。考虑料仓结构和料仓承载54 量,此处取料仓顶部倾角为 ,换算出料斗半顶角 为 。整体流料卸料口尺45145 寸的选择应恰当,避免尺寸太小导致卸料时形成拱料状况,机械性料拱的形成与圆形 卸料口直径同饲料颗粒直径大小有关。 卸料口尺寸应满足: ,实际测得饲料pd6B 颗粒平均直径 约为 0.52mm,此处取卸料口直径 B 为 。料仓和料斗的过度区pd m50 需要设置十字挡板,减小饲料之间的横向压力,避免在卸料区域形成结管和料拱,使 饲料能够顺利的投放 。15 3.2.2 卸料器 卸料器的设计选择带有 个叶片的典型卧轴式叶轮卸料器,卸料器叶轮有8 效长度为其直径的 倍,叶片端部设置的可调式弹性密封条有助于避免出现卸料2.1 过程出现卡料的状况,叶片和壳体内壁的间隙设计为 , 卸料器结构如图m2.0 6 所示。 8 3.2.3 控制部分 控制部分主要由 PLC、PLC 扩展位控模块、步进电机等组成。 料仓悬挂于行走滑车上,由固定环固定,固定环可减少行走滑车行走过程中料仓 惯性对投饲精度的影响。自动投料装置的控制部分主要由悬吊料仓的拉式传感器传递 的反馈信号经由控制终端 处理完成对投料动作的控制,拉式传感器选用 XL-3A 型。PLC 控制过程为:投饲量的精准控制是由拉式传感器配合步进电机完成的, 根据终端PLC 控制所设定的运行参数经由特殊的 位控制模块输出控制信号控制步进电机PLCEM253 驱动器驱动步进电机的运转,完成卸料动作。投料过程中拉式传感器反馈信号经由放 大器调理到适当电压范围后由 的扩展输入模块 运送到 做适当处理从231E 而判断是否达到投饲量,投饲的控制部分原理图如 7 所示。 9 3.3 电源模块: 为了适应养殖车间设备繁多,工作环境高温高湿的特点。选择可以充放电的蓄电 池作为供电模块,在另一方面提高了水产养殖车间自动投料装置运行的灵活性和稳定 性。整个投料系统的功能都由电源装置完成,其中主要的耗能模块包括行走滑车、投 料装置以及 PLC 控制终端,所选择的蓄电池应当能够为整个自动系统提供足够的运行 电能,因此,蓄电池的储电量大小由自动投饲设备主要耗能部件的功耗总和决定。 根据初始设计方案设定日投饲能力为 60kg/d,自动投饲系统需要完成 3 次的 投饲过程,行走系统一天所行走的路程总和 L 为:m65.8352.9L 电机额定运转的状况下,电机一日内的运转时间 t 为: in0.7i/.1V 计算出理想状态行走系统电机每日消电能 为:1W hWP65.t1 控制终端 型 CPU 的功率最大功耗为 20W,单个拓展模块功率为 6W,西门子 207S 触摸屏功率为 3W,因为控制终端设备需 不间断工作,得出控制icro8MTK h24 终端每日消耗电能 为:2 h84035t2 P 忽略耗能小的弱电设备,可得出自动投料系统一天内总的电能消耗量为: ,此时,为补足弱电设备耗电量,保证足够的电量储备,选hW6.8721 择 1.5 作为比例系数,计算出总耗能为: 。据此选择 3 个串并联组合的同型h1287W 号铅酸蓄电池,其型号为: ,单个该型号蓄电池电压输出为 ,额定容0DZMV12 量为 ,配合串接型号为 的 电源模块,使得整体达到输AH0 4SHDC 出电压稳定为 ,电量输出 ,额定容量 的要求,满足自动投料系统V244AH60 运行对电能的需求。 3.4 控制终端及软件设计: 本设计的控制终端以西门子 类型 PLC 作为系统控制软件的基础,配合其207S 他扩展模块构成。控制终端装有西门子 触摸屏,触摸显示屏通过 RS485icro178MTPK 串口与 CPU 模块双向通信,触摸显示频具有更改投饲系统运行模式与运行参数的功能。 控制终端具备两个 扩展模块,即 位控制模块和 模拟量输入模PLC53E231E 块 。前者用于投饲系统步进电机的控制,后者用于收集传递经由放大器调理到适当16 电压范围后的拉式传感器信号到 。控制程序方面由 pc 配合 系列LSIATC 10 PLC 相对应的专有编程软件完成, 通过 通信协议实现 PC 与 PLC 通信,207S 485RS 将程序下载到 PLC。自动投料系统的自动模式是系统的默认的运行形式,该模式下系 统按照初始设定的运行参数运行完成投料工作。养殖人员也可通过控制终端的触摸屏 更改系统的投饲量、投饲时间等运行参数,系统将以新的模式运行,这是系统的手动 模式。自动投饲系统开始运行后,直流电机驱动行走滑车沿着 型钢轨道运转,射频H 识别装置阅读器检测电子标签确定需投饲的鱼池位置,抵达位置后行走装置停止运行, 开始投饲动作。投料前,系统需要根据拉式传感器所传输的信号判断能否完成投料量 的要求并选择投料料仓。投料时,控制终端 通过传感器的反馈信号控制控制投料PLC 量,完成精确的投料指令。完成当前鱼池的投料要求后,系统继续运行直至完成所以 鱼池的投饲命令。自动投饲系统流程如下图所示: 4 结语 (1)本设计基于 控制,系统以蓄电池作为自我供电设备,运用传感器反馈控制、PLC 并且采用射频识别技术识别定位,是一种新颖的工厂化水产养殖投饲设备。 样机试验 表明,在实际水产养殖过程中,基于 控制的轨道式自动投饲系统在水产养殖车间PLC 工作中运行状况稳定,设计实验结果能够满足设计要求。 (2)本设计配合自动上下料机构能够完整的完成自动上料、自动定位、准确的自动卸 料的一系列动作,实现了工厂化水产养殖的全过程自动化,进一步的降低了人工成本 的投入以及人工劳动强度,提高了水产养殖的效率。 (3)在实际的养殖过程中该自动投料系统电源模块存在电量不足没有得到及时补充导 11 致系统运行中断,影响投料动作的完成,对实际的养殖带来投料不及时的问题。可以 开发相应的电量自动补充或余量反馈装置,使系统能够及时补充电量以保证投料的连 续性,另外系统程序的后续开发应注意自动投饲系统的缺料回补问题。 鸣谢 12 鸣 谢 同过这次毕业设计我受益匪浅,感谢毕业设计过程中设计过程中余国燕老师提供 的帮助,在我遇到问题时为我解疑,帮我理清设计思路,助我顺利完成毕业设计。 参考文献 13 参考文献 1庄保陆,郭根喜.水产养殖自动投饵装备研究进展与应用J.水产,2008(4):67-72. 2袁凯,庄保陆,倪琦,等.室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计与试验J.农业工程 学报,2013(3):169-176. 3 韩世成,曹广斌,陈中祥,等.水产养殖投饵控制系统的设计与研究J.水产学杂志, 2009,22(4):46-48. 4 邓素芳,杨有泉,陈敏.全自动饵料精量投喂装置的研究J.农机化研究, 2010,32(11):103-105. 5葛一健.我国投饲机产品的发展与现状分析J.渔业现代化,2010,37(4):63-65. 6 焦仁育.投饵机下料机构的现状分析J.河 南 水 产,2011(1):23-24. 7 马从国,倪伟.基于 PLC 工厂化水产养殖监控系统的设计J.工业仪表与自动化装 置,2005(2):51-53. 8郭根喜,庄保陆,王良运,等.基于 PLC 的远程气力输送自动投饵控制系统的设计与 实现J.南方水产,2008(6):6-16. 9 周晓光,王晓华.射频识别(RFID)系统设计、仿真与应用.M北京:人民邮电出版 社,. 10 伍东亮.串口通讯在车号识别中的应用J.中国科技信息,2007(19):120-121. 11 卢忠亮,沈慧芳,陈杰.基于射频识别的智能物流小车J.江西理工大学学报, 2011(6):53-56. 12 李志义,王淑兰,丁信伟.粉体物料和料斗材料对料仓流型的影响J.化学工业与 工程技术,2000,21(1):13. 13 李城,张秀坤.粉体料仓的设计J.设备与防腐,2002,30(1):64-67. 14 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