自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)的研制 *

（四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610066）

0 引言

中國的桑蠶養(yǎng)殖歷史悠久，隨著絲綢紡織工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)蠶絲的需求也逐漸增加，但是，大部分地區(qū)的桑蠶養(yǎng)殖模式還是傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖方式。針對(duì)蠶絲日益增長的需求，蠶業(yè)養(yǎng)殖就需要養(yǎng)殖規(guī)模化和工廠化。蠶業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模化和工廠化的前提是解決蠶業(yè)養(yǎng)殖機(jī)械的配套問題[1－3]，在蠶業(yè)養(yǎng)殖機(jī)械中，最為重要的是給桑養(yǎng)蠶機(jī)。

養(yǎng)蠶機(jī)主要是通過自動(dòng)化或半自動(dòng)化的方式對(duì)蠶架上的各齡蠶進(jìn)行給桑作業(yè)，現(xiàn)有的自動(dòng)或半自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)的研究重點(diǎn)在于如何將消毒后的桑葉通過傳輸帶輸出。而現(xiàn)在規(guī)模化的蠶業(yè)養(yǎng)殖中，常常是在養(yǎng)殖廠房中通過設(shè)置若干排蠶架進(jìn)行養(yǎng)殖，各個(gè)年齡的蠶分開進(jìn)行養(yǎng)殖，因此，在養(yǎng)蠶機(jī)的研制過程中需要考慮不同蠶架上蠶的喂養(yǎng)量再進(jìn)行給桑作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該機(jī)主要由儲(chǔ)料斗、放料裝置、給桑裝置、移動(dòng)裝置和PLC控制系統(tǒng)組成，其中，放料裝置主要由定量刀片和放料刀片組成，給桑裝置包括鋪平機(jī)構(gòu)、運(yùn)料皮帶和取蠶器，移動(dòng)裝置包括安裝在養(yǎng)殖廠房的軌道、養(yǎng)蠶機(jī)的機(jī)架等導(dǎo)軌上的鏈條電機(jī)。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)的工作原理

自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)通過傳感器檢測到蠶架的位置，通過鏈條電機(jī)帶動(dòng)軌道移動(dòng)到需要給桑的蠶架位置，當(dāng)取蠶器中的電磁鐵邊緣與蠶架接觸時(shí)，電磁鐵通電，將運(yùn)料皮帶與蠶架進(jìn)行連接。

根據(jù)蠶架對(duì)應(yīng)的桑葉喂養(yǎng)量，PLC 控制系統(tǒng)控制定量刀片左移（即打開定量刀片），放料刀片右移（即關(guān)閉放料刀片），此時(shí)，儲(chǔ)料斗中消過毒的桑葉下落到放料刀片上，當(dāng)下落的桑葉量達(dá)到該蠶架需要桑葉喂養(yǎng)量時(shí)，定量刀片右移（即定量刀片關(guān)閉），在關(guān)閉過程中，將處于儲(chǔ)料斗和定量刀片之間的桑葉切斷，使得儲(chǔ)料斗中的桑葉不再進(jìn)行放料，然后，繼續(xù)讓放料刀片左移（即打開放料刀片），使得桑葉下落到運(yùn)料皮帶上，通過PLC 控制系統(tǒng)控制運(yùn)料皮帶和蠶架的運(yùn)行速度，使運(yùn)料皮帶中的桑葉輸入至蠶架上，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給桑作業(yè)。在自動(dòng)給桑作業(yè)過程中，傳感器檢測運(yùn)料皮帶中的桑葉量，當(dāng)桑葉量過大時(shí)，通過鋪平機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，挑起高于運(yùn)料皮帶上限位擋板的桑葉向運(yùn)料皮帶反方向移動(dòng)，使桑葉盡量鋪平到皮帶內(nèi)。

完成蠶架的自動(dòng)給桑作業(yè)之后，改變電磁鐵的電流方向，使運(yùn)料皮帶與蠶架脫離。然后，通過鏈條電機(jī)控制養(yǎng)蠶機(jī)在導(dǎo)軌上移動(dòng)至下一個(gè)需要給桑的蠶架上，繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)給桑作業(yè)，在給桑作業(yè)時(shí)，鏈條電機(jī)連接的全部鏈條都處于互鎖狀態(tài)，直到完成整個(gè)養(yǎng)殖廠房的給桑作業(yè)。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 放料裝置的設(shè)計(jì)

如圖2所示，放料裝置主要包括定量刀片、放料刀片和定量刀片與放料刀片之間的活動(dòng)存儲(chǔ)倉，放料裝置的作用主要是根據(jù)蠶架上蠶的喂養(yǎng)量，精確到儲(chǔ)料斗中將定量桑葉輸送出來。具體的作業(yè)過程：根據(jù)蠶架上蠶的喂養(yǎng)量，通過打開定量刀片和關(guān)閉放料刀片，在儲(chǔ)料斗的下方形成一個(gè)活動(dòng)存儲(chǔ)倉，將儲(chǔ)料斗中的桑葉按照喂養(yǎng)量放料至活動(dòng)存儲(chǔ)倉，當(dāng)該蠶架上需要喂養(yǎng)的桑葉全部存儲(chǔ)至活動(dòng)存儲(chǔ)倉時(shí)，通過關(guān)閉定量刀片和打開放料刀片，將活動(dòng)存儲(chǔ)倉中的桑葉放料至運(yùn)料皮帶中，從而完成桑葉的放料過程。

放料裝置中定量刀片和放料刀片的打開和關(guān)閉主要是通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，將其設(shè)計(jì)成刀片形狀，可以將桑葉切斷，避免桑葉堵塞儲(chǔ)料斗和活動(dòng)存儲(chǔ)倉。

圖2 放料裝置

2.2 給桑裝置的設(shè)計(jì)

給桑裝置為養(yǎng)蠶機(jī)的核心裝置，主要的作用是將儲(chǔ)料斗中放料出的桑葉輸送至蠶架上。其核心機(jī)構(gòu)包括運(yùn)料皮帶、鋪平機(jī)構(gòu)和取蠶器。

2.2.1 鋪平機(jī)構(gòu)

鋪平機(jī)構(gòu)主要用于將運(yùn)料皮帶上的桑葉進(jìn)行鋪平作業(yè)。如圖3所示，鋪平機(jī)構(gòu)的主軸上包含多排鋪桑齒，鋪桑齒在旋轉(zhuǎn)過程中的最低點(diǎn)略低于限位擋板的高度，因此，鋪桑齒在旋轉(zhuǎn)過程中，可以將堆積高度超過限位擋板高度的桑葉向運(yùn)料皮帶的反方向移動(dòng)，從而將桑葉盡量的鋪平在運(yùn)料皮帶上。鋪平機(jī)構(gòu)的鋪桑齒齒距可以設(shè)置成活動(dòng)的，從而可以根據(jù)桑葉的大小、粘度等進(jìn)行齒距調(diào)整。鋪桑齒的旋轉(zhuǎn)速度可以與運(yùn)料皮帶的運(yùn)行速度相同或者略大于運(yùn)料皮帶的旋轉(zhuǎn)速度，鋪桑齒的旋轉(zhuǎn)方向與運(yùn)料皮帶的運(yùn)行方向相反。

圖3 鋪平機(jī)構(gòu)

鋪桑齒可以在運(yùn)料皮帶啟動(dòng)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)，也可以通過視覺傳感器發(fā)現(xiàn)運(yùn)料皮帶上的桑葉堆積高度超過限位擋板的高度時(shí)，再進(jìn)行啟動(dòng)。通過普通機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)料皮帶上的桑葉進(jìn)行鋪平作業(yè)，可以大大提升養(yǎng)蠶機(jī)給桑作業(yè)時(shí)的給桑效率。

2.2.2 運(yùn)料皮帶

運(yùn)料皮帶在養(yǎng)蠶機(jī)中的主要作用是將桑葉輸送至蠶架上，相當(dāng)于帶式輸送機(jī)，其傳動(dòng)類型為平帶傳動(dòng)，托輥在同一個(gè)平面上。從結(jié)構(gòu)上來看，運(yùn)料皮帶的膠帶兩邊封閉，在膠帶上設(shè)置多個(gè)限位擋板，限位擋板的高度與膠帶的兩邊高度相同。限位擋板之間的長度為30～50 cm。運(yùn)料皮帶在作業(yè)時(shí)，勻速傳動(dòng)。

2.2.3 取蠶器

取蠶器主要由水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)及水平電磁鐵構(gòu)成，主要用于連接和固定蠶架。當(dāng)取蠶器的電磁鐵邊緣與蠶架接觸時(shí)，電磁鐵通電，此時(shí)就可以帶動(dòng)蠶架與水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)一起向皮帶方向運(yùn)行。通過傳感器檢測蠶架的位置以及運(yùn)料皮帶內(nèi)桑葉的位置，通過PLC控制運(yùn)料皮帶和水平移動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)蠶架的運(yùn)行速度，使得運(yùn)料皮帶運(yùn)行到水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)邊緣之后，自動(dòng)將桑葉放料至與水平移動(dòng)結(jié)構(gòu)連接的蠶架上，通過蠶架上的滾動(dòng)傳輸裝置，將桑葉輸送至蠶架上，對(duì)蠶進(jìn)行給桑作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給桑作業(yè)。

完成一個(gè)蠶架的給桑作業(yè)之后，電磁鐵斷電，使得水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)反推回養(yǎng)蠶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)上，PLC控制系統(tǒng)控制鏈條電機(jī)帶動(dòng)養(yǎng)蠶機(jī)沿著軌道移動(dòng)至下一個(gè)蠶架上，對(duì)下一個(gè)蠶架進(jìn)行給桑作業(yè)。

2.3 移動(dòng)裝置

移動(dòng)裝置由機(jī)架、鏈條電機(jī)、移動(dòng)輪和鏈條組成，其作用是帶動(dòng)自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)在養(yǎng)殖廠房的固定軌道或活動(dòng)軌道上進(jìn)行移動(dòng)，使得養(yǎng)蠶機(jī)可以通過取蠶器與蠶架進(jìn)行固定連接，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)料匹配和蠶架之間的自動(dòng)給桑。在移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)置有6個(gè)移動(dòng)輪，通過4根鏈條將移動(dòng)輪與鏈條電機(jī)進(jìn)行連接。在養(yǎng)蠶機(jī)從一個(gè)蠶架移動(dòng)到另一個(gè)蠶架的過程中，鏈條電機(jī)通過鏈條帶動(dòng)移動(dòng)輪在軌道上進(jìn)行移動(dòng)。移動(dòng)速度可以根據(jù)養(yǎng)殖廠房中蠶架與蠶架之間的間距來進(jìn)行調(diào)整。采用傳感器識(shí)別蠶架的位置，根據(jù)識(shí)別到的位置，控制鏈條電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)蠶機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到需要給桑作業(yè)的蠶架時(shí)，此時(shí)移動(dòng)平臺(tái)中的4根鏈條全部處于互鎖狀態(tài)，使得養(yǎng)蠶機(jī)在給桑作業(yè)時(shí)，與蠶架進(jìn)行固定連接，從而避免在給桑作業(yè)時(shí)，部分桑葉從運(yùn)料皮帶或蠶架上灑落，可以大大提升給桑作業(yè)的效率。

3 養(yǎng)蠶機(jī)性能試驗(yàn)

在完成自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)的物理試制之后，采集新鮮的桑葉，對(duì)桑葉進(jìn)行消毒后投放至儲(chǔ)料斗中進(jìn)行自動(dòng)給桑試驗(yàn)。在給桑試驗(yàn)中，主要測試給桑均勻性和給桑效率，通過對(duì)多條蠶架的給桑試驗(yàn)，結(jié)果表明，在裝機(jī)容量小于0.75 kW時(shí)，養(yǎng)蠶機(jī)給桑作業(yè)的給桑均勻性可以達(dá)到93.2%，已經(jīng)超過設(shè)計(jì)的給桑均勻性90%的設(shè)計(jì)指標(biāo)，給桑效率可以達(dá)到0.15張/min，也超過原定的設(shè)計(jì)目標(biāo)0.1張/min。通過該性能試驗(yàn)，表明該養(yǎng)蠶機(jī)的性能已經(jīng)達(dá)到并且部分超過原定設(shè)計(jì)目標(biāo)，整個(gè)給桑過程只需要一個(gè)人即可完成操作，其作業(yè)效率是人工給桑的5倍以上，給桑的均勻性和穩(wěn)定性也較人工來說具有較大的提高。

4 小結(jié)

自動(dòng)給桑養(yǎng)蠶機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，能夠完成養(yǎng)殖廠房中標(biāo)準(zhǔn)蠶架的自動(dòng)給桑作業(yè)；操作簡單，可以有效降低人工給桑的勞動(dòng)強(qiáng)度；而且采用定量的放料裝置，可以精確控制不同蠶齡的喂養(yǎng)量，大大提升了給桑效率和給桑準(zhǔn)確率。