牛舍自动喂食系统设计.docx
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牛舍自动喂食系统设计
机电一体化系统课程设计
题目：
牛舍自动喂食系统设计
内装：
1.设计说明书一份
2.程序设计图两份
小组成员：
冯新安2012012945
李章兵2012012946
杨侃
专业年级：
机制126班
指导教师：
陈军侯俊才石复习李卫
完成日期：
2015年12月30日
机电一体化系统课程设计说明书
题目：
牛舍自动喂食系统设计
小组成员：
冯新安2012012945
李章兵2012012946
杨侃
专业年级：
机制126班
指导教师：
陈军侯俊才石复习李卫
完成日期：
2015年12月30日
1.喂料车的设计原则、指标、方案和设计优点…………………………………1
1.1设计原则
1.2设计指标
1.3总体设计方案的确定
1.4设计优点
2.自动喂料系统设计………………………………………………………………2
2.1自动喂料系统布局设计
2.2自动喂料小车设计
3.喂料小车方案的确定……………………………………………………………4
3.1.动力的选择
3.2车轮的选择
3.3皮带轮及传动比的选择
3.4车架的结构设计
4.设计参数的计算…………………………………………………………………5
4.1螺旋绞龙输料的功率消耗
4.2滚动阻力的计算
4.3喂料车行走功率计算
4.4总功率的计算
5.结论………………………………………………………………………………9
6.《机电一体化课程设计》的收获、体会和建议…………………………………9
牛舍自动喂食系统设计
1、前言
中国是全球养殖大国，养殖量全球第一，但养殖技术落后，生产设施十分简陋，养殖效益差，这一状况已严重影响我国养殖业的发展。
随着人们生活水平的提高，国内养牛业发展迅速，但由于缺乏与之相配套的喂料机械，均采用人工喂料，费时、费工，且喂料不均，浪费严重。
一般牧场工作环境差，枯燥繁重，待遇不高，造成了牧场长期招不到工人，甚至遏制牧场的远期发展，为了解决这一老大难题为克服上述不足，他们正在寻求适应其工作的养牛设备。
市场上现有的喂料车有手推式和电动势两种，前者消耗体力大，效率低；后者是采用电流电作能源，其受限因素较多，使用过程中存在极大的安全隐患，方便灵活性较差。
综上所述：
我们小组综合各方面因素，搜集相关技术资料，提出了以下自动喂食系统，该系统的最大特点是可以有效地解决人工喂料中喂料不规范等问题。
系统结构简单，大大提高了喂料的效率。
1.喂料车的设计原则、指标、方案和设计优点
1.1设计原则
由以上论证，研制开发适于牛舍的自动喂食系统，应接以下原则进行设计：
１）适应于牛舍式圈养；
２）为牛的生产发展提供充足饲料，但又不过量，以免发生因饲料过剩而在食槽内积存发酵变质；
３）喂料车在牛舍内动作灵活，适于圈养牛舍，且噪音小；
４）结构简单，便于使用、维修、保养；
５）功率消耗小；
６）价格低廉。
1.2设计指标
１）到达指定位置后停车喂料，前进速度为40mm/s；
２）喂料均匀连续，不泄露，不堆积，不堵塞，流量为250g/s；
３）功率消耗不超过7kW；
４）要求连续使用寿命在十年以上；
５）造价低，价格廉。
1.3总体设计方案的确定
1）采用前置电动机做动力，轨道式的地轮驱动，保证车子行驶轨迹的稳定性，保持牛舍清洁，降低制造及使用成本；
2）前后轮采用耐磨耐压橡胶轮，附着力大，并且省力，其中用前轮做主驱动轮，承受驱动力，保证其转动灵活。
3）喂料车设置一个导向轮，应自由灵活，便于掌握方向，同时保证整个喂料车的稳定；
4）设置料仓、饲料箱、喂料箱，一个出料口把饲料输送到食槽；
5）排料由绞笼实现，排料量以及排料速度由绞笼的结构参数和电机转速决定；；
6）因为喂料速度不是太大，又要保证传动平稳，车内涉及的传动可采用皮带轮传动；
7）为了减少动力消耗和机件的磨损及喂料的可控性，在行走机构之间设置离合装置，可以自由离合。
8）采取PLC程序控制。
1.4设计优点
（1）特别适合圈养式牛舍使用
圈养式牛舍，牛的位置较为固定，采取轨道式和PLC技术控制，方便且容易控制。
（2）节省人力
相对与普通喂料方式来说，本系统主要采取PLC技术控制，大大节省了人力。
（3）投料精准
出料口上安装有插板，通过控制出料口山的插板上上下下的移动来控制出料的多少，从而达到投料的精准，另外螺旋推进器可以转动，以防止车身行走不稳定带来的投料误差。
（4）使用方便、减少用工量
该喂料车可以无人看守（或单人看守），即可简单的实现整个牛舍的喂料工作，并且效率高，速度快，与原来人工上料相比，优越性明显。
2.自动喂料系统设计
2.1自动喂料系统布局设计
目前，养牛主要分两种，一种是牧场放牧式，另外一种是牛舍圈养式。
为了方便机械自动化，此处我们选择了牛舍圈养式。
该系统应用于双列有窗封闭式的牛舍，自动喂料小车采用轮轨式的结构，小车在双轨道钢轨上滑动喂料，其牵引力是靠前端车轮与钢轨之间的摩擦力提供的。
双轨道钢轨架设于养牛场牛栏的上方位置，加料仓位于钢轨的周围，另外可以根据需要增加或减少加料仓的数目。
1.加料仓2.自动喂料小车3.大型养牛场4.粪尿沟5.小车双轨道钢轨
2.2自动喂料小车设计
自动喂料小车采用轮轨式结构，车体转角处采用圆角过渡。
本设计的自动喂料小车结构如图2所示。
小车前端包括三菱PLC控制系统和1台前轮牵引电机两部分。
小车前轮牵引电机是小车动力的来源，牵引电机的启闭控制小车的前进喂料和后退加料。
小车后端包括小车饲料箱、小车喂料箱、两台电机和小车后轮4部分。
小车饲料箱的作用是将饲料暂时储存在小车中，需要喂料时饲料箱电机启动，饲料就通过饲料箱口加入到小车喂料箱中。
小车喂料箱的作用是喂料时饲料先从饲料箱中加入到喂料箱中，然后喂料箱电机启动，饲料就从喂料箱口加入到猪圈里的食槽中。
饲料箱和喂料箱分开设计是为了防止每个圈的喂料量波动范围过大，不会因为喂料量的不同而影响猪的生长，且分开设计能够更好地减少喂料过程中的饲料浪费现象，节约了成本。
小车后轮只是起到辅助的作用，并没有动力。
自动喂料小车的结构如图2所示。
1.小车饲料箱2.小车饲料箱电机3.三菱PLC控制单元
4.车体5.前轮牵引电机6.小车前轮
7.小车喂料箱8.小车喂料箱电机9.小车后轮
图2自动喂料小车结构示意图
备注：
图中有部分细节未标出，具体选择和设计于下文提及
3.喂料小车方案的确定
3.1动力的选择
目前作为动力有三种形式的驱动方式：
1.发动机动力驱动：
发动机作为动力，虽适合于移动作业，但是选用发动机造价必然增高，排出的废物容易污染牛舍环境同时噪音大不宜在牛舍内应用。
2.人力驱动：
人力驱动在狭小的空间内使用，反倒增加了工作人员的难度，因为人还要兼顾车与喂料，故在牛舍内不宜选用人力。
3.电动机驱动，该喂料车是一种轻型机械，靠电动机拉动料车，通过各级皮带传动（或链传动），把前轮转动并且按着一定的方向行走，采用电动机作动力，可以简化小车在结构上的设计，降低成本，减少不必要的能量消耗，同时无环境污染，噪音小这适合我国国民经济发展状况，适合于我国劳动力过剩的状况，同时亦与我国农机化发展状况相适应，故在各大中小型养牛场，推广电机驱动喂料车具有现实意义，具有推广价值，能够深受广大用户的亲睐。
3.2车轮的选择
该喂料车设计为最大承料量为110kg，车身重100kg此重量作用在两个车轮上，故在地轮的选择上应做到能承受一定重量，滚动阻力小，附着力大，不易打滑，便于购买，且价格便宜，而平板式前轮（WS-100-65），这是一种由实心橡胶轮胎和金属材料轮芯组合在一起制成，具有一定的弹性，能承受较大的载荷，用于低速，重载，其允许负荷为900N。
3.3皮带轮及传动比的选择
排料器所需要的转速与排料量有关，一头牛供食4KG，根据实验要达到此喂料量，排料器所需要的转速为210r/min～320r/min；
料车前进的工作速度为：
0.2～0.3m/s；
故总传动比i=150/50=3/1。
采用四极减速：
第一级传动比i=3/1，第二级传动比例3/1,第三级传动比3/1,第四级传动比4/1，传动比确定后，确定传动方式。
常用传动方式主要有链传动、齿轮传动、带传动三种。
1）链传动适合低速传动，传动效率低，不宜采用。
2）齿轮传动，传动比不能太大，造价高，重要的是不能长距离传动，故
不能采用齿轮转动。
3）带传动适合中低速传动，传动效率高，成本低，传动距离较长，不打滑，能保证稳定传动。
综上所述：
该喂料车全部采用带传动。
3.4车架的结构设计
因牛舍的空间限制，车架的长宽高都不能超出这种限制，应尽可能地缩小，但又考虑到整个喂料车稳定性，又不能进行无限制的减小，故确定车架的长度为4000mm，宽度应为1950mm，为了增加其稳定性，车轮尽可能安置于车架两端，车架两侧。
车架采取单层的热轧等边角钢焊接而成，尽可能地降低车架高度，直接通过轴承座，轴承和地轴相连接，高度降低使整个喂料车的重心降低，增加了稳定性，又为防止车的摇摆必须使小车的车架子与地面保证一定得平行度。
4设计参数的计算
4.1螺旋绞龙输料的功率消耗
绞龙输料器消耗的功率计算根据经验公式
其中：
N-绞龙输料器消耗的功率
C-取0.4
n-绞龙转速，取300r/min
l-输料长度
输料器的输料长度为
L=1.6m；
以上数据代入上面的经验公式得绞龙输料器消耗的功率
4.2滚动阻力的计算
如图4-1所示，料车行走时，有两个阻力：
一是R1滚动阻力；二是R2附着阻力。
其中滚动阻力R1是行走消耗功率的力。
图4-1料车行走时的受力情况
P---轮子滚动阻力系数取0.02；
G---车子装满饲料时喂料车总重
（）
G1饲料总重为110kg（包含喂料箱和饲料箱中的饲料总重）G2喂料车重为100kg
所以得滚动阻力为：
R1=PG=5.02N
4.3喂料车行走功率计算
喂料车行走消耗的功率为
由上面知
5.02N
Y---喂料车前进的速度取
故
1.532W
4.4总功率的计算
饲料车总功率为
已知N为饲料器消耗的总功率
700W
N3为喂料车行走消耗的功率
1.532W
故
1401.532W
5自动喂料控制系统设计
5.1自动喂料控制系统硬件设计
自动喂料控制系统为三菱PLC控制单元，选择FX1N－40MR型号，其输入点数为24，输出点数为16。
三菱PLC输入点和输出点如表1和表2所示。
对应PLC点
作用
X0
程序开始
X1
喂料车碰到圈前的凸起，开始喂料
X2
遇见加料仓开始加料
X3
小车转过一圈，回到起点
Y0
小车前进
Y1
小车开始将饲料从饲料箱口加入到小车喂料箱中
Y2
饲料从喂料箱中加到食槽
Y3
饲料从加料仓加到饲料箱
T1
小车开始将饲料从饲料箱口加入到小车喂料箱中的时间
T2
饲料从喂料箱中加到食槽的时间
T3
饲料从加料仓加到饲料箱的时间
C0
牛舍数量
表1中小车前端开关X0固定在小车前端底部位置到凸起时小车停下并开始喂料。
系统开始开关X1安装在控制面板上，按下小车开始喂料，断开小车停止前进。
小车复位开关X2安在控制面板上，按下后小车回到起始位置上。
末端行程开关X3安装在钢轨上，当完成一次喂料后，碰到此开关后停下。
料仓行程开关X4~X7可根据需要增加或减少数目，与加料仓的数目一致。
超过了PLC的输入点数，还可对输入点数进行适当的扩展，软件程序上更改也很方便。
由表二所得到的外部接线图中看出PLC外部接线如下
图三PLC外部接线图
5.2自动喂料控制系统软件设计
自动喂料控制系统软件包括主程序、喂料子程序和加料子程序，程序流程如图4所示。
喂料过程:
喂料开始前小车停在起始位置上，按下系统开始开关后小车开始喂料，小车前进过程中碰到钢轨上圈前的凸起，小车停下开始喂料，喂料的步骤依次是小车饲料箱电机正转，向小车喂料箱中加料一段设定的时间，然后饲料箱电机反转并停止向喂料箱中加料。
饲料箱口闭合后喂料箱电机正转，开始向食槽中喂料，一段设定的时间后电机反转，喂料口闭合停止喂料，小车继续前进开始对下一个圈进行喂料。
小车前进过程中碰到加料箱下的行程开关，停下并向小车饲料箱中加料，一段时间后小车继续前进喂料。
系统软件实现:
三菱PLC提供的编程软件为FXGP_WIN－C，可用梯形图、指令表和顺序功能图来写入和编辑程序，可以进行编程语言之间的相互转换;可以用梯形图和顺序功能图监视可编程序控制器的运行，同时显示各种各样功能的窗口，也可以在梯形图、指令表和顺序功能图程序窗口间切换，同时对他们进行编辑［5］。
本程序运用以转换为中心的编程方式进行编程，编程完后可以在线进行调试，直到程序满足要求为止。
图4程序流程图
3结论
1）本自动喂料小车可以有效地解决管道喂料中出现的管道饲料残留，管道堵塞和管道老化，人工喂料中喂料不规范等问题。
小车结构简单，大大提高了喂料的效率。
2）经过理论证明本控制系统程序可行，稳定性和可操作性好。
.4设计心得
为期三星期的课程设计转瞬即逝，通过紧张的计算和设计，我们圆满的完成了此次机电一体化系统设计的课程设计。
《机电一体化系统设计》是一门综合性课程，它是一门机械技术与微电子技术的交叉学科。
随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。
本次设计的数控回转工作台就是机电有机结合的产品。
在设计过程阶段，遇到了许多困难。
在老师和同学的帮助下，最终把问题一一解决了。
在做控制系统设计时遇到了较大的难题。
由于以前对PLC控制部分知识没有掌握扎实，所以在控制
程序设计也比较困难。
通过本次课程设计之后也使自己更深一步的了解程序编写。
通过本次课程设计之后，使自己对课本上的东西有更加深刻的的认识。
由于自己的能力有限，设计中难免也存在不少细节上的错误，希望老师指出改正，并感谢老师您对我们的教育
参考文献:
［1］栾远达.探讨我国养牛殖业发展的新模式［J］.肉类工
业，2008（10）:
1－5.
［2］芦惟本，吴同山，邓志欢，等.自动喂料系统推广仍需降低
成本［J］.牛业科学，2008（5）:
28－29.
［3］张春贤.牛的全自动干饲料喂料系统［J］.北京农机，1990
（5）:
28－29.
［4］王影，牟金波，杨科会.北方牛场建筑技术参数［J］.养殖
技术顾问，2008（5）:
30.
［5］廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用［M］.重
庆:
重庆大学出版社，2001:
35－36.
［6］廖常初.FX系列PLC编程及应用［M］.北京:
机械工业出
版社，2005.
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