牛舍自动喂食系统标准设计.doc

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

小组组员：冯新安 012945

李章兵 012946

杨侃

专业年级：机制126班

指导老师：陈军 侯俊才 石复习 李卫

完成日期：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

小组组员：冯新安 012945

李章兵 012946

杨侃

专业年级：机制126班

指导老师：陈军 侯俊才 石复习 李卫

完成日期：12月30日

目录
1. 喂料车设计标准、指标、方案和设计优点…………………………………1
1.1设计标准
1.2设计指标
1.3总体设计方案确实定
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. 喂料小车方案确实定……………………………………………………………4
3.1.动力选择
3.2车轮选择
3.3皮带轮及传动比选择
3.4车架结构设计
4. 设计参数计算…………………………………………………………………5
4.1螺旋绞龙输料功率消耗
4.2滚动阻力计算
4.3喂料车行走功率计算
4.4总功率计算
5. 结论………………………………………………………………………………9
6.《机电一体化课程设计》收获、体会和提议…………………………………9

牛舍自动喂食系统设计
一、 序言

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，这一情况已严重影响中国养殖业发展。
伴随大家生活水平提升，中国养牛业发展快速，但因为缺乏和之相配套喂料机械，均采取人工喂料，费时、费工，且喂料不均，浪费严重。通常牧场工作环境差，枯燥繁重，待遇不高，造成了牧场长久招不到工人，甚至遏制牧场远期发展，为了处理这一老大难题为克服上述不足，她们正在寻求适应其工作养牛设备。
市场上现有喂料车有手推式和电动势两种，前者消耗体力大，效率低；后者是采取电流电作能源，其受限原因较多，使用过程中存在极大安全隐患，方便灵活性较差。
总而言之：我们小组综合各方面原因，搜集相关技术资料，提出了以下自动喂食系统，该系统最大特点是能够有效地处理人工喂料中喂料不规范等问题。系统结构简单，大大提升了喂料效率。

1.喂料车设计标准、指标、方案和设计优点
1.1设计标准
由以上论证，研制开发适于牛舍自动喂食系统，应接以下标准进行设计：
１）适应于牛舍式圈养；
２）为牛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）抵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）功率消耗不超出7kW；
４）要求连续使用寿命在十年以上；
５）造价低，价格廉。
1.3总体设计方案确实定
1）采取前置电动机做动力，轨道式地轮驱动，确保车子行驶轨迹稳定性，保持牛舍清洁，降低制造及使用成本；
2）前后轮采取耐磨耐压橡胶轮，附着力大，而且省力，其中用前轮做主驱动轮，承受驱动力，确保其转动灵活。
3）喂料车设置一个导向轮，应自由灵活，便于掌握方向，同时确保整个喂料车稳定；
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，排料量和排料速度由绞笼结构参数和电机转速决定；；
6）因为喂料速度不是太大，又要确保传动平稳，车内包含传动可采取皮带轮传动；
7）为了降低动力消耗和机件磨损及喂料可控性，在行走机构之间设置离合装置，能够自由离合。
8）采取PLC程序控制。
1.4设计优点
（1）尤其适合圈养式牛舍使用
圈养式牛舍，牛位置较为固定，采取轨道式和PLC技术控制，方便且轻易控制。
（2）节省人力
相对和一般喂料方法来说，本系统关键采取PLC技术控制，大大节省了人力。
(3)投料正确
出料口上安装有插板，经过控制出料口山插板上上下下移动来控制出料多少，从而达成投料正确，另外螺旋推进器能够转动，以预防车身行走不稳定带来投料误差。
(4)使用方便、降低用工量
该喂料车能够无人看管（或单人看管），即可简单实现整个牛舍喂料工作，而且效率高，速度快，和原来人工上料相比，优越性显著。
2.自动喂料系统设计
2.1自动喂料系统布局设计
现在，养牛关键分两种，一个是牧场放牧式，另外一个是牛舍圈养式。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牛舍，自动喂料小车采取轮轨式结构，小车在双轨道钢轨上滑动喂料，其牵引力是靠前端车轮和钢轨之间摩擦力提供。双轨道钢轨架设于养牛场牛栏上方位置，加料仓在钢轨周围，另外能够依据需要增加或降低加料仓数目。

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
自动喂料小车采取轮轨式结构，车体转角处采取 圆角过渡。本设计自动喂料小车结构图 2 所表示。 小车前端包含三菱 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起源，牵引电机启闭控制小车前进喂料和后退加料。小车后端包含小车饲料箱、小车喂料箱、两台电机和小车后轮 4部分。小车饲料箱作用是将饲料临时储存在小车中，需要喂料时饲料箱电机开启，饲料就经过饲料箱口加入到小车喂料箱中。小车喂料箱作用是喂料时饲料先从饲料箱中加入到喂料箱中，然后喂料箱电机开启，饲料就从喂料箱口加入到猪圈里食槽中。饲料箱和喂料箱分开设计是为了预防每个圈喂料量波动范围过大，不会因为喂料量不一样而影响猪生长，且分开设计能够愈加好地降低喂料过程中饲料浪费现象，节省了成本。小车后轮只是起到辅助作用，并没有动力。自动喂料小车结构图 2 所表示。

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.喂料小车方案确实定
3.1动力选择
现在作为动力有三种形式驱动方法：
1.发动机动力驱动：发动机作为动力，虽适合于移动作业，不过选择发动机造价肯定增高，排出废物轻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：人力驱动在狭小空间内使用，反倒增加了工作人员难度，因为人还要兼顾车和喂料，故在牛舍内不宜选择人力。
3.电动机驱动，该喂料车是一个轻型机械，靠电动机拉动料车，经过各级皮带传动（或链传动），把前轮转动而且按着一定方向行走，采取电动机作动力，能够简化小车在结构上设计，降低成本，降低无须要能量消耗，同时无环境污染，噪音小这适合中国国民经济发展情况，适合于中国劳动力过剩情况，同时亦和中国农机化发展情况相适应，故在各大中小型养牛场，推广电机驱动喂料车含有现实意义，含有推广价值，能够深受广大用户亲睐。
3.2车轮选择
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，便于购置，且价格廉价，而平板式前轮（WS-100-65），这是一个由实心橡胶轮胎和金属材料轮芯组合在一起制成，含有一定弹性，能承受较大载荷，用于低速，重载，其许可负荷为900N。
3.3皮带轮及传动比选择
排料器所需要转速和排料量相关，一头牛供食4KG， 依据试验要达成此喂料量，排料器所需要转速为210r/min～320r/min；
料车前进工作速度为：0.2～0.3m/s；
故总传动比i=150/50=3/1。
采取四极减速：第一级传动比i=3/1，第二级传动百分比3/1,第三级传动比3/1,第四级传动比4/1，传动比确定后，确定传动方法。
常见传动方法关键有链传动、齿轮传动、带传动三种。
1）链传动适合低速传动，传动效率低，不宜采取。
2）齿轮传动，传动比不能太大，造价高，关键是不能长距离传动，故
不能采取齿轮转动。
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，能确保稳定传动。
总而言之：该喂料车全部采取带传动。
3.4车架结构设计
因牛舍空间限制，车架长宽高全部不能超出这种限制，应尽可能地缩小，但又考虑到整个喂料车稳定性，又不能进行无限制减小，故确定车架长度为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。
车架采取单层热轧等边角钢焊接而成，尽可能地降低车架高度，直接经过轴承座，轴承和地轴相连接，高度降低使整个喂料车重心降低，增加了稳定性，又为预防车摇摆必需使小车车架子和地面确保一定得平行度。
4设计参数计算
4.1螺旋绞龙输料功率消耗
绞龙输料器消耗功率计算依据经验公式

其中：N-绞龙输料器消耗功率
　　C-取0.4
　　n-绞龙转速，取300r/min
　　l-输料长度
输料器输料长度为
L=1.6m；
以上数据代入上面经验公式得绞龙输料器消耗功率

4.2滚动阻力计算
图4-1所表示，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是行走消耗功率力。

图4-1料车行走时受力情况

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
喂料车行走消耗功率为
由上面知5.02N
Y---喂料车前进速度取
故1.532W
4.4总功率计算
饲料车总功率为
已知N为饲料器消耗总功率 700W
N3为喂料车行走消耗功率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 所表示。

对应PLC点
作用
X0
程序开始
X1
喂料车碰到圈前凸起，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时间
T2
饲料从喂料箱中加到食槽时间
T3
饲料从加料仓加到饲料箱时间
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可依据需要增加或降低数目，和加料仓数目一致。超出了PLC输入点数，还可对输入点数进行合适扩展，软件程序上更改也很方便。

由表二所得到外部接线图中看出PLC外部接线以下

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含主程序、喂料子程序 和加料子程序，程序步骤图 4 所表示。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凸 起，小车停下开始喂料，喂料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 提供编程软件为FXGP_WIN － C，可用梯形图、指令表和次序功效图来 写入和编辑程序，能够进行编程语言之间相互转 换; 能够用梯形图和次序功效图监视可编程序控制器 运行，同时显示多种多样功效窗口，也能够在梯形图、指令表和次序功效图程序窗口间切换，同时对她们进行编辑［5］。本程序利用以转换为中心编程方法进行编程，编程完后能够在线进行调试，直到程序满足要求为止。

图4程序步骤图

3 结论
1) 本自动喂料小车能够有效地处理管道喂料中出现管道饲料残留，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，大大提升了喂料效率。
2) 经过理论证实本控制系统程序可行，稳定性和可操作性好。
.4设计心得 
为期三星期课程设计转瞬即逝，经过担心计算和设计，我们圆满完成了此次机电一体化系统设计课程设计。 
《机电一体化系统设计》是一门综合性课程，它是一门机械技术和微电子技术交叉学科。伴随机械技术、微电子技术飞速发展，机械技术和微电子技术相互渗透越来越快。此次设计数控回转工作台就是机电有机结合产品。
在设计过程阶段，碰到了很多困难。在老师和同学帮助下，最终把问题一一处理了。在做控制系统设计时碰到了较大难题。因为以前对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。经过此次课程设计以后也使自己更深一步了解程序编写。经过此次课程设计以后，使自己对书本上东西有愈加深刻认识。因为自己能力有限，设计中难免也存在不少细节上错误，期望老师指出更正，并感谢老师您对我们教育

参考文件:
［1］ 栾远达. 探讨中国养牛殖业发展新模式［J］. 肉类工
业，( 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，( 5) : 28 － 29.
［3］ 张春贤. 牛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，( 5) : 30.
［5］ 廖常初. 可编程序控制器编程方法和工程应用［M］. 重
庆: 重庆大学出版社，: 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，.