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[科技苑]畜禽养殖标准化示范创建(四)鸡蛋里挑出了1000万(20120712)
原本3块钱一斤的普通鸡蛋，如何让售价翻番?答案是改良成高品蛋。针对本地土鸡存在鸡蛋重量大小不一、外壳颜色斑驳，品质口感不一的问题，为了提高鸡蛋品质，冀国青采取了一系列技术措施。
（1)对鸡蛋进行严格的等级区分。挑选出颜色好、蛋壳坚固、个头重量均匀、蛋黄比例高这样的鸡蛋作为高品质鸡蛋。
（2）改变饲料配方。根据鸡的周龄，将原先育雏料、育成料、蛋鸡料3种饲料细分成10种饲料。
（3）改变蛋鸡的饲喂方式。采取电脑控制的全自动加料系统、饮水系统、集蛋系统、温控系统、光照系统。科学合理饲喂鸡群。
（4）好蛋源于好鸡。在鸡的一生，采取严格的优胜劣汰制度。提高鸡苗在年龄、健康水平等方面的整齐度。
对鸡蛋进行严格的等级区分;改变饲料配方;改变蛋鸡的饲喂方式;采取严格的优胜劣汰制度;提高鸡苗在年龄、健康水平等方面的整齐度。
一排排山鸡、孔雀、贵妃鸡、绿壳蛋鸡等珍禽栏舍，动物在音乐声中嬉戏觅食。
农庄内采用立体种养、生态循环模式生产经营，虽然年产百万只珍禽、野兽类特种动物，但是却没有一点臭味，这里环境优美，到处鸟语花香。走进招宝农庄，你不仅会为这里的翠竹、桂花、茶花、桃花、兰花等扑鼻的香味和美景所陶醉，你更会被这里的活跃、可爱的山鸡、孔雀、鹧鸪、野猪、野兔等动物所吸引，让你流连忘返。
然而，而创造这一奇迹的就是辞去医院医生工作的蓝招衍，他用自己独道的慧眼和胆识 ，用10个山鸡蛋成就了农庄今日的辉煌，创造了一个中国庄园经济的典范。演绎了一个靠养野生动物赚钱发财的致富传奇。
十枚野鸡蛋赚“大”钱
蓝招衍是畲族客家人，父母都是农民，他排行老大。从福建中医学院毕业后很快就成为医院的骨干。
如果不是一次偶然，世间就会少了一个出色的企业家，而多一个出色的医生。
1990年，一次出差到汕头，蓝招衍发现广东人对野味特别喜爱，当地的野生动物生意相当火爆，野鸡批发价每只都要50元。他动员高考落榜的弟弟偷偷卖掉了家里的两头大肥猪，瞒着生病的老父亲，以一个蛋30元的高价，买回了10个野鸡蛋。在乡亲们“蓝家兄弟是傻蛋，两头肥猪换10个鸡蛋”的嘲笑声中，蓝招衍硬着头皮和弟弟一起，租下了邻居的鸡舍。野鸡的销路出乎意料的好，蓝氏兄弟当年就挣回了2万元。
这在当时引起了轰动，报刊、电视多次报道，养殖规模也不断扩大。蓝招衍脱下白大褂，在那片荒山肆意挥洒着自己的激情，并不断引进绿壳蛋鸡、孔雀、红腹锦鸡等新品种，使他的企业效益以每年100多万元的利润在增长。到1996年他已是闻名全国的“珍禽大王”，全国各地的客户如朝圣般地到他的公司学习取经。
成功没秘诀 靠立体种养 生态循环
1997年以后，招宝生态农庄引进了最新的种植品种：台湾大青枣、墨西哥食用仙人掌等，并根据国内外的先进技术，结合多年的实践，研究出了一套降低企业经营风险，减少成本、提高效益的生态循环技术。
另外，蓝招衍还别出心裁，将淘汰的珍禽经高压灭菌后，作为优质蛋白质饲料来补充野猪的饲料；将农庄漂亮的山鸡、孔雀和红腹锦鸡加工成栩栩如生的标本，它不仅是高档、稀少的装饰品，又是珍贵的礼品和旅游纪念品[来源:
抢注“刘老根”带来另一商机
招宝生态农庄几百亩的荒山坡变成了“聚宝盆”。连绵的大山也没能羁绊住蓝招衍扩张的脚步：但企业怎样做大做强，蓝招衍一直在寻找新的灵感。
2003年2月，电视剧《刘老根》连续在中央和地方各台播出，掀起了一股收视浪潮，一时间“刘老根”在全国家喻户晓并成为休闲农庄的代名词，据专家估计，其无形品牌价值达几千万元。蓝招衍看准这一商机，抢注了“刘老根休闲农庄”商标，并获得了国家工商总局的批准。公司瞄准生态休闲农庄的巨大市场，借势将农庄的种植、养殖、加工、野味特色餐饮、休闲模式进行整合，在全国第一个开展“刘老根休闲农庄”的连锁加盟。蓝招衍建立中国生态农庄网，打出“刘老根休闲农庄”品牌为全国的生态农庄投资者提供全面服务，进行招商，许多外省市的人也纷纷慕名前来学习、考察，引进招宝农庄25年办农庄的成功经验，目前，全国各地已经有150多家生态农庄成为招宝公司的加盟农庄，招宝生态农庄已经成为立体种养、生态循环、高效农业的典范，引领着全国生态农业的发展方向。
为了学习国外先进生态农庄先进经验他先后到美国哈佛商学院、加拿大学习先进理念与知识，促进企业更快发展。
中央电视台、中国旅游卫视、各省级电视台、新华网、腾讯网、新浪网、搜狐网、商界等全国几百家媒体也对招宝农庄的事迹进行过上千次报道。
在中国特种养殖和生态农庄行业，不仅“招宝”品牌成为了公认的第一品牌，而且招宝公司也成为了起龙头作用的领军型企业。
用诚信打造中国生态农庄第一品牌
目前公司具有中国最具实战力及权威性的农庄策划、规划全程咨询服务体系，二十年农庄策、划规划实战经验，100余项农庄策划规划项目成果。
在25年的农庄建设中，他把自己25年的实践经验，，结合收集的数以千计失败和成功的教训，从立项、建设、运营等每个环节都进行系统地分析、总结，如：规划设计案例，选址、项目筛选、资金高效利用、申请土地、项目资金申报、建设周期、建筑风格、绿化苗木种植、产品深加工、野味餐饮、药膳保健、团队建设、人才培训、经营管理、市场开发、制度执行等进行深入、系统的研究。得出生复制农庄、农场的系列方法和知识，对家庭农场、生态农庄投资者可帮助他们节省1/3以上的投资费用，并且大大缩短建设期，打造产业链， 实现持续的高盈利。 他也成为生态农庄行业内公认的最著名的实战专家，具有很强的指导性。
为了把“刘老根”农庄这个品牌做大做强，真正做成“天下第一庄”。蓝招衍决定把自己25年千辛万苦积累的经验和价值数千万元的“刘老根”品牌拿出来与大家共享，让更多的投资者少走弯路，创造高效益。
如今的招宝农庄已成为全国生态农庄、家庭农场建设的典范，他每天在接待大量来自全国各地的家庭农场、生态农庄投资者，每月还要接待5、6批各省市的政府考察团，他坚信，通过特许加盟的方式，邀请更多有实力的投资者参加经营，一定能打造出一个 享誉世界的知名企业和“天下第一庄”。
第32卷 第8期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.8
48 2016年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2016
禽蛋自动捡拾系统结构设计及机械手运动规划
苑 进1,2，李 扬1,2，刘雪美1,2※，赵新学1,2，何林飞1
（1. 山东农业大学机械与电子工程学院，泰安 271018； 2. 山东省园艺机械与装备重点实验室，泰安 271018）
摘 要：针对目前国产自动集蛋设备自动化程度低，无法满足自动化禽蛋生产需要的问题，设计了包括禽蛋运输装置、震动矫正装置和捡拾执行装置的禽蛋自动捡拾系统，开发了禽蛋捡拾控制系统，实现了传送带上禽蛋的自动捡拾装盘功能；分析确定了捡拾机械手提升舵机输出力矩和吸盘吸气压力参数，优选了捡拾机械手的提升舵机和抽气泵，研究了机械手路径规划、追踪路线预估及取蛋-放蛋方案，加工了禽蛋自动捡拾系统样机，开展了样机捡蛋成功率、捡拾速率和取蛋-放蛋方案优化试验。试验结果表明：该装置操作简单、定位可靠，捡拾机械手捡蛋成功率达到98.3%，捡蛋入盘操作速率每次最快达2.4 s；禽蛋自动捡拾系统采用从传送带远离机械手一侧开始同向取蛋与蛋托左端靠近机械手一侧开始同向放蛋的组合，捡拾30枚鸡蛋平均所用时间最短为73.2 s。该研究为禽蛋自动化生产中的捡拾系统结构设计提供了参考。 关键词：机械化；控制；自动化；禽蛋自动捡拾；捡拾机械手；路径规划；取蛋-放蛋方案 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.007
中图分类号：TP241.3；S24 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016)-08-0048-08
苑 进，李 扬，刘雪美，赵新学，何林飞. 禽蛋自动捡拾系统结构设计及机械手运动规划[J]. 农业工程学报，2016，32(8)：48－55. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.007
王树才等[6]，张兴国等[7-8]，分别对禽蛋的破损检测、自
动集蛋装置机械系统设计和禽蛋吸运机械手仿真进行研究。目前中国中小型养鸡场大多仍是将托辊上的禽蛋转移到传送带上，输送到人工捡拾的位置，进行人工装托和包装，工作效率低。虽然大型养鸡场配备有国产的流水线式自动集蛋设备，但也只是实现了禽蛋自动收集、冲洗的功能，禽蛋的装盘包装还需人工完成。
随着农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中[9-13]。近年来，国内外学者对并联机器人的结构设计[14-16]、动力学与运动学分析[17-20]，参数优化[21-25]等进行了研究，并取得了一定成果，但关于禽蛋自动捡拾机器人的研究相对较少。
针对目前国产自动集蛋设备自动化程度低，无法满足自动化禽蛋生产需要的问题，本文针对中小型禽蛋生产企业规模小、对成本要求低等现状，设计了一种禽蛋自动捡拾系统，分析确定了捡拾机械手提升舵机输出力矩和吸盘吸气压力参数，研究机械手路径规划、追踪路线预估及取蛋-放蛋方案，并将其用于实验室自动集蛋系统进行验证。
1 整机设计
考虑到国内中小型禽蛋生产企业大多是将托辊上的禽蛋转移到传送带上，然后输送到指定地点再装托的生产模式，设计的禽蛋自动捡拾系统实现的是将传送带上随机分布的禽蛋有序的放入托盘内，提高禽蛋装盘过程的自动化程度。由于禽蛋转移到矩形硅胶槽传送带的过程中，不一定完全充满每一个硅胶槽，若直接转移到托
第8期 苑 进等：禽蛋自动捡拾系统结构设计及机械手运动规划
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盘内，结果是托盘不会完全放满禽蛋，仍需要人工填满，为此在系统设计时首先需将传送带上的禽蛋由放置的无序状态变成有序，然后通过机械手捡拾硅胶槽内的禽蛋，同时系统应具备判别硅胶槽内是否有禽蛋的智能化功能。如果硅胶槽内有禽蛋，通过结合传送带的速度，推算相应禽蛋的动态位置，控制机械手运动跟踪禽蛋后，迅速将禽蛋吸起并按设定的路线放蛋。为此本部分重点对禽蛋自动捡拾系统的结构和控制系统设计进行阐述。 1.1 结构设计
禽蛋自动捡拾系统由禽蛋运输装置、震动矫正装置和禽蛋捡拾执行装置组成，如图1所示。禽蛋运输装置用于收集、存放和传送禽蛋；震动矫正装置用于将传送带上的禽蛋由无序布置状态变成有序布置状态；禽蛋捡拾装置用于禽蛋的捡拾和装盘。
1.驱动滚筒 2.硅胶槽传送带 3.从动滚筒 4.震动矫正装置 5.压紧从动滚筒 6.压紧从动轮 7.接近传感器 8.禽蛋捡拾执行装置 9.禽蛋托盘 1.Driving roller 2.Silica gel conveyor belts 3.Driven roller 4.Shake correcting device 5.Pinch driven roller 6.Pinch driven wheel 7.Proximity sensor 8.Eggs picking execution device 9.Egg tray
图1 禽蛋自动捡拾系统示意图
Fig.1 Diagram of eggs auto-picking system
1.1.1 禽蛋运输装置
在禽蛋运输装置设计过程中，考虑到托辊滚动运输成本较高的问题，选择了传送带加硅胶条的运输方式。禽蛋运输装置由硅胶槽传送带、带有光电编码器的驱动滚筒、从动滚筒、伺服电机和传送带压紧装置组成。集蛋槽传送带表面由硅胶材料制成，在传送带表面的宽度和长度方向分成多个矩形硅胶槽，每个矩形硅胶槽形成底部为圆弧型的空腔集蛋槽，并在宽度方向由弧状结构槽脊分割，在长度方向由直线状结构槽脊分成多行，每格集蛋槽槽深为禽蛋宽度的一半，槽宽略大于禽蛋的宽度，槽长略大于禽蛋的长度。相邻集蛋槽的宽度方向设有一开缝，目的是防止传送带绕过驱动滚筒时表面的硅胶槽被拉断。集蛋槽传送带套在带有光电编码器的驱动滚筒和从动滚筒上，保证硅胶槽传送带以高精度稳定匀速运动。传送带压紧装置安装在集蛋槽传送带中段，由压紧从动滚筒和多个压紧从动轮组成，防止捡蛋区的传送带受到震动矫正装置的影响而震动。传送带压紧装置将禽蛋运输装置分为2个区域，即矫正区和捡蛋区，如图1所示。矫正区用于将传送带上的禽蛋填入矩形穴格中，捡蛋区用于捡拾禽蛋并放置到蛋托盘中。 1.1.2 震动矫正装置
震动矫正装置由弹簧1、脉冲电磁铁2和敲打部件3组成，如图2所示。多个震动矫正装置等距安装在矫正
区集蛋槽传送带下面。敲打部件下面安装有弹簧和脉冲电磁铁，上部垂直均匀设有齿状物，用于敲打集蛋槽硅胶传送带底部。为了减少禽蛋在运输过程中的破损，齿状物选用了橡胶材料。脉冲电磁铁按一定频率吸引、释放敲打部件，敲打部件靠弹簧向上的弹力敲打集蛋槽传送带底部。收集到集蛋槽传送带上的禽蛋呈随机分布，经过矫正区的震动后，禽蛋会落入集蛋槽中。
1.弹簧 2.脉冲电磁铁 3.敲打部件 4.传送带剖面图 5.禽蛋
1.Spring 2.Pulse electromagnet 3.Beat parts 4.Sectional view of conveyor belts 5.Eggs
图2 震动矫正装置示意图
Fig.2 Diagram of shake correction device
1.1.3 禽蛋捡拾执行装置
在禽蛋捡拾执行装置设计过程中，考虑到硅胶传送带上不一定每一个槽内都有禽蛋，也就是说禽蛋在硅胶槽内的位置不一定是确定的，需要进行判断。如果采用任烨[26]开发的机器视觉技术，选用工业相机和光源显然会极大地增加设备成本。在本部分设计中采用了一种低成本光电开关组检测硅胶槽内是否有禽蛋，如果槽内有禽蛋，然后结合传送带的速度，推算相应禽蛋的动态位置，控制机械手运动到该位置并动态跟踪禽蛋后，迅速将禽蛋吸起，按设定的路线放蛋，具备禽蛋位置识别功能。禽蛋捡拾执行装置由并联捡拾结构及其控制系统组成。并联捡拾结构是三自由度的并联结构，由主动臂、从动臂和捡拾机械手组成。捡拾机械手由旋转舵机、提升舵机和真空吸盘组成，如图3所示。真空吸盘功能就是气泵通过抽气孔抽气，从而吸起禽蛋。旋转舵机控制末端装置的水平旋转，以满足捡蛋操作的需要。提升舵机的作用是使真空吸盘向上旋转90°，从而将禽蛋竖直送入禽蛋托盘。
1.旋转舵机 2.提升舵机 3.硅胶吸盘 4.抽气孔
1.Rotation steering gear 2.Enhance steering gear 3.Silicone sucker 4.Vacuum holes
图3 捡拾机械手三维图
Fig.3 3D map of picking manipulator
1.2 禽蛋捡拾控制系统
禽蛋捡拾控制系统的硬件组成：PC控制器、基于PC
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农业工程学报（/retype/zoom/e5a43dab31b765ce0408148d?pn=3&x=0&y=63&raww=3400&rawh=279&o=png_6_0_0_140_232_612_50_892.83_1263&type=pic&aimh=39.38823529411765&md5sum=21fdf62f1ff041b520fbe53a0cc3eae9&sign=43eb054339&zoom=&png=70358-112914&jpg=439-2890" target="_blank">
图4 禽蛋捡拾控制系统流程图
Fig.4 Flow chart of eggs picking control system
1.3 工作流程
禽蛋自动捡拾系统的工作流程为：1）在养鸡场每排笼子的集蛋铁网上面铺设集蛋带，集蛋带将禽蛋收集并拉出，经过冲洗，然后将所有的禽蛋整合到硅胶槽传送带上；2）禽蛋运输装置分为矫正区和捡蛋区，矫正区的传送带下面安装若干震动矫正装置，目的是让禽蛋落入硅胶槽传送带上面的硅胶槽中，使禽蛋由无序变为有序；3）禽蛋进入捡蛋区后，接近传感器会感应到传送带上的禽蛋阵列，单片机接收信号通过RS232串口传入PC控制器，PC控制器接收信号并计算出每个禽蛋实时坐标；基于PC的PCL-839控制卡通过闭环控制器控制步进电机驱动器，驱动器驱动主动臂电机运动，捡拾机械手末端真空吸盘便会追踪禽蛋并最终吸起；同时单片机收到PC控制器发来的信号，使舵机控制真空吸盘向上旋转90°，使禽蛋竖直；机械手将禽蛋转移到禽蛋托盘上空时，继电器动作，二位三通阀变位，气泵与大气导通，禽蛋落入禽蛋托盘，从而实现禽蛋从传送带到装盘包装的自动化过程。
据力矩平衡以及力的转换关系得出
m⋅g⋅lEM⋅sinγ=F4⋅lED， （1）
F4=F2cosβ， （2）
F2
=F3。 （3） sinα
将上述公式整理后，得出提升舵机输出力矩为
T=F3⋅lBC=
m⋅g⋅lEM⋅lBC⋅sinγ
。 （4）
lEDcosβsinα
2 捡拾机械手参数分析
捡拾机械手是禽蛋自动捡拾系统的核心部件，它直接影响禽蛋自动捡拾系统的成功率和作业效率，而提升舵机输出力矩和吸盘吸气压力是捡拾机械手设计的两个重要参数，因此，有必要对其进行分析，同时也为捡拾机械手舵机和抽气泵选型提供依据。 2.1 提升舵机输出力矩的分析
当捡拾机械手吸盘吸起禽蛋后，需要提升舵机将吸盘向上旋转90°，因此提升舵机的输出力矩是其选型的重要依据。由于提升舵机各连接部件的质量较小，惯性力较小，对计算结果影响不大，因此忽略了提升舵机连接部件惯性力的影响。提升舵机工作受力情况如图5a所示，在吸盘旋转的过程中对舵机输出力矩进行动态分析，根
mm；lEM式中m为禽蛋质量，kg；lBC为舵机摆臂的长度，
为吸盘的总长度，mm；lED为连接杆与吸盘接点到吸盘旋转端的长度，mm；g为重力加速度，m/s2； F2为舵机摆臂作用于C点沿连接杆方向的作用力，N；F3为舵机摆臂C点所受法向作用力，N；F4为吸盘D点所受轴向作用力，N；T为舵机输出力矩，N·m；α为舵机摆臂与连接杆的夹角，rad；β为连接杆与吸盘的夹角，rad；γ为吸盘与竖直方向的夹角，rad。
将所有变量值带入式（4），可以得出舵机输出力矩的变化范围。为了满足使用要求，选用了Power HD生产的1501MG型 170 N大扭力舵机，响应速度0.14 s/60°。 2.2 吸盘吸气压力分析
捡拾机械手从吸盘吸起禽蛋到送入托盘过程中，对所需的吸盘吸气压力进行分析，如图5b所示，从而也为气泵的选用提供依据。当吸盘吸起禽蛋未旋转时，吸盘的吸气压力等于禽蛋的重力；当吸盘旋转90°后将禽蛋送往托盘过程中时，禽蛋所受合外力为
F1= （5）
故吸盘吸力为
F=
F1′
μ
=
（6）
第8期 苑 进等：禽蛋自动捡拾系统结构设计及机械手运动规划
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所需气泵吸气压强为
P=F/S。 （7）
式中F为吸盘吸力，N；F1为禽蛋所受合外力，N；F1′为F1的反向作用力，N；a为机械手运动的惯性加速度，m/s2；μ为吸盘摩擦系数；P为气泵吸气压强，Pa；S为吸盘口径面积，m2。
注：α为舵机摆臂与连接杆的夹角，rad；β为连接杆与吸盘的夹角，rad；γ为吸盘与竖直方向的夹角，rad；A、B、C、D、E为提升舵机各构件连接点；M为吸盘与禽蛋作用点；mg为禽蛋的重力，N；ma为禽蛋的惯性力，N；F1为禽蛋所受合外力，N；F1′为F1的反向作用力，N；F2为舵机摆臂C点沿连接杆方向的作用力，N；F3为舵机摆臂C点所受法向作用力，N；F4为吸盘D点所受轴向作用力，N。
Note: α is angle between steering gear arm and connecting rod, rad; β is angle between connecting rod and sucker , rad; γ is angle between sucker and vertical direction, rad; A, B, C, D, E represent each component junction of lifting steering gear; M is action point between sucker and egg; mg is gravity of egg, N; ma is inertial force of egg, N; F1 is resultant external force of egg, N; F′1 is reverse force of F1, N; F2 is force of steering gear arm at point C along connecting rod, N; F3 is vertical force of steering gear arm at point C, N; F4 is axial force of sucker at point D, N.
图5 提升舵机及禽蛋受力示意图
Fig.5 Diagram of forces analysis on lifting steering gear and egg
将各参数带入式（5）～式（7）中，即可得出所需气泵吸气压强。本文选择DC24V微型抽气泵，最大压强>525 mm（70 kPa），气密封性<10 mm/min，流量>13.0 L/min。
3 捡拾机械手路径规划
3.1 系统布局与坐标关系
禽蛋捡拾系统布局如图6所示，以最外侧接近开关为原点（0，0，0）建立三维坐标系，传送带沿y轴方向的中心距离c为55 mm，蛋托选用常用纸浆蛋托（5行×6列），相邻2个蛋孔中心距离b为45 mm，传送带前进速度恒定为v0，捡拾机械手吸盘初始坐标为（x0，y0，z0），蛋托左上角蛋孔x1y1坐标为（x1，y1，0），因此xiyj坐标为（x1+(i−1)b，y1+(j−1)b，0）。传送带根据需要可以设计不同的行数，从外往内依次排列，蛋槽上禽蛋坐标为v0t，(n−1)c，0），t为接近开关感应到禽蛋时计算的禽蛋前进时间，n为禽蛋在传送带上所处的行数。 3.2 捡拾机械手路径分析
并联结构经典的门式路径，如图7a所示，一次完整的捡拾禽蛋入盘路径顺序为：A—B—C—B—A—D—E—D—A。然而一次完整的捡拾动作，经典的门式路径在
B、D两处分别有2次停顿，会影响末端的运行速度，路径长度也较长。
1.硅胶槽传送带 2.接近开关 3.机械手末端吸盘 4.蛋托 1.Silicone conveyor belts 2.Proximity switch 3.Manipulator sucker 4.Egg tray 注：b为相邻两个蛋孔中心距，mm；c为传送带Y轴方向的中心距，mm；v0为传送带前进速度，m·s-1；X、Y为坐标系两方向；xiyj为托盘第i列、第j行蛋孔的坐标，mm。
Note: b is center distance between two adjacent eggs hole, mm; c is center distance of conveyor belts along Y-axis, mm; v0 is forward speed of conveyor, m·s-1; X and Y are two directions of coordinates; x
iyj is coordinates of column i and row j egg hole, mm.图6 禽蛋捡拾系统布局示意图
Fig.6
Diagram of eggs picking system layout
图7 门式路径设计图 Fig.7 Gate-type path diagram
本设计中采用圆拱门式路径，如图7b所示，捡拾路径为：A—B—C—A，这样就避免了经典门式路径在B、D两处停顿的问题，既保持了末端运行的连续性，也减少了路径长度，提高了捡拾效率。 3.3 捡拾机械手追踪路线的预估
当捡拾机械手放蛋的同时，就要预先估算抓取下一个目标禽蛋时的坐标，相应的调节运行路线去抓取目标，如图8所示。
注：θ为传送带上禽蛋与托盘上蛋孔之间的夹角，rad。
Note: θ is angle between egg on conveyor belts and egg hole on tray, rad.
图8 捡拾机械手追踪目标预估示意图
Fig.8 Estimation diagram of picking manipulator tracking target
目标禽蛋初始坐标为（x0，y0，0），捡拾机械手初始坐标（x1，y1，0），捡拾机械手与目标禽蛋相遇时坐
标（x，y，0），可以算出θ=arctan(y1
−y0
x。设经过时1−x0间t，机械手与目标禽蛋相遇，所以相遇时坐标为
（【鸡蛋收集系统】
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农业工程学报（/retype/zoom/e5a43dab31b765ce0408148d?pn=5&x=0&y=2&raww=139&rawh=24&o=jpg_6_0_______&type=pic&aimh=24&md5sum=21fdf62f1ff041b520fbe53a0cc3eae9&sign=43eb054339&zoom=&png=190972-290816&jpg=3066-5731" target="_blank">
2
v1⋅t2=(x1−x0)2+(y1−y0)2+v0⋅t2−拾机械手末端运动速度水平方向分速度的平均值，m/s。
求出t的值，从而可以确定捡拾机械手抓取目标禽蛋时的坐标，机械手从而进行相应的路线调整。 3.4 取蛋-放蛋方案分析
当大量禽蛋通过捡蛋区域时，禽蛋自动捡拾系统选用不同的取蛋顺序和放蛋顺序，运动的总路程和所用总时间也会不同，这直接影响禽蛋自动捡拾系统的工作效率。与刘继展等[27]面向立柱栽培的机器人移栽苗序与路径选择类似，以传送带不同端为起始点进行蛇形和同向顺序取蛋，如图9所示。由图9可以看出，禽蛋随传送带由左向右运动，为使禽蛋都能在捡蛋区域被捡起，捡拾机械手一列列的捡拾禽蛋，因此取蛋方案有图中4种。
2v0⋅θ
。 （8）
整理上式后得出关于t的一元二次方程
22
(1−v0)t+2v0⋅cos−2
。 （9）
(x1−x0)−(y1−y0)=0
22
式中x0，y0分别为目标禽蛋初始X、Y坐标值，mm；x1，y1
分别为捡拾机械手初始X、Y坐标值，mm；θ为传送带上禽蛋与托盘上蛋孔之间的夹角，rad；v0为传送带前进速度，m/s；t为机械手与目标禽蛋相遇时经过的时间，s；1为捡
图9 捡拾机械手的取蛋方案
Fig.9 Picking solutions of picking manipulator
以蛋托的不同端为起始点进行同向和蛇形顺序放蛋，如图10、图11所示。捡拾机械手在蛋托上的放蛋方案一共分为16种，结合4种取蛋方案，共得到64种取蛋-放蛋方案。禽蛋在传送带上一直保持运动，坐标实时变化，通过计算取蛋-放蛋总路程确定最优方案比较困难，通常采用样机试验的方法获得最优方案。
图10 同向放蛋方案
Fig.10 Laying solutions in same direction
4 样机试验
禽蛋自动捡拾系统样机如图12所示，在山东农业大学智能农机装备实验室对禽蛋自动捡拾系统样机进行了试验验证。试验用传送带运行速度0.02 m/s，吸气泵压强大于70 kPa，吸盘口直径20 mm，捡拾执行装置步进电机静力矩2.8 N·m，额定电流5 A。试验内容主要包括：
机械手禽蛋捡拾成功率，禽蛋捡拾速率和取蛋-放蛋最优方案确定。
确定样机取蛋-放蛋最优方案试验方法：样机从传送带上捡蛋装入托盘，装满一托盘（捡拾30枚禽蛋）为一次试验周期。采用64种方案，分别进行50次试验周期，记录每次试验周期所用时间，求出50次试验所用时间的平均值，最终找出所用时间最短的取蛋-放蛋方案。
自动集蛋装置的研究与设计
121
李彦蓉，王爱民，张海云
（1．山东理工大学机械工程学院，山东淄博
摘
要：
255049；2．山东新华制药股份有限公司104车间，山东淄博255005）
简述了养殖业自动化的意义及重要性，详细介绍了自动集蛋装置机械系统和控制系统的结构组成及工
作原理。自动集蛋装置的传动系统采用螺旋副及二级液压缸，控制系统采用89C51单片机和步进电机。整套装置工作协调，实现了集蛋装置的准确定位以及不同高度鸡蛋的自动收集。关键词：集蛋装置；89C51单片机；二级液压缸；控制系统中图分类号：S817．25
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2014.12.043
+
文献标识码：A文章编号：1003－188X（2014）12－0172－03
0引言
是人类获得动物性食养殖业是农业的重要支撑，
Y方向的移动；二是用于控制Z方向定的轨迹完成X、
运动的结构，由二级液压缸实现，以收集不同高度的鸡蛋
。
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
1．1
自动集蛋装置机械系统设计
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
1．滚珠丝杠2，28．螺栓3．滑动导轨4，25．丝杠支架5，22．轴承盖6．螺母7，10，20．螺钉8．密封圈
9．燕尾导轨11，21．丝杠螺母12．导柱副13．液压缸底座14．二级液压缸15．托板16．托盘17．蛋盘18．工作台19．镶条23．滚珠丝杠专用轴承24．弹性膜片联轴器26．步进电机27．安装底座
图1Fig．1
自动集蛋装置机械系统总体结构图eggautomaticcollectiondevice
［1－3］
装底座、传动装置、工作台及蛋盘托板等组成，可根据Y方向运功能划分为两个子系统：一是实现工作台X、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
收稿日期：2014－03－03
基金项目：山东理工大学科技项目（201289）作者简介：李彦蓉（1959－），女，陕西渭南人，副教授，工学硕士，
（E－mail）lyr11@sdut．edu．cn。
Wholestructuredrawingofmechanicalsystemsof
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
［4］
。研究自动集蛋装置在鸡舍中的
是为了解决运动干涉问题，防止装置在工工作位置，
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3
Fig．3
单片机输入电路图
Inputcircuitdiagramof
microcontroller
1．自动集蛋装置2．第1层工作位置3．第2层工作位置4．第3层工作位置5．鸡蛋传送装置6．鸡笼7．鸡笼支撑架
图2
Fig．2
集蛋装置工作位置示意图
Fig．4
图4
单片机接口电路图
Workpositiondrawingofeggcollectiondevice
Interfacecircuitdiagramof
microcontroller
2
2．1
自动集蛋装置控制系统设计
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。Y两个本设计采用两个89C51单片机控制工作台X、方向的运动，具有上限工作频率高的优点
［5－6］
。
1）89C51单片机输入信号接口电路如图3所示。11号引脚。将信号输入89C51单片机的10、
2）89C51单片机接口电路如图4所示。其中，1011号引脚接收光电开关发出的开关信号，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
［7－9］
图5Fig．5
步进电机接线图
Steppermotorwiringdiagram
。
SW是手动开关，SQ是行程开关，SP是在图3中，
光电开关。其控制过程如下：按下开关SW，鸡蛋输送
3）步进电机接线图如图5所示【鸡蛋收集系统】【鸡蛋收集系统】
。
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SQ1使SW断开；将工作台返回起始点（程序控制），
重新装上空蛋盘；依次循环，装满鸡蛋的蛋盘取下来，实现鸡蛋的自动收集。2．2
液压系统设计
集蛋为了解决不同高度鸡笼上鸡蛋的收集问题，
［10］
KM2得电，③回程。按下SB2，活塞依次缩回；SB1、SB2联锁，KM2不能同时工作。使KM1、
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
。
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M型中位机能的三位四通电磁阀、液压泵、二级液压缸及溢流阀等组成
。
图8Fig．8
主控制电路图
Maincontrolcircuitdiagram
主控制电路的工作过程如下：①按下SB1后，KM32启动，KM31启动。延时延时一定时间T1后，
图6Fig．6
液压系统图
的目的是防止鸡蛋在输送带上堆积。②按下SB2后，KM31停止，KM32停止。延时延时一段时间T2后，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。
Hydraulicsystem
diagram
3结论
社随着社会的进步和人民生活水平的不断提高，
会对禽蛋的质量和数量都有更高的需求。实现禽蛋
图7
Fig．7
液压控制系统电路图
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。
（下转第181页）
Circuitdiagramofhydrauliccontrolsystem
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。
2014年12月农机化研究
2005，17（2）：56－58．
第12期
［11］刘清，陈东耀，等．小型谷物联合收割机的发展杨宝善，
．农机化研究，1995（3）：24－趋势及其设计要求初探［J］26．
［12］万霖，马永财．纵置单轴流滚筒脱粒与分离装置衣淑娟，
．黑龙江八一农垦大学学报，功耗性能试验研究［J］
［13］孟繁昌，庞风斌，叶耘，等．联合收获机水稻收获性能对
J］．农业机械学报，2005，36（5）：141－143．比试验［
［14］徐立章，李耀明，张立功，等．轴流式脱粒－清选装置试验
J］．农业机械学报，2007，38（12）：85－88．台的设计［
DesignandParameterOptimizationofADouble－spiral
FeedingandThreshingＲoller
GengLingxina，ZhangLijuanb，ShiQingxianga，LuXiulia，ZhouMinglib
（a．AgricultureEngineeringCollege；b．VehicalandTransportationEngineeringCollege，HenanUniversityofScienceandTechnology，Luoyang471003，China）
Abstract：Adouble－spiralfeedingandthreshingrollerisdesignedtoharvestricebeforecutting．Throughtest－bed，or-thogonalandregressiveexperimentsarecarriedouttostudyrelationsbetweentargets，includingloss－rateanddirtper-centage，andfactors，includingrollerspeed，teethclearance，teethheightandrollertaper．Therulersareobtainedbyanalyzingtestdataandoptimalparametersaredefinedasbelow：rollerspeed760r/min，teethclearance12．4mm，teethheight8mmandrollertaper5°aswellasloss－rateloss－rateanddirtpercentageanddirtpercentage8．75%．Keywords：threshingbeforecutting；graincombineharvester；axialflowthreshingdivice；parameteroptimization（上接第174页）参考文献：
．北京：机械工业出版［1］卜炎．机械传动装置设计手册［K］
1999．社，
［2］李庆余，M］．北京：机械工业孟光耀．机械制造装备设计［
2013．出版社，
［3］中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册［K］．北
2007．京：中国农业科学技术出版社，
［4］侯宝利，J］．养孙广岩，王林元．鸡舍的选址、建筑及结构［
2011（6）：49．殖技术顾问，
［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．
［6］王晓明．电动机的单片机控制［M］．北京：北京航空航天
2011．大学出版社，
［7］赵玉刚，M］．北京：机械工业出版社，宋现春．数控技术［
2003．
［8］方建军．光机电一体化系统接口技术［M］．北京：化学工
2007：54－62．业出版社，
［9］齐占庆，M］．北京：机械化工业出王振臣．电气控制技术［
2008．版社，
［10］沈兴全．液压传动与控制（4版）［M］．北京：国防工业出
2013．版社，
AbstractID：1003－188X（2014）12－0172－EA
StudyandDesignonDeviceofEggAutomaticCollection
LiYanrong1，WangAimin2，ZhangHaiyun1
（1．MechanicalEngineeringCollegeofShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China；2．104WorkshopofShandongXinhuaPharmaceuticalCo．Ltd，Zibo255005，China）
Abstract：Thispaperdescribedthesignificanceandimportanceoftheaquacultureindustryautomation．Thestructureandworkingprincipleofthemechanicalsystemandcontrolsystemwereintroducedindetail．Thescrewpairandtwohy-drauliccylinderswerechoseninthedrivesystem，and89C51microcontrollerandsteppermotorswereusedinthecontrolsystem．Coordinationoftheentiredeviceensuredaccuratepositionoftheeggcollectiondeviceandautomaticcollectionfortheeggsatdifferentheights．
Keywords：eggcollectiondevice；89C51microcontroller；twohydrauliccylinders；controlsystem
一、整体解读
试卷紧扣教材和考试说明，从考生熟悉的基础知识入手，多角度、多层次地考查了学生的数学理性思维能力及对数学本质的理解能力，立足基础，先易后难，难易适中，强调应用，不偏不怪，达到了“考基础、考能力、考素质”的目标。试卷所涉及的知识内容都在考试大纲的范围内，几乎覆盖了高中所学知识的全部重要内容，体现了“重点知识重点考查”的原则。
1．回归教材，注重基础
试卷遵循了考查基础知识为主体的原则，尤其是考试说明中的大部分知识点均有涉及，其中应用题与抗战胜利70周年为背景，把爱国主义教育渗透到试题当中，使学生感受到了数学的育才价值，所有这些题目的设计都回归教材和中学教学实际，操作性强。
2．适当设置题目难度与区分度
选择题第12题和填空题第16题以及解答题的第21题，都是综合性问题，难度较大，学生不仅要有较强的分析问题和解决问题的能力，以及扎实深厚的数学基本功，而且还要掌握必须的数学思想与方法，否则在有限的时间内，很难完成。
3．布局合理，考查全面，着重数学方法和数学思想的考察
在选择题，填空题，解答题和三选一问题中，试卷均对高中数学中的重点内容进行了反复考查。包括函数，三角函数，数列、立体几何、概率统计、解析几何、导数等几大版块问题。这些问题都是以知识为载体，立意于能力，让数学思想方法和数学思维方式贯穿于整个试题的解答过程之中。
实验名称：如何使鸡蛋从高空坠落时不摔碎？
实验组别与成员：
第六，九组：卫奕澄，刘韶宇，王夕
实验目的： 将一个采取了一定保护措施的鸡蛋从教学楼三楼上扔下，使其自由下落。在鸡蛋不破的前提下，整个装置重量（不包括鸡蛋）越小，体积越小，其比赛成绩就越靠前。
实验原理与器材： 1. 计算得出从十几米的高空落下，若不计空气阻力，物体落地时的速度将达到十多米每秒。
2. 动量定理表达式：Ft =△p
其中△p指的是动量的变化，F指的是冲力的大小，t指的是力的作用时间。 由于鸡蛋在下落的过程中，动量的变化△p一定，鸡蛋所受的力F与力的作用时间t成反比，即t越大，F就越小，作用在鸡蛋上的力就越小。这样，鸡蛋就不容易碎了。
3. 由空中垂直下落的物体所受空气阻力f与空气的密度ρ、物体的有效横截面积S、下落的速率v的平方成正比，阻力的大小可表示为f=CρSv2，其中C为阻力系数，一般在0.2～0.5之间，ρ=1.2kg/m3，物体下落经过一段时间将达匀速，这称为终极速率。
我们可以发现如下的一些日常现象：
雨滴在空气中下落，速度越来越快，所受空气阻力也越来越大。 当阻力增加到与雨滴所受重力相等时，二力平衡，雨滴开始匀速下落。
跳伞运动员在空中张开降落伞，凭借着降落伞较大的横截面积取得较大的空气阻力，得以比较缓慢地降落。这些都是这个公式在生活中的应用。
明白了这以后，就不会认为装置的加速度是9.8m/s2了。
4.一切物体都具有惯性。在“高空坠蛋”整个装置落地的一瞬间，装置静止，然而鸡蛋由于惯性，还会继续运动，造成与装置挤压、碰撞，容易损坏。如何将鸡蛋由于具有惯性而造成的影响降到最低，还需要我们进一步分析解决。
5.所用器材：一只鸡蛋，一块塑料桌布，4根20cm长的棉线，一块长，宽为15cm,高为10cm的海绵，塑料袋，透明胶，剪刀。
6.实验地点：交大附中2号教学楼3楼、6楼【有风，但风速不大】
实验设计与步骤：
1、降落伞型：
降落伞型，顾名思义，就是利用降落伞，增大空气阻力，以使鸡蛋连同整个装置平稳落地。
这种方案最容易想到，因为跳伞、宇宙飞船减速，都运用了这个方法，效果很好。安全性极高，使整个装置达到较小的速度即可匀速下落。装置的重量也不会很重。
-1
唯一的缺点就是：受大气扰动影响太厉害，会使实验装置飘忽不定，准确性较差。
2、外包装型：
外包装型，就是用较多的减震材料将鸡蛋严严实实地包裹起来。比如泡沫、棉花、各种填充材料等。通过这些材料的缓冲作用，达到保护鸡蛋的目的。
这种方案也较容易想到。平常生活中用各种填充材料保护贵重用品的方法相信大家都见到过。这的确是一个有效的方法。这种方案由于受空气阻力影响很小，所以准确性较高。由于所使用的材料都是密度极小的，所以可将整个装置的重量降到最低。但美中不足的是：整个装置是自由下落状态，到达地面时的速度较大，因而对装置的坚固度和缓冲效果要求较高，安全性稍差一点。
3、不倒翁型：
不倒翁型，就是使整个装置像不倒翁一样，把重心尽可能降低，使得装置下落时能保持稳定状态，确保始终让一个面着地。那么保护工作只需要在这一个面做好就行了，从而节省了材料。
这种方案充分考虑到了上一种方案可能出现在空中翻滚现象，经过改进形成的。其可靠性远远高于第一种方案，材料更节省，准确性更高。美中不足的就是为了确保装置的重心降低，势必要在底部放上一个质量较大的物体，这就大大加重整个装置，将影响比赛成绩。
4、多面体型：
多面体型，就是把整个装置制作成一个多面体，将鸡蛋用结实的绳子固定在多面体的中央，使整个鸡蛋悬空。装置落地后，不论哪个面着地，鸡蛋都不会着地，鸡蛋就完好无损了。
这种方案无需额外的材料，只需要制作多面体的骨架和几根线即可，用料极其节省，因而重量会大大降低。因受空气阻力较小，所以稳定性较好。但这种方案也有一个大的缺点就是多面体不易扎制，结实程度不高，落地后可能会散架，鸡蛋也就岌岌可危了。
5、双气球型：
双气球型，就是将鸡蛋放在一个气球中，充入一定量空气，在外面再套一个气球，充入适量空气。这样两层气球之间就会形成一个气垫，会使鸡蛋免受地面的冲击。 这种方案所用材料应该是所有方案中最省的，重量只是两个气球的重量，几乎可以忽略不计。但这种方案有一个致命的缺点就是两层气球之间有一块是紧密接触的，没有气垫的保护，如果此面着地，一切都完了。另外，由于重量太轻，受空气扰动影响，其稳定性也不是很好。
6、螺旋桨型：
螺旋桨型，就是在整个装置上方安置一个螺旋桨，靠流动的空气推动或遥控，使螺旋桨旋转起来，以提高安全性和准确度。这极像直升飞机的飞行原理。
这种方案因螺旋桨的转动而减小了装置下落的速度，安全性更高。如果是遥控，准确性也会很高。问题是如何保证螺旋桨始终朝上，螺旋桨一旦不朝上，准确性将无从谈起。如何保证螺旋桨平稳旋转也是一个问题。
7、滑翔机型：
滑翔机型，顾名思义，就是将鸡蛋悬挂在滑翔机下方，整个装置就会在空气中滑翔，最后会平稳地降落。
8、盐水型：
盐水型，就是配一个密度很大的氯化钠溶液，让鸡蛋漂浮在上面，落地后盐水就充当了缓冲材料，保证鸡蛋不破。
-1
这种方案新颖独特，用盐水作缓冲，安全性较高，受到空气阻力影响很小，准确性较高。但装置不易控制，如果装置在空中翻滚，盐水洒出，就起不到保护作用了，因此，一定要保证装置重心要稳，并且尽可能降低。这种装置的重量问题也是不容忽视的，毕竟，盐水的密度要比泡沫大得多。
9、吸管组型：
吸管组型，用几根吸管绑在一起做成吸管组，将几组吸管组搭成金字塔形，将鸡蛋夹在中间，用胶条固定。吸管由于是中空的，可以起到缓冲作用。
这种方案材料来源广泛，重量轻，体积小，因而准确性较好。至于安全性嘛，可能要差一点，吸管的缓冲作用毕竟有限。
最后，我们小组选择了降落伞型装置。
实验结论与反思： 1、天气状况的影响：
天气状况对这种比赛的影响可以说是非常大的。主要影响是风力的大小。理想的天气状况应该是几乎没有风，这样才能保证一些需要借助空气阻力来减速的装置能够平稳降落。如果风太大，那么降落伞型、螺旋桨型、双气球型等类型的实验装置就会在风中摇摆不定，准确性会很差，安全性也会大大降低。
2、场地情况的影响：
场地情况的好坏直接影响了比赛成绩。这里的场地场地主要是指装置落地的场地。理想的场地应该平坦、松软，这样会大大增加成功的几率。遗憾的是这次比赛场地是大理石地面，平坦尚还可以，但是坚硬无比，这无疑是对装置的一次严酷的考验。这就要求我们的装置一定要结实，缓冲效果要好。
3、装置制作情况的影响：
装置制作的好坏具有很大的不确定性。试验时试验成功并不代表着在正式比赛中会成功。因为试验时整个装置从十几米高的地方落下，会造成装置整体或局部的损坏，如果再用试验过的装置去比赛，这些损坏造成的影响便会显现出来。会让认为安全可靠的装置出现意外情况。如果再制作一个新的装置，即使原理跟试验时的装置一模一样也无法保证制作得和试验时的装置没有差别，问题往往就出现在这细小的差别上。
-1
鸡蛋保护装置的设计
XXX
指导老师：XXX
机械XXX 学号：XXXXXXXXXX
摘 要 为保护鸡蛋从1.5米处下落不被摔坏，并要求鸡蛋尽可能裸露。为保护鸡蛋不被摔坏，一是可以通过延长鸡蛋与地面撞击时的相互作用时间，二是降低鸡蛋撞击地面瞬间速度，可以通过在包装容器上加减速装置来实现。其中后者能实现保护鸡蛋的几率较高。通过用轻便的木质材料做成的多面体缓冲器，用绳索把鸡蛋固定在多面体缓冲器的中间，从而达到下落瞬间起缓冲的作用，保护鸡蛋不被摔坏。
关键词 鸡蛋 多面体 保护装置 缓冲
1.前言
鸡蛋的保护技术一般应用易碎品的长途运输的技术，运输时要根据不同地区、路途远近、不同季节和蛋的质量等因素，选用适当的运输用具。长途运输以火车、轮船为主，短途运输以汽车、马车、木船为主。鲜蛋运输工具的选择以快速、安全为主。无论采用何种运输工具，在运输过程中都须注意下列事项：运输要快；搬运装卸要轻稳；运输过程要防止雨淋、日晒、灰尘和震动；冬季要防寒保暖，夏季要防热变质；装运鲜蛋的车船等装运工具要清洁干燥，凡装过农药、汽油、煤油等有毒、有异味的车船，一定要冲洗干净后再使用。
鲜蛋的运输，使蛋由分散到集中，由基层到城镇，其运输时间要尽量缩短。控制和缩短运输时间是保证商品新鲜、减少损耗的关键。因此，要根据不同季节和路途远近，合理规定鲜蛋在基层的收购位置和存放时间，并且按照计划以大中城市、工矿区或蛋品加工、经营单位为中心，划定一定地区，固定供货关系，减少中间环节。
其中国内也有类似的鸡蛋保护装置： 1、《一种存放鸡蛋的软包装》：本实用新型公开了一种存放鸡蛋的软包装，由两个带体组成，两个带体通过其上对应设置的多个连接部连接在一起，上下两个连接部之间形成用于存放鸡蛋的至少一个存储单元。本实用新型结构简单，使用方便，鸡蛋存放牢靠且不宜因碰撞而压碎且成本低，可回收利用。
2、《鸭蛋保护机架》：本实用新型公开了鸭蛋保护机架，其特征在于：包括有波纹板，波纹板表层位于其波峰位置处有若干容蛋孔，所述容蛋孔间隔排列在波纹板上。鸭蛋对应放置在容蛋孔后，能有效避免鸭蛋应外力而导致破裂的情况，而且结构简单、使用方便。
3、《一种防震包装结构》：一种防震包装结构，包括外部的方形盒体，在盒体内部设有两个相同并且对称放置的固定部件，每个固定部件采用一体成型，两边向外侧弯折45度形成直角；在所述直角边向内侧弯折呈M形直角定位结构；在所述直角边向内侧弯折呈U形定位结构。 本实用新型技术采用解决易碎品离开包装接触面的原理。 利用两个大小不一正方形同心45度错开，再根据放置的物品器型，折叠出相应空间放置物品。 从而在物品流通与携带过程中，有效的防止损坏及破碎，而造成损失或浪费。 本实用新型主要效果是防震防碎的同时，使用环保材料减低包装成本，而且结构简单方便容易普及。
而保护鸡蛋从1.5米处下落不被摔坏，一是可以通过延长鸡蛋与地面撞击时的相互作用时间，二是降低鸡蛋撞击地面瞬间速
度，可以通过在包装容器上加减速装置来实现。
2.方案设计 2.1设计要求
设计鸡蛋保护装置（该装置保护鸡蛋从1.5m处下落不被摔坏，并要求鸡蛋尽可能裸露）。
2.2鸡蛋保护装置参考设计方案 2.2.1降落伞型:
降落伞型,利用降落伞增大空气阻力,以使鸡蛋连同整个装置平稳落地。
这种方案最容易想到,因为跳伞、宇宙飞船减速,都运用了这个方法,效果很好。使整个装置达到较小的速度即可匀速下落。装置的重量也不会很重。唯一的缺点就是:实验高度太低，效果没能完全体现。
2.2.2外包装型:
外包装型,是用较多的减震材料将鸡蛋严严实实地包裹起来。比如泡沫、棉花、各种填充材料等。通过这些材料的缓冲作用,达到保护鸡蛋的目的。
这种方案也较容易想到。平常生活中用各种填充材料保护贵重用品的方法相信大家都见到过。这的确是一个有效的方法。这种方案由于受空气阻力影响很小,所以准确性较高。由于所使用的材料都是密度极小的,所以可将整个装置的重量降到最低。但美中不足的是:整个装置是自由下落状态,到达地面时的速度较大,因而对装置的坚固度和缓冲效果要求较高,安全性稍差一点。
2.2.3不倒翁型:
不倒翁型,就是使整个装置像不倒翁一样,把重心尽可能降低,使得装置下落时能保持稳定状态,确保始终让一个面着地。那么保护工作只需要在这一个面做好就行了,从而节省了材料。
这种方案充分考虑到了上一种方案可能出现在空中翻滚现象,经过改进形成的。其可靠性远远高于第一种方案,材料更节省,准确性更高。美中不足的就是为了确保装置
的重心降低,势必要在底部放上一个质量较大的物体,这就大大加重整个装置。
2.2.4多面体型:
多面体型,就是把整个装置制作成一个多面体,将鸡蛋用结实的绳子固定在多面体的中央,使整个鸡蛋悬空。装置落地后,不论哪个面着地,鸡蛋都不会着地,鸡蛋就完好无损了。
这种方案无需额外的材料,只需要制作多面体的骨架和几根线即可,用料极其节省,因而重量会大大降低。因受空气阻力较小,所以稳定性较好。但这种方案也有一个大的缺点就是多面体不易扎制,结实程度不高,落地后可能会散架,鸡蛋也就岌岌可危了。
2.2.5双气球型:
双气球型,就是将鸡蛋放在一个气球中,充入一定量空气,在外面再套一个气球,充入适量空气。这样两层气球之间就会形成一个气垫,会使鸡蛋免受地面的冲击。
这种方案所用材料应该是所有方案中最省的,重量只是两个气球的重量,几乎可以忽略不计。但这种方案有一个致命的缺点就是两层气球之间有一块是紧密接触的,没有气垫的保护,如果此面着地,一切都完了。另外,由于重量太轻,受空气扰动影响,其稳定性也不是很好。
2.3方案比较
根据设计要求，保护鸡蛋不被摔坏为主要目的，其次是鸡蛋尽可能裸露。比较上述方案，得出方案2.2.4多面体型的鸡蛋保护装置能最大程度保护鸡蛋从1.5米下落不被摔坏。
3.具体方案设计 3.1设计所需材料
若干轻质木料、绳索、硬纸皮、软质缓冲填充物
3.2外形设计
用轻质木料做成一个正六面体的框架，再用硬纸皮做成盛放鸡蛋的载蛋舱，在载蛋
舱里放入适量的软质缓冲填充物。最后用绳索把载蛋舱与六面体框架连接起来，要求载鸡舱悬空。
3.3结构形状
图1 鸡蛋保护装置示意图 1-正六面体木质刚性框架 2-绳索 3-载蛋舱
3.4受力情况
当鸡蛋保护装置从1.5米下落时，接触地面的瞬间，装置的受力顺序是：正六面体木质刚性框架、绳索、载蛋舱。因此，绳索是重要的缓冲元件，框架和载蛋舱是辅助的缓冲元件。
3.5尺寸参数
4.优化方案
改设计首先满足了鸡蛋从1.5米下落不被摔坏的要求，但载蛋舱是密闭的，没能完全满足尽可能裸露的要求。
可将载蛋舱改为紧贴鸡蛋的网状容器，以达到尽可能裸露的要求。
5．结论
鸡蛋保护下落到地面的瞬间，正六面体框架和绳索起到了主要的缓冲作用，能将冲击动能转化为弹性元件的变形能，到达保护鸡蛋不被摔坏。
参考文献
1、一种存放鸡蛋的软包装
崔璨;专利分类号：B65D85/32 ; 公开号：201362459 ; 公开日期：20091216 2、鸭蛋保护机架
倪卓生;尤旭升;汪共平;专利分类号：B65D85/32 ; 公开号：201321238 ; 公开日期：20091007
3、一种防震包装结构
董光来;专利分类号：B65D81/02 ; 公开号：201309676 ; 公开日期：20090916 4、包装便利安全装置
张治屏;专利分类号：B65D081/16 ; 公开号：CN2191837 ; 公开日期：19950315 5、一种缓冲包装结构
李庆成;专利分类号：B65D081/133 ; 公开号：CN2679076 ; 公开日期：20050216 6、抽油机缓冲突变载荷悬绳器
张建成;王树行;路亚莉;申玉壮;专利分类号：E21B19/02 ; 公开号：101581204 ; 公开日期：20091118
7、矿用防坠器缓冲装置的使用分析
HUANG Dian-li;煤矿机械 ; 2010 ; vol.031 ; no.002 ; p.168-169
8、绳式防坠器制动过程制动绳冲击行为研究
曹国华;朱真才;彭维红;陈国安;中国矿业大学学报 ; 1000-1964 ; 2009 ; vol.038 ; no.002 ; p.244-250
9、对缓冲绳抽出长度的探讨
张新民;段雄;付胜;煤矿安全 ; 1003-496X ; 2002 ; vol.033 ; no.002 ; p.32-34
10、新型纸质包装材料
99008523 天津 TB484.1 应用技术 工程和技术研究与试验发展