郭洪恩，李寅男，2，楊化偉，褚幼暉，張志勇，何青海

（1.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；2.250357 山東省 濟(jì)南市 山東交通學(xué)院；3.030031 山西省 太原市 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)）

0 引言

食用菌作為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的一種重要產(chǎn)業(yè)，僅次于糧、棉、油、菜和果，居第6 位，其需求量連年遞增，其生產(chǎn)方式也在不斷革新。在藥用領(lǐng)域的深入研究表明，食用菌具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗氧化、抗衰老等功能，受到越來越多的關(guān)注[1-3]。我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)正在實(shí)現(xiàn)由數(shù)量型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)型升級(jí)，設(shè)施化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化生產(chǎn)逐步取代傳統(tǒng)家庭式栽培[4]，近年來食用菌的需求量不斷增加，智慧化工廠化生產(chǎn)食用菌是大勢(shì)所趨，在食用菌的培育過程中，氧氣和水分是必不可少的。

國(guó)內(nèi)食用菌典型菌種生產(chǎn)基本上達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)格化、工廠化。在國(guó)內(nèi)食用菌生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域，羅連富[5]介紹了2 種制種、接種設(shè)備，提出了生產(chǎn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方案；宋衛(wèi)東[6]等根據(jù)生產(chǎn)流程給出食用菌生產(chǎn)裝備體系，總結(jié)我國(guó)食用菌生產(chǎn)裝備現(xiàn)狀及存在問題，未來生產(chǎn)裝備發(fā)展趨勢(shì)是多元化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和國(guó)際化。美國(guó)在二戰(zhàn)之前就已廣泛應(yīng)用簡(jiǎn)單機(jī)械于雙孢蘑菇生產(chǎn)，二戰(zhàn)后率先實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，并迅速帶動(dòng)了其他發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械化發(fā)展[7]；日本食用菌栽培以木腐菌品種金針菇、杏鮑菇和蟹味菇等瓶栽方式為代表，生產(chǎn)過程中拌料、裝瓶、殺菌、接種、培育、騷菌、出菇和挖瓶等環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，目前工廠化產(chǎn)品占比90%以上；韓國(guó)于20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)日本的技術(shù)和設(shè)備，通過技術(shù)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)設(shè)備自給，工廠化產(chǎn)品占比達(dá)到95%以上[8]。

國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的多種食用菌工廠化成套設(shè)備的可靠性、智能性方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距，其中袋栽食用菌打孔增氧注水設(shè)備，只能為菌棒提供氧氣，缺少水分的注入，菌棒打孔之后再進(jìn)行注水，勢(shì)必會(huì)增加生產(chǎn)成本，造成食用菌的成本偏高，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度偏高。本文針對(duì)袋栽食用菌打孔增氧注水作業(yè)過程，研發(fā)多環(huán)節(jié)一體化作業(yè)智能化裝備，以滿足現(xiàn)階段食用菌生產(chǎn)過程需求。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研發(fā)的袋栽食用菌菌棒打孔增氧注水一體化裝置具有打孔、供氧、注水功能，安裝于可移動(dòng)支撐部件，配合菌棒支撐架實(shí)現(xiàn)對(duì)菌棒的作業(yè)。裝置模型如圖 1 所示。

圖1 菌棒打孔增氧注水一體化裝置Fig.1 Integrated device for fungi stick perforation,oxygenation and water injection

總體機(jī)械設(shè)計(jì)中主要包含支撐移動(dòng)部件、抓取旋轉(zhuǎn)部件、針孔部件、軌道部件；其中支撐移動(dòng)部件可實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)功能，抓取旋轉(zhuǎn)部件可實(shí)現(xiàn)菌棒抓取旋轉(zhuǎn)功能，針孔部件可實(shí)現(xiàn)打孔增氧注水功能，軌道部件可實(shí)現(xiàn)整體橫向移動(dòng)功能。

菌棒智能打孔增氧注水控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化作業(yè)和人工操作作業(yè)，控制系統(tǒng)具有通俗易懂、便于學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)包括運(yùn)行界面、桁架操作界面和報(bào)警記錄界面等，控制系統(tǒng)如圖 2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)連接圖Fig.2 Control system connection diagram

當(dāng)選擇遠(yuǎn)程控制時(shí)，由移動(dòng)端控制；選擇就地控制時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏控制。選擇自動(dòng)控制方式時(shí)，注水閥、增氧閥、打孔機(jī)構(gòu)、抓取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等設(shè)備根據(jù)實(shí)時(shí)位置與壓力的設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)或停止；選擇手動(dòng)時(shí)由相關(guān)按鈕控制設(shè)備的起停。

2 關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)部件

2.1 支撐移動(dòng)部件

支撐移動(dòng)部件通過滑軌安裝于固定架，升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支撐部件實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，固定架底部安裝有滑輪，滑輪與固定于地面的軌道配合沿軌道移動(dòng)。在固定架帶動(dòng)下，支撐移動(dòng)部件移動(dòng)至菌棒安置架處，并精確定位菌棒所在位置，為菌棒的下一步作業(yè)提供基礎(chǔ)，支撐移動(dòng)部件如圖 3 所示。

圖3 支撐移動(dòng)部件Fig.3 Support moving parts

每一套菌棒支撐架包括2 個(gè)可伸縮套筒，兩套筒之間間隔距離可以設(shè)置，套筒為電動(dòng)可伸縮套筒，通過兩套筒實(shí)現(xiàn)對(duì)菌棒的支撐，即每一菌棒抓取部件的下方均設(shè)置2 處套筒。

2.2 打孔增氧注水部件

打孔增氧注水部件設(shè)有多處，打孔增氧注水部件的設(shè)置位置與菌棒抓取部件、菌棒支撐架的設(shè)置位置是對(duì)應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)對(duì)菌棒安置架同一層多個(gè)菌棒的同時(shí)作業(yè)，進(jìn)行大批量高效率一體化智能作業(yè)，打孔增氧注水部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 4 所示。

圖4 針孔部件Fig.4 Pinhole part

打孔增氧注水部件作為打孔注水增氧的主要裝置，整體固定在針孔固定板，針孔固定板在電動(dòng)可伸縮套管的作用下實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，完成對(duì)菌棒的打孔，打孔后進(jìn)行注水增氧。

在打孔增氧注水機(jī)構(gòu)中，3 個(gè)動(dòng)作使用同一個(gè)針頭進(jìn)行作業(yè)，為避免使用過程中針孔堵塞，設(shè)定打孔后先注水，然后進(jìn)行增氧，通過具有一定壓強(qiáng)的氣體排空針孔內(nèi)部的水分和其他雜物，實(shí)現(xiàn)大批量無堵塞作業(yè)。

2.3 菌棒抓取旋轉(zhuǎn)部件

在食用菌菌棒打孔增氧注水一體化裝置中，菌棒抓取旋轉(zhuǎn)部件設(shè)置于菌棒支撐架的上方，打孔增氧注水部件的下方。菌棒抓取旋轉(zhuǎn)部件整體側(cè)視圖如圖 5 所示。

圖5 抓取旋轉(zhuǎn)部件側(cè)視圖Fig.5 Side view of grasping and rotating part

菌棒抓取旋轉(zhuǎn)部件包括可伸縮軸，可伸縮軸的一端固定有圓盤，圓盤的兩側(cè)分別設(shè)置卡槽，每一卡槽處設(shè)置可沿著卡槽移動(dòng)的夾緊塊，夾緊塊各自同驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源連接，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源帶動(dòng)2 個(gè)夾緊塊實(shí)現(xiàn)相向或反向運(yùn)動(dòng)，由2 個(gè)夾緊塊對(duì)菌棒進(jìn)行夾持或松開。

食用菌菌棒打孔增氧注水一體化裝置1 個(gè)菌棒的打孔注水增氧需要進(jìn)行4～6 次，電動(dòng)可伸縮軸同旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源連接以帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)支撐部件上菌棒的旋轉(zhuǎn)。

3 控制系統(tǒng)

3.1 打孔增氧注水裝置作業(yè)流程圖

打孔增氧注水一體化裝置的控制流程圖如圖6所示，整體作業(yè)過程可分為菌棒位置確認(rèn)、菌棒移動(dòng)、菌棒位置判定、多角度打孔增氧注水、菌棒送回和部件收回6 個(gè)步驟。

圖6 控制流程圖Fig.6 Control flow diagram

3.2 顯示屏控制操作系統(tǒng)

當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成后自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行界面，如圖 7 所示。包含整體裝置的三大機(jī)械部分，從左往右依次為菌棒安置架、菌棒打孔增氧注水和整機(jī)安裝移動(dòng)部分。

圖7 控制系統(tǒng)狀態(tài)界面Fig.7 Control system status interface

在運(yùn)行界面顯示設(shè)備運(yùn)行情況，如當(dāng)前桁架所處層數(shù)，儲(chǔ)水罐剩余水量，氧氣罐氧氣壓力，并且在屏幕下部設(shè)置有運(yùn)行界面、桁架操作界面和報(bào)警記錄界面3 個(gè)按鈕，通過按鈕切換不同界面。

點(diǎn)擊觸摸屏下方的桁架操作界面按鈕，進(jìn)入桁架操作界面，如圖 8 所示。該界面顯示支撐臂伸縮自動(dòng)或手動(dòng)控制，進(jìn)入手動(dòng)控制模式后，會(huì)激活下方手動(dòng)控制按鈕進(jìn)行調(diào)整；圓盤抓手伸縮軸自動(dòng)手動(dòng)控制切換，打孔增氧注水自動(dòng)手動(dòng)控制切換。

圖8 控制系統(tǒng)桁架操作界面Fig.8 Control system truss operation interface

選擇遠(yuǎn)程控制時(shí)，由移動(dòng)端控制，選擇就地控制時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏控制。選擇自動(dòng)控制方式時(shí)，桁架各設(shè)備根據(jù)位置、打孔、增氧、注水的設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)或停止，選擇手動(dòng)時(shí)由相關(guān)按鈕進(jìn)行控制設(shè)備的起停。

點(diǎn)擊觸摸屏圓盤抓手伸縮軸手動(dòng)控制按鈕，進(jìn)入手動(dòng)控制界面，如圖 9 所示。此界面顯示伸縮軸伸長(zhǎng)距離控制，最左端為伸縮軸正常狀態(tài)，往右推動(dòng)紅色按鈕控制伸縮軸伸長(zhǎng)；順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)紅色按鈕手動(dòng)控制圓盤旋轉(zhuǎn)角度；復(fù)位鍵便于將操作清零；通過返回鍵進(jìn)入桁架操作界面。

圖9 控制系統(tǒng)抓取機(jī)構(gòu)手動(dòng)控制界面Fig.9 Manual control interface of control system grab mechanism

點(diǎn)擊觸摸屏打孔增氧注水手動(dòng)控制按鈕，進(jìn)入手動(dòng)控制界面，如圖 10 所示，此界面顯示可移動(dòng)套筒上下移動(dòng)距離控制，復(fù)位鍵便于清除對(duì)套筒距離的調(diào)整；右側(cè)所設(shè)置供水供氧閥門開關(guān)，用于滿足不同需求；針孔清空開關(guān)主要用于解決針孔被雜物堵塞的問題；通過返回鍵進(jìn)入桁架操作界面。

圖10 打孔增氧注水手動(dòng)控制界面Fig.10 Manual control interface for perforated oxygenation and water injection

在設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)錯(cuò)誤信息，會(huì)及時(shí)在報(bào)警記錄界面進(jìn)行顯示，報(bào)警記錄界面可顯示各個(gè)部件的報(bào)警信息、報(bào)警時(shí)間以及錯(cuò)誤代碼等信息，報(bào)警記錄界面如圖 11 所示。

圖11 控制系統(tǒng)報(bào)警記錄界面Fig.11 Control system alarm record interface

4 結(jié)論

（1）研發(fā)了袋栽食用菌菌棒打孔增氧注水裝置，其支撐部件可升降，能夠帶動(dòng)其上安裝的打孔增氧注水部件等一同運(yùn)動(dòng)至菌棒安置架的各層，對(duì)菌棒安置架的不同層菌棒的作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)多層次貨架作業(yè)，打孔兼顧注水增氧，提高了菌棒培育的作業(yè)效率。

（2）通過菌棒抓取部件將菌棒從菌棒安置架夾持至菌棒支撐架，菌棒支撐架用于在對(duì)菌棒打孔等過程中對(duì)菌棒的支撐，由打孔增氧注水部件進(jìn)行每一層菌棒的打孔、增氧和注水，由此促進(jìn)打孔增氧注水的均勻性，有效提高工作效率，控制生產(chǎn)成本，充分降低人工成本。

（3）可以通過使用手機(jī)等終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以使用本裝置的操作臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，在控制過程中，裝置主要部件可以通過人工操作進(jìn)行調(diào)整，也可以使用已設(shè)定的程序進(jìn)行一體化連續(xù)無人作業(yè)，具有更高的作業(yè)精準(zhǔn)度。