洪 扬，朱 烨，江 涛，徐宏治，陈晓龙，倪 琦

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2上海海洋大学工程学院，上海 201306)

随着中国集约化水产养殖工程技术的迅猛发展，水产养殖产业正朝着精细化的方向不断发展[1-3]。在水产养殖过程中，鱼群内优势大的个体对小个体的生长会产生不利影响，其影响机制主要包括残食[4-6]、食物竞争[7]等问题。鱼类的分级筛选可以避免种内竞争带来的不利影响，提高鱼体存活率。国内现阶段对鱼类分级所做的研究还不是很充分，手工操作不仅费时、费力，而且由于鱼类转移速度缓慢以及操作过程中对鱼体的损伤和对鱼群的惊吓等，还会带来较高的死亡率，且无法做到对鱼苗精准快速的分级[8]。国外水产养殖过程中利用栅格间隙大小来控制鱼类分级[9]，这类分级装置较为笨重，又多是刚性连接，易造成鱼体损伤。王志勇等[10]设计的鱼类重量自动分级装置采用水平式调节辊间距模式筛选幼鱼，虽然实现了自动化代替人工筛选，但存在着导致鱼脱水、易受机械损伤等缺陷。其次在计数过程中，传统的计数方法以人工肉眼的方法计数，存在误差大、效率低、劳动强度大等缺点[11]。随着图像处理技术的快速发展，计算机视觉技术可大大提高水产养殖生产和自动化水平。目前，已有研究人员利用端点细化算法[12-13]、神经网络[14-15]、四邻域标记[16]、灰度图像分析[17-18]、曲线演化法[19]等方法对生物幼苗进行计数，但现有的图像采集中存在鱼的分布随意性、不均匀性和重叠性、技术处理复杂、价格高昂等问题[20-21]。

在分析现有活鱼分级设备特点的基础上，结合活鱼的生理特性，设计了回转式活鱼分级计数设备，并搭建试验平台，依托工厂化养殖水池，通过现场试验，分析影响鱼体分级和计数的因素，为活鱼精准分级设备的研发提供依据。

1 结构与工作原理

1.1 设备结构

回转式活鱼分级及计数设备试验样机结构如图1所示，其主要由计数装置、机架、活鱼分级回转装置、凸轮装置、变频电机、凸轮调节装置、接鱼漏斗、喷淋水等装置组成。其中活鱼分级回转装置由变频电机驱动，该装置由16个分级单元组成，每个单元之间相互独立，确保活鱼分级时鱼苗不会产生大量堆积，影响分级效果。整机可将活鱼苗按大小分成3个规格等级，每个档位间隔可根据实际生产需要自动调节。计数模块将分级后的鱼苗进行数量统计，方便为后续养殖作为参考。

图1 回转式活鱼分级及计数装置样机结构图

1.2 工作原理

分级作业时，将整机与真空吸鱼泵连接，通过吸鱼泵将鱼苗从待分级养殖池中抽取上来，进入活鱼分级单元。分级回转机构带动活鱼分级单元旋转，同时，喷淋水装置给鱼苗供水，防止鱼苗脱水导致损伤。分级单元开度大小由凸轮转动角度控制，分级单元上的凸轮经过立柱上的凸轮调节装置时，凸轮旋转一定角度，分级单元对应形成一定开度大小，对应背宽在此区间范围内的鱼苗落入接鱼漏斗，分级单元继续旋转，在经过3次凸轮调节后，分级单元开口达到最大，里面的鱼苗均落入对应的接鱼漏斗中。分级完成后，鱼苗通过管道进入各自计数通道，完成分级和计数后，返回养殖水池。

2 关键部件设计及参数确定

活鱼分级单元如图2所示。固定轴不能转动，凸轮腔体内嵌入滚动轴承，外端加入旋转阻尼器，与固定轴配合，使其具有主动保持现有姿态的能力。回位弹簧在分级单元闭合时对旋转门进行辅助回位。

图2 活鱼分级单元

2.1 凸轮运动分析

活鱼分级结构调节原理如图3所示，每个分级单元在一个旋转周期需要进行4次开门宽度调节，通过凸轮调节装置预先设定，设定区间为1～30 mm。前3次调节逐渐增大，将分级单元中待分级鱼苗依次按大小分级，第4次调节凸轮回位，分级单元门关闭，分级单元进鱼，开始下一次分级周期。

图3 凸轮运动示意图

2.2 凸轮机构设计

由上述对活鱼回转分级装置工作原理的分析可知，凸轮机构的参数设计对分级精准性影响较大，活鱼分级单元开度大小通过凸轮转动角度来控制。采用解析法设计凸轮轮廓曲线，基本思路是：根据分级单元分级要求，设计合理的凸轮压力角，确定旋转门的最大位移；选择合适的凸轮运动规律，确定凸轮机构基本参数；根据凸轮机构基本参数和运动方程，得到满足要求的凸轮轮廓曲线。

2.2.1 凸轮机构运动角及最大位移确定

在江苏某养殖试验基地，测量苗龄1年以内的虹鳟鱼，得到鱼苗背宽10～25 mm，为了将此背宽以内的鱼苗进行分级，同时又防止有超过极限值的鱼苗，需要留有设计余量。根据养殖经验，分级鱼最大背宽不超过30 mm。为了防止出现极端情况，分级单元张开最大距离不小于极限鱼背宽，本文取设计分级单元最大开度为30 mm。为了防止形成死角以及产生过高的压力，凸轮连杆下压应与垂直线保持一定角度。通过计算可得凸轮连杆起始位置与水平夹角为60°时，连杆受力较小。因此，设计凸轮机构最大运动角为2π/3。

2.2.2 凸轮运动规律选择及基本参数确定

由于分级门开度要根据实际生产需要进行设定，为了便于分级精度的自动调节，满足凸轮调节装置滑动模组螺距要求，凸轮连杆下压某一距离hi后，凸轮旋转某一角度βi，凸轮连杆下压的竖直距离与凸轮在旋转某一角度后半径的差值(ri-r1)为线性关系，根据实际需要，构造式(1)函数关系，旋转门开度大小关系如图4所示。

(1)

式中：hi为轮调节压板带动凸轮连杆向下移动垂直距离，mm；α为凸轮连杆起始位置角度，(°)；βi为向下移动垂直距离后所转动角度，(°)；l为凸轮连杆长度，mm；di为旋转门凸轮转动βi角度时开度大小，mm；r1为凸轮曲线起始点半径，mm；ri为凸轮转动后凸轮曲线半径，mm；h为单位长度，这里取1 mm。

图4 凸轮工作段运动轨迹分析

2.2.3 凸轮连杆长度选取

根据凸轮调节滑动模组的螺距、凸轮旋转角度等因素，连杆下压4π/3后，垂直距离能够到达120 mm，因此暂定凸轮连杆顶端距离基圆圆心距离l=90 mm。由于凸轮连杆顶端受下压力作用，需要对凸轮连杆进行挠度校核[18]。将连杆部分视为悬臂梁，其最大挠度：

(2)

(3)

|y|≤[y]

(4)

2.2.4 凸轮基圆半径及压力角设计

凸轮连杆滚轮处下压距离为hi，通过公式(1)可以推导出公式(6)。

(5)

式中：hi为凸轮连杆滚轮处下压距离，mm；l为杆长,mm；α为初始位置时凸轮连杆与水平基准线所成角度,(°)；βi为杆与水平方向转过后夹角,(°)。

根据文献[22-23]凸轮轮廓线方程以及凸轮压力角计算公式得出公式(7)：

(6)

式中：s为滚轮第i次步进的推程,mm；s0为基圆圆心与滚轮和凸轮接触点的垂直距离,mm；rb为基圆半径,mm；e为偏心距,mm，此处为0；η为符号系数，左偏置时η=1，右偏置时η=-1；

由于此凸轮运动轨迹是根据实际工作需要所设计，由Matlab根据凸轮轮廓曲线方程进行编程，编程实现功能：输入基圆半径rb，推程h，偏心距e，输出凸轮轮廓线，轮廓线上各点坐标x(i),y(i)及其压力角f(i)。根据Matlab计算，当基圆半径rb≤42 mm时，凸轮最大压力角<30°，因此，凸轮基圆半径选42 mm可满足要求，此时凸轮轮廓线如图5所示。

图5 Matlab计算下的凸轮轮廓曲线

1.5 计数装置设计

在输送管道中放置光学计数装置(图6)。计数装置分为平流装置和光栅计数装置，在透明的亚克力板上方安装光栅尺，下方安装光源接收器，每个输送管道分成两个较窄通道，以便使鱼单一通过，光栅计数器给通过的鱼苗进行计数，数据通过主控屏幕显示各分级管道内鱼苗个数，其计数流程见图7。

图6 计数装置

图7 计数流程图

3 分级试验

3.1 试验方法

试验材料为养殖池中鱼龄为1年以内的虹鳟，从养殖水池内捞出放入暂养桶中。该装置使用变频器调整回转分级机转速，使用水泵，通过分布在分级机支架上的水管给分级装置均匀洒水，防止鱼苗脱水，增加分级通道润滑。将鱼苗放置滑道中，通过滑道进入分级格栅，回转一周，按照鱼背厚度进行分级，分级后的鱼苗通过不同的通道进入分级回鱼管道，并通过计数装置，试验结束后测量每级鱼苗的背宽，统计每条通道中鱼体个数。

计数误差率和分级误差率所用公式如下：

(7)

(8)

式中：δ1为计数误差率；Δ1为未检测到的鱼数量，条；δ2为分级误差率,%；Δ2为未检测到的鱼数量，条；L为实际总条数，条。

3.2 结果与分析

试验过程中分级机运行平稳，工作安全可靠。通过对250条鱼龄1年以内的虹鳟鱼进行试验，在单一转速为8 r/min，功率为0.19 kW下的结果见表1。

表1 单一转速下试验结果

由表1可知，试验中计数装置检测到的鱼苗比实际鱼苗数量略少，误差2.5%～4.5%，是由于存在首尾相连的情况，虽然通过将分级回鱼通道分隔成两个单独的过鱼计数通道，减少了鱼体重叠，但仍存在重叠情况；分级误差4.4%～6.3%，是由于鱼体是柔软体，在分级设定宽度附近产生1～2 mm的鱼体厚度上的误差。

通过调整变频电机转速，测定分级机在不同转速下的分级速度以及装置稳定性，由试验结果表2可知，不同的分级机转速下，活鱼分级速度不同，分级速度与转速接近线性递增关系，但分级误差率也有增加的趋势，误差率4.0%～5.5%，经过计算，分级机每小时活鱼分级量为9 600～14 400条。所以在分级过程中，应选择合理转速，既能满足分级速率需要，又能保证鱼的误差率。

表2 不同转速下的分级速度及误差率

4 结论

设计了一种回转式活鱼分级计数装置，选用虹鳟鱼进行试验，鱼背宽度为9～26 mm，其凸轮连杆下压距离与分级单元门开度近似线性关系，便于实际生产过程中按照实际需要调节分级鱼规格。在转速6～15 r/min时能稳定运行，当转速为8 r/min时，最大偏差为2 mm；计算分级产量为9 600～14 400条/h，分级误差率4.4%～5.5%，计数误差率2.5%～4.5%，较传统分级计数方式，该装置能够更好地满足池塘养殖需求。