郭洪恩，李寅男，2，杨化伟，褚幼晖，张志勇，何青海

（1.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；2.250357 山东省 济南市 山东交通学院；3.030031 山西省 太原市 山西农业大学）

0 引言

食用菌作为农业经济中的一种重要产业，仅次于粮、棉、油、菜和果，居第6 位，其需求量连年递增，其生产方式也在不断革新。在药用领域的深入研究表明，食用菌具有免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、抗衰老等功能，受到越来越多的关注[1-3]。我国食用菌产业正在实现由数量型向质量型转型升级，设施化、标准化、工厂化生产逐步取代传统家庭式栽培[4]，近年来食用菌的需求量不断增加，智慧化工厂化生产食用菌是大势所趋，在食用菌的培育过程中，氧气和水分是必不可少的。

国内食用菌典型菌种生产基本上达到了产业化、规格化、工厂化。在国内食用菌生产设备领域，罗连富[5]介绍了2 种制种、接种设备，提出了生产设备的标准化、智能化方案；宋卫东[6]等根据生产流程给出食用菌生产装备体系，总结我国食用菌生产装备现状及存在问题，未来生产装备发展趋势是多元化、智能化、标准化和国际化。美国在二战之前就已广泛应用简单机械于双孢蘑菇生产，二战后率先实现了机械化和自动化，并迅速带动了其他发达国家的机械化发展[7]；日本食用菌栽培以木腐菌品种金针菇、杏鲍菇和蟹味菇等瓶栽方式为代表，生产过程中拌料、装瓶、杀菌、接种、培育、骚菌、出菇和挖瓶等环节都实现了机械化，目前工厂化产品占比90%以上；韩国于20 世纪90 年代引进日本的技术和设备，通过技术转化实现技术设备自给，工厂化产品占比达到95%以上[8]。

国内企业生产的多种食用菌工厂化成套设备的可靠性、智能性方面与发达国家相比还存在一定差距，其中袋栽食用菌打孔增氧注水设备，只能为菌棒提供氧气，缺少水分的注入，菌棒打孔之后再进行注水，势必会增加生产成本，造成食用菌的成本偏高，效率低，劳动强度偏高。本文针对袋栽食用菌打孔增氧注水作业过程，研发多环节一体化作业智能化装备，以满足现阶段食用菌生产过程需求。

1 总体结构设计

研发的袋栽食用菌菌棒打孔增氧注水一体化装置具有打孔、供氧、注水功能，安装于可移动支撑部件，配合菌棒支撑架实现对菌棒的作业。装置模型如图 1 所示。

图1 菌棒打孔增氧注水一体化装置Fig.1 Integrated device for fungi stick perforation,oxygenation and water injection

总体机械设计中主要包含支撑移动部件、抓取旋转部件、针孔部件、轨道部件；其中支撑移动部件可实现升降运动功能，抓取旋转部件可实现菌棒抓取旋转功能，针孔部件可实现打孔增氧注水功能，轨道部件可实现整体横向移动功能。

菌棒智能打孔增氧注水控制系统可实现全自动化作业和人工操作作业，控制系统具有通俗易懂、便于学习的特点。整个系统包括运行界面、桁架操作界面和报警记录界面等，控制系统如图 2 所示。

图2 控制系统连接图Fig.2 Control system connection diagram

当选择远程控制时，由移动端控制；选择就地控制时，由现场触摸屏控制。选择自动控制方式时，注水阀、增氧阀、打孔机构、抓取旋转机构等设备根据实时位置与压力的设定值进行自动启动或停止；选择手动时由相关按钮控制设备的起停。

2 关键机械结构部件

2.1 支撑移动部件

支撑移动部件通过滑轨安装于固定架，升降机构带动支撑部件实现升降运动，固定架底部安装有滑轮，滑轮与固定于地面的轨道配合沿轨道移动。在固定架带动下，支撑移动部件移动至菌棒安置架处，并精确定位菌棒所在位置，为菌棒的下一步作业提供基础，支撑移动部件如图 3 所示。

图3 支撑移动部件Fig.3 Support moving parts

每一套菌棒支撑架包括2 个可伸缩套筒，两套筒之间间隔距离可以设置，套筒为电动可伸缩套筒，通过两套筒实现对菌棒的支撑，即每一菌棒抓取部件的下方均设置2 处套筒。

2.2 打孔增氧注水部件

打孔增氧注水部件设有多处，打孔增氧注水部件的设置位置与菌棒抓取部件、菌棒支撑架的设置位置是对应的，实现对菌棒安置架同一层多个菌棒的同时作业，进行大批量高效率一体化智能作业，打孔增氧注水部件结构设计如图 4 所示。

图4 针孔部件Fig.4 Pinhole part

打孔增氧注水部件作为打孔注水增氧的主要装置，整体固定在针孔固定板，针孔固定板在电动可伸缩套管的作用下实现上下移动，完成对菌棒的打孔，打孔后进行注水增氧。

在打孔增氧注水机构中，3 个动作使用同一个针头进行作业，为避免使用过程中针孔堵塞，设定打孔后先注水，然后进行增氧，通过具有一定压强的气体排空针孔内部的水分和其他杂物，实现大批量无堵塞作业。

2.3 菌棒抓取旋转部件

在食用菌菌棒打孔增氧注水一体化装置中，菌棒抓取旋转部件设置于菌棒支撑架的上方，打孔增氧注水部件的下方。菌棒抓取旋转部件整体侧视图如图 5 所示。

图5 抓取旋转部件侧视图Fig.5 Side view of grasping and rotating part

菌棒抓取旋转部件包括可伸缩轴，可伸缩轴的一端固定有圆盘，圆盘的两侧分别设置卡槽，每一卡槽处设置可沿着卡槽移动的夹紧块，夹紧块各自同驱动动力源连接，驱动动力源带动2 个夹紧块实现相向或反向运动，由2 个夹紧块对菌棒进行夹持或松开。

食用菌菌棒打孔增氧注水一体化装置1 个菌棒的打孔注水增氧需要进行4～6 次，电动可伸缩轴同旋转动力源连接以带动圆盘转动，进而带动抓取机构转动，实现支撑部件上菌棒的旋转。

3 控制系统

3.1 打孔增氧注水装置作业流程图

打孔增氧注水一体化装置的控制流程图如图6所示，整体作业过程可分为菌棒位置确认、菌棒移动、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 个步骤。

图6 控制流程图Fig.6 Control flow diagram

3.2 显示屏控制操作系统

当设备启动时，进行系统初始化，完成后自动进入运行界面，如图 7 所示。包含整体装置的三大机械部分，从左往右依次为菌棒安置架、菌棒打孔增氧注水和整机安装移动部分。

图7 控制系统状态界面Fig.7 Control system status interface

在运行界面显示设备运行情况，如当前桁架所处层数，储水罐剩余水量，氧气罐氧气压力，并且在屏幕下部设置有运行界面、桁架操作界面和报警记录界面3 个按钮，通过按钮切换不同界面。

点击触摸屏下方的桁架操作界面按钮，进入桁架操作界面，如图 8 所示。该界面显示支撑臂伸缩自动或手动控制，进入手动控制模式后，会激活下方手动控制按钮进行调整；圆盘抓手伸缩轴自动手动控制切换，打孔增氧注水自动手动控制切换。

图8 控制系统桁架操作界面Fig.8 Control system truss operation interface

选择远程控制时，由移动端控制，选择就地控制时，由现场触摸屏控制。选择自动控制方式时，桁架各设备根据位置、打孔、增氧、注水的设定值进行自动启动或停止，选择手动时由相关按钮进行控制设备的起停。

点击触摸屏圆盘抓手伸缩轴手动控制按钮，进入手动控制界面，如图 9 所示。此界面显示伸缩轴伸长距离控制，最左端为伸缩轴正常状态，往右推动红色按钮控制伸缩轴伸长；顺时针方向转动红色按钮手动控制圆盘旋转角度；复位键便于将操作清零；通过返回键进入桁架操作界面。

图9 控制系统抓取机构手动控制界面Fig.9 Manual control interface of control system grab mechanism

点击触摸屏打孔增氧注水手动控制按钮，进入手动控制界面，如图 10 所示，此界面显示可移动套筒上下移动距离控制，复位键便于清除对套筒距离的调整；右侧所设置供水供氧阀门开关，用于满足不同需求；针孔清空开关主要用于解决针孔被杂物堵塞的问题；通过返回键进入桁架操作界面。

图10 打孔增氧注水手动控制界面Fig.10 Manual control interface for perforated oxygenation and water injection

在设备自动运行过程中如果出现错误信息，会及时在报警记录界面进行显示，报警记录界面可显示各个部件的报警信息、报警时间以及错误代码等信息，报警记录界面如图 11 所示。

图11 控制系统报警记录界面Fig.11 Control system alarm record interface

4 结论

（1）研发了袋栽食用菌菌棒打孔增氧注水装置，其支撑部件可升降，能够带动其上安装的打孔增氧注水部件等一同运动至菌棒安置架的各层，对菌棒安置架的不同层菌棒的作业，可以实现多层次货架作业，打孔兼顾注水增氧，提高了菌棒培育的作业效率。

（2）通过菌棒抓取部件将菌棒从菌棒安置架夹持至菌棒支撑架，菌棒支撑架用于在对菌棒打孔等过程中对菌棒的支撑，由打孔增氧注水部件进行每一层菌棒的打孔、增氧和注水，由此促进打孔增氧注水的均匀性，有效提高工作效率，控制生产成本，充分降低人工成本。

（3）可以通过使用手机等终端设备进行远程控制，也可以使用本装置的操作台进行现场控制，在控制过程中，装置主要部件可以通过人工操作进行调整，也可以使用已设定的程序进行一体化连续无人作业，具有更高的作业精准度。