适用于犊牛生理特性的自动化饲喂装置开发

　　引言

　　犊牛饲养管理是犊牛管理中的重要方面，犊牛饲喂质量不仅影响犊牛淘汰率，还直接关系到犊牛成年投产后的生产性能是否能够得到正常发挥。抓好犊牛的饲养管理，提高犊牛成活率，培养健康犊牛，是牧业生产基础中的基础，也是提高牛群质量、创建高产牛群的重要基础。提高犊牛成活率及生产性能无论对规模化养殖，还是个体养殖户来说，在发展生产、提高经济效益方面都具有十分重要的意义。

　　目前，常乳期饲喂主要采用人工饲喂，虽解决了犊牛饲喂问题，但由于犊牛期饲养技术要求高，其存在问题也比较突出。主要表现为: 一是人工饲喂劳动强度大，饲喂效率低; 二是人工饲喂受饲喂工技术水平影响较大，易出现饲喂未严格按照“五定”原则进行饲喂的现象，如饲喂搅拌不均匀、饲喂温度控制不精确、饲喂用具清洗不彻底等; 三是犊牛在人工饲喂时都是低头进食，此现象不有利于犊牛瘤胃的发育和生长。机械化饲喂已成为必然趋势，相关资料表明: 瑞典利拉伐公司的犊牛智能化饲喂 CF500具有耐用、低维护等优点; 饲喂犊牛过程中相关可为每个犊牛提供精确的牛奶量，在很短的时间里完成犊牛的饲喂。

　　关鸣等人发明了一种犊牛饲喂装置，通过加压器和喷头迅速向奶盆中分配特定体积的奶液，可使多头犊牛同时饮用。曲永利等人发明了一种犊牛水乳两用饲喂装置，可减少训练犊牛喝奶饮水的时间。在以上装置的研究中，虽然能够解决人工饲喂所存在的问题，但是没有实现结构简单、精量配比及定量饲喂等要求。因此，开发出适于犊牛生理特性的自动化饲喂装置，对于兵团乃至全国畜牧业发展都有着重大的意义。

　　1 装置结构及工作原理

　　1． 1 总体方案

　　该装置主要由料仓、螺旋给料器、搅拌装置、加热器、自动控制系统及内外混合清洗系统等组成，结构示意图如图 1 所示。【图1】

　　
　　1． 2 技术原理

　　装置工作时，依据犊牛的个体信息，设置控制系统的相关参数，向搅拌桶中注入定量水; 加热器将水加热至 100℃ 杀菌，当水温冷却至 50 ～ 60℃ 时，代乳粉给料装置向搅拌桶中加入定量代乳粉( 代乳粉量与水量最佳比为 1: 8) ，搅拌器将代乳粉与水的混合物搅拌均匀( 形成常乳) 。装置行进时，射频识别系统识别犊牛耳标获取犊牛个体信息，控制器根据所获取的犊牛个体信息控制常乳给料装置进行工作，使其按照犊牛所需饲喂量进行精确饲喂。当饲喂工作结束后，内外混合清洗系统对吸吮头及搅拌桶进行清洗后将废水排入收集箱中。

　　2 机械部件的设计

　　2． 1 料仓

　　料仓是本装备正常生产的必备部件之一，它主要被用作储存物料和物料的供给。根据代乳粉的物料特性及料仓的流型特点，选择整体流型料仓，满足给料的稳定性、连续性等要求。物料在料仓中的流动与料仓仓斗的斜壁倾角有着很大的关系，要获得较好的物料流动性，就必须保证最小半顶角角度在 18° ～ 20°之间。

　　根据生产力的要求，要求本料仓可容纳 20 ～ 30kg代乳粉，由于本装置行走速度慢、冲力小、储存时间短( 只存储本班次饲喂所需代乳粉) ，所以本料仓选取为厚度 δ = 2mm 的不锈钢制成( 如图 2 所示) ，可提高代乳粉储放的卫生要求。【图2略】
　　
　　2． 2 代乳粉给料装置

　　代乳粉给料装置( 如图 3 所示) 由螺旋给料器及步进电机组成。工作时，螺旋给料器由步进电机驱动对搅拌桶进行代乳粉的投放，投放量与螺旋给料器的转数有关。为此，螺旋给料器是影响给料工作性能的主要部分。查找资料显示: 采用等径等螺距螺旋给料器易出现影响给料装置工作性能的“结拱”和“死区”等现象。为此，装置通过采用等径变螺距螺旋给料器( 如图 4 所示) ，解决了传统给料装置出现的“结拱”以及“死区”等现象，提高了给料的准确性及稳定性。等径变螺距螺旋给料器的螺距计算公式为【1-3】

　　
　　根据公式( 3)，计算等径变螺距给料器的螺距S1= 15，S2= 20，S2= 25，螺距的变化要求遵循直线变化( 一元函数) 的规律，线性增加( 即 y = kx+b 型) ，遵循函数为 y=5x+15( x=0，1，2) 。对等径变螺距给料器进行了给料试验，结果表明给料精度不低于 95%。【图3-4】

　　
　　2． 3 搅拌装置

　　搅拌装置主要由搅拌叶扇与搅拌桶组成。搅拌叶扇不同的安装形式会产生不同的流场，使搅拌的效果有明显的差别。根据装置所需的搅拌效果要求及代乳粉与水搅拌混合加工特点，叶扇安装位置选择偏心式搅拌安装类型，安装位置为顶部安装( 如图 5 所示) ，加强了液层间的相对运动，增强了液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的改善。

　　搅拌桶的材料选择为不锈钢，其有易于清洗、不易生锈等特点。搅拌叶扇类型选择为旋桨式搅拌器，不仅可以对代乳粉和水的混合物进行搅拌形成常乳，而且还可以对搅拌桶进行清洗。

　　2． 4 常乳精确供给系统

　　依据犊牛不同生长阶段，其饲喂量也随之发生变化，建立犊牛常乳需求量与犊牛生长阶段之间的饲喂模型，确定犊牛常乳供给量，并对犊牛实施精准识别及精确给料。该系统实现了犊牛的精确识别及犊牛不同生长阶段所需常乳的精确供给，保证了犊牛饲喂的质量。

　　装置一次可装载常乳量为 40 ～60kg，根据每头犊牛的常乳饲喂量在 2 ～ 3kg 进行计算，该装置每班次可饲喂 15 ～ 20 头犊牛，而每次饲喂时间不大于 12s。

　　在饲喂过程中，装置机架上装有的 ＲFID 无线射频识别系统，可准确地识别犊牛耳标，获取犊牛个体信息。

　　控制器根据所获取的犊牛个体信息控制蠕动式计量泵进行工作，按犊牛所需常乳量进行投喂，在投喂管一端安装吸吮器，模拟吸吮母牛奶头，犊牛通过吸吮器进食，可减少进食时间，为犊牛健康成长奠定基础。【图5略】

　　3 自动控制系统的设计

　　自动控制系统( 如图 6 所示) 是基于单片机的整机控制系统，实现整机原料供给、时间及温度等参数的精确控制。主要包括硬件设计和软件设计。【图6】

　　
　　3． 1 硬件设计

　　自动控制系统硬件部分主要包括人机交互模块、单片机模块和电源模块。其中，人机交互模块以维纶公司的 MT6070iH 触摸屏为核心，设计了良好的人机交互界面( 如图 7 所示) ，主要功能为控制其他各模块的运行; 单片机模块( 如图 8 所示) 是以 PIC24FJ256单片机为核心，主要实现接收触摸屏发出的控制信号功能; 电源模块( 如图 9 所示) 分别由三路开关电源组成，主要实现交流转直流以及降压输出功能，通过电源模块将 220 伏交流电转换为不同要求的直流电，为饲喂机各个模块供电，如给步进电机提供所需的 24V直流电、为无线射频识别系统提供所需的 5V 直流电等。硬件部分设计在保证各个模块可靠性的前提下，具有一定的经济性及可升级性。

　　3． 2 软件设计

　　在软件设计中，充分考虑系统的硬件特性和用户的功能需求，完成了基于模块化的自动控制系统软件设计。人机交互界面能够方便、快捷地实现对原料供给量、水供给量、加热温度、原料配比、饲喂时间、犊牛饲喂量以及冷却温度等参数的设置，并控制相应系统工作。人机交互界面图如图 7 所示。【图7-9略】
　　
　　4 结论

　　1) 采用机械、电子与自动控制等技术，建立集常乳加工系统、常乳精确供给系统、识别系统及自动控制系统等为一体的犊牛智能化饲喂装置，实现了犊牛饲喂的科学化、自动化、精确化，为奶牛业的可持续发展提供饲养技术装备支撑。

　　2) 搭建的软硬件控制系统不仅有效实现了对原料供给量、水供给量、加热温度等参数的设置，而且进行了控制相应模块动作，完成了对犊牛所需饲喂量的供给，实现了犊牛饲喂的智能化、精细化及自动化。

　　参考文献:

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　　［2］ M． Janzekovic，B． Mursec，I． Janzekovic． Automatic and con-ventional system for feeding calves［J］． Manufacturing andProcessing ，2011( 2) : 566－572．
　　［3］ 关鸣，杨军，王少华，等． 一种犊牛饲喂装置: 中国，CN202269261U［P］． 2012－06－13．
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　　［5］ 杨秋良． 料仓结构设计［C］/ /2010 年全国石油化工设备、机泵、搅拌年会论文集． 大连: 中国石油和化工勘察设计协会，2010．