Cup Punch Automation System/zh

简介

在一个学期里，我与我的 7 名工程系学生团队合作，为我们的客户FAST（自由适用可持续技术）小组开发了一种环境可持续、成本效益高且安全的设计理念。该小组的工作包括开发可持续的开源农业技术，以改善他人的生活质量。

他们用来种植作物的泥炭杯需要开一些小孔以便水和空气流通，当时他们只能手工在每个泥炭杯上打孔。由于每隔几个月就需要数百个泥炭杯，这个过程十分繁琐，因此他们需要一种更高效、更自动化的打孔装置。

问题陈述

研究人员和从事垂直农业的农民需要一种可再生且价格合理的泥炭杯替代品，以及一种省时的打孔系统，以实现可持续的全年农业，从而满足其社区对新鲜农产品日益增长的需求。

目标

开发一种安全、经济的杯状冲孔自动化系统原型，该系统能够持续稳定地冲孔，为多个杯子冲出足够数量且尺寸合适的孔。这将高效地制备可用于种植的杯子，从而提高农业生产效率，支持其可持续发展。

设计与流程

作为一个机电一体化项目，这个过程培养了许多技能，例如解决问题、协作、CAD、编程和原型制作技能。

为了降低成本，原型机的部分部件采用3D打印技术制造，其余部件则使用现有的木材切割而成。在CAD概念设计中，设计了一个透明的“天花板”式底板，以便在机器运行期间清晰地观察下方的机械结构，从而提高安全性和操作人员的感知能力。此外，该设备还被设计成易于拆卸，方便更换和清洁部件，以延长其使用寿命和重复使用性。最终的原型机作为概念验证。

由于纸杯价格实惠且可生物降解，因此本项目选择纸杯代替泥炭杯。纸杯也足够耐用，不会在几次试验后就破损不堪。

使用自动化设备会更加省时，因为人们可以忙于其他工作，而机器则会负责打孔过程。

该设备由 5 个主要部分组成，这些部分共同支撑其自动化功能：

1. 杯模设计：设计一个完整的3D打印模具，使其置于杯内，可以防止冲压时杯子向内塌陷。倒置的杯模形状还能在分配器落下时牢牢固定住杯子。由于杯子会倾斜放置在墙上用于垂直种植，我在一侧设置了钉孔（9），在另一侧设置了狭缝孔（1），以便控制和引导水流方向。
2. 分配机构：采用双伺服电机和齿轮，将杯子逐个落到杯子模具上，并编程为定时过程。
3. 冲孔机构：一套包含9根钉子的机构，通过齿轮齿条系统将钉子冲入杯体，并穿过杯模上的钉孔。经测试，该孔数足以保证水流顺畅。该机构能够根据种植条件冲出大小一致的孔。
4. 切割机制：剃刀从杯子的另一侧划过，穿过杯子模具的狭缝孔（本项目要求只有一个狭缝孔），形成一致的狭缝，以实现最佳的水流。
5. 活板门机构：杯孔冲压完成后，连接纸杯所在模具的活板门会向下摆动，将冲压好的纸杯落入系统下方的收集箱中，然后活板门返回原位，继续进行自动冲压过程。用户可以随时从收集箱中取出纸杯进行种植。

除此之外，还使用了PCA 9865和Arduino UNO来连接和编程系统。

奖项

杯式冲孔自动化系统设计在 2024-2025 年 ES1050 展示会中荣获杯式冲孔团队第一名。

未来建议

由于该设备是为垂直农业（包含多种作物）打孔而设计的，因此未来的发展方向可以是制造各种杯模和打孔附件，以创建针对每种植物个性化的不同类型的孔，从而优化该设备以适应各种植物。

探索一次在杯模上冲压多个杯子的想法，然后测试质量是否没有损失，这将很有趣，因为这可以进一步提高系统的效率，从而改进它旨在用于的可持续农业流程。