接下來的一系列文章主要是要整理我二十多年來曾經獨力或參與研發過,少數有商品化販售的機械設備

 


這時候才來整理這些資料的原因是:


1.從原公司離職滿一年以上了,聽聞原公司最近已申請註銷公司登記,而目前實質上已歇業轉型為其他行業


2.大多機器設備在參與發明單位人員雖然名單掛了一堆人,但大多都是老闆做公關給那些人掛名,實際上原本就是我一人獨力研發,相關設計細節資料全在我手上


3.相關的或有爭議的專利已全部失效。另外我也是掛名發明人之一,要公開部分設計細節內容只是不希望以後找不到資料(不會公開全部設計資料)。我知道我部落格內文章在很多網站都有轉貼或引用複本,或被拿去當作上課講義。但我懶得去處理著作權的問題,因為資料只要公佈在網路上就無法防止被人盜用


4.在這些相關研發成果有掛名的政府、學術單位或個人,目前大多不是單位整編撤除或改名,人員不是退休就是不在了,就算要追究什麼問題也早過了時效。另外我文章內不會寫出那些單位或人員的名字,那些有可能沾到邊的就請千萬不要對號入座來找我自首


5.目前市面上已出現許多新型機種,舊發明只能算是過時產品,整理這些資料只是想留下我曾經做過這些東西的記錄

 

二十多年的研發史也幾乎等同台灣近代農機的發展史,見識過各政府、學術單位的各種樣貌,現今工作的新公司終於可以不用再看那些渾蛋的臉色做事

 

 


首先我研製的第一台機器"水耕蔬菜播種機":


1991年那時我剛當完3年兵,找到的第一份工作就是組裝這台機器的作業員。因為當時是2人小公司,所以後來又接手兼任這台機器的研發改良工作,在沒有電腦的情況下,趴在牆面上用鉛筆畫A0尺寸圖紙兩倍大的設計原稿


我接手當時的商品第2代雛型機有很多問題無法克服,在過了半年時間才完成最終型態的商品機。拜那兩年颱風多的緣故,這台機器在停產前,前後共銷售了50多台,還有賣幾台到新加坡


就在機器熱賣時卻不得不停產,原因出在專利上,而我公司是在完成最終型態商品機,要就改良部分請專利時才知道出了問題。按照與政府單位合作當時的合約,技術專利應歸該政府單位所有,不知何故專利卻登記在某私人名下。事後該單位承辦人員對此事的回覆令人傻眼,"專利不登記為政府單位,是預防研發廠商研發後不生產"。在該單位承辦人員拒絕合作的情況下與專利所有人打了近一年的官司,最後雙方和解,我公司取得專利使用權,對方不主張已販售機器的權利。我公司因此決定停產,而專利所有人也沒能力製造改良後的機器,這台機器就此從市面上消失。當初的承辦人員若有看到這篇文章不用來找我算帳,我所寫完全是事實,況且你們幾位退休十多年了,也無法追究你們的責任

 


商品雛型機的大概機器外觀結構如下:

水耕播種機雛型機示意圖  

 

這是一台用來把種子播種在水耕海綿上的機器設備,熟練的操作人員一人可以每小時播種200到220片海綿,比當時人工一人最快每小時12片海綿相比(工資每片海綿2元),是非常有經濟效益的機器


機器的相關專利有興趣的可以到"中華民國專利資訊檢索系統"去查詢,有商品雛型機的專利文件和圖片可看


其中海綿頂開套板以"泡棉撐開裝置"為專利申請的重點

 


雛型機當時有幾項大問題:


1.真空泵浦實際是使用家用吸塵器,在集塵袋有阻塞時都會使吸力減弱。第2代改用馬達帶動小型鼓風機,吸力減弱問題略有改善,但仍未完全解決這問題;同時另一個最大的問題是吸力無法調整


2.種子槽實際重量相當重,只靠手把控制升降很快就沒力,對操作者來說是很不友善的設計;因此第2代雛型機改成手把控制海綿升降,而種子槽升降改成腳踏板。但手把換到海綿抽屜的位置後,會妨礙操作者動作。另外要把海綿切痕撐開需要相當的壓力,對操作者來說還是相當吃力


3.外吹管把吸附針盤所吸到的多餘種子吹落,確保每支針只有1顆種子,但沒有收集裝置,以致種子掉落滿地


4.吸附針盤的針時常插破種子造成阻塞缺株,播種率很難再提升


5.有些種子因為發芽率低,農民希望每一格海綿內能播種多顆種子,但沒有找到廠商有意願製造仿外國的多針頭吸附針,當時只能同一片海綿多播種幾次來解決這個問題,會降低播種效率


6.種子槽和海綿的升降裝置連桿設計不當,升降軸的直線軸承耗損率高,且在舉升到最高點時相當吃力


7.播種深度不定,取決於海綿升降高度,對發芽率有一定的影響

 

 


第4代商品機從結構合理化及節省成本改變設計,改變了近9成的材料和設計,分述如下:

水耕播種機示意圖  

 


1.播種用的海綿從水耕技術引進到現在主要尺寸幾乎沒有變化,一片海綿以切痕分割為8*12=96個方塊。每個方塊約2.4公分正方,厚度從原本的2.4公分發展到現在,也出現了1.6公分薄型和3.2公分加厚型的變化。厚薄的變化是因為當時技術才剛引進,為節省海綿成本,農民請海綿廠商削薄,後來發現太薄不足以支撐蔬菜根系,又改回原尺寸。加厚的則是另類思考,想要根系能夠支撐如高麗菜這一類的蔬菜。不過幾年後水耕農場的大宗蔬菜種類大致固定下來,海綿也幾乎不再變化

水耕海綿  

 

每個海綿方塊正中在水耕技術引進之初是在正中有1.2公分一字型切痕做為播種位置,因為一字型切痕不易撐開,不利於某些蔬菜種子的機械播種,後來變化為十字型切痕,成為水耕海綿的標準型式

水耕海綿示意圖  


作為專利重點的海綿頂開套是幾次錯誤嘗試才改良成功:一開始海綿頂開套就只是一節圓管,是在切痕四周均勻施壓,結果切痕切開的開口不大。最後是在圓管上縱剖一個凹槽,形成左右兩個半月型,只針對切痕左右施壓,結果是除了上下方向開口不大,但左右方向開口已足夠放入大型種子。會有這個需求是因為水耕技術引進當時有很多農作物都有學校政府單位或農場想要試種,最小從菸葉種子到最大苦瓜子都想測試

海綿撐開效果示意圖  


頂開套材料一開始是直徑12mm厚1mm鋁管,後來追加縱剖的凹槽最後確定的最佳尺寸是寬度8mm。但原始設計使用以銑刀自管端縱剖的加工方式,凹槽底部是直角形狀,使用一段時間後會在那邊產生應力裂紋,最後損壞斷裂。我進行改良部分是材料改用直徑12mm厚0.6mm有韌性的塑膠PVC管,凹槽改用銑刀自管端橫剖的加工方式,凹槽底部是圓形,避免產生應力裂紋

海綿頂開套演進示意圖  

 


2.種子槽的原始設計一開始就是對應每一支針都有一個孔洞,把種子限制在孔洞範圍內,減少種子的使用量。但卻有一個嚴重問題:因為孔洞太多導致材料應力變形,製造種子槽的不良率高達90%以上,幾乎每個都有翹曲變形的狀況。而雛型機原設計者的工X院工程師換過各種金屬或塑膠材料試做,仍一直無法解決這問題


在考慮成品的重量及應力問題,我改用我熟悉的材料"木質纖維板"來製造種子槽,完工的種子槽噴上3層薄透明漆避免溼氣造成損壞,解決了變形問題

 


3.為了徹底解決種子掉滿地的問題,改變機器內結構,以涵蓋整台機器的種子回收導板將播種機分隔為上下兩層,掉落的種子都會經由種子回收導板進入種子回收盒

水耕播種機上層結構示意圖  


在海綿抽屜那一端加裝可調整的播種深度調節塊,使種子落在海綿深度3~5mm之間,使種子有較穩定的發芽率。3~5mm的播種深度是專家和農民長時間播種的經驗結果,不是廠商獨創的理論


對於針時常插破種子的問題,解決方法是用彈簧筒將種子槽懸空,並使用振動馬達使種子槽內的種子跳動。在吸附針接觸到種子時,因種子跳動不會緊壓在一起,可以避免插破種子;振動源原本有考慮氣壓振盪器或電磁振盪器,但要達到所需出力的機種尺寸在當時售價高昂,光一個就占了製造成本約30%。而市售的振動馬達最小的尺寸出力又比需要的大太多,最後採用的方案是以小型交流馬達加上偏心配重塊自製,振幅調整以改變配重塊的方式進行

 


4.影響播種率最大的因素是種子和吸附針的配合,水耕技術引進當時真的有很多農作物都有人想試種看看,衍生的問題也不少


圓球狀的種子如小白菜之類的十字花科作物算是問題最少的,被吸附針插破的機率也較低

小白菜種子  


當時水耕主流作物之一的茼蒿種子不僅容易插破,雜質碎片還特多,不先篩選過播種率就很難超過70%

茼蒿種子  


另一個主流作物之一的萵苣種子插破的問題較少,但吸附針吸到種子兩頭尖端時,尖端時常會斷在吸附針內讓針阻塞,播種率也很難超過80%

萵苣種子  


菸草種子因為太過細小,則是時常塞住吸附針

菸草種子  


至於苦瓜、甜瓜的種子因為太大,使用口徑較大的吸附針頭,但真空泵浦的吸力不足缺播率高

苦瓜種子  

 

甜瓜種子

 
配合各種類的作物種子就必需換使用各種尺寸的針頭,我接手設計當時雛型機使用的吸附針是醫療用的塑膠針頭去加工改造,尺寸是19號到25號,這些尺寸不足以應付瓜類的大型種子和菸草類的微型種子播種

塑膠針頭  


有考慮過使用點膠機用針頭,但點膠機針頭最大只有20號最小也只到26號,加上當時價格是醫療用針頭的好幾倍,這個提案被老闆否決

點膠機針頭  


對於瓜類的大型種子改用醫療用的不銹鋼針頭去加工改造,尺寸是16號到19號

不鏽鋼針頭  


對於菸草類微型種子我另外設計了銅針,銅針針孔使用放電加工從0.5mm到0.1mm以下尺寸。針頭內腔的構造可避免阻塞,同時可針對需求改成一次可吸取多顆種子的結構,解決要重複播種效率降低的問題

銅針頭設計圖  


吸附針的固定針座原本是使用氣壓管路用的C式快速公接頭來改造,重新設計改用CNC車床來量產。後端原本固定用的管牙改成直螺牙,可免除管牙鎖緊時造成的吸附針盤應力變形。前端則加上螺牙搭配特製螺帽,用來固鎖吸附針,使吸附針能承受較高的吹氣壓力而不會脫落,能有效防止針頭阻塞

吸附針座 實品

 

吸附針座設計圖  

 

吸附針座螺帽設計圖  


吸附針和針座的設計在後續的針式播種機仍繼續沿用

 


5.種子槽和海綿升降裝置連桿原先設計的工X院工程師不知為何使用那種結構,在踏板舉升時,萬向滾珠除了前後移動的側向力,還有承受踏板傾斜的斜向力,要舉升到最高點需要出很大的力氣。同時在舉升到最高點時,直線軸承側向吃力相當大,會在升降軸留下刮痕,一段時間後直線軸承容易損壞掉鋼珠

舊式升降踏板示意圖  


改良的結構改用平行四連桿,舉升端完全垂直升降,萬向滾珠只有承受前後移動的側向力,可以輕鬆的舉升到最高點

新式升降踏板示意圖  

 


6.最後是真空泵浦和管路系統的結構改良:


真空泵浦的選擇當時是個很大的問題,有許多廠商拿真空泵浦產品來測試,雖然從負壓錶來看達到的真空度都很高,但幾乎有一半以上的吸附針都吸不起種子


在深入閱讀真空相關的的文獻資料後,最後選擇高壓鼓風機來當作真空泵浦使用。重點是要確保任何狀況下每分鐘排氣量能達到需求,所以馬力加大到1HP,排氣量比計算出的理論值大2倍。在連通管路加上球閥和壓力錶,可以各別調整

真空吸力吹氣調節系統示意圖  


這套系統在實測時有相當穩定的表現,所以後來的全自動水耕蔬菜播種機和滾筒式蔬菜穴盤育苗播種機都有使用

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未出師的小工程師 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(2) 人氣()


留言列表 (2)

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  • 悄悄話
  • Noah  Chang
  • 對你的產品有興趣 聯絡 0970963139 張嘉孟
  • 文章內有提過我設計過的機器已停產,未來也不可能重新生產

    未出師的小工程師 於 2016/08/08 22:06 回覆

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