馬建華，張 冬，2，何建國(guó)，康 彩 ，弋偉國(guó)，褚雪松

(寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，銀川 750021；2.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310085)

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枸杞自動(dòng)化輸送和分級(jí)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)

馬建華1，張 冬1，2，何建國(guó)1，康 彩1，弋偉國(guó)1，褚雪松1

(寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，銀川 750021；2.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310085)

針對(duì)傳統(tǒng)枸杞分選機(jī)輸送系統(tǒng)體積大、對(duì)果品損傷大的劣勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種微型化、振動(dòng)式上料喂料裝置，采用四軌道枸杞輸送，將枸杞自動(dòng)排布系統(tǒng)的體積縮小至70×60×70cm3。利用機(jī)器視覺(jué)的方法，對(duì)枸杞進(jìn)行全圖像采集，圖像處理后用非接觸噴氣式分離系統(tǒng)對(duì)枸杞進(jìn)行分級(jí)，達(dá)到了無(wú)損傷、無(wú)污染的分級(jí)效果。實(shí)驗(yàn)表明：在振動(dòng)頻率為60Hz、振幅為0.25mm時(shí)，可分級(jí)枸杞36個(gè)/s，分級(jí)準(zhǔn)確度率89%，能夠較好地滿足枸杞加工中對(duì)枸杞分級(jí)的要求。

枸杞分選機(jī)；機(jī)器視覺(jué)；振動(dòng)喂料；分級(jí)裝置

0 引言

枸杞既是傳統(tǒng)名貴中藥材，又是一種營(yíng)養(yǎng)滋補(bǔ)品，世界各地廣泛食用，在我國(guó)已有2 000年多的藥用歷史，多產(chǎn)于寧夏、青海及新疆等地[1-7]。枸杞在采摘、曬干后，果品質(zhì)量參差不齊、大小不均，還混有霉變的黑色枸杞，直接上市或者銷(xiāo)售對(duì)果農(nóng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)損害消費(fèi)者權(quán)益[8-10]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)枸杞機(jī)械加工行業(yè)研究較少，枸杞分選大多采用人工挑選或色選機(jī)篩選：人工挑選分選速度慢、成本高；色選機(jī)篩選只能按顏色分選，不能滿足生產(chǎn)需求?，F(xiàn)有的果品分級(jí)上料裝置大多采用刮板式輸送帶或滾杠式上料裝置。刮板式輸送帶在輸送工程中刮板壁會(huì)對(duì)果品有一定的碰撞，造成果品損傷；滾杠式除了滾動(dòng)引起相互摩擦造成果品損傷外，輥杠之間的間隙會(huì)導(dǎo)致小果卡入而影響其性能。目前，上料裝置共有的特點(diǎn)是輸送帶長(zhǎng)，體積龐大。分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)則主要以翻轉(zhuǎn)果盤(pán)使果品滾落、撥板撥落或者直接掉落的方式，對(duì)果品造成較大的碰撞損傷[10-13]。為此，研究了枸杞振動(dòng)式上料喂料裝置和非接觸噴氣式分離系統(tǒng)，能夠較好地滿足枸杞分級(jí)設(shè)備的需求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)要求

干枸杞扁長(zhǎng)而不圓，呈長(zhǎng)形而不瘦，一般長(zhǎng)度約0.7～2cm，橫截面寬約為0.6～1.0cm，呈紅色或紫紅色，霉變枸杞為黑色或暗紫色[14]。枸杞分級(jí)需要剔除霉變枸杞并將枸杞按照長(zhǎng)度大小進(jìn)行分級(jí)，含有色澤 、大小多個(gè)指標(biāo)的分級(jí)，采用機(jī)器視覺(jué)的方法實(shí)現(xiàn)枸杞各指標(biāo)的分級(jí)。為了使枸杞能夠準(zhǔn)確、快速地到達(dá)圖像采集區(qū)，要求輸送喂料裝置能夠?qū)⒒旌翔坭脚帕袨閱瘟?、單個(gè)及統(tǒng)一姿態(tài)[15]，并且裝置盡可能體積小、輸送效率高。采用振動(dòng)式上料喂料方案，輸送枸杞達(dá)8個(gè)/s以上。

干枸杞皮薄，果實(shí)干而脆容易碰傷，分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)非接觸式分離分級(jí)方案，可分級(jí)枸杞8個(gè)/s以上。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

枸杞自動(dòng)分選系統(tǒng)包括振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、機(jī)器視覺(jué)攝像頭、傳送導(dǎo)軌和噴氣式分離裝置，如圖1所示。其中，振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)后側(cè)分為4路獨(dú)立輸送軌道，輸送軌道連接傳送導(dǎo)軌，在傳送導(dǎo)軌上設(shè)置有4組光電檢測(cè)傳感器，在光電檢測(cè)傳感器后側(cè)有4組機(jī)器視覺(jué)攝像頭，在機(jī)器視覺(jué)攝像頭后側(cè)設(shè)置有4路噴氣式分離裝置，在噴氣式分離裝置左上方設(shè)置有4路枸杞等級(jí)運(yùn)輸傳送帶。

由振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)軌道將混合枸杞分為4路單排、單個(gè)且統(tǒng)一呈豎形姿態(tài)的枸杞，當(dāng)被輸送至傳送導(dǎo)軌的光電檢測(cè)部位時(shí)，觸發(fā)光電檢測(cè)傳感器，緊接著圖像采集區(qū)的機(jī)器視覺(jué)攝像頭會(huì)對(duì)該枸杞作圖像采集；然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度化,基于大津算法的背景分割、橢圓擬合、大小形狀識(shí)別[16]及顏色識(shí)別對(duì)枸杞進(jìn)行分級(jí)；最后，由噴氣式分離機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將枸杞吹入相應(yīng)等級(jí)的運(yùn)輸傳送帶，由運(yùn)輸傳送帶將枸杞輸送至枸杞收集裝置，實(shí)現(xiàn)枸杞分級(jí)。

1.振動(dòng)上料機(jī)構(gòu) 2.光電檢測(cè)傳感器 3.運(yùn)輸傳送帶 4.傳送導(dǎo)軌 5.噴氣分離裝置 6.視覺(jué)攝像頭

2 原理分析及部件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)

振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)主要由振動(dòng)上料軌道、料斗、電磁鐵、底座及外殼等組成，如圖2所示。 其核心采用脈沖電磁鐵，可以使料斗做垂直方向振動(dòng)，由傾斜的彈簧片帶動(dòng)料斗繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)，料斗內(nèi)的枸杞由于受到這種振動(dòng)會(huì)沿著振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的螺旋軌道旋轉(zhuǎn)上升，直到在振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)軌道處被分為4路。受軌道形狀的限制(見(jiàn)圖3)，枸杞在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)隨著軌道的形狀自動(dòng)調(diào)整自己的姿態(tài)，每次只能豎形通過(guò)；在圖像采集區(qū)的前方軌道上設(shè)置有凸起，由于受到凸起的阻擋，通過(guò)凸起后的枸杞速度會(huì)大于未通過(guò)凸起的枸杞，這樣枸杞被分為單個(gè)、統(tǒng)一豎形姿態(tài)的果粒，最終被送往圖像采集區(qū)進(jìn)行圖像識(shí)別。

脈沖電磁鐵工作電壓220V、工作電流10A以下，工作頻率為50Hz，用振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)料倉(cāng)可放1 089πcm3(約15kg)枸杞。

圖2 振動(dòng)上料機(jī)俯視圖

1.振動(dòng)上料軌道 2.料斗 3.壓帽 4.銜鐵 5.彈片 6.電磁鐵 7.外殼 8.底座 9.減震橡膠墊

振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)引起枸杞的振動(dòng)，枸杞會(huì)沿著振動(dòng)盤(pán)的斜面慢慢上升。取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中枸杞沿斜面上升的截面圖做受力分析，如圖4所示。

圖4 枸杞受力分析圖

圖4中，枸杞受重力mg、斜面的支持力F和斜面的摩擦力f。設(shè)斜面傾角為θ(θ>0)，枸杞之所以能夠沿著軌道上升，主要由于受到枸杞和軌道面的摩擦力，與枸杞在空中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并沒(méi)有關(guān)系，所以取枸杞被彈起瞬間和落到軌道面時(shí)兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行受力分析。

當(dāng)枸杞被彈起瞬間有

f·sinθ+F·cos θ-mg=ma

f·cosθ=F·sinθ

此時(shí)，a為枸杞在被彈起瞬間獲得的加速度，方向沿豎直方向。

當(dāng)枸杞回落至軌道面時(shí)有

f-mg·sinθ=ma

F-mg·cosθ=0

此時(shí)，a為受斜面摩擦獲得的加速度，方向沿斜面方向。

由受力分析可知：枸杞沿斜面的上升力主要由枸杞表面和振動(dòng)盤(pán)之間的靜摩擦力提供，靜摩擦力大小為mgsinθ+ma。振動(dòng)盤(pán)每一次震動(dòng)都會(huì)經(jīng)歷加速度a>，a=0和a<0這3個(gè)階段，所以摩擦力的大小在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是變化的。枸杞的輸送速度主要取決于電磁鐵的動(dòng)作頻率和動(dòng)作幅度。機(jī)械結(jié)構(gòu)確定后，主要通過(guò)調(diào)節(jié)電磁鐵的動(dòng)作頻率來(lái)調(diào)節(jié)枸杞的輸送速度。

2.2 氣動(dòng)式分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖像處理后的枸杞會(huì)被輸送至分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的截面圖如圖5所示。在輸送軌道下方安裝有4組噴氣裝置，在輸送軌道的上方有4組分離輸送軌道；當(dāng)被分離的枸杞到達(dá)相應(yīng)等級(jí)的噴氣裝置時(shí)，氣閥打開(kāi)，枸杞會(huì)被瞬間吹入分離輸送軌道，實(shí)現(xiàn)枸杞等級(jí)分離。

1.振動(dòng)上料機(jī)構(gòu) 2.噴氣分離裝置 3.運(yùn)輸傳送帶 4.視覺(jué)攝像頭 5.光電檢測(cè)傳感器

枸杞在輸送軌道上每秒可以輸送9個(gè)左右，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥的動(dòng)作頻率最大為13次/s。輸送軌道運(yùn)行速度為140mm/s,枸杞噴射需要垂直高度至少為1.5cm，水平位移為1cm。噴嘴直徑2mm，以最大單個(gè)枸杞質(zhì)量為0.3g為例,計(jì)算枸杞分離時(shí)所需的大氣壓強(qiáng)。

由動(dòng)能定理得

取θ=60°，計(jì)算出把枸杞吹入導(dǎo)軌所需的力的大小為0.002 5N。

再根據(jù)壓強(qiáng)公式得

P=F/S

計(jì)算得枸杞吹入分離軌道所需壓強(qiáng)為796Pa。由于噴射時(shí)有一定的氣體損失，所以保證氣嘴內(nèi)的壓強(qiáng)在1.5kPa以上就可以將枸杞吹入分離軌道。

2.3 控制系統(tǒng)介紹

整個(gè)系統(tǒng)的控制部分主要由主處理器和協(xié)處理器兩部分組成。其中，主處理器主要負(fù)責(zé)圖像采集和算法分析，如圖6所示；協(xié)處理器主要負(fù)責(zé)振動(dòng)上料裝置、分級(jí)裝置及液晶屏的驅(qū)動(dòng)。主處理和協(xié)處理器之間采用MAX232經(jīng)行連接通信，主處理器將處理后的分級(jí)指令發(fā)送給協(xié)處理器，協(xié)處理器根據(jù)主處理的分級(jí)指令驅(qū)動(dòng)電磁閥快速吹氣實(shí)現(xiàn)枸杞分級(jí)。另外，協(xié)處理器還要根據(jù)主處理器發(fā)送指令的快慢，相應(yīng)地調(diào)節(jié)震動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的震動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)分級(jí)速度的閉環(huán)控制，提高分級(jí)效率。

為了滿足生產(chǎn)需求，主處理器采用主頻速度較快的STM32F439芯片，協(xié)處理器采用驅(qū)動(dòng)功率較強(qiáng)的ATMEGA2560芯片。

圖6 控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

3 樣機(jī)試驗(yàn)及性能分析

選取100個(gè)枸杞作為樣品，將這100個(gè)枸杞使用游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)度和橫寬，然后手動(dòng)分為4個(gè)等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貙?shí)際需求設(shè)定，如表1所示[16]。

表1 枸杞分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表1

將該分級(jí)樣品依次按照順序放入枸杞分級(jí)分選系統(tǒng)中進(jìn)行分級(jí)。在振動(dòng)頻率為60Hz、振幅為0.25mm時(shí)，分選系統(tǒng)分選枸杞35個(gè)/s。

將分級(jí)樣品和分選系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用MatLab制圖，如圖7所示。圖7中，手工分級(jí)枸杞采用空心圓圈表示，分選系統(tǒng)分級(jí)的結(jié)果倒小三角形表示。從圖7明顯可以看出：分級(jí)錯(cuò)誤的一般是長(zhǎng)度相差較小的枸杞。分選準(zhǔn)確度達(dá)到89%；分選系統(tǒng)分級(jí)沒(méi)有對(duì)枸杞造成損傷，并且分級(jí)結(jié)果與手工分級(jí)基本一致。

圖7 枸杞等級(jí)分布圖

4 結(jié)論

枸杞分級(jí)是枸杞產(chǎn)業(yè)中一道重要的工序，而我國(guó)枸杞產(chǎn)業(yè)裝備發(fā)展緩慢，還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)枸杞大小、色澤多指標(biāo)實(shí)現(xiàn)一次性分級(jí)的設(shè)備。相對(duì)于傳統(tǒng)分選設(shè)備的送料裝置，所設(shè)計(jì)裝置縮小設(shè)備體積1/3以上，效率大幅度提高，氣動(dòng)式分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)真正達(dá)到了枸杞非接觸式分級(jí)的要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)損化分級(jí)。設(shè)備可分級(jí)枸杞36個(gè)/s，能夠較好地滿足枸杞生產(chǎn)加工要求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還獲得了國(guó)家專利授權(quán)(專利號(hào)：ZL201520277717.0)。

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Abstract： For disadvantages of Large volume and big damage to fruit of traditional wolfberry sorting conveyor systems, we have designed a miniaturized, vibration feeding device which has four conveyor tracks and can reduced the Wolfberry automatic arrangement system volume to 70×60 ×70cm3. The use of machine vision methods to take Wolfberry full image acquisition, and then we use a non-contact jet separation system for grading wolfberry after all the image processing finished, in this way no damage and pollution to the fruit. Experimental results show that the when the vibration frequency equal to 60hz with 0.25mm vibration amplitude, the equipment can stability achieve to the grading speed of 36 wolfberry per second and classification accuracy rate of 88%, which can better meet the wolfberry grade requirements of wolfberry processing.

ID:1003-188X(2017)02-0108-EA

Mechanical Design of Wolfberry Automatic Conveyor and Grading Equipment

Ma Jianhua1, Zhang Dong1,2, He Jianguo1, Kang Cai1, Yi Weiguo1, Chu Xuesong1

(1.School of Physics and Electronic Information Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China; 2.School of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

wolfberry sorting machine； machine vision； vibration feeder； grading device

2016-01-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31101375)

馬建華(1989-)，男，寧夏涇源人，碩士研究生，(E-mail)mjh112@163.com。

張 冬(1981-)，男，銀川人，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zd4004@163.com。

S226.5；S24

A

1003-188X(2017)02-0108-04