鄧小林，潘明華，韋衡冰，潘家興，石 磊

(1.2.3.4.5.梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002)

0 引言

梧州被譽為“人工寶石之都”，已成為全國人工寶石原材料、機械設(shè)備、加工輔助材料的交易中心，形成了寶石半成品外發(fā)、成品收購、寶石機械設(shè)備、寶石原料等一條龍的專業(yè)市場，是世界上最大的人造寶石加工和貿(mào)易集散基地[1-2]。伴隨著寶石產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，針對寶石加工的相關(guān)設(shè)備研發(fā)，得到了越來越多的企業(yè)和研發(fā)人員的重視，開發(fā)出了各種寶石加工設(shè)備，對促進寶石的加工起到了積極的推進作用。

雖然近幾年針對寶石加工的設(shè)備研發(fā)取得了長足的進步，但針對寶石分揀、計數(shù)的相關(guān)工作，目前市面上卻主要由工人在燈光下借用固定板孔的計數(shù)板手工計數(shù)來完成。由于寶石體積小、多面反光，導(dǎo)致寶石計數(shù)困難，其效率和準(zhǔn)確率都較低，加上寶石反射的強光對人的眼睛會造成傷害，長期從事此類工作，對眼睛的視力會造成極大的危害。2010年徐慧英[3]研發(fā)了一種自動點數(shù)器，實現(xiàn)了對大批量顆粒寶石產(chǎn)品進行點數(shù)，但在結(jié)束點數(shù)時，其工作原理主要通過控制振動模塊速度，來避免顆粒產(chǎn)品從振動盤中掉下。由于寶石本身的慣性力，尤其是在大批量快速計數(shù)時，由于速度從快到慢的突然轉(zhuǎn)換，可能導(dǎo)致寶石由于慣性力掉下。筆者在前期[4]研發(fā)了一種人工寶石顆粒自動計數(shù)機，該機器主要通過料箱內(nèi)寶石堆落至計數(shù)板，通過電機帶動計數(shù)板前移，利用刮板將寶石刮入計數(shù)板孔中，傳感器通過計算板孔來回運動的數(shù)量，達到對寶石計數(shù)的目的。由于寶石主要依靠刮板將寶石刮入計數(shù)板，在實際應(yīng)用中還存在當(dāng)進料箱寶石不足時，料斗內(nèi)剩余的寶石無法填滿計數(shù)板的問題。潘明華[5]等人將圖像處理技術(shù)應(yīng)用到寶石點數(shù)機上，通過圖像識別，對進入識別區(qū)的分散的人工寶石進行自動識別并進行計數(shù)。但寶石掉落到識別區(qū)時容易出現(xiàn)寶石堆疊現(xiàn)象。

通過上述分析可知，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有一些關(guān)于寶石計數(shù)的相關(guān)裝置，但還存在著部分關(guān)鍵技術(shù)問題有待進一步解決。而集寶石分揀與計數(shù)于一體的設(shè)備，通過前期市場調(diào)研，并沒有發(fā)現(xiàn)類似的設(shè)備或文獻報道。為了進一步提高寶石的計數(shù)效率和準(zhǔn)確率，減輕寶石從業(yè)人員的勞動強度，降低寶石產(chǎn)品的計數(shù)成本，研究一款集寶石分揀、計數(shù)于一體的全自動化設(shè)備來代替人工分揀和計數(shù)，具有重要的現(xiàn)實意義。設(shè)備的研發(fā)成果將會在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高寶石分揀計數(shù)的效率和水平，對促進地方產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的寶石分揀計數(shù)裝置主要用來對市面上產(chǎn)銷量大的3mm、4mm、5mm三種不同尺寸的圓明亮琢型寶石進行分揀和計數(shù)。這里，首先對圓明亮琢型寶石結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和名稱進行簡單介紹，由于不同的專家和學(xué)者在對寶石各部分名稱的命名上稍有不同，這里引用參考文獻[6]對寶石的基本結(jié)構(gòu)和各部分名稱進行說明。圖1所示為參考文獻[6]所列的圓明亮琢型寶石的各部分名稱。整個寶石由冠部、腰部和亭部三大部分構(gòu)成。上面的冠部主要由中央八邊形面的臺面、冠主面、冠主面與臺面之間的8個三角形的星小面以及冠主面與腰部之間的16個上腰小面所構(gòu)成。中間部分為寶石的腰部，腰部以下為亭部，亭部由16個下腰小面和8個亭主面構(gòu)成。冠主面與腰圍臺面的夾角稱為冠角，亭主面與腰圍小平面的夾角稱為亭角。上腰小面、下腰小面、星小面與腰圍水平面的夾角分別稱為上腰小面傾角、下腰小面傾角以及星小面傾角。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 圓明亮琢型寶石結(jié)構(gòu)圖

考慮到設(shè)備主要實現(xiàn)分揀和計數(shù)兩大功能，這里將整個設(shè)備設(shè)計成由分揀裝置和計數(shù)裝置兩大部分構(gòu)成。其中，分揀裝置主要用來對混合在一起的不同尺寸大小的人工寶石進行分揀，計數(shù)裝置可以實現(xiàn)對分揀出來不同尺寸的寶石分類計數(shù)，并通過開發(fā)的液晶顯示系統(tǒng)實時顯示。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分揀計數(shù)裝置總體結(jié)構(gòu)圖

注：(1)5mm出料漏斗(2)4mm出料漏斗(3)3mm出料漏斗(4)篩網(wǎng)1(5)篩網(wǎng)2(6)進料料斗(7)彈簧(8)直線振動電機1(9)控制系統(tǒng)(10)顯示系統(tǒng)(11)步進電機(12)3mm收集箱(13)4mm收集箱(14)5mm收集箱(15)出料槽(16)臨時儲存器(17)壓電傳感器(18)直線振動電機2(19)Ⅲ號V型傳送槽(20)Ⅱ號V型傳送槽(21)Ⅰ號V型傳送槽

整個寶石的工作流程主要采用如下方式進行：首先，將不同規(guī)格的人工寶石通過進料料斗倒入分揀系統(tǒng)進行分揀。分揀主要通過篩網(wǎng)1和篩網(wǎng)2進行。通過篩網(wǎng)1的篩選，尺寸大于5mm的寶石無法通過篩網(wǎng)，被直線振動電機輸送到I號V型傳送槽。通過篩網(wǎng)1篩選出來的寶石掉入篩網(wǎng)2，利用篩網(wǎng)2再一次進行自動篩選。經(jīng)過篩網(wǎng)2篩選出來的3mm尺寸的寶石，自動被直線振動電機輸送到III號V型傳送槽，未通過的4mm的寶石被直線振動電機輸送到II號V型傳送槽。進入V型傳送槽的寶石在計數(shù)裝置的直線振動電機的帶動下，向前傳送，通過計數(shù)系統(tǒng)進行計數(shù)。計數(shù)主要包括普通的點數(shù)和通過控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)數(shù)目的定量計數(shù)兩種方式。系統(tǒng)默認(rèn)采用的是普通計數(shù)方式，即V型傳送槽的寶石在計數(shù)裝置的直線振動電機的帶動下，向前輸送，在落入臨時儲存器過程中，觸碰壓電傳感器進行自動計數(shù)，臨時儲存器自動旋轉(zhuǎn)，將寶石倒入收集箱中，完成普通的點數(shù)功能。如果采用的是預(yù)設(shè)數(shù)目的定量計數(shù)方式，則落入臨時儲存器的寶石并不會被自動輸送到收集箱中，只有當(dāng)落入的數(shù)目達到預(yù)設(shè)的數(shù)量時，控制系統(tǒng)控制步進電機旋轉(zhuǎn)臨時儲存器，將達到預(yù)設(shè)數(shù)量的臨時儲存器的寶石倒入收集箱中，實現(xiàn)定量計數(shù)的功能。詳細(xì)的工作流程圖如圖3所示。

圖3 整機工作流程圖

2 設(shè)備工況及工作循環(huán)圖

寶石分揀計數(shù)器上各工位詳細(xì)工況如圖4所示。通過分揀過程①工位對倒進來的混合的三種不同規(guī)格的寶石進行全自動分揀。其中，①→②過程為直徑3mm的寶石分揀，①→③為直徑4mm的寶石分揀，①→④為直徑5mm的寶石分揀。分揀后的寶石在V型傳送槽中通過傳送過程⑤傳送到計數(shù)裝置。最后，通過計數(shù)裝置⑥，采用壓電傳感器對寶石按照設(shè)定的方式進行計數(shù)，得到想要的寶石數(shù)目。

圖4 設(shè)備工況示意圖

整個設(shè)備運動循環(huán)圖如圖5所示。

圖5 整機的運動循環(huán)圖

3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 分揀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及部件參數(shù)

本設(shè)計主要研究適用于直徑為3mm、4mm、5mm的圓明亮琢型寶石。分揀裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下頁圖6所示。裝置主要通過設(shè)計篩網(wǎng)孔的不同直徑大小來進行分揀工作。裝置主要部件的選用及技術(shù)參數(shù)如下。

(1)電機

設(shè)計采用的振動篩為座式結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計要求，采用直線振動電機，電機電壓24V，電機轉(zhuǎn)速4500r/min。

(2)篩網(wǎng)長度與寬度

本設(shè)計所采用的圓孔篩網(wǎng)的長度為270mm，圓孔篩網(wǎng)寬度為90mm，寬長比為1∶3。

(3)篩網(wǎng)孔形狀與尺寸

篩分顆粒形狀和用途決定了篩網(wǎng)孔形狀的選擇。設(shè)計主要是針對圓明亮琢型寶石，故選用圓形篩孔，尺寸是根據(jù)篩選的寶石的規(guī)格進行變化。其尺寸應(yīng)滿足以下要求：

D孔≥D寶石+h

(式1)

這里，

D孔指的是篩網(wǎng)孔的直徑；

D寶石指的是寶石腰部直徑；

h指的是間隙，這里取0.5mm。

(4)振動篩振幅確定

設(shè)計選用的是直線振動電機，結(jié)合設(shè)計情況，選用振幅A=4mm。

(5)振動角β

隨著直線振動電機安裝角度的變化，寶石運動的方向也會跟著改變，一般直線振動電機的安裝角度是與水平方向成45°?？紤]到上述因素，該振動方向角選取β=45°。

圖6 分揀裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 計數(shù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及部件參數(shù)

計數(shù)裝置包括V型傳送槽、壓電傳感器、臨時儲存器以及收集箱組成。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如下頁圖7所示。

裝置主要部件的選用及技術(shù)參數(shù)如下。

(1)電機

結(jié)合設(shè)計要求，采用直線振動電機，電機電壓24V，電機轉(zhuǎn)速3100r/min。

(2)送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

V型傳送槽由60°的亞克力板制作而成，通過對電磁鐵接入220V交流電使電磁鐵震動，電磁鐵通過彈簧片帶動直線軌道以及固定在直線軌道上的V型傳送槽運動，使篩分出來的寶石在V型傳送槽上形成一條直線并能連續(xù)不斷的向前傳送，使得寶石的運動情況得以合理控制，達到設(shè)計的送料要求。根據(jù)設(shè)計要求，寶石需要直線傳送的距離為152.5mm。

(3)計數(shù)機構(gòu)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

考慮到人工寶石本身的特殊屬性，人工寶石原材料為立方氧化鋯，是一種堅硬、無色及光學(xué)上無瑕的結(jié)晶，對于普通的電磁感應(yīng)器都沒有明顯的反應(yīng)，故選用壓電傳感器對寶石進行感應(yīng)。壓電傳感器是一款測量振動、撞擊和觸摸的柔性傳感器。當(dāng)傳感器前后振動，模塊內(nèi)部的電壓比較器會產(chǎn)生一個電壓，輸出高低電平。該傳感器不僅可以檢測強烈的沖擊，還可以檢測細(xì)微的振動，頻率范圍在0.001HZ～1000MHZ的范圍內(nèi)都有很好的表現(xiàn)。模塊設(shè)置了一個靈敏度調(diào)節(jié)開關(guān)，把壓電傳感器靈敏度調(diào)節(jié)到適合的頻率范圍，通過人工寶石與傳感器的碰撞產(chǎn)生振動，使得傳感器內(nèi)的電壓發(fā)生變化，并且把信號輸送到控制系統(tǒng)，從而得到人工寶石的數(shù)量。步進電機與壓電振動傳感器相互反饋，由傳感器計數(shù)出來的數(shù)目控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，每當(dāng)計數(shù)出到達設(shè)定的寶石數(shù)目時，步進電機將旋轉(zhuǎn)90°使得在臨時儲存器里面的寶石下落到出料口。

圖7 計數(shù)裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

實物樣機如圖8所示，樣機經(jīng)測試，各項指標(biāo)達到了設(shè)計要求。

圖8 寶石分揀計數(shù)裝置樣機

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)主要包括LCD串行顯示實現(xiàn)壓電傳感器信號檢測以及步進電機控制。該電路由ULN2003芯片作為驅(qū)動芯片，帶動步進電機轉(zhuǎn)動，外圍引腳OUT1，OUT2，OUT3，OUT4通過電阻RP1至RP4與4個發(fā)光二極管相連，指示步進電機的工作狀態(tài)，當(dāng)步進電機正常工作時，其四個燈處于接通狀態(tài)，否則步進電機處于停止或故障狀態(tài)，其控制信號需從這四個腳輸入。引腳INT1，INT2，INT3，INT4直接相連步進電機的四個腳驅(qū)動步進電機。8腳和9腳分別接電源地和+5V至+12V電壓?？刂颇K電路圖如下頁圖9所示。

圖9 步進電機控制模塊原理圖

5 結(jié)論

寶石自動分揀計數(shù)裝置能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大幅度提高寶石分揀和計數(shù)的效率以及準(zhǔn)確性，設(shè)備的研發(fā)對促進寶石分揀計數(shù)的效率具有重要的現(xiàn)實意義。研發(fā)的寶石分揀計數(shù)裝置具有全自動分揀和計數(shù)的功能，分揀的寶石為市面上產(chǎn)銷量大的3mm、4mm、5mm三種尺寸的圓明亮琢型寶石。裝置配備了液晶顯示系統(tǒng)，能實時顯示計數(shù)寶石的數(shù)量，也可通過控制系統(tǒng)設(shè)定所需要的寶石數(shù)量，實現(xiàn)寶石的“定量計數(shù)”功能。值得一提的是，通過改變篩網(wǎng)孔的尺寸大小，也可實現(xiàn)其他不同尺寸寶石的分揀和計數(shù)。設(shè)備也可推廣應(yīng)用到其他類似顆粒產(chǎn)品的分揀和計數(shù)方面。