基于機器視覺的農(nóng)產(chǎn)品自動分選機機構設計

王 佳，顏 潔，陳亞杰

● （1. 江蘇科技大學 機械工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；3. 上海船舶設備研究所, 上海 200031）

基于機器視覺的農(nóng)產(chǎn)品自動分選機機構設計

王 佳1，顏 潔2，陳亞杰3

● （1. 江蘇科技大學 機械工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；3. 上海船舶設備研究所, 上海 200031）

介紹了用于分選農(nóng)產(chǎn)品的自動分選機的設計，包括機械結構的總體設計和主要機械部件的設計選型，最后采用PRO/E對分選機進行三維設計。

農(nóng)產(chǎn)品；分選機；CCD；PRO/E

0 引言

自動分選機是利用光電原理，通過獲取物體外表顏色信息圖像，利用計算機對圖像進行處理，從而區(qū)分物品優(yōu)劣的機械設備。國外對于農(nóng)產(chǎn)品的自動分選起步較早，在20世紀70年代即有相關產(chǎn)品出現(xiàn)。目前在分選機這一領域國外有諸多成熟的產(chǎn)品，比較著名的有美國德爾塔科技公司、瑞士BUHLER公司，日本安西、韓國ATS，但其功能也各有所不同。美國德爾塔科技公司的產(chǎn)品主要是處理大米、芝麻、咖啡豆、花生和堅果等，而日本安西制作所的產(chǎn)品可處理豆類、米類、薯片、糖、鹽、樹脂、塑料、金屬等。國外的設備采用CCD數(shù)字圖像處理技術和計算機技術，技術先進，但是價格昂貴，一臺設備上百萬人民幣。

相對而言，國內(nèi)產(chǎn)品絕大部分采用模擬量的光電管作為檢測傳感器，用單片機控制，技術相對落后，產(chǎn)品的成熟性、穩(wěn)定性還不夠。國內(nèi)雖有極少數(shù)企業(yè)應用該技術，但多是引進國外設備；國內(nèi)從事糧食、蔬菜加工的企業(yè)有數(shù)萬家，而引進國外設備的屈指可數(shù)，原因是進口設備價格昂貴，都在100萬元人民幣左右，另外還存在品種的適應性問題。目前，國內(nèi)合肥安科和天津核工等少數(shù)企業(yè)也開始研究這方面內(nèi)容，研究對象為糧食加工。大米、豆類等糧食與脫水蔬菜等相比，顆粒較為規(guī)整，易于分選,因此大米色選機較成熟。但他們的研究還未推廣應用到更廣的領域。鑒于此，本文介紹了一種基于CCD和計算機為核心的農(nóng)產(chǎn)品自動分選機的設計，主要用于脫水大蒜片的自動分選，代替人工分選，從而提高分選效率。

1 分選機工作原理

分選機工作原理如圖1所示，分選機選別室內(nèi)有若干狹長的通道，通道出口處裝有高穩(wěn)定光源。當物料經(jīng)由振動喂料系統(tǒng)均勻地通過斜槽通道進入選別區(qū)域時，CCD傳感器將高速拍攝料槽中物料的圖像[1-3]，送入計算機中進行圖像處理和分析，通過與合格物料的基準顏色對比，找出不合格的物料，并確定不合格物料的數(shù)量及其位置，驅(qū)動這些位置對應的噴射系統(tǒng)用壓縮空氣吹出不合格物料，從而達到氣選的目的。

圖1 分選機工作原理示意圖

2 機械總體結構設計

據(jù)前期調(diào)研和參考國內(nèi)外已有的分選機的結構，結合本項目所要分選的物料(大蒜片)的特性，采用垂直給料的方式，初步設計產(chǎn)量為1t/h，可計算出整個機械設備的主要尺寸，最終的機械結構如圖2所示。自動分選機包括機架、進料斗、振動喂料器、計算機電氣柜、料槽、前備箱、后備箱、噴嘴和出料斗等部分組成。其中機架采用傾斜60°方式布置，使得物料可依靠重力自動在料槽中下滑；進料斗接受加工線上輸送過來的物料；振動喂料器使進料斗中的物料均勻、勻速的送入料槽中；料槽作為物料流動的通道，同時作為背景板為物料提供對比色；計算機電氣柜中安裝控制系統(tǒng)使用的計算機；前備箱中安裝光源、CCD攝像頭；后備箱中安裝電磁閥、電磁閥板；噴嘴安裝在料槽的下方，通過電磁閥的通斷控制噴嘴中的氣體的噴射，吹除次品物料；出料斗有兩個合格品出料口和廢品出料口兩個出口，合格品從合格品出料口流出，被噴嘴吹出的廢品則進入廢品出料口流出。

3 主要部件設計

3.1 料槽形狀

目前分選機的通道形狀主要有三種，即“V”形通道、“U”形通道、“凵”形通道?！癡”形通道氣選精度高，帶出比小，但產(chǎn)量小；“凵”形通道產(chǎn)量大，氣選精度較高，但氣選帶出比大；“U”形通道介于兩者之間。在原料質(zhì)量較好，含雜量少時，可選用“凵”形通道，相反則選擇“V”形通道。本設備根據(jù)大蒜片的質(zhì)量，采用“凵”形通道。

圖2 自動分選機結構圖

3.2 料槽與CCD位置的布置

滑槽末端與CCD位置的布置（取傾斜度60°），其中g取9.8。

1）不考慮斜面摩擦系數(shù)u0時：

v2=2glsin 60°，其中滑槽長度l=1.1m，得：

由運動公式s=vt+0.5at2，式中：s為滑槽末端距離CCD的垂直高度；t=2ms，得：s=8.75mm，近似值取s=10mm。

2）慮到斜面摩擦系數(shù)u0時，對于不銹鋼板，為了滿足整個裝置的工藝要求，板要求光滑，所以u0取0.005～0.1。

由于摩擦系數(shù)u0介入，a=gsinα-ugcosα，其中取u0=0.01，得：

g‘=10×sin 60°-0.001×10×cos 60°=8.66m/s2

由此比較g/g‘≈1。故可忽略不計。同樣可取s=10mm。

3.3 磁閥板設計

根據(jù)選定電磁閥型號，所需64只電磁閥，這些電磁閥需要固定。固定閥板的作用有兩個：安裝固定電磁閥和給電磁閥配氣。根據(jù)電磁閥尺寸，如果設計一個整體的閥板，安裝64只電磁閥，閥板總長度接近800mm，超過了機架的寬度，無法安裝在機架上。另外，由于閥板過長，閥板中的配氣通道在加工時，無法加工接近800mm的深孔。所以，根據(jù)實際情況設計如圖3所示的分段式單元閥板。每段閥板長97.2mm，可安裝8只電磁閥，分兩排安裝，共8塊配氣板，每4個閥板用螺紋依次連接組成，連接處用0型圈密封，防止漏氣，總長388.8mm，共組裝為2個閥板，并排安裝在機架上。這樣即解決了閥板的安裝問題，又解決了加工問題，可用普通的鉆床上加工配氣孔。

圖3 電磁閥單元板結構圖

3.4 噴嘴的設計

由于噴嘴是布置于斜槽后方用于吹掉不符合要求的顆粒。因此在布置噴嘴時，只能采用一排布置，只有這樣才能保證不符合要求的顆粒在下落過程中不論其在斜槽的哪個位置都可被噴嘴剔除掉，所以采用整體噴嘴形式。由于噴嘴孔徑為0.5mm，壁厚為1mm，料槽(農(nóng)產(chǎn)品從振動給料器下來后所經(jīng)過的斜槽)寬度是300mm，要均勻布置64個噴嘴，相鄰噴嘴孔中心間隔距離L=4.72mm。噴嘴的結構如圖4所示。

圖4 噴嘴的結構

3.5 動給料機的選擇

分選機進行選別異色粒時，物料須以一定的速度、厚度均勻有序地進入氣選分離槽。速度過快，選別率低，速度過慢，產(chǎn)量低；料層厚度過厚，選別率低，帶出比高，厚度過薄，產(chǎn)量低。一般要求物料流速穩(wěn)定，當原料含異色粒多時，采用較薄的料層厚度。另外，分選機的振動供料器振動量必須平穩(wěn)。根據(jù)要求選用GZV1微型電磁振動給料機，其料槽振幅1.5mm，頻率0次/min～3000次/min（可調(diào)）。

4 結論

本分選機的機械結構采用傾斜結構布置，使得整個設備結構簡單，符合物料輸送特性。在確定分選機的總體機械方案和各主要部件后，采用PRO/E軟件對分選機進行了三維參數(shù)設計，設計出了分選機的整體裝配圖，提高了設計的準確性，節(jié)省了設計時間。

[1] 張裕中. 光電色選技術及其應用[J]. 糧食與飼料工業(yè),1995(2): 1-5.

[2] 孟楚年. 大米色選機[J]. 糧食與飼料工業(yè), 1997(3):15-18.

[3] 劉紹剛. 計算機控制的農(nóng)產(chǎn)品光特性檢測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 1992(9): 91-103.

Design of Agricultural Products Sorter Based on Machine Vision

WANG Jia1, YAN Jie2, CHEN Ya-jie3
(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2. Zhenjiang China Marine-Xiandai Generating Co.,Ltd, Zhenjiang 212009, China; 3. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

This paper introduces the design of Agricultural products sorter, including the design of mechanical structure and primary parts, finally, the 3-D molding of agricultural product sorter is analyzed by PRO/E.

agricultural products; sorter; CCD; PRO/E

TP274.5

A

王佳（1979-），男，講師。研究方向：機械工程。