紅棗分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

仲小英

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院（太倉 215400）

紅棗味道甘甜且具有較高的營養(yǎng)價值。中國紅棗產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%以上，隨著國家對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的大力支持，紅棗深加工產(chǎn)業(yè)快速增長[1-4]。紅棗分級技術(shù)是提高產(chǎn)品品質(zhì)和價值的關(guān)鍵技術(shù)，紅棗分級仍主要依靠人工，也有一些機(jī)械式的分級設(shè)備，但都存在分級精度不高，穩(wěn)定性不高的問題[5-6]，因此設(shè)計(jì)一種分級精度高、穩(wěn)定性高的紅棗分選設(shè)備具有重要意義。試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種基于視覺技術(shù)的紅棗分選裝置，介紹其結(jié)構(gòu)組成和控制方式。

1 裝置總體結(jié)構(gòu)

該裝置基于視覺技術(shù)將紅棗按照大小、顏色及表面缺陷等進(jìn)行分級篩選[7-9]。為使分選過程全自動化，裝置應(yīng)該具有自動上料、單個輸送、圖像識別及分級等功能。為實(shí)現(xiàn)上述功能，該裝置主要由自動上料系統(tǒng)、輸送整形系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)、分級機(jī)構(gòu)等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理是：料斗中的紅棗在輸送帶的作用下，經(jīng)過整形定位，單個有序地進(jìn)入檢測系統(tǒng)，經(jīng)過圖像采集和處理，進(jìn)入分選機(jī)構(gòu)，在分選機(jī)構(gòu)的作用下分別進(jìn)入到相應(yīng)的通道。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 分選機(jī)工作流程圖

2 各部件設(shè)計(jì)

2.1 自動上料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)紅棗的外形特點(diǎn)，將上料傳送帶設(shè)計(jì)成帶波浪的凹槽，它由普通輸送帶和折彎成型的波浪形PVC帶組成，PVC帶和普通傳送帶之間采用螺釘固定；傳送帶安裝固定在帶輪上，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，所有傳送部件均固定在支架上，支架前端為可調(diào)節(jié)支架，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整上料角度，此外，為防止上料過程中物料掉落，在傳送帶的兩側(cè)均固定有擋板；儲料斗固定在傳送帶下方；在傳送帶的中間位置設(shè)置有限高毛刷，為保證每次只有單個紅棗通過，自動上料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動上料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 輸送裝置設(shè)計(jì)

輸送裝置的主要需要實(shí)現(xiàn)功能：承接上料裝置掉入的物料；調(diào)整物料姿態(tài)，將其表面特征全面的呈現(xiàn)在圖像采集系統(tǒng)的下方；將物料平穩(wěn)輸送到分級位置。

水果等的表面全信息呈現(xiàn)一般是采用雙錐托輥基于摩擦滾動原理實(shí)現(xiàn)，其原理是通過雙錐托輥的運(yùn)行速度與傳送帶之間的速度差實(shí)現(xiàn)物料的自轉(zhuǎn)，通過圖像采集系統(tǒng)一定頻率的連續(xù)采集獲取物料的表面全信息。

根據(jù)紅棗的尺寸特點(diǎn)及后續(xù)的分級機(jī)構(gòu)布置，設(shè)計(jì)雙錐托輥布局如圖4所示。采用雙排托輥，兩排托輥之間距離60 mm，單排托輥間距50 mm。

圖4 雙錐托輥布局圖

2.3 圖像采集室設(shè)計(jì)

圖像采集室主要由白熾燈、攝像機(jī)、光電開關(guān)等組成。為避免單一光源照射的局限性，在采集室的4個角裝有4個相同的白熾燈作為光源，可以一定程度上避免在物料周圍產(chǎn)生陰影，影響圖像質(zhì)量。攝像機(jī)裝在采集室中間位置的正上方，鏡頭垂直朝下，在攝像機(jī)下方的右側(cè)裝有1個光電開關(guān)，保證每次物料停的位置剛好在攝像機(jī)正下方，確保照片質(zhì)量一樣。采集室內(nèi)布局圖如圖5所示。

圖5 圖像采集室布局圖

2.4 分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分級機(jī)構(gòu)的執(zhí)行方式主要有機(jī)械式、電磁式以及氣動式等幾種類型[10-11]。氣動式不但非接觸不易傷果，且響應(yīng)速度快、控制簡單，越來越多地被利用在分級機(jī)構(gòu)中，采用氣動式進(jìn)行分選。物料到達(dá)相應(yīng)等級的分級氣嘴時，對應(yīng)氣嘴的電磁閥開啟，氣嘴內(nèi)噴射出的壓縮空氣將物料吹落到下方的物料分級箱中，在與氣嘴間隔一段距離的正前方設(shè)有擋板，可將偏移路線的物料擋入到物料分級箱中。安裝時需要調(diào)節(jié)氣嘴的高度不高于物料的中心，以保證每次吹起都準(zhǔn)確有效。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 分級機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)核心采用ARM開發(fā)板[12]，選用三星公司的S5PV210芯片，為Cortex-A8架構(gòu)，主頻1 GHz，視覺核心采用DSP開發(fā)板[13]，選用TI公司的TMS320DM642芯片，主頻選600 MHz。總體硬件設(shè)計(jì)方案如圖7所示[14-15]。

圖7 控制系統(tǒng)方案圖

設(shè)備啟動后，啟動攝像機(jī)，攝像機(jī)開始不斷的拍攝圖像并傳送給DM642芯片。物料經(jīng)過時，光電開關(guān)觸發(fā)，發(fā)送低電平信號到DSP，DSP接收到信號后提取當(dāng)前攝像機(jī)拍攝的YCbCr格式的圖像，然后軟件對圖像進(jìn)行處理，繼而將處理結(jié)果通過UART發(fā)送給ARM。ARM根據(jù)處理結(jié)果控制相應(yīng)分級氣嘴繼電器的開啟，電磁繼電器通過電磁開關(guān)進(jìn)一步控制氣源的開啟。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖8所示。主要分為上料模塊、檢測模塊及分級執(zhí)行模塊。設(shè)計(jì)有操作界面，設(shè)有上料速度控制區(qū)、圖像顯示區(qū)、結(jié)果顯示與統(tǒng)計(jì)區(qū)等。

圖8 軟件系統(tǒng)方案圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

制作樣機(jī)并調(diào)試后，購買不同等級的紅棗混合后進(jìn)行試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)分選后正確個數(shù)與錯誤個數(shù)，并以不同運(yùn)行速度進(jìn)行試驗(yàn)，采集到的1組圖像如圖9所示。將數(shù)據(jù)整理分析后得到，分選速度在每顆0.5 s時，分選精度達(dá)到97%，隨著速度提高，分選精度會降低，主要是因?yàn)樗俣忍岣吆?，上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性及圖像的采集質(zhì)量均會下降。

圖9 采集到的紅棗圖像

5 結(jié)論

基于視覺檢測設(shè)計(jì)一款紅棗分選機(jī)，它主要由自動上料部件、傳送及整形部件、圖像處理及分選機(jī)構(gòu)等部分組成，上料系統(tǒng)采用普通輸送帶和折彎成型的波浪形PVC帶組合的方式完成自動上料，輸送裝置采用雙錐托輥，分級機(jī)構(gòu)采用氣動方式。采用DPS和ARM相結(jié)合的視覺處理對紅棗進(jìn)行分選控制，通過制作樣機(jī)試驗(yàn)得到，該分選機(jī)的分選速度達(dá)到每顆0.5 s，分選正確率達(dá)到97%，試驗(yàn)表明該分選機(jī)可以達(dá)到紅棗分選的要求，具有較高實(shí)用價值，為分選機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。