枸杞自动化输送和分级装置机械设计

马建华，张 冬，2，何建国，康 彩 ，弋伟国，褚雪松

(宁夏大学 物理电气信息学院，银川 750021；2.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，杭州 310085)



枸杞自动化输送和分级装置机械设计

马建华1，张 冬1，2，何建国1，康 彩1，弋伟国1，褚雪松1

(宁夏大学 物理电气信息学院，银川 750021；2.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，杭州 310085)

针对传统枸杞分选机输送系统体积大、对果品损伤大的劣势，设计了一种微型化、振动式上料喂料装置，采用四轨道枸杞输送，将枸杞自动排布系统的体积缩小至70×60×70cm3。利用机器视觉的方法，对枸杞进行全图像采集，图像处理后用非接触喷气式分离系统对枸杞进行分级，达到了无损伤、无污染的分级效果。实验表明：在振动频率为60Hz、振幅为0.25mm时，可分级枸杞36个/s，分级准确度率89%，能够较好地满足枸杞加工中对枸杞分级的要求。

枸杞分选机；机器视觉；振动喂料；分级装置

0 引言

枸杞既是传统名贵中药材，又是一种营养滋补品，世界各地广泛食用，在我国已有2 000年多的药用历史，多产于宁夏、青海及新疆等地[1-7]。枸杞在采摘、晒干后，果品质量参差不齐、大小不均，还混有霉变的黑色枸杞，直接上市或者销售对果农造成巨大的经济损失，而且会损害消费者权益[8-10]。近年来，国内外对枸杞机械加工行业研究较少，枸杞分选大多采用人工挑选或色选机筛选：人工挑选分选速度慢、成本高；色选机筛选只能按颜色分选，不能满足生产需求。现有的果品分级上料装置大多采用刮板式输送带或滚杠式上料装置。刮板式输送带在输送工程中刮板壁会对果品有一定的碰撞，造成果品损伤；滚杠式除了滚动引起相互摩擦造成果品损伤外，辊杠之间的间隙会导致小果卡入而影响其性能。目前，上料装置共有的特点是输送带长，体积庞大。分级执行机构则主要以翻转果盘使果品滚落、拨板拨落或者直接掉落的方式，对果品造成较大的碰撞损伤[10-13]。为此，研究了枸杞振动式上料喂料装置和非接触喷气式分离系统，能够较好地满足枸杞分级设备的需求。

1 总体设计方案

1.1 技术要求

干枸杞扁长而不圆，呈长形而不瘦，一般长度约0.7～2cm，横截面宽约为0.6～1.0cm，呈红色或紫红色，霉变枸杞为黑色或暗紫色[14]。枸杞分级需要剔除霉变枸杞并将枸杞按照长度大小进行分级，含有色泽 、大小多个指标的分级，采用机器视觉的方法实现枸杞各指标的分级。为了使枸杞能够准确、快速地到达图像采集区，要求输送喂料装置能够将混合枸杞排列为单列、单个及统一姿态[15]，并且装置尽可能体积小、输送效率高。采用振动式上料喂料方案，输送枸杞达8个/s以上。

干枸杞皮薄，果实干而脆容易碰伤，分级执行机构采用气动非接触式分离分级方案，可分级枸杞8个/s以上。

1.2 整体结构设计

枸杞自动分选系统包括振动上料机构、机器视觉摄像头、传送导轨和喷气式分离装置，如图1所示。其中，振动上料机构后侧分为4路独立输送轨道，输送轨道连接传送导轨，在传送导轨上设置有4组光电检测传感器，在光电检测传感器后侧有4组机器视觉摄像头，在机器视觉摄像头后侧设置有4路喷气式分离装置，在喷气式分离装置左上方设置有4路枸杞等级运输传送带。

由振动上料机构轨道将混合枸杞分为4路单排、单个且统一呈竖形姿态的枸杞，当被输送至传送导轨的光电检测部位时，触发光电检测传感器，紧接着图像采集区的机器视觉摄像头会对该枸杞作图像采集；然后对图像进行灰度化,基于大津算法的背景分割、椭圆拟合、大小形状识别[16]及颜色识别对枸杞进行分级；最后，由喷气式分离机构执行机构将枸杞吹入相应等级的运输传送带，由运输传送带将枸杞输送至枸杞收集装置，实现枸杞分级。

1.振动上料机构 2.光电检测传感器 3.运输传送带 4.传送导轨 5.喷气分离装置 6.视觉摄像头

2 原理分析及部件设计

2.1 振动上料机构

振动上料机构主要由振动上料轨道、料斗、电磁铁、底座及外壳等组成，如图2所示。 其核心采用脉冲电磁铁，可以使料斗做垂直方向振动，由倾斜的弹簧片带动料斗绕其垂直轴做扭摆振动，料斗内的枸杞由于受到这种振动会沿着振动上料机构的螺旋轨道旋转上升，直到在振动上料机构轨道处被分为4路。受轨道形状的限制(见图3)，枸杞在振动过程中会随着轨道的形状自动调整自己的姿态，每次只能竖形通过；在图像采集区的前方轨道上设置有凸起，由于受到凸起的阻挡，通过凸起后的枸杞速度会大于未通过凸起的枸杞，这样枸杞被分为单个、统一竖形姿态的果粒，最终被送往图像采集区进行图像识别。

脉冲电磁铁工作电压220V、工作电流10A以下，工作频率为50Hz，用振动上料机构料仓可放1 089πcm3(约15kg)枸杞。

图2 振动上料机俯视图

1.振动上料轨道 2.料斗 3.压帽 4.衔铁 5.弹片 6.电磁铁 7.外壳 8.底座 9.减震橡胶垫

振动上料机构的振动会引起枸杞的振动，枸杞会沿着振动盘的斜面慢慢上升。取运动过程中枸杞沿斜面上升的截面图做受力分析，如图4所示。

图4 枸杞受力分析图

图4中，枸杞受重力mg、斜面的支持力F和斜面的摩擦力f。设斜面倾角为θ(θ>0)，枸杞之所以能够沿着轨道上升，主要由于受到枸杞和轨道面的摩擦力，与枸杞在空中的运动状态并没有关系，所以取枸杞被弹起瞬间和落到轨道面时两个状态进行受力分析。

当枸杞被弹起瞬间有

f·sinθ+F·cos θ-mg=ma

f·cosθ=F·sinθ

此时，a为枸杞在被弹起瞬间获得的加速度，方向沿竖直方向。

当枸杞回落至轨道面时有

f-mg·sinθ=ma

F-mg·cosθ=0

此时，a为受斜面摩擦获得的加速度，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动盘之间的静摩擦力提供，静摩擦力大小为mgsinθ+ma。振动盘每一次震动都会经历加速度a>，a=0和a<0这3个阶段，所以摩擦力的大小在运动过程中是变化的。枸杞的输送速度主要取决于电磁铁的动作频率和动作幅度。机械结构确定后，主要通过调节电磁铁的动作频率来调节枸杞的输送速度。

2.2 气动式分级执行机构

图像处理后的枸杞会被输送至分级执行机构进行分级，分级执行机构的截面图如图5所示。在输送轨道下方安装有4组喷气装置，在输送轨道的上方有4组分离输送轨道；当被分离的枸杞到达相应等级的喷气装置时，气阀打开，枸杞会被瞬间吹入分离输送轨道，实现枸杞等级分离。

1.振动上料机构 2.喷气分离装置 3.运输传送带 4.视觉摄像头 5.光电检测传感器

枸杞在输送轨道上每秒可以输送9个左右，气动执行机构电磁阀的动作频率最大为13次/s。输送轨道运行速度为140mm/s,枸杞喷射需要垂直高度至少为1.5cm，水平位移为1cm。喷嘴直径2mm，以最大单个枸杞质量为0.3g为例,计算枸杞分离时所需的大气压强。

由动能定理得

取θ=60°，计算出把枸杞吹入导轨所需的力的大小为0.002 5N。

再根据压强公式得

P=F/S

计算得枸杞吹入分离轨道所需压强为796Pa。由于喷射时有一定的气体损失，所以保证气嘴内的压强在1.5kPa以上就可以将枸杞吹入分离轨道。

2.3 控制系统介绍

整个系统的控制部分主要由主处理器和协处理器两部分组成。其中，主处理器主要负责图像采集和算法分析，如图6所示；协处理器主要负责振动上料装置、分级装置及液晶屏的驱动。主处理和协处理器之间采用MAX232经行连接通信，主处理器将处理后的分级指令发送给协处理器，协处理器根据主处理的分级指令驱动电磁阀快速吹气实现枸杞分级。另外，协处理器还要根据主处理器发送指令的快慢，相应地调节震动上料机构的震动频率，实现分级速度的闭环控制，提高分级效率。

为了满足生产需求，主处理器采用主频速度较快的STM32F439芯片，协处理器采用驱动功率较强的ATMEGA2560芯片。

图6 控制系统电路结构图

3 样机试验及性能分析

选取100个枸杞作为样品，将这100个枸杞使用游标卡尺测量其长度和横宽，然后手动分为4个等级，分级标准按照国家标准和当地实际需求设定，如表1所示[16]。

表1 枸杞分级标准

续表1

将该分级样品依次按照顺序放入枸杞分级分选系统中进行分级。在振动频率为60Hz、振幅为0.25mm时，分选系统分选枸杞35个/s。

将分级样品和分选系统的分级结果进行对比，用MatLab制图，如图7所示。图7中，手工分级枸杞采用空心圆圈表示，分选系统分级的结果倒小三角形表示。从图7明显可以看出：分级错误的一般是长度相差较小的枸杞。分选准确度达到89%；分选系统分级没有对枸杞造成损伤，并且分级结果与手工分级基本一致。

图7 枸杞等级分布图

4 结论

枸杞分级是枸杞产业中一道重要的工序，而我国枸杞产业装备发展缓慢，还没有专门针对枸杞大小、色泽多指标实现一次性分级的设备。相对于传统分选设备的送料装置，所设计装置缩小设备体积1/3以上，效率大幅度提高，气动式分级执行机构真正达到了枸杞非接触式分级的要求，实现无损化分级。设备可分级枸杞36个/s，能够较好地满足枸杞生产加工要求。同时，该设计还获得了国家专利授权(专利号：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

国家自然科学基金项目(31101375)

马建华(1989-)，男，宁夏泾源人，硕士研究生，(E-mail)mjh112@163.com。

张 冬(1981-)，男，银川人，硕士生导师，(E-mail)zd4004@163.com。

S226.5；S24

A

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