智能视觉矿石分选机在黑钨矿石预处理中的研究与应用

摘  要：为了降低钨矿山企业的生产成本，本文研制了一套智能视觉矿石分选机来替代人工手选。分选机采用坐式振动给料机进行矿石喂料，工业相机实时采集矿石图像，高速实时分选系统进行图像处理并发出分选执行指令，通过高速气阀阵列作为分选执行机构实现黑钨矿石的分选。经过工业现场的生产分选应用表明，分选机可适应连续的生产分选，分选效果良好，解决了钨矿山企业选矿生产面临的部分困扰。

关键词：视觉;矿石分选机;黑钨矿;预处理

中图分类号：TP391   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）02-0000-00

0 引言

目前，大部分鎢矿山选矿厂的粗选工艺采用人工分选的方式分拣黑钨矿石，人工手选作业消耗了大量的人力，而且工作效率低，拣选效果参差不齐。随着矿产资源的日益贫化，选矿工艺中破碎和磨矿等工序的能耗和材料消耗等逐年增加，生产成本居高不下。如果能在矿石进入磨矿工序之前，通过预处理将混入其中的废石尽可能抛除，必将显著降低生产成本。本文介绍一种新型智能视觉矿石分选机，用智能化设备替代大部分人工，实现对不同粒级矿石的自动分选，能有效降低矿山企业生产成本，提高生产效率，实现资源的高效回收。

1智能视觉矿石分选机的构成

分选机主要由给料装置、信号采集系统、实时中央处理系统及分选执行系统四大部分组成。

给料装置主要由振动给料机机体及振动电机组成。给料装置能将从皮带输送过来的矿石，通过高频振动进行铺平，并以一定的速度输送到分选机结构内部，为后续分选提供均匀的矿石供给。

信号采集系统主要由工业相机、工业相机镜头及信号电缆组成。信号采集系统主要对从给料装置出口抛出并下落的矿石进行拍摄，通过光学器件的合理配合，可采集得到清晰的矿石表面彩色图像信息。

实时中央处理系统主要由帧接收器、工业计算机、高速数字输出设备及实时分选机系统软件等组成。实时中央处理系统主要通过图像输入接口设备读取信号采集系统的图像信息，并通过FPGA模块进行图像预处理，采用CPU进行算法识别，由高速数字输出接口设备发出执行脉冲指令。

分选执行系统主要由驱动放大电路模块、压缩空气气源、供气管路、气体净化装置及高速气阀阵列等组成。分选执行系统通过驱动放大电路接收实时中央处理系统的分选执行指令，驱动高速气阀阵列喷吹压缩空气实现目标矿石的选别分离。

2 智能视觉矿石分选机的工作流程

经过破碎、清洗和分级矿石从皮带运输至振动给料机，振动给料机通过机械振动将矿石铺平，当矿石到达振动给料机出口边缘，开始以自由落体运动下落，在下落初段，由线性光源补光，配合彩色背景光源，线阵相机拍摄矿石下落过程的图像，图像传输至中央处理器进行图像处理，处理后系统通过算法处理对矿石类型进行识别判断，输出脉冲信号到驱动模块，驱动模块驱动气阀阵列相应气阀执行喷气动作，高速气流吹动脉石改变下落路径，落入脉石仓中，进而实现黑钨矿石的分选。工作流程如图1所示。

3 分选系统的设计与实现

3.1 信号采集系统

信号采集系统主要由工业相机套件及配套光学辅助器械等组成。工业相机是采集矿石表面色彩信息的主要设备，工业相机的选择是机器视觉的重要环节。当前市场上工业相机主要有基于面阵传感器和线阵传感器的两类相机，面阵相机主要适合用于运动速度相对较慢的物体的面积、形状、尺寸及位置等信息的测量，线阵相机主要适合用于工业、医疗、科研及安全等领域检测运动速度相对较快的匀速运动物体;主流工业相机接口依据数据连续带宽不同又主要分为GIGE、USB3.0、Camera Link三类，其中GIGE接口的最大带宽为1.0Gbps，USB3.0接口的连续带宽为5.0Gbps、Camera Link接口的连续带宽为5.44Gbps。为满足高速运动物体拍摄需求，本研究选择线阵工业相机作为矿石图像的采集设备。

为了提高采集系统的采图质量，需对工业相机镜头进行合理选型。根据拍摄目标的宽度与高度，相机与被测矿石的工作距离等参数，可计算获得工业相机镜头的焦距参数，选用低畸变的镜头，可减少后期图像处理时间，增加图像系统的运算稳定性。

因拍摄对象为高速运动的矿石，相机的曝光时间极短，通常为毫秒级时间，此时还需对相机的拍摄过程进行补光。选用大功率机器视觉光源补光后，相机可获得较好的图像采集效果。

3.2 实时中央处理系统

实时中央处理系统主要由工业相机图像采集模块、核心处理器及高速数字输出模块等组成。

图像采集模块采用帧接收器板卡，帧接收器的接口通过信号电缆与工业相机进行连接，系统运行时，帧接收器持续接收工业相机发送的图像数据，并通过器件的FPGA芯片进行拼合、切割等预处理，为核心处理器提供合格的图像。

核心处理器采用工业计算机的CPU，通过接收来自帧接收器预处理后的图像，实时对图像进行算法处理，通常先划分感兴趣区域（ROI），运用形态学特性区分各独立矿石，对感兴趣区域的每个矿石进行算法分析，识别出需要进行分选的合格矿石，依据坐标参数发出相应执行指令。

执行指令的输出通过高速数字输出模块实现，高速数字输出模块可通过PCI总线与CPU进行实时通讯，模块内置FPGA，可对执行指令进行高效处理，通过内建的高速脉冲动态输出程序，可实现对数百计的执行机构进行脉冲同步控制，确保分选的实时性。

3.3 分选执行系统

分选执行系统主要由压缩气源，气体缓存及过滤装置，执行机构阵列等组成。

压缩气源通过空气压缩机压缩空气获得，依据执行机构数量及流量，可计算得出气源的供给需求，再通过选别对象的重量均值进行计算，获得压缩空气的压力参数，依此方法可得出相应的空压机选型参数。为获得良好的分选效果，保障执行机构持续稳定工作，压缩空气需注入储气罐进行缓存;为保障压缩空气的质量，还需对压缩空气进行多级过滤，实现压缩空气中油、水及微尘的分离，清洁稳定的气源供应可提高分选机的使用寿命。

分选执行机构主要包含气阀阵列、连接管道及喷吹嘴阵列等，机构采用分体式设计，即将气阀阵列与喷吹嘴阵列单独分离设计，使用管道进行连接，此设计便于分选执行机构的维护及维修更换。气阀选用高速电磁气阀，气阀开启及关闭的响应时间极短，独特的阀板及气体缓存设计，可保证较大气体通量，防止失压，进而可持续进行大粒径矿石的分选，喷吹嘴阵列设计有独特的防水及防堵结构，可有效提高分选执行机构在恶劣环境下的使用寿命。

3.4 分选系统软件

分选系统软件基于某软件平台进行二次开发，为了更好地实现软件代码的高速执行，整个软件采用多引擎并行执行架构。每部分引擎负责一个功能，不同的功能模塊根据对计算实时性的要求部署在不同的硬件平台上。分选系统软件结构如图2所示。

图像处理算法包括预处理算法和核心分选算法两大部分。其中图像预处理算法包括对矿石图像的分割算法、矿石图像感兴趣区域计算方法和图像边缘矿石拼接算法等。通过图像处理算法的高速识别，可获取图像中需要分离合格矿石的坐标参数，将该参数代入分选系统软件的矿石自由落体运动计算模型，即可动态获得包括执行机构响应间隔时间与时长，开启通道数量等重要执行参数，结合系统硬件延时，即可实现准确的矿石分离。

4 工业应用

在智能视觉矿石分选机的开发并调试完成后，将分选机运至矿山生产线安装，通过现场工艺改造后，开展分选机工业生产分选应用。经过三个月的工业生产应用及改进完善，分选机分选指标达到较好的效果，在原矿脉石含量为10%的情况下，脉石选出率平均达到95%，废石丢弃率平均达到98%。分选机在生产线每天连续运行16小时，平均矿石处理量可达40t/h，分选机在生产应用期间保持稳定运行，未发生死机、宕机等运行中断情况，未出现电气设备元件损坏情况，整机稳定性极佳，见图3。

在智能视觉矿石分选机的应用过程中发现其存在如下问题：由于智能视觉矿石分选机采用矿石表面色彩特性分选，块状钨矿与废石的表面形状及色彩非常接近，分选机无法对块状钨矿进行有效选别，只能通过人工复选或者其他重选工艺实现选别。

5 结语

目前，该分选机已在钨矿工业分选生产中进行长期应用，机器运行稳定，应用效果良好。智能视觉矿石分选机应用先进的机器视觉技术、运动控制技术等实现了黑钨矿石的自动分选，代替了大量劳动力，降低了矿山企业的人力成本，提高了矿石的处理效率，为矿山企业带来了可观的经济效益。

参考文献

[1] 朱道瑶，梁殿印，等.矿石拣选技术和设备的研究和进展[J].矿山机械，2016，07：5-10.

[2] 肖玲玲，谢斌，等.一种基于改进SUSAN算子的钨矿初选算法[J].江西理工大学学报，2011.06：30-32.

[3] 丁涛，胥和平，等.基于视觉识别技术的矿石在线分选机的研究[J].装备制造技术，2014，07：106-108.

[4] 郭宇，张国英，等.基于混合高斯图像窄带模型钨矿初选技术研究[J].有色金属（ 选矿部分），2018，2：62-67.

[5] 阮秋琦.数字图像处理学[M].电子工业出版社，2001.

收稿日期：2019-06-06

作者简介：欧阳健强（1985—），男，江西南康人，硕士，工程师，研究方向：钨与稀土行业采矿，选矿设备技术应用开发与研究。

Research and Application Of intelligent Vision ore Separator in Wolframite ore Pretreatment

Ouyang Jian-qiang

（1.Ganzhou Institute of non ferrous metallurgy， Ganzhou  Jiangxi  341000;

2.industrial design center of nonferrous metals mining and smelting equipment， Ganzhou Institute of nonferrous metallurgy， Ganzhou  Jiangxi  341000）

Abstract： In order to reduce the production cost of tungsten mine， a set of intelligent vision ore separator is developed instead of manual separation. The separator adopts the sitting vibrating feeder to feed the ore， the industrial camera collects the ore image in real time， the high-speed real-time separation system processes the image and sends out the separation execution instruction， and the high-speed air valve array is used as the separation execution mechanism to realize the separation of wolframite ore. The application of industrial separation shows that the separator can adapt to continuous production separation， and the separation effect is good， which solves some problems faced by tungsten mining enterprises.

Key words： vision; ore separator; wolframite; pretreatment