枸杞自動化輸送和分級裝置機械設計

馬建華，張 冬，2，何建國，康 彩 ，弋偉國，褚雪松

(寧夏大學 物理電氣信息學院，銀川 750021；2.浙江大學 生物系統工程與食品科學學院，杭州 310085)

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枸杞自動化輸送和分級裝置機械設計

馬建華1，張 冬1，2，何建國1，康 彩1，弋偉國1，褚雪松1

(寧夏大學 物理電氣信息學院，銀川 750021；2.浙江大學 生物系統工程與食品科學學院，杭州 310085)

針對傳統枸杞分選機輸送系統體積大、對果品損傷大的劣勢，設計了一種微型化、振動式上料喂料裝置，采用四軌道枸杞輸送，將枸杞自動排布系統的體積縮小至70×60×70cm3。利用機器視覺的方法，對枸杞進行全圖像采集，圖像處理后用非接觸噴氣式分離系統對枸杞進行分級，達到了無損傷、無污染的分級效果。實驗表明：在振動頻率為60Hz、振幅為0.25mm時，可分級枸杞36個/s，分級準確度率89%，能夠較好地滿足枸杞加工中對枸杞分級的要求。

枸杞分選機；機器視覺；振動喂料；分級裝置

0 引言

枸杞既是傳統名貴中藥材，又是一種營養滋補品，世界各地廣泛食用，在我國已有2 000年多的藥用歷史，多產于寧夏、青海及新疆等地[1-7]。枸杞在采摘、曬干后，果品質量參差不齊、大小不均，還混有霉變的黑色枸杞，直接上市或者銷售對果農造成巨大的經濟損失，而且會損害消費者權益[8-10]。近年來，國內外對枸杞機械加工行業研究較少，枸杞分選大多采用人工挑選或色選機篩選：人工挑選分選速度慢、成本高；色選機篩選只能按顏色分選，不能滿足生產需求。現有的果品分級上料裝置大多采用刮板式輸送帶或滾杠式上料裝置。刮板式輸送帶在輸送工程中刮板壁會對果品有一定的碰撞，造成果品損傷；滾杠式除了滾動引起相互摩擦造成果品損傷外，輥杠之間的間隙會導致小果卡入而影響其性能。目前，上料裝置共有的特點是輸送帶長，體積龐大。分級執行機構則主要以翻轉果盤使果品滾落、撥板撥落或者直接掉落的方式，對果品造成較大的碰撞損傷[10-13]。為此，研究了枸杞振動式上料喂料裝置和非接觸噴氣式分離系統，能夠較好地滿足枸杞分級設備的需求。

1 總體設計方案

1.1 技術要求

干枸杞扁長而不圓，呈長形而不瘦，一般長度約0.7～2cm，橫截面寬約為0.6～1.0cm，呈紅色或紫紅色，霉變枸杞為黑色或暗紫色[14]。枸杞分級需要剔除霉變枸杞并將枸杞按照長度大小進行分級，含有色澤 、大小多個指標的分級，采用機器視覺的方法實現枸杞各指標的分級。為了使枸杞能夠準確、快速地到達圖像采集區，要求輸送喂料裝置能夠將混合枸杞排列為單列、單個及統一姿態[15]，并且裝置盡可能體積小、輸送效率高。采用振動式上料喂料方案，輸送枸杞達8個/s以上。

干枸杞皮薄，果實干而脆容易碰傷，分級執行機構采用氣動非接觸式分離分級方案，可分級枸杞8個/s以上。

1.2 整體結構設計

枸杞自動分選系統包括振動上料機構、機器視覺攝像頭、傳送導軌和噴氣式分離裝置，如圖1所示。其中，振動上料機構后側分為4路獨立輸送軌道，輸送軌道連接傳送導軌，在傳送導軌上設置有4組光電檢測傳感器，在光電檢測傳感器后側有4組機器視覺攝像頭，在機器視覺攝像頭后側設置有4路噴氣式分離裝置，在噴氣式分離裝置左上方設置有4路枸杞等級運輸傳送帶。

由振動上料機構軌道將混合枸杞分為4路單排、單個且統一呈豎形姿態的枸杞，當被輸送至傳送導軌的光電檢測部位時，觸發光電檢測傳感器，緊接著圖像采集區的機器視覺攝像頭會對該枸杞作圖像采集；然后對圖像進行灰度化,基于大津算法的背景分割、橢圓擬合、大小形狀識別[16]及顏色識別對枸杞進行分級；最后，由噴氣式分離機構執行機構將枸杞吹入相應等級的運輸傳送帶，由運輸傳送帶將枸杞輸送至枸杞收集裝置，實現枸杞分級。

1.振動上料機構 2.光電檢測傳感器 3.運輸傳送帶 4.傳送導軌 5.噴氣分離裝置 6.視覺攝像頭

2 原理分析及部件設計

2.1 振動上料機構

振動上料機構主要由振動上料軌道、料斗、電磁鐵、底座及外殼等組成，如圖2所示。 其核心采用脈沖電磁鐵，可以使料斗做垂直方向振動，由傾斜的彈簧片帶動料斗繞其垂直軸做扭擺振動，料斗內的枸杞由于受到這種振動會沿著振動上料機構的螺旋軌道旋轉上升，直到在振動上料機構軌道處被分為4路。受軌道形狀的限制(見圖3)，枸杞在振動過程中會隨著軌道的形狀自動調整自己的姿態，每次只能豎形通過；在圖像采集區的前方軌道上設置有凸起，由于受到凸起的阻擋，通過凸起后的枸杞速度會大于未通過凸起的枸杞，這樣枸杞被分為單個、統一豎形姿態的果粒，最終被送往圖像采集區進行圖像識別。

脈沖電磁鐵工作電壓220V、工作電流10A以下，工作頻率為50Hz，用振動上料機構料倉可放1 089πcm3(約15kg)枸杞。

圖2 振動上料機俯視圖

1.振動上料軌道 2.料斗 3.壓帽 4.銜鐵 5.彈片 6.電磁鐵 7.外殼 8.底座 9.減震橡膠墊

振動上料機構的振動會引起枸杞的振動，枸杞會沿著振動盤的斜面慢慢上升。取運動過程中枸杞沿斜面上升的截面圖做受力分析，如圖4所示。

圖4 枸杞受力分析圖

圖4中，枸杞受重力mg、斜面的支持力F和斜面的摩擦力f。設斜面傾角為θ(θ>0)，枸杞之所以能夠沿著軌道上升，主要由于受到枸杞和軌道面的摩擦力，與枸杞在空中的運動狀態并沒有關系，所以取枸杞被彈起瞬間和落到軌道面時兩個狀態進行受力分析。

當枸杞被彈起瞬間有

f·sinθ+F·cos θ-mg=ma

f·cosθ=F·sinθ

此時，a為枸杞在被彈起瞬間獲得的加速度，方向沿豎直方向。

當枸杞回落至軌道面時有

f-mg·sinθ=ma

F-mg·cosθ=0

此時，a為受斜面摩擦獲得的加速度，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動盤之間的靜摩擦力提供，靜摩擦力大小為mgsinθ+ma。振動盤每一次震動都會經歷加速度a>，a=0和a<0這3個階段，所以摩擦力的大小在運動過程中是變化的。枸杞的輸送速度主要取決于電磁鐵的動作頻率和動作幅度。機械結構確定后，主要通過調節電磁鐵的動作頻率來調節枸杞的輸送速度。

2.2 氣動式分級執行機構

圖像處理后的枸杞會被輸送至分級執行機構進行分級，分級執行機構的截面圖如圖5所示。在輸送軌道下方安裝有4組噴氣裝置，在輸送軌道的上方有4組分離輸送軌道；當被分離的枸杞到達相應等級的噴氣裝置時，氣閥打開，枸杞會被瞬間吹入分離輸送軌道，實現枸杞等級分離。

1.振動上料機構 2.噴氣分離裝置 3.運輸傳送帶 4.視覺攝像頭 5.光電檢測傳感器

枸杞在輸送軌道上每秒可以輸送9個左右，氣動執行機構電磁閥的動作頻率最大為13次/s。輸送軌道運行速度為140mm/s,枸杞噴射需要垂直高度至少為1.5cm，水平位移為1cm。噴嘴直徑2mm，以最大單個枸杞質量為0.3g為例,計算枸杞分離時所需的大氣壓強。

由動能定理得

取θ=60°，計算出把枸杞吹入導軌所需的力的大小為0.002 5N。

再根據壓強公式得

P=F/S

計算得枸杞吹入分離軌道所需壓強為796Pa。由于噴射時有一定的氣體損失，所以保證氣嘴內的壓強在1.5kPa以上就可以將枸杞吹入分離軌道。

2.3 控制系統介紹

整個系統的控制部分主要由主處理器和協處理器兩部分組成。其中，主處理器主要負責圖像采集和算法分析，如圖6所示；協處理器主要負責振動上料裝置、分級裝置及液晶屏的驅動。主處理和協處理器之間采用MAX232經行連接通信，主處理器將處理后的分級指令發送給協處理器，協處理器根據主處理的分級指令驅動電磁閥快速吹氣實現枸杞分級。另外，協處理器還要根據主處理器發送指令的快慢，相應地調節震動上料機構的震動頻率，實現分級速度的閉環控制，提高分級效率。

為了滿足生產需求，主處理器采用主頻速度較快的STM32F439芯片，協處理器采用驅動功率較強的ATMEGA2560芯片。

圖6 控制系統電路結構圖

3 樣機試驗及性能分析

選取100個枸杞作為樣品，將這100個枸杞使用游標卡尺測量其長度和橫寬，然后手動分為4個等級，分級標準按照國家標準和當地實際需求設定，如表1所示[16]。

表1 枸杞分級標準

續表1

將該分級樣品依次按照順序放入枸杞分級分選系統中進行分級。在振動頻率為60Hz、振幅為0.25mm時，分選系統分選枸杞35個/s。

將分級樣品和分選系統的分級結果進行對比，用MatLab制圖，如圖7所示。圖7中，手工分級枸杞采用空心圓圈表示，分選系統分級的結果倒小三角形表示。從圖7明顯可以看出：分級錯誤的一般是長度相差較小的枸杞。分選準確度達到89%；分選系統分級沒有對枸杞造成損傷，并且分級結果與手工分級基本一致。

圖7 枸杞等級分布圖

4 結論

枸杞分級是枸杞產業中一道重要的工序，而我國枸杞產業裝備發展緩慢，還沒有專門針對枸杞大小、色澤多指標實現一次性分級的設備。相對于傳統分選設備的送料裝置，所設計裝置縮小設備體積1/3以上，效率大幅度提高，氣動式分級執行機構真正達到了枸杞非接觸式分級的要求，實現無損化分級。設備可分級枸杞36個/s，能夠較好地滿足枸杞生產加工要求。同時，該設計還獲得了國家專利授權(專利號：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

國家自然科學基金項目(31101375)

馬建華(1989-)，男，寧夏涇源人，碩士研究生，(E-mail)mjh112@163.com。

張 冬(1981-)，男，銀川人，碩士生導師，(E-mail)zd4004@163.com。

S226.5；S24

A

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