智能視覺礦石分選機在黑鎢礦石預處理中的研究與應用

摘 ?要：為了降低鎢礦山企業的生產成本，本文研制了一套智能視覺礦石分選機來替代人工手選。分選機采用坐式振動給料機進行礦石喂料，工業相機實時采集礦石圖像，高速實時分選系統進行圖像處理并發出分選執行指令，通過高速氣閥陣列作為分選執行機構實現黑鎢礦石的分選。經過工業現場的生產分選應用表明，分選機可適應連續的生產分選，分選效果良好，解決了鎢礦山企業選礦生產面臨的部分困擾。

關鍵詞：視覺;礦石分選機;黑鎢礦;預處理

中圖分類號：TP391 ??文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）02-0000-00

0 引言

目前，大部分鎢礦山選礦廠的粗選工藝采用人工分選的方式分揀黑鎢礦石，人工手選作業消耗了大量的人力，而且工作效率低，揀選效果參差不齊。隨著礦產資源的日益貧化，選礦工藝中破碎和磨礦等工序的能耗和材料消耗等逐年增加，生產成本居高不下。如果能在礦石進入磨礦工序之前，通過預處理將混入其中的廢石盡可能拋除，必將顯著降低生產成本。本文介紹一種新型智能視覺礦石分選機，用智能化設備替代大部分人工，實現對不同粒級礦石的自動分選，能有效降低礦山企業生產成本，提高生產效率，實現資源的高效回收。

1智能視覺礦石分選機的構成

分選機主要由給料裝置、信號采集系統、實時中央處理系統及分選執行系統四大部分組成。

給料裝置主要由振動給料機機體及振動電機組成。給料裝置能將從皮帶輸送過來的礦石，通過高頻振動進行鋪平，并以一定的速度輸送到分選機結構內部，為后續分選提供均勻的礦石供給。

信號采集系統主要由工業相機、工業相機鏡頭及信號電纜組成。信號采集系統主要對從給料裝置出口拋出并下落的礦石進行拍攝，通過光學器件的合理配合，可采集得到清晰的礦石表面彩色圖像信息。

實時中央處理系統主要由幀接收器、工業計算機、高速數字輸出設備及實時分選機系統軟件等組成。實時中央處理系統主要通過圖像輸入接口設備讀取信號采集系統的圖像信息，并通過FPGA模塊進行圖像預處理，采用CPU進行算法識別，由高速數字輸出接口設備發出執行脈沖指令。

分選執行系統主要由驅動放大電路模塊、壓縮空氣氣源、供氣管路、氣體凈化裝置及高速氣閥陣列等組成。分選執行系統通過驅動放大電路接收實時中央處理系統的分選執行指令，驅動高速氣閥陣列噴吹壓縮空氣實現目標礦石的選別分離。

2 智能視覺礦石分選機的工作流程

經過破碎、清洗和分級礦石從皮帶運輸至振動給料機，振動給料機通過機械振動將礦石鋪平，當礦石到達振動給料機出口邊緣，開始以自由落體運動下落，在下落初段，由線性光源補光，配合彩色背景光源，線陣相機拍攝礦石下落過程的圖像，圖像傳輸至中央處理器進行圖像處理，處理后系統通過算法處理對礦石類型進行識別判斷，輸出脈沖信號到驅動模塊，驅動模塊驅動氣閥陣列相應氣閥執行噴氣動作，高速氣流吹動脈石改變下落路徑，落入脈石倉中，進而實現黑鎢礦石的分選。工作流程如圖1所示。

3 分選系統的設計與實現

3.1 信號采集系統

信號采集系統主要由工業相機套件及配套光學輔助器械等組成。工業相機是采集礦石表面色彩信息的主要設備，工業相機的選擇是機器視覺的重要環節。當前市場上工業相機主要有基于面陣傳感器和線陣傳感器的兩類相機，面陣相機主要適合用于運動速度相對較慢的物體的面積、形狀、尺寸及位置等信息的測量，線陣相機主要適合用于工業、醫療、科研及安全等領域檢測運動速度相對較快的勻速運動物體;主流工業相機接口依據數據連續帶寬不同又主要分為GIGE、USB3.0、Camera Link三類，其中GIGE接口的最大帶寬為1.0Gbps，USB3.0接口的連續帶寬為5.0Gbps、Camera Link接口的連續帶寬為5.44Gbps。為滿足高速運動物體拍攝需求，本研究選擇線陣工業相機作為礦石圖像的采集設備。

為了提高采集系統的采圖質量，需對工業相機鏡頭進行合理選型。根據拍攝目標的寬度與高度，相機與被測礦石的工作距離等參數，可計算獲得工業相機鏡頭的焦距參數，選用低畸變的鏡頭，可減少后期圖像處理時間，增加圖像系統的運算穩定性。

因拍攝對象為高速運動的礦石，相機的曝光時間極短，通常為毫秒級時間，此時還需對相機的拍攝過程進行補光。選用大功率機器視覺光源補光后，相機可獲得較好的圖像采集效果。

3.2 實時中央處理系統

實時中央處理系統主要由工業相機圖像采集模塊、核心處理器及高速數字輸出模塊等組成。

圖像采集模塊采用幀接收器板卡，幀接收器的接口通過信號電纜與工業相機進行連接，系統運行時，幀接收器持續接收工業相機發送的圖像數據，并通過器件的FPGA芯片進行拼合、切割等預處理，為核心處理器提供合格的圖像。

核心處理器采用工業計算機的CPU，通過接收來自幀接收器預處理后的圖像，實時對圖像進行算法處理，通常先劃分感興趣區域（ROI），運用形態學特性區分各獨立礦石，對感興趣區域的每個礦石進行算法分析，識別出需要進行分選的合格礦石，依據坐標參數發出相應執行指令。

執行指令的輸出通過高速數字輸出模塊實現，高速數字輸出模塊可通過PCI總線與CPU進行實時通訊，模塊內置FPGA，可對執行指令進行高效處理，通過內建的高速脈沖動態輸出程序，可實現對數百計的執行機構進行脈沖同步控制，確保分選的實時性。

3.3 分選執行系統

分選執行系統主要由壓縮氣源，氣體緩存及過濾裝置，執行機構陣列等組成。

壓縮氣源通過空氣壓縮機壓縮空氣獲得，依據執行機構數量及流量，可計算得出氣源的供給需求，再通過選別對象的重量均值進行計算，獲得壓縮空氣的壓力參數，依此方法可得出相應的空壓機選型參數。為獲得良好的分選效果，保障執行機構持續穩定工作，壓縮空氣需注入儲氣罐進行緩存;為保障壓縮空氣的質量，還需對壓縮空氣進行多級過濾，實現壓縮空氣中油、水及微塵的分離，清潔穩定的氣源供應可提高分選機的使用壽命。

分選執行機構主要包含氣閥陣列、連接管道及噴吹嘴陣列等，機構采用分體式設計，即將氣閥陣列與噴吹嘴陣列單獨分離設計，使用管道進行連接，此設計便于分選執行機構的維護及維修更換。氣閥選用高速電磁氣閥，氣閥開啟及關閉的響應時間極短，獨特的閥板及氣體緩存設計，可保證較大氣體通量，防止失壓，進而可持續進行大粒徑礦石的分選，噴吹嘴陣列設計有獨特的防水及防堵結構，可有效提高分選執行機構在惡劣環境下的使用壽命。

3.4 分選系統軟件

分選系統軟件基于某軟件平臺進行二次開發，為了更好地實現軟件代碼的高速執行，整個軟件采用多引擎并行執行架構。每部分引擎負責一個功能，不同的功能模塊根據對計算實時性的要求部署在不同的硬件平臺上。分選系統軟件結構如圖2所示。

圖像處理算法包括預處理算法和核心分選算法兩大部分。其中圖像預處理算法包括對礦石圖像的分割算法、礦石圖像感興趣區域計算方法和圖像邊緣礦石拼接算法等。通過圖像處理算法的高速識別，可獲取圖像中需要分離合格礦石的坐標參數，將該參數代入分選系統軟件的礦石自由落體運動計算模型，即可動態獲得包括執行機構響應間隔時間與時長，開啟通道數量等重要執行參數，結合系統硬件延時，即可實現準確的礦石分離。

4 工業應用

在智能視覺礦石分選機的開發并調試完成后，將分選機運至礦山生產線安裝，通過現場工藝改造后，開展分選機工業生產分選應用。經過三個月的工業生產應用及改進完善，分選機分選指標達到較好的效果，在原礦脈石含量為10%的情況下，脈石選出率平均達到95%，廢石丟棄率平均達到98%。分選機在生產線每天連續運行16小時，平均礦石處理量可達40t/h，分選機在生產應用期間保持穩定運行，未發生死機、宕機等運行中斷情況，未出現電氣設備元件損壞情況，整機穩定性極佳，見圖3。

在智能視覺礦石分選機的應用過程中發現其存在如下問題：由于智能視覺礦石分選機采用礦石表面色彩特性分選，塊狀鎢礦與廢石的表面形狀及色彩非常接近，分選機無法對塊狀鎢礦進行有效選別，只能通過人工復選或者其他重選工藝實現選別。

5 結語

目前，該分選機已在鎢礦工業分選生產中進行長期應用，機器運行穩定，應用效果良好。智能視覺礦石分選機應用先進的機器視覺技術、運動控制技術等實現了黑鎢礦石的自動分選，代替了大量勞動力，降低了礦山企業的人力成本，提高了礦石的處理效率，為礦山企業帶來了可觀的經濟效益。

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收稿日期：2019-06-06

作者簡介：歐陽健強（1985—），男，江西南康人，碩士，工程師，研究方向：鎢與稀土行業采礦，選礦設備技術應用開發與研究。

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