基于視覺識別的核桃切分機結構設計

江川　王正　舒高旺　邱月　李挺宇

摘? 要：核桃仁的完整度對其商品價值有很大影響，目前國內核桃脫殼主要仍為手工脫殼，效率低，成本高，核桃加工和出口時間正值三秋和農田建設的大忙時節，傳統手工已經無法滿足市場需求。文章針對于此提出了一種基于視覺識別的核桃切分機，介紹了其各組成單元的機械結構設計及其工作原理。本設計結合機械與電控兩部分，實現核桃切分的機電一體化，效率高，節省人力物力資源，同時也對同類產品提供一定參考方向。

關鍵詞：核桃切分機;視覺識別;機電一體化;結構設計

中圖分類號：TP391.4? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0029-03

Abstract： The integrity of walnut kernels has a great impact on the value of its products. At present， domestic walnut shelling is still mainly by manual shelling， with low efficiency and high cost. The walnut processing and export time coincides with the busy season of the three autumns and farmland construction. Traditional handwork unable to meet market demand. Aiming at this， this paper proposes a walnut cutting machine based on visual recognition， and introduces the mechanical structure design and working principle of its constituent units. This design combines the mechanical and electrical control parts to achieve the mechatronics integration of walnut cutting， with high efficiency， saving human and material resources， and providing a certain reference direction for similar products at the same time.

Keywords： walnut slitter; visual recognition; mechatronics; structural design

引言

在世界四大堅果中，核桃排名高居第一位[1]，而我國栽培的核桃品種繁多，約40余種，且分布十分廣泛，在全國的24個省（區）均有種植，其面積與產量高居世界首位[2]。核桃營養豐富，保健功能突出，核桃蛋白質中有18種人體需要的氨基酸，其中含量較高的是天門冬氨酸、谷氨酸、精氨酸[3]，在國內一直享有“萬歲子”、“長壽果”、“美容果”的美稱。藥理上，核桃具有補腎壯陽[4]、抗氧化[5]、防癌抗癌、健腦益智、延緩衰老[6]的作用，深受人們的喜愛，是生活中不可或缺的食品。目前國內銷售的核桃仁大部分仍采用傳統的手工脫殼，存在著衛生差，質量低，效率低，成本高，出口競爭力低等問題，且核桃加工和出口時間正值三秋和農田建設的大忙時節，傳統手工無法滿足市場需求。

目前，國內對于山核桃破殼機理的研究以及破殼機械的研制[7]均關注于殼體的破碎，而對于在保證較高的破殼率的同時，保證核桃果仁的完整性與低損傷率，以此獲得更高的商品價值與出口競爭力卻缺少關注[8]。針對于此，本文提出一種基于視覺識別的核桃切分機，采用視覺識別，調整擺放姿態，實現精準切分。本設計在一方面減少了人力物力資源的浪費，解放了生產力，另一方面提升脫殼效率，保證核桃果仁完整性，保證其商品價值，同時也推動了核桃加工產業向機電一體化方向發展。

1 基于視覺識別的核桃切分機結構組成

基于視覺識別的核桃切分機主要由間歇進料單元1，姿態調整單元2，傳送單元3，切分單元4組成。其具體各部分結構如圖1所示。

1.1 間歇進料單元結構設計

為使核桃實現間歇進料，進而輸送到縱向姿態調整單元，設計所需要的間歇進料機構，其主要組成部分為進料槽1，攪拌機構2，間歇旋轉閥3。其具體三維結構如圖2所示。

1.2 姿態調整單元結構設計

為使核桃進入切分單元時可以切出完整的核仁，設計姿態調整單元，其主要由縱向姿態調整單元，橫向姿態調整單元組成，其具體三維結構如圖3所示。

1.2.1 縱向姿態調整結構設計

為使核桃呈縱向擺放，設計所需要的縱向姿態調整單元，其主要組成部分為驅動電機1，齒輪傳動2，縱向調整輥3。裝置通過電機驅動縱向調整輥主動軸旋轉，同時通過齒輪機構帶動縱向調整輥從動軸旋轉，實現相向轉動，調整輥葉片呈螺旋結構，推動核桃勻速運動至縱向擺放姿態。其具體三維結構如圖4所示。

1.2.2 橫向姿態調整結構設計

為使核桃縱向姿態調整后，呈橫向擺放，設計所需要的橫向姿態調整單元，其主要組成部分為控制電機1，帶傳動2，U型調整輥3，視覺識別模塊4。其具體三維結構如圖5所示。

1.3 傳送單元結構設計

為使核桃實現調整單元與切分單元之間的傳送，設計所需要的傳送單元，其主要組成部分為電機1，滾珠絲杠2，滑軌3，其具體三維結構如圖6所示。

1.4 切分單元結構設計

為保證核仁完整性與低損傷率以保證其商品價值，需實現垂直與棱縱向切分，設計所需要的切分單元，其主要組成部分為汽缸1，U型切分機構2組成。其具體三維結構如圖7所示。

2 基于視覺識別的核桃切分機工作原理

本文提出的基于視覺識別的核桃切分機與傳統的核桃脫殼機相比，采用視覺識別模塊及姿態調整模塊來調整核桃擺放姿態，垂直于棱縱向切割，最大程度上保證核桃果仁的完整性與低損傷率，以保證其商品價值。

該設計涉及視覺圖像的采集處理與分析，利用PLC的控制功能實現整體的機電一體化。核桃通過間歇進料單元的攪拌機構，間歇旋轉閥實現間歇進料，即核桃可以間歇進入縱向姿態調整單元;通過電機與齒輪機構帶動縱向調整輥的主從動軸相向旋轉，在葉片推動下平穩調整姿態;核桃進入橫向姿態調整單元后，通過視覺識別模塊，控制電機，U型調整輥調整核桃橫向擺放姿態，再通過傳送單元，送至切分單元進行垂直于棱縱向切分。其具體工作原理圖如圖8所示。

3 結束語

本文針對為保證核桃果仁的完整性與低損傷率，進而保證其商品價值，同時解決目前核桃手工脫殼衛生差、質量低、效率低、成本高的問題，以及減緩核桃加工、出口時間與三秋和農田建設的大忙時間沖突的壓力，設計了一種基于視覺識別的核桃切分機。

基于視覺識別的核桃切分機主要包括間歇進料單元、姿態調整單元、傳送單元與切分單元，介紹了其結構設計及工作原理，采用機電一體化設計，提高操作效率。其優點在于采用圖像識別，可以保證在核桃果仁的完整性的前提下實現切分，推動核桃加工產業向機電一體化方向發展，同時為同類產品的設計提供一定程度上的參考。

參考文獻：

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