紅棗分選系統設計及試驗

仲小英

蘇州健雄職業技術學院（太倉 215400）

紅棗味道甘甜且具有較高的營養價值。中國紅棗產量占世界總產量的90%以上，隨著國家對農業經濟的大力支持，紅棗深加工產業快速增長[1-4]。紅棗分級技術是提高產品品質和價值的關鍵技術，紅棗分級仍主要依靠人工，也有一些機械式的分級設備，但都存在分級精度不高，穩定性不高的問題[5-6]，因此設計一種分級精度高、穩定性高的紅棗分選設備具有重要意義。試驗設計一種基于視覺技術的紅棗分選裝置，介紹其結構組成和控制方式。

1 裝置總體結構

該裝置基于視覺技術將紅棗按照大小、顏色及表面缺陷等進行分級篩選[7-9]。為使分選過程全自動化，裝置應該具有自動上料、單個輸送、圖像識別及分級等功能。為實現上述功能，該裝置主要由自動上料系統、輸送整形系統、圖像采集及處理系統、分級機構等組成，其總體結構如圖1所示。

圖1 分選機結構示意圖

其工作原理是：料斗中的紅棗在輸送帶的作用下，經過整形定位，單個有序地進入檢測系統，經過圖像采集和處理，進入分選機構，在分選機構的作用下分別進入到相應的通道。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 分選機工作流程圖

2 各部件設計

2.1 自動上料系統設計

根據紅棗的外形特點，將上料傳送帶設計成帶波浪的凹槽，它由普通輸送帶和折彎成型的波浪形PVC帶組成，PVC帶和普通傳送帶之間采用螺釘固定；傳送帶安裝固定在帶輪上，采用伺服電機驅動，所有傳送部件均固定在支架上，支架前端為可調節支架，可以根據實際情況調整上料角度，此外，為防止上料過程中物料掉落，在傳送帶的兩側均固定有擋板；儲料斗固定在傳送帶下方；在傳送帶的中間位置設置有限高毛刷，為保證每次只有單個紅棗通過，自動上料系統結構如圖3所示。

圖3 自動上料系統結構簡圖

2.2 輸送裝置設計

輸送裝置的主要需要實現功能：承接上料裝置掉入的物料；調整物料姿態，將其表面特征全面的呈現在圖像采集系統的下方；將物料平穩輸送到分級位置。

水果等的表面全信息呈現一般是采用雙錐托輥基于摩擦滾動原理實現，其原理是通過雙錐托輥的運行速度與傳送帶之間的速度差實現物料的自轉，通過圖像采集系統一定頻率的連續采集獲取物料的表面全信息。

根據紅棗的尺寸特點及后續的分級機構布置，設計雙錐托輥布局如圖4所示。采用雙排托輥，兩排托輥之間距離60 mm，單排托輥間距50 mm。

圖4 雙錐托輥布局圖

2.3 圖像采集室設計

圖像采集室主要由白熾燈、攝像機、光電開關等組成。為避免單一光源照射的局限性，在采集室的4個角裝有4個相同的白熾燈作為光源，可以一定程度上避免在物料周圍產生陰影，影響圖像質量。攝像機裝在采集室中間位置的正上方，鏡頭垂直朝下，在攝像機下方的右側裝有1個光電開關，保證每次物料停的位置剛好在攝像機正下方，確保照片質量一樣。采集室內布局圖如圖5所示。

圖5 圖像采集室布局圖

2.4 分級執行機構設計

分級機構的執行方式主要有機械式、電磁式以及氣動式等幾種類型[10-11]。氣動式不但非接觸不易傷果，且響應速度快、控制簡單，越來越多地被利用在分級機構中，采用氣動式進行分選。物料到達相應等級的分級氣嘴時，對應氣嘴的電磁閥開啟，氣嘴內噴射出的壓縮空氣將物料吹落到下方的物料分級箱中，在與氣嘴間隔一段距離的正前方設有擋板，可將偏移路線的物料擋入到物料分級箱中。安裝時需要調節氣嘴的高度不高于物料的中心，以保證每次吹起都準確有效。其結構簡圖如圖6所示。

圖6 分級機構結構簡圖

3 控制系統設計

控制系統核心采用ARM開發板[12]，選用三星公司的S5PV210芯片，為Cortex-A8架構，主頻1 GHz，視覺核心采用DSP開發板[13]，選用TI公司的TMS320DM642芯片，主頻選600 MHz。總體硬件設計方案如圖7所示[14-15]。

圖7 控制系統方案圖

設備啟動后，啟動攝像機，攝像機開始不斷的拍攝圖像并傳送給DM642芯片。物料經過時，光電開關觸發，發送低電平信號到DSP，DSP接收到信號后提取當前攝像機拍攝的YCbCr格式的圖像，然后軟件對圖像進行處理，繼而將處理結果通過UART發送給ARM。ARM根據處理結果控制相應分級氣嘴繼電器的開啟，電磁繼電器通過電磁開關進一步控制氣源的開啟。

軟件系統設計方案如圖8所示。主要分為上料模塊、檢測模塊及分級執行模塊。設計有操作界面，設有上料速度控制區、圖像顯示區、結果顯示與統計區等。

圖8 軟件系統方案圖

4 試驗結果

制作樣機并調試后，購買不同等級的紅棗混合后進行試驗，分別統計分選后正確個數與錯誤個數，并以不同運行速度進行試驗，采集到的1組圖像如圖9所示。將數據整理分析后得到，分選速度在每顆0.5 s時，分選精度達到97%，隨著速度提高，分選精度會降低，主要是因為速度提高后，上料系統的穩定性及圖像的采集質量均會下降。

圖9 采集到的紅棗圖像

5 結論

基于視覺檢測設計一款紅棗分選機，它主要由自動上料部件、傳送及整形部件、圖像處理及分選機構等部分組成，上料系統采用普通輸送帶和折彎成型的波浪形PVC帶組合的方式完成自動上料，輸送裝置采用雙錐托輥，分級機構采用氣動方式。采用DPS和ARM相結合的視覺處理對紅棗進行分選控制，通過制作樣機試驗得到，該分選機的分選速度達到每顆0.5 s，分選正確率達到97%，試驗表明該分選機可以達到紅棗分選的要求，具有較高實用價值，為分選機的設計提供理論和實踐基礎。