多功能水果輸送托座設計及試驗研究

0 引言

在科技飛速發展的當下，電子技術、計算機技術、圖像處理技術和模式識別技術取得了長足進步，利用計算機視覺技術開展水果自動分級的設備廣泛興起。目前，國內外已成功研發出基于計算機視覺技術的水果機器視覺自動分選機[1-3]。這類分選機能對水果的自動稱重、外觀質量、內部品質等多項重要指標進行精確檢測，并依據檢測結果綜合評定，實現精準分級處理。這就對水果輸送托座的性能提出了更高要求，其不僅要確保自動稱重和分級后下料的高效完成，還需具備 360^° 無死角翻轉功能，同時在翻轉過程中要杜絕水果掉落，最大程度降低磕碰損傷。

現階段，不少分選設備采用水果翻轉裝置和分選稱重下料裝置相結合的運作模式來實現上述功能。然而，這種模式的分選機需要額外增添一套傳動系統和一種水果輸送托座，這不僅導致分選機體積增大、成本明顯提高，而且在水果從一種輸送裝置切換至另一種裝置的過程中，極大地增加了水果磕碰受損的風險。為此設計了一種多功能水果輸送托座，該裝置能夠實現水果重量檢測、下料及 360^° 無死角翻轉功能，滿足了分選機對水果自動稱重、外觀質量和內部品質等指標檢測后自動下料的實際需求。

1多功能水果輸送托座工作原理

多功能水果輸送托座的結構組成如圖1所示，主要由1個卡座、1個連接支架、2個滾輪、1個連接卡簧以及1個旋轉軸這6個關鍵配件構成。

1一卡座；2—U形連接卡簧；3一滾輪；4一連接支架；5—旋轉軸。

其中，旋轉軸的作用是穩固地固定兩個滾輪，使其與卡座緊密連接，并且旋轉軸與兩個滾輪連接后不存在相對運動。旋轉軸和兩個滾輪連接形成的整體，再與卡座組合，便可以圍繞旋轉軸的軸線靈活旋轉。水果平穩地承載在卡座與滾輪及旋轉軸組成的整體之上。卡簧則用于將卡座與滾輪及旋轉軸的整體和連接支架牢固連接。連接完成后，卡座與滾輪及旋轉軸的整體和連接支架之間具有一定的自由度，能夠在豎直面上下 40^° 的范圍內自由運動（具體如圖2所示），同時也能夠實現相對翻轉。連接支架上面的連接結構與分選機的輸送鏈條實現固定連接，從而達到輸送鏈條通過輸送托座帶動水果平穩移動的效果。

此水果輸送托座能夠實現水果在其上進行 360^° 無死角翻轉、自動稱重及下料等一系列功能，并且能夠很好地兼容直徑 70～130mm 尺寸以及重量在 140～230g 內的球形及近球的橢球形水果的分選工作。

2多功能水果輸送托座各種姿態

2.1 水果輸送狀態

當水果完成檢測，向分選下料口移動的過程中，其在輸送托座上呈現出如圖3所示的姿態，圖中箭頭的指向為水果輸送托座的運動方向。水果穩定地承載在卡座與滾輪及旋轉軸組成的整體之上，水果的中心恰好處于卡座凸出最高結構與滾輪之間，而滾輪采用錐形設計，這一設計方便了對水果的固定。在這種狀態下，當水果輸送速度處于 0～1397mm/s 區間時，此裝置能夠切實保證水果不會掉落，確保輸送過程的穩定與安全。

2.2 水果稱重狀態

2.2.1 稱重原理

在水果稱重環節，在輸送鏈條的持續帶動下，水果輸送托座攜帶著水果平穩滑過稱重結構，從而實現動態稱重。當攜帶著水果的輸送托座滑過稱重結構時，卡座上分布的4個稱重支點會精準地作用在稱重結構的支撐板上面（詳細情形如圖4所示）；與此同時，卡座和滾輪整體結構會被稱重結構支撐板繞U形連接卡簧后端旋轉軸線抬高 2mm 。在整個稱重過程中，卡座和滾輪整體結構通過U形連接卡簧后端與連接支架緊密連接，以此獲取向前移動的動力，而卡座上面分布在兩側的稱重支點則有力地保證了整個結構的穩定性。

稱重過程中影響稱重數值準確性的因素主要有兩個：一是U形連接卡簧與卡座的配合尺寸，二是輸送托座的移動速度。

因此，在設計和生產過程中，必須嚴格把控U形連接卡簧與卡座各自尺寸的一致性。經大量試驗驗證，當輸送托座的移動速度 ?381mm 時，稱重精度最高，重復精度可達 ±1g 。

2.2.2 稱重試驗分析

為了進一步驗證稱重性能，隨機選取100個水果輸送托座，在每個托座上面均放置重量為190g的蘋果，然后在鏈條移動速度分別為381、762、1143、1 397mm， s的四種情況下，讓它們先后5次經過稱重臺。所得試驗數據詳細記錄如表1所示。

對表1中的數據進行分析后可以得出，當水果輸送托座速度為 381mm/s 時，水果的稱重精度能夠達到 ±1g ；而當速度為1 397mm /s時，水果的稱重精度則為 ±3g 。

2.3 水果翻轉狀態

2.3.1 水果翻轉原理

由于在水果外觀質量檢測過程中，需要對水果進行 360^° 無死角翻轉，因此水果輸送托座的卡座和滾輪整體結構在摩擦帶的作用下，會繞U形連接卡簧后端旋轉并抬高到最高點。此時，水果被放置在前后兩個托座的四個錐面滾輪上面，在摩擦力的作用下旋轉著通過視覺檢測部件，進而確保視覺系統能夠全面、無死角地拍攝到水果的外表面。當鏈條帶動托座向前移動時，托座的滾輪在摩擦帶的作用下開始旋轉，其旋轉方向如圖5所示。

帶動摩擦帶運動的電機速度可以進行無級調節，這為精準控制水果的翻轉速度和姿態提供了便利條件。同時，摩擦皮帶的前進方向與鏈條的前進方向始終保持一致，滾輪逆時針旋轉，從而帶動水果進行順時針旋轉。

2.3.2水果在托座上翻轉分析

為了深入研究水果在托座上的翻轉情況，將水果近似為球形，設水果半徑為 R ，滾輪上與水果接觸處半徑為 R_g ，兩個滾輪與水果接觸位置距離為b，如圖6所示。

水果與兩個滾輪相接觸點的軌跡圓半徑 R_s= ，所有試驗水果與滾輪相接觸點的軌跡

圓平均半徑為：

式中： R_av 為所有試驗水果的平均半徑。

假設一個水果在旋轉一周的過程中連續被采集n 幅圖像，則在連續采集兩幅圖像的時間內，水果的轉角 θ_s=360/n ，而雙錐式滾子相應轉角為[4]：

θ_g=θ_sR_sav/R_g

根據式（2）可以計算出托座上水果翻轉一周所需運動位移及拍照相機的視野，為實際應用提供了理論依據。

2.4 水果下料狀態

當水果完成所有檢測后，由鏈條帶動其向后端的各個分選出料口移動。當移動到指定出料口后，由分選機的下料裝置迅速將輸送托座翻轉（具體狀態如圖7所示），此時水果會在重力作用下自動掉落到出料口。經過試驗驗證，當該輸送托座最快翻轉速度小于6次/s時，水果能夠準確無誤地掉落在 40cm× 40cm 的出料口內，確保了下料的準確性和高效性。

3 結論

1）本研究設計的水果輸送托座在應用于水果分選機時，能夠成功實現水果重量檢測、下料以及360^° 全方位無死角翻轉等多項關鍵功能，為水果分選工作提供了有力的技術支持。

2）經過試驗測試，該水果輸送托座最大穩定輸送水果的速度可達 1 397mm/s ，能夠滿足大多數水果分選場景下的輸送速度要求。

3）在配合稱重設備使用時，水果輸送托座能夠實現水果最大稱重精度為 ±1g ，具備較高的稱重準確性，有助于提升水果分選的質量和效率。

[參考文獻]

[1］毛華先，林美增，莫建燦，等.用于水果分級的輸送翻轉及卸果裝置：ZL200920116421.5[P].2009-03-26.

[2]白菲，孟超英.水果自動分級技術的現狀與發展[J].食品科學，2005（增刊1）：145-148.

[3]周雪青，張曉文，鄒嵐，等.水果自動檢測分級設備的研究現狀和展望[J].農業技術與裝備，2013（2）：9-11.

[4]徐惠榮，應義斌，蓋玲.雙錐式滾子水果輸送翻轉機構的研究[J].農業機械學報，2003，34（6）：100-103.