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水果综合分选机称重模块的设计与实现

发布时间：2019-11-14

0 引言

近年来, 人们对水果品质的要求不断提高, 同时为了提高水果的商业价值, 扩大鲜果出口, 对水果进行严格的质量分级就变得尤为重要。而人工分级生产率低且分选精度不稳定, 实现水果的机械化、自动化分选作业势在必行[1,2]。

目前, 国内外学者在利用机器视觉技术对水果外部品质检测方面进行了大量的研究, 取得了重大进展。能够利用机器视觉技术实时检测水果的大小、颜色、表面缺陷状况和果形等品质[3,4,5,6,7]。现有的水果机器视觉分选机大多采用了滚子式输送机构[8,9,10,11]。在水果质量分选方面, 国外研究比较成熟, 能够比较准确地检测动态水果的质量[12], 而国内在此方面研究的还较少, 主要是在现有电子称重式水果分选机基础上的部分改进[13,14]。

在大多数情况下, 水果按外观品质要求分选完成后, 在包装上市之前还要求给出它的质量值, 而目前的水果分选机大多侧重于机器视觉或质量单一方面的研究, 对其进行综合研究的还较少。为此, 本文在水果机器视觉分选机上设计了一称重模块, 使得该分选机能实时检测水果的外观品质和质量, 并将水果质量信息与外观品质评定结果实时融合得出最终分选等级, 对水果进行自动分级卸料。

1 水果机器视觉质量综合分选机的工作原理

该分选机主要由机械系统、称重模块、同步控制系统、图像采集系统和图像处理系统组成。分选机的结构如图1所示。水果支承滚子和水果分选杠杆都安装在循环输送链上, 可随输送链一起向前运动。滚子呈双锥凹形, 水果支承在两个相邻滚子之间, 分选杠杆则正好处于水果的正下方。在图像采集区域设置有光照箱, 滚子下面还设置有摩擦带。当滚子在摩擦带上滚动时, 水果就一面在滚子上翻转滚动, 一面随滚子和输送链一起向前输送, 从而将其不同表面都先后呈现在摄像机前[15]。图像处理系统接收到摄像机所采集的每个水果的图像之后, 提取其品质参数, 对其进行图像处理和等级判定。在称重区域滚子下面设有一称台, 称台下面两端各安装一称重传感器。传感器检测水果质量, 并通过称重模块控制器将水果质量信息上报给水果分选机主控制器, 以实现水果质量信息与外观品质评定结果的实时融合, 确定最终的水果分选等级。分级执行机构安装在水果输送线上方, 主要由分选凸轮和步进电机组成。用以完成水果的自动分级卸料[16]。

图1 水果机器视觉质量综合分选机结构示意图Fig.1 Structure of fruit integrative grader using machine vision and weighing module 下载原图

2 称重模块的设计

如图2所示, 滚子的外沿支承在称台上, 称台下面两端各安装一称重传感器。水果输送链的链节距为50.8 mm, 相邻滚子之间的间距为两个链节距, 即为101.6 mm, 称台长度为160 mm, 保证了称台上能同时支承两个滚子。水果支承在相邻的两个滚子上, 其重力通过滚子而传递到称台上。为避免称重过程中误差的积累, 采取每隔一个位置放置一个水果的处理方法。因此, 当支承有水果的两个滚子同时在称台上时开始采集水果的称重数据。

图2 称重模块三维图Fig.2 Three-dimensional scheme of weighing module 下载原图

称重器件选用北京航宇华科测控技术有限公司生产的带有变送器的HK-816型悬臂梁式称重传感器。该变送器可输出0~5 V标准电压信号。分辨率为1 g。

2.1 力学分析

称重传感器所称的总质量应为一个水果和两个滚子及附件相对于链条的力矩在称重传感器上的等效质量与称台的质量之和。

受力分析如图3所示。称重模块各部分在自重的作用下产生一个相对于O点的力矩, 用M表示。水果、滚子和滚子轴的重力相对于O点的力臂设为l1, 水果、滚子、滚子轴及滚子轴支架作用在称台上的等效重力相对于O点的力臂设为l2, 滚子轴支架的重力相对于O点的力臂设为l3。

图3 称重模块受力分析示意图Fig.3 Force analysis of weighing module 下载原图

由合力矩定理可得

又由力矩计算公式得

式中G2为滚子、滚子轴及滚子轴支架作用在称台上的等效重力;3G、G4、5G——分别为滚子轴支架、滚子轴和滚子的重力。

又由力矩平衡得

其中

式中G——水果的重力;0G——水果作用在称台上的等效重力。

设两称重传感器所称的总质量为w (kg) , 则有:

式中G1——称台的重力。

经称量:称台的质量m1=1.083 kg, 滚子轴支架的质量m3=1.0783 kg, 滚子轴的质量m4=0.0517 kg, 滚子的质量m5=0.495 kg;经计算:l1=104.3 mm, l2=144.3 mm, l3=39 mm, 其中力臂l3是利用力矩平衡法来确定的, 即将滚子轴支架沿拐角处分成两部分, 每部分相对于O点的力矩之和等于整个滚子轴支架相对于O点的力矩。

求解 (1) ~ (9) 式可得

式中m——水果的质量, kg。

同时, m与w的关系式也可以通过试验进行实测标定的方法获得。所以, 通过称重传感器的测量值即可推知水果的质量。

2.2 称重信号处理电路

称重信号处理电路结构框图如图4所示。在称重段, 由安装在称台下面的称重传感器检测水果质量, 将水果的质量信号转换为模拟电压信号, 再经过低通滤波电路滤波, 经A/D转换器模数转换后, 送入称重模块控制器进行数据处理。该系统选用的A/D转换器型号为TLC2543, 它提供的最大采样频率为66×103s-1, 转换时间为10μs, 内部自带采样保持器。

图4 称重信号处理电路结构框图Fig.4 Structure diagram of weighing signal processing circuit 下载原图

3 系统同步工作过程的控制与实现

3.1 同步控制系统的总体设计及工作原理

同步控制系统采用模块化结构, 其原理框图如图5所示。系统同步定时信号发生器负责实时检测水果的动态位置并生成系统同步定时信号。如图1所示, 输送链每前进一个链节距, 即链轮每转过一个齿, 红外光电开关就产生一个脉冲, 此脉冲信号在系统同步定时信号发生器内经脉冲整形和光电隔离, 然后通过485总线发送到系统其他模块作为整个系统的同步定时信号。相机控制器负责监控摄像机的工作状态, 并在同步定时信号的同步下生成摄像机的外触发信号。分级执行控制器负责水果等级信息与其实时位置的动态配准以及分级执行机构的控制。称重模块控制器负责水果称重信息的采集及数据处理。水果分选机主控制器则负责从图像处理系统中接收外观品质检测结果, 并从称重模块控制器接收水果的称重信息, 然后综合判定水果的最终等级, 以及系统各模块的参数设置和状态监测。

图5 同步控制系统原理框图Fig.5 Principle diagram of synchronous control system 下载原图

RS485总线专用于传输同步定时信号, 以确保同步定时信号的实时传输。而水果等级信息、参数设置指令和各模块的状态信息等则通过CAN总线进行传输。

3.2 同步称重过程的实现

根据结构设计, 水果在输送链上由相邻两支承滚子间隔排列, 而相邻两滚子之间的距离为两个链节距, 因此, 两个相邻水果之间的距离为4个链节距。所以对水果进行称重信息采集和数据处理的时间不能超过4个同步定时信号周期, 以免影响后续水果的称重信息处理。同步定时信号进入称重模块控制器后被四分频, 又经适当延时, 生成“称重开始触发信号”。调节延时时间, 可保证载有水果的两个滚子同时在称台上时, 触发称重模块控制器开始数据采集。采集时间为一个同步定时信号周期。以后每来一个“称重开始触发信号”脉冲, 触发称重模块控制器一次。又由于水果输送速度为0.61 m/s, 则每个同步定时信号周期为0.083 s。而A/D转换器的转换时间为10μs, 去除其他因素的影响, 最多可对一个水果采集上百个称重数据。在一个同步定时信号周期内对水果采集50个称重数据, 经过多次试验及分析, 最终将这些数据按大小顺序排列, 然后剔除5个最大值和5个最小值, 并将剩余数据取平均值, 得到1个最终确定数据。整个系统的称重试验装置如图6所示。

图6 称重试验装置Fig.6 Experimental equipment for weighing 下载原图

4 试验验证

为验证称重模块的称量精度, 选用大小不同的苹果, 用常熟双杰测试仪器厂生产的TC-6K型电子天平逐个称量后, 在链速为0.61 m/s的条件下进行试验。试验测得的等效质量w与其A/D转换值之间的关系如图7所示。可以看出, A/D转换值随苹果质量的增加而增大, 且增幅随苹果质量的增加而增大。出现这一现象的原因是苹果的质量越大, 对称台的作用力就越大。