采用夾持果梗方法的水果檢測分級機(jī)設(shè)計(jì)

王運(yùn)祥 馬本學(xué) 賈艷婷 楊 杰（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 833200）

近年來，隨著圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，利用機(jī)器視覺技術(shù)對水果進(jìn)行自動化檢測和分級，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。國外從20世紀(jì)90年代開始研究基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的水果分級系統(tǒng)，到現(xiàn)在已有大量的實(shí)用產(chǎn)品，如美國的OSCARTM型和MERLIN型高速水果分級生產(chǎn)線，用于蘋果、橘子、蜜桔、梨等水果的分等定級和品質(zhì)檢測［4，5］。中國對基于機(jī)器視覺技術(shù)的水果檢測分級系統(tǒng)的研究雖然起步比較晚，但目前也有許多學(xué)者［6－8］開發(fā)出了成套的基于機(jī)器視覺技術(shù)的水果品質(zhì)智能化檢測與分級裝備，并得到廣泛應(yīng)用。

然而，這類水果自動分選設(shè)備的核心部件就是水果的輸送、旋轉(zhuǎn)及卸果裝置，負(fù)責(zé)將水果輸送到檢測裝置內(nèi)，并將其旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)水果的全表面檢測，然后根據(jù)檢測結(jié)果將不同等級的水果輸送到不同的卸果位置進(jìn)行卸果，實(shí)現(xiàn)水果的分級。在整個檢測分級過程當(dāng)中，水果的輸送、旋轉(zhuǎn)及卸果裝置除了能夠完成相應(yīng)的輸送、旋轉(zhuǎn)及卸果功能之外，還必須盡量避免與水果表面的直接接觸或相互摩擦，以降低水果檢測過程當(dāng)中的機(jī)械損傷。現(xiàn)有的水果檢測分級裝置，大都需要將水果放在托盤內(nèi)使其來回翻轉(zhuǎn)，或者利用水果輸送裝置與水果表面之間的摩擦使水果進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，這些方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)水果的輸送及旋轉(zhuǎn)，但是其對水果的機(jī)械損傷是非常嚴(yán)重的［9］。本試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)合理、操作方便、可靠性高且能夠適應(yīng)水果在線檢測與分級的水果檢測分級機(jī)，為水果的產(chǎn)后處理提供技術(shù)和裝備支持。

1 總體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的水果檢測分級機(jī)主要包括上料、檢測、套袋和卸果4個工藝過程，其結(jié)構(gòu)主要包括果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置、鏈條輸送裝置、檢測裝置、固定齒條機(jī)構(gòu)以及分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，見圖1。其中，果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置主要用于夾持水果果梗，并實(shí)現(xiàn)其在檢測區(qū)內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)；鏈條輸送裝置主要用于安裝果梗夾持裝置，并帶動其向前運(yùn)動；檢測裝置主要用于采集水果的表面圖像信息，并進(jìn)行處理；固定齒條機(jī)構(gòu)主要用于配合果梗夾持裝置實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于接收分級指令，并完成卸果功能。

圖1 水果檢測分級機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The overall structure diagram of fruit detection and grading machine

其基本工作原理如圖2所示，在上料區(qū)，由人手持水果并將果梗朝下插入到果梗夾持裝置的水果座內(nèi)，并用手指向水果座施加壓力，觸發(fā)果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置，使其動作并夾緊水果果梗，進(jìn)而完成上料；上料完成后，水果及果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置在鏈條輸送帶的帶動下進(jìn)入到水果檢測區(qū)，此時果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置在固定齒條機(jī)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)水果及夾持部分的旋轉(zhuǎn)，水果旋轉(zhuǎn)過程中，檢測裝置對其進(jìn)行全表面檢測并將檢測結(jié)果傳輸給信息處理系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)水果分級標(biāo)準(zhǔn)得出水果的級別信息，并向分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出分級指令；水果由檢測箱出來以后進(jìn)入套袋區(qū)，在套袋區(qū)由人工對其進(jìn)行套袋，以防止水果在卸果及運(yùn)輸過程中的損傷；套袋完成后，水果進(jìn)入分級區(qū)，分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接收到分級指令后動作，完成果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置的復(fù)位，使水果在重力作用下落入相應(yīng)的水果收集箱內(nèi)，進(jìn)而完成水果分級。

采用夾持水果果梗的方式對水果進(jìn)行運(yùn)輸，并實(shí)現(xiàn)了水果在輸送過程中的旋轉(zhuǎn)及卸果功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)與果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置密不可分，因此，本設(shè)計(jì)的核心部件就是果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置。又因整個水果檢測分級機(jī)涉及的內(nèi)容較多，本試驗(yàn)僅涉及整機(jī)當(dāng)中裝置或機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)。

圖2 水果檢測分級機(jī)工作流程框圖Figure 2 Workflow block diagram of fruit detection and grading machine

2 水果果梗夾持裝置的設(shè)計(jì)

2.1 果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)水果檢測分級機(jī)的核心部件——果梗夾持裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由水果夾持部分和水果旋轉(zhuǎn)部分組成。

圖3 果梗夾持裝置總體結(jié)構(gòu)圖Figure 3 The overall structure diagram of fruit stems clamping device

水果夾持部分主要包括橫向夾緊機(jī)構(gòu)、豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)和外殼。

外殼部分主要包括左右側(cè)板、水果座、上端蓋、前后側(cè)板、底板等。其中，水果座呈圓形，在其中心處設(shè)有倒圓錐形凹槽，便于承接水果，兩側(cè)設(shè)有矩形凹槽，可以使豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)當(dāng)中的曲面滑塊頂部通過，并與鑲于水果座內(nèi)部偏上位置處的鐵環(huán)相接觸，水果座由彈性材料制成，具有一定的壓縮行程，當(dāng)水果座受到向下的壓力時，鐵環(huán)可以收集外界壓力，并將壓力傳遞給與其相接觸的曲柄滑塊，使豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動。上端蓋上設(shè)有圓形和方形的孔，其位置和大小與水果座底面的孔完全相同，可供果梗和曲面滑塊通過。左右側(cè)板內(nèi)壁上設(shè)有橫向和豎向的滑槽，并且這些滑槽對稱分布，分別用于實(shí)現(xiàn)對橫向夾緊機(jī)構(gòu)和豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的定位，保證其按照預(yù)定的方向運(yùn)動，并且在其端面上設(shè)有絲孔，方便與前后側(cè)板、上端蓋以及底板進(jìn)行連接。

橫向夾緊機(jī)構(gòu)和豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)均位于整個殼體的內(nèi)部（見圖4）。橫向夾緊機(jī)構(gòu)有兩組，并關(guān)于豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)對稱分布，運(yùn)動過程中，橫向夾緊機(jī)構(gòu)的滾動軸承將沿著豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的曲面滑塊表面做往復(fù)滾動，并根據(jù)曲面滑塊的形狀實(shí)現(xiàn)橫向夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊和松開。豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以在外力作用下，沿左右側(cè)板內(nèi)壁上的豎向滑槽做上下往復(fù)運(yùn)動，主要包含兩個曲面滑塊、短銷軸、長銷軸以及兩個殼外外軸承等。其中，兩曲面滑塊對稱分布，且每個曲面滑塊上均設(shè)有長銷軸孔和短銷軸孔，其頂部細(xì)長，可穿過上端蓋的矩形孔和水果座的矩形凹槽與其內(nèi)部的鐵環(huán)相接觸，中部設(shè)有限位凸臺，可防止橫向夾緊裝置自動閉合；長銷軸可穿過兩個長銷軸孔，使得兩個曲面滑塊串接在長銷軸上；短銷軸分別安裝在曲面滑塊的短銷軸孔內(nèi)，起定位作用；殼外軸承安裝在長銷軸的兩端，位于左右側(cè)板的外端，可接受外力為卸果做準(zhǔn)備。橫向夾緊機(jī)構(gòu)可在彈簧和曲面滑塊的作用下，沿左右側(cè)板內(nèi)壁上的橫向滑槽做橫向往復(fù)運(yùn)動，主要包括夾緊軸、彈簧、滑塊、滾動軸承、前夾持立板、后固定板、橡膠軟墊等。其中，夾緊軸的兩端分別設(shè)有滑塊和滾動軸承，滑塊可沿左右側(cè)板內(nèi)壁上的橫向滑槽滑動并實(shí)現(xiàn)夾緊軸的軸向定位，滾動軸承在彈簧力的作用下緊貼在曲面滑塊的表面運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橫向夾緊機(jī)構(gòu)的橫向往復(fù)運(yùn)動；前夾持立板與夾緊軸固定連接，彈簧位于夾緊軸的中部并與夾緊軸垂直，且其前后分別與前夾持立板和后固定板相連；后固定板又通過螺釘與前后側(cè)板相連；橡膠軟墊設(shè)在前夾持立板上，可有效防止損失果梗并提高夾持表面的摩擦力。

圖4 果梗夾持裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 4 The internal structure diagram of fruit stems clamping device

水果旋轉(zhuǎn)部分主要包括旋轉(zhuǎn)軸、聯(lián)體軸承座、軸承Ⅱ、齒輪等，其中聯(lián)體軸承座用于安裝軸承Ⅱ，并且通過兩側(cè)的銷軸孔實(shí)現(xiàn)與雙鏈條輸送帶的裝配；旋轉(zhuǎn)軸的上端與水果夾持部分的底板通過軸頭螺栓相連，下端裝有齒輪，齒輪通過與外部齒條的嚙合帶動水果夾持部分旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動水果旋轉(zhuǎn)，有效降低了水果檢測過程中的機(jī)械損傷率。

2.2 果梗夾持裝置的工作原理

圖5 果梗夾持裝置工作過程圖Figure 5 Schematic diagram of stems clamping device working process

果梗夾持裝置的基本工作原理如圖5所示，包括夾緊和松開兩個工作過程，分別與整機(jī)工作過程中的上料和卸果兩個工藝過程相對應(yīng)，其中圖（a）到圖（b）為夾緊過程，圖（c）到圖（d）為松開過程。

夾緊過程：夾緊之前，整個果梗夾持裝置處于鏈條輸送帶的上方，水果座凹槽朝上，并且其內(nèi)部的橫向夾緊機(jī)構(gòu)處于張開狀態(tài)，彈簧被壓縮，具有一定的預(yù)緊力，豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的曲面滑塊頂端與水果座內(nèi)部的鐵環(huán)相接觸。上料時，由人手持水果并將果梗朝下插入到水果座中心處的倒圓錐形凹槽內(nèi)，此時果梗一端的部分水果表面與水果座相接觸，果梗則通過上端蓋的圓孔伸入到兩橫向夾緊機(jī)構(gòu)的橡膠軟墊之間。隨后，由人手指繼續(xù)向下按壓水果座，由于水果座由彈性材料制成且具有一定的壓縮行程，所以位于水果座內(nèi)部的鐵環(huán)便會向下運(yùn)動，進(jìn)而壓迫豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的曲面滑塊向下運(yùn)動，當(dāng)曲面滑塊中部的限位凸臺越過兩橫向夾緊機(jī)構(gòu)的滾動軸承的中心連線時，滾動軸承表面就會與曲面滑塊的斜面部分相接觸，此時在彈簧力的作用下，豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)就會繼續(xù)向下運(yùn)動，而橫向夾緊機(jī)構(gòu)則自動閉合，進(jìn)而完成對果梗的夾持工作。

松開過程：原本處于夾緊狀態(tài)的果梗夾持裝置，在運(yùn)動到相應(yīng)的分級位置時，分級裝置發(fā)生動作，其前端的楔形機(jī)構(gòu)壓迫殼外軸承，殼外軸承通過長銷軸帶動整個豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動。此時，橫向夾緊機(jī)構(gòu)的兩對滾動軸承就會在曲面滑塊的斜面作用下被迫分開，進(jìn)而使得橫向夾緊機(jī)構(gòu)逐漸張開，待到曲面滑塊中部的限位凸臺運(yùn)動到兩滾動軸承的中心水平連線上方之后，果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置完成整個松開過程，同時，也完成了卸果功能。

3 水果輸送旋轉(zhuǎn)及分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 輸送旋轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)

輸送部分主要由驅(qū)動電機(jī)、主動鏈輪、從動鏈輪以及鏈條輸送帶等組成，其中，鏈條輸送帶由兩條鏈條構(gòu)成，分別環(huán)繞安裝在兩組主動鏈輪和兩從動鏈輪上，兩條鏈條之間設(shè)有多個均勻分布的果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置，鏈條輸送帶的結(jié)構(gòu)如圖6所示，果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置通過其部件聯(lián)體軸承座兩端的銷軸孔，安裝在鏈條輸送帶的長銷軸上，鏈條輸送帶在驅(qū)動裝置的帶動下繞鏈輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，帶動果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置向前運(yùn)動，從而完成水果的輸送功能。另外，為滿足鏈條的兩個相鄰長銷軸在直線和圓周條件下的距離變化，同時又要保證輸送過程中裝置的穩(wěn)定性，聯(lián)體軸承座兩端的銷軸孔采用一端圓孔一端滑孔的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 鏈條輸送帶結(jié)構(gòu)圖Figure 6 The structure diagram of chain conveyor

旋轉(zhuǎn)部分采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在檢測區(qū)鏈條輸送帶的下方設(shè)有固定齒條機(jī)構(gòu)，它主要由兩對托輪和一個固定齒條組成，如圖7所示，其中，兩對托輪主要起穩(wěn)定作用，固定齒條位于兩組托輪的中間位置，當(dāng)果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置運(yùn)行到檢測區(qū)時，其下方的齒輪就會與固定齒條進(jìn)行嚙合，從而帶動果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置的夾持部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使水果在檢測箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)，為水果的全表面檢測提供條件。

在水果檢測區(qū)內(nèi)，設(shè)有CCD相機(jī)，光源以及圖像信息處理設(shè)備等，當(dāng)水果進(jìn)入到檢測箱以后，由CCD相機(jī)對水果進(jìn)行全表面的圖像信息采集，然后將其圖像信息傳遞給圖像信息處理設(shè)備，再由其根據(jù)相應(yīng)的水果分級標(biāo)準(zhǔn)給出水果的級別信息并將其傳遞給水果分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其按照相應(yīng)的水果分級指令完成水果的精確分級［10］。

圖7 固定齒條結(jié)構(gòu)圖Figure 7 The structure diagram of fixed rack

3.2 分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖8所示，分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)由4組托輪機(jī)構(gòu)和3組電磁動作裝置組成，可完成水果的三級分選。其中，托輪機(jī)構(gòu)與鏈條嚙合，主要起穩(wěn)定作用，電磁動作裝置安裝在每兩組托輪機(jī)構(gòu)的中間，其前端裝有直角楔形滑塊，直角楔形滑塊可在伸縮軸的帶動下完成伸縮動作。該直角楔形滑塊的長直角邊保持水平，尖角正對著果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置前進(jìn)的方向。

其工作過程如圖9所示，鏈條輸送帶向右連續(xù)運(yùn)動，當(dāng)電磁動作裝置通電時，伸縮軸伸出，楔形滑塊向前運(yùn)動到果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置的殼外軸承的上方，殼外軸承與楔形滑塊的斜面相互接觸并在其作用下向下運(yùn)動，從而使果梗夾持旋轉(zhuǎn)裝置的橫向夾緊機(jī)構(gòu)松開，水果在重力作用下自動落入其下方的水果收集箱內(nèi)，進(jìn)而完成卸果功能；當(dāng)電磁動作裝置斷電時，其伸縮軸自動縮回，恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一個分級指令。

圖8 分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖Figure 8 The structure diagram of grading actuator

圖9 分級卸果工作過程圖Figure 9 Unloading fruit and grading process diagram

4 結(jié)論

本試驗(yàn)提出了一種基于水果果梗夾持裝置的水果分級機(jī)的設(shè)計(jì)方法，對水果果梗夾持裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析，提出了將水果與旋轉(zhuǎn)裝置共同旋轉(zhuǎn)的思想，即可滿足水果在線檢測分級過程中的旋轉(zhuǎn)要求，又可避免傳統(tǒng)分級方法中水果與機(jī)械裝置之間的相互摩擦，從而降低水果在分級過程中的損傷率。本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的水果檢測分級機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，且集水果的輸送、旋轉(zhuǎn)及卸果分級功能于一體，具有較強(qiáng)的適用性，可為后續(xù)的水果分級機(jī)研制提供理論參考和依據(jù)，但其生產(chǎn)效率和檢出率等參數(shù)還有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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