制造企業(yè)車間垃圾自動分類裝置的設(shè)計*

□ 張理安 □ 張宇宸 □ 馮 凱 □ 黃文玉 □ 徐智敏 □ 褚楊楊 □ 袁鴻斌

杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 杭州 310018

1 設(shè)計背景

實施垃圾分類是推進循環(huán)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。我國越來越重視垃圾分類工作,出臺了一系列法律法規(guī),明確垃圾分類的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1- 2]。國內(nèi)外研究者對垃圾分類開展了研究,利用機器視覺技術(shù)[3-6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]、語音識別技術(shù)[8]、物聯(lián)傳感技術(shù)[9-10]等新興技術(shù),以智能化、自動化方式實現(xiàn)垃圾分類。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),智能垃圾分類工作目前主要集中于城市生活垃圾領(lǐng)域,對于制造企業(yè)車間垃圾分類的研究則很少。

在制造企業(yè)車間,會產(chǎn)生大量加工余料,在這些余料中,不可避免地混雜了瓶子、紙團等雜物,使余料回收利用工作較為煩瑣。我國逐步進入智能制造的新時代,制造企業(yè)車間垃圾和雜物的智能回收是智慧工廠中不可缺少的一個環(huán)節(jié),筆者對此設(shè)計了一款制造企業(yè)車間垃圾自動分類裝置,用于提高制造企業(yè)垃圾處理的自動化水平。

2 結(jié)構(gòu)

與生活垃圾有較大不同,制造企業(yè)車間垃圾一般分為三類:① 加工余料;② 螺釘、螺母等細小配件;③ 紙團、碎布等雜物。根據(jù)制造企業(yè)車間垃圾集中投放量大、形式相對固定、體積差異較大、油污較重等特點,垃圾自動分類裝置擬采用機械分流機構(gòu)按照體積大小進行粗分,對粗分后的垃圾利用機器視覺進行檢測,由此提高垃圾分類效率。

垃圾自動分類裝置由投料口、回流輸送裝置、回流桶、螺旋分類裝置、不同口徑分類桶、壓縮裝置、識別裝置、垃圾投放裝置等組成,三維模型如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示,執(zhí)行機構(gòu)如圖3所示。

▲圖1 垃圾自動分類裝置三維模型▲圖2 垃圾自動分類裝置結(jié)構(gòu)▲圖3 垃圾自動分類裝置執(zhí)行機構(gòu)

3 螺旋分類裝置

垃圾從投料口投入后,被螺旋葉片帶動向左上方輸送。垃圾輸出通道自左上向右下口徑逐漸減小,能對不同尺寸的垃圾進行篩分。根據(jù)車間實際情況,尺寸較大的往往是紙團、碎布、易拉罐等可壓縮生活雜物,因此在尺寸最大的垃圾輸出通道的中部設(shè)置壓縮裝置。

4 識別裝置與回流輸送裝置

在每個垃圾輸出通道的末端設(shè)置識別裝置,通過識別裝置進行垃圾分類確認(rèn)。若垃圾分類正確,則垃圾投放裝置將垃圾移動至存儲滑道,滑至垃圾箱中。若垃圾分類錯誤,則垃圾投放裝置將垃圾推送至傾斜的回流滑道,使垃圾在重力作用下進入回流輸送裝置,經(jīng)回流桶側(cè)面出口落入投料口,再次進行分類。

5 傾斜布置方案

為提高垃圾分類準(zhǔn)確性,防止小尺寸物料落入大尺寸垃圾輸出通道,螺旋分類裝置和回流滑道均采用傾斜布置方案。制造企業(yè)車間不可避免會存在油污,因此垃圾在垃圾自動分類裝置內(nèi)的摩擦類型屬于潤滑摩擦。在制造企業(yè)車間垃圾中,有機玻璃與Q235鋼的最大靜摩擦因數(shù)較大,約為0.5,對應(yīng)的摩擦角約為26.6o。因此,設(shè)置傾角為30o,確保垃圾能在重力作用下趨向于遠離大尺寸垃圾的輸出方向。

6 控制系統(tǒng)

6.1 方案

垃圾自動分類裝置的控制系統(tǒng)如圖4所示,由電荷耦合器件相機、上位機、下位機主控板、步進電機組成。電荷耦合器件相機用于圖像采集,上位機用于圖像識別,步進電機用作執(zhí)行元件。垃圾投入后,下位機主控板控制機構(gòu)運動,進行垃圾輸送和分類。當(dāng)尺寸最大的輸出通道中的紅外對管檢測到有垃圾落入時,壓縮裝置工作,對大尺寸垃圾進行壓縮。垃圾落入輸出通道末端后,電荷耦合器件相機獲取圖像信息,上位機進行圖像識別處理分析,判斷垃圾分類是否正確,繼而控制回流輸送電機或推桿電機運動,實現(xiàn)垃圾投放或回流。

▲圖4 垃圾自動分類裝置控制系統(tǒng)

6.2 硬件

下位機主控板選用STM32單片機,可以確?？刂葡到y(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較高的可靠性[11]。執(zhí)行元件選用步進電機,確保運動控制精度。步進電機驅(qū)動器(SMD)選用TB6600,采用共陽極接法。單片機接線如圖5所示。SMD1～SMD7依次驅(qū)動主輸送電機、左回流輸送電機、右回流輸送電機、壓縮電機、左推桿電機、中推桿電機、右推桿電機。

▲圖5 單片機接線

6.3 軟件

上位機主要完成圖像識別等任務(wù),利用均值哈希與感知哈希計算,通過圖像相似度對比,以漢明距離相似度判斷是否有垃圾落入對應(yīng)的投放口。當(dāng)有垃圾落入時,應(yīng)用由OpenCV視覺專用庫部署的YOLOv5算法進行垃圾識別,并將垃圾識別結(jié)果通過串口發(fā)送至下位機。

下位機運行于Keil-MDK5開發(fā)平臺,采用C語言編程。軟件程序流程如圖6所示。

▲圖6 軟件程序流程

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一款用于制造企業(yè)車間垃圾自動分類裝置,利用螺旋分類裝置,基于尺寸分選機制,提高垃圾分類的效率。另一方面,結(jié)合機器視覺技術(shù),對錯誤分類的垃圾進行回流處理,保證垃圾分類的準(zhǔn)確性。這一垃圾自動分類裝置既能夠智能化完成制造企業(yè)車間的垃圾分類作業(yè),也可以提高制造企業(yè)車間的余料回收效率,為制造企業(yè)車間的垃圾處理提供了自動化、智能化解決方案。