基于差速分離原理的杏鮑菇分級分選機械系統(tǒng)設計

林新華 李躍丹 朱亞男 周 柱 陳學永

(福建農(nóng)林大學，福建 福州 350002)

杏鮑菇工廠化種植[1]規(guī)模逐年提高。傳統(tǒng)杏鮑菇分揀主要依靠人工挑選，工作效率無法達到最高上限，而國內(nèi)大規(guī)模工廠化杏鮑菇栽培已形成趨勢，唯有保證杏鮑菇自動化分級的效率及準確性，才能形成更強產(chǎn)品競爭力，占據(jù)市場，增加企業(yè)收益[2-4]。目前，采用夾持果梗的稱重式水果分級檢測機在市面上使用較普遍[5-9]，但是對于單個杏鮑菇重量輕，精度就難以保證。研究擬設計一套基于差速分離原理的杏鮑菇分級分選裝置，對杏鮑菇差速分離原理進行介紹并建模，以期為后續(xù)軟件系統(tǒng)開發(fā)提供依據(jù)。

1 分選裝置工作流程

利用差速分離原理，結(jié)合機械設計、機器視覺、工業(yè)控制等技術，提出一種基于機器視覺的杏鮑菇外觀品質(zhì)分級分選生產(chǎn)線機械系統(tǒng)設計方案。分級分選裝置包括機械、控制及軟件三大部分，其工作邏輯流程為：

(1) 啟動裝置，完成軟硬件自檢，裝置能否正常運行，完成設備初始化，整條生產(chǎn)線可正常工作。

(2) 熟練工人將采摘后的杏鮑菇在第一級輸送線完成切腳上料工序，基于差速分離原理，杏鮑菇經(jīng)兩次差速分離及集流導向，杏鮑菇之間完全分開，并沿一定朝向排列在第三級輸送線上。

(3) 杏鮑菇逐根通過光電傳感器，NPN型低電平觸發(fā)一次通斷，相機軟觸發(fā)一次并采集一幀圖像，經(jīng)USB 3.0 接口將圖片信息傳輸給視覺軟件。

(4) 視覺軟件對傳輸采集的杏鮑菇RGB圖片完成算法處理，提取杏鮑菇特征要素，綜合加權得到杏鮑菇等級信息，并將杏鮑菇處理日志及等級信息保存至后臺數(shù)據(jù)庫，方便后期查閱管理。

(5) 杏鮑菇等級信息通過視覺軟件串口通訊模塊傳輸給PLC，PLC指導分選執(zhí)行機構(gòu)擺桿單元完成分選。

(6) 完成當日生產(chǎn)任務，關閉外部連接設備，關閉輸送線。

2 差速分離原理及差速分離模型仿真

2.1 差速分離原理

視覺模塊決定了發(fā)酵程度的好壞，是整個設備關鍵的部分。差速分離原理[10-11]即當物料通過存在速度差的兩傳動裝置時，因前后物料在傳動裝置上有一定間隔距離，接觸到運動狀態(tài)改變的下一級傳動裝置會存在時間差，前后物料運動狀態(tài)不一致，存在速度差會使前后物料運動距離不一致，從而實現(xiàn)物料差速分離的目的。為實現(xiàn)差速分離，分級分選裝置(圖1)包括上料裝置、分流裝置、差速分離運輸裝置、圖像采集裝置、視覺處理軟件、硬件控制及執(zhí)行分選裝置等部分。

1. 切腳上料裝置 2. 一級差速裝置 3. 二級差速裝置 4. 圖像采集裝置 5. 視覺處理軟件 6. 硬件控制系統(tǒng) 7. 執(zhí)行分級裝置

利用三級輸送線作為差速分離的傳動裝置，完成杏鮑菇的上料分離、圖像采集處理及執(zhí)行分選，可快速響應分級，符合企業(yè)場地布局及分級分選要求。令三級輸送線速度依次為V1、V2、V3，兩次差速分離時間依次為Δt1、Δt2，若杏鮑菇兩次差速分離沿緩沖板滑落過程中未發(fā)生翻滾或掉落現(xiàn)象，做平拋運動，則說明杏鮑菇在相同跌落高度情況下，其跌落時間一致，與杏鮑菇形狀無關聯(lián)。此時，杏鮑菇差速分離模型是理想模型，兩根杏鮑菇最小上料間距l(xiāng)1，兩次差速分離距離依次為Δl1、Δl2，總間距Δl，則滿足：

(1)

Δl1=(V2-V1)Δt1，

(2)

(3)

Δl2=(V3-V2)Δt2，

(4)

Δl=l1+Δl1+Δl2。

(5)

當總間距Δl大于最大規(guī)格杏鮑菇縱向尺寸時，菇可完全分離，逐根通過光電傳感器，圖像采集系統(tǒng)依次采集圖像，經(jīng)圖像處理后，獲取等級信息，利用串口通訊指導分選執(zhí)行機構(gòu)依次完成分選，此時分級分選裝置可對所有規(guī)格杏鮑菇完成分選工作[12-13]。

2.2 差速分離模型仿真

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場工人效率統(tǒng)計及工作習慣發(fā)現(xiàn)，因切腳刀過于鋒利，熟練切腳削菇工人對杏鮑菇逐根上料，兩根杏鮑菇最小上料間距為6.0 cm。對1根菇完成切腳上料工序平均用時4.1 s，每秒完成6根菇切腳上料工作需24.6名工人；熟練分選工人對1根菇完成分選工序平均用時1.3 s，每秒完成6根菇分選工作需7.8名工人。為保證分選質(zhì)量及工人效率，初始杏鮑菇速度V1應不超過0.18 m/s。

杏鮑菇在第一級輸送線時水平速度最小，當杏鮑菇經(jīng)第一次差速分離時，做平拋運動，后續(xù)第二級輸送線也做平拋運動，此時杏鮑菇外觀形狀不會影響其跌落時間，杏鮑菇差速分離模型是理想運動模型，可通過理論計算得出各級輸送線速度。為研究杏鮑菇從第一級輸送線經(jīng)緩沖板運動至第二級輸送線的運動狀態(tài)，確定杏鮑菇形狀是否影響其跌落時間。利用ADAMS 2018對差速分離模型上運動的杏鮑菇完成動力學仿真，對比不同菇型及擺放角度對菇運動狀態(tài)的影響。差速分離模型由三級輸送線組成，包括驅(qū)動裝置、同步輸送帶、機架、緩沖板、集流板及張緊裝置等，同步帶傳動軸及機架相對于輸送帶剛度大、變形小，可認定為剛體，而輸送帶則作為柔性體，其余部件均可視為剛體。利用SolidWorks 2018設計虛擬樣機系統(tǒng)時，機架固定于地面不動，可將機架簡化為地面。由于輸送帶是柔性體，需建立輸送帶的柔性體模型進行仿真分析。ADAMS建立柔性體需要有離散柔性連接桿、ADAMS Flex模塊生成柔性體及有限元輸出mnf文件。研究利用有限元輸出mnf文件，后導入至ADAMS軟件中，進行差速分離模型的仿真分析。

利用SolidWorks 2018完成差速分離模型三維建模，導出為parasolid萬能格式，導入至ADAMS 2018中，設置工作環(huán)境，添加約束及載荷，完成仿真測試及后處理。仿真是為了驗證差速分離裝置能否實現(xiàn)杏鮑菇分離，為搭建機器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)分離提供可能。摩擦系數(shù)通過試驗測得，杏鮑菇與傳送帶之間的摩擦系數(shù)為0.4，杏鮑菇與斜坡之間的摩擦系數(shù)為0.47，其他系數(shù)由于對仿真結(jié)果并不會造成較大影響，因此在整個仿真中參數(shù)選擇保持一致即可。差速分離模型在ADAMS 2018定義狀態(tài)[14]，分別完成極限尺寸與擺放角度的動力學仿真，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 極限尺寸最大菇擺放角度的速度與位移圖Figure 2 Dimensions and placement angles of Pleurotus eryngii

由圖2、圖3可知，擺放角度對極限尺寸最小菇的速度變化影響不大，擺放角度對極限尺寸最大菇的速度變化影響相對較大，尤其是擺放角度為90°時。通過后期試驗表明，極限尺寸最大菇在傳送帶上會隨著擺放角度的不同，造成的翻滾和橫擺程度也不同，擺放角度越大，最大菇運動狀態(tài)更平緩，所受沖擊載荷小，菇受損概率小，特別是擺放角度為90°時翻滾和橫擺最小，所以速度最平穩(wěn)。但最終運動狀態(tài)一致，說明杏鮑菇差速分離模型為理想模型，可通過理論計算得出各級輸送線速度。

由圖4可知，少部分杏鮑菇會由于翻滾橫擺跌出傳送帶外，在后期設計時添加集流板可改善該情況，其作用是集流排列，校正杏鮑菇運動位姿，防止在輸送線上滾動打滑。

圖4 仿真跌落Figure 4 Simulation drop

3 分級分選裝置機械系統(tǒng)設計

3.1 輸送線速度計算

通過查閱國內(nèi)外果蔬分選設備資料發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)果蔬分選速度為3～6個/s，國外果蔬分級分選行業(yè)較為成熟，其分選速度可達10～20個/s。但國內(nèi)外未對杏鮑菇進行相關研究，試驗對杏鮑菇進行分級分選研究尚處于實驗室研發(fā)階段，結(jié)合企業(yè)分選效率要求及熟練工人分選效率。綜合考量，試驗單條分選輸送線速度為3根/s，采用兩條輸送線對稱鏡像分布，其綜合分選效率為6根/s。

根據(jù)杏鮑菇物理特性試驗可知，其最大長度為28.0 cm，通過集流裝置使杏鮑菇沿一定角度縱向排列，經(jīng)兩次差速分離，使每根菇間距為30.0 cm，在保證符合最極限拍照條件及執(zhí)行分選條件下，第三級輸送線速度需滿足：

V帶=η額·l菇，

(6)

式中：

V帶——輸送線運輸速度，m/s；

η額——分級分選裝置額定分選效率，根/s；

l菇——最終差速分離距離，cm/根。

當輸送線分選效率為3根/s，差速分離距離為30.0 cm/根時，V3=0.9 m/s。當V1=0.18 m/s、l1=6.0 cm時，通過差速分離模型可得表1所示參數(shù)。

表1 差速分離模型各變量值

由差速分離計算三級線速度：V1=0.18 m/s、V2=0.5 m/s、V3=0.9 m/s。

3.2 機械系統(tǒng)設計

杏鮑菇分級分選裝置機械系統(tǒng)包括第一級切腳上料輸送線、第二級差速集流輸送線、第三級分選執(zhí)行輸送線及分選執(zhí)行裝置四大主要部分。每級輸送線有托輥及張緊裝置，對傳輸軸開槽設計，防止平帶跑偏打滑。平帶選擇1.6 mm厚食品級PU聚氨酯材料，為防止杏鮑菇與平帶間出現(xiàn)打滑，應增大菇與帶間摩擦系數(shù)，可在帶表面加工紋路或做凸起點等處理。使用SolidWorks 2018對裝置完成三維虛擬樣機設計，搭建試驗樣機，對差速分離原理進行驗證，為實物樣機設計提供指導及經(jīng)驗[15]。其中分級分選裝置包括4個部分。

(1) 第一級切腳上料輸送線：第一級輸送線人工切腳上料，步進電機提供動力，帶設計長10 m，寬1 m。兩邊可供30名工人切腳上料，末端有分流導向裝置1及毛刷限高輥2，對堆積來料起導向及分流作用，第一級切腳上料輸送線設計虛擬樣機如圖5所示。

圖5 第一級切腳上料輸送線Figure 5 Feeding conveyor line of the first stage cutting foot

上料時要求工人將杏鮑菇縱向沿輸送線邊緣垂直輸送線行進方向放置，此時杏鮑菇排布均勻，分流效果好，對菇損傷小，間距更小，分級輸送線初試速度更小。

(2) 第二級差速集流輸送線：第二級差速集流輸送線完成差速分離及集流排列功能，步進電機提供動力，帶設計長1.2 m，寬0.3 m，兩條輸送線鏡像組成。裝置前端集流板將初步分離的杏鮑菇沿輸送線行進方向校正集流，為第二次差速準備，實現(xiàn)更大空間距離排列，為圖像采集工作奠定基礎，第二級差速集流輸送線設計虛擬樣機如圖6所示。

圖6 第二級差速集流輸送線Figure 6 Second stage differential collector conveyor line

第二級輸送線承接經(jīng)第一級切腳上料輸送線后端傾斜緩沖板來料，當杏鮑菇以一級輸送線速度V1勻速向前運輸，菇由于慣性繼續(xù)運動，逐漸懸空，重心位置發(fā)生變化，通過緩沖板滑動至二級輸送線。當菇接觸到二級輸送線時，其初始速度V1與二級輸送線速度V2不一致，做加速運動，至速度為V2。因后一根菇有時間差，繼續(xù)以V1運動，兩者完成第一次空間距離的初步分離。經(jīng)加速至V2后，二級輸送線前端集流板，使菇縱向沿著輸送線行進方向排列，沿縱向排列距離變大，初步實現(xiàn)差速分離效果。

(3) 第三級分選執(zhí)行輸送線：第三級分選執(zhí)行輸送線完成差速分離，集流排列，圖像采集及分選執(zhí)行等功能，步進電機提供動力，帶設計長12 m，寬0.3 m，兩條輸送線鏡像組成。裝置前端集流板將初步分離的菇沿縱向排列，完成集流工作，使菇逐根通過光電傳感器，相機逐幀圖像采集。后續(xù)擺桿執(zhí)行機構(gòu)完成分選。該輸送線在第二級輸送線基礎上，增加圖像采集及執(zhí)行分選功能，設計30個執(zhí)行分選單元，包括24個杏鮑菇單元、1個殘次品剔除單元及5個備用單元。備用分選單元根據(jù)當日物料等級分布，適時添加至當日分選任務中，以到達靈活分選目的。第三級分選執(zhí)行輸送線設計虛擬樣機如圖7所示。

圖7 第三級分選執(zhí)行輸送線Figure 7 Transmission line for third-stage sorting execution

第三級輸送線承接第二級差速集流輸送線后端傾斜緩沖板來料，兩級輸送線間經(jīng)第二次速度差，運動過程同上。至菇速度達三級輸送線速度V3為止。此時，經(jīng)兩次差速分離及集流板作用，菇沿縱向排列距離進一步變大，可達到差速分離效果，能實現(xiàn)菇逐根通過光電傳感器條件及執(zhí)行分選距離。

(4) 分選執(zhí)行機構(gòu)：分選執(zhí)行機構(gòu)完成杏鮑菇最終分選工作，由步進電機提供動力，擺桿單元由步進電機、聯(lián)軸器、擺動軸、深溝球軸承、擺桿及緩沖泡棉等組成。步進電機通過聯(lián)軸器與擺動軸相連，中間套合深溝球軸承減少摩擦，擺桿上貼附泡棉緩沖材料，減小菇的損傷。選擇42步進電機，菇的滑道寬度為270 mm，經(jīng)擺桿擺動的菇通過滑道進入對應等級菇中轉(zhuǎn)箱，分選執(zhí)行機構(gòu)設計虛擬樣機如圖8所示。

圖8 分選執(zhí)行機構(gòu)Figure 8 Sorting actuator

當無對應等級菇來料時，分選執(zhí)行機構(gòu)處于閉合狀態(tài)，后續(xù)等級菇順利通過輸送線；當有對應等級菇來料時，PLC控制系統(tǒng)控制步進電機快速反應，先將擺桿打開，后將菇擺動至對應等級中轉(zhuǎn)箱，完成整個分選流程。

4 差速分離原理驗證實驗

4.1 試驗材料與設備

以“日引1號”杏鮑菇為試驗對象，在福建省南靖世野食用菌有限責任公司杏鮑菇分級分選車間隨機抽選熟練工人分選的杏鮑菇，分選樣本容量200的各規(guī)格杏鮑菇試驗。

根據(jù)前期調(diào)研設計開發(fā)一套關鍵技術測試試驗樣機，該樣機由三級輸送線組成，二三級輸送線前端有緩沖板以防止個體較小的菇直接跌落，并起緩沖作用，防止菇受損。中間部分有集流板，其作用是集流排列，校正杏鮑菇運動位姿，防止在輸送線滾動打滑。虛擬試驗樣機如圖9所示。

圖9 測試試驗樣機Figure 9 Test prototype

4.2 試驗方法

將三級輸送線速度分別設置為0.18，0.50，0.90 m/s，杏鮑菇在第一級輸送線按人工上料方式，4人同時上料模擬真實工作場景，利用兩次差速分離，杏鮑菇逐根通過光電傳感器，相機檢測拍照，通過統(tǒng)計采集的一幀杏鮑菇圖像中是否都是單根杏鮑菇。若一幀采集圖像僅有一根完整杏鮑菇，則說明對該根杏鮑菇差速分離效果良好；若一幀采集圖像不完整或出現(xiàn)一根以上杏鮑菇，則說明對該根杏鮑菇差速分離效果不理想。以此對差速分離效果評價，統(tǒng)計一幀圖像僅有一根完整杏鮑菇的數(shù)量，結(jié)果見表2。

表2 差速分離成功率

4.3 結(jié)果與討論

通過測試試驗發(fā)現(xiàn)，差速分離原理對于長度<21.0 cm的小粒、小A、中小、中大及大菇可完全分離，特菇長度>21.0 cm，極少菇差速分離距離不夠，其分離成功率為99.5%，差速距離更大才可實現(xiàn)對所有規(guī)格杏鮑菇的分離，并完成最終分選功能。但這為極少出現(xiàn)的情況，可直接由其通過整條輸送線最后掉落至輸送線末端，不對其進行分選。

5 結(jié)論

介紹了杏鮑菇分級分選裝置的組成及工作流程，完成了基于差速分離原理的模型建立。結(jié)果表明，利用ADAMS 2018對差速分離產(chǎn)線上杏鮑菇運動狀態(tài)進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)菇外觀形狀對差速跌落時間無影響，該差速分離模型是理想運動模型，可通過計算獲得三級輸送線設計速度。通過三級輸送線速度，對杏鮑菇分級分選裝置機械系統(tǒng)完成設計，包括第一級切腳上料輸送線、第二級差速集流輸送線、第三級分選執(zhí)行輸送線及分選執(zhí)行機構(gòu)。利用SolidWorks 2018完成虛擬樣機設計開發(fā)，并針對差速分離原理搭建簡易樣機完成測試試驗，發(fā)現(xiàn)特菇分離成功率為99.5%，其他規(guī)格菇均為100%，試驗裝置可達到良好的差速分離效果。之后可對傳送帶材質(zhì)進行研究分析，找到合適的材質(zhì)會一定程度上減少杏鮑菇通過裝置時的損傷；后續(xù)可將機器視覺、深度學習技術運用于該裝置，對杏鮑菇缺陷進行檢測，形成一套完整的杏鮑菇分選系統(tǒng)。