多功能水果輸送托座設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

0 引言

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和模式識別技術(shù)取得了長足進(jìn)步，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開展水果自動分級的設(shè)備廣泛興起。目前，國內(nèi)外已成功研發(fā)出基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的水果機(jī)器視覺自動分選機(jī)[1-3]。這類分選機(jī)能對水果的自動稱重、外觀質(zhì)量、內(nèi)部品質(zhì)等多項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行精確檢測，并依據(jù)檢測結(jié)果綜合評定，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(zhuǎn)功能，同時(shí)在翻轉(zhuǎn)過程中要杜絕水果掉落，最大程度降低磕碰損傷。

現(xiàn)階段，不少分選設(shè)備采用水果翻轉(zhuǎn)裝置和分選稱重下料裝置相結(jié)合的運(yùn)作模式來實(shí)現(xiàn)上述功能。然而，這種模式的分選機(jī)需要額外增添一套傳動系統(tǒng)和一種水果輸送托座，這不僅導(dǎo)致分選機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。為此設(shè)計(jì)了一種多功能水果輸送托座，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水果重量檢測、下料及 360^° 無死角翻轉(zhuǎn)功能，滿足了分選機(jī)對水果自動稱重、外觀質(zhì)量和內(nèi)部品質(zhì)等指標(biāo)檢測后自動下料的實(shí)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(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由1個(gè)卡座、1個(gè)連接支架、2個(gè)滾輪、1個(gè)連接卡簧以及1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸這6個(gè)關(guān)鍵配件構(gòu)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(zhuǎn)軸。

其中，旋轉(zhuǎn)軸的作用是穩(wěn)固地固定兩個(gè)滾輪，使其與卡座緊密連接，并且旋轉(zhuǎn)軸與兩個(gè)滾輪連接后不存在相對運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)滾輪連接形成的整體，再與卡座組合，便可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸的軸線靈活旋轉(zhuǎn)。水果平穩(wěn)地承載在卡座與滾輪及旋轉(zhuǎn)軸組成的整體之上?？ɑ蓜t用于將卡座與滾輪及旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)自由運(yùn)動（具體如圖2所示），同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)相對翻轉(zhuǎn)。連接支架上面的連接結(jié)構(gòu)與分選機(jī)的輸送鏈條實(shí)現(xiàn)固定連接，從而達(dá)到輸送鏈條通過輸送托座帶動水果平穩(wěn)移動的效果。

此水果輸送托座能夠?qū)崿F(xiàn)水果在其上進(jìn)行 360^° 無死角翻轉(zhuǎn)、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(nèi)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(tài)

2.1 水果輸送狀態(tài)

當(dāng)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(xiàn)出如圖3所示的姿態(tài)，圖中箭頭的指向?yàn)樗斔屯凶倪\(yùn)動方向。水果穩(wěn)定地承載在卡座與滾輪及旋轉(zhuǎn)軸組成的整體之上，水果的中心恰好處于卡座凸出最高結(jié)構(gòu)與滾輪之間，而滾輪采用錐形設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)方便了對水果的固定。在這種狀態(tài)下，當(dāng)水果輸送速度處于 0～1397mm/s 區(qū)間時(shí)，此裝置能夠切實(shí)保證水果不會掉落，確保輸送過程的穩(wěn)定與安全。

2.2 水果稱重狀態(tài)

2.2.1 稱重原理

在水果稱重環(huán)節(jié)，在輸送鏈條的持續(xù)帶動下，水果輸送托座攜帶著水果平穩(wěn)滑過稱重結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)稱重。當(dāng)攜帶著水果的輸送托座滑過稱重結(jié)構(gòu)時(shí)，卡座上分布的4個(gè)稱重支點(diǎn)會精準(zhǔn)地作用在稱重結(jié)構(gòu)的支撐板上面（詳細(xì)情形如圖4所示）；與此同時(shí)，卡座和滾輪整體結(jié)構(gòu)會被稱重結(jié)構(gòu)支撐板繞U形連接卡簧后端旋轉(zhuǎn)軸線抬高 2mm 。在整個(gè)稱重過程中，卡座和滾輪整體結(jié)構(gòu)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(cè)的稱重支點(diǎn)則有力地保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

稱重過程中影響稱重?cái)?shù)值準(zhǔn)確性的因素主要有兩個(gè)：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(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，必須嚴(yán)格把控U形連接卡簧與卡座各自尺寸的一致性。經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)輸送托座的移動速度 ?381mm 時(shí)，稱重精度最高，重復(fù)精度可達(dá) ±1g 。

2.2.2 稱重試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證稱重性能，隨機(jī)選取100個(gè)水果輸送托座，在每個(gè)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(jīng)過稱重臺。所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄如表1所示。

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以得出，當(dāng)水果輸送托座速度為 381mm/s 時(shí)，水果的稱重精度能夠達(dá)到 ±1g ；而當(dāng)速度為1 397mm /s時(shí)，水果的稱重精度則為 ±3g 。

2.3 水果翻轉(zhuǎn)狀態(tài)

2.3.1 水果翻轉(zhuǎn)原理

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

帶動摩擦帶運(yùn)動的電機(jī)速度可以進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，這為精準(zhǔn)控制水果的翻轉(zhuǎn)速度和姿態(tài)提供了便利條件。同時(shí)，摩擦皮帶的前進(jìn)方向與鏈條的前進(jìn)方向始終保持一致，滾輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而帶動水果進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.3.2水果在托座上翻轉(zhuǎn)分析

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

水果與兩個(gè)滾輪相接觸點(diǎn)的軌跡圓半徑 R_s= ，所有試驗(yàn)水果與滾輪相接觸點(diǎn)的軌跡

圓平均半徑為：

式中： R_av 為所有試驗(yàn)水果的平均半徑。

假設(shè)一個(gè)水果在旋轉(zhuǎn)一周的過程中連續(xù)被采集n 幅圖像，則在連續(xù)采集兩幅圖像的時(shí)間內(nèi)，水果的轉(zhuǎn)角 θ_s=360/n ，而雙錐式滾子相應(yīng)轉(zhuǎn)角為[4]：

θ_g=θ_sR_sav/R_g

根據(jù)式（2）可以計(jì)算出托座上水果翻轉(zhuǎn)一周所需運(yùn)動位移及拍照相機(jī)的視野，為實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2.4 水果下料狀態(tài)

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

3 結(jié)論

1）本研究設(shè)計(jì)的水果輸送托座在應(yīng)用于水果分選機(jī)時(shí)，能夠成功實(shí)現(xiàn)水果重量檢測、下料以及360^° 全方位無死角翻轉(zhuǎn)等多項(xiàng)關(guān)鍵功能，為水果分選工作提供了有力的技術(shù)支持。

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

3）在配合稱重設(shè)備使用時(shí)，水果輸送托座能夠?qū)崿F(xiàn)水果最大稱重精度為 ±1g ，具備較高的稱重準(zhǔn)確性，有助于提升水果分選的質(zhì)量和效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1］毛華先，林美增，莫建燦，等.用于水果分級的輸送翻轉(zhuǎn)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(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].食品科學(xué)，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(shè)備的研究現(xiàn)狀和展望[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2013（2）：9-11.

[4]徐惠榮，應(yīng)義斌，蓋玲.雙錐式滾子水果輸送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（6）：100-103.