一種基於機器視覺的南豐蜜桔大小分級裝置
2024-04-15 21:37:05
1.本實用新型涉及水果分級技術領域，尤其涉及一種基於機器視覺的南豐蜜桔大小分級裝置。
背景技術：
2.我國南豐蜜桔出口難的一個很重要的原因是商品化處理程度不高，尤其是目前我國水果分級狀況主要是以人工分級為主，分級效率低；目前，我國對南豐蜜桔主要通過機械化設備進行分級，針對的是外部指標，即大小和質量的分級，分級效果較差，分級效率較低；機器視覺系統是一種通過機器視覺代替人工目測的一種設備，通過將產品轉換成圖像，並將圖像信號傳遞給圖像處理系統對其進行分析，具有可重複性，有檢測結果準確、檢測效率高的特點，因此可以將機器視覺系統應用在南豐蜜桔自動分級系統中。
3.機器視覺是一門融合了計算機、機械、自動化等技術的綜合技術，在農業、工業、交通等各個領域中均有廣泛應用；在南豐蜜桔商品化的過程中，南豐蜜桔分級包裝、按質論價，在增加南豐蜜桔附加值和銷售收益的同時也對南豐蜜桔分級提出了更高的要求，因此以機器視覺為基礎的無損檢測技術也應運而生；國內機器視覺技術是從上世紀九十年代才開始應用於農業，起步較晚，在線檢測技術不夠成熟；由於機器視覺具有信息量大、速度快的特點，可以一次完成幾種外部品質指標的檢測，適用於自動分級流水線，因此該技術在南豐蜜桔尺寸大小、顏色、缺陷等外部品質的自動檢測上具有非常好的應用前景。但是現有的分級機構，效率不高，對蜜桔的尺寸、顏色、缺陷等需要單獨進行檢測，大大限制了在線檢測技術的應用範圍。
技術實現要素：
4.本實用新型旨在至少克服上述現有技術的缺點與不足其中之一，提供了一種基於機器視覺的南豐蜜桔大小分級裝置。本實用新型目的基於以下技術方案實現：
5.本實用新型提供了一種基於機器視覺的南豐蜜桔大小分級裝置，包括機架、步進均分機構、單列化機構、輪轂運輸機構、攝像暗箱、若干分級機構、電控箱和工控機；
6.所述機架用於依序安裝步進均分機構、單列化機構、輪轂運輸機構、攝像暗箱和若干分級機構；
7.所述步進均分機構包括儲料倉和下料板，所述儲料倉內設有橡膠刷、步進機構、步進皮帶、主動輪和從動輪；所述橡膠刷設於步進皮帶的上方且靠近下料板的一側，所述主動輪和從動輪設於步進皮帶的兩端，所述步進機構用於驅動主動輪，從而帶動步進皮帶運動，最後從下料板下料至單列化機構；
8.所述單列化機構包括螺旋杆、第一電機、導料板和出料口，所述導料板呈一定角度安裝在螺旋杆的上方，用於使南豐蜜桔集中在螺旋杆上部，所述第一電機用於驅動螺旋杆轉動從而帶動南豐蜜桔往出料口運動，最後從出料口下料至輪轂運輸機構；
9.所述輪轂運輸機構包括輪轂、主動鏈輪、從動鏈輪、鏈條、卸料板和第二電機，所述
輪轂設置在鏈條上，所述主動鏈輪、從動鏈輪設置在鏈條兩端，所述主動鏈輪由第二電機驅動轉動從而帶動鏈條和輪轂運動，所述輪轂用於放置南豐蜜桔；
10.所述攝像暗箱設置在輪轂運輸機構的上方，包括固定架，所述固定架上設有蒙皮，所述蒙皮內設有照明光圈和相機，所述蒙皮用於為拍攝遮光，所述相機用於拍攝南豐蜜桔的圖像，所述照明光圈用於為拍攝照明；
11.所述分級機構用於將不同的南豐蜜桔按等級分裝；
12.所述電控箱內設有控制裝置，所述控制裝置與第一電機、第二電機、相機、分級機構和工控機連接，所述工控機用於對控制裝置發出控制指令，所述控制裝置用於接收工控機的控制指令控制第一電機、第二電機、相機和分級機構做出相應的操作。
13.優選地，所述輪轂運輸機構包括分別同軸並行的兩主動鏈輪和兩從動鏈輪，並與兩鏈條組成兩組平行同動的鏈輪組；所述輪轂安裝在兩鏈條之間，與鏈節銷連，且兩個輪轂之間可承載一個南豐蜜桔；優選所述輪轂為「啞鈴狀」結構。
14.優選地，所述儲料倉上還設有高度調節器，所述橡膠刷設置在高度調節器上。
15.優選地，所述單列化機構還包括單列化主動皮帶輪、單列化從動皮帶輪和單列化皮帶，所述單列化主動皮帶輪和單列化從動皮帶輪設置在單列化皮帶的兩端，所述單列化主動皮帶輪與第一電機連接，所述單列化從動皮帶輪與螺旋杆連接。
16.優選地，所述輪轂運輸機構還包括運輸主動皮帶輪、運輸從動皮帶輪和同步皮帶，所述運輸主動皮帶輪和運輸從動皮帶輪設置在同步皮帶的兩端，所述運輸主動皮帶輪與第二電機連接，所述運輸從動皮帶輪與主動鏈輪連接。
17.優選地，所述控制裝置包括pci板卡和i/o模塊，所述i/o模塊與相機、pci板卡連接，所述i/o模塊用於接收pci板卡的信號控制相機攝取圖像。
18.優選地，所述電控箱內還設有變頻器，所述第一電機和第二電機與變頻器連接並通過變頻器控制轉速，從而控制南豐蜜桔的輸送速率。
19.優選地，所述分級機構為氣動分級機構。
20.優選地，所述相機的正下方設有第一光電開關，用於觸發攝像開始信號，所述第一光電開關與控制裝置連接。
21.優選地，所述從動鏈輪的兩側設有第二光電開關，用於監測輪齒通過次數，所述第二光電開關與控制裝置連接。
22.優選地，所述pci板卡還用於接收第一光電開關、第二光電開關的觸發信號，傳輸給i/o模塊和工控機，並發送控制信號給分級機構。
23.本實用新型至少可取得以下有益效果其中之一：
24.步進均分機構對蜜桔間歇性送料，防止蜜桔堆積而影響後續單列化機構的操作；單列化機構通過螺旋杆和導料板配合，將南豐蜜桔排成單列並往前運送；輪轂運輸機構通過鏈條和輪轂配合，每次承載單個蜜桔並將蜜桔運輸至相機下方拍攝圖像。本實用新型通過步進均分機構、單列化機構和輪轂運輸機構將堆放的蜜桔排列成單個，有序進行輸送，並通過攝像暗箱對蜜桔拍攝圖像用於分析蜜桔的直徑，然後根據蜜桔的直徑大小由分級機構分級；結構簡單，使用方便，不需大量人工勞動，工作效率高。並且整個過程可由控制裝置和工控機自動控制，自動化程度高。
25.本實用新型可同時對蜜桔的尺寸、顏色、缺陷等進行檢測，大幅提高工作效率，降
低生產成本。
26.本實用新型可以應用到其他相似水果的分級，例如臍橙、柑橘、車釐子等，具有十分廣闊的應用前景。
附圖說明
27.圖1為本實用新型優選實施例的一種基於機器視覺的南豐蜜桔大小分級裝置的結構示意圖；
28.圖2為本實用新型優選實施例的分級控制系統示意圖；
29.附圖標記說明：1機架，2步進均分機構，3單列化機構，4輪轂運輸機構，5攝像暗箱，6電控箱，7工控機，21儲料倉，22橡膠刷，23高度調節器，24步進機構，25皮帶，26主動輪，27從動輪，28下料板，31螺旋杆，32第一電機，33單列化主動皮帶輪，34單列化從動皮帶輪，35單列化皮帶，36導料板，37下料口，41輪轂，42主動鏈輪，43從動鏈輪，44鏈條，45卸料板，46運輸主動皮帶輪，47運輸從動皮帶輪，48同步皮帶，49第二電機，410託架，5攝影暗箱，51蒙皮，52固定架，53照明光圈，54相機，61i/o模塊，62pci板卡，63第一光電開關，64第二光電開關，65分級機構。
具體實施方式
30.下面將結合本實用新型的實施例中的附圖，對本實用新型的實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
31.本實用新型的優選實施例所使用的儀器信息如下：
32.相機：cognex in-sight micro 1400c，cognex公司，美國；
33.i/o模塊：in-sight cio-micro i/o模塊，cognex公司，美國；
34.pci板卡：pci2312a光電隔離d1/d0卡，北京阿爾泰科技發展有限公司。
35.如圖1～2所示，本實用新型的優選實施例，提供了一種基於機器視覺的南豐蜜桔大小分級裝置，包括機架1、步進均分機構2、單列化機構3、輪轂運輸機構4、攝像暗箱5、若干分級機構65、電控箱6和工控機7，其中：
36.機架1用於依序安裝步進均分機構2、單列化機構3、輪轂運輸機構4、攝像暗箱5和若干分級機構65；
37.步進均分機構2包括儲料倉21和下料板28，儲料倉21內設有橡膠刷22、步進機構24、步進皮帶25、主動輪26和從動輪27；橡膠刷22設於步進皮帶25的上方且靠近下料板28的一側，橡膠刷22起到類似限高的作用、防止水果堆積，主動輪26和從動輪27設於步進皮帶25的兩端，步進機構24用於驅動主動輪26，從而帶動步進皮帶25運動，最後將蜜桔從下料板28下料至單列化機構3，優選步進機構24為氣動步進機構，只用氣缸動作，可實現將物料間歇性推進；步進均分機構2可使蜜桔平鋪，使進料速度更平均一些，方便在單列化機構3中排成單列；
38.單列化機構3包括螺旋杆31、第一電機32、導料板36和出料口37，導料板36呈一定角度安裝在螺旋杆31的上方，用於使南豐蜜桔集中在螺旋杆31上部，第一電機32用於驅動
螺旋杆31轉動從而帶動南豐蜜桔往出料口37運動，最後使蜜桔單個依次從出料口37下料至輪轂運輸機構4；
39.輪轂運輸機構4包括輪轂41、主動鏈輪42、從動鏈輪43、鏈條44、卸料板45和第二電機49，輪轂41設置在鏈條44上，主動鏈輪42、從動鏈輪43設置在鏈條44兩端，主動鏈輪42由第二電機49驅動轉動從而帶動鏈條44和輪轂41運動，輪轂41上放置的南豐蜜桔也歲鏈條運動，實現對南豐蜜桔的運輸；
40.攝像暗箱5設置在輪轂運輸機構4的上方，包括設置在機架1上的固定架52，固定架52上設有蒙皮51，蒙皮51內設有與輪轂41水平設置的照明光圈53和相機54，蒙皮51用於為拍攝遮光、使拍攝不受自然光影響，相機54用於拍攝南豐蜜桔的圖像，照明光圈53用於為拍攝照明；優選蒙皮51在與輪轂運輸機構4相鄰的兩邊開槽，以供南豐蜜桔進出攝像暗箱5；
41.分級機構65用於將不同的南豐蜜桔按等級分裝，優選地分級機構65為氣動分級機構，通過氣閥噴氣將蜜桔從輪轂運輸機構4上衝出進入相應的級別；
42.電控箱6內設有控制裝置，控制裝置與第一電機32、第二電機49、相機54、分級機構65和工控機7連接，工控機7用於對控制裝置發出控制指令，控制裝置用於接收工控機7的控制指令控制第一電機32、第二電機49、相機54和分級機構65做出相應的操作。
43.步進均分機構對蜜桔間歇性送料，防止蜜桔堆積而影響後續單列化機構的操作；單列化機構通過螺旋杆和導料板配合，將南豐蜜桔排成單列並往前運送；輪轂運輸機構通過鏈條和輪轂配合，每次承載單個蜜桔並將蜜桔運輸至相機下方拍攝圖像。本實用新型通過步進均分機構、單列化機構和輪轂運輸機構將堆放的蜜桔排列成單個，有序進行輸送，並通過攝像暗箱對蜜桔拍攝圖像用於分析蜜桔的直徑，然後根據蜜桔的直徑大小由分級機構分級；結構簡單，使用方便，不需大量人工勞動，工作效率高。並且整個過程可由控制裝置和工控機自動控制，自動化程度高。
44.在本實施例中，儲料倉21上還設有高度調節器23，橡膠刷22設置在高度調節器23上，方便根據步進均分機構2的運輸速度對橡膠刷22的高度進行調節，從而對儲料倉21內的水果數量進行調節。
45.在本實施例中，單列化機構3還包括單列化主動皮帶輪33、單列化從動皮帶輪34和單列化皮帶35，單列化主動皮帶輪33和單列化從動皮帶輪34設置在單列化皮帶35的兩端，單列化主動皮帶輪33與第一電機32連接，單列化從動皮帶輪34與螺旋杆31連接。皮帶傳動結構簡單，製造成本低，安裝維護方便；皮帶富有彈性，可以緩和衝擊和振動，因此運轉平穩，運輸效果平穩。優選螺旋杆31使用尼龍螺旋杆，方便輸送蜜桔，且不會對蜜桔造成損傷。
46.在本實施例中，輪轂運輸機構4包括分別同軸並行的兩主動鏈輪42和兩從動鏈輪43，並與兩鏈條44組成兩組平行同動的鏈輪組；輪轂41安裝在兩鏈條44之間，與鏈節銷連，且兩個輪轂41之間形成的凹槽可承載一個南豐蜜桔，當主動鏈輪42轉動帶動鏈條44，安裝在兩鏈條44之間的輪轂41也隨鏈條44運動，以實現對南豐蜜桔的運輸；優選輪轂41為「啞鈴狀」結構，對蜜桔的固定作用較好，不會從鏈條44上落下。
47.其中，輪轂運輸機構4還包括運輸主動皮帶輪46、運輸從動皮帶輪47和同步皮帶48，運輸主動皮帶輪46和運輸從動皮帶輪47設置在同步皮帶48的兩端，運輸主動皮帶輪46與第二電機49連接，運輸從動皮帶輪47與主動鏈輪42連接；皮帶傳動結構簡單，製造成本低，安裝維護方便；皮帶富有彈性，可以緩和衝擊和振動，因此運轉平穩，運輸效果平穩。
48.在本實施例中，控制裝置包括pci板卡61和i/o模塊62，i/o模塊62與相機54、pci板卡61連接，i/o模塊62用於接收pci板卡61的信號控制相機54攝取圖像。
49.其中，電控箱6內還設有變頻器，第一電機32和第二電機49與變頻器連接並通過變頻器控制轉速，從而控制南豐蜜桔的輸送速率。
50.在本實施例中，相機54的正下方設有第一光電開關63，用於觸發攝像開始信號，第一光電開關63與控制裝置連接。從動鏈輪43的兩側設有第二光電開關64，用於監測輪齒通過次數，第二光電開關64與控制裝置連接。
51.pci板卡61還用於接收第一光電開關63、第二光電開關64的觸發信號，傳輸給i/o模塊62和工控機7，並發送控制信號給分級機構65。
52.具體地，分級機構65可以設有兩個，分別分級大果和中果，小果則從輪轂運輸機構4的末端落下、進入相應的級別中。轂運輸機構4中，鏈條44每兩節安裝一個輪轂41，該相機鏡頭焦距為8mm，物距旋至1:1.86附近，根據公式1/u+1/v＝1/f(其中u為物距，v為像距，f為焦距)，得出相機54與輪轂41之間的距離為105mm左右，保證了圖像的清晰度以外，還保證有足夠大的相機視場。
53.分級邏輯為第二光電開關64每記錄一次輪齒通過即鏈條44相對上一次記錄時移動了一個鏈節的距離，而南豐蜜桔由鏈條44上的輪轂41承載，即可以根據經過的輪齒數監測南豐蜜桔在輪轂運輸機構4上的相對位置；兩個氣動分級機構65位置不同，根據記錄的不同齒輪數啟動不同的氣動分級機構65，可以實現對不同大小南豐蜜桔的分類。
54.本實用新型裝置的檢測方法包括以下步驟：
55.1)啟動裝置各部分，此時步進均分機構2、單列化機構3、輪轂運輸機構4正常運行，相機54、工控機7均處於等待觸發信號狀態，第一光電開關63處於等待觸發信號狀態，第二光電開關64處於計數狀態；調整變頻器來控制步進均分機構2、單列化機構3的運輸速率，調整到檢測要求所需要的速度；
56.2)將南豐蜜桔傾倒於步進均分機構2中儲料倉21處，橡膠刷22和皮帶25將儲料箱處的蜜桔排列好並往前運送，從下料板28下料至單列化機構3，蜜桔通過導料板36滾到螺旋杆31處，螺旋杆31與導料板36將南豐蜜桔排成單列並往前運送，從出料口37下料至輪轂運輸機構4；
57.3)輪轂41將南豐蜜桔分離成單個，運輸至攝像暗箱5中的相機54的正下方時，南豐蜜桔觸發第一光電開關63，第一光電開關63將觸發信號發送至i/o模塊62和工控機7，i/o模塊62對相機54發出拍攝信號，相機54接到信號開始拍攝；
58.4)相機54將採集到的圖像傳輸到i/o模塊62，i/o模塊62傳輸到工控機7中進行計算；
59.5)圖像處理過程如下：
60.a.將提前訓練好的顏色庫中南豐蜜桔的顏色範圍區域提取出來，並將輸出圖像二值化；
61.b.噪音過濾，將未能選中的中心缺口填充；
62.c.將二值化的圖片中南豐蜜桔範圍作為斑點提取出來；
63.d.測量斑點中心點到斑點邊緣最大距離；
64.6)結合第二光電開關64記錄下的輪齒數，可知南豐蜜桔在輪轂運輸機構4上經過
的距離，並將該距離信號發送至工控機7，工控機7控制啟動分級機構65實現不同大小南豐蜜桔的分類；具體地，分為以下步驟：
65.a.設第一光電開關63與第一個氣動分級機構65距離a個鏈節，與第二個氣動分級機構65距離b個鏈節；
66.b.單個南豐蜜桔被運輸通過觸發第一光電開關63，第二光電開關64開始記錄輪齒通過次數n；
67.c.工控機7計算南豐蜜桔直徑，判斷其為大果、中果或小果；
68.d.如此果為大果，則當n＝a時啟動第一個氣動分級機構65；如此果為中果，則當n＝b時啟動第二個氣動分級機構65；如此果為小果，則不做響應。
69.通過以上步驟，即可將不同蜜桔進行分級。本實用新型的原理簡單，操作方便，不需大量人工勞動，工作效率高。並且整個過程可由控制裝置和工控機自動控制，自動化程度高。工控機7還可以對蜜桔的顏色和缺陷進行計算，同時對蜜桔的尺寸、顏色、缺陷等進行檢測，大幅提高工作效率，降低生產成本。
70.最後應說明的是：以上僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。