一种利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备及其工作方法与流程

本发明涉及一种椰子自动开孔设备，尤其涉及一种利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备。

背景技术：

椰子为最大的核果之一，呈圆形或椭圆形，主要由椰衣纤维、椰子壳、种皮、椰肉(固体胚乳)和椰子水(液体胚乳)组成。椰子从食用角度主要是椰肉和椰子水两部分，具有很高的营养价值。由于椰肉及椰子水包裹在椰壳内部，椰壳质地坚硬、冷热不易变形，在食用椰肉及椰子水时撬开坚硬的外壳需要专用的工具，而且费时费力。

于是，产生了对快速可靠的、无需人员干预的自动化椰子开孔设备的需求。设备对椰子顶部开直径60mm的孔才能保证对椰汁饮用和椰肉食用的需求。由于椰青体积的多样性，不同季节收获的椰子体积也不尽相同，这就对自动椰子开孔过程中对开孔状态判别的可靠性和准确性提出了很高要求。

现有技术中，还没有能够快速、可靠、准确、无需人员干预地自动进行椰子开孔的设备。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：如何快速、可靠、准确、无需人员干预地自动进行椰子开孔。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备，其特征在于，包括：

用于将椰子抱紧的抱紧爪；

用于驱动抱紧爪抱紧或松开的抱紧电机；

用于对椰子进行开孔的切刀；

用于驱动切刀进给运动的切刀进给装置；

用于驱动切刀旋转的切刀旋转驱动电机；

用于在椰子开孔过程中利用椰青电容特征对开孔状态进行识别的工作状态识别单元；

用于根据工作状态识别单元的信号，控制椰子抱紧电机、切刀进给装置、切刀旋转驱动电机工作的控制单元。

优选地，还包括机身主体，所述抱紧爪、抱紧电机、切刀、切刀进给装置、切刀旋转驱动电机、工作状态识别单元、控制单元均设于机身主体上；抱紧爪连接抱紧电机，切刀设于抱紧爪上方，切刀连接切刀进给装置和切刀旋转驱动电机，工作状态识别单元连接抱紧爪和切刀，控制单元连接椰子抱紧电机、切刀进给装置、切刀旋转驱动电机和工作状态识别单元。

更优选地，所述机身主体、抱紧爪、切刀均为金属导电材料制作。

进一步地，所述抱紧爪采用绝缘连接块与机身主体绝缘；所述切刀与所述机身主体连接且在电气上连通。

优选地，所述抱紧爪钳住椰子的椰青纤维层外皮后，抱紧爪作为电容的一个极板，切刀作为电容的另一个极板，切刀在切刀进给装置的驱动下向下运动，逐渐形成以椰青固有材质为介电特征的电容；所述电容的电容值随着切割过程的进行而发生变化，即切刀电极与椰青不同介质的触及过程反映出不同的电容数值。

更优选地，在切刀进给过程中，以椰青固有材质为介电特征的电容随着切刀进给的进行实现电容值从大到小的变化：当切刀与椰青顶部有间隙时，电容数值无穷大；当切刀接触到椰青纤维层，电容数值为几百微法；当切刀接触到椰青黑皮层及木质硬壳层，电容数值为几十微法；当切刀触及椰青中较软的白色果肉层及椰汁时，电容值小于十微法。

优选地，所述工作状态识别单元包括：

用于检测抱紧爪是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置的抱紧爪张角位置限位开关；

用于检测切刀是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置的切刀初始限位开关；

用于将椰青外壳不同层次材料所体现的电容值转换成电信号，并发送给控制单元的电容传感器信号调理单元。

更优选地，所电容传感器信号调理单元通过导线连接抱紧爪和切刀；所述电容传感器信号调理单元采用多谐振荡器方式，将椰青外壳不同层次材料所体现的电容值通过rc振荡转换成频率信号，送入控制单元测频，控制单元对该频率信号进行运算处理求出被测电容的值，电容值的变化情况反映出椰子的开孔状态和品相。

本发明还提供了上述的利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制单元通过抱紧爪张角位置限位开关检测抱紧爪是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置，若回复至初始位置，则控制单元通过抱紧电机驱动抱紧爪将椰子抱紧，完成电容一块极板的构成；

步骤2：抱紧爪将椰子抱紧后，控制单元通过切刀初始限位开关判断切刀是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置，若回复至初始位置，则控制单元通过切刀进给装置驱动切刀由上往下运动，同时控制单元通过切刀旋转驱动电机驱动切刀同步旋转。

步骤3：在切刀由上往下运动的过程中，控制单元通过电容传感器信号调理单元产生的电信号检测切刀与椰青的接触状态，当检测到切刀(触及椰青中的白色果肉层时，控制单元通过控制切刀进给装置将切刀抬起、通过控制抱紧电机将抱紧爪松开。

优选地，所述步骤3中，当控制单元检测到电容值从切刀为触及椰青的无穷大电容值变化成几百微法时，表示切刀接触到椰青纤维层；当控制单元检测到电容值从几百微法减小到几十微法时，表示切刀接触到椰青的黑皮层及木质硬壳层；当控制单元检测到电容值小于十微法时，表示切刀触及椰青中的白色果肉层。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，可以在不增加外部传感器的基础上，利用椰子自身电容特征和椰子自动开孔设备的固有机械机构完成状态识别传感功能，可以对椰子品相进行状态的评估与预判，可以准确地识别在自动工作过程中的开孔状态，保证了不同品相椰子开孔过程稳定性、准确性、可靠性，提高了设备工作效率和开孔效果。

附图说明

图1为本实施例提供的利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备示意图；

图2为本实施例提供的利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备的原理图；

图3为本实施例提供的利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备的工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本实施例提供的利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备示意图，所述的利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备包括机身主体5，机身主体5上装有用于将椰子抱紧的抱紧爪1、用于驱动抱紧爪1抱紧或松开的抱紧电机6、用于对椰子进行开孔的开孔切割刀片(简称切刀2)、用于驱动切刀2上下进给运动的切刀进给装置3、用于驱动切刀2旋转的切刀旋转驱动电机9、用于控制椰子抱紧电机6、切刀进给装置3、切刀旋转驱动电机9工作的控制单元，以及用于在椰子开孔过程中对开孔状态进行识别的工作状态识别单元。

机身主体5为金属导电材料，用于承载各相关部件。

切刀2为金属导电材料，与机身主体采用紧固螺丝固定，与机身主体在电气上的连接电阻近似0欧姆。在电容的结构上，切刀2作为电容的一块极板。在设备工作流程中，此极板初始位置位于待切椰子的上方，随着切刀进给装置3的向下运动，逐渐形成以椰青固有材质为介电特征的电容。

抱紧爪1为金属导电材料，在机械结构上抱紧爪1采用绝缘连接块4(本实施例中采用绝缘塑料垫片)与机身主体绝缘。在设备工作流程中，待切椰子被抱紧爪1固定，以便于切刀2对其进行旋转开孔切割。抱紧爪1牢牢钳住椰青纤维层外皮后，抱紧爪1作为电容的另一极板。如此完成电容结构的构成。

工作状态识别单元包括：用于检测抱紧爪1是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置的抱紧爪张角位置限位开关7，用于检测切刀2是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置的切刀初始限位开关8，以及用于将椰青外壳不同层次材料所体现的电容值转换成电信号的电容传感器信号调理单元。

抱紧爪张角位置限位开关7设于抱紧爪1一侧，抱紧爪张角位置限位开关7连接控制单元。切刀初始限位开关8设于切刀2一侧，切刀初始限位开关8连接控制单元。

椰子被抱紧的时刻，实现了椰青外壳与抱紧爪1的电气连接，用柔性导线将抱紧爪1电极接入电容传感器信号调理单元中。切刀2作为电容的另一块极板，与金属的机身主体5在电气上连通，用柔性导线将切刀2电极或机身主体5接入电容传感器信号调理单元中。

结合如图2，工作状态识别单元的原理是：

抱紧爪1将椰子抱紧后，切刀2从椰子上方初始位置向下进给同时旋转，在此过程中，切刀2顶端与椰青上部的间隙随着进给运动的进行逐渐缩小及实现与椰子的顶部椰青纤维层、椰青黑皮层、木质硬壳层、白色果肉层及椰汁的接触。因此采用切刀2作为椰青电容特征提取的另外一个电极。切刀2电极与抱紧爪1电极同椰青自身构造中材料的介电特征在开孔的过程中组合成一个可变电容器件，其电容值随着切割过程的进行而发生变化，即切刀2电极与椰青不同介质的触及过程反映出不同的电容数值。配合电容传感器信号调理单元将椰青外壳不同层次材料所体现的电容值转换成电信号送入控制单元，完成对椰子开孔过程中开孔状态的识别。

在切刀2进给运动过程中，椰青电容特征随着进给的进行实现电容值从大到小的变化。当切刀与椰青顶部有一定间隙时，电容无穷大；当切刀接触到椰青纤维层，椰青电容特征开始表现，此时为较大的电容数值；当切刀接触到椰青黑皮层及木质硬壳层，椰青电容特征的电容数值减小；当切刀触及椰青中较软的白色果肉层及椰汁时，椰青电容特征的电容数值减至小其电容特征范围的最小值。

结合图3，上述利用椰青电容特征的椰子自动开孔设备的工作方法包括以下步骤：

步骤1：控制单元通过抱紧爪张角位置限位开关7检测抱紧爪1是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置，若回复至初始位置，则控制单元通过抱紧电机6驱动抱紧爪1将椰子抱紧，完成电容一块极板的构成。

步骤2：抱紧爪1将椰子抱紧后，控制单元通过切刀初始限位开关判断切刀2是否从上一个工作状态回复至预定的初始位置，若回复至初始位置，则控制单元通过切刀进给装置3驱动切刀2由上往下运动，同时控制单元通过切刀旋转驱动电机9驱动切刀2同步旋转。

步骤3：在切刀2由上往下运动的过程中，控制单元通过电容传感器信号调理单元产生的电信号检测切刀2与椰青的接触状态；当控制单元检测到电容值从切刀为触及椰青的无穷大电容值变化成相对较大电容值(几百微法)时，表示切刀2接触到椰青纤维层；当控制单元检测到电容值从较大电容值(几百微法)减小到较小电容值(几十微法)时，表示切刀2接触到椰青的黑皮层及木质硬壳层；当控制单元检测到电容值小于十微法时，表示切刀2触及椰青中较软的白色果肉层；此时，控制单元通过控制切刀进给装置3将切刀2快速抬起、通过控制抱紧电机6将抱紧爪1松开。

本实施例中，椰子自动开孔设备在开孔的每一步进行中同时进行故障监测。在抱紧状态、进给触及椰青状态、切割状态分别对相应的状态进行判断，保证椰子开孔流程的正常实现。

本实施例中，工作状态识别算法通过控制单元对所述电容的变化运算来判别开孔过程的切割状态。利用椰青自身电容特征和椰子开孔装置的固有机械机构完成状态识别传感功能，判断抱紧动作的状态和椰子开口的状态；针对抱紧初始限位信号和切刀初始限位信号的动态变化情况分析及评判椰子开孔设备是否处于正常状态。

本实施例中，电容传感器信号调理单元采用多谐振荡器方式，如555定时器构成的rc振荡电路，将椰青外壳不同层次材料所体现的电容值c通过rc振荡转换成频率信号f，送入控制单元测频，对该频率进行运算处理求出被测电容的值，电容值的变化情况真实的反映出椰子的开孔状态和品相。

控制单元采用arm系列stm32f103rct6作为mcu，控制协调各模块单元运作，并对采集数据进行处理及存储，同时实现与后台设备的通信等。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。