基于机器视觉和PLC控制的水果分拣与大小分级包装系统的制作方法

本实用新型属于农业机械技术领域，具体涉及基于机器视觉和plc控制的水果分拣与大小分级及包装系统。

背景技术：

苹果是一种很常见的水果，而我国是世界上最大的苹果生产国和消费国。但国内水果价格低、卖果难问题经常出现，使得水果生产快速发展的势头受到抑制。苹果参与国际市场竞争的比例更低，只占世界总量的1.29%，且价格比国外水果低40%—70%。通过调查发现：水果售价中的很大一部分都来源于产后商品化处理。苹果的产后处理主要包括清洗、表面缺陷分类、大小分级、包装与保鲜等环节。目前我国苹果在国内市场与在国际市场上所遇到的问题，主要原因都在于产后处理环节的自动化设备缺失。在我国，苹果表面缺陷检测、大小分级和包装等环节主要是由人工完成，浪费大量人力资源，而速度与精度却比较低，无法满足市场需求。

随着自动控制技术发展，发达国家如德国、美国等对水果分级包装自动化方面进行了很深的研究，并研制了诸多与本国生产需求配套的各种自动化设备。随着我国农业生产体系的完善，水果产后处理系统的发展具有广阔的市场前景，而且具有极大的社会效益。

技术实现要素：

针对水果产后处理环节的自动化设备缺失问题，本实用新型提出了基于机器视觉和plc控制的水果分拣与大小分级包装系统，为苹果等类型的水果的产后处理打造了一个视觉缺陷检测分级包装系统，通过plc实现了机械化水果缺陷识别，流水化大小分级自动装箱，优化了产后商品化处理流程，提升了水果的市场竞争力。

为解决以上技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

基于机器视觉和plc控制的水果分拣与大小分级及包装系统，包括上位机、视觉检测单元、下位机、视觉筛选处理单元、大小分级单元和若干个包装单元，所述视觉检测单元的摄像头与上位机电连接，上位机负责视觉分析识别摄像头采集到的图形并对所得的图像进行处理，以便获得水果的颜色、大小、缺陷信息，输出结果后传输到下位机；摄像头与视觉检测单元的滚动件相配合，滚动件上的水果滚动时，便于摄像头多方位采集水果的外观信息并将图像上传到上位机；所述下位机与上位机电连接，且下位机与视觉筛选处理单元的执行组件电连接，下位机根据上位机的输出结果控制执行组件的动作，进而筛选出色泽与外观不符合要求的水果；下位机与视觉检测单元的上料结构电连接，以控制上料结构的开启；下位机和包装单元电连接以控制包装单元的启动；所述上料结构的前部设有滚动件，滚动件的前部设有执行组件，执行组件的前部设有大小分级单元，上料结构的前部与滚动件、执行组件的后部处于同一水平面上，以确保水果的传送，执行组件的前部与大小分级单元处于同一水平面上，以便于水果的传输；所述大小分级单元的存储区与包装单元对应连接，大小分级单元负责对筛选后的水果进行大小分级，包装单元负责对分级后的水果进行分别包装，每个存储区对应于一个包装单元以对同样大小的水果进行包装。

所述视觉检测单元还包括机架、若干个隔板、上料架、光电开关i、上料结构和第一电机，所述第一电机与下位机电连接，且第一电机的转子与滚动件固定连接，第一电机驱动滚动件旋转，滚动件上的水果随滚动件的旋转而转动；所述滚动件活动设置在上料架的前部，滚动件的前部位于执行组件的后部，摄像头对滚动件上的水果拍照后，滚动件同步将水果传送至执行组件，滚动件的上部与执行组件的后部位于同一水平面内，以便于滚动件上传输的水果传输到执行组件；所述上料结构设置在上料架的后部，且上料结构位于滚动件的后部，滚动件的上部与上料结构的前部位于同一水平面内，以便于上料结构上传输的水果传输到滚动件上；所述上料架上固定设有机架；所述机架设置在滚动件的上部，且机架的下部间隔固定设有隔板，每两个相邻的隔板间即形成一个水果的传输通道，隔板的下部与滚动件之间设有缝隙，以减少滚动件滚动时滚动件与隔板之间的摩擦；所述摄像头固定设置在机架上，且摄像头与传输通道对应设置；所述光电开关i固定设置在机架上，光电开关i与摄像头对应设置，且光电开关i与下位机电连接，以检测传输通道中水果的到达状况。

所述上料结构包括第二电机和传送带，所述传送带通过转轴与上料架活动连接，且传送带的上部与滚动件相对应，以便于传送带上的水果传送到滚动件；所述转轴活动设置在上料架内，转轴位于传送带两端的内侧，且转轴与第二电机的转子固定连接，第二电机驱动转轴旋转，转轴旋转进而带动传送带转动以对水果进行传输；所述第二电机与下位机电连接；所述传送带倾斜设置，且传送带上固定设有水平挡板，以防止水果落下。

所述执行组件包括筛选挡板和水果传输架，所述水果传输架设置在滚动件的前部，且水果传输架位于大小分级单元的后部，滚动件的上部与水果传输架的后部在同一水平面内，水果传输架的前部与大小分级单元位于同一水平面内，以便于相互之间的水果传输；水果传输架的上部为斜面，斜面的上部与上料架固定连接，斜面的下部与大小分级单元固定连接，且水果传输架上固定设有隔离板，每两个相邻的隔离板形成一个筛选通道，筛选通道与传输通道对应设置；所述筛选通道上均匀设有筛选孔；所述筛选挡板活动设置在筛选孔内，筛选挡板的大小与筛选孔的大小一致，且筛选挡板的下部通过电磁推杆的活动端固定连接；所述电磁推杆与下位机电连接，下位机根据接收到的上位机的输出结果控制电磁推杆的动作，缺陷果时，电磁推杆开启推动筛选挡板移动，缺陷果从筛选孔中落下；好果时，电磁推杆不动，水果沿水果传输架继续前移。

所述大小分级单元包括支撑架、至少两组分级结构和至少两个存储区，所述分级结构活动设置在支撑架上，且分级结构与下位机相连接；每组分级结构的内部均匀设有间隙，同一分级结构内的间隙大小相同，不同的分级结构间的间隙不同，且间隙较小的分级结构设置在间隙较大的分级结构的后部，以便于水果从分级结构上通过时，尺寸小的水果先落入存储区，尺寸大的水果最后落入对应的存储区；所述存储区对应设置在分级结构的下部，且存储区的底部为倾斜面i。

所述分级结构包括第三电机、若干皮带和若干滚轴，所述滚轴活动设置支撑架上，且滚轴与第三电机连接，第三电机驱动滚轴转动，滚轴进而驱动皮带绕滚轴转动；所述第三电机与外部电源连接，且第三电机与下位机电连接；所述皮带均匀间隔缠绕在邻近的两个滚轴上，每两个相邻的皮带间设有间隙，同一个分级结构内的皮带之间的间隙大小相同，以便于相同大小的水果落入同一存储区。

所述包装单元包括分流挡板、单孔传送带、推板、传输带、光电开关ii和包装架，所述分流挡板对称倾斜设置在包装架的后部，分流挡板的一侧与包装架固定连接，对称设置的两个分流挡板的另一侧之间设有空隙；所述单孔传送带设置在分流挡板部，且单孔传送带与包装架的上部活动连接；所述单孔传送带上设有放置孔，放置孔与空隙相对设置，且放置孔的尺寸小于水果的尺寸；所述光电开关ii设置在单孔传送带的尾部，且光电开关ii与下位机电连接，光电开关ii固定在包装架上；所述包装架的靠近分流挡板的一侧与大小分级单元的存储区相连接，且包装架的上部为倾斜面ii，包装架的下部活动设有传输带；所述传输带与单孔传送带垂直设置，传输带设置在单孔传送带的下部，传输带通过传动件与包装架的下部活动连接，且传输带的两侧对称设有推板；所述传动件对称设置在传输带的两侧；所述推板通过驱动件与包装架活动连接，且推板、传输带与单孔传送带相配合；所述驱动件的活动端与推板固定连接，驱动件的固定端与包装架固定连接；所述驱动件与下位机电连接。

优选地，所述驱动件为电动推杆。所述传动件包括第五电机与转动轴，所述第五电机与下位机电连接；所述转动轴与活动设置在包装架内，转动轴位于包装架的下部，且转动轴与第五电机的转子固定连接。

本实用新型的有益效果：

1.处理方式自动化：由于现有的人工处理速度较慢，且工人工作受时间限制，导致工作效率相对较低，而使用本实用新型由于机器不限制工作时间，且包装速度较快，提高了工作效率。

2.工作效率高：本实用新型可同时对多排苹果进行流水线式包装，效率大幅提高，一台设备可同时代替多人进行工作，且不会出现人工包装随时间增加而导致的效率变低以及规格不统一的问题。

3.灵活性强：本实用新型可拓展应用到与苹果相似类型的多种水果上，例如：梨子、橘子等，具有宽广的应用市场、较高的市场价值和潜在价值。

4.经济效益高：本实用新型极大地减少了人力资源浪费，降低了人工识别误差率，提高了果农经济投入及水果产值效益，通过提高水果表面缺陷检测水平及大小分级，提升了产品的市场竞争力。

5.安全可靠：整台设备操作简单，只需工作人员通过触摸屏控制设备的启停，设备自动统计包装苹果数以及装箱数，缺果时进行提醒，且发生故障时自动报警，并自动切断电源或者也可通过操作人员按下急停按钮，安全性能高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的工作流程图。

图2为本实用新型的控制原理框图。

图3为本实用新型的结构示意图。

图4为本实用新型的俯视图。

图中，1为上料架，2为滚动件，3为传送带，4为筛选挡板，5为水果传输架，6为筛选孔，7为支撑架，8为存储区，9为皮带，10为滚轴，11为分流挡板，12为单孔传送带，13为推板，14为传输带，15为包装箱，16为包装架，17为隔板，18为机架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

基于机器视觉和plc控制的水果分拣与大小分级包装系统，包括上位机、视觉检测单元、下位机、视觉筛选处理单元、大小分级单元和若干个包装单元，所述视觉检测单元的摄像头与上位机电连接，上位机负责视觉分析通过运行算法识别摄像头采集到的图形，再由c#调用halcon算法对所得的图像进行处理，以便获得水果的颜色、大小、缺陷信息对水果进行外伤检测，输出结果后传输到下位机；摄像头与视觉检测单元的滚动件2相配合，滚动件2上的水果滚动时，便于摄像头多方位采集水果的外观信息并将图像上传到上位机；如图2所示，所述下位机与上位机电连接，且下位机与视觉筛选处理单元的执行组件电连接，下位机根据上位机的输出结果控制执行组件的动作，进而筛选出色泽与外观不符合要求的水果；下位机与视觉检测单元的上料结构电连接，以控制上料结构的开启；下位机和包装单元电连接，以控制包装单元的启动；所述上料结构的前部设有滚动件2，滚动件2的前部设有执行组件，执行组件的前部设有大小分级单元，上料结构的前部与滚动件2、执行组件的后部处于同一水平面上，以确保水果的传送，执行组件的前部与大小分级单元处于同一水平面上，以便于水果的传输；所述大小分级单元的存储区8与包装单元对应连接，大小分级单元负责对筛选后的水果进行大小分级，包装单元负责对分级后的水果进行分别包装，每个存储区8对应于一个包装单元以对同样大小的水果进行包装。

如图3所示，所述视觉检测单元还包括机架18、若干个隔板17、上料架1、光电开关i、上料结构和第一电机，所述第一电机与下位机电连接，以通过下位机控制第一电机的开启，且第一电机与外部电源连接；第一电机的转子与滚动件2固定连接，第一电机驱动滚动件2旋转；所述滚动件2活动设置在上料架1的前部，且滚动件2位于执行组件的后部，摄像头对滚动件2上的水果拍照后，滚动件2同步将水果传送至执行组件，滚动件2的上部与执行组件的后部位于同一水平面内，以便于滚动件2上传输的水果传输到执行组件；所述上料结构设置在上料架1的后部，且上料结构位于滚动件2的后部，滚动件2的上部与上料结构的前部位于同一水平面内，以便于上料结构上传输的水果传输到滚动件2上；所述上料架1上固定设有机架18；所述机架18位于滚动件2的上部，且机架18的下部间隔固定设有隔板17，每两个相邻的隔板17间即形成为一个传输通道，每个传输通道单次只允许一个水果通过，具体使用时可根据需求调整设置隔板17之间的距离，以对水果进行分流；隔板17的下部与滚动件2之间设有缝隙，以减少滚动件2滚动时滚动件2与隔板17之间的摩擦；所述摄像头固定设置在机架18上，且摄像头与传输通道对应设置，以便于每个摄像头分别对对应传输通道中的苹果进行拍照；所述光电开关i固定设置在机架18上，光电开关i与摄像头对应设置，一个传输通道对应于一个摄像头和一个光电开关i；光电开关i与下位机电连接，以检测传输通道中水果的到达状况，当光电开关i检测到水果到达时，发送信号给到下位机，下位机发送信号开启相应的摄像头，以对对应的传输通道中的水果进行拍照。本实施例中，所述滚动件2为滚筒，水果在滚筒上传动的同时会随之转动，方便摄像头进行全方位视角采集水果外观信息，使输出结果更精确。本实施例中，隔板17的数量为4个，因此传输通道的数量为3个，摄像头的数量也为3个分别用于对3个传输通道中的水果进行拍照。

为了使摄像头拍出来的图片更加清晰，机架18上还固定设有无影灯，所述无影灯与下位机电连接，以控制无影灯的开启，摄像头开始拍照时同步开启无影灯。所述无影灯与摄像头靠近，且无影灯与摄像头对应设置。

所述上料结构包括第二电机和传送带3，所述传送带3通过转轴与上料架1活动连接，且传送带3的上部与滚动件2相对应，，以便于传送带3上的水果传送到滚动件2；所述转轴活动设置在上料架1内，转轴位于传送带3两端的内侧，且转轴与第二电机的转子固定连接，第二电机驱动转轴旋转，转轴旋转进而带动传送带3转动以对水果进行传输；所述第二电机与下位机电连接以通过下位机控制第二电机的开启，且第二电机与外部电源连接；所述传送带3倾斜设置，且传送带3上固定设有水平挡板，以防止水果落下。

所述执行组件包括筛选挡板4和水果传输架5，所述水果传输架5设置在滚动件2的前部，且水果传输架5位于大小分级单元的后部，滚动件2的上部与水果传输架5的后部在同一水平面内，水果传输架5的前部与大小分级单元位于同一水平面内，以便于相互之间的水果传输；水果传输架5的上部为斜面，斜面与滚动件2相对应，便于水果经过时可以自动滚下，斜面的上部与上料架1固定连接，斜面的下部与大小分级单元固定连接，且水果传输架5上固定设有隔离板，每两个相邻的隔离板形成一个筛选通道，筛选通道与传输通道对应设置，筛选通道中同样单次只允许一个水果通过；所述筛选通道上均匀设有筛选孔6；所述筛选孔6分别设置在每个筛选通道中，以便于筛选挡板4打开时只有一个缺陷果落下；所述筛选挡板4活动设置在筛选孔6内，筛选挡板4的大小与筛选孔6的大小一致，且筛选挡板4的下部与电磁推杆的活动端固定连接；所述电磁推杆与下位机连接，下位机根据接收到的上位机的输出结果控制电磁推杆的动作，缺陷果时，电磁推杆开启推动筛选挡板4移动，缺陷果从筛选孔6中落下；非缺陷果时，电磁推杆不动，水果沿水果传输架5继续滚入大小分级单元。本实施例中，所述筛选孔6的数量为3个，3个筛选孔并排设置在水果传输架5上，且每个筛选通道中设有一个筛选孔6。

所述大小分级单元包括支撑架7、至少两组分级结构和至少两个存储区8，所述分级结构活动设置在支撑架7上，且分级结构与下位机相连接；每组分级结构的内部均匀设有间隙，同一分级结构内的间隙大小相同，不同的分级结构间的间隙不同，且间隙较小的分级结构设置在间隙较大的分级结构的后部，以便于水果从分级结构上通过时，尺寸小的水果先落入存储区8，尺寸大的水果最后落入对应的存储区8，且大小相同的水果落入同一存储区8内；所述存储区8对应设置在分级结构的下部，便于水果从分级结构的间隙中落下时直接落入对应的存储区8中；存储区8的底部为倾斜面i，以便于水果从间隙中落下时，自动滑入包装单元。

所述分级结构包括第三电机、若干皮带9和若干滚轴10，所述滚轴10活动设置支撑架7上，且滚轴10与第三电机的转子固定连接；所述第三电机与外部电源连接，且第三电机与下位机电连接，第三电机驱动滚轴10转动，滚轴10进而驱动皮带9绕滚轴10转动，第三电机接收下位机的开启信息启动；所述皮带9均匀间隔缠绕在邻近的两个滚轴10上，每两个相邻的皮带间设有间隙，同一个分级结构内的皮带9间的间隙大小相同，以便于相同大小的水果落入同一存储区8。本实施例中，所述分级结构为3个，分别为大中小三级。具体使用本实用新型时，可以根据需求设置分级结构的数量，还可以通过调节同一分级结构内皮带9之间的间隙来调整对应存储区8内所存储水果的大小区间。

所述分级结构还包括变频器，变频器与第三电机电连接以控制第三电机的运行速度，进而控制水果的分级速度；变频器还与下位机电连接，当下位机接收到传送带3上有水果的信号时，提升第三电机的转速，若传送带3上无水果时即降低第三电机的转速。

如图4所示，所述包装单元包括分流挡板11、单孔传送带12、推板13、传输带14、光电开关ii和包装架16，所述分流挡板11对称倾斜设置在包装架16的后部，分流挡板11的一侧与包装架16固定连接，对称设置的两个分流挡板11的另一侧之间设有空隙，所述空隙只允许一个水果通过，分流挡板11起到了将水果再次分流的作用；所述单孔传送带12设置在分流挡板11的前部，且单孔传送带12通过滚动轴与包装架16的上部活动连接；所述滚动轴活动设置在包装架16上，且滚动轴与第四电机连接；所述第四电机与外部电源连接，且第四电机与下位机电连接，第四电机接收到下位机的开始信息启动；所述单孔传送带12上设有放置孔，放置孔用于放置单个水果，放置孔与空隙相对设置，以便于水果从分流挡板11中分流后直接进入放置孔，且放置孔的尺寸小于水果的尺寸以避免水果从放置孔中落下；所述光电开关ii设置在单孔传送带12的尾部，且光电开关ii与下位机电连接，光电开关ii用于检测单孔传送带12的尾部是否有放置水果，以便于光电开关ii接收信号并传输信息给到下位机。

所述包装架16的靠近分流挡板11的一侧与存储区8相连接，且包装架16的上部为倾斜面ii，以便于水果从存储区8滚下后，直接进入分流挡板11分流，包装架16的下部活动设有传输带14；所述传输带14与单孔传送带12垂直设置，传输带14设置在单孔传送带12的下部，传输带14通过传动件与包装架16的下部活动连接，且传输带14的两侧对称设有推板13；所述传动件对称设置在传输带14的两侧；使用本实用新型时，将包装箱15放置在传输带14上，且包装箱15位于对称设置的两个推板13之间，传输带14转动时同步带动包装箱15的运动实现了包装箱15的纵向运动，推板13的推动方向与单孔传送带12的方向一致，实现了包装箱15的横向运动，包装箱15的上部与单孔传送带12的尾部相对，便于水果从单孔传送带12上落下时直接落入包装箱15中；所述推板13通过电动推杆与包装架16活动连接，所述电动推杆的活动端与推板固定连接，电动推杆的固定端与包装架16固定连接；所述电动推杆与下位机电连接，电动推杆接收到下位机信息，推动推板13运动，推板13将包装箱15推入到单孔传送带12的尾部；推板13、传输带14与单孔传送带12相配合，下位机收到光电开关ii的信号时，开启电动推杆，电动推杆将包装箱15移至单孔传送带12的尾部，放置孔上的水果即落入包装箱15中对应的水果放置位中，光电开关ii检测到下个水果到达时，光电开关ii再次发送信号给到下位机，下位机开启电动推杆或者启动第四电机移动包装箱15以使下一个水果落入其它的水果放置位，如此反复，装箱过程中光电开关ii每检测到水果到达时发送信号到下位机，下位机对触发次数进行累加，待触发次数与下位机中预设的每箱水果的包装量一致时，包装部分停止工作，下位机发送信号给电动推杆使推板13将完成盛满后的包装箱15推至传输带14的中央，然后松开推板13，传输带14将苹果移出单孔传送带12下方的包装区域，与下位机相连接的语音装置报警，通知工作人员补充新的包装箱15，若设定时间内未补充包装箱，本实用新型停止工作，防止水果在存储区8堆积。

所述包装单元还包括限位开关，所述限位开关与下位机电连接，用于检测包装箱15是否到达指定的包装区，若包装箱15到达包装区限位开关发送信号给到下位机，下位机正常启动其它单元，若包装箱15未到达包装区，下位机发送信号即停止单孔传送带12的运动；限位开关设置在单孔传送带12的下部，限位开关固定在包装架16的下部。

所述传动件包括第五电机与转动轴，所述第五电机与下位机电连接；所述转动轴与活动设置在包装架内，转动轴位于包装架的下部，且转动轴与第五电机的转子固定连接。

本实用新型以halcon中有关视觉处理的算子为核心，主要分为c#、halcon、plc程序三个部分，并结合dvp12se系列plc实现机械化水果缺陷识别，视觉检测单元通过摄像头与上位机连接，摄像头拍摄的图像传送至上位机处理，上位机根据图像信息分析出水果的外观信息并将此信息传输至视觉筛选处理单元，由视觉筛选处理单元将外观损坏或腐烂的苹果分拣出并留下外观完好的，分级功能再根据设置将水果按照大小区分开来。

本实施例中，上位机为pc机，下位机为台达dvp12seplc，摄像头为工业检测摄像头。

如图1所示，本实用新型将现有的人工处理方式升级为系统自动处理，实现了自动化与智能化的高效结合，减少了人力资源浪费，缩短了从收获到上市的时间，同时根据市场需求将水果分成不同的价位，在提高经济效益的同时更能满足不同的市场需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。