一种穗状水果的自动检测与分级装备的制作方法

本实用新型涉及农产品在线无损自动检测与分级技术，尤其涉及一种穗状水果的自动检测与分级装备。

背景技术：

穗状水果如葡萄、樱桃、山楂等在我国种植总面积大、产量高，价格便宜，营养价值高，深受普通老百姓的喜爱。然而，市场上这些水果参与国际市场的比例很低，出口量少，且价格明显低于发达国家。导致我国竞销能力差的原因有很多，包括水果生产、加工、贮藏、流通和销售等环节的一系列问题，其中最主要的是水果采后商品化处理程度低。发达国家的经验告诉我们，水果产值的大部分是由其产后处理和加工创造出来的，所以水果的产后加工成为提高其市场竞争力的关键。

目前，国内市场上绝大多数的在线无损分级装置都是用来检测近球状的单个果实，如苹果、梨和西红柿等，而对于葡萄、樱桃和山楂等穗状水果的在线无损的自动分级技术和分选设备仍处于研究阶段。《一种穗状水果分级装置（CN201220247652.1）》公开了一种穗状水果的分级流水线，利用机器视觉技术对穗状水果进行分级。该分级装置存在分级指标单一、操作不便的特点，其只能对水果表面特征进行检测分级，水果上料不方便，且对水果果梗损伤较大。《基于机器视觉的红提葡萄自动分级装置及其方法（CN201210171976.6）》公开了一种红提葡萄自动分级装置，该分级装置所研究的对象处于静态条件下，不能实现自动化操作，难以满足市场要求。《基于机器视觉的整箱红提葡萄果粒大小分级装置及其方法（CN201510607956.2）》公开了一种整箱红提葡萄果粒大小分级装置，其研究对象全都摆放在箱子内，水果果粒堆叠容易造成拍照误差，结构不合理，很难大力推广。

上述穗状水果的检测分级，要么功能单一、操作不便，要么对水果损伤大、自动化程度低，尚未发现结构合理、操作简单、能同时检测穗状水果内外部品质的检测分级装备。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种结构合理、操作简单和效率高的穗状水果的自动检测与分级装备。

本实用新型的目的是这样实现的：

通过机器视觉和光谱技术对穗状水果进行图像检测和光谱数据收集，对水果的外部品质和内部品质综合判断分级，从而克服分级指标少、功能单一的特点；设计的一种夹持机构保证了悬挂式输送水果上料方便，易于操作，运输稳定；设计的分拣装置加快了分级的速度，避免过多的人力资源消耗，提高了分级效率。

具体地说：

一、穗状水果的自动检测与分级装备（简称装备）

本装备包括输送装置、数据采集装置、分级控制系统、分级踢出装置和分拣装置；

在输送装置一侧设置有数据采集装置，在输送装置的另一侧设置有分级踢出装置，在分级踢出装置的下方设置有分拣装置；

输送装置、数据采集装置、分级控制系统、分级踢出装置和分拣装置依次连接。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①夹持机构保证了悬挂式输送水果上料方便，易于操作，运输稳定；

②利用机器视觉和光谱技术对穗状水果进行图像检测和光谱数据收集，对水果的外部品质和内部品质综合判断分级，从而克服分级指标少、功能单一的特点；

③自动踢出装置能实现水果的自动分级，不会损伤柔软果实的水果；

④分拣装置加快了分级的速度，避免过多的人力资源消耗，提高了分级效率。

附图说明

图1为本装备的结构方框图；

图2为本装备的结构示意图（立体）；

图3为本装备的结构示意图（主视）；

图4为夹持机构的结构示意图；

图5为数据采集装置和分级控制系统的结构示意图；

图6为分级踢出装置的结构示意图；

图7为分拣装置的结构示意图。

其中：

000—穗状水果；

100—输送装置，

101—机架，102—脚座，103—环形工字钢导轨，104—滑轮，105—第1轴承座，

106—牵引链条，107—第1主动链轮，108—链轮长轴，109—第2轴承座，

110—U型版，111—联轴器，112—电机板，113—立式电机，114—第1从动链轮，

115—伸出勾，

116—水果夹持机构

1161—横杆头，1162—限位弹簧，1163—第1摆杆，1164—复位把手，

1165—复位弹簧，1166—第2摆杆，1167—滑道，1168—第1销轴，

1169—第2销轴。

200—数据采集装置，

210—图像采集装置，

2101—第1光电传感器，2102—工业相机，2103—环形荧光灯，

2104—第1密闭光室

220—光谱采集装置，

2201—卤素灯，2202—光谱仪，2203—第1密闭光室，2204—第2光电传感器

300—分级控制系统，

310—电脑，320—PLC控制器，330—串口线。

400—分级踢出装置，

410—固定支架，420—继电器，430—推拉式电磁铁，440—推杆。

500—分拣装置，

501—驱动电机，502—第1三角轴承座，503—第2主动链轮，504—驱动电机轴，

505—链条，506—第2三角轴承座，507—第2从动链轮，508—固定机架，

509—连接板，510—第1滚筒短轴，511—第3三角轴承座，512—轴承座垫板，

514—从动滚筒，515—立式轴承座，516—皮带，517—滚筒长轴，518—主动滚筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

一、装备

1、总体

如图1，本装备包括输送装置100、数据采集装置200、分级控制系统300、分级踢出装置400和分拣装置500；

在输送装置100一侧设置有数据采集装置200，在输送装置100的另一侧设置有分级踢出装置400，在分级踢出装置400的下方设置有分拣装置500；

输送装置100、数据采集装置200、分级控制系统300、分级踢出装置400和分拣装置500依次连接。

2、功能装置

1）输送装置100

如图1、2、3，输送装置100包括机架101、脚座102、环形工字钢导轨103、滑轮104、第1轴承座105、牵引链条106、第1主动链轮107、链轮长轴108、第2轴承座109、U型版110、联轴器111、电机板112、立式电机113、第1从动链轮114、伸出勾115、水果夹持机构116；

其位置和连接关系是：

在长方形机架101的底部安装有脚座102，在机架101顶部的下端面用螺栓悬挂有环形工字钢导轨103，滑轮104设置于环形工字钢导轨103上，牵引链条106的上端和滑轮104连接，牵引链条106的下端和伸出勾115连接，伸出勾115的下端悬挂有水果夹持机构116；

在机架101的左下方设置有电机板112，在电机板112上设置有立式电机113，链轮长轴108的上、下端分别通过第1轴承座105和第2轴承座109与设置于机架101左上方的U型板110连接；

立式电机113、联轴器111、链轮长轴108和第1主动链轮107依次连接，第1主动链轮107和牵引链条106的左端啮合，牵引链条106的右端和第1从动链轮114啮合；

如图4，所述的水果夹持机构116包括横杆头1161、限位弹簧1162、第1摆杆1163、复位把手1164、复位弹簧1165、第2摆杆1166、滑道1167、第1销轴1168和第2销轴1169；

其位置和连接关系是：

横杆头1161其上设置有挂钩和左右通孔，在左右通孔通过第2销轴1169分别悬挂第1摆杆1163和第2摆杆1166，在第1摆杆1163和第2摆杆1166之间连接有限位弹簧1162，在第1摆杆1163的下部的左侧设置有滑道1167，在第2摆杆1166的下部设置有第1销轴1168，复位把手1164安装于第1销轴1168上，在第2摆杆1166的上部设置有复位弹簧1165，第2摆杆1166的上侧面紧贴复位弹簧1165，第2摆杆1166的下侧面紧贴滑道1167；在第1摆杆1163和第2摆杆1166下端之间夹持有穗状水果000。

其工作机理是：

立式电动机113提供整个输送装置100的动力，其带动第1主动链轮107和第1从动链轮114旋转，与之啮合的牵引链条106带动滑轮104沿着环形工字钢导轨103运动；牵引链条106下方的伸出勾115悬挂的水果夹持机构116也沿着环形工字钢导轨103运动。

当要夹持穗状水果000时，把其果梗放在第1摆杆1163和第2摆杆1166之间，用手向内捏两摆杆，由于复位弹簧1165有向下的推力，复位把手1164的下端会与滑道1167上的某一个棘齿产生自锁，水果果梗即被两摆杆牢牢夹住；若要取下穗状水果000，拨动复位把手1164的上端就可解除自锁状态，两摆杆受限位弹簧1162向外的推力被分开，水果就可以立马被取下来了；此夹持机构操作方便，原理简单，只需要一只手既可以操作，能够让操作人员实现快速、准确地上料和下料，自锁带来的夹持力足以夹住水果果梗，且具有弹性的夹持部分也不会损坏水果果梗。

2）数据采集装置200

如图1、5，数据采集装置200包括图像采集装置210和光谱采集装置220；

所述的图像采集装置210包括第1光电传感器2101、工业相机2102、环形荧光灯2103和第1密闭光室2104；第1密闭光室2104是一个矩形盒，其顶面中间有切槽，顶端的右侧面上设有圆孔，底端的两侧面设有圆孔；第1光电传感器2101安装在靠近顶端的圆孔内，对准水果夹持机构116的横杆头1161；工业相机2102安装在底端的圆孔内，对准穗状水果000，环形荧光灯2103设置于工业相机2102上，紧贴第1密闭光室2104的内侧面；

所述的光谱采集装置220包括卤素灯2201、光谱仪2202、第2密闭光室2203和第2光电传感器2204；第2密闭光室2203是一个矩形盒，其顶面中间有切槽，顶端的右侧面上设有圆孔，底端的两侧面设有圆孔；第2光电传感器2204安装在靠近顶端的圆孔内，对准水果夹持机构116的横杆头1161；在第2密闭光室2203底端左右侧的圆孔内分别安装有卤素灯2201和光谱仪2202，都对准穗状水果000；

工业相机2102、第1光电传感器2101、第2光电传感器2204和光谱仪2202分别与分级控制系统300连接。

其工作机理是：

在数据采集装置200中，当水果夹持机构116接近传感器时，第1光电传感器2101和第2光电传感器2204即被触发，产生的信号促发分级控制系统300控制工业相机2102和光谱仪2202收集穗状水果000的数据信息。

3）分级控制系统300

如图5，分级控制系统300包括电脑310、PLC控制器320和串口线330；

（1）电脑310

电脑310的硬件配置是CPU、Inter Core i5-3210、2.50GHz处理器、RAM（8G）、windows64位系统；

（2）PLC控制器320

是一种通用外购件，如选用型号为西门子CPU226 S7-200CN；

其功能是接收触发信号，并将信号发送至电脑310

（3）串口线330

是一种通用外购件；

其功能是将电脑310的分级信号传输给PLC控制器320。

其工作机理是：

由数据采集装置200收集到的穗状水果000的数据信息通过数据线传输给电脑310，通过电脑310中的图像处理软件和光谱分析软件对其进行处理分级，得到的分级信号通过串口线330传输给PLC控制器320，PLC控制器320发出信号控制继电器420的通断电。

4）分级踢出装置400

如图1、3、6，分级踢出装置400包括固定支架410、继电器420、推拉式电磁铁430和推杆440；

其位置和连接关系是：

在机架101的上前端面设置有固定支架410，在固定支架410上设置有推拉式电磁铁430，在推拉式电磁铁430的上部设置有继电器420，在推拉式电磁铁430前端安装有推杆440，推杆440对准水果夹持机构116的横杆头1161。

*所述的继电器420是一种通用件；

其功能是控制推拉式电磁铁430的通断电。

*所述的推拉式电磁铁430是一种通用件，能自动伸缩。

*所述的推杆440是一种通用的叉杆。

其工作机理是：

当分级信号从PLC控制器320传来时，其中一个推拉式电磁铁430中的继电器420闭合通电，使其完成自动伸缩动作，由推杆440推动水果夹持机构116，使水果夹持机构116从牵引链条106下方的伸出勾115中踢出。

5）分拣装置500

如图7，分拣装置500包括驱动电机501、第1三角轴承座502、第2主动链轮503、驱动电机轴504、链条505、第2三角轴承座506、第2从动链轮507、固定机架508、连接板509、第1滚筒短轴510、第3三角轴承座511、轴承座垫板512（8个）、第2滚筒短轴513、从动滚筒514、立式轴承座515（7个）、皮带516、滚筒长轴517和主动滚筒518；

其位置和连接关系是：

在固定机架508的上端面设置有轴承座垫板512，在轴承座垫板512上安装有立式轴承座515；

在固定机架508的侧面设置有连接板509，在连接板509的前中后位置都设有一个圆形孔，分别固定有第1三角轴承座502、第2三角轴承座506和第3三角轴承座511；在连接板509前端的左侧安装有驱动电机501，驱动电机轴504通过前端的第1三角轴承座502与第2主动链轮507相连，第2主动链轮507通过链条505和第2从动链轮507相连，滚筒长轴517右侧通过连接板509中间的第2三角轴承座506与第2从动链轮507连接，滚筒长轴517左侧固定在立式轴承座515上，滚筒长轴517与主动滚筒518连接；第1滚筒短轴510的右端通过连接板509后端的第3三角轴承座511固定在连接板509上，第1滚筒短轴510的左端固定在立式轴承座515上，第2滚筒短轴513与从动滚筒514相连；

皮带516包裹从动滚筒514和主动滚筒518组成皮带传动机构，相邻两皮带传动机构之间有一定间隙，构成分级通道。

其工作机理是：

驱动电机轴504穿过连接板509带动第2主动链轮503旋转，与之啮合的链条505带动第2从动链轮507运动；与第2从动链轮507配合的滚筒长轴517为主动滚筒518提供动力来源，从而带动整个皮带传动机构的运动；皮带传动机构两侧的轴承座垫板512间设置有足够的间隙，形成分级通道；当悬挂有水果的夹持机构116掉落到分级通道时，夹持机构的横杆头1161的底部与相邻两皮带都有接触，水果夹持机构116在皮带输送机上上平稳运输，工作人员即可完成水果的分拣工作。

二、使用方法

①由水果种植园经验丰富的工人师傅采摘一种品质各异的穗状水果000（内、外部品质不一样）若干；

②将采摘后的穗状水果000的果梗夹在水果夹持机构116上，然后人工将其挂在牵引链条106下端的伸出勾115上，在立式电机113的驱动下，与第1主动链轮107和第1从动链轮114啮合的牵引链条106带动挂有水果的夹持机构116沿着环形工字钢环形导轨103运输，立式电机113能控制整个运输的速度；

③当穗状水果000进入图像采集装置210中，水果夹持机构116接近第1光电传感器2101，第1光电传感器2101产生的信号控制工业相机2101拍摄穗状水果000的图片，两侧相机拍摄所得的图片经数据线传输给电脑310，并由电脑310对水果外观品质进行检测与分级；

④当穗状水果000进入光谱采集装置220中，水果夹持机构116接近第2光电传感器2204，第2光电传感器2204即被促发，在卤素灯2201的透射下，光谱仪2202接受控制信号，收集穗状水果000的光谱数据，光谱数据经数据线传给电脑310，并由电脑310对水果进行内部品质检测与分级；

⑤经过③、④步骤后，水果的内外部品质完成分级，随即到达分级踢出装置400，PLC控制器320传出的控制信号控制电磁铁430中的继电器420闭合通电，使其完成自动伸缩动作，由推杆440推动水果夹持机构116，使水果夹持机构116从牵引链条106下方的伸出勾115中踢出，从而完成穗状水果124的自动分级。

⑥经过⑤步骤后，夹有穗状水果000的水果夹持机构116掉落到分拣装置500，在皮带516上稳定运输，操作工人即可完成水果的分拣工作。