一种基于机器视觉的南丰蜜桔大小分级装置

1.本实用新型涉及水果分级技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的南丰蜜桔大小分级装置。


背景技术：

2.我国南丰蜜桔出口难的一个很重要的原因是商品化处理程度不高，尤其是目前我国水果分级状况主要是以人工分级为主，分级效率低；目前，我国对南丰蜜桔主要通过机械化设备进行分级，针对的是外部指标，即大小和质量的分级，分级效果较差，分级效率较低；机器视觉系统是一种通过机器视觉代替人工目测的一种设备，通过将产品转换成图像，并将图像信号传递给图像处理系统对其进行分析，具有可重复性，有检测结果准确、检测效率高的特点，因此可以将机器视觉系统应用在南丰蜜桔自动分级系统中。
3.机器视觉是一门融合了计算机、机械、自动化等技术的综合技术，在农业、工业、交通等各个领域中均有广泛应用；在南丰蜜桔商品化的过程中，南丰蜜桔分级包装、按质论价，在增加南丰蜜桔附加值和销售收益的同时也对南丰蜜桔分级提出了更高的要求，因此以机器视觉为基础的无损检测技术也应运而生；国内机器视觉技术是从上世纪九十年代才开始应用于农业，起步较晚，在线检测技术不够成熟；由于机器视觉具有信息量大、速度快的特点，可以一次完成几种外部品质指标的检测，适用于自动分级流水线，因此该技术在南丰蜜桔尺寸大小、颜色、缺陷等外部品质的自动检测上具有非常好的应用前景。但是现有的分级机构，效率不高，对蜜桔的尺寸、颜色、缺陷等需要单独进行检测，大大限制了在线检测技术的应用范围。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少克服上述现有技术的缺点与不足其中之一，提供了一种基于机器视觉的南丰蜜桔大小分级装置。本实用新型目的基于以下技术方案实现：
5.本实用新型提供了一种基于机器视觉的南丰蜜桔大小分级装置，包括机架、步进均分机构、单列化机构、轮毂运输机构、摄像暗箱、若干分级机构、电控箱和工控机；
6.所述机架用于依序安装步进均分机构、单列化机构、轮毂运输机构、摄像暗箱和若干分级机构；
7.所述步进均分机构包括储料仓和下料板，所述储料仓内设有橡胶刷、步进机构、步进皮带、主动轮和从动轮；所述橡胶刷设于步进皮带的上方且靠近下料板的一侧，所述主动轮和从动轮设于步进皮带的两端，所述步进机构用于驱动主动轮，从而带动步进皮带运动，最后从下料板下料至单列化机构；
8.所述单列化机构包括螺旋杆、第一电机、导料板和出料口，所述导料板呈一定角度安装在螺旋杆的上方，用于使南丰蜜桔集中在螺旋杆上部，所述第一电机用于驱动螺旋杆转动从而带动南丰蜜桔往出料口运动，最后从出料口下料至轮毂运输机构；
9.所述轮毂运输机构包括轮毂、主动链轮、从动链轮、链条、卸料板和第二电机，所述
轮毂设置在链条上，所述主动链轮、从动链轮设置在链条两端，所述主动链轮由第二电机驱动转动从而带动链条和轮毂运动，所述轮毂用于放置南丰蜜桔；
10.所述摄像暗箱设置在轮毂运输机构的上方，包括固定架，所述固定架上设有蒙皮，所述蒙皮内设有照明光圈和相机，所述蒙皮用于为拍摄遮光，所述相机用于拍摄南丰蜜桔的图像，所述照明光圈用于为拍摄照明；
11.所述分级机构用于将不同的南丰蜜桔按等级分装；
12.所述电控箱内设有控制装置，所述控制装置与第一电机、第二电机、相机、分级机构和工控机连接，所述工控机用于对控制装置发出控制指令，所述控制装置用于接收工控机的控制指令控制第一电机、第二电机、相机和分级机构做出相应的操作。
13.优选地，所述轮毂运输机构包括分别同轴并行的两主动链轮和两从动链轮，并与两链条组成两组平行同动的链轮组；所述轮毂安装在两链条之间，与链节销连，且两个轮毂之间可承载一个南丰蜜桔；优选所述轮毂为“哑铃状”结构。
14.优选地，所述储料仓上还设有高度调节器，所述橡胶刷设置在高度调节器上。
15.优选地，所述单列化机构还包括单列化主动皮带轮、单列化从动皮带轮和单列化皮带，所述单列化主动皮带轮和单列化从动皮带轮设置在单列化皮带的两端，所述单列化主动皮带轮与第一电机连接，所述单列化从动皮带轮与螺旋杆连接。
16.优选地，所述轮毂运输机构还包括运输主动皮带轮、运输从动皮带轮和同步皮带，所述运输主动皮带轮和运输从动皮带轮设置在同步皮带的两端，所述运输主动皮带轮与第二电机连接，所述运输从动皮带轮与主动链轮连接。
17.优选地，所述控制装置包括pci板卡和i/o模块，所述i/o模块与相机、pci板卡连接，所述i/o模块用于接收pci板卡的信号控制相机摄取图像。
18.优选地，所述电控箱内还设有变频器，所述第一电机和第二电机与变频器连接并通过变频器控制转速，从而控制南丰蜜桔的输送速率。
19.优选地，所述分级机构为气动分级机构。
20.优选地，所述相机的正下方设有第一光电开关，用于触发摄像开始信号，所述第一光电开关与控制装置连接。
21.优选地，所述从动链轮的两侧设有第二光电开关，用于监测轮齿通过次数，所述第二光电开关与控制装置连接。
22.优选地，所述pci板卡还用于接收第一光电开关、第二光电开关的触发信号，传输给i/o模块和工控机，并发送控制信号给分级机构。
23.本实用新型至少可取得以下有益效果其中之一：
24.步进均分机构对蜜桔间歇性送料，防止蜜桔堆积而影响后续单列化机构的操作；单列化机构通过螺旋杆和导料板配合，将南丰蜜桔排成单列并往前运送；轮毂运输机构通过链条和轮毂配合，每次承载单个蜜桔并将蜜桔运输至相机下方拍摄图像。本实用新型通过步进均分机构、单列化机构和轮毂运输机构将堆放的蜜桔排列成单个，有序进行输送，并通过摄像暗箱对蜜桔拍摄图像用于分析蜜桔的直径，然后根据蜜桔的直径大小由分级机构分级；结构简单，使用方便，不需大量人工劳动，工作效率高。并且整个过程可由控制装置和工控机自动控制，自动化程度高。
25.本实用新型可同时对蜜桔的尺寸、颜色、缺陷等进行检测，大幅提高工作效率，降
低生产成本。
26.本实用新型可以应用到其他相似水果的分级，例如脐橙、柑橘、车厘子等，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
27.图1为本实用新型优选实施例的一种基于机器视觉的南丰蜜桔大小分级装置的结构示意图；
28.图2为本实用新型优选实施例的分级控制系统示意图；
29.附图标记说明：1机架，2步进均分机构，3单列化机构，4轮毂运输机构，5摄像暗箱，6电控箱，7工控机，21储料仓，22橡胶刷，23高度调节器，24步进机构，25皮带，26主动轮，27从动轮，28下料板，31螺旋杆，32第一电机，33单列化主动皮带轮，34单列化从动皮带轮，35单列化皮带，36导料板，37下料口，41轮毂，42主动链轮，43从动链轮，44链条，45卸料板，46运输主动皮带轮，47运输从动皮带轮，48同步皮带，49第二电机，410托架，5摄影暗箱，51蒙皮，52固定架，53照明光圈，54相机，61i/o模块，62pci板卡，63第一光电开关，64第二光电开关，65分级机构。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型的实施例中的附图，对本实用新型的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做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。
31.本实用新型的优选实施例所使用的仪器信息如下：
32.相机：cognex in-sight micro 1400c，cognex公司，美国；
33.i/o模块：in-sight cio-micro i/o模块，cognex公司，美国；
34.pci板卡：pci2312a光电隔离d1/d0卡，北京阿尔泰科技发展有限公司。
35.如图1～2所示，本实用新型的优选实施例，提供了一种基于机器视觉的南丰蜜桔大小分级装置，包括机架1、步进均分机构2、单列化机构3、轮毂运输机构4、摄像暗箱5、若干分级机构65、电控箱6和工控机7，其中：
36.机架1用于依序安装步进均分机构2、单列化机构3、轮毂运输机构4、摄像暗箱5和若干分级机构65；
37.步进均分机构2包括储料仓21和下料板28，储料仓21内设有橡胶刷22、步进机构24、步进皮带25、主动轮26和从动轮27；橡胶刷22设于步进皮带25的上方且靠近下料板28的一侧，橡胶刷22起到类似限高的作用、防止水果堆积，主动轮26和从动轮27设于步进皮带25的两端，步进机构24用于驱动主动轮26，从而带动步进皮带25运动，最后将蜜桔从下料板28下料至单列化机构3，优选步进机构24为气动步进机构，只用气缸动作，可实现将物料间歇性推进；步进均分机构2可使蜜桔平铺，使进料速度更平均一些，方便在单列化机构3中排成单列；
38.单列化机构3包括螺旋杆31、第一电机32、导料板36和出料口37，导料板36呈一定角度安装在螺旋杆31的上方，用于使南丰蜜桔集中在螺旋杆31上部，第一电机32用于驱动
螺旋杆31转动从而带动南丰蜜桔往出料口37运动，最后使蜜桔单个依次从出料口37下料至轮毂运输机构4；
39.轮毂运输机构4包括轮毂41、主动链轮42、从动链轮43、链条44、卸料板45和第二电机49，轮毂41设置在链条44上，主动链轮42、从动链轮43设置在链条44两端，主动链轮42由第二电机49驱动转动从而带动链条44和轮毂41运动，轮毂41上放置的南丰蜜桔也岁链条运动，实现对南丰蜜桔的运输；
40.摄像暗箱5设置在轮毂运输机构4的上方，包括设置在机架1上的固定架52，固定架52上设有蒙皮51，蒙皮51内设有与轮毂41水平设置的照明光圈53和相机54，蒙皮51用于为拍摄遮光、使拍摄不受自然光影响，相机54用于拍摄南丰蜜桔的图像，照明光圈53用于为拍摄照明；优选蒙皮51在与轮毂运输机构4相邻的两边开槽，以供南丰蜜桔进出摄像暗箱5；
41.分级机构65用于将不同的南丰蜜桔按等级分装，优选地分级机构65为气动分级机构，通过气阀喷气将蜜桔从轮毂运输机构4上冲出进入相应的级别；
42.电控箱6内设有控制装置，控制装置与第一电机32、第二电机49、相机54、分级机构65和工控机7连接，工控机7用于对控制装置发出控制指令，控制装置用于接收工控机7的控制指令控制第一电机32、第二电机49、相机54和分级机构65做出相应的操作。
43.步进均分机构对蜜桔间歇性送料，防止蜜桔堆积而影响后续单列化机构的操作；单列化机构通过螺旋杆和导料板配合，将南丰蜜桔排成单列并往前运送；轮毂运输机构通过链条和轮毂配合，每次承载单个蜜桔并将蜜桔运输至相机下方拍摄图像。本实用新型通过步进均分机构、单列化机构和轮毂运输机构将堆放的蜜桔排列成单个，有序进行输送，并通过摄像暗箱对蜜桔拍摄图像用于分析蜜桔的直径，然后根据蜜桔的直径大小由分级机构分级；结构简单，使用方便，不需大量人工劳动，工作效率高。并且整个过程可由控制装置和工控机自动控制，自动化程度高。
44.在本实施例中，储料仓21上还设有高度调节器23，橡胶刷22设置在高度调节器23上，方便根据步进均分机构2的运输速度对橡胶刷22的高度进行调节，从而对储料仓21内的水果数量进行调节。
45.在本实施例中，单列化机构3还包括单列化主动皮带轮33、单列化从动皮带轮34和单列化皮带35，单列化主动皮带轮33和单列化从动皮带轮34设置在单列化皮带35的两端，单列化主动皮带轮33与第一电机32连接，单列化从动皮带轮34与螺旋杆31连接。皮带传动结构简单，制造成本低，安装维护方便；皮带富有弹性，可以缓和冲击和振动，因此运转平稳，运输效果平稳。优选螺旋杆31使用尼龙螺旋杆，方便输送蜜桔，且不会对蜜桔造成损伤。
46.在本实施例中，轮毂运输机构4包括分别同轴并行的两主动链轮42和两从动链轮43，并与两链条44组成两组平行同动的链轮组；轮毂41安装在两链条44之间，与链节销连，且两个轮毂41之间形成的凹槽可承载一个南丰蜜桔，当主动链轮42转动带动链条44，安装在两链条44之间的轮毂41也随链条44运动，以实现对南丰蜜桔的运输；优选轮毂41为“哑铃状”结构，对蜜桔的固定作用较好，不会从链条44上落下。
47.其中，轮毂运输机构4还包括运输主动皮带轮46、运输从动皮带轮47和同步皮带48，运输主动皮带轮46和运输从动皮带轮47设置在同步皮带48的两端，运输主动皮带轮46与第二电机49连接，运输从动皮带轮47与主动链轮42连接；皮带传动结构简单，制造成本低，安装维护方便；皮带富有弹性，可以缓和冲击和振动，因此运转平稳，运输效果平稳。
48.在本实施例中，控制装置包括pci板卡61和i/o模块62，i/o模块62与相机54、pci板卡61连接，i/o模块62用于接收pci板卡61的信号控制相机54摄取图像。
49.其中，电控箱6内还设有变频器，第一电机32和第二电机49与变频器连接并通过变频器控制转速，从而控制南丰蜜桔的输送速率。
50.在本实施例中，相机54的正下方设有第一光电开关63，用于触发摄像开始信号，第一光电开关63与控制装置连接。从动链轮43的两侧设有第二光电开关64，用于监测轮齿通过次数，第二光电开关64与控制装置连接。
51.pci板卡61还用于接收第一光电开关63、第二光电开关64的触发信号，传输给i/o模块62和工控机7，并发送控制信号给分级机构65。
52.具体地，分级机构65可以设有两个，分别分级大果和中果，小果则从轮毂运输机构4的末端落下、进入相应的级别中。毂运输机构4中，链条44每两节安装一个轮毂41，该相机镜头焦距为8mm，物距旋至1:1.86附近，根据公式1/u+1/v＝1/f(其中u为物距，v为像距，f为焦距)，得出相机54与轮毂41之间的距离为105mm左右，保证了图像的清晰度以外，还保证有足够大的相机视场。
53.分级逻辑为第二光电开关64每记录一次轮齿通过即链条44相对上一次记录时移动了一个链节的距离，而南丰蜜桔由链条44上的轮毂41承载，即可以根据经过的轮齿数监测南丰蜜桔在轮毂运输机构4上的相对位置；两个气动分级机构65位置不同，根据记录的不同齿轮数启动不同的气动分级机构65，可以实现对不同大小南丰蜜桔的分类。
54.本实用新型装置的检测方法包括以下步骤：
55.1)启动装置各部分，此时步进均分机构2、单列化机构3、轮毂运输机构4正常运行，相机54、工控机7均处于等待触发信号状态，第一光电开关63处于等待触发信号状态，第二光电开关64处于计数状态；调整变频器来控制步进均分机构2、单列化机构3的运输速率，调整到检测要求所需要的速度；
56.2)将南丰蜜桔倾倒于步进均分机构2中储料仓21处，橡胶刷22和皮带25将储料箱处的蜜桔排列好并往前运送，从下料板28下料至单列化机构3，蜜桔通过导料板36滚到螺旋杆31处，螺旋杆31与导料板36将南丰蜜桔排成单列并往前运送，从出料口37下料至轮毂运输机构4；
57.3)轮毂41将南丰蜜桔分离成单个，运输至摄像暗箱5中的相机54的正下方时，南丰蜜桔触发第一光电开关63，第一光电开关63将触发信号发送至i/o模块62和工控机7，i/o模块62对相机54发出拍摄信号，相机54接到信号开始拍摄；
58.4)相机54将采集到的图像传输到i/o模块62，i/o模块62传输到工控机7中进行计算；
59.5)图像处理过程如下：
60.a.将提前训练好的颜色库中南丰蜜桔的颜色范围区域提取出来，并将输出图像二值化；
61.b.噪音过滤，将未能选中的中心缺口填充；
62.c.将二值化的图片中南丰蜜桔范围作为斑点提取出来；
63.d.测量斑点中心点到斑点边缘最大距离；
64.6)结合第二光电开关64记录下的轮齿数，可知南丰蜜桔在轮毂运输机构4上经过
的距离，并将该距离信号发送至工控机7，工控机7控制启动分级机构65实现不同大小南丰蜜桔的分类；具体地，分为以下步骤：
65.a.设第一光电开关63与第一个气动分级机构65距离a个链节，与第二个气动分级机构65距离b个链节；
66.b.单个南丰蜜桔被运输通过触发第一光电开关63，第二光电开关64开始记录轮齿通过次数n；
67.c.工控机7计算南丰蜜桔直径，判断其为大果、中果或小果；
68.d.如此果为大果，则当n＝a时启动第一个气动分级机构65；如此果为中果，则当n＝b时启动第二个气动分级机构65；如此果为小果，则不做响应。
69.通过以上步骤，即可将不同蜜桔进行分级。本实用新型的原理简单，操作方便，不需大量人工劳动，工作效率高。并且整个过程可由控制装置和工控机自动控制，自动化程度高。工控机7还可以对蜜桔的颜色和缺陷进行计算，同时对蜜桔的尺寸、颜色、缺陷等进行检测，大幅提高工作效率，降低生产成本。
70.最后应说明的是：以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。