帶夾持器冬棗分離設(shè)備的研制

于復(fù)生，李騰飛，殷盛江，孫中國

YU Fu-sheng, LI Teng-fei, YIN Sheng-jiang, SUN Zhong-guo

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，現(xiàn)如今越來越重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化問題，尤其是農(nóng)產(chǎn)品的自動化分揀問題[1～5]。在工業(yè)生產(chǎn)中，自動化分揀已經(jīng)應(yīng)用的相當(dāng)普遍，浙江工業(yè)大學(xué)丁鵬飛等人完成了大功率LED全自動分揀機(jī)的設(shè)計(jì)[6]，張英、李漢軍等人也通過光電池的原理和應(yīng)用研制出了高精度自動化分揀設(shè)備[7,8]。

冬棗是人們秋末冬初最常吃的的一種水果。冬棗的外形特點(diǎn)是圓形，大小差別比較大。冬棗在被摘下樹時，一般采用抽打的方式，將熟的、生的，大的、小的混在一起，這時就需要將熟棗和生棗，大棗和小棗進(jìn)行分開，以便出售時獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)在，一般需要人工將冬棗的大小、生熟區(qū)分開來，勞動強(qiáng)度很大，因此迫切需要一種能夠進(jìn)行自動分揀的設(shè)備。根據(jù)冬棗生長的大小和成熟狀況，本文設(shè)計(jì)的夾持冬棗的夾持器主要是由電磁鐵、連桿、電位器、手指、紅色LED和光電池等組成的。夾持器不但可以區(qū)分出冬棗的大小，而且還能將冬棗的生熟區(qū)分開來。普通夾持器只能夾持固定形狀大小的物體，本文設(shè)計(jì)的帶夾持器的冬棗分離設(shè)備依據(jù)夾持器手指的閉合程度引起的電位器的電阻變化來獲取冬棗的大小，并進(jìn)行分離，依據(jù)手指內(nèi)部安裝的紅色LED和光電池來進(jìn)行冬棗的生熟分離。

1 分離裝置

8組夾持識別器安裝在一個轉(zhuǎn)盤上，每一個夾持識別器（如圖1所示）既能實(shí)現(xiàn)對冬棗的大小分離又能實(shí)現(xiàn)對冬棗的生熟分離。它是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，電磁鐵及連接兩個手指底板的軸固定安裝在底板上，電磁鐵的輸出桿與兩個聯(lián)桿通過軸連接在一起，兩個聯(lián)桿分別通過軸與手指底板的后端部連接在一起，兩個手指各自通過四根導(dǎo)柱和套在導(dǎo)柱上的彈簧連接在手指底板上，電位器固定安裝在一個手指上，電位器的轉(zhuǎn)軸固定連接在另一個手指上，手指上安裝有一塊線路板，線路板上安裝有兩個紅色LED和一個光電池。

圖1 夾持識別器

1.1 夾持識別器的組成及其工作原理

夾持識別器是由底板、電磁鐵、聯(lián)桿、手指底板、電位器、手指、導(dǎo)柱、彈簧、紅色LED、光電池組成的。電磁鐵及連接兩個手指底板的軸固定安裝在底板上，電磁鐵的輸出桿與兩個聯(lián)桿通過軸連接在一起，兩個聯(lián)桿分別通過軸與手指底板的后端部連接在一起，兩個手指各自通過四根導(dǎo)柱和套在導(dǎo)柱上的彈簧連接在手指底板上，電位器固定安裝在一個手指上，電位器的轉(zhuǎn)軸固定連接在另一個手指上，手指上安裝有一塊線路板，線路板上安裝有兩個紅色LED和一個光電池。該器件在工作時，電磁鐵縮回伸出桿，將手指底板收緊，由于彈簧和手指底板上的導(dǎo)孔使手指只能達(dá)到一定的收緊程度而不致擠壞冬棗，此時兩個手指的開口程度可通過電位器的電阻獲知，同時，讀取光電池輸出的電流，可測得紅色LED照射在冬棗表面上的反光，即可獲知冬棗表面的顏色，而冬棗表面的顏色就代表了冬棗的生熟，因而，該器件在夾持的同時即可通過控制檢測電路獲知所夾持的冬棗的生熟和大小。

1.2 夾持識別器的電路組成

圖2 夾持識別器電路圖

如圖2所示，夾持識別器的電路主要由光電管、同相放大器、8051單片機(jī)、滑動變阻器和電磁鐵等組成的，它的基本工作原理是，當(dāng)不同顏色的冬棗被夾持器夾起來以后，根據(jù)夾持器上的手指的開口程度，即冬棗的大小，電位器上的電阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化，電位器上的電阻此時等同于一個滑動變阻器，由此獲得一個電信號，與此同時夾持識別器上的光電管通過不同的光反射來判斷和識別出熟的與生的冬棗，并將其轉(zhuǎn)化成電信號輸送給同相放大器，放大器輸出的電信號與電位器輸出的電信號通過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī)，信號經(jīng)過8051單片機(jī)處理后，單片機(jī)發(fā)出一個控制信號給電磁鐵，電磁鐵在得到電信號后，控制手指的張合，將冬棗夾持到相應(yīng)大小與生熟的棗箱內(nèi)，8組夾持識別器在電機(jī)的帶動下同時工作，共同分揀來自振動盤輸送的冬棗。

2 帶夾持器的冬棗分離設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)

帶夾持器的冬棗分離設(shè)備，它是由振動上料盤、夾持識別器、電機(jī)、控制器、擋板等主要構(gòu)件組成的，其他構(gòu)件被依次安裝在工件上。在進(jìn)行冬棗的分離過程中，設(shè)備的進(jìn)料裝置和分離裝置同時工作，夾持器同時完成冬棗的大小和生熟分離，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 帶夾持器的冬棗分離設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)冬棗的大小和生熟的自動化分揀，需要穩(wěn)定可靠的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的帶夾持器的冬棗分離設(shè)備是由振動上料盤、夾持識別器、轉(zhuǎn)盤、棗箱、電機(jī)、電機(jī)支架、小槽輪、大槽輪、底座、立柱、控制器、擋板組成的。

整個機(jī)械系統(tǒng)的安裝過程如下：振動上料盤、底座、棗箱都放置在地面上，電機(jī)支架安裝在底座上，電機(jī)安裝在電機(jī)支架上，間歇機(jī)構(gòu)的小槽輪與電機(jī)安裝在一起，大槽輪與轉(zhuǎn)盤安裝在一起，套裝在立柱上，8組夾持識別器安裝在轉(zhuǎn)盤的上面，控制器安裝在轉(zhuǎn)盤的上部中央位置，擋板安裝在轉(zhuǎn)盤上方，與夾持識別器間隔安裝，小槽輪與大槽輪構(gòu)成間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。

3 分離裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

分揀裝置的控制指令來自于單片機(jī)，單片機(jī)接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和電位器傳輸過來的電壓值。當(dāng)來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓值≥3V時，此時冬棗別判斷為熟棗，反之，冬棗被判定為生棗；來自電位器傳輸?shù)碾妷褐当粍澐譃槿齻€變化范圍，依次為1～2V，2～3V，≥3V，單片機(jī)根據(jù)這些電壓值的取值范圍來判斷冬棗的大小，同時向電磁鐵發(fā)出指令，控制夾持手指將冬棗安放到相對應(yīng)的棗箱內(nèi)。完成一個處理過程后，再次接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器和電位器的數(shù)據(jù)，對下一個冬棗進(jìn)行處理。具體控制方式如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)

4 設(shè)備的工作原理

帶夾持器冬棗分離設(shè)備的工作原理是：冬棗分離前，首先人工將冬棗傾倒在振動上料盤內(nèi)，給電動機(jī)接通電源后，振動盤開始工作，將盤內(nèi)的冬棗源源不斷的輸送到轉(zhuǎn)盤上，此時轉(zhuǎn)盤上的8組夾持識別器隨著圓盤的轉(zhuǎn)動依次抓取冬棗，抓取完成后隨即進(jìn)行冬棗的大小與生熟的判斷，當(dāng)夾持識別器完成冬棗的大小與生熟的判斷后，按照單片機(jī)發(fā)出的指令將冬棗放入到相對應(yīng)的盛棗箱內(nèi)，最終完成冬棗的大小與生熟的分離。

5 主要技術(shù)參數(shù)

帶夾持器冬棗分離設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)包括：電動機(jī)的功率、電磁鐵的拉力、電磁鐵的使用壽命、光電管的功率、工作溫度范圍等，其性能參數(shù)如下：

電動機(jī)的功率：1000W；

電磁鐵的拉力：10N；

電磁鐵的使用壽命：1000000次；

光電管的功率：75mW；

工作溫度范圍：-20℃～80℃；

夾持器平均夾持速度：10個/分鐘。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的帶夾持器冬棗分離設(shè)備主要是由振動上料盤、夾持識別器、電機(jī)、控制器、擋板等主要構(gòu)件組成的，采用步進(jìn)電機(jī)作為動力源，在電機(jī)的帶動下，振動盤把冬棗輸送到圓盤上，隨著圓盤的轉(zhuǎn)動，8組夾持識別器不斷夾取圓盤上的冬棗，通過安裝在夾持識別器上的光電池和電位器完成冬棗的生熟和大小的識別后，夾持識別器將冬棗放入到圓盤下相對應(yīng)的盛棗箱內(nèi)，隨即完成了冬棗的生熟和大小的分離。帶夾持器冬棗分離設(shè)備充分運(yùn)用光電識別技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)完成了整個機(jī)械系統(tǒng)的自動化分揀，在應(yīng)用方面，該設(shè)備具有操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)，能夠大量減少人的勞動強(qiáng)度，大大提高了自動化水平。經(jīng)初步預(yù)算，帶夾持器冬棗分離設(shè)備能夠完全滿足試驗(yàn)機(jī)的要求，且大大提高了工作效率，在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程中有很大的實(shí)用性，有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

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