圓明亮琢型寶石分揀計數器的設計與實現

鄧小林，潘明華，韋衡冰，潘家興，石 磊

(1.2.3.4.5.梧州學院，廣西 梧州 543002)

0 引言

梧州被譽為“人工寶石之都”，已成為全國人工寶石原材料、機械設備、加工輔助材料的交易中心，形成了寶石半成品外發、成品收購、寶石機械設備、寶石原料等一條龍的專業市場，是世界上最大的人造寶石加工和貿易集散基地[1-2]。伴隨著寶石產業的快速發展，針對寶石加工的相關設備研發，得到了越來越多的企業和研發人員的重視，開發出了各種寶石加工設備，對促進寶石的加工起到了積極的推進作用。

雖然近幾年針對寶石加工的設備研發取得了長足的進步，但針對寶石分揀、計數的相關工作，目前市面上卻主要由工人在燈光下借用固定板孔的計數板手工計數來完成。由于寶石體積小、多面反光，導致寶石計數困難，其效率和準確率都較低，加上寶石反射的強光對人的眼睛會造成傷害，長期從事此類工作，對眼睛的視力會造成極大的危害。2010年徐慧英[3]研發了一種自動點數器，實現了對大批量顆粒寶石產品進行點數，但在結束點數時，其工作原理主要通過控制振動模塊速度，來避免顆粒產品從振動盤中掉下。由于寶石本身的慣性力，尤其是在大批量快速計數時，由于速度從快到慢的突然轉換，可能導致寶石由于慣性力掉下。筆者在前期[4]研發了一種人工寶石顆粒自動計數機，該機器主要通過料箱內寶石堆落至計數板，通過電機帶動計數板前移，利用刮板將寶石刮入計數板孔中，傳感器通過計算板孔來回運動的數量，達到對寶石計數的目的。由于寶石主要依靠刮板將寶石刮入計數板，在實際應用中還存在當進料箱寶石不足時，料斗內剩余的寶石無法填滿計數板的問題。潘明華[5]等人將圖像處理技術應用到寶石點數機上，通過圖像識別，對進入識別區的分散的人工寶石進行自動識別并進行計數。但寶石掉落到識別區時容易出現寶石堆疊現象。

通過上述分析可知，雖然現在已經有一些關于寶石計數的相關裝置，但還存在著部分關鍵技術問題有待進一步解決。而集寶石分揀與計數于一體的設備，通過前期市場調研，并沒有發現類似的設備或文獻報道。為了進一步提高寶石的計數效率和準確率，減輕寶石從業人員的勞動強度，降低寶石產品的計數成本，研究一款集寶石分揀、計數于一體的全自動化設備來代替人工分揀和計數，具有重要的現實意義。設備的研發成果將會在現有基礎上提高寶石分揀計數的效率和水平，對促進地方產業具有重要的現實意義。

1 總體結構設計

設計的寶石分揀計數裝置主要用來對市面上產銷量大的3mm、4mm、5mm三種不同尺寸的圓明亮琢型寶石進行分揀和計數。這里，首先對圓明亮琢型寶石結構的基本結構和名稱進行簡單介紹，由于不同的專家和學者在對寶石各部分名稱的命名上稍有不同，這里引用參考文獻[6]對寶石的基本結構和各部分名稱進行說明。圖1所示為參考文獻[6]所列的圓明亮琢型寶石的各部分名稱。整個寶石由冠部、腰部和亭部三大部分構成。上面的冠部主要由中央八邊形面的臺面、冠主面、冠主面與臺面之間的8個三角形的星小面以及冠主面與腰部之間的16個上腰小面所構成。中間部分為寶石的腰部，腰部以下為亭部，亭部由16個下腰小面和8個亭主面構成。冠主面與腰圍臺面的夾角稱為冠角，亭主面與腰圍小平面的夾角稱為亭角。上腰小面、下腰小面、星小面與腰圍水平面的夾角分別稱為上腰小面傾角、下腰小面傾角以及星小面傾角。詳細的結構如圖1所示。

圖1 圓明亮琢型寶石結構圖

考慮到設備主要實現分揀和計數兩大功能，這里將整個設備設計成由分揀裝置和計數裝置兩大部分構成。其中，分揀裝置主要用來對混合在一起的不同尺寸大小的人工寶石進行分揀，計數裝置可以實現對分揀出來不同尺寸的寶石分類計數，并通過開發的液晶顯示系統實時顯示。其總體結構如圖2所示。

圖2 分揀計數裝置總體結構圖

注：(1)5mm出料漏斗(2)4mm出料漏斗(3)3mm出料漏斗(4)篩網1(5)篩網2(6)進料料斗(7)彈簧(8)直線振動電機1(9)控制系統(10)顯示系統(11)步進電機(12)3mm收集箱(13)4mm收集箱(14)5mm收集箱(15)出料槽(16)臨時儲存器(17)壓電傳感器(18)直線振動電機2(19)Ⅲ號V型傳送槽(20)Ⅱ號V型傳送槽(21)Ⅰ號V型傳送槽

整個寶石的工作流程主要采用如下方式進行：首先，將不同規格的人工寶石通過進料料斗倒入分揀系統進行分揀。分揀主要通過篩網1和篩網2進行。通過篩網1的篩選，尺寸大于5mm的寶石無法通過篩網，被直線振動電機輸送到I號V型傳送槽。通過篩網1篩選出來的寶石掉入篩網2，利用篩網2再一次進行自動篩選。經過篩網2篩選出來的3mm尺寸的寶石，自動被直線振動電機輸送到III號V型傳送槽，未通過的4mm的寶石被直線振動電機輸送到II號V型傳送槽。進入V型傳送槽的寶石在計數裝置的直線振動電機的帶動下，向前傳送，通過計數系統進行計數。計數主要包括普通的點數和通過控制系統預設數目的定量計數兩種方式。系統默認采用的是普通計數方式，即V型傳送槽的寶石在計數裝置的直線振動電機的帶動下，向前輸送，在落入臨時儲存器過程中，觸碰壓電傳感器進行自動計數，臨時儲存器自動旋轉，將寶石倒入收集箱中，完成普通的點數功能。如果采用的是預設數目的定量計數方式，則落入臨時儲存器的寶石并不會被自動輸送到收集箱中，只有當落入的數目達到預設的數量時，控制系統控制步進電機旋轉臨時儲存器，將達到預設數量的臨時儲存器的寶石倒入收集箱中，實現定量計數的功能。詳細的工作流程圖如圖3所示。

圖3 整機工作流程圖

2 設備工況及工作循環圖

寶石分揀計數器上各工位詳細工況如圖4所示。通過分揀過程①工位對倒進來的混合的三種不同規格的寶石進行全自動分揀。其中，①→②過程為直徑3mm的寶石分揀，①→③為直徑4mm的寶石分揀，①→④為直徑5mm的寶石分揀。分揀后的寶石在V型傳送槽中通過傳送過程⑤傳送到計數裝置。最后，通過計數裝置⑥，采用壓電傳感器對寶石按照設定的方式進行計數，得到想要的寶石數目。

圖4 設備工況示意圖

整個設備運動循環圖如圖5所示。

圖5 整機的運動循環圖

3 詳細結構設計

3.1 分揀裝置結構設計及部件參數

本設計主要研究適用于直徑為3mm、4mm、5mm的圓明亮琢型寶石。分揀裝置詳細結構設計如下頁圖6所示。裝置主要通過設計篩網孔的不同直徑大小來進行分揀工作。裝置主要部件的選用及技術參數如下。

(1)電機

設計采用的振動篩為座式結構，結合設計要求，采用直線振動電機，電機電壓24V，電機轉速4500r/min。

(2)篩網長度與寬度

本設計所采用的圓孔篩網的長度為270mm，圓孔篩網寬度為90mm，寬長比為1∶3。

(3)篩網孔形狀與尺寸

篩分顆粒形狀和用途決定了篩網孔形狀的選擇。設計主要是針對圓明亮琢型寶石，故選用圓形篩孔，尺寸是根據篩選的寶石的規格進行變化。其尺寸應滿足以下要求：

D孔≥D寶石+h

(式1)

這里，

D孔指的是篩網孔的直徑；

D寶石指的是寶石腰部直徑；

h指的是間隙，這里取0.5mm。

(4)振動篩振幅確定

設計選用的是直線振動電機，結合設計情況，選用振幅A=4mm。

(5)振動角β

隨著直線振動電機安裝角度的變化，寶石運動的方向也會跟著改變，一般直線振動電機的安裝角度是與水平方向成45°?？紤]到上述因素，該振動方向角選取β=45°。

圖6 分揀裝置詳細結構設計

3.2 計數裝置結構設計及部件參數

計數裝置包括V型傳送槽、壓電傳感器、臨時儲存器以及收集箱組成。其詳細結構圖如下頁圖7所示。

裝置主要部件的選用及技術參數如下。

(1)電機

結合設計要求，采用直線振動電機，電機電壓24V，電機轉速3100r/min。

(2)送料機構結構及技術參數

V型傳送槽由60°的亞克力板制作而成，通過對電磁鐵接入220V交流電使電磁鐵震動，電磁鐵通過彈簧片帶動直線軌道以及固定在直線軌道上的V型傳送槽運動，使篩分出來的寶石在V型傳送槽上形成一條直線并能連續不斷的向前傳送，使得寶石的運動情況得以合理控制，達到設計的送料要求。根據設計要求，寶石需要直線傳送的距離為152.5mm。

(3)計數機構結構及技術參數

考慮到人工寶石本身的特殊屬性，人工寶石原材料為立方氧化鋯，是一種堅硬、無色及光學上無瑕的結晶，對于普通的電磁感應器都沒有明顯的反應，故選用壓電傳感器對寶石進行感應。壓電傳感器是一款測量振動、撞擊和觸摸的柔性傳感器。當傳感器前后振動，模塊內部的電壓比較器會產生一個電壓，輸出高低電平。該傳感器不僅可以檢測強烈的沖擊，還可以檢測細微的振動，頻率范圍在0.001HZ～1000MHZ的范圍內都有很好的表現。模塊設置了一個靈敏度調節開關，把壓電傳感器靈敏度調節到適合的頻率范圍，通過人工寶石與傳感器的碰撞產生振動，使得傳感器內的電壓發生變化，并且把信號輸送到控制系統，從而得到人工寶石的數量。步進電機與壓電振動傳感器相互反饋，由傳感器計數出來的數目控制步進電機的旋轉，每當計數出到達設定的寶石數目時，步進電機將旋轉90°使得在臨時儲存器里面的寶石下落到出料口。

圖7 計數裝置詳細結構設計

實物樣機如圖8所示，樣機經測試，各項指標達到了設計要求。

圖8 寶石分揀計數裝置樣機

4 控制系統設計

系統軟件實現主要包括LCD串行顯示實現壓電傳感器信號檢測以及步進電機控制。該電路由ULN2003芯片作為驅動芯片，帶動步進電機轉動，外圍引腳OUT1，OUT2，OUT3，OUT4通過電阻RP1至RP4與4個發光二極管相連，指示步進電機的工作狀態，當步進電機正常工作時，其四個燈處于接通狀態，否則步進電機處于停止或故障狀態，其控制信號需從這四個腳輸入。引腳INT1，INT2，INT3，INT4直接相連步進電機的四個腳驅動步進電機。8腳和9腳分別接電源地和+5V至+12V電壓?？刂颇K電路圖如下頁圖9所示。

圖9 步進電機控制模塊原理圖

5 結論

寶石自動分揀計數裝置能在現有基礎上大幅度提高寶石分揀和計數的效率以及準確性，設備的研發對促進寶石分揀計數的效率具有重要的現實意義。研發的寶石分揀計數裝置具有全自動分揀和計數的功能，分揀的寶石為市面上產銷量大的3mm、4mm、5mm三種尺寸的圓明亮琢型寶石。裝置配備了液晶顯示系統，能實時顯示計數寶石的數量，也可通過控制系統設定所需要的寶石數量，實現寶石的“定量計數”功能。值得一提的是，通過改變篩網孔的尺寸大小，也可實現其他不同尺寸寶石的分揀和計數。設備也可推廣應用到其他類似顆粒產品的分揀和計數方面。