制造企業(yè)車間垃圾自動(dòng)分類裝置的設(shè)計(jì)*

□ 張理安 □ 張宇宸 □ 馮 凱 □ 黃文玉 □ 徐智敏 □ 褚楊楊 □ 袁鴻斌

杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 杭州 310018

1 設(shè)計(jì)背景

實(shí)施垃圾分類是推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。我國越來越重視垃圾分類工作,出臺(tái)了一系列法律法規(guī),明確垃圾分類的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1- 2]。國內(nèi)外研究者對(duì)垃圾分類開展了研究,利用機(jī)器視覺技術(shù)[3-6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]、語音識(shí)別技術(shù)[8]、物聯(lián)傳感技術(shù)[9-10]等新興技術(shù),以智能化、自動(dòng)化方式實(shí)現(xiàn)垃圾分類。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),智能垃圾分類工作目前主要集中于城市生活垃圾領(lǐng)域,對(duì)于制造企業(yè)車間垃圾分類的研究則很少。

在制造企業(yè)車間,會(huì)產(chǎn)生大量加工余料,在這些余料中,不可避免地混雜了瓶子、紙團(tuán)等雜物,使余料回收利用工作較為煩瑣。我國逐步進(jìn)入智能制造的新時(shí)代,制造企業(yè)車間垃圾和雜物的智能回收是智慧工廠中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),筆者對(duì)此設(shè)計(jì)了一款制造企業(yè)車間垃圾自動(dòng)分類裝置,用于提高制造企業(yè)垃圾處理的自動(dòng)化水平。

2 結(jié)構(gòu)

與生活垃圾有較大不同,制造企業(yè)車間垃圾一般分為三類:① 加工余料;② 螺釘、螺母等細(xì)小配件;③ 紙團(tuán)、碎布等雜物。根據(jù)制造企業(yè)車間垃圾集中投放量大、形式相對(duì)固定、體積差異較大、油污較重等特點(diǎn),垃圾自動(dòng)分類裝置擬采用機(jī)械分流機(jī)構(gòu)按照體積大小進(jìn)行粗分,對(duì)粗分后的垃圾利用機(jī)器視覺進(jìn)行檢測(cè),由此提高垃圾分類效率。

垃圾自動(dòng)分類裝置由投料口、回流輸送裝置、回流桶、螺旋分類裝置、不同口徑分類桶、壓縮裝置、識(shí)別裝置、垃圾投放裝置等組成,三維模型如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示,執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖3所示。

▲圖1 垃圾自動(dòng)分類裝置三維模型▲圖2 垃圾自動(dòng)分類裝置結(jié)構(gòu)▲圖3 垃圾自動(dòng)分類裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3 螺旋分類裝置

垃圾從投料口投入后,被螺旋葉片帶動(dòng)向左上方輸送。垃圾輸出通道自左上向右下口徑逐漸減小,能對(duì)不同尺寸的垃圾進(jìn)行篩分。根據(jù)車間實(shí)際情況,尺寸較大的往往是紙團(tuán)、碎布、易拉罐等可壓縮生活雜物,因此在尺寸最大的垃圾輸出通道的中部設(shè)置壓縮裝置。

4 識(shí)別裝置與回流輸送裝置

在每個(gè)垃圾輸出通道的末端設(shè)置識(shí)別裝置,通過識(shí)別裝置進(jìn)行垃圾分類確認(rèn)。若垃圾分類正確,則垃圾投放裝置將垃圾移動(dòng)至存儲(chǔ)滑道,滑至垃圾箱中。若垃圾分類錯(cuò)誤,則垃圾投放裝置將垃圾推送至傾斜的回流滑道,使垃圾在重力作用下進(jìn)入回流輸送裝置,經(jīng)回流桶側(cè)面出口落入投料口,再次進(jìn)行分類。

5 傾斜布置方案

為提高垃圾分類準(zhǔn)確性,防止小尺寸物料落入大尺寸垃圾輸出通道,螺旋分類裝置和回流滑道均采用傾斜布置方案。制造企業(yè)車間不可避免會(huì)存在油污,因此垃圾在垃圾自動(dòng)分類裝置內(nèi)的摩擦類型屬于潤(rùn)滑摩擦。在制造企業(yè)車間垃圾中,有機(jī)玻璃與Q235鋼的最大靜摩擦因數(shù)較大,約為0.5,對(duì)應(yīng)的摩擦角約為26.6o。因此,設(shè)置傾角為30o,確保垃圾能在重力作用下趨向于遠(yuǎn)離大尺寸垃圾的輸出方向。

6 控制系統(tǒng)

6.1 方案

垃圾自動(dòng)分類裝置的控制系統(tǒng)如圖4所示,由電荷耦合器件相機(jī)、上位機(jī)、下位機(jī)主控板、步進(jìn)電機(jī)組成。電荷耦合器件相機(jī)用于圖像采集,上位機(jī)用于圖像識(shí)別,步進(jìn)電機(jī)用作執(zhí)行元件。垃圾投入后,下位機(jī)主控板控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),進(jìn)行垃圾輸送和分類。當(dāng)尺寸最大的輸出通道中的紅外對(duì)管檢測(cè)到有垃圾落入時(shí),壓縮裝置工作,對(duì)大尺寸垃圾進(jìn)行壓縮。垃圾落入輸出通道末端后,電荷耦合器件相機(jī)獲取圖像信息,上位機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別處理分析,判斷垃圾分類是否正確,繼而控制回流輸送電機(jī)或推桿電機(jī)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)垃圾投放或回流。

▲圖4 垃圾自動(dòng)分類裝置控制系統(tǒng)

6.2 硬件

下位機(jī)主控板選用STM32單片機(jī),可以確保控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較高的可靠性[11]。執(zhí)行元件選用步進(jìn)電機(jī),確保運(yùn)動(dòng)控制精度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(SMD)選用TB6600,采用共陽極接法。單片機(jī)接線如圖5所示。SMD1～SMD7依次驅(qū)動(dòng)主輸送電機(jī)、左回流輸送電機(jī)、右回流輸送電機(jī)、壓縮電機(jī)、左推桿電機(jī)、中推桿電機(jī)、右推桿電機(jī)。

▲圖5 單片機(jī)接線

6.3 軟件

上位機(jī)主要完成圖像識(shí)別等任務(wù),利用均值哈希與感知哈希計(jì)算,通過圖像相似度對(duì)比,以漢明距離相似度判斷是否有垃圾落入對(duì)應(yīng)的投放口。當(dāng)有垃圾落入時(shí),應(yīng)用由OpenCV視覺專用庫部署的YOLOv5算法進(jìn)行垃圾識(shí)別,并將垃圾識(shí)別結(jié)果通過串口發(fā)送至下位機(jī)。

下位機(jī)運(yùn)行于Keil-MDK5開發(fā)平臺(tái),采用C語言編程。軟件程序流程如圖6所示。

▲圖6 軟件程序流程

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一款用于制造企業(yè)車間垃圾自動(dòng)分類裝置,利用螺旋分類裝置,基于尺寸分選機(jī)制,提高垃圾分類的效率。另一方面,結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù),對(duì)錯(cuò)誤分類的垃圾進(jìn)行回流處理,保證垃圾分類的準(zhǔn)確性。這一垃圾自動(dòng)分類裝置既能夠智能化完成制造企業(yè)車間的垃圾分類作業(yè),也可以提高制造企業(yè)車間的余料回收效率,為制造企業(yè)車間的垃圾處理提供了自動(dòng)化、智能化解決方案。