水果自动分选机分级卸料实时控制系统的设计

第29卷 第5期2008年5月

仪器仪表学报

Ch i nese Journa l o f Sc ientific Instru m ent

V ol 129N o 15M ay 2008

收稿日期:2007-11 Recei ved Dat a :2007-11

水果自动分选机分级卸料实时控制系统的设计

魏新华1

,孙卫红2

,李道亮3

,周杏鹏

1

(1 东南大学自动化学院 南京 210096;2 山东农业大学信息科学与工程学院 泰安 271018;3 中国农业大学信息与电气工程学院 北京 100083)

摘 要:设计出一套水果自动分选机分级卸料过程实时控制系统,提出一种水果等级信息与水果实时位置间的连续动态配准方法,实现输送线上水果流的动态位置的实时检测、连续跟踪、水果等级信息与其实时位置间的连续动态配准以及水果分级卸料过程的自动控制。给出控制系统的电路结构,分析步进电机的控制过程,并详细论述水果等级信息与其实时位置间的动态配准方法。实际运行实验表明,在该系统的控制下,所有水果都能在品质检测装置为其判定的等级出口处自动平稳卸料。关键词:水果;分选;卸料;自动控制;配准

中图分类号:TP273+.5 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.8040

D esign of rea-l tim e control system for dischargi ng process of autom atic fruit grader

W e iX inhua 1

,Sun W e i h ong 2

,L iDao liang 3

,Zhou X i n gpeng

1

(1Schoo l of A uto m ation ,Southeast U ni ver sity,N anj i ng 210096,China;

2College of Information Science and E ngineer i ng,Shandong A gricult ural U ni ver sity,T ai c an 271018,China;3Co llege of Infor m ation and E lectrical E ngineer i ng,China Agr icultural Universit y,Beij i ng 100083,China )

Abst ract :A rea-l ti m e contro l syste m for discharg i n g process of auto m atic fru it grader w as desi g ned ,and a dyna m -i

ca ll y reg istration m ethod for fr u it g rade infor m ati o n and fr u it rea-l ti m e positi o n w as presented ,w h i c h could detect and trace conti n uously the dyna m ic position o f fr u it fl o w on the conveyer of t h e grader ,and reg ister dyna m ically t h e fru it grade i n for m ation w ith the rea-l ti m e position ,and contro l auto m atica ll y the fruit discharg i n g process .Constructi o ns and wo r k i n g princ i p les o f the control syste m are presen ted .Operati o n process of the step m otor is analyzed .And the dyna m ica l reg istration m ethod for fr u it grade i n f o r m ation and the rea-l ti m e position is d iscussed i n detai.l Practical perfor m ance sho w s tha t all fruits are dischar ged s m oothly on the prospective dischar g ing ports under contro l of the re -a-l ti m e control syste m.K ey w ords :frui;t grad i n g ;dischar g ing ;auto m atic contro;l reg istrati o n

1 引 言

为实现水果的自动分级卸料,水果自动分选机的分级卸料控制系统必须能够实时检测、连续跟踪输送线上水果流的动态位置,以在水果到达相应等级的分级出口时,控制分级卸料执行机构对水果实施自动卸料。应义斌等人利用接近开关和移位寄存器设计了一套控制系

统,实现了料斗式水果分级卸料机构的分级卸料过程的自动控制[1]

。PLA 等人则利用CAN 总线网络构建了一

套水果自动分选机柔性控制系统[2]

。为进一步提高分级卸料控制系统的可靠性、可扩展性和同步性能,本文针对自主研发的水果机器视觉自动分选机,采用模块化结构,利用RS485总线和CAN 总线混合网络设计出一套水果自动分选机分级卸料实时控制系统。

第5期魏新华等:水果自动分选机分级卸料实时控制系统的设计1025

2 水果自动分选机分级卸料装置的工作原理

2.1 水果自动分选机的一般工作原理

水果自动分选机一般由水果输送装置、水果品质检测装置、水果分级卸料装置和同步控制系统等部件组成

[1-5]

。在图1所示的自主研发的水果机器视觉自动分

选机中,滚子式水果输送装置负责连续输送水果并使水果自动成单个排列[6]

;摄像机负责连续采集输送线上水果流的动态序列图像,由图像处理系统对图像进行处理,提取各个水果的品质参数,并综合判定其等级;当带有等级信息的水果到达所属等级的分级出口时,相应的分级执行机构动作,迫使该水果下面的水果分选杠杆转动,将

水果从滚子上撬起并滚入相应的水果收集箱[7]

;同步控

制系统则负责控制分选机的各个部件同步协调工作。

1分级执行机构; 2水果; 3摄像机; 4水果支承滚子;5水果分选杠杆; 6摩擦带; 7循环输送链; 8水果收集箱;9输送链链轮; 10槽型红外光电开关传感器; 11同步编码盘

图1 水果机器视觉自动分选机的总体结构示意图F i g .1Constructi on of the fru it machine v isi on grader

2.2 杠杆式水果高速分级卸料装置的工作原理图1中所采用的杠杆式水果高速分级卸料装置的具

体结构如图2所示。分选杠杆通过其中间套筒安装在纵向水平轴上,并可绕其自由转动。在步进电机的驱动下,分选凸轮可在其/分选0和/通过0两个工作位置之间来

1步进电机; 2分选杠杆套筒; 3分选杠杆分选臂; 4水果;

5水果支承滚子; 6输送链; 7纵向水平轴;

8分选杠杆承压臂; 9分选凸轮

图2 杠杆式水果高速分级卸料装置的结构示意图F ig .2Constructi on of t he leve r -sty l ed hi gh -speed

fru it discha rg i ng asse mb l y

回切换。在/分选0位置,分选凸轮的工作表面的最高点正好与分选杠杆承压臂的上表面齐平。当分选杠杆在输

送链的带动下向前运动时,其承压臂就在分选凸轮的工作表面上滑动,并在分选凸轮升程的作用下被迫绕纵向水平轴转动,分选杠杆的分选臂则逐渐将水果从支承滚子上撬起并逐渐滚离输送线;在/通过0位置,分选凸轮工作表面的最低点高于分选杠杆承压臂的上表面,分选杠杆自由通过,水果继续向下一分级出口输送。通过对分选凸轮工作表面形状的优化设计,可保证卸料过程对水果没有冲击

[7]

。

3 分级卸料实时控制系统的设计

分级卸料实时控制系统是分选机同步控制系统的一部分。考虑到分选机分级出口较多、各部件之间相距较远又需要同步协调工作,而且水果等级信息等数据需要在部件之间实时传输,所以分级卸料实时控制系统采用模块化结构,基于CAN 总线和RS485总线混合网络设计而成,其结构如图3所示。

图3 分级卸料实时控制系统的总体结构

F i g .3B lock d i agra m of the d i scharg ing contro l syste m

系统同步定时信号发生器负责生成系统同步定时信号;分级执行控制器负责跟踪已定级水果的动态位置,完成水果等级信息与其实时位置的动态配准,并控制分级执行机构完成某一等级水果的分级卸料;水果分选机主控制器则负责从水果品质检测装置接收水果等级信息并发送到各分级执行控制器,此外还负责系统各模块的工作参数设置和状态监控。RS485总线专用于传输同步定时信号,以确保其实时传输。而水果等级信息、参数设置指令和各模块的状态信息等则通过CAN 总线进行通讯传输。3.1 系统同步定时信号的产生

如图1所示,在水果机器视觉自动分选机的输送链链轮轴上安装有一个同步编码盘,盘沿上沿同一圆周均匀分布着与链轮齿数相同数量的小通孔。一个槽形红外光电开关传感器跨装在盘沿上,其红外光束正好可从小通孔中穿过。编码盘与链轮一起同步转动。所以输送链每前进一个链节距,即链轮每转过一个齿,红外光电开关就产生一个脉冲信号。此脉冲信号在系统同步定时信号