1、1葡萄穗机器视觉分级机中葡萄传送和分级机构设计摘要：针 对 葡 萄 分 级 ， 本 文 介 绍 了 机 器 视 觉 应 用 于 葡 萄 的 研 究 现 状 ， 并对 其 进 行 了 分 析 。 在 此 基 础 上 ， 提 出 了 自 己 的 设 计 方 案 ， 同 时 对 其 进 行了 方 案 论 证 。 还 有 完 成 了 葡 萄 传 送 机 构 和 分 级 机 构 的 设 计 与 计 算 。关 键 词 ：葡 萄 穗 分 级 ； 机 器 视 觉 ； 传 送 机 构 ； 分 级 机 构Grape spike machine vision grader in transport and sort
2、ing mechanism design Abstract: For grape grading，this paper introduces the research status of machine vision is applied to the grape classification at home and abroad，and analyzes its。 On this basis，put forward own design，at the same time on the project demonstration。 And completed the design and ca
3、lculation of the transmission mechanism and the classification mechanism。Key words:grape grading；machine vision；the transmission 2mechanism；the classification mechanism扣扣 1269408632前言机器视觉的概念于 20 世纪 50 年代在外国被提出，20 世纪 70 年代真正开始发展，20世纪 80 年代进入发展正轨，20 世纪 90 年代发展趋于成熟，20 世纪 90 年代后高速发展。而国内机器视觉发展的起步是 20 世纪
4、80 年代，20 世纪 90 年代进入发展期，近几年才加速发展。而将机器视觉应用于水果检测，是对水果产业的发展起到了重要的作用，尤其是在水果的无损检测和分类方面。现在这一类的研究大多都是以桔子、苹果、番茄等形状规则的单果目标为对象进行研究，对于葡萄，由于其形状不规则，图像分割和处理难度大，所以在这一方面的研究很少。然而我国是葡萄生产大国，葡萄总产量已持续多年位居世界第一位，2006 年，中国葡萄总产量达 634.37 万吨，2008 年，葡萄产量达 715.15 万吨，位居世界排名第 5 位。我国葡萄总产量呈大幅度增长趋势，但是葡萄出口量却一路下跌，2006 年出口量仅占世界总出口量的 1%，
5、随着经济发展和市场的扩大，消费者对葡萄品质的要求不断提高，这就要求我国葡萄产业加快从数量型向质量型转变。故对于葡萄的分级的研究，已经很重要。1 设计方案论证1.1 目前国内现有葡萄分级研究目前国内尚未发现有关葡萄自动分级技术和分选设备应用于生产实际，但是相关葡萄分级的研究已经有人在研究，其中有陈英、廖涛、万虎等人使用投影面积法和果轴方向投影曲线计算葡萄整串的大小和形状参数，进而实现品质分级，其对于颜色的准确率高达 90%，对大小形状的准确率则达到了 88.3%，除此之外还有王巧华、罗俊等设计的基于机器视觉的红提葡萄自动分级装置，使用特定的算法，对红提葡萄的图像进行分割计算，对单粒葡萄的大小进行
6、鉴别，从而实现葡萄大小分级，其对于颜色的准确率高达 96%，对大小形状的准确率则达到了 85%。现在就以上所有研究进行装置和机构的分析。1.1.1 由陈英，廖涛，万虎设计的葡萄检测分级系统其开发的葡萄分级系统采用人工上、下料,将葡萄以悬挂方式连续输送,系统由驱动装置、悬挂式输送机构、葡萄夹持机构、图像采集与处理系统、分级控制系统 5 部分组成,如图 11 所示。其工作原理为电动机通过传动轴带动主动链轮转动,进而通过链条带动另外 3 个从动链轮转动,从而驱动一个环形输送系统,每当葡萄运行到采集区域时,电感式接近传感器检测到与葡萄相连的夹持机构,产生一个脉冲触发信号并传送给 PLC,该脉冲触发信号
7、被 PLC 用于记录并跟踪该穗葡萄的位置,同时触发采集卡采集该葡萄的两幅图像。采集到的图像经过计算机处理后判定该葡萄的等级,并通过 RS232 串口将等级值发送给PLC。PLC 接收、保存葡萄等级信息,待该串葡萄运动至分级区域时,控制指示灯显示该葡萄的等级。3图 11 葡萄分级系统结构示意图1、驱动装置 2、图像采集区域 3、分级控制系统 4、悬挂式输送机构 5 葡萄 6 葡萄夹持机构1.1.1.1 输送机构及其夹持机构其采用悬挂式输送机构由机架、环形轨道、链条、滚动轴承组件等组成，如图 12 所示，输送链条采用上、下分别带有吊耳的精密滚子链，上方吊耳通过滚动轴承组件悬挂在环形轨道中，下方吊耳
8、连接夹持机构以夹持葡萄果柄，从而实现葡萄的悬挂式输送；葡萄夹持机构吊装在输送链条下吊耳的下方，能可靠地将葡萄果柄夹持在两片橡胶夹持垫之间，并通过调节弹簧预紧程度保证不损伤果柄。图 12 输送机构与加持结构简图1、夹持体 2、葡萄 3、弹簧 4、链条 5、滚筒轴承 6、环形轨道1.1.1.2 图像采集与分级控制系统此系统采用单 PC 机、单采集卡、双摄像头同时采集一穗葡萄两面图像的采集方案,如图 13 所示为图像采集与分级控制原理图。横跨一侧机架的灯箱构成图像采集区域,灯箱内的 4 块灯座板上分别安装 5 根 20W 的荧光灯管。两个JVCTK2C1481BEC 型彩色 CCD 摄像机,分别安装
9、在灯箱两侧,配合日本精工的 12mm手动光圈定焦镜头,在物距为 600mm 下进行图像采集。图像采集与分级控制采用PC2PLC 的主从式构架, PC 作为上位机主要完成图像信息的采集、处理和分析, PLC 作为下位机主要完成逻辑控制,一方面处理由传感器传送的葡萄位置信息,控制图像采集,另一方面通过与上位机的通讯,实现分级信息的显示控制。每当葡萄运行到采集区域时,电感式接近传感器检测到与葡萄相连的夹持机构,产生一个脉冲触发信号并传送给 PLC,该脉冲触发信号被 PLC 用于记录并跟踪该穗葡萄的位置,同时触发采集卡采集该葡萄的两幅图像。采集到的图像经过计算机处理后判定该葡萄的等级,控制指示灯显示该
10、葡萄的等级。4图 13 图像采集与分级控制原理图1、图像采集和处理系统 2、分级控制系统 3、分级指示灯 4、传感器 5、光源 6、葡萄7、CCD 摄像机 8、光照箱1.1.2 由王巧华、罗俊等设计的基于机器视觉的红提葡萄自动分级装置其设计的自动分级装置的结构，如图 14 所示，密闭箱和灯箱上下连接成一个整体，在俩箱之间的隔板上设置有一个圆孔（k） ；在俩箱的侧壁上设置有平板电脑；在灯箱的上部中间内置有环形日光灯，在密闭箱的下部中间内置有工业相机，工业相机的摄像头正对圆孔；工业相机通过数据线和平板电脑相连；红提葡萄置于灯箱中，采集图像后使用特定的算法，对红提葡萄的图像进行分割计算，对单粒葡萄的
11、大小进行鉴别，从而实现葡萄大小分级。如图 14 自动分级装置结构简图00、红提葡萄 10、灯箱 11、灯箱侧门 20、密闭箱 21、密闭箱顶门 30、环形日光灯 40、工业相机 41、摄像头 50、平板电脑1.2 对已有研究进行特点的分析如图 1-1 所示的葡萄检测分级系统的优点：这样的设计保证不会损伤果柄；在检测过程中，不与检测装置产生接触，避免不必要的损伤；在采集图像时，可以得到较为完整的果面信息。缺点：此设计采用人工上下料，浪费劳动力和钱财；效率低；在采集图像的过程中，不能保证葡萄不晃动，这样会严重影响图像的采集效果。如图 1-4 所示的自动分级装置的优点：采用机器视觉技术，实现无损检测
12、分级；利用计算机处理图像，效率高；依据整串葡萄中单粒葡萄的大小进行分类。缺点：葡萄需要静止在摄像头的下面，这样就不能将此设计用于实际。51.3 基于机器视觉的带传输式的葡萄分级装置由（1.1、1.2）上述可知本设计需要解决的问题有：1）实现无损检测；2）自动分级；3）葡萄在传动过程中不能有晃动；4）提高效率。然后结合上述分级装置的优点，从而确定了我的设计方案基于机器视觉的带传输式的葡萄分级装置。1.3.1 基于机器视觉的带传输式的葡萄分级装置的结构组成葡萄传送机构选用是轻型固定式胶带输送机，分级装置采用图像采集设备，传感器以及电磁机构组成。如图 1-5 所示图 1-5 为葡萄传送机构1.3.2
13、 基于机器视觉的带传输式的葡萄分级装置的特点（1）轻型固定式胶带输送机可以保证葡萄在传动过程中不会有晃动；（2）分级装置中图像采集设备、传感器及电磁机构可以实现无损检测，结合输送机可以实现自动分级，提高效率。2 葡萄穗机器视觉分级机中葡萄传送和分级机构设计计算本人在这次的设计中，完成的主要是对红提葡萄分级的传输机构和分级机构的设计计算。红提葡萄穗长为 120200mm，每穗重 5001000g，按果粒直径可分：一级26mm，26mm二级24mm，24mm三级22mm。 （注：提到的红提葡萄的参数都是在果穗进行人工整形之后的参数）.2.1 传送机构的设计和计算2.1.1 果盘的设计果盘是由橡胶永
14、磁铁和模塑聚苯乙烯泡沫塑料 (EPS）板组成，果盘的大小由红提葡萄的穗长来设计。故设计果盘长宽为 260mm，厚 80mm，设计的果盘结构如图 21 所示。6图 21 果盘的结构尺寸2.1.2 输送带的选择在运输机械手册第 351 页查得：对于成件物品，带宽一般应比被输送物品的横向尺寸大 40100mm，并且所选定的带宽必须满足表 21 所规定的允许荷载。果盘的横向尺寸为 260mm，每米成品的重量差不多为 3kg，故选择带宽300mm 满足所规定的要求。表 21 输送机允许的单位长度荷载带宽 B(mm) 300 400 500 650 800 1000 1200散状物料 15 152030
15、3040506050705080允许单位荷载q(kg/m)成件物品 15 3040 5060输送带的品种规格符合GB/T 44901994 运输带尺寸 、 GB/T 79842001 输送带具有胶或料覆盖层的普通用途织物芯输送带的规定，见表 22。表 22 输送带种类输送带宽度 B(mm)种类抗拉强度/(N/mm*层数) 300 400 500 600 800 1000 1200帆布带 CC56 NN100 尼龙带 NN150 由于本设计只是轻型输送机，初步选定为帆布带。按给定的工作条件,输送机工作倾角 =0。NN100 型输送带，层数选为 3 层。上胶 3.0+下胶 1.5，输送带质量 5.
16、02Kg/m。NN100 型输送带的技术规格：纵向断强度 100N/mm；每层带厚 1.0mm，截面积 0.0236 。 2m2.1.3 输送带速度的选择在运输机械手册第 350 页查得：输送成件物品，一般取带速v=0.251m/s，由于本设计有图像采集部分，故选带速为 0.25m/s。2.1.4 输送量的计算成件物品的输送量的公式为 ，1360kbTvn+=7式中：n最大输送量（件/h） ；v输送带速度（m/s） ；T物品在输送带上的净空间距（m） ；b沿输送方向的物品长度（m） ；装载系数。一般取 =0.50.9。1k1k由上述可知：输送带速度 v=0.25m/s，沿输送方向的物品长度 b
17、=0.26m，取装载系数 =0.7，物品在输送带上的净空间距 T =0.9m，把数据代入公式得：1543（件/h） ，5007)V 带的根数 Z， LadKP)(11+=其中查得： ；kwP43.1；07.1；98=aK13；01.=LK带入公式 201.98)07.431(2)(11 =+=+LadKPZ则 V 带的根数为 2 根8)计算单根带的初拉力最小值 ，由表 8-3 的 q=0.02kg/m 得：min0F，() NqvzkpFac3.21)5.(0min0 =得压轴力 ，故安全。Fp .85sin)(1m0min9）大带轮的结构设计已知：大带轮的转速 n=550r/min，轴的直径
18、为 45mm，传动比=1di=1.525。根据机械设计160 页中可知，应该采用腹板式，而且腹板的厚度为 ，如图 2-10s10=图 2-10 大带轮的结构10）小带轮的机构设计轴的直径为 32mm，根据机械设计160 页可知，采用实心=2d轮，14图 2-11 小带轮的结构2.3 轴的校核传动滚筒的传动左轴头与传动右轴头为受力最大的为主动轴，而传动左轴头直接与带轮连结,其受力要比传动右轴头的要大得多,故只需校核传动左轴头。2.3.1 传动左轴头的校核图 2-12 传动左轴头的结构尺寸）已知参数：轴的输入功率为 2.1kw主动带轮的转速为 550r/min）受力分析如图 2-13 所示，首先根
19、据轴的结构图做出轴计算简图：确定轴承的支点位置时，支点应为轴承的中点。15FAVHBCVFHDV 面 DHMH=4932.75NmDCBAFVFV 面A B C DM VMV=75227.113Nmm16DCBAM 总M B= 75227Nmm M C=62035NmmT=5867.NmT图 2-13 传动右轴头的载荷分析图根据机械设计手册964 表 5.4-2，带轮对轴 A 处的有效圆周力，106,10=znpvPFt作用在轴上的力 ，tAFK5.，根据 965 页表 5.4-3.AKNF703.1642058.1972630.15=即 Nj.64带轮对轴 A 处的 ，tAcFK. NFed
20、 52.187903.1.2=由前面计算可知：， ， ， Nav5.18aH. NFdv21.805=。FdH72.17在水平面 H 内， , ， NFcHb52.1879=FcVb0=在竖直面 V 内， ，ev03.64转矩 ，mnPT=8.5710953由以上计算得表 2-3：表 2-3 为传动左轴头的受力载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 F NDHA72.185,3=NFDVA21.805=扭矩 T mT8.61弯矩 MH75.4932MV1.752总弯矩 mNCB=60323) 危险截面的判断由上面轴受到的弯矩和扭矩可得，截面 A、C 和 D 受到一部分的弯矩作用，而且轴的直径是按扭
21、转强度较为宽裕来确定的，因此无需校核。对于截面 B，从总弯矩图可知为危险截面，所以只需校核 B 截面。4)截面 B 校核：抗弯截面系数： ，335.162.0mdW=抗扭截面系数： ，T截面 B 上的弯矩： ，NM.48截面 B 上的转矩： ，1270截面 B 上的弯曲应力： ，MPaWb 21.95.6=截面 B 上的扭转切应力： ，T7.43170轴的材料是 45 钢，调质处理，查机械设计362 页表 15-1：， ， ，MPaB640=Pa2751 Pa51=18截面上由于轴肩而形成的理论应力集中 及 按机械设计39 页表 3-1： ， ，得 ， ，08.25=dr04.125dD46.
22、1=53.又由机械设计附图 3-1(31 页)可得，轴的材料的敏感系数：， ，8.0q.q故有效应力集中系数按式（机械设计42 页：，37.1)-46.(82.01)-(1 =+=k，55q由机械设计42 页附图 3-2 得钢材的尺寸及截面形状系数 ，78.0=由机械设计43 页附图 3-3 得圆截面钢材的扭转剪切尺寸系数，9.0=轴按精车加工，由机械设计44 页附图 3-4 得钢材的表面质量系数，8.轴表面未强化处理，即 ，则按 25 页式（3-12 ）和（3-14b）得：1=q弯曲疲劳极限的综合影响系数 ，9.1-8.07.31- =+kK剪切疲劳极限的综合影响系数 ，75.-.945-=
23、又由机械设计3-1 及3-2 得碳素钢的特性系数：， 取 ， ， 取 。2.01=15.0=1.05.0.于是计算安全系数 按机械设计374 页式（15-6）（15-8）得：caS，67.1805.29.17 =+mKS，3.29.454=a19，5.1367.6.1822 =+=SSca所以其安全。2.3.2 主动带轮轴上键的校核1）键 694已知： ，选择键 ，轴的直径为mNT8.57691445mm,=d根据机械设计实用手册773 页公式（5.1-5）：键满足的挤压强度条件为： ，ppkldT2hPCnLh 754.260).5(406)(036=20如果按机器每天工作 12 小时，每年
24、工作 300 天，则，故所选轴承完全满足寿命要求。年23.7016832=hL3 分级机构设计计算3.1 分级控制系统的原理此系统的原理为当葡萄运到图像采集箱中时，一旁的传感器的到信息传给PLC 控制器，控制横跨俩侧的 LED 灯与图像采集机进行红提葡萄图像的采集。然后通过电脑完成图像信息的采集、处理和分析, PLC 作为下位机主要完成逻辑控制,一方面处理由传感器传送的葡萄位置信息,控制图像采集,另一方面通过与上位机的通讯,实现分级信息的显示控制。即时控制电磁铁通电，经过时，将葡萄与果盘一同推出皮带进入等级葡萄收集箱完成对葡萄的分级。3.2 图像采集箱的设计图像采集箱的设计需要 RGB 成像设
25、备：加拿大 DALSA 彩色三线阵 CCD 图像采集系统，相机 PC-30-02K60；机器工作之前需要设备的调试,调试的参数有:1) 光圈及焦距调整，光圈数值为 4,拍摄红提葡萄工作距离为 480mm，测量视场左、中、右三个位置的光照度分别为：15500、15100、15900。曝光时间的调整与光圈数值相适应，亮度为使直方图三色位于横轴中间位置，此时红提曝光时间set620；2) 平场校正，按基本步骤进行明暗场校正，校正中需注意，暗场校正前需将镜头遮住，明场校正时需预先铺设一张白纸，高度设置为葡萄主光轴的高度红提 60mm；3) 行频调整，根据葡萄的中心平均高度（红提为 60mm）进行行频的
26、调整，红提葡萄试验中相机行频参数调整过程如下：高度 60mm，行频ssf715 时，空间分辨率：水平 2048/34=6.0，垂直 1536/34=4.597，水平空间分辨率与垂直空间分辨率差别太大，调整行频 ssf 为 690，此时，空间分辨率，水平 2048/35.7=5.7，垂直 1536/25.4=6.0，再次调整行频 ssf 为 685，此时，水平 2048/34=6.0，垂直 1536/26=5.91，水平与垂直基本相等，因此选择ssf685 作为所需行频参数。无核白试验行频参数调整过程同上，确定为 ssf595；4) 色频调整，色频调整关键是使 RGB 三色直方图融合在一条直线上
27、，按顺序进行平场校正，行频调整后，相机自动调整色频，此时，观察 RGB 三色直方图，背景为白纸的情况下，直方图三线融合为一条直线；5) 输送机带速，输送机带速与图形畸变密切相关，图形畸变又与行频调整密切相关，因此需同时调整行频与输送带带速，首先确定带速为 0.25，其次调整行频参数，观察水平分辨率与垂直分辨率是否一致，若畸变严重，需再次调整带速和行频参数，直至一致。带速调整结果为：640HZ；6) 光源参数设定采用线阵光源，分别为 CST（科视自动化），BL-170-30-W 型 LED 灯和 OPT（奥普特自动化），OPT-LS562-W 型 LED 灯，两个光源设置分别为：CST 高度 2
28、0cm，角度 45 度；OPT 高度 24cm，角度 30 度。使照相机能够充分吸收光源的光照，达到拍摄时所需的光照度；7) 背景颜色的选择分别以红、黄、蓝、黑、白、紫、深蓝、浅粉为背景，拍摄一组葡萄图片，使用matlab 软件分析每幅图片的灰度直方图，依据波峰波谷变化程度来确定背景颜色。故图像采集箱如图 3-1 所示21图 3-1 为图像采集装置1 杆座； 2 杆； 3 定心板；4 工业相机；5 OPT-LS562W 型 LED 灯；6 传感器；7 BL-170-30-W型 LED 灯；8 隔板4 小结本次设计使我对机器视觉技术有了认识，同时对于机械设计还有了更进一步的了解，拓宽了自己的视野
29、，通过大量查阅关于机器视觉的相关资料，根据我国国情，根据指导老师提供的资料和学过的课程，设计出了基于机器视觉的葡萄分级装置。这让我对以前的知识有了更深的理解。在设计过程中遇到了很多问题，都是通过不断地查阅资料逐渐加以解决，提高了自己查阅资料的能力，另外，在设计过程中运用了大量的画图软件，像 CAD，ug、Solidworks 三维软件，现在对这些软件更加熟练地掌握，在不断的更改中我们懂得了许多，发现了许多如绘图、结构设计、工艺设计、标注上的错误，学到了以前课本中未曾出现而生产中用的很普遍的一些知识和技术。总之，通过这次设计，让我对设计方面的情况有了更深的理解，此次设计提高了我分析问题、解决问题
30、的能力，提升了我查阅资料的能力，为我以后工作中保质保量地完成任务打下了基础。22谢 辞在这次毕业设计当中，我首先要特别感谢郭俊先老师对我的悉心指导。在此次毕业设计当中让我再一次感受到郭俊先老师的责任感,特别是在最初方案的确定中,郭老师经常帮助我改进我的设计方案,郭老师对学生特别负责,而且他有全面的专业知识、严谨的治学态度、认真负责的工作态度、清晰简明的思想方法。我们之间亦师亦友的关系，使我能以轻松地心态来面对这次设计，并保证了我在设计中出现的问题时得到很好的解答，出现错误时得到及时的纠正，遇到分歧时得到独到的见解。因此，在此次毕业设计完成之际，我要对他表达我最真诚的感谢！23同时，我要感谢和我
31、同一组的组员，从设计的开始到今天设计的全面结束，是他们和我一起查资料、想方法、定方案，同心协力，才使得我能顺利的完成本次设计。在次，郑重表示感激之情！其次，我要感谢我的室友们，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。使我每次回到宿舍都能得到从身体上到心灵上的放松。虽然毕业也意味着我们的分离，但四年来所培养的兄弟之情我会永远珍惜！在本次设计中，我查阅了大量的文献及资料，借鉴了其中某些观点、方法，在此向这些文献资料的作者表示衷心的感谢！感谢学校、老师、家人、朋友和所有在此次设计中给与我帮助的人，没有你们的帮助，我不可能如此顺利的完成此次设计，这里祝你们身体健康，家庭和睦，
32、事事顺心如意！参考文献：1 应义斌，饶秀勤，马俊福.柑橘成熟度机器视觉无损检测方法研究J.农业工程学报, 2004，20（2）：144-147.2 王巧华，罗俊等.一种基于机器视觉的红提葡萄分级装置J.华中农业大学，2012.3 万虎，李伟等. 基于计算机视觉的葡萄检测分级系统J. 中国农业大学工学院,2012.4 王先逵机械制造工艺学第二版.北京：机械工业出版社M，2006.15 吴总泽机械设计实用手册第二版.化学工业出版社M，2003.106 濮良贵，纪名刚机械设计M. 高等教育出版社，2007， （8）：363-372.7 沈再春.农产品加工机械与设备M.中国农业出版社，2001：7-8
33、.8 王伯平互换性与测量技术基础M机械工业出版社，2007， （2）：22-35.9 焦永和机械制图北京理工大学出版社M，2003，5 10 孙恒，陈作模，葛文杰，等机械原理M高等教育出版社，2006，12.11梁庚煌主编.运输机械手册M.化学工业出版社,1983.12滕安国，高峰，夏新成等.高光谱技术在农业中的应用研究进展高J.江苏农业科学，2009(3):810.13冯斌.计算机视觉信息处理方法与水果分级检测技术研究M.北京:中国农业大学,2002.14Tadhg.B.rosnan，Inspection and grading of agricultural and food products by computer vision systemsareview J . Computers and Electronics in Agriculture，2002, 36 (23) : 193213.15应义斌，韩东海.农产品无损检测技术，北京:化学工业出版社，2005.5，第三、五章.24
