基于机器视觉的荔枝无损检测自动分级机设计研究

摘要

荔枝分级是采后加工的重要环节，是实现荔枝优质优价的关键。荔枝采用机械分级能够改善劳动条件，提高生产效率。但现有的机械式荔枝分级机存在分级指标单一、容易造成荔枝损伤等缺点。应用机器视觉技术对荔枝进行分级，可减小荔枝的损伤，并能实现多指标智能融合分级。为了实现基于机器视觉的荔枝无损检测，本文提出了基于机器视觉的荔枝无损检测自动分级机总体设计方案，对其机械部分和控制部分进行了具体设计，并对单体排布输送和执行系统进行了仿真分析研究，制作了分级机实体模型，对其工作参数进行了试验优化，主要完成的研究工作如下：　　1）荔枝自动分级机的总体设计研究。根据机器视觉果蔬品质检测分级原理和荔枝实际分级生产需求，确定了荔枝无损检测自动分级机总体设计方案，对各组成系统和电子控制系统进行了具体设计；分析了单体排布输送系统和分级执行系统的结构组成，对系统的关键零件进行了设计分析，并对系统的关键参数进行了分析计算。　　2）基于离散元法的荔枝单体排布输送仿真分析。构建了基于 EDEM 的荔枝单体排布输送系统的离散元仿真模型，应用仿真模型进行了荔枝单体排布输送试验，分析了排布过程小转盘的破拱和匀果作用，同时对排布过程荔枝损伤进行了预测分析。结果表明：单体排布输送系统的大转盘和小转盘同向工作时荔枝容易积聚起拱使排布受阻，产生空穴现象；大转盘和小转盘反向转动时可以减轻积聚起拱现象，但完成排布耗时较长；小转盘定时换向工作时能有效减少积聚起拱现象，不易产生空穴现象，且完成排布耗时最短；荔枝在单体排布过程所受到的平均挤压力小于其损伤的挤压力阈值。　　3）荔枝单体排布输送系统参数优化。制作了荔枝自动分级机模型，在模型样机上进行了荔枝单体排布输送的单因素试验和正交试验，分析研究了输送系统工作和结构参数对荔枝排序输送指标（卡果次数和空穴率）的影响，通过建立回归及其组合模型对各影响因素进行了综合优化，并对优化后的参数进行了试验验证，结果表明：荔枝卡果次数和空穴率都随着大转盘转速、小转盘运动周期和喂入量的增大而增大，且随着小转盘运动幅值偏移系数和大转盘孔数的增大空穴率也增大；影响荔枝卡果次数的最主要因素是喂入量，接着是大转盘转速；而影响荔枝空穴率的最主要因素也是喂入量，接着是小转盘运动幅值偏移系数；试验范围内，荔枝单体排序输送系统最优参数为：转盘转速7.35rpm、小转盘运动幅值为14.30rpm、小转盘运动周期16.93s、小转盘运动幅值偏移量 0.33、小转盘运动规律为线性变化规律、喂入量 1.31kg 、转盘孔数10孔，此时荔枝卡果次数和空穴率分别为0和6%。　　4）分级执行系统的流固耦合仿真研究。构建了气动分级执行系统有限元模型，应用模型分别进行了荔枝分级执行过程的静力学流固耦合仿真和 ALE 流固耦合动力学仿真，通过应力分布图分析了不同吹出气压对荔枝损伤的影响，并对荔枝分级执行过程的运动参数进行了分析，结果表明：随着吹出气压的增大，压缩空气出口的气流速度呈线性增加，且气压作用区域比较集中，在仿真范围内，荔枝内部的最大应力未超过其果肉发生损伤的应力阈值，荔枝不会发生内部损伤；荔枝完成分级执行所需时间小于0.2s，荔枝被吹出分级执行系统的速度最小值为0.3m/s。

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