智能型果蔬保鲜分选成套设备的研制开发

智能型果蔬保鲜分选成套设备的研制开发0前言我国是果蔬生产大国，总产量和栽培面积均位居世界第一，但其消费市场主要在国内，对果蔬业的国际贸易影响不大。究其原因，主要是欠缺采后商品化的处理技术手段。果蔬采后的商品化处理是提高果蔬上市质量，增强市场竞争力的重要环节。目前国外发达国家的果蔬保鲜分选设备绝大多数已经采用电子、光学技术，配合微电脑分析系统，属于智能型，可有效地对果蔬进行清洗保鲜处理，以其质量、大小、颜色、含糖量和瑕疵等特性进行有效检测分选。与发达国家相比，国内的果蔬保鲜、分级加工相对落后，工业化程度不高，设备性能单一，现有技术设备还基本停留在机械分级的形式上。机械分级不但效率低，而且易造成果蔬表皮损伤，令到商品化处理质量难以保证，我国落后的果蔬处理技术制约着该产业的发展。国际市场对农产品的质量要求不断提高，增强我国农产品的市场竞争力，开发适合我国国情的农产品品质检测和分选技术设备是当务之急。广东省农业机械研究所正是基于果蔬加工的发展趋势，借鉴国外知名厂商的技术，设计开发出一条全新的智能型果蔬保鲜分选级成套设备。该设备采用模块化设计，集多功能于一体，形成一套完整的自动化果蔬洁净加工、保鲜处理和智能分选设备。工艺流程智能型果蔬保鲜分选级成套设备为全新设计开发的一套技术先进的模块化组合式设备，集多功能于一体，是一套完整的自动化果蔬洁净加工、保鲜处理和智能分选生产线。其技术路线和设计方案如下：果蔬一提升输送一分拣一清洗一喷涂保鲜液一抛光一除湿一排序分行一动态成像一综合分析一按级分选。成套设备技术原理及设计智能型果蔬保鲜分选级成套设备为直线式布置，全线包括拣选输送机、清洗保鲜机、温控除湿机、排序分行装置、智能分选机以及电控系统部分。总体布局如图1所示。2．1拣选输送机采后的新鲜果蔬被提升进入拣选输送机，拣选输送为链条带动的辊轴式结构，可实现果蔬有规律的分排和自转输送，方便操作工挑选残次水果，结构如图2所示。拣选输送机的前段是料框提升段，经过试验计算确定本机的提升角为30。，果蔬在料框中被辊轴带动输送上升，并且在辊轴的自转作用下形成一排排依次上升。拣选机的后段是分拣段。在分拣段辊轴被链条拖动行进，同时在托轨摩擦带的作用下，使其不断滚动，致使辊轴间分排带动的果蔬有规律的不断自转，操作工可轻易地观察到果蔬的各个表面，把质劣、残次的果蔬挑拣剔除。2．2清洗保鲜机传统工艺是在清洗保鲜工序配备清洗机、烘干机、保鲜机，这种设计方式导致果蔬处理流程过长，能耗大，效率低。本设备将清洗与保鲜处理进行一体化设计，把清洗与保鲜处理集中一台机上完成，使工艺流程紧凑，高效节能。清洗保鲜机结构如图3所示。清洗保鲜机由30条自转毛刷辊筒排列组成，果蔬在辊筒的自转带动下不断滚动，后排推前排，依次连续向前递进，在送进过程完成清洗、抛水、喷涂保鲜液和抛光程序。整机设计分3个功能区：第一个为清洗功能区，由9条毛刷辊筒组成，其上方配备喷淋水管。由于毛刷自转，使果蔬毛刷之间不断滚动，依靠自重与毛刷连续摩擦，并在喷淋水的冲洗下把把整个外表面都清洁干净。第二个功能区为吸湿区，由4条海绵辊筒组成，每条海绵辊筒下面紧贴配置一条压水辊。海绵辊筒的自转带动果蔬滚动，对其外表面进行擦拭，把水分吸干，而吸人海绵辊筒的水分由下方的压水辊挤出排走。第三个功能区为喷涂保鲜区，该区由15条毛刷辊筒组成。在前3条毛刷辊筒位置配备自动喷雾装置，进出口设置软胶门帘，形成一个半封闭喷雾室，果蔬进入此室后在滚动中被喷上一层保鲜液。果蔬离开喷雾室后表面已涂满保鲜液，但并不均匀，因此其后还需经过12条毛刷辊筒的不断刷涂抛光，使果蔬表面形成一层厚薄均匀的腊膜，确保达到最佳的保鲜效果。3个功能区由2条光辊筒分隔，设置在海绵辊筒的前后，隔开毛刷与海绵辊筒，使果蔬能顺利过渡。本机的保鲜液喷雾装置为新型设计，是一个自动清洁式保鲜液喷雾装置。可通过程控实现保鲜液与清洁水自动撤换，对喷头进行定时清理，避免堵塞喷头。既能延长喷头寿命，又能减少保鲜液的消耗量，更节能环保。2．3温控除湿机温控除湿机连接在清洗保鲜机与分级机之间，作用是确保快速干燥固化果蔬表面腊膜，以利于保鲜效果和后道分级，结构如图4所示。本机设计为隧道式温控气流连续干燥形式。输送带为链条带动的辊轴式结构，辊轴由两侧链条拖动行进，同时受到托轨摩擦带的作用，使其不断滚动。当喷涂保鲜液并抛光后的果蔬进入隧道，立即被辊轴带动前进，在辊轴滚动的作用下形成分排并有规律的不断自转。果蔬在输送自转过程中，其表面充分接受热气流的作用，快速带走水分，达到除湿和固化表面腊膜的目的。本机加热装置采用电加热形式，设置3组加热器，自动测温调控，保证合适温度的气流，使果蔬表面充分而快速的除湿，确保效果良好而不损伤腊膜。2．4排序分行装置清洗和保鲜处理后的果蔬在进入分选机前，须经过排序分行装置，形成列队行进才能均匀送入分选果杯，结构如图5所示。排序分行装置分为2部分：前部分为链条带动的辊轴输送提升机构，提升角度为25。，辊轴在链条的拖动下上行，同时在托轨摩擦带的作用下滚动使果蔬自转分排均匀提升；后部分为平皮带分行输送装置，设置导板形成双通道V型槽结构。果蔬由辊轴提升到高位，经过渡槽导人双通道V型槽，分成2行列队，在平皮带的带动下前进。排序分行的前后部分有一定的差速，使果蔬提升进入分行输送过程得到提速，拉开果蔬个体之间的间距，确保果蔬均匀列队，基本定间距依次落入智能分选机的分选果杯。2．5智能分选机果蔬经过前面的工序以后，就要进入智能分选机进行分选了。智能分选机是成套设备的核心机型，其技术含量高，涉及光机电以及成像、软件编程等复杂配置，设计考虑因素众多，是本生产线重点研发的设备。从效率和实际生产应用需求考虑，并且参考国外机型，以一般橙为例，确定该机为双通道8分选出口，分选速度在20ooo〜40ooo个/h的范围内，其相应产量在5〜10t/h,满足大多数大中企业的生产需要。分选工作流程为：果蔬入料一提升一预分行一传输入果杯定位一果蔬进入摄像区多次成像一CCD摄像机输出视频信号一图像采集卡进行图像处理一提取果蔬轮廓及表面特征数据一计算机对数据信号进行预运算一计算果蔬面积/轮廓直径/颜色特征一进行数据对比分析判断一确定果蔬的特征数据一与外部设定比较确定果蔬分选等级一输出信号到PLC—PLC对果蔬进行堆栈排序，定位跟踪一发出果蔬卸果指令一果杯传送链前进一水果到达指定位置，电磁铁动作果。在计算机视觉系统和分析软件的设计过程，重点以柑橘、洋葱等果蔬为对象，研究计算机视觉分选中果蔬图像采集和图像信息处理方法。利用单个异步复位摄像机实现双通道果蔬的定位触发采集图像，每帧图像包含6个果蔬图像，且每个果蔬被连续采集3个不同表面的信息。基于果径大小和表面颜色的果蔬图像快速处理分选技术，建立PC机、PLC、摄像机、图像采集卡和接近开关等组成的视觉分选自动化系统，编写分析控制软件。视觉识别和分析控制系统如图6所示。要实现果蔬的智能分选，不但要设计合理的计算机视觉识别和分析控制系统，而且必须设计理想的分选果杯。针对双通道分选机型，本设备创新设计了“并联式双果杯”。在该果杯结构中，2承托滚轮之间与翻果杆共同形成腰型凹位，正好承托1个球形果蔬。双通道的果杯通过轴联接形成稳固一体式机构，在双链条的驱动下运行、检测、自转、翻果更平稳更可靠。分选果杯综合定位、承托、输送、自转和翻果卸料功能于一体。果蔬进入果杯后，无需在成像检测后再过渡转换至卸料输送带，即可连续自动实现动态监测和按级别卸料等一系列动作。通过一系列的试验研究，系统软件完善和整机的设计，最终确定本机机型为双通道8分选出口，可设置进行8级大小分级或4级大小同时每级分选两种颜色等。设计机型可同时检测分选水果大小和颜色等特性，单通道分选速度达到20000个/h,其速度和精确率较高，检测分选响应迅速，而且工作平稳。在本机的链条下回程处设置了灵活高效的果杯回程清洗装置，在回程段对果杯进行彻底的清洗，避免长期运行时导致果杯表面粘附大量的蜡液与灰尘混合污迹，从而确保检测成像精度与动作响应灵敏度。智能分选机采用计算机视觉识别技术，配合计算机分析控制软件及高效终端自动执行机构，按需对果蔬进行形状、大小、颜色等特性的综合分选处理。检测分选速度大30000—40ooo+/h，大小分级精度达±1mm。实际生产检验效率约80%。特色和创新之处与国内外同类型的机型比较，本设备具以下特色和创新之处：1）清洗与保鲜处理一体化设计。果蔬经过喷淋毛刷清洗后随即进入抛水毛刷辊筒段，被擦除表面水分，紧接着进行喷涂保鲜处理。与传统清洗后经过烘干机再进入打蜡机的方式比较，本设备设计更紧凑更高效更节能。2）设计了自动清洁式保鲜液喷雾装置。程控实现保鲜液与清洁水的自动撤换，对喷头进行定时清理，避免喷头堵塞。既能延长喷头寿命，又能减少保鲜液的消耗量，更节能环保。3）并联式双杯设计。双通道的果杯通过轴联接形成稳固一体式机构，在双链条的驱动下运行、检测、自转、翻果更平稳可靠。4）果杯综合定位、承托、输送、自转和翻果卸料功能于一体。果蔬进入果杯后，无需在成像检测后再过渡转换至卸料输送带，即可连续自动实现动态检测和按级别卸料等一系列动作。5）应用计算机视觉识别技术，配合软件分析系统，按需进行不同种类果蔬的大小、颜色等特性的综合分选处理。结语本