基于PLC控制的红枣无损自动分拣系统设计

2021-10-26于丽丽雷声媛

机械制造与自动化 2021年5期

于丽丽，雷声媛

(榆林职业技术学院机电工程系，陕西榆林 719000)

0 引言

自动分拣系统作为先进操作工具，其分拣速度较快，能够有效提高物流配送效率，帮助工作人员实现大批量以及连续性的货物分拣。在大规模生产过程中，采用自动分拣流水线工作方式，可以不受人工、时间以及气候等影响，实现连续工作，提升工作效率[1]。自动分拣系统虽能够有效地分拣货物，但需要在分拣之前设置输入程序，而相对于红枣这种表面有可能存在损坏的物品，仅使用自动分级分拣系统，无法对其实行有效分拣[2]。为此，如何提升产品无损分拣成为该领域研究的热点问题。

文献[3]设计了一种水果自动分级系统，用于水果的自动分级。该系统设计了分级系统的总体架构，借助机器视觉获取水果图像块，通过对图像的不断处理完成水果的分级。通过该方法对水果等级的划分效果较好，但对其表面的缺陷研究较少，存在一定局限。文献[4]设计了一种自动化分拣仓库中多AGV调度与路径规划算法，通过该算法提升分拣系统的分拣效率。该方法通过自适应变异和交叉概率生成初始种群，并通过交换邻域提升操作的收敛速度，提升仓库分拣的效率。该方法未过多考虑分拣物品等级等，仍需要进一步的改进。

基于上述方法中存在的不足，本文借助PLC设计一种红枣无损自动分拣系统。通过在PLC上安装传感器，将提取红枣特征输入，检测存在缺陷的红枣，完成红枣的无损分拣。与传统系统相比具有一定优势。

1 红枣分拣算法设计

1.1 红枣图像特征提取

为完成红枣无损分拣系统的设计，首先提取红枣的矩形、短轴、长轴、位置、周长以及面积等特征。

1)红枣面积：将红枣图像面积作为像素点，设置其面积计算公式为

(1)

式中：1代表目标；0代表背景；f(x,y)代表像素点数量。

2)红枣图像位置：红枣处于图像内会存在一定面积，所以定义红枣处于图像内准确位置，即为图像内位置中心。

对于m×n大小目标，其图像区域形心为：

(2)

(3)

3)红枣周长：红枣周长的计算可以将其周长通过边界点数和进行表示[5]。

4)矩形度、长轴以及短轴：相对于椭圆来说，长轴是将椭圆两点进行连接获得的最长直线，但其最长线段是指经过椭圆形中心后垂直于短轴的线；短轴线段的获取与长轴相同[6]。

1.2 红枣表面缺陷检测

由于肉眼观察存在很多限制因素，对红枣表面的缺陷不能以定量的形式进行描述。为此，利用颜色度量，通过RGB(红、绿、蓝)以及HSV色度、颜色深浅以及亮度的空间模型颜色特征，反映红枣表面缺陷。

1)RGB颜色空间

RGB颜色空间示意图如图1所示。

图1 RGB颜色模型图

通过分析图1可以看出，该模型的颜色组合为红、绿、蓝三种基色，其坐标原点为(0,0,0)，三种通道像素为0，此模型通过一定权重组合表示所有颜色，即利用红(R)、绿(G)、蓝(B)进行表示，即

C=w1·R+w2·G+w3·B

(4)

式中wi代表相应某一种颜色权重。

2)HSV颜色空间

HSV颜色的空间构造图如图2所示。

图2 HSV颜色模型图

该模型呈现“倒立”锥形样式，其底面被均匀地分成6个部分。其中，红色是0°，以60°变换一次，每变换一次则变换一种颜色，分别为：品红色、红色、青色、绿色以及黄色。此模型H分量表示色调，S分量表示颜色饱和度，V分量表示颜色明亮的程度[7]。

3)缺陷检测

将上述RGB以及HSV的空间模型颜色特征与加权融合机制进行结合，确定红枣缺陷。

红枣本质特征参数权值可以表示为

(5)

式中：ωi表示分量的权值；Ri表示两种特征识别率。通过计算获得融合特征Feat，得

Feat=[ω1·CColor,ω2·CTexture]

(6)

利用支持向量机分类器分类训练红枣特征向量，从而实现缺陷检测。支持向量机能够很好地将非线性分类以及小样本问题进行解决，存在较好泛化以及推广能力，此时，红枣缺陷检测的决策函数为

(7)

(8)

由于径向基核函数可以实现复杂非线性的分类问题，并且能够有效训练参数，降低计算复杂度，能够很好地将红枣表面缺陷特征进行检测[8]。

2 PLC控制的分拣系统设计

为了更好地将红枣进行分拣，分拣系统的设计主要以功能模块的实现为主。在功能模块设置中设计了送枣、分拣红枣、进料以及红枣输送功能模块。其中送枣即为送料，分拣红枣即为分拣功能的设置。采用气动控制方式对这些模块进行驱动。此外，还需要在所有模块上安装传感器，以此传输红枣颜色、状态以及位置等信息，利用PLC实现对整体系统的控制。

该分拣系统包含PLC的控制程序、机械本体以及气动控制。其工作流程如图3所示。

图3 整体系统的工作流程

此系统主要使用PLC作为控制元件，通过开关按钮，使分拣系统进行回位，让系统状态回到起始设定的状态，再利用PLC控制启动送料模块，运转待料盘，进行启动。

将启动按钮以及停止按钮设置为一个按钮，同时设计待机按钮，系统可利用该按钮对系统实现待机状态，在待机状态下，全部器件复位。将红枣通过送料位置进行下料至预检点，利用光电开关传感器，检测红枣是否存在。同时，对安全以及节能等多种因素进行考虑，运行时间超过设定延迟时间后，未检测到红枣，送料机构也没有输送红枣，系统停机且报警处理[9]。

检测设备在检测存在红枣时，会发送有料信号，利用PLC控制机械手臂的夹爪，对红枣实行夹取，将机械臂提升回到起始位置，机械手会进行旋转，抵达事先设定位置，伸出手臂将红枣放在输送带上。这时传感器会检测是否有红枣存在，然后输送带运输红枣，当传感器发现存在红枣时，机械手返回至起始位置，重复循环。

对红枣外观颜色以及其表皮纹路，可以利用配备的传感器完成检测，再采用PLC控制相对应气缸实现驱动，完成整体红枣自动无损分拣的流程。

2.1 送料模块

在红枣送料模块中，设置检测传感器、输送电机以及红枣输送机。系统利用PLC对送料机的运转进行控制，此模块控制输入输出信号包含检测是否有物料，通过反馈、启动送料电机信号和设备启动。

控制电机驱动转盘旋转时，该电机为24V的直流电机，减速机输出转速为8r/min。红枣定位支架能够固定与限制红枣。保证可以按照预先程序，实现红枣的固定输入。

2.2 进料搬运模块

系统进料搬运模块设计，主要采用安装支架、提升臂、起动夹爪、旋转气缸、位置传感器、伸缩臂以及缓冲器等。该模块运行过程中通过抓取、伸缩等运动完成红枣的搬运。

使用传感器检测全部运动位置，以此完成反馈。检测包含：机械臂伸缩是否处于设定的位置，分别在两个位置安装传感器，对机械臂运行位置至固定的位置检测。机械夹爪的夹取以及放开红枣，也是利用双电控气阀对其进行控制，在夹爪夹紧后，反馈输出信号。

利用机械手的传感信号对系统进行旋转检测。该设计模式是将机械臂伸缩动作，通过设置的传感器确定进料位置，在红枣运送过程中采用气动完成旋转动作缓冲的减速[10]。

利用PLC对进料机构的夹取以及启动控制，经过所有开关量的信号反馈[11]，从而执行各运行的动作，具体的控制方案流程如图4所示。

图4 红枣进料搬运的流程

2.3 物料输送以及分拣

红枣输送以及分拣通过电动机、料槽、电感式传感器、缸、光电开关、节流阀、进料口的设置完成。物料输送系统要对输送带进行检测，观察是否有红枣通过，进而会给系统一个物品检测信号。该区域设置传感器对其检测，利用机械加工进料口，检测红枣的进料位置。再利用料槽存放红枣，通过传感器检测红枣，具体感应距离为10～35 mm，以实际安装检测距离作为标准。

通过PLC控制分拣系统的电机和输送带的变频器。反馈红枣是否存在损伤，通过气缸执行推料命令，把所需要红枣推入待料槽内，具体气缸运行动作利用电控气阀实现控制[12]。红枣输送以及分拣如图5所示。