CN104959319B - 一种带速与水果重量的易损水果自适应分级方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应带速与水果重量的易损水果分级执行装置与方法。包括易损水果输送模块、水果称重模块、输送带速度监测模块、PLC控制模块，输送模块用于传送待分级水果，水果称重模块获得待分级水果的重量，输送带速度实时监测模块在线监测输送带的速度，PLC控制模块根据监测到的水果重量与输送带速度得到分级执行机构最优的转动角度，并控制伺服电机按一定的转速带动水果分级执行机构转动对应的角度，准确的完成易损水果的分级。本发明利用实时监测到的带速和水果重量信息自动调整分级执行机构转动的角度，适用于不同带速和不同质量条件下易损水果的准确分级。
Description
技术领域
本发明涉及水果分级执行装置，特别是涉及了一种自适应带速与水果重量的易损水果分级执行装置与方法。
背景技术
我国是一个水果生产大国，2013年中国水果的总产量达到了25093.0万吨，其中易损伤水果苹果和梨的产量分别达到3968.3万吨和3320.9万吨，两者之和占国内水果总产量的29.05％，对收获后的水果进行分级可以在满足不同消费者需求的同时显著地提高水果的经济价值，提高果农和果商的收入。由于，苹果和梨皮薄容易损伤，传统的滚子输送方式受到了限制。
针对适用于易损水果分级的基于自由托盘输送的分选方式，经大量文献检索，申请号为CN200920045886.6、CN201110176476.7和CN201120222895.5的专利虽然都提出了一种水果分级的分级装置，但水果分级的分级执行组件不能根据装置中待分级水果的重量和带动水果运动的链条速度的变化自动的做出对应的调整，从而无法使不同重量的水果和不同链速下运动的水果准确的完成分级。若待分级水果的重量或带动水果运动的链条速度改变时现场对分级执行组件进行调试则缺乏科学依据，且会浪费大量的人力物力和时间，从而限制了此种水果分级装置不同工况下的使用。
发明内容
针对现有的水果分级装置上的水果分级执行组件不能适用不同工况条件的缺点，本发明提出了一种自适应带速与水果重量的易损水果分级执行装置与方法，在保证易损水果分级准确性的同时可根据输送带的速度和待分级水果的重量自适应调整分级执行组件转动角度。本发明分级准确率高、自动化程度高，此种分级执行组件可在保证水果准确分级的同时自动的适应待分级水果重量的变化和输送带速度的变化，满足不同工况条件下水果分级的使用，为自适应水果分级执行组件的设计提供了一种科学有效的思路。
本发明采用的技术方案是：
一、一种自适应带速与水果重量的易损水果分级执行装置：
包括用于待分级水果传送的输送模块，输送模块主要包括分级区输送带和衔接到分级区输送带中部侧方的等级区输送带，等级区输送带与分级区输送带相垂直；
包括用于待分级水果重量监测的水果称重模块，水果称重模块位于分级区输送带入口处并与分级区输送带衔接；
包括安装在分级区输送带上的输送带速度监测模块；
包括分别与水果称重模块、输送带速度监测模块、分级执行机构连接的PLC控制器，PLC控制器对分级执行机构进行控制。
所述的水果称重模块包括称重输送带、同步带、同步轮、称重传感器支撑座和称重传感器，称重传感器的一端固定在称重传感器支撑座上，称重传感器的另一端与支撑架相连，称重模块输送带安装在支撑架上，支撑架上装有同步轮，同步轮经同步带与称重模块输送带的主动轮相连，称重传感器经变送器与PLC控制器电连接。
所述的分级执行组件包括分级执行机构、光电开关和伺服电机，分级执行机构水平安装在正对等级区输送带的分级区输送带中部的一侧，伺服电机的输出轴向上与分级执行机构的一端固定连接，分级执行机构绕伺服电机输出轴旋转，光电开关安装在分级执行机构的侧方检测水果托盘的位置，伺服电机经驱动器与光电开关一起连接PLC控制器。
所述的输送带速度监测模块包括编码器，分级区输送带驱动轮上安装编码器，编码器监测分级区输送带驱动轮的转速。
所述的等级区输送带与分级区输送带的上表面传送带的底面设有用于刚性支撑传送面的输送带支撑板，输送带支撑板的两侧设有用于防止水果侧落的挡杆，挡杆高于等级区输送带与分级区输送带的上表面。
二、一种带速与水果重量的易损水果自适应分级方法：
A)当水果在输送带的作用下传送，经过称重模块时通过称重传感器得到水果的重量；与分级区输送带驱动轮同轴安装的编码器实时监测得到分级区输送带的运动速度；
B)得到的水果重量和分级区输送带的运动速度信息传送到PLC控制器后，经PLC控制器处理后得到分级执行机构最优转动角度；
C)当水果托盘及其上水果在分级区输送带的运动作用下运动到接近分级区输送带与等级区输送带交界处时被对应等级口的光电开关检测到，光电开关触发PLC控制器控制伺服电机带动分级执行机构以最优转动角度旋转作用于水果托盘，水果托盘及其上的水果被推动到侧方的等级区输送带，实现分级。
所述的水果重量和分级区输送带的运动速度信息在PLC控制器中根据预设的回归模型运算后得到分级执行机构最优转动角度。
所述的分级区输送带驱动轮上的编码器发送脉冲信号给PLC控制器实时计 算带速。
所述的PLC控制器把分级执行机构转动的最优角度信息传送给驱动器，驱动器驱动伺服电机以转速带动水果分级执行机构转动相应的角度，最终准确的完成易损水果的分级。
本法通过水果称重模块获得待分级水果的重量，输送带速度实时监测模块在线监测输送带的速度，PLC控制模块根据监测到的水果重量与输送带速度得到分级执行组件最优的转动角度，并控制伺服电机按一定的转速带动水果分级执行组件转动对应的角度，准确的完成易损水果的分级。
与现有水果分级执行装置相比具有以下有益效果：
本发明分级准确率高、自动化程度高。当待分级水果的重量或输送带速度发生变化时，与水果分级执行组件固定连接的伺服电机自动地调整分级执行组件转动的角度，从而完成水果的准确分级。
本发明可适用于不同水果重量和不同带速条件下的水果分级，减少了大量的人力物力和时间成本，具有较好的商业应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的称重模块正视图。
图3为本发明的工作过程原理流程图。
图中：1、分级区输送带，2、驱动轮，3、编码器，4、分级执行机构，5、光电开关，6、伺服电机，7、等级区输送带，8、输送带支撑板，9、挡杆，10、水果，11、水果托盘，12、称重输送带，13、同步带，14、同步轮，15、称重传感器支撑座，16、称重传感器，17、支撑架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括：
包括用于待分级水果传送的输送模块，输送模块主要包括分级区输送带1和衔接到分级区输送带1中部侧方的等级区输送带7，等级区输送带7与分级区输送带1相垂直；
包括用于待分级水果重量检测的水果称重模块，水果称重模块位于分级区输送带1入口处并与分级区输送带1衔接，水果10置于水果托盘11上，检测水果重量时水果托盘11置于水果称重模块上；
包括安装在输送带上的输送带速度监测模块；
包括安装在分级区输送带1和等级区输送带7交界处的分级执行组件；
包括分别与水果称重模块、输送带速度监测模块、分级执行组件连接的PLC控制器，PLC控制器对分级执行进行控制。
水果称重模块包括称重输送带12、同步带13、同步轮14、称重传感器支撑座15和称重传感器16，称重传感器16的一端固定在称重传感器支撑座15上，称重传感器16的另一端与支撑架17相连，称重模块输送带12安装在支撑架17上，支撑架17上装有同步轮14，同步轮14经同步带13与称重模块输送带12的主动轮相连，称重传感器12经变送器与PLC控制器电连接。
分级执行组件包括分级执行机构4、光电开关5和伺服电机6，分级执行机构4水平安装在正对等级区输送带7的分级区输送带1中部的一侧，伺服电机6的输出轴向上与分级执行机构4的一端固定连接，光电开关5安装在分级执行机构4的侧方检测水果托盘11的位置，伺服电机6经驱动器后与光电开关5一起连接PLC控制器。
输送带速度监测模块包括编码器3，分级区输送带驱动轮2上安装编码器3，编码器3监测分级区输送带驱动轮2的转速。
等级区输送带7与分级区输送带1的上表面传送带的底面设有用于刚性支撑传送面的输送带支撑板8，输送带支撑板8的两侧设有用于防止水果侧落的挡杆9，挡杆9高于等级区输送带7与分级区输送带1的上表面。
挡杆9起到对水果托盘11和其上水果10的限位作用，防止其脱离分级区输送带1和等级区输送带7。
水果10放置于水果托盘11上，水果托盘11中心的柔性材料可防止水果10在分级的过程中受损；光电开关5检测水果10和水果托盘11的位置并反馈给PLC控制器，PLC控制器判别当前水果的级别并执行分级控制，如果水果属于当前级别则PLC控制器控制伺服电机带动分级执行机构4转动将水果从分级区输送带1拨到侧方的等级区输送带7，实现分级。
分级执行机构4与伺服电机6同轴固定连接，伺服电机6可带动分级执行机构4同步转动。
称重输送带12的上表面与分级区输送带1的上表面高度一致且两输送带的宽度相同，称重输送带12的中心线与分级区输送带1的中心线在一条直线上，称重模块与输送模块既紧邻且有一定的间隙。
如图3所示，本发明装置的分级方法具体包括：
A)当水果在输送带的作用下经过称重模块上，通过称重传感器16得到水果的重量；与分级区输送带驱动轮2同轴安装的编码器3实时监测得到分级区输送带1的运动速度；
B)得到的水果重量和分级区输送带1的运动速度信息传送到PLC控制器后，经PLC控制器处理后得到分级执行机构最优转动角度；
C)当水果在分级区输送带1的运动作用下运动到接近分级区输送带1与某等级区输送带7交界处时被光电开关检测到，可先触发PLC控制器判断该水果是否属于当前等级区输送带7所在分级口的等级，若该水果属于当前等级，则PLC控制伺服电机6带动分级执行机构以最优转动角度旋转作用到水果托盘，水果托盘及其上的水果被推动到侧方的等级区输送带7，实现分级。
最终水果托盘在分级执行机构、分级区输送带和等级区输送带的共同作用力下准确的完成水果分级。
水果重量和分级区输送带1的运动速度信息在PLC控制器中根据预设的水果回归模型运算后得到分级执行机构最优转动角度。
分级区输送带驱动轮2上的编码器发送脉冲信号给PLC控制器可编程逻辑控制器实时计算带速。
PLC控制器把分级执行机构转动的最优角度信息传送给驱动器，驱动器驱动伺服电机以转速带动水果分级执行机构转动相应的角度，最终准确的完成易损水果的分级。
本发明的水果回归模型是指对易损水果分级准确性影响较大的因素输送带的速度、分级执行机构转动的角度、水果的重量等进行实验设计并在试验实施后进行实验结果分析，最后得到关于水果在分级执行组件的作用下运动到等级区输送带后水果托盘的质心到等级区输送带中心线距离大小可正可负的水果回归模型。具体可为：
1)建立易损水果分级机的虚拟样机模型，进行仿真：在三维建模软件中建立易损水果分级机的支撑架和水果分级执行组件，建立分级区输送带和等级区输送带，并将建立的易损水果分级机的支撑架和分级执行机构的模型导入，输送带和易损水果分级机支撑架和分级执行组件装配后给建立的装配体添加材料、约束、力、运动；
2)对仿真结果进行分析处理，得到易损水果分级准确性的回归方程：可进行极差分析、方差分析、回归分析，最后得到易损水果分级准确性的回归方程，作为水果回归模型。
本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：
在Adams动力学仿真软件中建立水果分级的三维模型，考虑对水果分级准确率影响较大的三个因素：输送带的速度、分级执行机构转动的角度、水果的重量，设计三因素三水平的正交试验并在Adams中进行虚拟仿真实验，对实验 结果进行回归分析后得到回归方程：Y＝307.555-1.091X1-237.772X2-0.357X3，其中Y表示水果在分级执行组件的作用下运动到等级区输送带后水果托盘的质心到等级区输送带中心线的距离大小(可正可负)，X1、X2、X3分别表分级执行机构转动的角度、输送带的速度、水果的重量。
打开电源，对称重模块进行标定后把水果托盘及其上水果平稳的放置在称重模块前端的输送带上，水果托盘及其上水果进入称重输送带后，在称重输送带的作用下运动，称重传感器检测待分级水果的重量，变送器将称重传感器输出的与水果重量对应的微弱电压信号进行放大和滤波，PLC通过AD模块采集信号从而得到水果的重量，编码器实时监测分级区输送带驱动轮的转速，驱动轮的转速信息传给PLC后PLC进行驱动轮的转速乘以驱动轮的周长的运算后得到输送带的运动速度，PLC再根据事先得到的关于水果重量和输送带速度的水果模型(令Y＝0，X2等于输送带的速度，X3等于水果的质量)运算后得到使水果准确分级的分级执行最优转动角度X1。
当水果托盘及其上水果在分级区输送带的运动作用下运动到对应等级口的光电开关处时，PLC通过光电开关检测到水果的到来并判断该水果是否属于当前等级，若该水果属于当前等级，则PLC控制伺服电机带动分级执行组件以一定的转速转动最优角度作用于水果托盘，最终水果托盘及其上水果在分级执行组件、分级区输送带和等级区输送带的共同作用力下准确的完成水果分级。
在本实施例中，PLC控制器选用三菱FX2N-48MR-001型，此控制器带24点输入24点继电器输出，CPU运算处理速度达0.08μS/基本指令；伺服电机选用三菱HG-KR13J型，它的额定转速为3000r/min，最高转速为6000r/min；驱动器选用三菱MR-J4W3-222B型三轴一体伺服驱动器，通信速度为150Mbps,通信周期为0.22ms，并且可同时驱动三个伺服电机；编码器选用欧姆龙E6B2-CWZ6C型，分辨率为2000P/R，输出方式为NPN集电极开路输出，最高相应频率为100kHz。经验证，本实施例中水果分级的准确率达到100％，可见本发明有效可行，具有显著的技术效果。
Claims (3)
1.一种带速与水果重量的易损水果自适应分级方法，其特征在于采用以下装置：
包括用于待分级水果传送的输送模块，输送模块主要包括分级区输送带（1）和衔接到分级区输送带（1）中部侧方的等级区输送带（7），等级区输送带（7）与分级区输送带（1）相垂直；
包括用于待分级水果重量监测的水果称重模块，水果称重模块位于分级区输送带（1）入口处并与分级区输送带（1）衔接；
包括安装在分级区输送带（1）上的输送带速度监测模块；
包括分别与水果称重模块、输送带速度监测模块、分级执行机构连接的PLC控制器，PLC控制器对分级执行机构进行控制；
所述的水果称重模块包括称重输送带（12）、同步带（13）、同步轮（14）、称重传感器支撑座（15）和称重传感器（16），称重传感器（16）的一端固定在称重传感器支撑座（15）上，称重传感器（16）的另一端与支撑架（17）相连，称重模块输送带（12）安装在支撑架（17）上，支撑架（17）上装有同步轮（14），同步轮（14）经同步带（13）与称重模块输送带（12）的主动轮相连，称重传感器（16）经变送器与PLC控制器电连接；
所述的分级执行组件包括分级执行机构（4）、光电开关（5）和伺服电机（6），分级执行机构（4）水平安装在正对等级区输送带（7）的分级区输送带（1）中部的一侧，伺服电机（6）的输出轴向上与分级执行机构（4）的一端固定连接，光电开关（5）安装在分级执行机构（4）的侧方检测水果托盘（11）的位置，伺服电机（6）经驱动器与光电开关（5）一起连接PLC控制器；
所述的输送带速度监测模块包括编码器（3），分级区输送带驱动轮（2）上安装编码器（3），编码器（3）监测分级区输送带驱动轮（2）的转速；
所述的等级区输送带（7）与分级区输送带（1）的上表面传送带的底面设有用于刚性支撑传送面的输送带支撑板（8），输送带支撑板（8）的两侧设有用于防止水果侧落的挡杆（9），挡杆（9）高于等级区输送带（7）与分级区输送带（1）的上表面；
方法步骤是：
A）当水果在输送带的作用下传送，经过称重模块时通过称重传感器（16）得到水果的重量；与分级区输送带驱动轮（2）同轴安装的编码器（3）实时监测得到分级区输送带（1）的运动速度；
B）得到的水果重量和分级区输送带（1）的运动速度信息传送到PLC控制器后，经PLC控制器处理后得到分级执行机构最优转动角度，最优转动角度指的是使水果准确分级的分级执行机构的转动角度；
分级执行机构最优转动角度是由水果重量和分级区输送带（1）的运动速度信息在PLC控制器中根据预设的回归模型运算后得到，预设的回归模型是关于分级区输送带（1）的运动速度信息、分级执行机构转动角度和水果重量三个因素的回归模型；
是设计三因素三水平的正交试验并在Adams中进行虚拟仿真实验，对实验结果进行回归分析后得到回归方程，具体是包括以下方式获得：
1）建立易损水果分级机的虚拟样机模型，进行仿真：在三维建模软件中建立易损水果分级机的支撑架和水果分级执行组件，建立分级区输送带和等级区输送带，并将建立的易损水果分级机的支撑架和分级执行机构的模型导入，输送带、易损水果分级机支撑架和分级执行组件装配后给建立的装配体添加材料、约束、力、运动；
2）对仿真结果进行分析处理，得到易损水果分级准确性的回归方程：可进行极差分析、方差分析、回归分析，最后得到易损水果分级准确性的回归方程，作为预设的回归模型；
C）当水果托盘（11）及其上水果（10）在分级区输送带（1）的运动作用下运动到接近分级区输送带（1）与等级区输送带（7）交界处时被对应等级口的光电开关（5）检测到，光电开关（5）触发PLC控制器控制伺服电机（6）带动分级执行机构（4）以最优转动角度旋转作用于水果托盘（11），水果托盘（11）及其上的水果（10）被推动到侧方的等级区输送带（7），实现分级。
2.根据权利要求1所述的一种带速与水果重量的易损水果自适应分级方法，其特征在于：所述的分级区输送带驱动轮（2）上的编码器（3）发送脉冲信号给PLC控制器实时计算带速。
3.根据权利要求1所述的一种带速与水果重量的易损水果自适应分级方法，其特征在于：所述的PLC控制器把分级执行机构（4）转动的最优转动角度传送给驱动器，驱动器驱动伺服电机（6）以转速带动水果分级执行机构（4）转动相应的角度，最终准确的完成易损水果的分级。
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2015
- 2015-06-30 CN CN201510379783.3A patent/CN104959319B/zh active Active
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