CN105127110B - 一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，包括机架、速度建立模块、多光谱成像识别模块、分选执行模块和数据采集运算控制模块；速度建立模块就是要让被检塑料件达到设计速度，使当这些塑料件离开速度建立模块时，获得足够的速度从而建立起一条设计中所需要的抛物线飞行轨迹；在速度建立模块的上方安排的是多光谱成像识别模块，它可以识别所有的常用塑料；分选执行模块在塑料飞行的过程中，通过破坏塑料件的飞行轨迹实现对目标塑料件的分离；上述数据采集运算控制模块是整台自动分选机的神经中枢，负责速度建立模块、多光谱成像识别模块和分选执行模块的协同工作，从而完成被检塑料件的加速、识别、分选等操作；准确性高、效率高。

Description

一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机

技术领域

本发明涉及一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，属于混合塑料的干法分选领域。

背景技术

国家统计局调查显示，截止2014年末，全国汽车的保有量已经突破1.5亿辆，年报废量介于450万-750万辆；全国家电保有量为电视机3.5亿台、洗衣机1.7亿台、电冰箱1.3亿台，年家电报废量为电视机500万台、洗衣机500万台、电冰箱400万台，而空调的年更换量为1200万台。此外，还包括海量的热水器、煤气灶、脱排油烟机、电子与通讯器材需要报废。汽车和家电的报废拆解行业产生了大量混杂在一起的各种塑料的混合物。包装行业每年要消耗差不多1000万吨的各种塑料，这些塑料最终以各种形式混合在一起成为塑料垃圾。在塑料制品行业，注塑加工后的塑料下脚料也通常会混合在一起。不同种类的废旧塑料如果不加分选直接进行再生利用，由于极性的差异以及软化点和熔点的差异，材料容易产生分层现象，导致制成品的性能很差，例如，PVC塑料和其他几种常用的塑料都不相容，少量的PVC混杂就能使大量其他的塑料失去利用价值，具体来说，1公斤的PVC塑料就能够污染几吨的PET塑料，使PET失去利用价值。因此，在塑料再生利用行业里，为了使废旧塑料得到更高价值的回收利用，总是希望把各种不同种类的塑料进行分类，同时清除掉塑料中混合的各种杂质。特别是，如果采用燃烧的方式处理旧塑料，PVC在燃烧的过程中会产生有毒气体二噁英，危害人们的身体健康。所以，废旧塑料的种类分选也已经成为了塑料回收行业的共识。

在废旧塑料回收利用行业，塑料分类带来的直接经济利益，以及不分类所带来的经济损失和社会危害，迫切要求将废旧塑料按材质进行分类。旧塑料回收行业的实践是依靠人力、凭借肉眼观察，有时用火烧、通过闻气味和观察拉丝的现象，对各种塑料进行分类。这种依靠人力的旧塑料分类工作方式，其缺点是显而易见的：首先，随着‘一胎化’生育政策溢出效应的不断显现以及大学教育的普及化，日益老龄化的中国社会正在逐渐耗尽它的人口红利，‘用工荒’正在各行各业发生，特别是在薪水偏低、工作环境差的废旧塑料回收行业，劳动力供应已经变得无以为继、不可持续；其次，废旧塑料曾经被用作各种各样的用途，其表面附着有来自各行各业的残留物，及在日晒雨淋后混合在一起发酵和反应，常常挥发出对人体有害的气体和令人厌恶的气味，且人手触摸的也对人体造成伤害，这种靠牺牲劳动者健康而发展的行业是不可持续的；第三，依靠眼镜看、鼻子闻的方式，由于每个人的感官敏感度不一样，而且还存在着不可避免的人为差错，分选的准确性非常有限，目标塑料中常常混合着其他塑料杂质；还有，手工作业的效率非常低下，随着工人薪水水平的提高，塑料的手工分选越来越变得无利可图了，因此，废旧塑料回收行业急切地希望寻找到高效率、能自动化实现塑料种类分选的设备。

发明内容

为了解决现有技术中废旧塑料分类存在的效率低、准确性低、污染大、成本高等缺陷，本发明提供一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，包括机架、速度建立模块、多光谱成像识别模块、分选执行模块和数据采集运算控制模块；

速度建立模块包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围；变频电机与主动辊子电联接；

多光谱成像识别模块包括多光谱相机、卤素灯和光阑，光阑垂直安装在输送带上方的机架上；卤素灯垂直安装在光阑上方的机架上，卤素灯透过光阑实现对输送带上的被检塑料件的工作照明；多光谱相机安装在输送带上方的机架上，多光谱相机利用来自被检塑料件的光谱信号，获取被检塑料件的光谱成像信息；

分选执行模块包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；

变频电机、多光谱相机和每个高速电磁阀均与数据采集运算控制模块电联接。

本申请被检塑料件指待分类的废旧塑料混合物。

速度建立模块就是要让被检塑料件达到设计速度，使当这些塑料件离开速度建立模块时，获得足够的速度从而建立起一条设计中所需要的抛物线飞行轨迹；在速度建立模块的上方安排的是多光谱成像识别模块，它可以识别所有的常用塑料；分选执行模块在塑料飞行的过程中，通过破坏塑料件的飞行轨迹实现对目标塑料件的分离；上述数据采集运算控制模块是整台自动分选机的神经中枢，负责速度建立模块、多光谱成像识别模块和分选执行模块的协同工作，从而完成被检塑料件的加速、识别、分选等操作。

上述主动辊子起到驱动的作用，输送带的转动速度可以通过调节变频电机的转速来调节，最高可达5米/秒；卤素灯提供了一个从紫外、可见、一直到远红外的连续的照明光谱，它是一套廉价的照明方案，但却提供了丰富的谱线资源，卤素灯透过光阑对处于输送带上、高速运动中的被检塑料件进行照明，卤素灯的工作光谱，可以通过调节输入卤素灯的工作电流达到调节卤素灯的灯丝的温度，从而调节卤素灯的工作光谱；两个以上的高速电磁阀紧密排列。

数据采集运算控制模块中安装有塑料识别软件，该软件通过对多光谱相机获得的图像强度进行分析然后和标准样品进行比对，即可以实现对塑料种类的识别，数据采集运算控制模块根据塑料识别软件获得的结果，结合被检塑料件所处的位置信息，向分选执行模块下达分选执行指令，实现塑料分选操作，软件的具体实现和控制过程，参照现有技术。

数据采集运算控制模块在获得目标塑料件的识别信息后，还不能马上下达分选动作，它必须要利用塑料识别软件获取该目标塑料件的轮廓信息、计算出该目标塑料件的中心点以及该中心点在输送带上的位置信息，具体的获取方法和计算方法参照现有技术。

分选时，被检塑料件放置在输送带上，被检塑料件沿着输送带往前运行时，被卤素灯照亮，此时多光谱成像相机采集到成像信息，并把采集到的图像信息发送到数据采集运算控制模块，塑料识别软件对获得的数据信息进行分析对比，实现对塑料种类的辨认识别，当发现目标塑料件时，塑料识别软件还必须获取目标塑料件的轮廓信息并找到目标塑料件的中心，多光谱图像能够确定该中心的坐标位置(即根据多光谱成像相机采集到的多光谱图像，塑料识别软件可确定目标塑料件的中心)，在变频电机的带动下，到达输送带的末端时，离开输送带的表面，即被检塑料件在输送带上获得速度，然后在输送带的末端、靠近喷嘴的地方离开输送带，沿着预先设计好的飞行轨迹，形成工作抛物线；喷嘴被安装在工作抛物线的上缘，根据数据采集运算控制模块的命令执行分选操作；喷嘴的设计要使得从每一个喷嘴喷出来的气体都具有特定的发散角，以便实现对输送带上的一定范围实现控制，每一个高速电磁阀都跟数据采集运算控制模块相连接，并受数据采集运算控制模块的控制，当目标塑料件到达输送带的末端，沿着抛物线飞行轨迹飞行到喷嘴位置，数据采集运算控制模块向高速电磁阀发送开启指令，高压储气罐内的高压气体通过高速电磁阀经过喷嘴高速喷出，破坏目标塑料件的飞行轨迹，将目标塑料件打落，实现对目标塑料件的分选动作。未作介绍部分，参照现有技术。

被检塑料件获得的水平速度越高、飞行得越远，比如水平速度为1.5米/秒的塑料件，其飞行的轨迹要比水平速度为1米/秒的塑料件的飞行轨迹要远，而水平速度为2米/秒的塑料件的飞行轨迹要比水平速度为1.5米/秒的塑料件的飞行轨迹更远，依次类推。

上述自动分选机采用多光谱成像干法分选技术，具有干法识别、干法分选、分辨率高、分选准确、分选高效、分选无三废、产能大、通用性强等特点，实现了废旧塑料的全自动化分选，适合大规模的生产使用，无需大量的人力，可广泛应用于塑料垃圾的分选再生利用行业和塑料制品行业的塑料混合废料的回收利用。

汽车回收、家电回收、城市垃圾回收等过程中所涉及的废旧塑料，均可以采用本发明所制造的自动分选机进行分类回收。

上述喷嘴的设计有两个要求：一是必须实现射流喷出，不可产生乱流；二是气流喷出必须具有一定的发散角度要求，优选为10～45度，但不限于此。

为了进一步提高上述通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机的分选准确性，优选，卤素灯的安装为：使从卤素灯所发射出来的光透过光阑能够照射到输送带上的被检塑料件上，但是又不会让从被检塑料件上反射回来的光直接进入多光谱相机。即卤素灯的配置使得从卤素灯发射出来的光线不会直接反射进多光谱相机中，多光谱相机仅接收来自在输送带上的被检塑料件的漫射光。进一步优选，卤素灯的工作光路和多光谱相机的工作光路之间的夹角为30～60度。

为了实现对多种不同类型塑料更加准确的分类，优选，上述多光谱相机的光路设计：使来自被检塑料件的光谱信号，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均安装一个完全等价的相机镜头。即来自输送带上的被检塑料件的光，通过多光谱相机具有增透功能的保护窗后，至少要等强度地分成两条以上的光路，各条光路彼此完全等价；等价光路的条数根据被检塑料的种类来定。光路的具体分割可借助现有的分光装置来实现。

上述每条等价光路可完成一幅多光谱图像信息的采集，两幅以上的多光谱图像信息被输送到数据采集运算控制模块，塑料识别软件将对来自不同光路的多光谱图像进行分析比较，完成对被检塑料件的种类的辨认。

完全等价的相机镜头指各路上的相机镜头是完全等价的。

为了进一步提高并行识别塑料的准确性，优选，每个相机镜头从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列。

上述从外到内指从镜头外到镜头内的方向。

在所有的等价光路中，窄带滤光片的带通参数根据塑料分选工作的需要而设计得彼此不同，窄带滤光片的中心波长根据被检塑料件的光谱特征设定在不同的波长位置，优选，窄带滤光片的中心波长设定在被检塑料光谱的特征吸收峰位置。

作为本申请的其中一种改进，多光谱相机的光路设计：使来自被检塑料件的光谱信号，被等价地分成两条等价光路，其中，一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1656纳米的波长位置、另一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1724纳米的波长位置。这样可用于检测塑料混合物中常见的PET、HDPE、LDPE、PVC、PP、PS、PC、POM、PMMA等绝大部分的塑料品种。

这样，在输送带上高速运动的被检塑料件，通过整个精心设计的多路等价光路系统，在各路光的焦平面阵列上同时获得图像信号，从而获得了多光谱成像的信息，这些多光谱图像信息，被输送到数据采集运算控制模块，在那里通过塑料识别软件进行分析和比较，实现对塑料种类的辨认。

为了进一步提高自动分选机的分选效率，优选，自动分选机所有的电信号都直接或通过下位机而间接地跟数据采集运算控制模块相连接。

数据采集运算控制模块接受来自塑料分选机各部分的电子信息，也发出电子信息去控制和协调塑料分选机各部分的操作。

为了更进一步提高自动分选机的分选效率，优选，主动辊子或从动辊子的一端设有用来测量目标塑料件在输送带上位置的码盘，码盘与数据采集运算控制模块电联接。

数据采集运算控制模块是整个自动分选机的信息处理和指挥中枢，变频电机的状态、输送带的速度、测量目标塑料件在输送带上位置的码盘(可设再辊子的端面或输送带的侧边)数据、卤素灯的照明特性、多光谱成像相机获得的图像信息、高压储气罐中的压力状态、高速电磁阀的开关控制等信号，全部要直接或者通过下位机连接到数据采集运算控制模块，实现对整个自动分选机的总体控制。各单元信息的获取和处理、各功能单元之间的协调和同步、控制命令的发布，全部由数据采集运算控制模块统一完成，具体方法可参照技术。

为了进一步降低系统的噪声，更进一步提高自动分选机的准确性，优选，输送带的表面为深黑色的毛面。这样能最大可能地减少来自输送带发射光的干扰。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机采用多光路、多光谱的成像技术，不仅能够大幅度提高对塑料识别的精确度，而且使得本发明自动分选机可以适用于对所有常用废旧塑料的识别和分选，具有干法识别、干法分选、分辨率高、分选准确、分选高效、分选无三废、产能大、通用性强等特点，实现了废旧塑料的全自动化分选，适合大规模的生产使用，无需大量的人力，可广泛应用于塑料垃圾的分选再生利用行业和塑料制品行业的塑料混合废料的回收利，具有了通用性；宽谱卤素灯照明的采用，不仅降低了设备的成本，同时给本发明的扩展和灵活使用带来了很大的方便，也进一步提高了本发明的通用性；宽谱卤素灯的漫射照明方式和深黑色绒面输送带的采用，极大地抑制了背景噪声的水平，从而进一步提高了塑料识别的精确度；焦平面阵列的采用，使得并行识别塑料成为可能，在本发明的设备配置下，输送带的宽度可以提高到5米以上，加上输送带本身的高速运转，每小时可以分选10吨以上的废旧塑料，适合高产能的规模化生产企业使用。

附图说明

图1是本发明通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机的结构示意图。

图2是实施例1中多光谱成像识别模块的光路图。

图3是实施例1中卤素灯发射光谱图。

图4是塑料件在离开输送带后飞行的抛物线轨迹示意图。

图中，101.机架；102.辊子；103.变频电机；104.多光谱成像相机；105.卤素灯；106.高压储气罐；107.高速电磁阀；108.输送带；109.光阑；110.喷嘴；111.数据采集运算控制模块；201.焦平面阵列；202.窄带滤光片；203.带通滤光片；207.分光片；208.保护窗；209.被检塑料件；301.卤钨灯的发射光谱；401.输送带速度为2米/秒时塑料件的飞行轨迹；402.输送带速度为1.5米/秒时塑料件的飞行轨迹；403.输送带速度为1米/秒时塑料件的飞行轨迹；404.喷嘴安装处。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，包括机架、速度建立模块、多光谱成像识别模块、分选执行模块和数据采集运算控制模块；

速度建立模块包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围，输送带的表面为深黑色的毛面；变频电机与主动辊子电联接；主动辊子或从动辊子的一端设有用来测量目标塑料件在输送带上位置的码盘，码盘与数据采集运算控制模块电联接；

多光谱成像识别模块包括多光谱相机、卤素灯和光阑，光阑垂直安装在输送带上方的机架上；卤素灯垂直安装在光阑上方的机架上，卤素灯透过光阑实现对输送带上的被检塑料件的工作照明；多光谱相机安装在输送带上方的机架上，多光谱相机利用来自被检塑料件的光谱信号，获取被检塑料件的光谱成像信息；

分选执行模块包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且均装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；从喷嘴喷出气流的发散角度为30°；

自动分选机所有的电信号都直接或通过下位机而间接地跟数据采集运算控制模块相连接。

卤素灯的安装为：使从卤素灯所发射出来的光透过光阑能够照射到输送带上的被检塑料件上，但是又不会让从被检塑料件上反射回来的光直接进入多光谱相机，具体设计为卤素灯的工作光路和多光谱相机的工作光路之间的夹角成45度；

多光谱相机的光路设计：使来自被检塑料件的光谱信号，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均安装一个完全等价的相机镜头；每个相机镜头从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列；窄带滤光片的中心波长设定在被检塑料件的光谱吸收峰位置。

图2仅仅选取了其中的两条等价光路进行技术说明，设其中的一条光路是沿着竖直方向的带通滤光片、窄带滤光片和焦平面阵列行进，而另一条光路则沿着水平方向的带通滤光片、窄带滤光片和焦平面阵列行进，可以清楚地看到，这两条光路从任何意义上来讲都是完全等价的；两个窄带滤光片的带通参数根据塑料分选工作的需要而设计得彼此不同，具体地，竖直方向上的窄带滤光片的中心波长设计在1656纳米处，而水平方向上的窄带滤光片的中心波长则设计在1724纳米处。可用于检测塑料混合物中常见的PET、HDPE、LDPE、PVC、PP、PS、PC、POM、PMMA等绝大部分的塑料品种。这样，在输送带上高速运动的被检塑料件，通过整个精心设计的多路等价光路系统，在各路光的焦平面阵列(比如图2中竖直方向上的焦平面阵列和水平方向上的焦平面阵列)上同时获得图像信号，从而获得了多光谱成像的信息，这些多光谱图像信息，被输送到数据采集运算控制模块，通过塑料识别软件进行分析和比较，实现对塑料种类的辨认。具体地，以识别和分选常用的PET塑料为例，当来自竖直方向的信号(1656纳米的滤光片)除以来自水平方向的信号(1724纳米的滤光片)所得到的数值小于0.8，则被探测的塑料就是PET；相反，当来自竖直方向的信号(1656纳米的滤光片)除以来自水平方向的信号(1724纳米的滤光片)所得到的数值大于0.8，则被探测的塑料就不是PET，就需要剔除。据此可以实现对PET塑料的分选。

分选前，先将混合在一起的各种废旧塑料压扁，然后通过排队振动机械结构把这些被压扁了的废旧塑料送入本发明所述的自动分选机，需要注意的是，必须确保废旧塑料之间不可交叠在一起。当这些废旧塑料沿着输送带往前运动时，被卤素灯照亮，此时多光谱成像相机采集到成像信息，并把采集到的图像信息发送到数据采集运算控制模块，利用塑料识别软件对获得的数据信息进行分析对比，实现对塑料种类的辨认识别，当发现目标塑料件时，获取目标塑料件的轮廓信息并找到目标塑料件的中心；当目标塑料件到达输送带的末端，沿着图4中输送带速度为2米/秒时的飞行轨迹、输送带速度为1.5米/秒时的飞行轨迹、输送带速度为1米/秒时的飞行轨迹飞行到箭头所指的高速喷嘴安装处时，数据采集运算控制模块向高速电磁阀发送开启指令，高压储气罐内的高压气体通过高速电磁阀经过喷嘴高速喷出，破坏目标塑料件的飞行轨迹，将目标塑料件打落，实现对目标塑料件的分选动作。这样的分选操作将周而复始地进行，从而实现对大量废旧塑料实施分选的生产性作业。

上述输送带的宽度可以提高到5米以上，加上输送带本身的高速运转，每小时可以分选10吨以上的废旧塑料，准确率为99.99％。

Claims (8)

1.一种通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：包括机架、速度建立模块、多光谱成像识别模块、分选执行模块和数据采集运算控制模块；

速度建立模块包括变频电机、输送带、主动辊子和从动辊子；变频电机、主动辊子和从动辊子均安装在机架上；输送带一端套接在主动辊子的外围、另一端套接在从动辊子的外围；变频电机与主动辊子电联接；

多光谱成像识别模块包括多光谱相机、卤素灯和光阑，光阑垂直安装在输送带上方的机架上；卤素灯垂直安装在光阑上方的机架上，卤素灯透过光阑实现对输送带上的被检塑料件的工作照明；多光谱相机安装在输送带上方的机架上，多光谱相机利用来自被检塑料件的光谱信号，获取被检塑料件的光谱成像信息；

分选执行模块包括高压储气罐、高速电磁阀和喷嘴，高压储气罐安装在输送带末端的机架上；高速电磁阀有两个以上、且均装设在高压储气罐的侧壁；每个高速电磁阀的出气端均装有一个喷嘴；

变频电机、多光谱相机和每个高速电磁阀均与数据采集运算控制模块电联接；

卤素灯的安装为：使从卤素灯所发射出来的光透过光阑能够照射到输送带上的被检塑料件上，但是又不会让从被检塑料件上反射回来的光直接进入多光谱相机；

卤素灯的工作光路和多光谱相机的工作光路之间的夹角为30～60度。

2.如权利要求1所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：多光谱相机的光路设计：使来自被检塑料件的光谱信号，被等价地分成两条以上的等价光路，在每一条等价光路上，均安装一个完全等价的相机镜头。

3.如权利要求2所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：每个相机镜头从外到内依次包括：带通滤光片、透镜组、窄带滤光片和焦平面阵列。

4.如权利要求3所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：窄带滤光片的中心波长设定在被检塑料光谱的特征吸收峰位置。

5.如权利要求3所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：多光谱相机的光路设计：使来自被检塑料件的光谱信号，被等价地分成两条等价光路，其中，一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1656纳米的波长位置、另一等价光路上的窄带滤光片的中心波长被选择在1724纳米的波长位置。

6.如权利要求1-5任意一项所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：自动分选机所有的电信号都直接或通过下位机而间接地跟数据采集运算控制模块相连接。

7.如权利要求1-5任意一项所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：主动辊子或从动辊子的一端设有用来测量目标塑料件在输送带上位置的码盘，码盘与数据采集运算控制模块电联接。

8.如权利要求1-5任意一项所述的通用型的多光谱成像混合塑料的自动分选机，其特征在于：输送带的表面为深黑色的毛面；喷嘴所喷出气流的发散角为10～45度。