CN110090818A - 一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法。次品物料下落到色选装备的滑槽出口处时，由CCD相机进行拍摄，根据成像确定气嘴作用范围和次品物料的质量。当次品物料落至气嘴位置时，根据色选装备中次品收集箱的位置，确定剔除某一次品物料需要的气嘴气流流量。次品物料受到气嘴气流作用后，偏离原始轨迹，落入次品收集箱，分选过程完成。本发明通过控制作用气嘴范围、数量和气嘴气流流量来将次品物料喷出，使其进入次品收集箱，实现了物料分选时气嘴高精细气流自适应控制。

Description

一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法

技术领域

本发明涉及分拣装备的设计技术领域，涉及色选装备气流控制领域。针对物料选择时分选精度低、分选气流消耗大的问题，提出新的气嘴气流自适应控制方法。

背景技术

智能色选设备是一种光机电一体化的高科技设备。该设备能识别和剔除运动颗粒中的杂质，能对各种不同颗粒的色差进行快速的识别和分类，在散体物料包装工业和食品加工业等领域有着非常广泛的应用。随着技术创新的不断推进，色选机的设计已经发展到了精细化、智能化的阶段。

针对不同物料提供更高的色选精度和降低能耗，是研发人员面前的两大主要任务目标。智能色选给装备需要基于不同输送物料，实现智能色选。智能色选装备工作时，通常利用气阀组件控制气嘴气流的工作状态将次品去除，因此色选过程中，气嘴的开关状态和气嘴气流流量的控制对于色选装备的性能提高非常重要。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，针对色选装备在使用气流喷射进行物料选择时分选精度低、分选气流消耗大的问题，本发明提供了一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，能动态检测物料的体积、位置，自适应调节气嘴工作范围和气嘴气流气量，实现了物料分选时气嘴高精细气流自适应控制。

如图3所示，本发明的技术方案具体包括以下步骤：

步骤1：物料沿滑槽下落，在滑槽出口处由CCD相机图像实时采集，图像输入到上位机进行处理识别为次品物料和正常品物料，并且根据图像处理获得次品物料所在图像截面区域，进而获得次品物料所在图像截面区域的面积S；取截面面积和面积S相同的球体体积作为物料体积V，再计算次品物料的质量m＝物料密度ρ×物料体积V；

步骤2：在滑槽出口处，根据CCD相机连续拍摄，根据图像处理获得次品物料所在图像截面区域的质心位置(x_c，y_c)和质心水平方向宽度L，x_c、y_c分别表示质心位置的水平坐标和纵向坐标，水平方向为垂直于滑槽下落的水平方向，并处理获得次品物料在滑槽出口处的初速度v₀；

步骤3：根据质心位置的水平坐标x_c和质心水平方向宽度L，获得用于吹除次品物料的中心气嘴和辅助气嘴的位置和数量N以及气流流量，进而控制气嘴工作，使得次品物料滑出滑槽后在气嘴气流作用下偏离原始轨迹落入次品收集箱进而实现分选；

步骤4：上述步骤是针对某个位置的单个次品物料的开启的气嘴和及其流量确定，由控制系统控制相应气嘴位置的气阀启闭和流量。实际进行分选工作时，控制系统同步连续运行上述步骤对经过滑槽的各个物料进行实时识别和处理，实现用于物料流分选的高精细气流自适应控制。

所述步骤1中，物料密度已知，在色选装备工作前输入，是实验测得的物料平均密度，所述的物料体积V计算为则质量m计算为

所述步骤2中，次品物料在滑槽出口处的初速度v₀由CCD相机拍摄间隔为Δt连续两次图像处理得到：

其中，表示前时刻拍摄图像处理得到的次品物料所在图像截面区域的质心纵向坐标，表示后时刻拍摄图像处理得到的次品物料所在图像截面区域的质心纵向坐标，Δt表示前后时刻之间的时间差。

物料沿物料滑槽下落，在滑槽出口处的初速度(v₀)，与水平方向夹角即为滑槽倾角(α)。

所述步骤3具体为：

3.1)多个气嘴沿水平方向直线一排分布，距离拍摄图像中次品物料所在图像截面区域的质心水平位置x_c最近的一个气嘴作为中心气嘴；

3.2)多个辅助气嘴在中心气嘴的紧邻两侧对称分布，辅助气嘴和中心气嘴共同作用，处理获得辅助气嘴的总数量每侧气嘴的数量为L_g表示相邻气嘴之间的间隔，如图2所示；

3.3)利用气嘴气流对次品物料作用的动量(m×v_f)设置辅助气嘴的气流流量q_g，采用以下公式处理获得标准速度v_f：

式中，g表示重力加速度，α表示物料滑槽的倾角，β表示气嘴方向与水平方向夹角，x_O、y_O分别表示次品收集箱的入口边缘和滑槽出口处的相对位置，即滑槽出口处到成品收集箱和次品收集箱之间的分界位置的水平距离和垂直距离；

3.4)气嘴距离物料距离较近，气嘴喷射时按照下式计算气嘴的气流流速：

式中，ρ_g表示气嘴气流密度，S_g表示气嘴出口面积；v_f表示次品物料滑出滑槽后受气嘴气流作用改变运动轨迹进入次品收集箱的标准速度；N表示辅助气嘴的总数量，N+1表示作用气嘴的总数量(辅助气嘴+中心气嘴)；

3.5)再根据下式分别计算获得辅助气嘴的气流流量q_g和中心气嘴的气流流量

q_g＝v_gS_g

3.6)按照辅助气嘴的气流流量q_g和中心气嘴的气流流量控制中心气嘴和N个辅助气嘴工作。

控制作用气嘴数量和中心气嘴位置可以实现控制气嘴气流作用范围。

所述的智能色选装备包括用于物料输送的滑槽、CCD相机和气嘴，滑槽出口处侧上方设有CCD相机，CCD相机连接上位机，滑槽出口处侧下方设有一排气嘴，气嘴连接气阀，滑槽出口处正下方设有成品收集箱和次品收集箱，成品收集箱相比次品收集箱更靠近滑槽出口处正下方，气嘴用于吹动从滑槽出口处落下的物料到次品收集箱。

所述的成品收集箱位于滑槽出口处下方。

所述一排的气嘴的排列方向为垂直于滑槽下滑方向的水平方向。

本发明所述的物料是指颗粒状物料。

物料密度是根据实验测得的物料密度平均值，质心水平方向宽度指的是在CCD相机拍摄的物料截面上，经过质心的水平方向、以该方向截面边界为端点的线段的长度。

气嘴方向与水平方向夹角为β，气嘴气流对次品物料产生动量，动量方向与气嘴方向相同。

所述的次品收集箱和滑槽出口的相对位置是滑槽出口与成品、次品收集箱的分界位置的水平距离(x₀)、垂直距离(y₀)，具体实施中在剔除的次品物料在水平方向上经过x₀距离时，将垂直方向实际运动距离设置为0.9×y₀，能使次品物料能够进入次品收集箱。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制作用气嘴范围、数量和气嘴气流流量来将次品物料喷出，使其进入次品收集箱。

次品物料下落时，根据位置和形状特性准确定位作用气嘴范围，利用多个小直径气嘴同时工作，有效地提高了分选的精度。根据物料运动状态、形状、质量，自适应控制气嘴气流流量并配合多个小直径气嘴同时工作，降低了气流消耗。

附图说明

图1为本发明所涉及的智能色选装备工作原理示意图；

图2为本发明所涉及的控制过程定位原理示意图；

图3为本发明所涉及的高精细气流控制过程示意图。

图中：物料1、CCD相机2、次品收集箱3、成品收集箱4、气嘴5、滑槽6。

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所示，具体实施采用智能色选装备，包括用于物料输送的滑槽、CCD相机和气嘴，滑槽出口处侧上方侧下方各设有CCD相机(两台同时检验两面来判断是否为次品，同时工作)，CCD相机连接上位机，滑槽出口处侧下方设有一排气嘴，气嘴连接气阀，滑槽出口处正下方设有成品收集箱和次品收集箱，成品收集箱相比次品收集箱更靠近滑槽出口处正下方，成品收集箱位于滑槽出口处正下方，一排的气嘴的排列方向为垂直于滑槽下滑方向的水平方向，气嘴用于吹动从滑槽出口处落下的物料到次品收集箱。

本发明实施例及其具体实施过程如下：

步骤1：以一款小型矿石色选机为具体实施例，色选装备结构参数α＝30°，β＝20°，x₀＝400mm，y₀＝600mm。根据试验测得，该批次物料平均密度ρ＝4g/cm³＝4×10^-3g/mm³。

矿石物料沿滑槽下落，在滑槽出口处由CCD相机图像实时采集，图像输入到上位机进行处理识别为次品物料和正常品物料，并且根据图像处理获得次品物料所在图像截面区域，进而获得次品物料所在图像截面区域的面积S；取截面面积和面积S相同的球体体积作为物料体积V，再计算次品物料的质量m＝物料密度ρ×物料体积V。

首先，物料从物料滑槽落出，CCD相机在极短时间内进行图像采集，由上位机进行图像处理，得到某次品物料L＝68mm，S＝352mm²，次品物料体积次品物料质量m＝ρV≈19.87g。

步骤2：在滑槽出口处，根据CCD相机连续拍摄，根据图像处理获得次品物料所在图像截面区域的质心位置(x_c，y_c)和质心水平方向宽度L，x_c、y_c分别表示质心位置的水平坐标和纵向坐标，并处理获得次品物料在滑槽出口处的初速度v₀。

上述次品物料在滑槽出口处的初速度v₀由CCD相机拍摄间隔为Δt连续两次图像处理得到：

其中，表示前时刻拍摄图像处理得到的次品物料所在图像截面区域的质心纵向坐标，表示后时刻拍摄图像处理得到的次品物料所在图像截面区域的质心纵向坐标，Δt表示前后时刻之间的时间差。

根据图像处理结果，检测到该次品物料质心的水平位置(x_c)，两次拍摄质心垂直间隔相机拍摄频率50Hz(两次拍摄间隔0.02s)，该次品物料在滑槽出口处的初速度

步骤3：根据质心位置的水平坐标x_c和质心水平方向宽度L，获得用于吹除次品物料的中心气嘴和辅助气嘴的位置和数量N以及气流流量，进而控制气嘴工作，使得次品物料滑出滑槽后在气嘴气流作用下偏离原始轨迹落入次品收集箱进而实现分选；

3.1)该次品物料位置确定后，选择距离拍摄图像中次品物料所在图像截面区域的质心水平位置x_c最近的一个气嘴作为中心气嘴；

3.2)多个辅助气嘴在中心气嘴的紧邻两侧对称分布，处理获得辅助气嘴的总数量L_g表示相邻气嘴之间的间隔，如图2所示。

本实施例中，气嘴中心间隔L_g＝10mm，辅助气嘴的总数量 即中心气嘴和对称分布的左右各3个气嘴同时作用，用来剔除次品物料。

3.3)采用以下公式处理获得标准速度v_f：

式中，g表示重力加速度，α表示物料滑槽的倾角，β表示气嘴方向与水平方向夹角，x₀、y₀分别表示次品收集箱的入口边缘和滑槽出口处的相对位置，即滑槽出口处到成品收集箱和次品收集箱之间的分界位置的水平距离和垂直距离。

本实施例中，气嘴气流作用后，要使该次品物料沿新轨迹落入次品收集箱，该次品物料需要产生沿气嘴方向的初速度v_f≈1071mm/s。

3.4)按照下式计算气嘴的气流流速：

本实施例中，气嘴直径4mm，气嘴出口流速

3.5)再根据下式分别计算获得辅助气嘴的气流流量q_g和中心气嘴的气流流量

q_g＝v_gSg

本实施例中，辅助气嘴气流流量q_g＝15680×0.25×π×4²≈1.97×10⁴mm³/s，中心气嘴气流流量

3.6)按照辅助气嘴的气流流量q_g和中心气嘴的气流流量控制中心气嘴和N个辅助气嘴工作。

步骤4：上述步骤是针对某个位置的单个次品物料的开启的气嘴和及其流量确定，由控制系统控制相应气嘴位置的气阀启闭和流量。实际进行分选工作时，控制系统同步连续运行上述步骤对经过滑槽的各个物料进行实时识别和处理，如图2所示，实现用于物料流分选的高精细气流自适应控制。

该矿石次品物料剔除，由控制系统控制气阀组件，开启已经选定的中心气嘴和辅助气嘴，并分别控制气流流量为2.96×10⁴mm³/s和1.97×10⁴mm³/s，该次品物料沿气嘴方向获得相应的初速度，落入次品收集箱。其他位置同步进行如上的步骤，控制相应位置气嘴的开启和流量，将次品剔除。

Claims (7)

1.一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：物料沿滑槽下落，在滑槽出口处由CCD相机图像实时采集，图像输入到上位机进行处理识别为次品物料和正常品物料，并且根据图像处理获得次品物料所在图像截面区域，进而获得次品物料所在图像截面区域的面积S；取截面面积和面积S相同的球体体积作为物料体积V，再计算次品物料的质量m＝物料密度ρ×物料体积V；

步骤2：在滑槽出口处，根据CCD相机连续拍摄，根据图像处理获得次品物料所在图像截面区域的质心位置(x_c，y_c)和质心水平方向宽度L，x_c、y_c分别表示质心位置的水平坐标和纵向坐标，并处理获得次品物料在滑槽出口处的初速度v₀；

步骤3：根据质心位置的水平坐标x_c和质心水平方向宽度L，获得用于吹除次品物料的中心气嘴和辅助气嘴的位置和数量N以及气流流量，进而控制气嘴工作，使得次品物料滑出滑槽后在气嘴气流作用下偏离原始轨迹落入次品收集箱进而实现分选；

步骤4：实际进行分选工作时，控制系统同步连续运行上述步骤对经过滑槽的各个物料进行实时识别和处理，实现用于物料流分选的高精细气流自适应控制。

2.根据权利要求1所述的一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于：所述步骤1中，所述的物料体积V计算为

3.根据权利要求1所述的一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于：所述步骤2中，次品物料在滑槽出口处的初速度v₀由CCD相机拍摄间隔为Δt连续两次图像处理得到：

其中，表示前时刻拍摄图像处理得到的次品物料所在图像截面区域的质心纵向坐标，表示后时刻拍摄图像处理得到的次品物料所在图像截面区域的质心纵向坐标，Δt表示前后时刻之间的时间差。

4.根据权利要求1所述的一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于：所述步骤3具体为：

3.1)多个气嘴沿水平方向直线一排分布，距离拍摄图像中次品物料所在图像截面区域的质心水平位置x_c最近的一个气嘴作为中心气嘴；

3.2)多个辅助气嘴在中心气嘴的紧邻两侧对称分布，处理获得辅助气嘴的总数量L_g表示相邻气嘴之间的间隔；

3.3)采用以下公式处理获得标准速度v_f：

式中，g表示重力加速度，α表示物料滑槽的倾角，β表示气嘴方向与水平方向夹角，x₀、y₀分别表示次品收集箱的入口边缘和滑槽出口处的相对位置，即滑槽出口处到成品收集箱和次品收集箱之间的分界位置的水平距离和垂直距离；

3.4)按照下式计算气嘴的气流流速：

式中，ρ_g表示气嘴气流密度，S_g表示气嘴出口面积；v_f表示次品物料滑出滑槽后的标准速度；N表示辅助气嘴的总数量，N+1表示作用气嘴的总数量；

3.5)再根据下式分别计算获得辅助气嘴的气流流量q_g和中心气嘴的气流流量

q_g＝v_gS_g

3.6)按照辅助气嘴的气流流量q_g和中心气嘴的气流流量控制中心气嘴和N个辅助气嘴工作。

5.根据权利要求1所述的一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于：所述的智能色选装备包括用于物料(1)输送的滑槽、CCD相机(2)和气嘴(5)，滑槽(6)出口处侧上方设有CCD相机，CCD相机连接上位机，滑槽出口处侧下方设有一排气嘴，气嘴连接气阀，滑槽出口处正下方设有成品收集箱和次品收集箱，成品收集箱相比次品收集箱更靠近滑槽出口处正下方，气嘴用于吹动从滑槽出口处落下的物料到次品收集箱。

6.根据权利要求5所述的一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于：所述的成品收集箱(4)位于滑槽出口处下方。

7.根据权利要求5所述的一种智能色选装备高精细气流自适应控制方法，其特征在于：所述一排的气嘴(5)的排列方向为垂直于滑槽下滑方向的水平方向。