CN110548697A - 一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统和方法，包括输送带子系统连接主控计算机子系统，用于将废旧金属样品从废料入口位置输送至回收处理位置；图像采集子系统采集输送带上样品图像信息，反馈回主控计算机子系统；LIBS子系统用于扫描激发传送带上的废旧金属样品，采集废旧金属样品的特征光谱，发送到主控计算机子系统；分拣子系统连接主控计算机子系统，接收主控计算机子系统发送的归类控制命令，用于根据归类控制命令，在回收处理位置对废旧金属样品进行归类处理。本发明将高频脉冲光纤激光器用于系统中，能量转换效率更高，整个系统的体积小，结构更为紧凑，聚焦光斑能量密度高且均匀，可以很好的提高分拣精度，而且分拣效率高。

Description

一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统和方法

技术领域

本发明涉及废旧金属分选领域，具体地说是一种基于光纤激光器的废旧金 属智能分拣系统和方法。

背景技术

工业生产中金属的来源有两个，一个是金属矿石，另外一个是废旧金属， 前者为自然资源，后者为回收的再生资源。目前世界金属产量，如钢产量的45％、 铜产量的62％、铝产量的22％、铅产量的40％、锌产量的30％都来源于废旧金 属的回收再利用。由此可见，对于废旧金属的回收，既可以起到保护自然资源 降低能源消耗的一面，又可以节约投资成本。随着经济社会的发展，废旧金属， 包括废旧汽车、废旧建筑金属材料等变成了不可忽略的影响人类生活质量的矛 盾。

废旧金属的回收再利用问题中，废旧金属的分类归类问题是一个非常重要 的问题。目前国内外的传统分拣技术主要利用废旧金属的物理特性进行区别， 例如密度、磁性、电性、光学等。由于某些废旧金属的物理特性相近，传统分 选方法分选精度不高。基于废旧金属自身特征光谱的分拣技术可以弥补传统分 拣技术的不足，是一种可利用的高效的准确的分拣技术，获得行业内的青睐。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤激光器的废旧金属智能分 拣系统和方法，将高频脉冲光纤激光器用于系统中，能量转换效率更高，整个 系统的体积小，结构更为紧凑，聚焦光斑能量密度高且均匀，可以很好的提高 分拣精度，而且分拣效率高。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统，包括

输送带子系统，连接主控计算机子系统，接收其控制信号，用于将废旧金 属样品从废料入口位置输送至回收处理位置；

图像采集子系统，设置在废料入口与LIBS系统之间，采集输送带上样品图 像信息，反馈回主控计算机子系统；

LIBS子系统，连接主控计算机子系统，用于扫描激发传送带上的废旧金属 样品，采集废旧金属样品的特征光谱，发送到主控计算机子系统；

主控计算机子系统，用于对控制输送带子系统发送控制命令，控制废旧金 属样品从废料入口位置输送至回收处理位置；控制图像采集子系统对废旧金属 样品进行图像采集，并对采集到的样品图像信息进行图像处理，计算出当前样 品到达LIBS子系统的激发区域的时序，向LIBS子系统发送触发命令；接收废 旧金属样品的特征光谱，根据光谱信息做出废旧金属分类，并将归类控制命令 发送给分拣子系统；

分拣子系统，连接主控计算机子系统，接收主控计算机子系统发送的归类 控制命令，用于根据归类控制命令，在回收处理位置对废旧金属样品进行归类 处理。

所述输送带子系统包括2个齿形带轮、齿形带，伺服电机和编码器。

所述图像采集子系统包括：CCD相机、遮光罩和灯组，且CCD相机设置于 废料入口和LIBS子系统之间。

所述LIBS子系统包括高频脉冲光纤激光器、振镜三维扫描系统、收集光学 系统、光谱仪组件和传感器。

所述振镜三维扫描系统包括Z轴动态聚焦系统和XY轴振镜系统。

一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣方法，包括以下步骤：

步骤1：主控计算机子系统发出控制命令给输送带子系统，控制输送带子系 统将废旧金属样品从废料入口位置以恒定速度向回收处理位置输送；

步骤2：废旧金属样品通过传送带输送到图像采集子系统下方，图像采集子 系统采集区域内废旧金属样品的图像，经过处理后提取废旧金属样品坐标位置， 同时将样品位置和时序上报给主控计算机子系统；

步骤3：废旧金属样品通过输送带的运输继续向前运动，主控计算机子系统 发送触发命令给LIBS子系统，当输送到LIBS子系统的激发区域时，LIBS子系 统对传送带上的废旧金属样品逐一激发，并将特征光谱发送给主控计算机子系 统；

步骤4：主控计算机子系统根据特征光谱对废旧金属样品进行分类，并将归 类控制命令发送给分拣子系统，控制分拣子系统在回收处理位置对废旧金属样 品进行归类处理。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明将光纤激光器用于废旧金属智能拣选LIBS系统。从光纤激光器原 理分析，光纤激光器能量转换效率高，能耗低，结构紧凑，体积小重量轻，符 合国家的科技发展需求，节能环保；

2.本发明所使用光纤激光器，从光学设计角度分析，光纤激光器的光束质 量高，聚焦效果好，易于获得高质量均匀的光斑，提高了整个系统的分析准确 率；

3.本发明的高频光纤激光器的频率在1kHz以上，能够满足高效率的分拣要 求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的图像采集子系统的工作原理示意图；

图3是本发明的分拣子系统原理示意图；

图4是本发明光纤激光器聚焦光斑直径示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的结构示意图。

一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统包括：输送带子系统，图像 采集子系统，LIBS子系统，分拣子系统以及主控计算机子系统。

输送带子系统包括：2个齿形带轮，齿形带，伺服电机，编码器，废料入口。 其主要作用在于，以一定的速度v将废旧金属样品从废料入口处输送至回收处 理位置。

图像采集子系统包括：一个CCD相机、遮光罩、灯组。其主要作用在于， 采集输送带上样品图像信息，然后反馈回主控计算机子系统。

LIBS子系统包括：高频脉冲光纤激光器、振镜三维扫描系统、收集光学系 统、光谱仪组件、各种传感器。LIBS子系统根据主控计算机子系统发出的信号 通过LIBS控制板同时命令高频脉冲光纤激光器、振镜三维扫描系统、光谱仪， 使振镜摆到相应样品位置，高频脉冲光纤激光器出光，光谱仪同时收集等离子 体，传感器监测系统的温度等信息。其主要作用在于，扫描激发传送带上的废 旧金属样品，并且回收废旧金属样品的特征光谱，根据光谱信息做出废旧金属 归类判断，并将判断结果反馈回主控计算机子系统。高频脉冲光纤激光器的功 率在10瓦至30瓦之间，频率在1kHz以上，能量转化效率高且能耗低，光束质 量高，发散角小，光束聚焦效果好，结构紧凑轻便，价格低廉。振镜三维扫描 系统包括Z轴动态聚焦系统和XY轴振镜系统。其主要作用在于，引导光学系 统指向传送带一定区域内的样品，可以实现较大面积的多个样品逐一扫描分析。

经过处理的大小规格基本一致的废旧金属样品从输送带废料入口处进入输 送带，输送带以一定的速度传送至图像采集子系统下方区域，图像采集子系统 采集区域图像，上传至主控计算机子系统，主控计算机子系统将坐标和时序反 馈于LIBS子系统，当废旧金属样品被输送带运送至LIBS子系统下方区域时， LIBS子系统开始工作，击打废旧金属样品，回收特征光谱，判定废旧金属种类， 然后将信息上报于主控计算机子系统，当废旧金属传送至分拣子系统时，主控 计算机子系统发出指令，分拣子系统做出相应处理。

传送带一定区域内的样品在传送带一定区域内随机单层排布。

分拣子系统包括：排式气吹管路、喷嘴固定件、喷嘴调整轴、分气源。其 主要作用在于，分选废旧金属样品。

一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣方法，包括以下步骤：

步骤1：主控计算机子系统发出命令，输送带开始以一定的速度匀速运动， 同时前端上料系统开始输送经过处理的废旧金属样品于系统废料入口处。

如图2所示为本发明的图像采集子系统的工作原理示意图。

步骤2：废旧金属样品通过传送带输送到图像采集子系统下方，图像采集子 系统采集区域内废旧金属样品的图像，经过处理后提取废旧金属样品坐标位置， 同时将样品位置上报于主控计算机子系统，主控计算机子系统根据位置信息提 取样品时序。下方输送带的区域经过标定处理，举例假设为H×H区域，传送 带的速度为v，图像采集子系统正下方距离LIBS子系统正下方为L，如图1， 那么相机的帧频为v/H，图像采集子系统每次处理H×H内的样品，这里废旧金 属样品可以随机任意单层排列于H×H区域内。处理废旧金属样品提取坐标并 计算输送至LIBS子系统正下方的时间，并将数据上报于主控计算机子系统。

步骤3：废旧金属样品通过输送带的运输继续向前运动L，输送到LIBS子 系统下，主控计算机子系统根据步骤2中的坐标位置和时序发出指令触发LIBS 子系统，LIBS子系统对传送带上的废旧金属样品逐一激发，根据特征光谱判断 废旧金属的类别，上报给主控计算机子系统。

高频脉冲光纤激光器装配于LIBS子系统中，使LIBS子系统体积小轻量化。 另光纤激光器的光斑直径为7mm，发散角很小，可以忽略不计，光束稳定性可 以忽略不计，此时光束的发散角和稳定性所引起的聚焦光斑弥散可由下述公式 判断：

d_f＝fθ_发散角

d_fs＝fθ_不确定性

由上述公式可以获得，聚焦光斑的弥散主要由球差和装调误差引起，本系 统光束经过消球差扩束聚焦系统聚焦全光斑直径小于200um，聚焦光斑能量均 匀且能量密度高，如图4所示。该光斑聚焦于废旧金属样品表面，可以高效激 发样品的特征光谱，增强了后端光谱仪采集谱线强度和稳定性。

振镜三维扫描系统通过控制板接收步骤2上传的H×H区域内废旧金属样 品坐标指令，振镜按照指令做出相应动作，高频脉冲光纤激光器聚焦的高质量 光斑指向废旧金属样品，每个废旧金属样品激发时间为4ms，同时在此时间触发 光谱仪收集特征光谱，然后振镜以一定速度v′跳转到下一个废旧金属样品，最后 将废旧金属样品识别信息上报于主控计算机子系统。

此外LIBS子系统的两片窗口可以保护内部光学系统与外部隔离，杜绝外部 的灰尘等污染。窗口未镀任何膜系，为确保返回的激光聚焦于光学元件上，损 坏光学元件，两窗口分别按设计倾斜一定角度。

如图3所示为本发明的分拣子系统原理示意图。

步骤4：废旧金属样品继续在输送带的作用下运动，输送到传动带末端分拣 子系统处，主控计算机子系统根据步骤3的判断做出相应处理，通过吹气与否 区分不同种类废旧金属，例如，当判定为铝时，分拣子系统吹气，铝样品沿路 径2进入箱体内，当判定为非铝时，分拣子系统不吹气，非铝样品沿路径1进 入另一箱体。

Claims (6)

1.一种基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统，其特征在于：包括

输送带子系统，连接主控计算机子系统，接收其控制信号，用于将废旧金属样品从废料入口位置输送至回收处理位置；

图像采集子系统，设置在废料入口与LIBS系统之间，采集输送带上样品图像信息，反馈回主控计算机子系统；

LIBS子系统，连接主控计算机子系统，用于扫描激发传送带上的废旧金属样品，采集废旧金属样品的特征光谱，发送到主控计算机子系统；

主控计算机子系统，用于对控制输送带子系统发送控制命令，控制废旧金属样品从废料入口位置输送至回收处理位置；控制图像采集子系统对废旧金属样品进行图像采集，并对采集到的样品图像信息进行图像处理，计算出当前样品到达LIBS子系统的激发区域的时序，向LIBS子系统发送触发命令；接收废旧金属样品的特征光谱，根据光谱信息做出废旧金属分类，并将归类控制命令发送给分拣子系统；

分拣子系统，连接主控计算机子系统，接收主控计算机子系统发送的归类控制命令，用于根据归类控制命令，在回收处理位置对废旧金属样品进行归类处理。

2.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统，其特征在于：所述输送带子系统包括2个齿形带轮、齿形带，伺服电机和编码器。

3.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统，其特征在于：所述图像采集子系统包括：CCD相机、遮光罩和灯组，且CCD相机设置于废料入口和LIBS子系统之间。

4.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统，其特征在于：所述LIBS子系统包括高频脉冲光纤激光器、振镜三维扫描系统、收集光学系统、光谱仪组件和传感器。

5.根据权利要求4所述的基于光纤激光器的废旧金属智能分拣系统，其特征在于：所述振镜三维扫描系统包括Z轴动态聚焦系统和XY轴振镜系统。

6.根据权利要求1～5任一项所述系统的基于光纤激光器的废旧金属智能分拣方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：主控计算机子系统发出控制命令给输送带子系统，控制输送带子系统将废旧金属样品从废料入口位置以恒定速度向回收处理位置输送；

步骤2：废旧金属样品通过传送带输送到图像采集子系统下方，图像采集子系统采集区域内废旧金属样品的图像，经过处理后提取废旧金属样品坐标位置，同时将样品位置和时序上报给主控计算机子系统；

步骤3：废旧金属样品通过输送带的运输继续向前运动，主控计算机子系统发送触发命令给LIBS子系统，当输送到LIBS子系统的激发区域时，LIBS子系统对传送带上的废旧金属样品逐一激发，并将特征光谱发送给主控计算机子系统；

步骤4：主控计算机子系统根据特征光谱对废旧金属样品进行分类，并将归类控制命令发送给分拣子系统，控制分拣子系统在回收处理位置对废旧金属样品进行归类处理。