CN110802045B - 一种茶叶分离装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种茶叶分离装置及其控制方法，该装置包括：滚筒筛模块、直线位移模块、自动清理模块、图像采集模块、电控箱和暗箱；其中，暗箱是在机架的六个面上分别设置遮光板构成；滚筒筛模块是由悬挂架、滚筒轴、滚筒筛和步进电机构成；直线位移模块是由一对同步带滑台、载物台、联轴器、联动轴和大步进电机构成；载物台横跨固定在一对同步带滑台上，中间凹槽设置有光学玻璃；在滚筒筛模块下游设置有自动清理模块，是由清理刷、支撑架、支撑杆、悬挂架和悬挂轴构成；图像采集模块是由工业相机和背光源构成。本发明能使茶叶间实现相互无遮挡的均匀分布状态，从而为后续的茶叶形状特征的图像采集和茶叶精确分级提供有利帮助。
Description
技术领域
本发明涉及茶叶叶片分离装置，尤其涉及一种可用于茶叶机器视觉识别技术的茶叶分离装置及其控制方法。
背景技术
茶叶一直深受消费者的喜爱，为了迎合消费者的需求并且实现资源利益的最大化，茶叶根据外形、气味、汤色、口味的不同可以分为不同的等级，各个等级茶叶的品质也有差异。目前人工感官是最主要的茶叶分级方法，但人工带有一定的主观性并且分级的结果易受人工的经验、生理状况、外界环境等因素的影响，可能会使茶叶的市场售价混乱还有可能会出现假冒伪劣产品。
在已有的茶叶分离分级装备的相关研究中，存在一些关于茶叶分离分级装置的专利文献，如：中国专利CN103752503A、CN104289444B、CN104368519A、CN105797947A、CN101059425A，这些装置大都采用不同孔径大小的滤网进行筛选分级，上述专利存在的不足有：1)不能实现茶叶的均匀铺排；2)没有实现将茶叶分离和图像采集结合；3)目前还没有可以实现茶叶分离并且为后续基于机器视觉技术的茶叶等级识别服务的装置；4)利用筛网分级不能高效、精确的实现茶叶的分级。
发明内容
基于上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种茶叶分离装置及其控制方法，以期能使茶叶间实现相互无遮挡的均匀分布状态，从而为后续的茶叶形状特征的图像采集和茶叶精确分级提供有利帮助。
本发明为达到上述发明目的，采用以下技术方案：
本发明一种茶叶分离装置的特点包括：滚筒筛模块、直线位移模块、自动清理模块、图像采集模块、电控箱和暗箱；所述暗箱是在机架的六个面上分别设置遮光板构成；
所述滚筒筛模块是在所述机架的上方通过悬挂架支撑有滚筒轴，在所述滚筒轴上设置有滚筒筛，并由步进电机驱动；所述滚筒筛的一侧均匀分布有筛孔，另一侧设置有装、卸料口；所述装、卸料口上设置有转动盖，用于开启和封闭所述装、卸料口；
所述直线位移模块是在所述机架的底部设置有一对同步带滑台，并由大步进电机驱动；且在一对同步带滑台的端部之间通过联轴器设置有联动轴；
所述两个同步带滑台上横跨固定有载物台；在所述载物台的中间凹槽中设置有光学玻璃，用于承接滚筒筛筛下的茶叶；在其中一个同步带滑台的两端分别设置有限位开关，用于防止载物台超出行程；
所述自动清理模块设置在所述滚筒筛模块的下游，并通过支撑架固定在机架上，在所述支撑架之间通过U型孔设置有悬挂轴，在所述悬挂轴的两端设置有支撑杆，且所述支撑杆的底部为斜面，并与所述U型孔的倾斜角度一样；在所述U型孔的斜向下方向上设置有凸台，用于对所述支撑杆形成向上运动的限位功能；在所述悬挂轴的中间位置处设置有清理刷；
所述图像采集模块是由工业相机、背光源和计算机组成；所述背光源设置在机架的底部；所述工业相机固定在所述背光源的正中心上方的机架上。
本发明所述的茶叶分离装置的控制方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、所述电控箱控制步进电机驱动所述滚筒筛旋转一定角度后，使得所述滚筒筛内的茶叶通过所述筛孔下落到光学玻璃上；
步骤2、所述电控箱控制步进电机的转动速度加快，并使得所述步进电机和大步进电机的脉冲周期比为3:1；
设置所述步进电机与大步进电机的脉冲数，使得所述电控箱控制步进电机驱动所述滚筒筛转动的同时，能控制所述大步进电机驱动一对同步带滑台做直线运动，以实现协同运动，使得茶叶能均匀且相互无遮挡地分布在所述光学玻璃上；
步骤3、当所述滚筒筛旋转完一圈后，所述电控箱控制步进电机停止工作；
步骤4、所述载物台继续在大步进电机驱动下达到所述自动清理模块；
步骤5、所述载物台与所述支撑杆的底部相接触，并在凸台的限位下，使得悬挂轴沿着U型孔的倾斜角度向上运动，并带动所述清理刷一起向上运动；
步骤6、在所述载物台的直线运动下，所述支撑杆的底部抵于所述载物台上表面，并当所述载物台完全脱离所述自动清理模块时，所述支撑杆带动所述所述清理刷向下运动，从而恢复至原始状态；
步骤7、所述载物台继续在大步进电机驱动下达到所述图像采集模块；
步骤8、当所述载物台完全遮蔽所述背光源时，所述电控箱控制大步进电机停止工作，从而使得所述工业相机能对所述载物台上的茶叶进行图像采集并传递给所述计算机；
步骤9、当完成图像采集，所述电控箱控制大步进电机反向驱动所述载物台回程，并在经过所述自动清理模块时，所述支撑杆绕着所述悬挂轴转动，而清理刷保持不动并对所述载物台上的茶叶进行清扫至所述机架的底部。
所述步骤2中的步进电机与大步进电机的脉冲数是按如下步骤获得：
步骤2.1、利用式(1)计算所述电控箱每次给大步进电机一个脉冲信号时，所述载物台的移动距离l1：
式(1)中：θ1为所述大步进电机(4)的步进角，δ表示所述大步进电机(4)所采用的细分数目，L1为所述大步进电机(4)旋转一周后载物台(5)的直线移动距离；
步骤2.2、利用式(2)计算所述电控箱(1)每次给步进电机(3)一个脉冲信号时，所述滚筒筛(14)的转动角度θ0：
式(2)中：θ为所述步进电机(3)的步进角，δ表示所述步进电机(3)所采用的细分数目；
步骤2.3、利用式(3)计算所述电控箱(1)每次给步进电机(3)一个脉冲信号时，所述滚筒筛(14)的外表面上任意一点移动的距离l0：
式(3)中：D为滚筒筛直径。
根据所述步进电机(3)和大步进电机(4)的脉冲周期，按照式(4)-式(6)得到所述载物台(5)或所述滚筒筛(14)的相关参数：
利用式(4)得到所述载物台(5)的移动速度V1：
式(4)中：T1为大步进电机(4)的脉冲周期。
利用式(5)得到所述滚筒筛(14)旋转线速度V0：
式(5)中：T0为步进电机(3)的脉冲周期。
利用式(6)得到所述滚筒筛(14)旋转角速度ω0：
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过采用滚筒筛模块，直线位移模块、自动清理模块、图像采集模块、电控箱和暗箱，实现了茶叶以相互无遮挡的状态均匀分布；将图像采集与茶叶分离技术相结合，实现了茶叶叶片分离到机器视觉识别和处理的全自动化过程，提高了茶叶等级识别的精度和效率；
2、本发明通过采用滚筒筛模块和直线位移模块，在电控箱的控制下，使两者之间协同运动，实现了茶叶叶片以相互无遮挡的状态均匀分布，为图像采集模块对茶叶形状参数的采集和处理提供有利条件；
3、本发明通过采用自动清理模块，在载物台运送已分离茶叶至图像采集区域时，不会清理茶叶样本；在图像采集完成，载物台返程过程中，会清理干净载物台上方的茶叶样本，为下一次工作做好准备。
附图说明
图1是本发明的总体示意图；
图2是本发明的内部示意图；
图3是本发明的滚筒筛模块示意图；
图4是本发明的自动清理模块示意图。
图中标号，1电控箱、2遮光板、3步进电机、4大步进电机、5载物台、6光学玻璃、7同步带滑台、8限位开关、9背光源、10联动轴、11联轴器、12工业相机、13机架、14滚筒筛、15悬挂架、16滚筒轴、17转动盖、18装、卸料口、19悬挂轴、20凸台、21清理刷、22支撑杆、23支撑架。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明，但该实施例不应理解为本发明的限制。
本实施例中，一种茶叶分离装置包括：滚筒筛模块、直线位移模块、自动清理模块、图像采集模块、电控箱1和暗箱；如图1所示，暗箱是在机架13的六个面上分别设置遮光板2构成，遮光板2既可以遮挡外界自然光，又可以使暗箱内部背光源9产生漫反射，提高工业相机12采像质量；
如图3所示，滚筒筛模块是在机架13的上方通过悬挂架15支撑有滚筒轴16，在滚筒轴16上设置有滚筒筛14，并由步进电机3驱动；滚筒筛14的一侧均匀分布有筛孔，筛孔轴向间距为20mm，径向角度差为25°，均匀分布7行；另一侧设置有装、卸料口18，装、卸料口18的径向角度为45°，轴向距离为144mm，一侧面距最近一行筛孔圆心的径向角度为75°，另一侧面距最近一行筛孔圆心的径向角度为90°；装、卸料口18上设置有转动盖17，用于开启和封闭装、卸料口18；转动盖的径向角度为120°，角度过大则在转动时会产生自锁现象，角度过小则会产生茶样的泄漏；
直线位移模块是在机架13的底部设置有一对同步带滑台7，并由大步进电机4驱动；且在一对同步带滑台7的端部之间通过联轴器11设置有联动轴10；大步进电机4设置在其中一个同步带滑台的一端，另一端是由联轴器11和联动轴10将两者间连接起来，以实现动力的双侧驱动；
两个同步带滑台7上横跨固定有载物台5；在载物台5的中间凹槽中设置有光学玻璃6，用于承接滚筒筛14筛下的茶叶；在其中一个同步带滑台7的两端分别设置有限位开关8，用于防止载物台5超出行程；
如图4所示，自动清理模块设置在滚筒筛模块的下游，并通过支撑架23固定在机架13上，在支撑架23之间通过U型孔设置有悬挂轴19，在悬挂轴19的两端设置有支撑杆22，且支撑杆22的底部为斜面，并与U型孔的倾斜角度一样；在U型孔的斜向下方向上设置有凸台20，用于对支撑杆22形成向上运动的限位功能；在悬挂轴19的中间位置处设置有清理刷21；
图像采集模块是由工业相机12、背光源9和计算机组成；背光源9设置在机架13的底部，光线在透过载物台5时，光学玻璃6上洒落的茶叶会遮挡光线，茶叶形状会在工业相机12中的成像更真实，饱满；工业相机12固定在背光源9的正中心上方的机架13上，用于对光学玻璃6全景进行采集图片；
本实施例中，如图2所示，一种茶叶分离装置的控制方法是按如下步骤进行：
步骤1、初始状态，滚筒筛14有筛孔的一侧全部朝向正上方。电控箱1控制步进电机3驱动滚筒筛14旋转180°后，滚筒筛14有筛孔的一侧全部朝向正下方，使得滚筒筛14内的茶叶通过筛孔下落到光学玻璃6上，此时光学玻璃6的前半段已经覆盖茶叶，后半段为空置状态；
步骤2、为使光学玻璃后半段以相互无遮挡的状态均匀分布茶叶叶片，电控箱1控制步进电机3的转动速度加快，并使得步进电机3和大步进电机4的脉冲周期比为3:1，以达到载物台5和滚筒筛14可以协同运动的目的；
设置步进电机3与大步进电机4的脉冲数，使得电控箱1控制步进电机3驱动滚筒筛14转动的同时，能控制大步进电机4驱动一对同步带滑台7做直线运动，以实现协同运动，使得茶叶能均匀且相互无遮挡地分布在光学玻璃6后半段上；
具体的说，步进电机3与大步进电机4的脉冲数是按如下步骤获得：
步骤2.1、利用式(1)计算电控箱1每次给大步进电机4一个脉冲信号时，载物台5的移动距离l1：
在本实施例中：θ1＝1.8°,δ＝32，L1＝75mm；
结果为：l1＝0.0117mm.
步骤2.2、利用式(2)计算电控箱1每次给步进电机3一个脉冲信号时，滚筒筛14的转动角度θ0：
在本实施例中：θ＝1.8°，δ＝32；
结果为：θ0＝0.05625°。
步骤2.3、利用式(3)计算电控箱1每次给步进电机3一个脉冲信号时，滚筒筛14的外表面上任意一点移动的距离l0：
在本实施例中：D＝120mm,θ、δ取值同步骤2；
结果为：l0＝0.0589mm。
根据步进电机3和大步进电机4的脉冲周期，按照式(4)-式(6)得到载物台5或滚筒筛14的相关参数。根据试验结果表明，当T1＝0.4ms,T0＝1.2mm时，协同运动结果效果最佳：
利用式(4)得到载物台5的移动速度V1：
在本实施例中：T1＝0.4ms,l1＝0.0117mm；
结果为：V1＝29.25mm/s。
利用式(5)得到滚筒筛14旋转线速度V0：
在本实施例中：T0＝1.2ms,l0＝0.0589mm；
结果为：V0＝49.083mm。
利用式(6)得到滚筒筛14旋转角速度ω0：
在本实施例中：T0＝1.2ms，θ0＝0.05625°；
结果为：ω0＝0.818rad/s。
步骤3、当滚筒筛14旋转完一圈后，电控箱1控制步进电机3停止工作；
步骤4、载物台5继续在大步进电机4驱动下达到自动清理模块；
步骤5、如图4所示，支撑杆22底部的倾斜角度与支撑架23中的U型孔倾斜角度均为30°，使支撑杆22底部所受摩擦力方向与悬挂轴19给支撑杆22顶部的摩擦力方向相反，利于悬挂架19沿着U型孔的倾斜角度向上运动；支撑杆22顶部是通孔，悬挂在悬挂轴19的两侧，可以做自由转动；在凸台20的存在下，会限制一个方向的自由转动，使支撑杆只能顺着一个方向自由转动；清理刷21固定在悬挂轴19的中部，其运动状态与悬挂轴19保持一致；原始状态时，清理刷21刷毛的末端低于载物台5上表面3mm；在悬挂轴19完全被抬起后，清理刷21刷毛的末端高于载物台5上表面7mm，确保载物台5上的茶样在去程时不被接触，归程时可以扫净。载物台5与支撑杆22的底部相接触，并在凸台20的限位下，使得悬挂轴19沿着U型孔的倾斜角度向上运动，并带动清理刷21一起向上运动；
步骤6、在载物台5的直线运动下，支撑杆22的底部抵于载物台5，并当载物台5完全脱离自动清理模块时，支撑杆22带动清理刷21向下运动，从而恢复至原始状态；
步骤7、载物台5继续在大步进电机4驱动下达到图像采集模块；
步骤8、当载物台5完全遮蔽背光源9时，电控箱1控制大步进电机4停止工作，从而使得工业相机12能对载物台5上的茶叶进行图像采集并传递给计算机，计算机对采集回茶叶样本的形状数据进行处理分析，得出结果；
步骤9、当完成图像采集，电控箱1控制大步进电机4反向驱动载物台5回程，并在经过自动清理模块时，支撑杆22绕着悬挂轴19转动，而清理刷21保持不动并对载物台5上的茶叶进行清扫至机架13的底部。
综上所述，本发明一种茶叶分离装置及其控制方法，能使茶叶间实现相互无遮挡的均匀分布状态，从而为后续的茶叶形状特征的图像采集和茶叶精确分级提供便利。大量试验表明，该装置以茶叶形状为识别特征，最终茶叶等级的识别精度接近96％。
Claims (3)
1.一种茶叶分离装置的控制方法，所述茶叶分离装置，包括：滚筒筛模块、直线位移模块、自动清理模块、图像采集模块、电控箱(1)和暗箱；所述暗箱是在机架(13)的六个面上分别设置遮光板(2)构成；
所述滚筒筛模块是在所述机架(13)的上方通过悬挂架(15)支撑有滚筒轴(16)，在所述滚筒轴(16)上设置有滚筒筛(14)，并由步进电机(3)驱动；所述滚筒筛(14)的一侧均匀分布有筛孔，另一侧设置有装、卸料口(18)；所述装、卸料口(18)上设置有转动盖(17)，用于开启和封闭所述装、卸料口(18)；
所述直线位移模块是在所述机架(13)的底部设置有一对同步带滑台(7)，并由大步进电机(4)驱动；且在一对同步带滑台(7)的端部之间通过联轴器(11)设置有联动轴(10)；
所述一对同步带滑台(7)上横跨固定有载物台(5)；在所述载物台(5)的中间凹槽中设置有光学玻璃(6)，用于承接滚筒筛(14)筛下的茶叶；在其中一个同步带滑台(7)的两端分别设置有限位开关(8)，用于防止载物台(5)超出行程；
所述自动清理模块设置在所述滚筒筛模块的下游，并通过支撑架(23)固定在机架(13)上，在所述支撑架(23)之间通过U型孔设置有悬挂轴(19)，在所述悬挂轴(19)的两端设置有支撑杆(22)，且所述支撑杆(22)的底部为斜面，并与所述U型孔的倾斜角度一样；在所述U型孔的斜向下方向上设置有凸台(20)，用于对所述支撑杆(22)形成向上运动的限位功能；在所述悬挂轴(19)的中间位置处设置有清理刷(21)；
所述图像采集模块是由工业相机(12)、背光源(9)和计算机组成；所述背光源(9)设置在机架(13)的底部；所述工业相机(12)固定在所述背光源(9)的正中心上方的机架(13)上，其特征在于，所述控制方法是按如下步骤进行：
步骤1、所述电控箱(1)控制步进电机(3)驱动所述滚筒筛(14)旋转一定角度后，使得所述滚筒筛(14)内的茶叶通过所述筛孔下落到光学玻璃(6)上；
步骤2、所述电控箱(1)控制步进电机(3)的转动速度加快，并使得所述步进电机(3)和大步进电机(4)的脉冲周期比为3:1；
设置所述步进电机(3)与大步进电机(4)的脉冲数，使得所述电控箱(1)控制步进电机(3)驱动所述滚筒筛(14)转动的同时，能控制所述大步进电机(4)驱动一对同步带滑台(7)做直线运动，以实现协同运动，使得茶叶能均匀且相互无遮挡地分布在所述光学玻璃(6)上；
步骤3、当所述滚筒筛(14)旋转完一圈后，所述电控箱(1)控制步进电机(3)停止工作；
步骤4、所述载物台(5)继续在大步进电机(4)驱动下达到所述自动清理模块；
步骤5、所述载物台(5)与所述支撑杆(22)的底部相接触，并在凸台(20)的限位下，使得悬挂轴(19)沿着U型孔的倾斜角度向上运动，并带动所述清理刷(21)一起向上运动；
步骤6、在所述载物台(5)的直线运动下，所述支撑杆(22)的底部抵于所述载物台(5)上表面，并当所述载物台(5)完全脱离所述自动清理模块时，所述支撑杆(22)带动所述所述清理刷(21)向下运动，从而恢复至原始状态；
步骤7、所述载物台(5)继续在大步进电机(4)驱动下达到所述图像采集模块；
步骤8、当所述载物台(5)完全遮蔽所述背光源(9)时，所述电控箱(1)控制大步进电机(4)停止工作，从而使得所述工业相机(12)能对所述载物台(5)上的茶叶进行图像采集并传递给所述计算机；
步骤9、当完成图像采集，所述电控箱(1)控制大步进电机(4)反向驱动所述载物台(5)回程，并在经过所述自动清理模块时，所述支撑杆(22)绕着所述悬挂轴(19)转动，而清理刷(21)保持不动并对所述载物台(5)上的茶叶进行清扫至所述机架(13)的底部。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述步骤2中的步进电机(3)与大步进电机(4)的脉冲数是按如下步骤获得：
步骤2.1、利用式(1)计算所述电控箱(1)每次给大步进电机(4)一个脉冲信号时，所述载物台(5)的移动距离l 1：
(1)
式(1)中：θ 1为所述大步进电机(4)的步进角，δ表示所述大步进电机(4)所采用的细分数目，L 1为所述大步进电机(4)旋转一周后载物台(5)的直线移动距离；
步骤2.2、利用式(2)计算所述电控箱(1)每次给步进电机(3)一个脉冲信号时，所述滚筒筛(14)的转动角度θ 0：
(2)
式(2)中：θ为所述步进电机(3)的步进角，δ表示所述步进电机(3)所采用的细分数目；
步骤2.3、利用式(3)计算所述电控箱(1)每次给步进电机(3)一个脉冲信号时，所述滚筒筛(14)的外表面上任意一点移动的距离l 0：
(3)
式(3)中：D为滚筒筛直径。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是，根据所述步进电机(3)和大步进电机(4)的脉冲周期，按照式(4)-式(6)得到所述载物台(5)或所述滚筒筛(14)的相关参数：
利用式(4)得到所述载物台(5)的移动速度V 1：
(4)
式(4)中：T 1 为大步进电机(4)的脉冲周期；
利用式(5)得到所述滚筒筛(14)旋转线速度V 0：
(5)
式(5)中：T 0为步进电机(3)的脉冲周期；
利用式(6)得到所述滚筒筛(14)旋转角速度ω0：
(6)。
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