CN115004915B - 一种全自动甘蔗取芽装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动甘蔗取芽装置，包括输送机构、夹持机构、图像采集机构、切割机构、机架及控制系统，输送机构水平安装于机架上，夹持机构安装在输送机构上能够随输送机构移动，输送机构上侧设置有图像采集机构，输送机构出口端设置有切割机构，机架一侧还设置有能够控制输送机构、夹持机构、图像采集机构及切割机构协同运行动作的控制系统。本发明能够通过图像采集装置准确识别定位甘蔗种芽的位置并反馈至控制系统，以此准确控制输送机构进给量，确保甘蔗的种芽位置位于切割机构需求位置，便于将切取的甘蔗种芽与甘蔗茎分流储存收纳，大大提高了甘蔗取芽效率，减少了甘蔗种芽的种植成本与人工成本，提高甘蔗种植的整体收益。

Description

一种全自动甘蔗取芽装置

技术领域

本发明涉及农产品加工自动化技术领域，具体涉及一种全自动甘蔗取芽装置。

背景技术

目前，国内制糖产业制糖的主要原料为甘蔗，中国作为世界上最大的食糖生产和消费国之一，面临着较大的供需压力，但国内制糖产业的机械化程度较低，特别是在种植方面机械化率还不足，大多依靠人工种植的生产方式。

甘蔗的传统种植方法是将整根甘蔗切若干段，将包含3到4个甘蔗种芽节的整段甘蔗全部种入土中。这种种植方法对种子需求量大，种植区域挖掘所需的工作量大，同时因为将整段甘蔗作为种子，其中连带了大量不需要的甘蔗茎部分，造成了浪费，且增加了运输成本，从而增加了整体的种植成本。而将甘蔗种芽子与甘蔗茎分离后，可将甘蔗种芽单独运输用于耕种，而甘蔗茎部分则用于榨糖，大大减少了运输成本与种植农户的工作量，提高了甘蔗的经济效益；同时传统的取芽方法效率低且人工成本高，因此研究甘蔗种芽与甘蔗茎的自动切段分取技术具有重要的意义。

目前甘蔗取芽方法主要分为两种：

半自动方法：工人手持甘蔗，人为的将甘蔗种芽部分放入刀口，切刀进给切取种芽，再手动将第二个甘蔗种芽部分放入刀口位置，如此往复；这种切段方式精度低、效率低、人工成本高、劳动强度大、易发生危险；

自动方法：将甘蔗放入机器中，通过人工或者位移传感器的方式判断甘蔗种芽子的位置，电机推动甘蔗种芽子至刀口位置进行切段操作。这种方法精度有限、效率不足、且当位移传感器判断甘蔗种芽子位置时可能会因产生接触而伤害到甘蔗种芽，影响种子发芽率。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提出了一种全自动甘蔗取芽装置，能够通过图像采集装置准确识别定位甘蔗种芽的位置并反馈至控制系统，以此准确控制输送机构进给量，确保甘蔗的种芽位置位于切割机构需求位置，便于将切取的甘蔗种芽与甘蔗茎分流储存收纳，大大提高了甘蔗取芽效率。使得单独取出的甘蔗茎用于榨糖，提高甘蔗种植的经济效益；单独取出的甘蔗种芽部分，有利于甘蔗种植的机械化，减少了甘蔗种芽的种植成本与人工成本，提高甘蔗种植的整体收益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：所述全自动甘蔗取芽装置包括输送机构、夹持机构、图像采集机构、切割机构、机架及控制系统，输送机构水平安装于机架上，夹持机构安装在输送机构上能够随输送机构移动，输送机构上侧设置有图像采集机构，输送机构出口端设置有切割机构，机架一侧还设置有能够控制输送机构、夹持机构、图像采集机构及切割机构协同运行动作的控制系统。

作为优选，切割机构包括切割气缸、切割机架、刀具、刀槽及切割凹槽垫板，切割机架布置于输送机构后端出口上，切割机架上部安装刀具，刀具上侧朝竖向安装切割气缸，切割气缸的伸缩推杆与刀具顶部连接，刀具下方安装有切割凹槽垫板，切割凹槽垫板中部设置有容刀具通过的开口，切割凹槽垫板两端设置为前端凹形垫板和后端凹形垫板，切割凹槽垫板中部开口下方设置有与刀具匹配契合的刀槽，切割凹槽垫板下方设置有储料箱，刀具为双切刀型，切割凹槽垫板与刀具之间设置横杆，储料箱分为前后两个容纳槽，前侧的容纳槽的位置对应切割凹槽垫板出口端，后侧容纳槽的位置对应切割凹槽垫板的中部开口。

作为优选，夹持机构包括夹爪、夹具垫板、推杆、夹具机架、夹具气缸、连接杆及夹爪安装杆，夹具机架安装在输送机构上，夹具机架前侧安装夹具垫板，夹具垫板上侧通过夹爪安装杆安装夹爪，夹爪安装杆整体呈“厂”字型，夹爪固定于夹爪安装杆的水平段上，夹具机架后侧通过导向环安装杆安装有导向环，夹爪安装杆的倾斜段滑动插设在导向环内，夹爪安装杆下方安装有夹具气缸，夹具气缸的推杆端部与连接杆底端铰接，连接杆顶端与夹爪安装杆转角部位铰接。

作为优选，机架上等距布置有若干输送机构，输送机构上均设置有夹持机构，输送机构出口端均设置有切割机构。

作为优选，图像采集机构包括工业相机和光电传感器，工业相机布置于输送机构上方，光电传感器布置在输送机构侧边且高度位置与夹持机构上的夹爪在下压状态时的高度位置相对应，光电传感器和工业相机均与控制系统连接。

作为优选，输送机构包括滑台、滑轨、同步带和输送电机组件，滑台底部安装在同步带和输送电机组件的同步带上沿滑轨移动，滑台上设置有供夹持机构安装的安装孔。

作为优选，控制系统包括工控机和下位机PLC，工控机、输送机构、夹持机构、图像采集机构、切割机构均与下位机PLC连接。

作为优选，还包括气压动力源，气压动力源为装置中的气动部件提供气压源。

本发明的有益效果：

本发明能够通过图像采集装置准确识别定位甘蔗种芽的位置并反馈至控制系统，以此准确控制输送机构进给量，确保甘蔗的种芽位置位于切割机构需求位置，便于将切取的甘蔗种芽与甘蔗茎分流储存收纳，大大提高了甘蔗取芽效率。使得单独取出的甘蔗茎用于榨糖，提高甘蔗种植的经济效益；单独取出的甘蔗种芽部分，有利于甘蔗种植的机械化，减少了甘蔗种芽的种植成本与人工成本，提高甘蔗种植的整体收益。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的夹持机构示意图；

图3为本发明的输送机构示意图；

图4为本发明的切割机构示意图；

图5为本发明的在实施例2中的整体结构示意图；

图6为本发明的在实施例2中的切割机构；

图中各标号为：输送机构1；夹持机构2；图像采集机构3；切割机构4；甘蔗5；储料箱6；机架7；气压动力源8；下位机PLC9；工控机10；滑台11；滑轨12；同步带和输送电机组件13；夹爪21；夹具垫板22；推杆23；夹具机架24；夹具气缸25；连接杆26；切割气缸41；切割机架42；刀具43；刀槽45；横杆47；导向环安装杆49；导向环50；安装孔51；光电传感器52；夹爪安装杆53；切割凹槽垫板54；工业相机55。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

实施例1

请参照图1至图4，本例中的全自动甘蔗取芽装置包括输送机构1、夹持机构2、图像采集机构3、切割机构4、机架7及控制系统，输送机构1水平安装于机架7上，夹持机构2安装在输送机构1上能够随输送机构1移动，输送机构1上侧设置有图像采集机构3，输送机构1出口端设置有切割机构4。机架7一侧还设置有能够控制输送机构1、夹持机构2、图像采集机构3及切割机构4协同运行动作的控制系统。控制系统包括工控机10和下位机PLC9，工控机10、输送机构1、夹持机构2、图像采集机构3、切割机构4均与下位机PLC连接。装置还包括气压动力源8，气压动力源8与控制系统连接，在控制系统控制下为装置中的气动部件提供气压源。

输送机构1包括滑台11、滑轨12、同步带和输送电机组件13，滑台11底部安装在同步带和输送电机组件13的同步带上沿滑轨12移动，滑台11上设置有供夹持机构2安装的安装孔51。同步带和输送电机组件13中的电机驱动同步带运动，当同步带向前运动时会带动滑台11向前移动。同步带和输送电机组件13连接控制系统，控制系统发出指令，输送电机驱动同步带运动，传送会带动滑台11会向前运动指定距离，确保甘蔗种芽处于切割机构4中指定位置，以便对甘蔗进行切割。

夹持机构2包括夹爪21、夹具垫板22、推杆23、夹具机架24、夹具气缸25、连接杆26及夹爪安装杆53，夹具机架24安装在输送机构1的滑台11上，固定于安装孔51中。夹具机架24前侧安装夹具垫板22，夹具垫板22上侧通过夹爪安装杆53安装夹爪21，夹具垫板22与夹爪21均为凹槽型，同甘蔗5外形相契合，便于夹紧甘蔗5端部。夹爪安装杆53整体呈“厂”字型，夹爪21固定于夹爪安装杆53的水平段上，夹具机架24后侧通过导向环安装杆49安装有导向环50，夹爪安装杆53的倾斜段滑动插设在导向环50内，夹爪安装杆53下方安装有夹具气缸25，夹具气缸25的推杆23端部与连接杆26底端铰接，连接杆26顶端与夹爪安装杆53转角部位铰接。夹具气缸25通过气压动力源8提供气压动力且采用工控机10和下位机PLC9控制，夹具气缸25进气使夹具推杆23向前运动，通过连接杆26的驱动以及导向环50对夹爪安装杆53导向作用下，将夹具推杆23水平向前的运动转化为夹爪21的水平向前和竖直向下的运动，即夹爪21向下按压甘蔗，通过按压使甘蔗5与夹具垫板22的凹槽紧密贴合，实现夹持的目的。甘蔗5被夹持机构3夹持并固定后，便可随滑台11运动，以实现切割一次甘蔗种芽后，递进地继续切割此根甘蔗上后续的若干甘蔗种芽。

图像采集机构3包括工业相机55和光电传感器52，工业相机55布置于输送机构1上方，光电传感器52布置在输送机构1侧边的机架7上且高度位置与夹持机构2上的夹爪21在下压状态时的高度位置相对应，光电传感器52和工业相机55均与控制系统连接。夹爪21松开时不触发光电传感器52，夹爪21下压遮挡光路时能够触发光电传感器52，延时几秒以等待甘蔗5夹持稳固后，触发工业相机55进行图片采集。工业相机55采集图像后，将图像信息发送给工控机10，工控机10根据图像采集机构3采集到的图像信息，利用机器学习算法将整根甘蔗5上全部甘蔗种芽的位置进行识别，输出图像上甘蔗种芽的位置坐标，并进行甘蔗种芽的位置坐标排序，然后通过坐标变换，将图像坐标信息转换为实际位置坐标，将实际位置坐标传输到下位机PLC9中，下位机PLC会根据接收的种芽坐标信息，通过同步带和输送电机组件13动作，使甘蔗水平前进指定距离，每次前进的距离，都能使甘蔗的种芽位置位于切割机构4中需求位置，以此记作一次输送操作。

切割机构4包括切割气缸41、切割机架42、刀具43、刀槽45及切割凹槽垫板54，切割机架42布置于输送机构1后端出口上，切割机架42上部安装刀具43，刀具43上侧朝竖向安装切割气缸41，切割气缸41的伸缩推杆与刀具43顶部连接，刀具43下方安装有切割凹槽垫板54，切割凹槽垫板54中部设置有容刀具43通过的开口，切割凹槽垫板54两端设置为前端凹形垫板44和后端凹形垫板46，切割凹槽垫板54中部开口下方设置有与刀具43匹配契合的刀槽45，切割凹槽垫板54下方设置有储料箱6，其中，刀具43为双切刀型，切割凹槽垫板54与刀具43之间设置横杆47，储料箱6分为前后两个容纳槽，前侧的容纳槽的位置对应切割凹槽垫板54出口端，后侧容纳槽的位置对应切割凹槽垫板54的中部开口。切割气缸41通过气压动力源8提供气压动力且采用工控机10和下位机PLC9控制。当甘蔗种芽通过输送机构1准确输送至刀具43刀口切割位置后，控制系统发出指令控制切割气缸41进行切割动作。刀具43有两个平行的刀口，用于下切时直接取下一定宽度的甘蔗种芽部分，将甘蔗种芽部位切下且通过切割凹槽垫板54中部开口卸料，两刀口的平行宽度可根据目标所需的甘蔗种芽宽度而定。刀具43的正下方的刀槽45，用于承受刀具43下切时产生的力，其形状和位置根据刀具43的形状位置确定。横杆47的水平位置位于双切刀型刀具43两刀片的中间处，垂直高度以下刀时不与双切刀型刀具43的两刀片连接横梁相撞，且不阻碍下方输送的甘蔗运动为准。在刀具43切割一次甘蔗种芽后，因切割时产生的摩擦力，被切割的甘蔗种芽会停留在刀具43的两刀面间隔中，在完成刀具43下切动作后会执行收刀操作，刀具会因切割气缸41提供的动力而垂直上移返回初始位置，此时横杆47可以起到阻碍、卸料作用，将因摩擦力滞留在刀具43中的甘蔗种芽推出刀具43，通过切割凹槽垫板54中部开口卸料，落入下方的储料箱6中。切割凹槽垫板54两端设置的前端凹形垫板44和后端凹形垫板46，形状大小相同，内部形状为与甘蔗截面相契合的凹槽形，在甘蔗5输送过程中为甘蔗提供支撑、固定，且在切割操作过程中承受刀具43下切带来的压力，提供支反力。在一次下刀操作完成后，甘蔗种芽会被刀具43单独切取且通过切割凹槽垫板54中部开口卸料，落入储料箱6的后侧容纳槽中。而甘蔗种芽前侧的甘蔗杆部分则会因与甘蔗主体分离而滞留在前端凹形垫板44上，当下一次输送操作进行时，甘蔗的水平递进运动都会将上一次操作留存在前端凹形垫板44的甘蔗茎部分推下，使其落入下方储料箱6的前侧容纳槽中，实现甘蔗种芽与甘蔗茎的分流。

当全部的位置信息指令都被同步带和输送电机组件13执行完成后，视为本次全部的切割种芽操作完成。工控机10通过下位机PLC9控制同步带和输送电机组件13带动滑台11返回初始位置。自此，视为一次循环结束，再进行上料操作以开始新一轮的循环工作。

实施例2

请参照图5和图6，在本例中，基于实施例1的基础，甘蔗取芽装置的机架7上等距布置有若干输送机构1，输送机构1上均设置有夹持机构2，输送机构1出口端均连接切割机构4。其中，切割机构4中的切割凹槽垫板54的数量和宽度对应输送机构1需求数量而设置。并且，其上侧的刀具43及下方的储料箱6的大小尺寸也作相应匹配，使得刀具43能够一次同时切割各个输送机构1送入的甘蔗，下方的储料箱6也能够同时进行储料分流工作。提高装置的生产效率，满足准确、高效的生产需求。

综上，本发明能够通过图像采集装置准确识别定位甘蔗种芽的位置并反馈至控制系统，以此准确控制输送机构进给量，确保甘蔗的种芽位置位于切割机构需求位置，便于将切取的甘蔗种芽与甘蔗茎分流储存收纳，大大提高了甘蔗取芽效率。使得单独取出的甘蔗茎用于榨糖，提高甘蔗种植的经济效益；单独取出的甘蔗种芽部分，有利于甘蔗种植的机械化，减少了甘蔗种芽的种植成本与人工成本，提高甘蔗种植的整体收益。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种全自动甘蔗取芽装置，其特征在于：包括输送机构（1）、夹持机构（2）、图像采集机构（3）、切割机构（4）、机架（7）及控制系统，输送机构（1）水平安装于机架（7）上，夹持机构（2）安装在输送机构（1）上能够随输送机构（1）移动，输送机构（1）上侧设置有图像采集机构（3），输送机构（1）出口端设置有切割机构（4），机架（7）一侧还设置有能够控制输送机构（1）、夹持机构（2）、图像采集机构（3）及切割机构（4）协同运行动作的控制系统；

切割机构（4）包括切割气缸（41）、切割机架（42）、刀具（43）、刀槽（45）及切割凹槽垫板（54），切割机架（42）布置于输送机构（1）后端出口上，切割机架（42）上部安装刀具（43），刀具（43）上侧朝竖向安装切割气缸（41），切割气缸（41）的伸缩推杆与刀具（43）顶部连接，刀具（43）下方安装有切割凹槽垫板（54），切割凹槽垫板（54）中部设置有容刀具（43）通过的开口，切割凹槽垫板（54）两端设置为前端凹形垫板（44）和后端凹形垫板（46），切割凹槽垫板（54）中部开口下方设置有与刀具（43）匹配契合的刀槽（45），切割凹槽垫板（54）下方设置有储料箱（6），刀具（43）为双切刀型，切割凹槽垫板（54）与刀具（43）之间设置横杆（47），储料箱（6）分为前后两个容纳槽，前侧的容纳槽的位置对应切割凹槽垫板（54）出口端，后侧容纳槽的位置对应切割凹槽垫板（54）的中部开口；

图像采集机构（3）包括工业相机（55）和光电传感器（52），工业相机（55）布置于输送机构（1）上方，光电传感器（52）布置在输送机构（1）侧边且高度位置与夹持机构（2）上的夹爪（21）在下压状态时的高度位置相对应，光电传感器（52）和工业相机（55）均与控制系统连接；

控制系统包括工控机（10）和下位机PLC（9），工控机（10）、输送机构（1）、夹持机构（2）、图像采集机构（3）、切割机构（4）均与下位机PLC连接。

2.根据权利要求1所述的全自动甘蔗取芽装置，其特征在于：夹持机构（2）包括夹爪（21）、夹具垫板（22）、推杆（23）、夹具机架（24）、夹具气缸（25）、连接杆（26）及夹爪安装杆（53），夹具机架（24）安装在输送机构（1）上，夹具机架（24）前侧安装夹具垫板（22），夹具垫板（22）上侧通过夹爪安装杆（53）安装夹爪（21），夹爪安装杆（53）整体呈“厂”字型，夹爪（21）固定于夹爪安装杆（53）的水平段上，夹具机架（24）后侧通过导向环安装杆（49）安装有导向环（50），夹爪安装杆（53）的倾斜段滑动插设在导向环（50）内，夹爪安装杆（53）下方安装有夹具气缸（25），夹具气缸（25）的推杆（23）端部与连接杆（26）底端铰接，连接杆（26）顶端与夹爪安装杆（53）转角部位铰接。

3.根据权利要求1所述的全自动甘蔗取芽装置，其特征在于：机架（7）上等距布置有若干输送机构（1），输送机构（1）上均设置有夹持机构（2），输送机构（1）出口端均设置有切割机构（4）。

4.根据权利要求1所述的全自动甘蔗取芽装置，其特征在于：输送机构（1）包括滑台（11）、滑轨（12）、同步带和输送电机组件（13），滑台（11）底部安装在同步带和输送电机组件（13）的同步带上沿滑轨（12）移动，滑台（11）上设置有供夹持机构（2）安装的安装孔（51）。

5.根据权利要求1所述的全自动甘蔗取芽装置，其特征在于：还包括气压动力源（8），气压动力源（8）为装置中的气动部件提供气压源。