玉米自动分拣装置设计Word格式文档下载.doc

1、项目的应用能够提高速冻玉米生产的效率和产品的质量，节省人工，具有一定的经济效益和社会效益。该项目中的核心技术还可以移植到其他需要质量分拣的产品上。1.2 国内外玉米自动分拣装置发展现状相关技术国内外公开的文献中直接关于玉米分拣的论文较少，但相关的成熟技术我们可以借鉴到本项目中。美国罗切斯特大学计算机科学学院的Se linger、A.N1eSno等人开发了基于产品外形特征的多视角分类识别系统。该系统使用多个相对位置固定的相机获取目标图像，得到丰富的多角度特征，有效地避免了因单视角系统获取的产品特征不充分而导致的识别精度下降的问题。沙特阿拉伯King Fahd大学计算机学院的Al-Mouhmed等

2、人研制出一套robust gross-to-fine模式识别系统，该系统是一套具有尺度不变性的平面外形视觉识别引擎。它首先对目标图像提取边缘链码特征，然后进行高效的由粗到细的识别计算，最后通过比较目标外形轮廓片断，进行匹配识别。这使得该系统的识别算法更具鲁棒性。 90年代，美国俄克拉何马州立大学使用新的模糊神经网络模型开发了用于模糊目标识别的视觉系统。该系统采用了一种被称作FUZMAP的模糊神经网络模型，处理那些来自机器视觉系统的、带有不确定因素的训练样本数据。这些数据首先通过一定的变换被传送给模糊集，然后作为输入向量进入FUZMAP。对于模糊目标在所获取的图像中具有随机位置和随机角度的情况，

3、该系统能够达到很好的识别精度。对于相同的分类识别问题，这种FUZMAP模型比传统的ART模型具有更高的准确性和优越性。近年来，国内的相关研究人员在机器视觉分类识别领域也取得了较好的成绩，在不同程度上推动了我国该领域研究的发展。其中，比较典型的应用实例有：哈尔滨理工大学研制开发的基于BP神经网络的视觉检查系统、西安科技大学研制开发的煤岩石在线识别与自动分选系统、云南大理卷烟厂研制开发的卷烟机接装纸在线识别系统、天津科技大学研制开发的机器视觉玻壳分类计数与数据管理系统等。但总的来说，国内对于该领域的研究尚未形成规模，大多都还没有转化为成熟的科技产品，2005年，哈尔滨理工大学的研究人员提出利用改进

4、的BP神经网络模型解决视觉检查系统的在线识别问题，该方法适用于工业零件或商品的分类识别。它通过传感器采集目标图像，提取图像中基于目标形状的某些特征（如直方图特征、面积、周长、分散度、伸长度等），并将这些特征以向量方式输入己经训练好的神经网络，最终实现目标的分类识别。他们提出的改进型人工神经网络模型与传统的BP神经网络模型相比，有效地降低了陷入局部极小点的可能性，提高了网络收敛与识别的速度。2003年，西安科技大学研制出了用于煤岩石在线识别与自动分选的机器视觉系统。该系统在对煤岩石特征进行深入分析的基础上，利用图像处理方法和模式识别理论对煤岩石进行在线识别与分选，有效地避免了传统分选方法生产效率

5、低、劳动强度大、容易造成环境污染等缺陷。2003年，云南大理卷烟厂针对卷烟机上出现的接装纸换错牌号问题，研制开发了卷烟机接装纸在线识别系统。该系统采用在线视觉成像技术对接装纸进行在线图像检测，并采用1台PLC控制视觉传感器以及实现与卷烟机控制系统的信息通讯。该系统的应用有效地避免了卷烟机接装纸错牌现象，保证了卷烟产品的质量。1.3 玉米自动分拣装置的设计内容玉米自动分拣装置的任务是满足现代化生产的需要，对速冻玉米传统手工分拣加工方式进行现代化改革，彻底改变生产效率低、卫生质量差、质量难以保证等弊端。本设计主要是用 PAC作为下位机与CCD摄像头设备相连接，对伺服电动机通过Device总线进行控

6、制，同时用组态软件在计算机上建立人机界面，作为上位机，对玉米自动分拣装置现场设备的状况进行监控，实时的监测现场设备的运行情况，在非正常运行时及时发出报警信息。玉米自动分拣装置采用控制柜集中操作, 用PAC程控方式完成系统的顺序控制和条件联锁,既向操作人员提供全部操作控制, 又可在系统运行时进行监视报警和自动跳机保护, 集连锁控制和安全保护于一体。预计实现目标：（1）经过系统联调，分拣正确率达到100%；（2）玉米的分拣速度每分钟大于30穗；（3）传送带速度：0100m/min；（4）将玉米按其长度、直径分为4类；（5）能实现自动循环和手工操作功能；（6）故障报警显示。272 玉米分拣装置总体方

7、案设计2.1 玉米自动分拣装置系统说明玉米分拣是速冻玉米生产的重要组成部分，分类过程可以过滤不合格玉米，正确的分类也为后续包装过程提供便利，并且卫生健康的分拣过程也会为消费者健康饮食提供保障。在本系统设计中，主要以功能模块化的结构形式来实现系统总体功能。根据不同的功能，系统主要划分为4大功能模块：机械部分（传送带、摄像头、传感器、推杆装置、电机和减速机）、图像识别部分、运动控制部分、IFIX监控部分。系统的总体方案框图如图2-1，具体动作步骤如图2-2。图2-1总体方案框图图2-2 玉米分拣装置动作步骤本系统通过电机带动传送带使玉米运动，通过第二个光电传感器时检测玉米到达摄像头前，向摄像头发出

8、拍照指令，摄像头对玉米进行拍照，然后通过图形处理分辨玉米的长度，传递分类信号给PAC，由PAC发出一个控制命令给伺服电机，当玉米运动到相应推杆时，推杆前的光电传感器发出信号给PAC，PAC发出第二个控制命令控制伺服电动机带动推杆将玉米推出。2.2 系统格式机构设计玉米自动分拣装置机构部分主要由传送带、摄像头支架和推杆部分组成。如图2-3为玉米自动分拣装置整体设计三维模型图。图2-3玉米分拣装置整体设计三维模型图系统的传送部分采用的是采用的是带式输送机。带式输送机是连续运输机的一种，连续运输机是固定式或运移式起重运输机中主要类型之一，其运输特点是形成装载点到装载点之间的连续物料流，靠连续物料流的

9、整体运动来完成物流从装载点到卸载点的输送。在工业、农业、交通等各企业中，连续运输机是生产过程中组成有节奏的流水作业运输线不可缺少的组成部分，也是本设计中不可缺少的重要组成部分。推杆部分用的是连杆机构，平面连杆机构具有以下传动特点：a. 连杆机构中构件间以低副相连，低副两元素为面接触，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而可用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何形状比较简单（如平面，圆柱面），故容易加工。 b. 构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆，又有作平面一般运动的连杆，作往复直线移动的滑块等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动，这在工程实际中具有重要

10、价值。c. 在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对尺寸，就可以使从动件实现不同的运动规律和运动要求。d. 连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限扩展的一个平面，该平面称为连杆平面。在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的各点，将描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称为连杆曲线。e. 在连杆机构的运动过程中，一些构件（如连杆）的质心在作变速运动，由此产生的惯性力不好平衡，因而会增加机构的动载荷，使机构产生强迫振动。所以连杆机构一般不适于用在高速场合。f. 连杆机构中运动的传递要经过中间构件，而各构件的尺寸不可能做得绝对准确，再加上运动副间的间隙，故运动传

11、递的累积误差比较大。如图2-4为推杆部分实物图。图2-4 推杆部分实物图3 玉米自动分拣装置硬件设计3.1 上位机的选择通过上位机实现的功能和工作的环境决定选择品牌机即可，不用选择工控机。其功能是上位机通过IFIX组态软件能够显示玉米分拣的信息，具体菜单包括系统登陆、控制画面、查询记录、统计报表、退出系统等。但本系统中上位机作为系统的主站，要求有比较高的可靠性和连续运行时间。因此，选用品牌机作为上位机，质量过关、接口齐全，内存大，价格也适中。3.2 下位机PAC的选择PAC的瞩目之处在于模块化的设计和架构，同样使用开放式的架构提供扩展性和设备及商用系统的互联性。特别的是，PAC冠以高效处理及I

12、/O扫描的特点，并以多种方式使其能够融入企业的商用系统。PAC的一个优势在于编程时集成硬件和软件：集成开发环境（IDE）用于对PAC编程包括所有开发工具均能识别的通用标记名数据库。PAC使用一个软件包而不是来自不同厂商的多个软件包来解决现有及将来可能的自动化需求。 PAC的另一个优势是控制系统的升级非常简单。模块化的处理器硬件轻松替换，无需拔下传感器和激励的接线。由于其小巧的尺寸，一个PAC能为机柜节省宝贵的空间。PAC拥有现代化的网络和通信能力，还能实时的获取信息。这反过来使得数据收集更准确和及时，因此更有商业使用的价值。至于价格上，PAC能够提供多种经济方面的优势：（1）.由于硬件的费用较

13、低，开发和集成所花时间更少，所以控制系统的总成本降低。购买PAC的价格往往比在PLC上增加类似的功能更为经济。（2）. 由于自动化系统的应用范围（也称为其专业知识）的延伸，PAC在资产收益率，降低生命周期成本，降低总拥有成本（ TCO ）等方面都有提高。（3）. 现金流动得到改善：添加I / O作为单独的模块意味着在初始的开发阶段只需要最少数量的模块，剩下的模块到项目结束前再添加。PACSystems RX3i 控制器是可编程自动化控制器（PACs）中PACSystems 家族的一员。和PACSystems家族的其他成员一样， RX3i 具备单一的控制引擎和通用的编程环境 使其能灵活的应用于多

14、种硬件平台上.。PACSystems RX3i 性能高速处理器和更快吞吐量的专利技术。一个通用的背板可以在一个模块插槽上支持两种不同的背板总线。高速，基于PCI总线,用于具有更快吞吐量的新型I/O。串行背板总线，用于RX3i串行模块并且容易移植90-30 系列I/O。采用Celeron （Pentium III） 300 MHz CPU，先进的编程和性能，并且具有10Megabytes内存。控制器内存可以存储梯形逻辑文档和机器文档以减少停机时间并提高故障处理水平。支持开放的通讯。支持丰富的开关量模块，模拟量模块和特殊模块。支持模块热插拔，包括PCI 背板总线 和串行背板总线的新老I/O模块单独

15、的I/O模块的24VDC接线端子块和接地条以减少用户接线。编程和配置：PACSystems 设备使用机器版本（Machine Edition）软件进行编程和配置，机器版本（MachineEdition）的特点多种产品家族具有共同的使用界面并支持拖放编辑 。机器版本包含一个内置网络服务器可以在系统运行时进行实时数据发布。RX3i的组成单元：电源模块：（IC695PSD040）、CPU模块：（IC695CPU310）、通信模块： （IC695ETM001）、模拟输入模块（IC694ACC300）、通信模块（IC694DNM200） 、数字量输入模块（IC695MDL660）、S2K运动控制器（IC

16、800SSI104RD2DE）、监控软件与控制器间连接方式（以太网）、编程设备。RX3i模块配置结构示意图如图3-1所示。图3-1 RX3i模块配置结构示意图3.3CCD摄像机的选择CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电

17、荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD的优势在于成像质量好，灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。如表3-2所示为本装置所选用CCD摄像头及其参数。要 真实型号！表3-1 CCD摄像头及其参数3.4伺服电动机的选择 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。GE 伺服电机是一系列涵盖宽扭距和转速范围无刷伺服电机。 这些电机利用高能稀土磁铁来达到出众的性价比。低惯

18、性的设计为改进机械运转速率提供更高的加速度。MTR -系列电机使用解算器反馈，可与 S2K 系列伺服放大器配套使用。和系列电机使用高精度串行编码器反馈，与和系列放大器配套使用。在本装置中使用系列产品，型号为MTR-3T21-G-R-O。伺服电机外形如图3-2所示。图3-2 GE伺服电动机3.5 驱动器的选择GE S2K 系列产品为一个一体化集成设备，为无刷伺服电机和步进电机系统提供放大器和运动控制的功能。为了提高性能，S2K 系列采用了全数字放大器技术和快速伺服更新速率。支持先进的技术诸如电子传动装置和凸轮。带有的 DeviceNet 通讯口支持ODVA组织定义的提供给多轴单机系统的位置控制主

19、/从协议和点对点控制协议。该模块也可配置一个Profibus DPSlave通讯口。解算器或串行编码器反馈选项；两种模块种类选择：集成了运动控制器的无刷伺服放大器或者集成了运动控制器的步进放大器；宽扭矩范围 ：伺服系统在0.84-477 lb-in（0.09-53.9 Nm）范围可以连续择，步进系统在144-3074 oz-in（1-21.7 Nm）之间可以任意选择。 标准特点包括全数字、自动调节的伺服放大器和 50,000 微步步进放大器；当控制器具有 DeviceNet 或者 Profibus 通讯选项时有 14 个 I/O 点，没有网络选项时有21个I/O点（只有 4.3A 和 7.2A

20、 两种模块）；通过板上、双字符LED或通过网络或串行通讯选项可以全面显示诊断信息；包括点对点的移动、点动和高级功能比如电子传动/凸轮系统和基于脉冲的运动。指令集包括全部逻辑函数、子程序、变量和数学函数，外加I/O和网络控制；一个多任务的操作系统支持各种复杂的应用，满足从简单到高级的各种应用程序需求；小巧、独立的封装节省了宝贵的面板空间；所有易于快速拆卸的端子方便快速的安装和改装。如图3-3为伺服驱动器。 图3-3 GE伺服驱动器3.6 传感器的选择光电开关是一种靠感应外部物体对其内部接受到的光强度之影响，而达到输出转换的传感器，它可非接触式感应，感应距离远，反应速度快，安全可靠，使用寿命长，是

21、理想的检测，计数及安全防护等场合的有效工具。在本装置中，传感器的主要任务是检测玉米到达并向PAC发出脉冲输入信号，因此选用普通传感器3可，型号为HG-M18-RO3NO。下图3-4,3-5为传感器外形及尺寸，图3-6为其接线端子图，表3-2为其性能指标。图3-4 光电传感器图3-5 光电传感器尺寸图3-6 光电传感器接线图表3-2 光电传感器性能指标3.7其他设备的选择根据实验室现有条件，伺服电机的扭矩只能达到0.63NM，不能满足机械设计要求，因此要设置减速机。减速机是一种动力传达机构，它是一种相对精密的机械设备，使用它的作用是降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比。经过很多年

22、的发展，减速机的种类已经非常繁多，型号各异。常用的减速机种类： 1、摆线减速机 2、起重机减速机 3、行星齿轮减速机 4、轴装式硬齿面减速机 5、硬齿面圆柱齿轮减速器6、三环减速机7、蜗杆减速机 8、软齿面减速机9、无级变速机蜗杆减速机的特点在于：可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑；两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高於交错轴斜齿轮机构；蜗杆传动相当於螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小；具有自锁性，当蜗杆的导程角小於啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆；蜗杆轴向力较大。在本装置中要求减速机输入与输出成直角

23、形，电机减速机直联形式，输出轴是实心轴单键只起到增大扭矩的作用即可，因此选用普通的蜗杆减速机即可。为传送带电机配置1:15减速器，型号为：WD型；为推杆电机配置1:10的减速器，型号为：WD型。如图3-7所示。a b图3-7 减速机a减速比1：10 b减速比1:154 图显识别部分设计?内容需要充实把识别的原理， 识别程序的流程图都写上典型代码，可以作为附录， 选填 机器视觉主要研究用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。一个典型的机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化模块、智能图像处理与决策模块和控制

24、执行模块。现代工业自动化的大生产中，涉及到各种各样的基于人类视觉的检查、测量、识别和控制需求。机器视觉技术的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，改善了人类生活现状，有着极为广阔的应用前景。本文研究的玉米自动分拣系统就是机器视觉在工业检测中的一个典型应用。应用机器视觉技术，实现速冻玉米穗质量自动分拣。将线检测和轮廓提取的成熟方法应用到玉米的大小一致性检测，考虑玉米颜色与品质的对应关系，结合融合识别算法，确定玉米质量分类的识别算法，为实现玉米穗的自动分拣，提供理论保障基础。本单元采用机器视觉技术，首先通过DDE与Excel通讯，读取IFIX传送过来的传感器信号控制摄像头拍照，

25、然后利用图像处理检测玉米的长度，来确定归属于哪一类，再将类别信号通过DDE传送给Excel，最后求出所检测玉米的长度和直径。处理起来快速准确，整个过程在200ms内。玉米在传送带上，通过传感器时，触发其产生上升沿脉冲，摄像机进行拍照，之后进行图像处理，处理步骤具体如下：a 原始图片采集b 二值化处理c 边缘检测d 区域标记e 特征提取在图像处理的过程中，主要用到了下列的相关方法：（1）二值化：进行自动阈值选择，将原始图像转化为二值图像；边缘检测：将二值图像中边缘轮廓提取出来；区域标记：对不同区域标记不同阈值，并求出每个区域的面积，便于进行筛选；特征提取：将面积（即玉米在图像中所占像素点的面积）

26、大于一定值的标记提出，并计算出其质心、长度和直径并将所属类别，将其归为四类，并将其所属类别通过DDE传送给IFIX。5 系统下位机软件部分设计合理的软件结构，是设计出一个性能优良的停车场系统的基础，在程序设计方法上，模块化程序设计容易完成，便于调试，可供多个程序共享。软件结构设计和程序设计方法确定后，根据系统的功能，首先画出程序粗略的框图，通过对框图进行扩充和具体化，得到详细的程序流程图，然后编制具体程序。5.1 ME软件概述本设计是选用GE的型号为RX3i的PLC，所使用的编程软件系统是GE的编程软件ME5.7Machine Edition 提供了一个统一的完整系统用于解决自动化控制方案。M

27、achine Edition 特点在于提供了一个集成的开发环境，这样可以使用户花更多的时间在应用程序的开发上而不是学习如何使用软件上。所有Machine Edition系列产品都被有效的集成在一个统一的开发环境。 所有软件的开发都使用同一个工具栏。 不同软件中的单元具有互相拖放的功能。 软件可以针对多种硬件平台进行应用程序开发，用户可以选择程序所运行的硬件平台。 开发过程中随着鼠标的点击，可以自动显示相关的帮助信息。对上位机软件要求为了使用Logic Developer PLC 和它的工具，需要下列支持：软件需要： Windows NT version 4.0 with service pac

28、k 6.0 或更新或Windows 2000 Professional或Windows XP Professional或Windows ME或Windows 98 SE。Internet Explorer 5.5 with Service Pack 2或更新。（在安装 Machine Edition之前必须先安装IE5.5 SP2）硬件需要： 500 MHz 基于奔腾的计算机。 （建议主频1 GHz以上） 128 MB RAM （建议 256 MB）。 支持 TCP/IP 网络协议计算机。 150-750 MB 硬盘空间。 200 MB 硬盘空间用于安装演示工程（可选）。 另外需要一定的硬盘空间用于创建工程文件和临时文件。5.2 PAC程序的总体设计PAC梯形图的设计分为如下几步：（1）分析问题，明确所要解决问题的要求和目标。（2）确定控制过程时序流程图。（3）确定采用的编程语言和算法子程序。（4） 根据流程图和输入输出参数编制PLC逻辑控制程序。（5） 总装调试：通过PLC编程器输入程序，按照硬件设计图现场接线并调试。I/O分配是编写PLC程序的初始部分，也是关键部分，合理的I/O分配能使所编写的程序简单、清晰，让读者一目了然。本文所设计的I/O分配表如表5-1所示。表5-1 I/O端子表II374