毕业设计（论文）-油炸食品外观缺陷检测与剔除系统--硬件系统设计

油炸食品外观缺陷检测与剔除系统-硬件系统设计HARDWARE SYSTEM DESIGNE ON THE DEUICES OF FEEDING AND ELIMINATING MATERIALS FOR THE FRIED FOOD DETECTING SYSTEM专 业： 机械设计制造及其自动化(机电)(实验班）姓 名: 指 导 教 师： 申请学位级别： 士 论文提交日期： 学位授予单位： 天津科技大学摘要本次设计针对油炸食品生产线上由于机械装置的切割、成型、炸制过程中都有一定的可能性出现不规则形状或者多次炸制炸糊的情况，通过利用三维制图软件绘制三维图形，提出多种方案并按照三维图选择论证可行性最终搭建实物，设计制造一套关于油炸食品生产线的自动检测与剔除系统。其硬件系统主要包括：1）振动上料装置：振动上料机可以接收提升机构传送来的鱼豆腐并且将其均匀的传送到下一级工序，震动上料机的选择可以解决因为鱼豆腐在炸制后会附着一定的油，而油的粘度比较高，在鱼豆腐高密度分布的时候互相之间可能产生粘结现象。2）分离排序装置：通过振动上料机传送后虽然其之间的粘结会得到较好的处理，但是其分离的各个油炸食品之间的排列却属于杂乱无序排列的。这样的排列很不利于图像处理，会为图像处理过程造成很大的困难。因此，我们需要设计一个使经过振动上料机之后的油炸食品在行列之间有一定排列顺序的机构。3）图像采集装置：经过分离机构处理的油炸食品其横向间距和纵向间距都具有符合了一定的标准，此时进入图像采集装置进行图像采集，因此图像采集装置的设计也很重要。4）自动剔除装置：目前市场上已经有了很多机械可以完成剔除动作，但是其剔除目标各有不同，通过查阅资料，目前还没有任何一种设计或者应用的剔除装置可以直接利用于油炸食品生产线的自动剔除动作，经过图像采集装置之后，图像采集装置会对采集到的图像进行处理，剔除装置的作用就是讲检测到不符合工厂出厂标准的产品，也就是残次品进行剔除。每一处关键部分都提出至少三套方案，并通过三维仿真、干涉计算、设备调试等方法选择最优方案，通过实验证明最终选择的方案都是切实可行的。关键词：油炸食品；排序；上料；自动剔除AbstractThe design for the fried food production lines due to mechanical device of cutting, forming, frying process in has a certain possibility appeared irregular shape or multiple fried fried paste, by using 3D drawing software rendering 3D graphics proposed a variety of programs and in accordance with the three-dimensional map selection feasibility demonstration build real, designed and manufactured a set of fried food production line automatic measuring and eliminating system. Its hardware system mainly includes:1) vibration feeding device: vibrating feeder can receive promotion mechanism for carrying fish bean curd, and the uniform is transmitted to the next level process, vibration feeding machine selection can be resolved because the fish tofu in fried system was attached to the oil, and the viscosity of the oil is relatively high, in fish, tofu, high density distribution of the time between each other may bond phenomenon.2) separation and sorting device: through vibration feeder transport although the bond will get better treatment, but the separation of the various fried arrangement between food are disorderly arranged. Such arrangement is not conducive to image processing, will cause a lot of difficulties for the image processing process. Therefore, we need to design an organization that makes the deep fried food after the vibration feeding machine in order to have some order of order.3) image acquisition device: after separating mechanism processing fried food, the horizontal and vertical spacing has met certain criteria, this time to enter the image acquisition device for image acquisition, so the design of the image acquisition device is also very important.4) automatic rejecting device: at present on the market have a lot of machinery can complete eliminating, but eliminate the goal are different, through access to information, there is no any design or application of eliminating device can direct use of fried food production line, automatic elimination action. After image acquisition device and image acquisition device will to carry on processing to the collected image, and removing apparatus function is detected products that do not meet the factory standard, also is defective products are eliminated.Every key part are proposed at least three sets of solutions, and through 3D simulation and interference calculation, equipment debugging etc. methods choose optimal scheme. Experiments prove that the final scheme is feasible. 第一章 绪论 第一节 选题背景及研究意义 民以食为天，而在中华文明五千年的历史长河中，各种油炸食品占据了中华美食中的很大一部分，受到了各个年龄段的人们的喜爱。在生活水平不断提高的今天，人们对自身健康和食品安全的重视程度也不断提高，而因为食品的质量安全而造成的事件却总是发生，因此提高油炸食品的质量安全的重要性不言而喻。在油炸食品的炸制的过程中，不合格品剔除是非常重要的一个环节。而且，不合格品的出厂不仅仅会影响到企业形象，对企业的经济效益也会造成很大的影响，严重着甚至会影响到消费者的身体健康乃至生命安全。因此，高效准确的完成对油炸食品生产线的不合格品的剔除，是每一个食品生产线上必须完成的艰巨任务。在油炸食品的生产过程中，由于机械装置的切割、成型、炸制过程中都有一定的可能性出现不规则形状或者多次炸制炸糊的情况。国内食品生产线中对于油炸食品的不合格品的剔除主要还是依靠工人依靠其个人的经验挑选出其直观上认为的颜色或者外形不合格的产品，没有一个统一的度量。 图1-1-1 实际生产中目前主要为人工剔除并且，人工检测容易造成污染，生产线上的工人不能保证时刻都是精神高度集中状态，特别是在连续工作和高产率工作时，这样的缺点会变得更加突出。这对剔除不合格品的效率和质量都不能作出很好的保障，很有可能对企业形象和经济利益造成不可估量的影响。为此，本次设计主要针对上述问题，着重处理了食品生产线的不合格品的自动剔除，可以对整个油炸食品生产行业产生重要的推动作用，所以本课题研究的成功将对该行业产生重大推动作用，并且本次设计可应用与其他类似行业，基本原理互通。第二节 油炸残次品自动检测剔除系统的研究现状 随着科学技术的发展，越来越多的先进技术不断的被人类发掘，很多都是根据人类或者其他动物的行为得到灵感并且仿制出可以完成相同功能的设计创造。我们一般称之为仿生学。本次设计中涉及到的机器视觉便是仿生学中非常重要的一个部分。通俗的解释机器视觉，就是通过摄像头完成人类眼睛完成的任务，然后将采集到的信号通过计算机的处理（模仿人类大脑）再通过单片机等控制机械动作模仿人类的实践活动。1） 国际食品工业概况： 早在上世纪九十年代初一些发达国家的食品加工企业的食品原料加工率就达到了百分之七十以上，甚至有些国家在那个时代便达到了百分之九十二，在相同时代，我国以及一些其他的发展中国家对食品加工的原料利用率仅仅做到百分之二十到百分之三十1。即使经过近年来国内经济和科技水平快速的发展，我们与一些发达国家的差距依然不可忽视。一些发达国家的食品机械工业的食品机械早已发展了一套很成熟的体系，成为整个机械工业中很重要的部门。产品品种齐全，工业化食品加工设备在高度机械化之后，其产值大大提高，并且不断应用新的原理，新的技术，新的工艺以及新的材料，产品质量比较高，生产系统的通用化和标准化的程度很高。在发达国家，食品机械对于原料利用率是很高的，早在上世纪末期，美国的淀粉糖制造设备就已经可以完成无废气、无废料、无废渣和无环境污染的要求。根据相关数据统计，1982年的法国、日本、美国的全员劳动生产率（一年内创造劳动的价值与劳动消耗的比值）分别为22.5万法郎/人/年、1503万日元/人/年和71091美元/人/年发达国家的食品机械出口比例比发展中国家大许多，日本的出口额为其生产总值的百分之五十进口额更是达到百分之七十二，法国为一半左右1。而这些数据都是上世纪九十年代统计的，现代科技日新月异，早在三十年前食品机械就有如此重要的地位，现在起重要性更是不言而喻。2） 现存类似机构的概况：自动检测和剔除装置是自动机械领域中非常重要并且不容忽视的组成部分，现有的剔除机构都具有一定的共同点，一般为集机、气、电控制一体的机电一体化系统。依靠自电和气的控制很灵敏这一特点制作而成的。如图1-2-12，多应用于一些单轨道的自动剔除装置。使用凸轮转动，令气缸充气，推动活塞，横向的将检测到需要剔除的产品踢出轨道。图1-2-23为烟草行业的自动剔除装置，其一般为采用高速电磁阀组和喷气式的喷嘴组成，利用CCD摄像机检测，仅仅使用三十毫秒就可以完成喷射高压空气打掉异物，仅仅1.8米的皮带上就有足足192个电磁阀但是这种剔除机构的剔除方式比较特别，只能剔除比较轻的异物，并且造价高昂，无法大面积的进行推广。如图1-2-34电子插接件的次品自动剔除装置。该检测系统主要是有工业相机、PLC控制器、自动送料排序装置、工控机。电磁阀、剔除装置。辅助工作台和视觉检测软件等部分组成。主要剔除装置由支架、滑道、联轴器、传送带、电动机、光电传感器、空气压缩机等部分组成。与图1-2-1类似。本方法主要是利用气动推杆伸出完成剔除次品插接件的目的。使用PLC控制剔除机构的动作，虽然在速度和准确性上都有了一定的保障，但是PLC本身价格比较贵，如果多加研究，依靠51单片机就可以完成其相应的功能。图1-2-1：推杆式自动剔除装置图1-2-2：烟草行业的自动剔除装置图1-2-3：电子插接件不合格品剔除装置的PLC控制图第三节: 主要设计内容 通过查阅大量国内外文献，寻找合适的设计方法，学习优秀的设计思路。通过Standardization Theory and Method of Top Design for Products5了解到如何全面规划设计对象，利用标准化的设计理论和设计方法实现预期的设计目标和设计内容。为此的整体的设计方法提供了非常可靠的建议。通过一些类似的已有的设计成品或者设计理论寻找并选择匹配适合于本次目标的方法。虽然很多设计的内容与本次设计都不相同，但是其设计思路和设计方法都为本次设计提供了很大的灵感。例如自动剔除异常花蛤设备的研制6，这种设备的工作原理是利用敲击正常花蛤与敲击不可食用的（即需要剔除的）花蛤时所产生的声音信号的差异，利用计算机软件技术设计制造的自动剔除异常花蛤的设备，其选择鉴别正常产品与不合格产品的方式非常独特。一种塑料盖理盖系统的设计7,它是针对目前使用广泛的塑料瓶瓶盖的自动理盖系统进行设计，如图1-3-1，利用轨道上的半个缺口部分，使瓶盖朝向向下的依靠重力自动掉入收集箱，虽然没有利用非常复杂的机械结构，但是依然可以完成计划的工作任务。其设计之巧妙让人叹为观止。即使本次设计没有用到这些方法，但是其创新性的想法为我们提供了一个很好的设计灵感。图1-3-1：塑料盖理盖系统示意图油炸食品的种类非常多，不同的油炸食品之间区别很大，他们外形尺寸，力学特点等都不尽相同，此次以油炸鱼豆腐为研究对象，此次以油炸食品生产线上的鱼豆腐产量400kg/h为目标任务，以油炸鱼豆腐的形状尺寸等特点，与实际生产工作要求为基准，利用图像处理技术检测产品的合格与否，对油炸食品进行实时检测剔除动作，其主要研究的是从直接振动上料一直到最终的剔除系统硬件的设计，整个研究过程如图1-3-2所示： 图1-3-2 研究工作流程图主要设计的内容分为4个部分，分别为以下四点：1）振动上料装置：振动上料机可以接收提升机构传送来的鱼豆腐并且将其均匀的传送到下一级工序，震动上料机的选择可以解决因为鱼豆腐在炸制后会附着一定的油，而油的粘度比较高，在鱼豆腐高密度分布的时候互相之间可能产生粘结现象。2）分离排序装置：通过振动上料机传送后虽然其之间的粘结会得到较好的处理，但是其分离的各个油炸食品之间的排列却属于杂乱无序排列的，这样的排列很不利于图像采集和图像处理工作。因此，我们需要设计一个使经过振动上料机之后的油炸食品在行列之间有一定排列顺序的机构。3）图像采集装置：经过分离机构处理的油炸食品其横向间距和纵向间距都具有符合了一定的标准，此时进入图像采集装置进行图像采集，因此图像采集装置的设计也很重要。4）自动剔除装置：目前市场上已经有了很多机械可以完成剔除动作，但是其剔除目标各有不同，通过查阅资料，目前还没有任何一种设计或者应用的剔除装置可以直接利用于油炸食品生产线的自动剔除动作，经过图像采集装置之后，图像采集装置会对采集到的图像进行处理，剔除装置的作用就是讲检测到不符合工厂出厂标准的产品，也就是残次品进行剔除。第二章 系统的总体设计第一节：测量总体及方法描述本次设计的主要内容是设计一套关于油炸食品生产线上应用于不合格产品的自动检测与剔除系统，利用机械系统代替人工对油炸食品的检测与剔除。要完成包括上料、自动排序、图像检测、图像处理、信号传递和自动剔除动作，其总体体结构设计图如图2-1所示。光电传感器相机单片机 PC机剔除装置第二级传送带分行装置第一级传送带振动上料装置 图2-1 自动检测剔除系统的总体结构设计图 油炸食品检测剔除系统是将生产线上炸制完毕的产品送入振动上料机中，通过振动把原本有可能粘粘在一起的油炸食品（本次设计主要针对鱼豆腐）分离并且送至排序装置上，排序装置分为分行和分列两个部分，第一部分分行装置安装在低速传送带上，经过处理后的油炸食品落入高速传送带，利用两种传送带之间的速度差，将紧密排列的产品分离，完成分列工作，在第二级传送带上安装有对射式光电传感器和图像采集装置，当有产品通过时，触发对射式传感器发送信号给摄像机，进行图像采集工作，并且在计算机中对采集到的图像进行图像处理，合格的产品相应轨道的剔除装置不动作，当计算机检测出有产品不合格时，会发出信号至单片机，单片机控制剔除机构动作，剔除机构通过电磁铁的伸缩动作改变轨道达成剔除效果。工作流程如图2-2所示。 第二节：系统软件概论油炸食品的质量检测过程中，主要是运用了机器视觉技术，通过彩色摄像机对产品拍摄得到的图像，获取产品的形状特征和颜色特征，通过采集到的这两种特征与合格产品进行比较得到判断。如果判断产品合格不动作，如果判断出产品不符合要求则发出剔除信号，由下位机动作，完成剔除，系统软件工作流程如图2-2所示： 是否装箱剔除不合格品合格？单片机 特征检测图像预处理是否上料打开检测系统正常？系统停止自检 图像采集 图2-2 系统软件工作流程图第三节：系统硬件概论 硬件系统包括：振动上料装置、排序装置、图像采集装置及剔除装置，各个机构主要功能如下（1）振动上料装置：因为油炸食品普遍具有一定的粘性，在传动过程中可能会因为产品上残余的油量粘滞，甚至有可能会卡在传送的轨道上，从而影响系统的正常工作，而振动上料装置正好适用于这种情况，并且可以令油炸食品之间比较少粘连的进入下一道工序，为下一道工序提供更好的工作环境。（2）排序装置：将上一道工序振动上料机传送过来的原本排列紧密的产品分离一段距离，使紧密分布的待检产品在自动排序装置上呈现相互之间有一定固定距离的排列分布，为下一道工序的图像采集和处理提供良好的基础。（3）图像采集装置：包含工业相机、传感器、无影光源和辅助电源，通过传感器触发图像采集装置采集图像供给上位机进行图像处理。无影光源可以提供照相机在图像采集过程中可以更清晰的采集图像。为图像处理环节提供基础。（4）残次品剔除装置：在接收到上位机发出的剔除信号时，剔除装置能够实时动作，保留符合条件的产品、剔除不合格的产品。 油炸食品自动检测与剔除机构硬件部分构图初步构想如下图所示： 1. 震动上料机 2.排序装置 3.过度板 4。低速传送带 5.高速传送带 6.剔除装置 2-3-1油炸食品检测剔除系统初步构想图第三章：机械系统的设计第一节：震动上料机的选择1 振动上料机的功能要求本次设计要求振动上料机可以接收提升机构传送来的鱼豆腐并且将其均匀的传送到下一级工序，因为鱼豆腐在炸制后会附着一定的油，而油的粘度比较高，在鱼豆腐高密度分布的时候互相之间可能产生粘结现象。在炸制过程中，由于炸制工艺等原因，少量鱼豆腐之间也会产生不同程度的粘结。振动上料机可以避免因为油炸食品自身粘度而产生的堵塞通道、产品之间相互粘接的情况，我们需要根据实际工作产能要求完成一定的工作量，从而应该选择相应功率大的振动上料机。2 振动上料机的型号选择本次设计需要的振动上料机不需要单独制作，那样的制作成本非常之高，决定直接购买现有的相适应的型号。目前市场上振动上料机的种类有很多，其工作方式与工作特点也大有不同，本次设计目的是适应实际工作需要，如果振动上料机的功率过大，则会产生一个浪费的问题，一是成本会有相应的提高，功率大的上料机自然比功率小的上料机贵。二是使用时的能源浪费，不符合企业追求利润的基本要求，如果振动上料机的功率过小，又无法满足实际工作需要，减小实际工作产能，自然是不可选的。目前市场上的振动上料机有主要有一下几种： GZV系列微型电磁振动给料机 这种电磁振动给料机具有体积小、耗电小、总体质量比较轻、可以调节振动频率和幅度等优势，可以自动或者手动调节振动频率和振动幅度。目前这种电磁振动给料机广泛应用各个行业，究其工作特性分类适用于颗粒状或者粉末状的配料或者自动包装等工序。电磁振动给料机特点；比较适合应用于非粘结性（非油炸）的物料ZSW型振动给料机特点：具有粗筛分功能的机械振动式给料机械设备、运转平稳、工作可靠广泛运用于选矿、化学工业中碎石等设备中。通过比较选择根据GZV电磁振动给料机具有体积小、耗电小、结构简单、总体质量比较轻、可以调节振动频率和幅度等优点，可以通过控制箱实现调节振动幅度和频率等优点，选择GZV电磁振动给料机。其三维图如图3-1所示： 图3-1 电磁振动给料机三维图 第二节：油炸食品排序机构的设计油炸食品完成炸制工序之后会被提升机运出。通过振动上料机传送后虽然其之间的粘结会得到较好的处理，但是其分离的各个油炸食品之间的排列却属于杂乱无序排列的。这样的排列很不利于图像采集和图像处理工作。因此，我们需要设计一个使经过振动上料机之后的油炸食品在行列之间有一定排列顺序的机构。 如上文所述，本机构的设计目的在于使油炸食品在进入图像采集系统之间其各自呈现有一定规律的排布。在使之排列有序的同时，我们也可以完成上料的动作。排序机构工作效果与后续的图像采集工作的难度密切相关，因此，排序机构的设计非常重要。为了使在图像采集和处理环节得到的油炸食品分布有序，本次设计分别从分行和分列两个方向来排列油炸食品之间的顺序。首先介绍分列机构。振动上料机将油炸食品传送至第一段传送带，通过分行机构所形成的“通道”时，每一列“通道”的宽度仅为1.41倍标准油炸食品的最大尺寸，这样可以避免同一通道内同时进入两个产品，“通道”宽度不设置很宽的同时也可以避免有两个油炸食品卡在”通道“内，从而阻碍后续产品的传输，通过实际操作实验证明这样的宽度限制是实际可行的。分列机构如图3-2-1所示 图3-2-1 分列机构进过此分列机构后，每一个“通道”内仅有一列产品，但是同一列内的不同产品之间距离仍然非常精密，在图像处理环节要求最好每次处理仅处理某一确定区域之内的产品，同一列应该只有一粒产品，从而达到甄别好坏进而发出信号。因此如果一次图像采集在同一列中采集到两个油炸食品图像，如果两个油炸食品的质量不同，会给图像处理造成巨大的困难。因此，在下文中会介绍分行机构。设计分行机构的目的是使原本在某一行内紧密排列的油炸食品之间的距离拉大。本次设计采用的方法是利用二级传送带的速度差使一列中的油炸食品之间的距离增大。其工作原理是当油炸食品通过第一级传送带后进入第二季传送带，由于两级传送带之间的速度不同，第二级传送带的速度比第一级传送带的传送速度快，原本紧密排布的油炸食品由慢的速度掉入快速传动的高速传送带从而彼此之间产生一定的间距。分离机构简图如图3-2-2所示 图3-2-2二级传送带通过炸制后的油炸食品通过以上所述的分离机构之后，彼此之间的距离已经拉开，原本杂乱密集无章的情况将会消失，为之后通过图像的采集处理装置做好了准备。确定了排序机构的工作原理后，下面进行分列机构的设计。本次设计的目标是应用与实际操作中，因此各项数据都应该与实际生产线的工作情况相符合。表3-2-1是实际油炸食品生产线中鱼豆腐生产的生产指标。生产指标单位产量(kg/h)鱼豆腐边长(m)鱼豆腐单位重量(kg)具体数值4000.0250.0250.0250.02表3-2-1由表可知，标准尺寸的鱼豆腐为25cmX25cm，为了保证在分列机构中每一列都不存在横向中同时存在两个鱼豆腐的情况，设置两片分列机构之间的距离为40cm，油炸食品生产线的单位产量为400kg每小时。根据每个鱼豆腐的单位质量为0.02kg，每小时生产400千克，则每小时生产的鱼豆腐应该在20000个左右。鱼豆腐是通过人工操作放入油炸池内。根据实际情况，工人约三十秒会倒入一批鱼豆腐，则每次倒入鱼豆腐的个数x为：X=20000*30/3600=166(枚）鱼豆腐的边长为0.025m，则鱼豆腐的单面面积s为：S=0.025*0.025=0.000625（m2)从而在30秒内生产的鱼豆腐所占最小的总面积为S1S1=0.000625*166=0.104(m2)在设计分列机构中，应该满足单位时间内传送带所走的总面积大于实际需要传送的鱼豆腐总面积，已定传送带的宽度为0.2m。因此在这里算出一级传送带的速度VV=0.104/30/0.2=0.017(m/s)考虑到鱼豆腐在传送到第一级传送带时其各自之间还有一定的间隙，最终决定将第一级传送带的最小传送速度定为0.03m/s。为了达到分离同一列之间的鱼豆腐之间的距离，并且两粒鱼豆腐之间最小间隙应该大于一个鱼豆腐的尺寸，故第二级传送带的传送速度应该至少为第一级传送速度的3倍。故定第二级传送带的传送速度为0.09m/s。在传送带中轴轴的直径是可以自主选择的，因此下面进行主动轴的扭矩弯矩计算：首先，由轴的受力大小以及受力点画出其受力图，根据受力点等作图3-2-3图3-2-3 轴的受力简图由受力分析可知： 式3-2-1 式3-2-2将mg=98N，Q=755N代入可以得到： 弯矩图如图3-2-4所示。 图3-2-4 弯矩图根据扭矩画出相应的扭矩图如图3-2-5所示。图3-2-5 扭矩图 下面对轴的强度进行校核，在校核过程中，只校核具有最大扭矩和弯矩的截面的强度。因为本次设计中轴的转向的单向的，查阅资料14得，计算轴的应力为： 式3-2-3式中 M总弯矩()；W抗弯截面系数()；扭矩()；根据实际情况选定以45钢为轴的材料，表查得。因为，所以此轴符合要求。在轴的两端是轴承，它受到径向力很小，更多的受轴向力，根据机械原理与机械设计可知选择深沟球轴承是符合要求的。由上文可知州的尺寸，查书得可以选择深沟球轴承6202。现在计算轴承的寿命，由书得公式： 式3-2-4 式中 轴承寿命(h)；轴承的基本额定动载荷，根据查表得C=7.65kN； 轴的转速()；ft温度系数，此处取ft=1.0 当量动载荷(N)；深沟球轴承；根据实际要求，选择使用时间，取轴的转速n=50r/min。根据实际情况，轴承主要受轴向力作用，径向力很小，查书的径向力Fa可忽略，此时： 轴承的当量动载荷公式为： 式3-2-5其中，为载荷系数；为径向载荷；则： 由于，因此本处校核轴2的寿命。，故所选的轴承满足要求。 在实际的试验过程中，发现鱼豆腐在通过一级传送带进入二级传送带的过程中，存在一个过度的问题。本次设计共提出两种方案。方案一：两级传送带平行放置，此时存在两个传送带之间存在间隙的情况，采用过渡板的方式传送。如图3-2-6所示 图3-2-6：方案一过渡装置示意图在实验过程中，安装图示装置时有三个困难，第一：图示过渡板很难同时与两边的传送带之间无间隙连接。第二，因为过渡板本身表面具有一定的摩擦力，鱼豆腐无法直接通过过渡板，即使在后续的鱼豆腐的推力下也会出现卡滞的情况。第三，因为两个传送带都有电机传动，两级传送带分别在两个机构上，这样的连接板不方便安装。方案二：如示意图3-2-7所示，两级传送带之间形成一定的高度差，通过过渡板时依靠的高度差过小时，过渡板的角度比较小，凭借鱼豆腐自身的重量无法滑落，依然有可能会造成卡顿的情况。当两级传送带之间的距离过大时，会出现鱼豆腐向前翻滚的情况，由于不同的鱼豆腐翻滚情况也不相同，会造成二级传送带无法完成实验效果的现象。 图3-2-7 两级传送带之间有一定高度差通过多次实验，将两级传送带之间的高度差定为20mm时可以同时避免以上所述的两种情况的发生。并且这样的高度差可以造成单粒鱼豆腐在上面不会直接滑落至高速传送带，需要后续产品给在过渡装置上的鱼豆腐一个推力从而进入高速传送带。从而可以进一步提高分行机构的工作效果。排序机构三维图如图3-2-8所示图3-2-8排序机构三维图第三节 图像采集装置机构的设计经过分离机构处理的油炸食品其横向间距和纵向间距都具有符合了一定的标准，此时进入图像采集装置进行图像采集。图像采集装置主要分成两个部分，其一是传感器部分，其二图像采集部分。首先介绍传感器部分。传感器的主要功能是当有油炸食品通过特定的位置时，传感器会检测到信号，并且控制照相机进行拍照工作。按照检测方式的不同光电传感器分为对射型和反射型。初步计划使用反射型传感器，如图3-3-1所示图3-3-1 反射式传感器 目前比较常见的图像传感器有CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor-互补金属氧化物半导体)和CCD（Charge Coupled Device-电荷耦合器件）8910两种。这两种图象传感器的共同点在于他们俩都是利用感光二极管可以进行进行光电转换的特征工作。他们的不同点是他们具有不同的数据传送方式。其中CCD属于单一的感光器其灵敏度和分辨率都比较高、噪声小、功耗较高并且具有比较高的成本。而CMOS图像传感器灵敏度低、分辨率小、功耗也小，具有一定的噪声。主要是成本也相对低廉。虽然在文献中查知CMOS的缺点比较多，但是时代在进步，CMOS传感技术也一直在不断的发展，精度等各方面水平在不断的提高，CCD和CMOS之间的差距在逐渐被拉进。在实际使用的过程中，发现使用漫反射式传感器时，仅在离传感器比较近的两到三个轨道时会触发传感器，如果在距离比较近的地方没有产品通过，在比较远的轨道通过产品时将不会触发传感器，从而会导致在距离传感器比较近的轨道没有产品，而在同一行的比较远的轨道有需要剔除的产品的时候不会触发图像采集装置，此时自然也就不会剔除距离比较远的残次品。因此反射式的传感器在无法按照计划完成任务。此时将传感器改为对射式传感器。相比较反射式传感式传感器，对射式传感器具有抗干扰能力强，光源可见，在同一行中只要出现任意产品就可以触发传感器。传感器工作原理如下：在没有产品通过时，光电传感器无法检测到信号，此时光电传感器处于高电平装袋。只有当产品挡住对射式传感器时，传感器会由高电平状态转换为低电平状态。我们将传感器与单片机通过P2.0端口连接。将相机触发的信号线与P2.5端口连接。按照以下图3-3-2所示方法连接，当传感器采集到信号之后，可以通过单片机控制照相机采集图像。所购买安装的传感器如图3-3-3所示图3-3-2单片机光电传感器的接线图图3-3-3 对射式传感器工作原理在完成传感器触发过程后，就到了图像采集装置的设计。图像采集装置主要包括三个部分。分别为相机、镜头和光源。相机的选择需要考虑到需要采集到数据的范围、工作距离和采购成本等问题。本次设计需要的采集的面积即采集数据范围为400mm*300mm。考虑到镜头本身也具有其尺寸，我们将工作距离定在350mm。在相机的选择过程中，主要有两种大类的相机可以供选择。其中线阵相机目前更多的应用于工业、科研、安全领域或者医疗领域中的图像处理，和面阵相机相比较，他是通过高频率和高分辨率的扫描产生图像。一般检测连续匀速运动的物体，利用连续扫描从而达到对整个平面均匀检测的目的。其分辨率比较高，可以达到um级别的测量。通过多次的拍照，将一次次拍摄到的窄图拼接到一起形成一张巨大的图。一般线阵的相机价格比较贵，在要求拍摄面积比较大或者要求精度较高时，其图像采集的速度相应也比较慢。而面阵相机有很多种像素可以供选择。我们日常生活中比较常见的一个误区是很多人认为像素越高，拍摄到的图像就越清晰。其实这是不对的。可能有人在日常生活中会发现苹果的手机虽然只有五百万像素和八百万像素，其拍摄出来的图片甚至会比其他品牌的更高像素的手机效果还要好。另外，在我们生活中的单反相机一般像素也不会特别高，但是其拍摄出来的图片质量远远比手机质量要高。其奥秘就在于其分辨率比较高，而分辨率是与我们选择的镜头相关的。同一种相机配用不同镜头时其分辨率就不同。在使用线阵的过程中，需要配合光栅记录线阵相机，算法比较复杂，本次设计要求分辨率不高，高速传送带传送速度在0.09m/s左右，属于低速运动。故此次设计选择面阵相机。通过选择对比，本次设计中摄像机选择北京大恒DH-HV1303UC11工业数字摄像机，相关的参数如表3-3-1所示 确定了摄像机的型号之后就到选择镜头的时候了，如上文所述，镜头的选择也是非常重要的，镜头选择的合适与否会直接影响到拍摄的效果，因此选择镜头环节应该很慎重。镜头也分为很多种如表3-3-2所示 要选择合适的镜头，首先应该选择合适的焦距。焦距应该按照式3-3-1计算 式(3-3-1)由表3-3-1可得相机的尺寸为7.1mm，在上文中已经写到镜头和油炸食品之间的距离为350mm左右，视野为400.由式3-3-1可以计算得到镜头的焦距为：根据计算得到的焦距，在合适点的镜头之间对比选择，选择Schneider公司生产的FV0622型号的镜头，其相关参数如表3-3-3所示。型号FV0622焦距6mm工作距离0.1最大兼容CCD1/2英寸畸变率(%)-0.01视场角()40.4752.35表3-3-3镜头型号 在确定了镜头和摄像机之后，我们还需要保证图像采集环境，即光源问题。通过适当强度的光照，可以使图像采集装置采集到的图像更加清晰，从而减轻图像处理的难度。反之，如果光照环境不好，比如亮度过高或者过低都会造成图像采集换件采集到的图像不清晰。从而影响到图像处理。总结光源作用有三点，第一是照清楚目标，提高目标的轮廓清晰度。第二是提供均匀的光照，使目标可以被均匀照亮，方便图像采集。第三是提供足够的光亮，避免环境光亮对图像的干扰，根据照明方式的不同，光源可以分为表3-3-4内的几种。通过对比选择，最终选择使用60mm显微镜LED环形光源，其优点在于使用寿命强，一般可以达到30000h以上，有效光距长达70mm，可以很好的适用于本次设计。并且其用电量低，并且光源的亮度可调，光源亮度一致性好，光照均匀，摄像机和光源在一个相对封闭的光源箱里，光源箱的设计可以避免外部光照对图像采集环节的影响，光源箱是由不锈钢板组成，其内部喷有均匀白漆，由于光源设计即在摄像机镜头四周，整个光照非常均匀，可以适用于实际的比较湿润的工作环境。光照箱示意图如图3-3-4所示。 图3-3-4光照箱示意图由于传送带在运动的过程中不可避免的会与控制传送带的轴之间发生一定的打滑，导致在图像采集到接近剔除机构之间的时间和距离的计算无法做到非常准确。因此本次设计购买了编码器对传送带的运动进行精确的实时监控。编码器分为旋转编码器、光电编码器、增量式编码器等，旋转编码器是通过对马达的速度和旋转量进行控制，他的转动角度可以和脉冲数一起变化，一般情况下可以完成严格的同步。同时，他还具有信号反馈部分，可以更好的保证进行精密的控制。总而言之，这样的编码器的存在可以以控制量表示电机转速的快慢，用旋转编码器检测旋转的反馈量。光电编码器的工作原理是利用光电转换原理把检测的轴上的几何位移变成电子数字量或者电脉冲的传感器。目前应用最为广泛。光电编码器包括光电检测装置和光栅等，通过圆形光栅均匀的透光通道透过光信号采集距离信息，此时电动机和光电编码器之间是同轴的，这意味着他俩之间是同步旋转的，通过计算单位时间内内接收的脉冲个数就可以通过数据转换得到当前电动机的转速。按照编码器的读出方式不用，我们可以把编码器分为两种，一种是非接触式，另一种是接触式。非接触式的工作方式是利用光敏元件和磁敏原件的特性得到“1”或者“0”的代码采集然后转换成电信号来储存和传输的。 第四节 剔除机构的设计 目前市场上已经有了很多机械可以完成剔除动作，但是其剔除目标各有不同，现有对的剔除机构一般为集机、气、电控制一体的机电一体化系统。依靠自电和气的控制很灵敏这一特点制作而成的，多应用于一些单轨道的自动剔除装置。使用凸轮转动，令气缸充气，推动活塞，横向的将检测到需要剔除的产品踢出轨道。或者类似烟草行业的自动剔除装置，其一般为采用高速电磁阀组和喷气式的喷嘴组成，利用CCD摄像机检测，仅仅使用三十毫秒就可以完成喷射高压空气打掉异物，仅仅1.8米的皮带上就有足足192个电磁阀但是这种剔除机构的剔除方式比较特别，只能剔除比较轻的异物，并且造价高昂，无法大面积的进行推广。如图3-4-1电子插接件的次品自动剔除装置。该检测系统主要是有工业相机、PLC控制器、自动送料排序装置、工控机。电磁阀、剔除装置。辅助工作台和视觉检测软件等部分组成。主要剔除装置由支架、滑道、联轴器、传送带、电动机、光电传感器、空气压缩机等部分组成。与图2.2.1类似。本方法主要是利用气动推杆伸出完成剔除次品插接件的目的。使用PLC控制剔除机构的动作，虽然在速度和准确性上都有了一定的保障，但是PLC本身价格比较贵，如果多加研究，依靠51单片机就可以完成其相应的功能。图3-4-1：电子插接件次品剔除装置的PLC控制图本次设计剔除机构不能使用以上的任何一种，所以本次计划自己设计一套新的剔除机构。初期提供两种方案。方案一：采用踢出方式，踢出机构在高速传送带的上方，利用平面四杆机构原理利用电磁阀动作将检测出不合格产品踢出轨道，在论证制造过程中发现其制作比较困难，因为踢出动作要求时间计算非常准确，并且需要正好打在需要剔除的产品的一面，如果动作过早，可能会打在需要剔除的产品的上方，无法继续完成动作。如果动作过晚，将无法给需要剔除的产品足够的向前的力将其踢入废料槽。所以此方案无法实现。方案二：利用类似图3-4-2所示装置，在横向剔除，其剔除装置可以使用推杆或者气吹方式。考虑到实际工作环境中具有大量的水蒸气，所以优先选择气吹的方式。采用横向剔除方式时有一个巨大的技术挑战是每一列必须有单独的不合格产品收集槽，因此每次每一列产品都需要单独的一个传送带，加上不合格产品剔除槽，总共需要两倍额宽度，单独一列的传送带在制造过程中具有一定的困难，每一道都按照这样的方法制造的话成本很好，不划算。图3-4-2 横向剔除装置示意图 方案三：抽屉式剔除方案。使用类似抽屉的剔除装置，当油炸食品经过高速传送带之后进入一个类似抽屉的装置，如果通过图像处理确定某一行的产品合格时，剔除装置不动作，如果此时图像处理确定此行油炸食品不合格“抽屉”将会被电磁阀拉开，不合格的产品会被漏下，完成剔除动作，本种剔除方案需要单独制作抽屉，并使电磁阀和剔除装置连接。 方案四：翻板式剔除方案。针对每一列设计一个剔除翻板，每一个剔除翻板配合一个电磁阀和一个继电器组成。此时即使生产线上换成其他产品，可以根据不同的尺寸和其他特点可以换成不同的翻板。由上文中介绍已知，本次设计针对的油炸食品即鱼豆腐是边长为0.025m的正方体，设计剔除翻板的宽度为0.03m，高度为0.04m，此时剔除翻板也有两种剔除方式，方式一，如图3-4-3所示，将电磁阀放在剔除翻板下方，翻板下方放一根轴，利用杠杆原理将电磁阀的运动放大，剔除翻板一端放在高速带后，进过图像处理后的油炸食品如果符合要求，翻板将不会动作，鱼豆腐可以从剔除板上方通过。如果进过处理后的油炸食品不符合要求，电磁阀运动，翻板上翘，油炸食品会直接从传送带掉入废物收集槽。本设计优点是实现动作和装置制作比较简单，缺点是实际试验过程中发现当电磁阀运动后，剔除翻板翘起，有时会发生不会复位的情况。方式二，如图3-4-4所示，将电磁阀放在剔除翻板上方，进过图像处理后的油炸食品如果符合要求，翻板将不会动作，鱼豆腐可以从剔除板上方通过。如果进过处理后的油炸食品不符合要求，电磁阀运动，翻板上翘，油炸食品会直接从传送带掉入废物收集槽。理论上这样的剔除翻板是最符合要求的可以很好的完成任务。因此在众多剔除机构的方案中决定使用本方案。 图3-4-3剔除装置方式一图3-4-4剔除装置方式二下面进行此剔除方式的详细计算：当计算机检测出某一粒产品为不合格产品时，会像电磁阀发出动作信号，此时剔除机构的翻板会向上提升，正好可以让不合格的鱼豆腐从传送带和剔除翻板之间的间隙之间掉入废料收集槽中，为了让不合格的鱼豆腐从传送带和剔除翻板之间的间隙可以顺利落下，需要空隙大于鱼豆腐的最大尺寸。上文中已经论述一般的鱼豆腐直径为0.025m，如果按照正方体计算，其最大尺寸l应按照式3-4-1： L=0.0253=0.049m 式3-4-1因此，设计其间隙值为0.05m，为了使检测合格的油炸食品可以自由滑落在剔除装置上，其沿剔除装置方向的重力的分力应该大于其收到的剔除装置上的摩擦力。设剔除机构与水平方向的角度为，通过受力分析可得，油炸食品在剔除机构上滑落应该满足式3-4-2 式3-4-2 其中F是摩擦力，取（为摩擦力）则，此时设定剔除翻板与水平方向的角度为，为了使电磁阀的运动效果最大化，应该设计电磁阀与剔除机构之间呈现垂直状态。如图3-4-5所示，当得到信号后，电磁阀会向上运动，将剔除翻板上拉，完成剔除动作。第五节 其他机构的设计1） 收纳盒的设计 在实验系统安装完毕后，各个部分之间的连接线属于自由放置状态，使得整个系统显得杂乱无序，并且在系统整体搬移位置时个部分之间的连线杂乱无章，断开的线无法快速的连接。各个部分的开关放置位置也是随机的。很容易轻易扯断或者无法一一对应，因此设计一个收纳盒来放置包括高速传送带、低速传送带的控制盒，光源的调节盒还有摄像机的开关和振动上料机的开关就非常重要。设计收纳盒时应该保证收纳盒整体尺寸不大，最好可以附着在已有的机构上，因为单片机和一些其他的机构需要控制散热，需要将其架空，在收纳盒的底部应该打孔。其效果图如3-5-1所示：各个器件的连线都应该有其特定的路径。可以合并的线应该用热塑管包裹，尽量达到整个系统搬运时尽可能少的理线工作。 图3-5-1 收纳盒示意图2） 系统支撑桌面的设计 根据具体工作环境，一般一个工人的身高为一米七，那么他的工作高度最适合的高度为800mm。与本次设计的工作台高度不符，因此此次需要单独设计支撑桌面，支撑桌面的作用为提高工作台的高度。考虑到系统总体尺寸和质量以及制作成本，本次使用型材为支撑桌面的连接件，考虑到系统强度问题，购买40x40mm的型材自己组装了系统的支撑桌面，组装后实际效果图如图3-4-2所示。因为震动上料机的工作原理是依靠震动使油炸食品落入第一级传送带，在支撑桌面如果没有固定装置，其位置会因为本身的振动产生一定的偏移，因此，需要对振动上料机的桌面进行特别的设计，本次设计使用的固定方法是在桌面打孔，使用一个螺栓和多组垫片对振动上料机的弹簧腿进行固定。第四章 结论及展望第一节 结论随着科学技术的发展，越来越多的先进技术不断的被人类发掘，很多都是根据人类或者其他动物的行为得到灵感并且仿制出可以完成相同功能的设计创造。本次设计主要针对在油炸食品的生产过程中，由于机械装置的切割、成型、炸制过程中都有一定的可能性出现不规则形状或者多次炸制炸糊的情况，利用solidworks软件进行三维建模，在建模过程中改正了许多原本思考不周到的地方的同时，也学会了很多三维制图软件的使用技巧，在实际安装硬件系统的过程中，遇到了许多原本没有想象到的困难，但都逐项一一克服了。对于一些加工件图纸的绘画注意事项也有了一定的了解。原本在设计零件的时候完全不会想到要对成本控制，也没有想象过零件的制作过程中会遇到的困难和提高制作成本的环节，只用通过自己切实的绘图、制作、安装、调试才可以真正的发现机械的魅力。最终绘制的solidworks三维图如图4-1所示，经过组装的实物图如图4-2、4-3、4-4所示 图4-1solidworks三维图目前国内食品生产线中对于油炸食品的不合格品的剔除主要还是依靠工人依靠其个人的经验挑选出其直观上认为的颜色或者外形不合格的产品，没有一个统一的度量的现状，一整套的油炸食品生产线的剔除系统的硬件的设计，本次设计的 硬件系统包括：振动上料装置、分行装置、图像采集装置及分拣装置，各个机构可以完成的功能如下（1）振动上料