（精密仪器及机械专业论文）基于DSP的大米色选机的研制（信号与处理部分）(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于d s p 的大米色选机的研制( 信号与处理部分) 摘要 本课题旨在尽可能瞄准国际先进水平，借鉴国际先进技术和设计 思路，实现高起点开发，对国产大米色选机进行技术革新和产品升级； 同时又要考虑到设计难度、市场承受能力、国内外元器件工业状况和 加工工业实际水平，对新型大米色选机的研制作理论探索工作。 本文介绍了典型色选机的工作原理、工作过程，以及国内外主流 大米色选机现状，设计了以t m s 3 2 0 l c 5 4 9d s p 为核心、以i l p 3 b 线阵c c d 作为光强信号接收器件、以单片机控制分选系统的大米色 选机。 本文对该型大米色选机的光学系统成像、光学系统空间结构、线 阵c c d 选型及其驱动电路、f i f o 器件的运用、高速a d 转换、通信 电平转换器件的运用、d s p 硬件电路、供电系统等硬件部分进行了设 计。 本文对c c d 视频信号数据采集过程、数据处理的算法、l c 5 4 9 d s p 的资源配置、程序设计的d s p 实现、影响大米色选机性能的因素、 系统抗干扰等诸多方面也进行了较为详细的设计探讨：限于篇幅与时 间，对d s p 与后续单片机控制的分选系统的连接等未作展开讨论。 除了独立设计出基于t m s 3 2 0 l c 5 4 9d s p 的大米色选机信号部分 的软、硬件系统之外，作者还提出了后续设计构思，可为以后的深入 研究提供借鉴。 关键字：d s p色选机线阵c c df i f o 器件系统抗干扰 d e s i g no fr i c ec o l o rs o r t e rb a s i n go nd s p ( s i g n a la n di t sp r o c e s s i n gp a r t s ) a b s t r a e t t h i sp a p e ri st or e n o v a t ea n du p g r a d et h et e c h n o l o g yo fr i c ec o l o rs o r t e r d e s i g n e da n dd e v e l o p e db yd o m e s t i cm a n u f a c t u r e r s ，a i m i n ga to v e r t a k i n gt h e a d v a n c e dl e v e li nt h ew o r l d ，a n du s i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dd e s i g n a p p r o a c h e sf o rr e f e r e n c ef r o mar a t h e rh i g hj u m p i n g o f fp o i n t a n da l s o ，t h i s p a p e ri sa t t e m p t i n gt ol a u n c ho u tt h ea c a d e m i cr e s e a r c hw o r kf o r t h en e wt y p e o fr i c ec o l o rs o r t e r ，t a k i n gt h ed i f f i c u l t yo fr e a l i z i n g ，t h ea c c e p t a n c eo ft h e m a r k e t o fs o r t e r ，t h es t a t u so fe l e c t r i c a lc o m p o n e n t sa n dt h em e c h a n i c a l i n d u s t r ya n ds oo n ，i n t oa c c o u n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dw o r k i n gp r o c e s so ft h e t y p i c a lc o l o rs o r t e r ，a n dt h es t a t u so ft h ef a s h i o n a b l ec o l o rs o r t e r so ft h e d o m e s t i ca n dt h ef o r e i g nm a n u f a c t u r e r s ，a n dt h e n ，d e s i g n st h er i c ec o l o rs o r t e r b a s e do nt h et m s 3 2 0 l c 5 4 9d s p ，u s i n gt h el i n e a rc c d ，i l p 3 一b ，f o rr i c e l i g h ti n t e n s i t yr e c e i v e r ，a n dt h es o r t i n gs y s t e mc o n t r o l l e db yt h em c u t h ed e t a i l e dp a r t si nt h i sp a p e ra r et h a t ，t h eo p t i c a li m a g i n g ，t h e s p a c es t r u c t u r eo ft h eo p t i c a ls y s t e m ，t h ec h o i c eo fc c da n di t sd r i v i n g c i r c u i t ，t h ea p p l i a n c eo ff i f od e v i c e ，t h eh i g hs p e e da dc o n v e r s i o n ， t h ea p p l i a n c eo ft r a n s l a t i n gt r a n s c e i v e r ，d e s i g no ft h ed s pb a s e dc i r c u i t ， d e s i g no fp o w e rs u p p l y b e s i d e st h a t ，t h i sp a p e ra ls od e t a i l st h ed a t aa c q u i s i t i o np r o c es s ，t h e d e s i g np r i n c i p l eo fs o f t w a r e ，a l l o c a t i o no fr e s o u r c e so ft m s 3 2 0 l c5 4 9 ， t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h er i c ec o l o rs o r t e r ，d e s i g n o fa n t i i n t e r f e r e n c eo ft h ew h o l es y s t e ma n de t c l i m i t e db yt h el e n g t h o ft h ep a p e ra n dt h et i m e ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt m s 3 2 0 l c 5 4 9d s p a n dt h es u c c e e d i n gs o r t i n gs y s t e mc o n t r o l l e db yt h em c u ，a n de t c ，i s n o td e t a i l e d t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed a t a p r o c e s s i n gp a r to ft h er i c ec o l o rs o r t e rb a s e do nt m s 3 2 0 l c 5 4 9 i n d e p e n d e n t l y ，a n dt h es u c c e e d i n gd e s i g ni sm e n t i o n e ds i m p l ya l s o ，a n d i ti sw o r t h y0 fu s i n gf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d ：d s p ；c o l o rs o r t e r ；l i n e a rc c d ；f i f od e v i c e ；s y s t e m a n t i i n t e r f e r e n c e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 台f 渺影犬吾教授 熟：了掀 令；r 乜褫 导师 鄱觳 胡毅 闰p 当冲力、焉工 合肥工业大学教授 合肥i 业大学副教授 合肥工业大学副教授 表格清单 表1 1几种国内外各米用色选机厂商的典型机型的一些技术参数 表2 - 1i l p 3 b 线阵c c d 的主要工作参数 表2 2i l p 3 b 线阵c c d 的特性参数 3 2 7 2 7 附录清单 附录i l p 3 b 线阵c c d 驱动电路原理图 附录二t m s 3 2 0 l c 5 4 9d s p 数据采集系统电路原理图 插 图清 单 2 1美国d e l t aw o r l d s o r t e r - 7 色选机 2 2色选机基本工作原理图 2 3具有二次色选功能的大米色选机色选过程图 2 4 常用振动料斗的外形 2 - 5常用振动料斗结构示意图 2 - 6 两种进料方式之比较 2 7常见的单色光检测光学系统- 2 8 另一种单色光检测光学系统 2 - 9双色光检测光学系统 2 - 1 0 用于紫色浆果色选的光学系统 2 i i 用于黄绿色果实色选的光学系统 2 1 2采用三叉光纤的光学系统 2 1 3三组检测系统组成的光学系统 3 - 1 大米色选机简易结构图 3 2 光电检测系统与分选系统原理框图 3 3 柯拉照明原理图 3 - 4 光学系统光路图 3 5i l p 3 - b 线阵c c d - 3 - 6 光学系统的空同结构示意图 3 。7c c d 视频信号量化处理过程 3 - 8i l p 3 b 线阵c c d 工作脉冲与输出信号时序图 3 - 9i l p 3 b 线阵c c d 输出信号时序详图 3 1 0i l p 3 b 线阵c c d 驱动电路原理图 3 - 1 1视频脉冲信号的调理电路图 3 1 2t l c 5 5 4 0 管脚定义图 3 1 3t l c 5 5 4 0 参考电压的设定- 3 1 4t l c 5 5 4 0 的i o 时序 3 15i d t 7 2 2 3 0 l 1 0 逻辑符号图“ 3 1 67 4 l v c l 6 4 2 4 5 逻辑符号图 3 ，1 7a m 2 9 l v 4 0 0 b 的逻辑符号图- 3 1 8使用m a x 7 0 6 r 作为d s p 芯片的复位电路 3 1 9x c 2 1 7 3 系列时钟发生器的外形图与内部电路框图 3 2 0d c + 1 5 v 电路原理图一 3 2 ll m 7 2 3 管脚定义图 ；。，9 m u n 坦n h h加甜规觞船如如m m吲叫嗡啪啪m m 嗡嗡 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | ； i | 一 | ； 一 一 一 一 一 一黑，=一二一，一一一一二| 国图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图3 2 2 图3 2 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 ，6 l m 7 2 3 构成的5 v ，2 a 稳压电路 m a x 7 4 8 构成的3 3 v 5 0 0 m a 电源原理图一 大米静态图与灰度直方图 浮动阈值算法框图- l c 5 4 9d s p 的中断操作流程图 l c 5 4 9d s p 读取某一色选通道内c c d 数据的过程框图一 l c 5 4 9 硬件复位后需进行的软件设置情况框图 t m s 3 2 0 c 5 4 x 软件开发流程图“ - - 4 5 4 6 4 7 - 4 9 - - 5 0 - 5 l 5 3 5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥匿王些盔堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一躲亥乙讪4 纪 签字日期f 西年6 月乒 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盒月b 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 覆舀礼饪 签字日期：肼年多月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 却数 签字日期： 。f 年占月f 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师胡毅副教授的悉心指导下完成的。在读研的三年 时间里，胡老师总是最大限度地提供良好的学习和科研条件，使我的 专业技术知识和科研能力得到了较大的提升。胡老师对科学研究敏锐 的洞察力、清晰的科研思路、丰富的实践经验、严谨的治学精神、高 尚的人格魅力令我终身难忘、受益无穷。胡老师不仅在学习和专业技 术方面给予精心的指导和帮助，在工作、生活上亦悉心关怀，这将激 励我在以后的人生道路上奋发图强、努力拼搏! 在此，向胡老师表示 衷心的感谢并致以深深的敬意，感谢胡老师的辛勤培育和关心指导! 感谢胡生清教授、叶兵教授、王永红老师、刘芳芳老师、刘巧云 老师等诸位老师，自从入学到现在，得到了他们的悉心关心和帮助。 感谢我的同学杨凌波、代鲲鹏、陈海荣、李红莉、蒋敏兰、樊萍、 张宇、赵升、赵燕、谢萍、李瑞君、宫能刚等，学弟黄守卓，以及实 验室其他同学，他们的帮助和鼓励，伴我愉快的度过了研究生阶段的 学习和科研。 在此向学习工作在一起的老师和同学们表示诚挚的谢意l 谨以此文献给我的父母和兄弟，献给所有关心、帮助、爱护过我 的家人、老师、同事和朋友们! 魏礼俊 2 0 0 5 年6 月于合肥工业大学 1 1 问题的引出 1 1 1 6 u 0 第一章绪言 我国的稻谷产量居世界之首，年产量约为1 7 5 0 亿公斤，占全国粮食总产量 的三分之一以上。碾米工业是稻谷加工的主要产业，目前全国粮食部门所属的 国有大米加工厂约有3 0 0 0 家，个体经营的大米加工厂不计其数，但大部分碾米 厂的设备还停留在六七十年代的水平，每年优质大米的产量只占总量的4 ， 因此每年大约有2 0 0 万吨优质大米涌入国门；同时我国又是精米的出口国，出 口量居世界第四位。 “食不厌精，脍不厌细”是我国饮食文化的精髓，随着我国国民经济迅速 发展，综合国力迅速增强，人们生活水平日益提高，人们对食品的精度和卫生 程度越来越重视，对加工食品的原料精度和纯度的要求也越来越严格。绿色食 品、无公害食品成为人们日常生活的首选。为了有效控制各类农产品的品质， 国家对农产品加工企业施行了“食品生产许可证”制度，提高了农产品加工企 业的入门门槛，色选工艺已逐渐成为农产品加工生产线的标准配置。色选机在 我国的应用，首先在大米行业快速展开，紧接着在种子、榨油、果品等领域得 到长足发展。许多高级食品原料经过色选后精度明显提高，身价倍增。 另外，随着粮食流通体制的改革，粮食由过去的统购统销转变为自由贸易， 市场竞争越来越激烈。大米的产品结构也在发生迅速变化，朝着多品种、高质 量的方向发展。面对这些新情况，粮食加工行业为适应市场需要，改变了单一 的标米格局向多品种、多等级的产品方向发展，如清洁米、特制米、标一米、 标二米，以满足不同层次消费者需要。 色选机( c o l o rs o r t e r ) 是利用光电原理，从大量散装产品中将颜色不正常的或 受病虫害的个体( 球、块或颗粒) 以及外来夹杂物检出并分离的设备。在不合格 产品与合格产品因粒度十分接近而无法用筛选设备分离，或者密度基本相同而 无法用比重分选设备分离的场合，色选机却能进行有效的分离，其独特作用十 分明显。 米用光电色选机是大米工厂生产精制米时用的色选机，主要用于选出带有 黄粒米、红粒米、腹白米、死米、霉变米、黑色病斑米等异色米粒，以及砂石、 土块等异色颗粒状杂质。经色选机精选提纯后，可以获得完好的、纯净的、透 明度和品种纯度高的具有本品种大米固有的、正常色泽的米粒，因而品相得以 显著提高。 1 2 国内外同类产品现状3 j f 3 5 j 【3 6 j 【3 7 】 3 8 1 d g l 4 6 1 美国e s m 公司与英国s o r t e x 公司分别于2 0 世纪3 0 年代及4 0 年代研制了 这种设备，并根据市场需要不断推出新机型；英国s o r t e x 公司1 9 8 8 年与美国 s c a n c o r e 公司合并后，1 9 9 4 年3 月又被瑞士b u h l e r 公司收购，仍称s o r t e x 公 司；日本佐竹公司于1 9 7 9 年推出了这种产品，美国e s m 公司也于1 9 9 2 年与佐 竹公司合并，继续生产色选机。 s o r t e x 公司已经制造了一系列专用于稻米的大米色选机，世界各地水稻产 区采购的该公司的设备超过了其它任何公司。在2 0 0 2 年9 月，s o r t e x 公司首次 在我国推出了z 系列光电色选机。其高精度象素的数码相机能检测出小于0 3 m m 的浅淡微黄点和黑点，是世界上首台能选出微黄粒、红粒等各种异色粒，又能 同时去除腹白的色选机。其杰出的色选能力保证生产的大米品质一致，色选精度 高，次品中带出的成品少( 带出比小) 。这种高性能的色选机髓满足现代消费者日 益增长的品质要求，目前正在我国黑龙江、浙江和江西等地安装或使用。 美国德尔塔科技公司( d e l t at e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 于1 9 7 8 年刨立，是 一家色彩分选设备的专业设计制造公司。d e l t a 公司生产的各型色选机可对大 米、花生、豆类、芝麻、小麦、玉米、种子、油菜籽、咖啡、坚果、珍珠、玉 石和其他颗粒状物料按颜色进行分选，均能获得精确满意的结果，并满足纯净 和高质量的卫生标准。 巴西圣马克( s a n m a k ) 公司于2 0 世纪8 0 年代开始研制生产电子色选设备。 s a n m a k 公司色选机是一个集成化的新系统，它能在进行白米色选时，一次操 作即可将黑色、黄色、杂色和白垩颗粒全部剔除。s a n m a k 公司最新开发了两 种用于大米和其它谷物进行色选的机型：m 5 0 0 0 r 和m 6 0 0 0 s r ，能检测面积小 到1 m m z 的杂物颗粒。 韩国“唯一”牌大米色选机已通过i s o9 0 0 1 国际质量体系认证和韩国 k s a 质量体系认证，可以有效地对各种大米、小米、碾米、黑米等进行分选。 通过二次循环分选，分选精度达到9 9 9 9 ，带出比率仅约3 2 8 。设备技术达 到了国际先进水平。 日本佐竹公司生产的色选机采用新式高分辨率c c d 线性传感器，能分捡出传统色 选机无法检测到的微黄、细小病斑登异色粒与杂质，因而可以离效地选出白米中的腹 白粒、糯米中的非糯米粒和白米中的糯米粒，此外，也可从小麦和其它谷物中准确地 分选出异色粒和异色杂质。 国内亦有多家厂商和科研院所研制了多款色选机，以核工业理化工程研究 院1 9 9 6 年研制成功的m m s 一2 4 a 型色选机为例，该机可剔除大米中的黄斑粒、 病斑粒、腹白粒和其它异色粒，9 6 年通过核工业总公司组织的部级鉴定，性能 指标达到国际先进水平，可替代进1 ：3 产品。9 8 年科技部批准列为国家重点新产 品项目，通过g b t 1 9 0 0 1 标准的质量体系认证。同年，中国粮油学会推荐该产 品在粮食加工行业中广泛使用。 色选机有诸多的性能指标，以色选机的产量为例，该指标与进机前大米杂 质含量、用户对成品米的精度要求、对色选带出比的要求、原粮品种紧密相关。 表卜i 列举了上述国内外各米用色选机厂商的典型机型的一些技术参数。 2 表卜1 几种国内外各米用色选机厂商的典型机型的一些技术参数 通道数( 初产量( 吨带出比电源气源杂质 项目型号选复选)小时)( 坏好)功率耗气量含量 英国z 一1 v2 l 2 0 4 0a c 2 2 0 v6 - 7 巴： s o r t e xz 一2 v4 2 4 0 8 0 5 0 ，6 0 h z ： 2 6 升秒 公司z 一3 v6 36 0 一1 2 02 5 k w 4 1 巴 z 一4 v8 49 0 - 1 6 0 a c 2 2 0 v0 3 - 0 7 m p a 美国 q u a n t u m 一2 1 2 8 ( 9 6 3 2 ) 2 5 7 5 5 0 h z ；1 0 0 0 2 0 0 0 l d e l t a1 6 k wm i n 公司 q u a n t u m - 3 1 9 23 7 一1 2同上： 同上：15 0 0 ( 1 2 8 6 4 ) 2 5 k w3 0 0 0 l m i l 1 q 【a n t l l m 一4 2 5 65 - 1 5 同上：3 k w同上；2 0 0 0 ( 1 9 2 6 4 )4 0 0 0 l m i n 巴西g 5 0 0 0 p r s 2 4 ( 1 6 8 ) 0 5 0 93 ：1 a c 2 2 0 v7 9 巴： 2 5 s a n m a km 6 0 0 0 8 r - r s 4 0 ( 3 2 8 ) 0 9 5 1 52 ：l5 0 6 0 h z ：8 4 0 14 0 0 l 1 公司g 1 0 0 0 0 p - r s 4 8 ( 3 6 1 2 ) 1 2 - 2 02 ：l1 2 l ( wm i n 1 - 2 0 s 4 0 1 a i s - c4 0 ( 3 0 l d ) 主机：5 0 0 7 0 0 a c 3 8 0 vl ，m i n g s s o i a i s c8 0 ( 8 0 4 0 )0 ，1 吨, b2 1 k w 7 5 0 1 0 0 0 日本佐时通道3 0 k w l ，m j i l 竹公司g 8 1 2 0 0 a i s c1 2 0加热器： t o o o 1 5 0 0 ( 8 0 4 0 ) a c 】0 0 v l m j n g s l 6 0 0 a t s c1 6 0 ( 12 0 4 0 2 0 0 - 8 0 0 w 1 0 0 0 1 5 0 0 l ，m i n 韩国a c s 一6 0 6 0 可复选 2 6 - 3 32 4 k w 5 5 7 5 k w a t s 贸a c s 8 0 8 0 可复选 4 - 53 ：1 3 3 k w7 5 1 1 k w 易株式 a c s - 9 09 0 可复选4 6 5 83 5 k wl l 】5 k w 会社a c s 1 1 0 1 1 0 可复选5 3 - 6 64 5 k wl5 k w 核工业b m s 一7 2 a 37 2 可复选 1 2 2 6 0 0 升分 理化工m m s 一9 g a 39 6 可复选1 - 349 0 0 升分 l 程研究m m s 一12 0 a 4 12 0 可复选 2 51 0 0 0 许| 裔 院 m m s 1 4 4 a 4 14 4 可复选 2 61 2 0 0 升分 1 3国内外同类产品技术特蒯1 】【3 1 【9 】【3 5 】 3 7 1 3 总体说来，上述国内外各型色选机具有如下一些特点： a 形成系列化产品，不同规格的产品可用于不同物料的色选。在物料传输 方式上可分为管输式和带输式两种。 b 普遍具有二次复选功能，通过初选和二次复选实现精确分选。 c 一体化的模块式结构，可根据处理量的大小选择不同的通道数量，每小 时的处理量可由几百千克到几吨。经优化设计的电子线路高度集成化， 每一个独立的模块具有高互换性，便于维护，保证机器性能稳定。 d 采用微处理机进行监视和控制，具有自动校准基色、自动巡检、自动清 扫、联锁保护等功能。人机界面友好，易于操作和维护，简化生产过程。 e ，光学系统的关键器件光电探头有单色和双色之分，检测方向有一维、二 维、三维之分。此外，广泛采用了线阵c c d 采集图像的灰度以识别异 色粒。少数色选机采用了红外识别技术，适用于与正常粒外表颜色差异 很小，用可见光无法识别，而必须用其红外线光谱才能区分的疵粒一如 透明的玻璃碎片。 f 普遍采用超高速、超耐久性的专用喷嘴，维修要求低，剔除精确度高， 保证生产的连续性。 g 具有稳定的电压、气压、光源、供料、预热、通风系统，连同自动校准 装置确保色选效率和功能的稳定：此外，一般具有详细的故障报告和报 警指示器，加速故障排除，保障及时运行。 1 4 本课题的研究意义【1 】【3 】【9 】 色选机的作用被诸多有识之士所看重，色选机市场越来越大且一直被看好， 生产者不乏丰厚的利润。我国色选机市场的发展大致经历了三个阶段： 1 ) 改革开放初期，以引进为主，引进国多为工业发达国家，如美国、英 国和日本等，价格比较昂贵，般每台8 2 0 万美元，甚至更贵； 2 ) 进入2 0 世纪9 0 年代，我国的一些企业开始仿制，同时一些中外合资 企业开始建立，引进国外技术生产，其性能接近国外同类产品，价格相对便宜， 只有国外产品的一半或更低； 3 ) 最近几年，我国的一些企业和科研院所消化吸收国外的最新技术，自 主开发了基于光电传感器和c c d 传感器的新型高档色选机，起点高，发展快， 性能可以和进口产品媲美，但价格并不高。 为了尽可能瞄准国际先进水平，实现高起点开发，有必要对国产色选机进 行技术革新和产品升级。为实现这一目标，既要尽可能借鉴国际先进技术和思 路，又要符合国情，考虑成功的可能性和市场承受能力，以及国内元器件工业 和加工工业的实际水平，本课题为某公司预研项目，旨在为下一步的研制作理 论探索工作。 4 第二章大米色选机概述 2 1 色选机总体要求 2 1 1 工作原理川【2 l 【1 2 】【l 3 】【1 5 】【3 5 1 【3 7 l 大米色选机用于大米中异色颗粒的筛选工序。正常工作前，要根据不良米 的比例和种类，设置色选模式和机器产量；然后将待分选的大米输送到进料斗 ( 米槽) 中，通过振动料斗向滑槽( 色选通道) 供料，米粒在滑槽( 色选通道) 中排 列，形成速率较为均匀的米流下滑到一次色选光电传感器c c d 摄像头处进行 扫描、分辨、判别，米流中的不良米由高速喷气嘴喷吹进下料斗，再由提升机 提升回迸料斗( 米槽) 进行二次色选，正常米则直接排出到下道工序；通过二次 色选通道所分选出的不良米是最终不良品，排到不良品斗另行存储。 美国d e l t a 公司w o r l d s o r t e r 7 色选机图2 1 所示，图( a ) 是结构与部件图， 图( b ) 为外形图。图2 2 是色选机基本工作原理图。 ( a ) 结构与部件图( b ) 外形图 图2 - 1 美国d e l t aw o r l d s o r t e r - 7 色选机 图2 - 2色选机基本工作原理图 上述色选机基本工作原理针对的是具有二次色选功能的色选机。只有一次 色选功能的一次色选机对原粮只选别一遍，没有提升机提升一次色选后的不良 品米进行二次色选的过程：同时，进料斗( 米槽) 、滑槽( 色选通道) 等结构也不 尽相同。一次色选机分选后的不良品米中含有较多的正常米粒，通常用户积攒 到一定数量时重新分选一次，费时费力且麻烦。如果只想进行一次色选而不进 行二次色选，那就要将产量降低到一定程度来减少下料斗中的不良品米含量。 这个办法一般都不愿使用。二次色选机配有提升机等回料装置，可把一次色选 后含有较多正常米粒的不良品米自动重新再选一次，相当于有两台一次色选机 同时进行两级色选，因而，二次色选机可以最大限度地减少废料中正常米粒的 含量，省去不少人力、物力和时间，同时还有利于产量和色选精度的提高。以 下主要考虑具有二次色选功能的色选机。 进料斗由两个空腔组成，一次色选腔与待分选大米输送带相连，进入滑槽 后由光电检测系统进行一次色选分辨、判别：二次色选腔与提升机的左( 或右) 通道相连，一次色选后的吹出物( 不良品米) 经提升机的左( 或右) 通道送到二次 腔，进行与一次色选过程相同的二次色选分辨、判别。提升机的右( 或左) 通道 将二次色选的未吹出物( 正常品米) 送回到一次色选腔。图2 3 是具有二次色选 功能的大米色选机色选过程图。 依具体数量的一次色选与二次色选通道数目而定，振动送料器有多组相互 独立的振动簸斗组成，每组簸斗分别为多条滑槽供料。为控制供料量，二次供 料簸斗与一次供料簸斗结构稍许不同，二次供料簸斗的簸斗口上的支管对应二 次色选通道，支管的出口处很狭窄，使得二次供料成为一条均匀的细束。每组 送料器送料量的大小可电控箱面板上的电位器调整，保持各组流量的平衡。 滑槽由相互平行，与水平面成一定角度的狭长形不锈钢或其它耐磨材料制 成，用以保证物料以一定的速度进入一次色选与二次色选通道的光电传感器 c c d 摄像头的检测区域，达到最高的异色粒剔除率和产量。有些色选机的滑槽 板座上装有加热器以减少水气、灰尘对光学、电路部分的影响。 色选机的产量与滑槽数目有关，滑槽数目越多，产量就会越大：色选机的 产量也与滑槽的形状有关，色选机滑槽形状主要有三种：v 型槽：u 型槽；。型 槽。v 型槽产量最小，。型槽产量最大。 v 型槽的优点是色选精度高，坏米与好米的带出比小，一般都在l ：3 左右； 原料杂质含量约为1 时，单通道每小时产量6 0 k g 左右( 这要视原粮的优劣而 定) 。型槽产量大，坏米与好米带出比大，一般在1 ：7 以上，原料杂质含量 约为1 时，单通道每小时产量8 0 1 0 0 k g 左右；原料杂质含量超过1 ，达到 2 时，使用。型槽就不经济。u 型槽介于两者之间。 色选机的产量还与原粮质量、色选精度要求有关。原粮杂质越少，产量越 大；反之，原粮质量越差，产量越少；色选精度要求越高，产量相对减少。国 外原粮质量较好，大多选用。型槽，而国内厂商大多选用v 型槽。 ( 选别过程图) 图2 - 3具有二次色选功能的大米色选机色选过程图 2 1 2 工艺指标【1 】1 2 1 9 1r i o 【1 5 】 色选机的工艺指标主要有三个方面：产量( 处理量) ：色选精度( 或选别率) ：带出比。 7 产量即色选机每小时可处理的原粮数量，单位为t ，l l ，产量大小的影响因素上文已叙 及，在此不赘叙。从收集到的国内外色选机产品介绍来看，大都只标明其通道数、产 量、质量、功耗、外形尺寸等基本参数，极少有产品标明反映色选效率和经济性方面 的指标，即：色选精度和色选带出比。 色选精度是指含有异色粒的大米经过色选后，正常米粒的质量百分数。具体计算 方法是； r = w - w _ 1 0 0 w 式中：口一色选精度：w l 一异色颗粒质量；w 一样品质量。 色选机的色选精度也用选别率来衡量，选别率的计算方法是： 选别率= ( 选前异色粒含量一选后异色粒含量) 选前异色粒含量1 0 0 带出比是指经色选后进入不良品中的异色粒与正常米粒的质量之比，一般为不良 品中的具色粒与好米的粒数比例：带出比参数可分为一次带出比和二次带出比，带出 比是一个综合性的参数，与原料中杂质含量、成品中杂质含量、用户对成品的色选精 度要求等因素相关。 对于一般的色选机，在额定产量( 流量) 下和限定的异色粒含量下，其色选精度应 达到9 5 以上。若迸色选机之前的原粮中杂质含量不同。异色粒的种类、颜色深浅和 着色部位不同，则色选机的选别率也不同。国外的色选机制造商一般承诺在设计流量 下异色粒含量不超过2 ，如果进色选机前异色粒含量超过2 ，则色选机的选别率将 会下降。为保证质量，不得不要调小流量，增大色选机色选通道颜色对比度( 以增加 喷射次数) 来实现；流量太小，通道内的原粮层太薄，颗粒在通道内不是滑动， 而是滚动或跳动，这样就导致了产量下降，带出比增大，降低色选精度，色选机 的性能因而不稳定。因此，色选机一般安装在分级后的白米之后的生产线上，对一 定异色粒含量的大米进行精选。 2 2 色选机结构特点【4 l 7 1 8 1 1 1 】 1 6 1 i t7 | 从工作原理和工作过程来看，色选机主要组成部分有供料系统、光电检测系统、 分选系统、电控系统、人机界面系统、故障报警系统等诸多系统，是集光学、电子学、 气动技术、机械技术以及计算机技术为一体的综合技术产物，且随着用户要求和市场 压力下不断更新中。 2 2 1 供料系统【4 】1 7 j 【8 】 色选机供料系统旨在使原粮精确地呈现在光电检测系统和分选系统区内， 由进料斗、振动料斗、滑槽等部件组成。进料斗、滑槽前已详叙，在此不赘叙。 振动料斗一般为电磁式圆周振动料斗，是一种常用的物料上料机构。振动 料斗借助于电磁力产生微小的振动，依靠惯性和重力的综合作用驱使物料沿料 槽向上向前送进，并在送料过程中自动定向成单行按规定的方向和位置排列送 s 出。振动料斗的常见外形与结构分别如图2 4 、图2 5 所示。 图2 - 4 常用振动料斗的外形 料盘2 弹簧3 电磁振动器4 底座5 减振底脚 图2 - 5常用振动料斗结构示意图 振动料斗的工作过程是：经过半波整流后的交流电输入至电磁振动器的线 圈时，产生频率为5 0 或1 0 0 h z 的磁力，从而吸引料斗底部的铁芯，带动料斗 下降。由于在料斗底部边缘的同一圆周上相隔1 2 0 0 并倾斜放置的三根弹簧( 个 别也有用四根弹簧，相互间隔9 0 。) 的作用，使料斗下降的同时，产生沿弹簧倾 斜方向的圆周扭转。当电磁铁的磁力迅速减小并趋近于零时，料斗在弹簧作用 下，反向回转上升，恢复原位。如此在电磁力作用下，连续对料斗进行螺旋式 圆周振动，这样使料斗内的杂乱原料沿着料斗内壁的螺旋槽成行地向上行进， 并从料斗顶部进入外面的料道，进行下一步处理。 振动料斗供料具有以下优点：( 1 ) 供料和定向过程中没有机械振动、撞击和 强烈的摩擦作用，不会产生堵塞现象；( 2 ) 定向容易，通用性强，输送形状特征 不同的原料，只要更换定向元件，振动料斗的其它结构都可采用；( 3 ) 上料平稳， 9 送料率高，且送料速度易于调整；( 4 ) 结构简单，故障少，可靠性高，易于标 准化、系列化、通用化，无需润滑，易于维护，比较耐用。 振动料斗不宜输送尺寸和重量较大或有油污水渍的工件，其缺点是有噪声， 但设计正确和调整合适时，可以减小甚至避免噪声，对大型料斗应以隔音罩进 行屏蔽。振动料斗设计与制造过程中存在着一个非常突出棘手的问题：料斗中 定向机构的设计与加工，尤其是对于一些形状复杂的工件，相应的定向机构几 乎难以用通常的视图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修磨， 加工周期很长，此时，实际经验、钳工劳动起着主导作用；当代的许多理论分 析与计算机辅助设计在这里尚未显示其威力，国外常把零件定向传输方法及相 应的定向机构作为企业的专门技术。 振动料斗使得原粮平铺直流而不是柱状流动，平铺直流能使物流均匀、连 续地送到振动料盘，所有颗粒都以相同速度流动。柱状流动则是中间流速快， 两侧速度慢，结果是卸料不均匀，会产生潜在死角造成堵塞。 料斗将原料送到振动料盘时，经可调节料门控制，保证物料平铺直流到振 动料盘上。所有零部件均由不锈钢制成，坚固耐磨。有关料斗的详细设计可查 阅相关文献。 当原粮进入色选机进料斗方式如图2 - 6 ( a ) 所示时，在落料的同时，原粮形 成自动分级，籽粒不饱满的异色粒在分级过程中往往落在外边缘，致使异色粒 集中在色选机一端的通道内，这些通道内白米中异色粒含量过高而使得色选精 度降低。采用图2 - 6 ( b ) 所示方式在料斗中部进料时。原粮先落在进料斗底部的 分料盘上，再落入振动料斗，可以避免上述原粮自动分级现象。 ( a ) 不正确的进料方式( b ) 正确的进料方式 图2 - 6 两种进料方式之比较 2 2 2光电检测系统1 1 1 1 【1 4 3 【1 6 】【1 7 1 光电检测系统是色选机的关键部分，其作用主要是对被检原粮进行观察检 测，以获取准确无误的分选信息。色选机分辨能力的强弱同光学系统的光路结 构、观察方式、接收器种类等有密切关系，光学系统设计的优劣，将直接影响 光电色选机色选质量与效率。 传统的色选机光电检测系统的设计建立在对被测原粮光特性有较透彻了解 的基础上。设计前，一般须先进行检测试验，作出合格品与疵品的光谱特性曲 线，并进行分析。如果在某段光谱中，合格品与疵品的反射光( 或投射光、激发 的荧光等) 强度值存在明显的差异，则该段光谱可用作光学检测分选。这种采用 一段光谱对原粮进行分选的方法，称为单色光检测。 有时，只采用一段光谱还难以把原粮中的合格品与疵晶完全分开，这就需 要采用两段光谱对原粮进行检测分选，此即所谓的双色光检测。双色光检测一 般比较复杂，为了简化，有时还可采用双联单色光检测，即不用两个测量值的 比来分选，而是逐个使用两段光谱，先后分别剔除两种不同光学特性的疵品， 例如，在对白菜豆的色选中，可先剔除黄色的玉米粒再剔除黑色的石子等杂物。 2 2 2 1 光电检测系统的几种典型结构】 ( 1 ) 常见的单色光检测光学系统如图2 7 所示，利用合格品与疵品反射光 ( 或透射光) 能量有明显差异的一段光谱进行检测判断。该系统既可用于反射光 检测。又可用于透射光检测。光源为荧光灯，其中灯1 、灯2 用于反射光检测； 灯4 用于透射光检测；灯3 是背景板5 的照明。被测原粮由供料系统送入光学 系统，供料系统应保证送入原粮的姿态和流速相对稳定，以利用对其逐个观察 检测。被测原粮6 通过观察位置时，光源发出的光被其反射( 或透射) ，经光管 内的镜头7 、狭缝8 、滤光片9 到达光电接收器1 0 。在接收器1 0 内，单色光信 号被转换成电信号，并与背景光电信号进行比较，其差值大于设定值时，电控 系统就驱动分选系统1 1 及时剔除异色疵品。 2 一 ；雹1 图2 7常见的单色光检测光学系统 ( 2 ) 图2 - 8 也是一种单色光检测光学系统，一个分叉光导纤维4 替代了光 管等结构。光源1 发出的光，经斩波器2 、单色器3 后成为调制单色光，并由 光纤叉管传送到被测原粮5 表面，被测原粮5 反射的光又经光纡的另一叉管传 送到光电接收器7 上，检测箱内还有背景板6 。 图2 - 9 双色光检测光学系统 ( 4 ) 图2 一1 0 是一种用于紫色浆果色选的光学系统。光源1 发出的光经聚光 镜2 及旋转托盘3 上的一个托杯内孔照射到水果4 底部；光线透过水果4 后， 进入水果斜上方4 5 。布置的分叉光纤5 ，并经两叉管分别传送到垂直于各叉管出 口布置的滤光片6 ：滤光片6 分别滤过7 4 0 n m 和8 0 0 n m 波长的光线，再进入接 收器7 、放大器8 、比较器9 处理。分叉光纤汇集端1 2 7 m m ，托杯内孔直径 3 】8 r a m 。 图2 1 0用于紫色浆果色选的光学系统 ( 5 ) 图2 1 l 是利用波长分别为4 2 0 h m 和4 9 0 n m 的双色光对黄绿色果实( 如 白瓜子仁) 进行色选的光学系统，由输送带1 、光源3 、分叉光纤4 、滤光片5 和接收器6 组成。被测果实2 由输送带送到检测位置。 图2 - 1 1用于黄绿色果实色选的光学系统 ( 6 ) 图2 - 1 2 所示光学系统采用了一个三叉管光纤3 ，一只叉管用于照明， 光源4 发出的光可通过这只叉管传送到被测物料2 表面；另两只叉管用于接收 被测物料2 的反射光，并分别经滤光片