基于机器视觉的鸡蛋检测分级系统的设计

基于机器视觉的鸡蛋检测分级系统的设计

0严格控制官车及检测方法,提高畜禽生产加工的技术水平中国是拥有著名鸟类和蛋产量的国家，连续五年来，鸟类和蛋产量达到世界第一位。但是我国禽蛋出口总量很低,国际市场份额占有很少,从经济角度看,这对我国禽蛋生产行业是较大的损失。究其原因,主要在于我国禽蛋生产加工的规模化程度不高,没有形成产品的标准化,在国际市场上没有优势;再就是我国禽蛋销售模式存在某些问题,尤其加入WTO以后,难以适应国际市场带来的冲击。因此,着眼于我国禽蛋生产的长远发展,必须积极研究禽蛋自动化生产的技术,提高禽蛋生产加工的技术水平。早在20世纪70年代,国外发达国家就开始对禽蛋加工处理方面进行了研究,而且其技术不断改进,日趋成熟。至今,已形成了一整套禽蛋自动化加工生产线,从禽蛋的采集运送到清洗消毒再到检测分级最后到产品的包装成盒,实现了全自动化生产。同时,在禽蛋检测分级过程中,为了对其外部品质(脏斑、裂纹、色泽、形状、大小等)进行更精细的划分,运用了不同的检测方法,如利用禽蛋的声学特性,通过敲击方法检测破损。目前,随着机器视觉技术的不断成熟,其应用范围更加广阔,利用其检测禽蛋外部品质的研究也越来越多。鉴于我国大多数鸡蛋生产加工企业,难以承受国外成套的机电一体化检测设备的昂贵价格,本研究结合中国鸡蛋加工生产的国情,利用计算机机器视觉检测技术,设计研究了鸡蛋检测分级和鸡蛋包装设备。1检测输送系统组成本研究设计的鸡蛋检测分级及包装设备的整体结构简图,如图1所示。从图1中可以看出,此装置由5大部分组成:鸡蛋检测输送系统、机器视觉检测系统、鸡蛋质量检测分级系统、鸡蛋调头系统和鸡蛋包装系统。整个装置的各系统的执行顺序是:1—2—3—4—5,机器视觉系统是配合检测输送设备共同实现的。本研究只涉及如图1所示的鸡蛋检测输送系统和鸡蛋包装系统硬件设备的设计。2检测鸡检测装置的概论2.1鸡蛋表面信息的采集为了满足鸡蛋动态检测的需求,运用机器视觉分级技术,提出了如图2所示的鸡蛋自动检测分级装置的总体设计。整个检测分级装置由鸡蛋输送设备、机器视觉系统和分级执行装置组成。其工作原理如图3所示。由图2和图3可知:鸡蛋放入输送装置的鸡蛋辊筒上,在输送链的传动下,带动鸡蛋向前输送;在进入机器视觉检测系统的光照箱时,置于光照箱下方的摩擦板将与橡胶辊筒接触,在摩擦力的作用下,鸡蛋一边移动一边自身转动,安装在光照箱上的摄像头开始采集鸡蛋图像;完成鸡蛋表面信息采集后,将该信息传送到计算机,通过计算机中图像处理软件的分析,得到鸡蛋外部品质信息(破损或脏斑)。如果检测出破损或脏斑鸡蛋,计算机将此类信息传输给PLC,PLC根据这些信息驱动分级执行装置,将鸡蛋在对应出口剔除,从而实现鸡蛋的快速、准确的分级。2.2执行机构控制分级执行装置的结构如图4所示,其主要由机架、电磁铁、翘板、弹簧、铰链和翻板等组成。该执行机构根据检测系统发出的信号,由执行装置中的PLC控制器接收并发出指令使电磁铁线圈得电,电磁铁顶针顶起翘板一端。翘板绕着支撑架固定铰链转动,从而带动翻板向下倾斜,该翻板上方的鸡蛋进入分选通道。结束分选动作后,电磁铁失电,翻板在弹簧力的作用下,回到原位。3图像采集和分级执行如图2中所示的机器视觉系统,由光照箱、摄像头、PC机、PLC控制器和位置传感器组成。光照箱为长方体,为了使整个箱内的光照均匀一致,选择了适当的光源(环形日光灯)和空间位置。这样可以减少鸡蛋表面产生的漫反射,不会产生高光点,拍摄到的鸡蛋的图像便于分析处理。同时,在光照箱顶部放置摄像头,用于采集鸡蛋图像,并且所采集的图像存储到PC机中,由计算机图像处理分析软件对鸡蛋的表面缺陷或损伤等外部品质进行提取、分析和判断,确定出要剔除的鸡蛋。同时,由位置传感器(如图2所示)确定鸡蛋的位置信息,然后通过PLC控制模块将指令传递到分级执行装置,最终将外部品质不良的鸡蛋剔除。而那些检测合格的鸡蛋将顺利平稳地通过分级执行装置,传递到后续的质量检测分级系统,执行进一步的分级操作。在这一系统中,通过对鸡蛋转动时的全方位拍摄检测,能一次性采集鸡蛋的外部品质特征,可以大大缩短图像采集和处理时间,从而提高鸡蛋检测与分级的效率。4包装装置的整体设计4.1鸡蛋调头包装包装装置是鸡蛋自动加工生产中必不可少的机械设备,它是鸡蛋产品进入市场销售前的重要环节,并且在现代鸡蛋加工生产中起着越来越重要的作用。此包装装置的设计如图5所示。其主要组成部分是包装机输送系统,由电机、带传动、滚筒、皮带和托盘组成;鸡蛋导向机构,由步进电机、导向板和吊筒组成。此包装装置是连接在鸡蛋调头系统(如图1所示)之后的。在鸡蛋的储存过程中,为了避免蛋黄贴壳,往往包装后使鸡蛋的大头端向上放置,这样还可以延长鸡蛋贮藏期,所以在对鸡蛋进行包装之前,对其进行调头处理是十分必要的。鸡蛋调头系统将单个鸡蛋按大头向上的方向调整好之后,滑到图5所示的鸡蛋导向板上,随着滑道落入位于托盘上方的吊筒内,最后滑落在托盘中;当托盘的第一排装满鸡蛋后,控制电动机转动的PLC系统给电动机发出转动指令,使皮带向前运动一下,托盘向前移动一排的距离,接着进行第二排的鸡蛋装盘,像这样每完成一排的鸡蛋装盘,皮带向前运动一下,直到完成整盘鸡蛋的装盘。这个装置在PLC对电动机的控制下能很好地完成鸡蛋的装盘,并且能够很好地实现鸡蛋装盘中大头向上的要求,实现了鸡蛋的自动装盘。4.2plc控制系统导向机构是连接称重分级装置和包装装置之间的重要机构,由于称重分级装置是单排输送鸡蛋的,但是包装托盘又是多排一体的,所以需要设计这样一个分流导向机构,满足单排鸡蛋装盘的需要。鸡蛋导向机构如图6所示。其主要硬件由吊筒、导向板和步进电机组成,还需要PLC控制系统完成功能。工作原理是:如图6虚线所示的4个位置,这是导向板运动的位置。其中,1为初始位置,导向板的另一端与步进电机的轴连接;当鸡蛋落入导向板时,沿着导向板方向,进入吊筒1,随后落入相对应的托盘内;在吊筒与托盘之间的空隙布置着光电开关,当鸡蛋落入托盘后,光电开关会感应到一个信号通过,PLC系统会接收到这个信号,并给步进电机发送转动指令,从而带动导向板转动一个角度,到达图6中2的位置;像这样,在PLC的控制下完成一排鸡蛋的装盘。但是在第2排装盘的时候,顺序是相反的,图6中4的位置将会成为初始位置,然后逆时针转动相应角度到达下个位置,直到完成第2排鸡蛋的装盘。这样连续的往复运动完成鸡蛋的装盘,提高了自动化程度,节省了时间,提高了包装生产效率。5电磁铁分级执行装置的运行1)鸡蛋检测装置利用机器视觉技术实现了对鸡蛋外部品质的数据采集与分析处理;装置结构的设计实现了对鸡蛋的动态实时检测;通过PLC控制系统控制分级执行装置的