槟榔鲜果分选机结构优化设计

摘要本文针对传统槟榔鲜果分选机的分选精度低、效率差、设备稳定性差等存在的问题，提供了一种结构改进方案。传统的输送链在分选中容易对槟榔鲜果造成伤害，因此该研究采用型号为C2082H双节距大滚子输送链，通过增加滚子直径和改变节距，减小了链条在使用过程中的摩擦力和振动，使槟榔鲜果在输送过程中更平稳，降低对果实的伤害程度。另外，整套传动装置选用Y90-4型电机，配置JZQ250减速器，保证了动力输入的平稳可靠；分选由高分辨率CCD工业相机、环形LED灯、封闭式暗箱设计组成，实现了槟榔表面缺陷的高精度检测和分选。通过在机械结构和分选原理上对槟榔鲜果分选机进行优化，从分选效率、稳定性和保护性等方面都进行改进。传送链的改进和优化以及改进后的传动系统，使槟榔的分选速度提高，运行更加平稳可靠；改进后的传送链减少了机械振动、冲击，在果实送离的过程中减少伤害，保证槟榔鲜果的商品性。关键词：槟榔鲜果分选机；结构优化；双节距大滚子输送链?MACROBUTTONNoMacro[Clickandtypeabstracttexthere.]AbstractThispaperproposesanimprovedstructuraldesignaimedatovercomingthechallengesfacedbyexistingbetelnutsortingmachines,focusingparticularlyonenhancingsortingprecision,operationalefficacy,andoverallequipmentstability,whilemitigatingthesurfacedamageinflictedbytraditionalconveyorsystems.Toaddressthischallenge,thisstudypresentsadouble-pitchlargerollerconveyorchain(ModelC2082H)thatfeaturesalargerrollerdiameterandoptimizedpitch,whichcollectivelyreduceoperationalfrictionandvibration,ultimatelyimprovingstabilityandminimizingfruitdamage.Theenhancedtransmissionsystem,featuringaY90-4motorandJZQ250reducer,guaranteesefficientpowertransmission.Furthermore,thesortingmechanismemployshigh-resolutionCCDindustrialcamerasalongwithring-shapedLEDilluminationandacontrolleddarkenvironmentforaccuratedetectionandclassificationofsurfaceimperfectionsinbetelnuts.Theimprovedsortingmachineshowcasessignificantprogressinefficiencyandreliability,thankstoenhancementsinitsconveyorchainandtransmissionsystem,whichfacilitatequickersortingwithoutcompromisingperformance.Additionally,minimizingmechanicalvibrationsandimpactshelpssafeguardthequalityofbetelnuts,reducingpotentialdamageduringhandling.KeyWords:BetelNutFreshFruitSortingMachine;Structuraloptimization;Doublepitchlargerollerconveyorchain目录TOC\o"1-3"\h\u28649目录 ii—链轮的齿顶圆直径da：链轮的端面齿形选择三圆弧一直线齿形，则：da==58为保证槟榔鲜果输送过程的稳定可靠，对链传动布置要求如下：链传动必须水平布置，主、从动链轮转动轴必须在同一水平面内，安装时采用水平仪进行测量；链条布置时，松边应该位于下方，紧边应该设置在上方，这样可以防止链条松开导致链条不稳定；紧边下设计有支承板和链条滚子，链条在转动时，链条滚子与支承板之间相对滚动，可以大大减小阻力，保证平稳输送。上述布置，满足了槟榔鲜果输送过程中平稳性和定位的严格要求，同时，减少了链条的损耗，延长了使用寿命。送链条如REF_Ref16015\h图3-7所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC7输送链3.6分选机构槟榔鲜果分选机构如REF_Ref5440\h图3-8所示，主要由暗箱、高像素彩色CCD工业相机、可调焦工业相机镜头、高速USB3.0数据传输线、高性能计算机、光源（专用LED灯）等部件组成。槟榔鲜果自动分选系统利用视觉技术进行槟榔鲜果分选，即光电传感器感应到输送带上运动着的槟榔鲜果运动到分选机构相应位置，随即工业相机会从正上方位置拍摄采集该槟榔鲜果的图像进行自动分选，该图像数据会随着高速率的USB3.0传输线实时传输到计算机端，计算机端会调用图像处理软件对传输过来的图像进行识别与分析，判断槟榔鲜果是否受到损伤。槟榔鲜果分选机构箱体为密闭式的暗箱结构，配备光源，且成像效果稳定可靠，该分选机构是槟榔鲜果自动分选装置。1.暗箱2.支架3.CCD工业相机4.镜头5.光源6.计算机图3-SEQ图3-\*ARABIC8分选机构3.6.1相机选择工业相机作为分拣槟榔的关键成像传感器，其成像效果优劣将直接影响影像质量和后续分拣精度。当前，工业相机主要以CCD、CMOS等两种传感器为主：CCD具有成像性能稳定、使用寿命长、响应速度快、分辨率高、成像质量好等多种优点，在视觉检测领域，应用较为广泛；CMOS具有功耗低、成本低、集成度高等多种优点，但是也存在诸多问题，例如噪点较多、反应速度较慢等，因此，在要求较高的机器视觉系统中，普遍使用CCD相机。根据槟榔分选工作的特殊要求，选择的工业相机需要具备如下特点：首先，相机的成像质量必须足够好，应至少满足以下条件：一是较高的清晰度，即分辨率至少应达到0.1mm的细节成像能力；二是较高的图像清晰度，包括边缘轮廓、反差、纹理等，以确保槟榔表面缺陷如划痕、凹坑、斑点等能够被充分地再现，动态范围、信噪比等性能指标必须达到工业化标准，应确保所采集的图像在不同的曝光条件下都能够获得可靠的图像质量，以作为图像处理算法的原始输入图像，这是实现槟榔分选系统高质量质量检测方案的基础。(2)安装空间限制：考虑到分选装置的整体安装空间较为紧凑，相机应当能在一定距离外清晰成像。(3)视场范围要求：照相机视场需能涵盖槟榔最大外形尺寸，槟榔在画面中应有一定的占比（60%-80%），以能够完整呈现表面特征为原则。经综合比较本槟榔分选系统选择使用维视图像（Microvision）品牌MV－UG120U3C型号的USB3.0高速传输接口彩色工业数字相机作为数据采集的图像传感器，该工业相机采用全球顶级的高灵敏度CCD图像传感器，有效像素120万（1280×960），最高可以以60帧/秒的速度连续拍摄出高清晰度图像，配合大尺寸的感光靶面（1/1.8英寸）和工业定焦镜头，在300-500mm的最佳拍摄距离下，能清晰准确地拍摄出槟榔的表面细节特征图像，无论从分辨率、还原图像的色度、均匀性都能满足槟榔自动分选作业对图像采集高质量数据的要求，并且满足系统对安装距离和视场的要求。除此之外，相机整体采用一体化紧凑型的体积尺寸，其长、宽、高尺寸分别为29mm*29mm*29mm，这样的尺寸设计可以更好的适应槟榔分选装置空间位置较小的特点，方便对整个系统进行结构整合设计。其具体信息如REF_Ref8392\h表3-1所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC1MV-UG120U3C主要参数型号MV-UG120U3C光学1/3”CCD彩色最高分辨率1292×964像素尺寸3.75μm×3.75μm帧率43fps数据位数8/10数据接口USB3.0曝光方式帧曝光曝光时间20μs~1s镜头接口C功耗<2.5W工作温度0~45℃所以需选择像头长宽高合适、能够使像头直径大于工作距离的镜头。需匹配镜头的下列光学特性：一是焦距——镜头的成像倍率。当所选镜头的焦距与工作距离设定焦距时需要视野足够大。二是像质——镜头的像差（一般小于1%）和杂散光（能降低噪声）。三是景深、通光量等。同样，由于相机感光器件CCD（1/3英寸）需要完整的像面覆盖感光器件，所以在选定镜头时像是用镜头的像面尺寸（成像宽度）要等于或者大于所使用感光器件的像面尺寸，再根据公式(3-8)计算镜头可达到的清晰度，从而选定焦距。根据槟榔的宽度，结合安装空间，最终选择的像头应保证所呈现目标的像面大小。除此之外，尽量选择有镀膜、低畸变（<0.5%）的优质工业镜头，以保证在复杂的环境光线下也能获得低噪点、高对比度的图像。f=4.8×LW=3.6×LH 式中f为镜头焦距；L为物距，W为物体宽度；H为物体高度。按照光学成像系统的设计参数要求，在物距(工作距离)180-200mm左右，使用光学计算公式，核算出镜头应有的理论焦距在10.8-12mm左右，经到淘宝网搜索比较几款工业相机镜头，根据成像效果和实际使用情况，最后确定维视图像(Microvision)的BT一118C1220MP5型号工业相机镜头。其参数如下：镜头标准焦距为12mm；满足计算出的焦距范围的上限，适用传感器1／1.8英寸(大于相机CCD1／3英寸的大靶面)，镜头光圈f2.0，保证在低照度条件下也能充足进光；镜头调焦机构是高精密手动调焦(±5%)；镜头安装接口采用标准的C型接头(与相机匹配)。该镜头采用6块8寸全玻璃镜片，多层宽带增透镀膜，在400-700nm可见光范围内有较高的透过率，光学畸变率在0.3%以下，场曲在0.1mm以内，完全可以满足槟榔表面特征成像的精度要求。同时，镜头外壳采用全金属材质，镜头温度为-20℃~60℃，有较好的防尘、防潮性能，特别适用于农产品加工车间3.6.2光源选型作为整个槟榔分选机构的核心部件之一，光源对整个系统的分选效率和质量具有直接的影响。其主要功能有以下几点：一是通过对整个空间的照明，保持一个恒定、稳定的环境光，以消除空间中其他自然光变化的影响；二是提升目标对象的亮度，尤其是使用光源对空间进行填充，以提高被摄体表面亮度；三是通过对光线的合理设计，将目标对象与背景有效区分，使工业相机可以采集到高质量、高亮度的特征图像。由于光源对整个分选系统工作效率与质量的间接影响较大，因此要采集到高质量图像就必须对光源进行选择与配置。目前常用的工业视觉光源按形状可分为以下几种典型的结构类型：(1)环形光源，适用于轴向照明，可获得均匀的照明效果；(2)条形光源，适用于长条形工件的侧面照明；(3)方形光源，适用于大面积的均匀照明。根据成像效果，应重点考虑以下几个指标：对比度，即最小可分辨对比度，人眼判断的重要指标，决定了识别的准确性；亮度，亮度恒定是关键，它决定了图像呈现的明暗和噪杂程度，对于图像清晰度至关重要；均匀性，光照要均匀，过亮或过暗区域不合适；寿命，视觉系统的维护成本与寿命相关；光谱，被测对象的颜色结构要与光源光谱相吻合。只有在这些方面都达到要求后，才能获得理想的视觉成像。在人工光源类型中，工业视觉系统中主要采用以下光源：(1)高频荧光灯，显色性好，但是闪烁问题。(2)卤素灯，亮度大，但是热量也高。(3)LED光源，亮度高，寿命长，反应快。这三种光源在发光效率、显色指数、使用寿命、温度特性等关键性能指标上存在显著差异，具体对比分析详见本文REF_Ref2623\h表3-2所示的性能参数对照表。基于槟榔分选的特殊要求，最终选用了高亮度LED环形光源方案，该方案在保证成像质量的同时，还具有能耗低、寿命长、发热量小等显著优势，完全满足工业化连续作业的严格要求。表3-SEQ表3-\*ARABIC2光源的比较光源高频荧光灯卤素灯LED颜色白色、蓝色、绿色等白色、黄色红色、蓝色、绿色、白色等寿命/h2000~95003000~500030000~100000亮度低高使用多个可以达到高亮度响应速度慢慢快稳定性低中高价格低高中特点发热少，扩散性好，适合大面积均匀照明发热大，几乎没有光亮度和色温的变化发热少，波长可根据用途选择，体积小重量轻，耗电少，环保性好为了使采集到的图像有更好的效果，我们选择使用白色板作为衬底，让槟榔与白色板形成对比。同时，选择使用环形白色LED灯，这种光源可以使光线均匀，避免出现阴影。经过对比荧光灯、卤素灯和LED灯的光照情况、成本、适应性等方面的影响因素之后，选用亮度可调节的环形白色LED灯，这种光源具有光照均匀、色彩饱和度高、快速响应、寿命长等优点。在正反两个采集图像的情况下，各选择放置1个环形灯，采用正射光照，这些灯在光轴上均匀分布，使整个视域内的照明度差距小于5%，避免出现槟榔表面阴影和暗淡现象，降低了对图像采集的处理复杂度。如REF_Ref16697\h图3-9所示，为环形白色LED灯光轴示意图和成像图，从图中可以看出，采用这种光源，可以满足槟榔表面特征采集的照明要求，为后续槟榔图像处理提供良好的图像采集数据。图3-SEQ图3-\*ARABIC9环形LED光源3.6.3暗箱设计暗箱是分选机构的核心部件之一，它的作用主要有两方面：一是作为CCD工业相机底座，二是暗箱中的封闭结构能隔绝外部环境光，为拍摄槟榔提供良好的光源。由于LED光源的工作环境温度在40℃以下，为了安全可靠，采用全封闭式结构，不需额外的散热措施。内部光学处理上，暗箱内壁采用反射率较高的白色油漆，进行整体涂刷处理，具有以下优点：(1)白色表面反射率可达90%以上，显著提高箱内光照均匀性。(2)有效减少阴影产生，改善成像质量。(3)提高光源利用效率，降低能耗。结构设计参数：(1)主体框架采用2mm的铝合金板。(2)在两侧分别设置非对称进／出料口，开口尺寸根据流体仿真结果选择最佳值。(3)特殊设计的45°斜角开口可有效控制外界光入射深度。(4)内部有效成像区域(510mm×220mm)大于实际取样所需，预留足够余地光学防护设计：(1)箱体的尺寸设计箱的尺寸为866mm×400mm。此时，箱体的外界光的发散的深度始终小于箱子的长度。(2)进/出料口处为迷宫式光路，外界光干扰可衰减95%以上。(3)内部设置吸光挡板，进一步消除杂散光影响。该暗箱设计方案如REF_Ref18462\h图3-10所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC10暗箱三维图4结论与展望4.1结论本次结构改进，采用C2082H型A系列双节距大滚子输送链设计，是在设备性能优化方面进行的创新性尝试。这种输送系统，做了很多细节和结构方面的优化。如滚子直径加大；链条运行平稳；使传送链在运行过程中产生的摩擦阻力和机械振动都有所减小，传送过程的平稳性和可靠性都有所为提高。但是在对槟榔鲜果进行输送时,这种优化和升级后的机械输送系统可以最大程度地保证鲜果的物质完整性,避免因为机械运动产生的一系列冲击和震动,最大程度地规避了在槟榔鲜果输送过程中造成鲜果表皮破损,甚至对鲜果内部品质造成严重影响等问题。全面优化和升级后的槟榔鲜果分选机在各方面性能上得到了显著提升,其分选的精准度、生产能力相比于传统槟榔分选机得到了明显优化和提升,运行更加稳定和持久,满足了新时代槟榔加工行业高自动化、智能化的设备配置需求。4.2展望未来可以进一步与人工智能技术结合，改进视觉检测算法，实现槟榔鲜果内部品质（成熟度、糖度等）的无损检测，提高分选的全面性和准确性。探索新材料轻质化、制造工艺高精准化，减轻设备重量、提高设备强度，降低生产成本。在原有分选功能基础上，搭载清洗、烘干等模块，实现槟榔鲜果加工一体化，进一步提高生产效率和自动化生产水平。开展分选机对不同品种槟榔鲜果的适应性和探索，优化设备参数调整制度，使分选机在更多果蔬品种分选场景得到应用。将节能环保理念融入设备设计，优化能源利用效率，降低能耗和污染。参考文献孔丹丹,李歆悦,赵祥升,等.药食两用槟榔的国内外研究进展[J].中国中药杂志,2021,46(05):1053-1059.DOI:10.19540/ki.cjcmm.20200709.201.代文婷,吉建邦,康效宁,等.槟榔干制技术研究进展[J].食品工业,2021,42(03):258-262.王斌,杨大伟,李宗军.2种槟榔干果风味品质的比较[J].食品科学,2019,40(12):245-252.叶庆亮,胡小婵,赵松林.海南槟榔产业发展前景预测与分析[J].农产品市场,2019,(19):52-57.陈才志.槟榔养分分布规律及推荐施肥技术研究[D].海南大学,2020.DOI:10.27073/ki.ghadu.2020.000293.王明秦,柳金矿,张倩.食用槟榔干果的毒性研究[J].中国公共卫生,1994,(08):352.黄丽云,齐兰,唐敏敏,等.海南食用槟榔资源筛选研究[J].中国南方果树,2022,51(06):141-144.DOI:10.13938/j.issn.1007-1431.20210352.张晶,代佳慧,王世萍,等.槟榔干燥动力学模型及微观结构､代谢物变化规律研究[J].热带作物学报,2025,46(01):222-235.董婧婧,范蓓,卢聪,等.不同加工方式对槟榔化学成分影响的研究进展[J].食品科技,2024,49(03):47-53.DOI:10.13684/ki.spkj.2024.03.006.黄丽云,刘立云,李艳,等.台湾种鲜果性状评价[J].热带农业科学.2016.36(7):1-3刘蕊,范海阔,黄丽云,等.槟榔花果中槟相碱的组织化学定位研究[J].中国南方果树,2018,47(4):65-69李春燕,张学敏,岳璐,等.HPLC法测定槟榔中槟榔碱和槟榔次碱的含量[J].中医药学报,2018,46(3):21-23栾剑,郭迪,周晓馥,等.榔致癌性和毒性的药理学研究进展[J].食品与机械,2019,35(2):185-189匡凤军,刘群,曹倩蕾,等.槟榔硬度及其质构相关性研究[J].食品安全导刊,2019,(36):61-63.DOI:10.16043/ki.cfs.2019.36.045.HaoZ,Fei-bingP,Yun-fengM,etal.Researchprogres