纽扣分拣设备开发设计

摘要

　　本论文所关注的内容是以大批量散状颗粒物产品分拣设备的设计为研宄目标,这种级别产品的分拣设备由于研发和生产成本问题的制约,一般不被人们所重视。

　　市场上的产品分栋主要集中在大体积产品如物流快递等的分拣行业。其根源主要是很多生产散状颗粒物的企业无科研和经济实力开发分拣设备,依旧使用传统的人工分拣等方法,这严重影响了生产效率和分拣的准确率。本论文以纽扣分拣设备为研究对象,通过对该类产品的开发,使人们了解到散状颗粒物分拣相关技术,并可对该行业技术的提升具有一定的技术参考价值。围绕这一中心本论文所做的工作如下:

　　基于运动学和力学的基本理论及原理,结合散状颗粒物的结构特点,利用图形识别技术,提出了该类产品的分拣原理及分拣设备的设计方法及原理,给出了具体的结构形式及相关关键的选型方法;针对大批量产品的生产特点,结合现代图形识别技术,提出了采用机器视觉的方法,总结出各类相关智能元器件的选型原则;基于机、电、气一体的原理,针对本研究对象,概述了其控制气动系统的设计方法。

　　通过机械结构设计与电器、气动技术的结合,并采用机器视觉技术,设计了一台自动进行纽扣分拣的设备,设备分拣效率可达到24粒/s,大大提高了纽扣分拣效率,促进了散状颗粒物分拣行业自动化水平的提高。

　　关键词:散状颗粒物;分拣设备;机器视觉;纽扣

Abstract

　　The development of products sorting equipment for large bulk particles was put forward to be the research goal in the content of this topic. Because of the cost in research, development and production, the sorting equipment of this kind of product is generally not paid attention to. The sorting of products on the market is mainly concentrated in the sorting industry of large volume products such as logistics express and so on. The main reason is that many enterprises that produce granular particulates do not have scientific research and economic strength to develop sorting equipment. They still use traditional manual sorting methods, which seriously affects the efficiency of production and the accuracy of sorting. The research object of this topic is button sorting equipment. Through the development of this kind of product, we can know the related technology of particulate sorting and provide some technical reference value for the improvement of the technology in this industry. The work done around this central topic is as follows:

　　Based on the basic theory and principle of kinematics and mechanics, the structural characteristics of the bulk particulate material was combined, graphic recognition technology was utilized, the sorting principle of this kind of product, the design method and principle of sorting equipment were put forward, the selection method of specific structural form and related key were given; According to the production characteristics of large quantities of products, modem graphic recognition technology was combined with, the method of using visual recognition was proposed, the selection principle of all kinds of related intelligent components was summarized; Based on the principle of integration of machine, electricity and gas5 aiming at the object of this study, the design method of it’s control pneumatic system was outlined.

　　Through the combination of mechanical structure design, electrical appliances, pneumatic technology, and the use of machine vision technology, a device for automatic button sorting was designed. The sorting efficiency of the equipment can reach 24 per second which greatly improved the efficiency of button sorting and promoted the improvement of the automation level of the bulk particle sorting industry.

　　KeyWords: bulk particles, sorting equipment, machine vision, button

　　现代工业生产线对所生产的产品质量和生产效率的要求越来越高,然而在产品生产过程中,由于存在某一些不可控因素将会产生不合格品现象,在大批量生产的散状颗粒物中尤为明显,常常会面临着如剔除生产线不合格产品的技术难题。

　　通过对纽扣等散状颗粒物生产线的调研发现:大多数生产线采用的分拣方法依然是传统的人工分拣,这种分拣方法已经无法满足现代高质高率生产要求,开发高效分拣与检测设备是亟待解决的生产现实课题。散状颗粒物由于本身体积较小、质量较轻、数量大且可能材料强度低,其设计开发的分拣设备面临的技术难题更大,也会更多。本论文以大批量散颗粒状的纽扣分拣设备为研究对象,该设备是高效率、高分辨的机电一体产品,其主要由机械驱动、机械输送、机械分拣、气动控制、电器集中控制系统等部件组成。其中核心部件为图像视觉识别系统,可实现对被控制识别的对象(纽扣)进行图像的采集和认识并实现分掠功能。

　　通过市场调研和综合现有相关文献获悉:由于大部分散状颗粒物为低成本生产产品,生产商所具备的科研实力有限,使用分栋设备成本返回周期较长,因此散状颗粒物分拣设备在市场上并未得到广泛使用,这一情况在国外发达国家同样如此。市场上对于散状颗粒物的识别技术已经初步成型,国内如凌华科技、大恒图像、视觉龙等视觉公司已经初具规模,可解决实际视觉问题并开发产品,并且开始在国内大力推广使用机器视觉产品[1]。虽然行业在散状颗粒物的识别方面已经具备了相应的技术水平,但是在产品识别与分拣相结合的设备开发方面尚未成熟,以纽扣分拣设备为例,国内的众多公司如西安海克易邦光电科技有限公司已经开发出纽扣检测设备,但是设备不具有分拣功能,将识别与分拣相结合是目前市场上设备开发需要关注的焦点。因此围绕该领域开展一定的技术研究开发具有较好的市场应用前景和较高经济价值。

　　本课题所研宄的颗粒物是对体积较小散状颗粒物如纽扣、硬币和药丸等类产品,其在形体尺寸上是毫米级别上的宏观物。散状颗粒物即是生产线上大批大量生产呈无序状态分布的小体积产品,产品未进行包装、排序等处理,零散的分布在生产线上。而部分散状颗粒物在生产过程中由于存在不同程度一定的不合格品,需要通过相关设备对其进行识别和剔除处理[2],这一过程就称为散状颗粒物分拣。

　　散状颗粒物分拣过程主要包括输送、排序、检测和分离,各阶段都存在多种技术措施。如何实现高效、高质的分拣是该类生产研发的核心和关键,它直接影响该类生产的推广和应用。散状颗粒物分拣过程的检测方法除人眼识别外,还有质量检测、气动检测和机器视觉三种主要的自动检测方法,按照识别设备与散状颗粒物是否接触,可分为接触性检测和非接触性检测。其中,质量检测和气动检测都因检测过程需对产品发生直接或间接的接触,属于接触性检测;机器视觉检测过程设备与散状颗粒物不产生接触,机器视觉属于非接触性检测。

　　纽扣分拣设备原理：

合格纽扣示意图

不合格纽扣示意图

机器视觉基本组成示意图

工业相机示意图

WP-UFV系列相机示意图

直方图均衡化处理结果图

平滑处理结果图

目录

　　摘要
　　Abstract
　　引言
　　1 绪论
　　　　1.1 散状颗粒物分拣
　　　　　　1.1.1 散状颗粒物分拣的概念
　　　　　　1.1.2 散状颗粒物分拣的发展
　　　　　　1.1.3 散状颗粒物分拣在国内外的研究现状
　　　　1.2 机器视觉
　　　　　　1.2.1 机器视觉概念
　　　　　　1.2.2 机器视觉的发展
　　　　　　1.2.3 机器视觉的国内外研究现状
　　　　1.3 课题的研究内容及研究意义
　　　　　　1.3.1 研究内容
　　　　　　1.3.2 研究意义
　　2 分拣设备整机结构设计方法
　　　　2.1 分拣设备的工作原理
　　　　　　2.1.1 分拣目的和要求
　　　　　　2.1.2 本研究对象工作原理
　　　　2.2 分拣设备主要组成部分及作用
　　　　　　2.2.1 主要组成部分
　　　　　　2.2.2 主要组成部分的作用
　　　　2.3 分拣设备结构设计方法
　　　　　　2.3.1 总体方案设计方法
　　　　　　2.3.2 输送机构设计方法
　　　　　　2.3.3 排序定位机构设计方法
　　　　　　2.3.4 视觉识别系统设计方法
　　　　　　2.3.5 次品分离装置设计方法
　　　　　　2.3.6 集中控制系统设计方法
　　　　2.4 本章小结
　　3 机器视觉系统原理及结构
　　　　3.1 机器视觉部分设计目标及要求
　　　　3.2 机器视觉部分的主要组成及选型补充
　　　　　　3.2.1 主要组成及功能
　　　　　　3.2.2 元件的选型
　　　　3.3 机器视觉技术
　　　　　　3.3.1 纽扣图像预处理
　　　　　　3.3.2 图像边缘检测
　　　　　　3.3.3 图像识别步骤
　　　　3.4 本章小结
　　4 气动控制系统工作原理及设计方法
　　　　4.1 设计目标
　　　　4.2 回路设计
　　　　4.3 气动回路仿真分析
　　　　4.4 PLC程序设计
　　　　4.5 本章小结
　　5 总结与展望
　　　　5.1 总结
　　　　5.2 展望
　　参考文献
　　致谢
　　作者简介及读研期间主要科研成果

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