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精益生产培训:果蔬自动分拣包装生产线的设计与开发

2022-05-27 11:09
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随着我国农业的发展,传统的小户种植,分散经营的果蔬种植、加工方式,已经无法适应激烈的市场竞争,集中化、批量化的果蔬生产、销售模式成为了大的趋势。这就要求在重视优质果蔬培育的同时,必须更加注重果蔬贮藏、运输过程中的包装。为了缩短果蔬的流通时间,保证果蔬质量,对采摘后的果蔬按大小进行分等及包装处理,达到可直接销售的程度,成为果蔬生产销售一条龙过程中不可缺少的一部分。果蔬自动化、半自动化包装设备逐渐得到广泛使用,但以往都是靠人工分等级,既费时费工,又难以保证分等的客观性和准确性。有些企业采用机械孔式果蔬分等设备,但筛选果蔬的机械孔必须根据果蔬的种类经常更换,成本较高;同时,在分等的过程中,机械孔经常会擦伤果蔬表面,从而影响果蔬质量。设计开发的基于图像处理的果蔬自动分等及包装生产线,是采用CCD图像传感器对果蔬进行图像采集,通过对采集图像进行处理和分析,计算出反映果蔬大小的尺寸参数,来对果蔬进行大小分等,并进行包装的设备。由于分等是按尺寸大小的范围进行的,所以对图像传感器的精度和尺寸测量精度要求都不高,这样就可以大大地提高图像处理速度,提高生产线的生产率。生产线既可以对形状大体为球形的多种果蔬进行分等和包装,又不会对果蔬造成损伤;同时,还可以对果蔬产地、品种、等级、生产日期等信息进行登记管理,能够满足果蔬实际生产与流通过程中的加工处理要求。


关于拣货序列优化的研究,国内外学者已有大量研究。Klaus以减少拣货穿行时间为目标,对每一批中拣货顺序进行优化,并设计了相应的启发式算法进行求解。Liu基于聚类技术对重力流架插槽的品项成组和客户拣货单顺序进行研究。Van对圆盘传送带的多重拣货顺序进行了优化。Zhang等以存储和检索变量为决策变量,以最小化完成时间为目标,对旋转架S/R系统的拣货顺序进行了研究,并基于对系统特性的分析设计了有局部搜索策略的混合遗传算法。李晓春、钟雪灵、王雄志、王国庆等针对配送中心动态分区拣货系统,通过对按单拣货顺序优化及拣货员所在分区动态分配,使分区间等待时间减少,同时提高拣货效率。李晓春等同样对双旋转货架系统提出了启发式算法以得到最优拣货顺序,并对相关模型及算法进行模拟测试以证明其有效性。李艳茹根据配送中心按单拣货问题特点,以订单客户的满意度为目标,建立数学模型,并设计了相应的遗传算法来求解该问题。综上可知,拣货序列与拣货效率息息相关,满意的拣货序列可以减少拣货人员的行走距离,节约拣货时间,提高拣货作业效率。拣货序列优化又与拣货模式类型密切关联。上述的拣货模式都是特定工业环境下的拣货模式,并不适用于蔬菜拣货。若将JIT的思想引入拣货包装作业,形成流水作业的拣货包装模式,其布局如下图所示。

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蔬菜拣货模式布局图及蔬菜配送中心作业流程)

由上图可知,蔬菜的拣货和包装在同一条流水线上,拣货包装同序,因而本文是对蔬菜拣货包装序列优化进行研究。可将每条拣货包装线看作平行机,将拣货任务看作工序,考虑装车时间窗和装车顺序的蔬菜拣货包装序列优化可以看作是同时有交货期窗口和链优先约束的平行机调度问题。因此,本文研究的蔬果网上直销的流水拣货包装作业序列问题可以归结为有交货期窗口和链优先约束的平行机生产调度问题。

一、果蔬分等及包装工艺设计

果蔬在采摘和人工适当处理后,放到生产线的传输带上,由间歇移动的传输带步进向前输送,传输带上设有果蔬承载随行托盘,当随行托盘载着果蔬移动到图像采集摄像头下方时,摄像头采集果蔬的图像,然后图像由系统进行快速处理,并计算出反映果蔬大小尺寸的参数。系统会根据设定的分等条件,决定该果蔬的等级,并将处理后的果蔬图像、果蔬尺寸参数、果蔬等级显示在显示器上;同时系统会给该果蔬一个顺序号,并把该果蔬等级和顺序号作为决定该果蔬下一步走向的依据。果蔬承载随行托盘为一个碗状托盘,适合近球状类果蔬的输送,托盘底侧部由4片可开合的叶片组成。当托盘底侧部叶片打开时,果蔬从托盘底部落下,在垂直方向上,以稳定的姿势落在包装保鲜膜上,并由包装机构自动完成包装;包装后的果蔬由系统按该果蔬的顺序号和等级,输送到指定的该等级果蔬的收集槽中,然后可进行装箱、封箱等操作。果蔬自动分级及包装工艺过程见下图。

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果蔬自动分等及包装工艺过程)

二、生产线总体方案设计

1.生产线构成

生产线主要由滚筒传输带、随行托盘、图像采集装置、图像处理系统、保鲜膜包装机构、按等级的分离机构、控制系统等构成,生产线的布局见下图。

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自动分等及包装生产线的布局)

对于有些果蔬需要人工进行适当处理之后,才能分等包装,如卷心菜,在分等包装前需要将根部切齐,去掉较老的外叶等,因此本生产线采用人工对果蔬处理后,直接装载到滚筒传输带上的随行托盘中的方式上料,这样也可避免二次果蔬自动供料带来的麻烦和对果蔬表面造成的损毁。人工上料后,生产线将自动完成图1中的中间几个工艺过程,由于保鲜膜包装花费时间较长,所以生产线用了2组保鲜膜包装机构和相应的按等级分离机构。装箱由人工完成封箱由自动封箱机完成,同时要在包装箱上人工贴上有关产地、品种、等级、数量、日期、保鲜期等果蔬信息的打印记录纸。

2.机构及工作原理

(1)滚筒传输带:输送滚筒由动力滚筒和无动力滚筒2部分组成。托盘的移动是由有动力滚筒驱动的,驱动速度可调;无动力滚筒主要是起到支承托盘的作用,在无动力滚筒上托盘是一个推一个前移的。通过调节动力滚筒的速度,可以平衡图像采集和保鲜膜包装的节拍。滚筒传输带输送过来的托盘,在图像采集及果蔬落下机构处均设有托盘定位机构,保证图像采集和落下位置的准确性。

(2)随行托盘:托盘结构见下图,由托盘架、叶片、合页、支承弹簧组成。叶片共有4片,在弹簧力的作用下,4片叶片形成一个碗状,见图a和图b,可以用来承载果蔬。当需要使果蔬下落到保鲜膜包装机构位置时,落下机构在气缸的作用下,向下推动叶片靠近合页的部位,使叶片绕合页轴向下翻转,果蔬落下,托盘由支架支承,在传输带上移动。

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托盘的结构示意)

(3)图像采集装置:主要由30万像素CCD摄像头,以及照明光源、托盘定位机构、拍照指令开关构成,功能就是采集果蔬的图像。

(4)图像处理系统主要是软件系统,功能是完成图像的处理,提取反映果蔬大小的参数。

(5)保鲜膜包装机构:使用已有的保鲜膜包装机,完成用保鲜膜包装果蔬的动作,包装后送到分离机构的传送带上。

(6)分离机构:由保鲜膜包装机运送过来的果蔬,系统将根据其顺序号、等级,通过分离机构,把果蔬推到相应的收集槽中。

7)控制系统:由PLC控制系统,控制图像采集、图像处理、以及整条生产线的各个机构动作的协调运转。

三、果蔬图像处理及参数计算

果蔬分等对图像处理精度要求不高,但要保证图像正确,并采取合适的处理方法。传送带运送过来的果蔬,从到达图像采集装置到离开的这段时间内,系统必须完成该目标果蔬的图像采集、处理和计算工作,因此必须有较高的图像处理与信息传输速度。

1.图像预处理

实时采集的图像上存在着许多干扰因素(如光照变化,摄像头本身噪声等),对图像分割、识别和信息提取具有直接的影响,因此对实时采集的图像需进行滤波处理。空间域常用的滤波算法主要有邻域平均、中值滤波和其他低通滤波技术等,其中中值滤波对脉冲状和点状、焦盐噪声有很好的抑制作用,而对图像边沿能较好的保留,因此,结合生产线采集图像的特征,采用中值滤波的方法对图像进行预处理。


2.图像分割

(1)边缘检测及提取

 要计算果蔬的尺寸参数,必须对其图像进行边缘检测和提取。图像边缘为灰度值急剧变化的部分,所以将微分作为提取函数变化部分的运算,能够在边缘检测与提取中利用。微分运算有一阶微分(梯度运算)和二阶微分(拉普拉斯运算),这2种微分都可以用在边缘的检测与提取中。对于一阶微分运算,人们提出了许多边缘检测算子,如:灰度差分绝对值之和算子,灰度梯度向量平方算子,Roberts算子,Sobel梯度算子等,利用上述5种算子对果蔬图像边缘进行提取,通过比较,决定采用灰度差分绝对值之和算子进行边缘检测。灰度差分绝对值算子是根据图像灰度变化的一阶导数是否处于极值的原理进行奇异点检测的,即提取出以点(x,y)为中心的3×3的灰度分布子集W,对点(x,y)及其相邻2点作差分运算,提取该点灰度值的变化大小。运算公式如下:H(x,y)=∑(x,y)∈W[|f(x,y)-f(x,y-1)|+|f(x,y)-f(x-1,y)|](1)式中:f(x,y)为像素(x,y)的灰度值;H(x,y)为灰度差分绝对值。边缘提取出来后,对边缘点进行坐标保存(为计算尺寸参数做准备)。

(2)二值化

对几种常用的二值化阈值确定算法进行研究,确定采用类间方差法确定阈值,对果蔬图像进行二值化处理。求出灰度图像的归一化直方图,假定图像包含G级灰度(1,2,…,i,…G),占据第i级灰度的像素总数有ni个,那么整幅图像的所有像素为N=∑Gini,则像素的出现概率为Pi=niN。设要选的阈值为T,把所有像素分成2个部分c1和c2,分别代表背景和目标。c1代表灰度值为(1,2,…T)范围内的像素,c2代表灰度值为(T+1,T+2,…,G)范围内的像素,求出c1和c22部分的出现概率ω1和ω2及其均值μ1和μ2。可以证明,最优阈值T将使类间偏差σB2达到最大:σB2=¢1¢2(μ1-μ2)2(2)图像处理系统坐标系和处理后的卷心菜图像见下图。

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处理后的图像)

(3)参数计算

果蔬尺寸参数的计算步骤如下:

1)比较所有边缘点Pi(xi,yi)的坐标值,从中选取横坐标极大值与极小值点Pa(xmax,ya)和Pb(xmin,yb),纵坐标极大值与极小值点Pc(xc,ymax)和Pd(xd,ymin)。

2)根据公式R=(x1-x2)2+(y1-y2)2,分别计算PaPb和PcPd之间的距离Rab和Rcd。

3)比较Rab和Rcd,令Rmax取其中较大的值,即Rmax=max{Rab,Rcd}。把Rmax与事先设定的分等数值依次进行比较,确定出Rmax所属的等级范围,从而对该果蔬进行分等,最后由控制系统下达指令,将该果蔬运送、分离到指定收集槽中。

本生产线通过采集和处理果蔬图像,计算果蔬尺寸参数,实现了果蔬的自动分等和包装。生产线由PLC控制系统控制,实现了果蔬间歇传送、图像采集、图像处理、处理结果记录、保鲜膜包装、按等分离的自动化,适合尺寸在300mm以下的果蔬的分等包装。其包装处理能力约为1500个/小时,能够自动记录产地、等级、数量、日期等与果蔬相关的信息,并满足果蔬实际生产的要求。


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