基于视觉识别的核桃切分机结构设计
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摘 要：核桃仁的完整度对其商品价值有很大影响，目前国内核桃脱壳主要仍为手工脱壳，效率低，成本高，核桃加工和出口时间正值三秋和农田建设的大忙时节，传统手工已经无法满足市场需求。文章针对于此提出了一种基于视觉识别的核桃切分机，介绍了其各组成单元的机械结构设计及其工作原理。本设计结合机械与电控两部分，实现核桃切分的机电一体化，效率高，节省人力物力资源，同时也对同类产品提供一定参考方向。
关键词：核桃切分机;视觉识别;机电一体化;结构设计
中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）08-0029-03
Abstract： The integrity of walnut kernels has a great impact on the value of its products. At present， domestic walnut shelling is still mainly by manual shelling， with low efficiency and high cost. The walnut processing and export time coincides with the busy season of the three autumns and farmland construction. Traditional handwork unable to meet market demand. Aiming at this， this paper proposes a walnut cutting machine based on visual recognition， and introduces the mechanical structure design and working principle of its constituent units. This design combines the mechanical and electrical control parts to achieve the mechatronics integration of walnut cutting， with high efficiency， saving human and material resources， and providing a certain reference direction for similar products at the same time.
Keywords： walnut slitter; visual recognition; mechatronics; structural design
引言
在世界四大堅果中，核桃排名高居第一位[1]，而我国栽培的核桃品种繁多，约40余种，且分布十分广泛，在全国的24个省（区）均有种植，其面积与产量高居世界首位[2]。核桃营养丰富，保健功能突出，核桃蛋白质中有18种人体需要的氨基酸，其中含量较高的是天门冬氨酸、谷氨酸、精氨酸[3]，在国内一直享有“万岁子”、“长寿果”、“美容果”的美称。药理上，核桃具有补肾壮阳[4]、抗氧化[5]、防癌抗癌、健脑益智、延缓衰老[6]的作用，深受人们的喜爱，是生活中不可或缺的食品。目前国内销售的核桃仁大部分仍采用传统的手工脱壳，存在着卫生差，质量低，效率低，成本高，出口竞争力低等问题，且核桃加工和出口时间正值三秋和农田建设的大忙时节，传统手工无法满足市场需求。
目前，国内对于山核桃破壳机理的研究以及破壳机械的研制[7]均关注于壳体的破碎，而对于在保证较高的破壳率的同时，保证核桃果仁的完整性与低损伤率，以此获得更高的商品价值与出口竞争力却缺少关注[8]。针对于此，本文提出一种基于视觉识别的核桃切分机，采用视觉识别，调整摆放姿态，实现精准切分。本设计在一方面减少了人力物力资源的浪费，解放了生产力，另一方面提升脱壳效率，保证核桃果仁完整性，保证其商品价值，同时也推动了核桃加工产业向机电一体化方向发展。
1 基于视觉识别的核桃切分机结构组成
基于视觉识别的核桃切分机主要由间歇进料单元1，姿态调整单元2，传送单元3，切分单元4组成。其具体各部分结构如图1所示。
1.1 间歇进料单元结构设计
为使核桃实现间歇进料，进而输送到纵向姿态调整单元，设计所需要的间歇进料机构，其主要组成部分为进料槽1，搅拌机构2，间歇旋转阀3。其具体三维结构如图2所示。
1.2 姿态调整单元结构设计
为使核桃进入切分单元时可以切出完整的核仁，设计姿态调整单元，其主要由纵向姿态调整单元，横向姿态调整单元组成，其具体三维结构如图3所示。
1.2.1 纵向姿态调整结构设计
为使核桃呈纵向摆放，设计所需要的纵向姿态调整单元，其主要组成部分为驱动电机1，齿轮传动2，纵向调整辊3。装置通过电机驱动纵向调整辊主动轴旋转，同时通过齿轮机构带动纵向调整辊从动轴旋转，实现相向转动，调整辊叶片呈螺旋结构，推动核桃匀速运动至纵向摆放姿态。其具体三维结构如图4所示。
1.2.2 横向姿态调整结构设计
为使核桃纵向姿态调整后，呈横向摆放，设计所需要的横向姿态调整单元，其主要组成部分为控制电机1，带传动2，U型调整辊3，视觉识别模块4。其具体三维结构如图5所示。
1.3 传送单元结构设计
为使核桃实现调整单元与切分单元之间的传送，设计所需要的传送单元，其主要组成部分为电机1，滚珠丝杠2，滑轨3，其具体三维结构如图6所示。 1.4 切分单元结构设计
为保证核仁完整性与低损伤率以保证其商品价值，需实现垂直与棱纵向切分，设计所需要的切分单元，其主要组成部分为汽缸1，U型切分机构2组成。其具体三维结构如图7所示。
2 基于视觉识别的核桃切分机工作原理
本文提出的基于视觉识别的核桃切分机与传统的核桃脱壳机相比，采用视觉识别模块及姿态调整模块来调整核桃摆放姿态，垂直于棱纵向切割，最大程度上保证核桃果仁的完整性与低损伤率，以保证其商品价值。
该设计涉及视觉图像的采集处理与分析，利用PLC的控制功能实现整体的机电一体化。核桃通过间歇进料单元的搅拌机构，间歇旋转阀实现间歇进料，即核桃可以间歇进入纵向姿态调整单元;通过电机与齿轮机构带动纵向调整辊的主从动轴相向旋转，在叶片推动下平稳调整姿态;核桃进入横向姿态调整单元后，通过视觉识别模块，控制电机，U型调整辊调整核桃横向摆放姿态，再通过传送单元，送至切分单元进行垂直于棱纵向切分。其具体工作原理图如图8所示。
3 结束语
本文针对为保证核桃果仁的完整性与低损伤率，进而保证其商品价值，同时解决目前核桃手工脱壳卫生差、质量低、效率低、成本高的问题，以及减缓核桃加工、出口时间与三秋和农田建设的大忙时间冲突的压力，设计了一种基于视觉识别的核桃切分机。
基于视觉识别的核桃切分机主要包括间歇进料单元、姿态调整单元、传送单元与切分单元，介绍了其结构设计及工作原理，采用机电一体化设计，提高操作效率。其优点在于采用图像识别，可以保证在核桃果仁的完整性的前提下实现切分，推动核桃加工产业向机电一体化方向发展，同时为同类产品的设计提供一定程度上的參考。
参考文献：
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