玉米自动分拣装置设计.doc
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毕业设计（论文）
玉米自动分拣装置设计
DesignofControlSystem错误
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完成时间
长春工程学院
长春工程学院毕业设计（论文）
摘要
为了解决速冻玉米手工分拣效率低及卫生条件难以保障的问题，本设计采用GERX3i可编程自动控制器（PAC）作为控制器，利用DeviceNet总线技术与机器视觉识别技术，设计玉米自动分拣装置。
根据实际速冻玉米加工分拣的需要，完成根据玉米的长度和直径实现玉米种类的分拣，达到每分钟大于30穗，正确率达到百分之百。
采用梯形图编写PLC控制程序，实现玉米分拣装置自动控制，应用IFIX组态软件实现了对本装置的监控系统设计。
排版
200-300
关键词
玉米自动分拣装置、PAC、DeviceNet、机器视觉识别技术、IFIX组态技术
1引言
吉林省是国家粮食主产大省，也是全国商品粮最大省份，玉米作为吉林主要粮食作物品种和支柱粮食作物品种，已成为构筑吉林玉米经济建设农业产业化的核心，具有一定的农产品原料资源优势。
而且特别值得关注的是，目前速冻玉米已经享誉国内外，将速冻玉米的生产工业化、自动化的趋势已势不可挡人工费用增高
。
1.1立体停车场设计背景？
？
？
随着人们生活品质的提高，速冻玉米作为绿色纤维类食品更加受到消费者的喜爱，但是玉米的加工仍然采用传统的手工加工，尤其是对玉米不同质量的分拣工作，不但效率低，而且卫生条件不合格，质量难以保证。
针对目前的情况，研发针对速冻玉米的自动质量分拣设备。
将视觉识别技术应用于玉米棒的分拣，实现玉米棒分拣工作的自动化，应用于速冻玉米自动化生产线，实现速冻玉米生产全程无人工参与的无菌化。
项目的应用能够提高速冻玉米生产的效率和产品的质量，节省人工，具有一定的经济效益和社会效益。
该项目中的核心技术还可以移植到其他需要质量分拣的产品上。
1.2国内外玉米自动分拣装置发展现状相关技术
国内外公开的文献中直接关于玉米分拣的论文较少，但相关的成熟技术我们可以借鉴到本项目中。
美国罗切斯特大学计算机科学学院的Selinger、A.N1eSno等人开发了基于产品外形特征的多视角分类识别系统。
该系统使用多个相对位置固定的相机获取目标图像，得到丰富的多角度特征，有效地避免了因单视角系统获取的产品特征不充分而导致的识别精度下降的问题。
沙特阿拉伯KingFahd大学计算机学院的Al-Mouhmed等人研制出一套robustgross-to-fine模式识别系统，该系统是一套具有尺度不变性的平面外形视觉识别引擎。
它首先对目标图像提取边缘链码特征，然后进行高效的由粗到细的识别计算，最后通过比较目标外形轮廓片断，进行匹配识别。
这使得该系统的识别算法更具鲁棒性。
90年代，美国俄克拉何马州立大学使用新的模糊神经网络模型开发了用于模糊目标识别的视觉系统。
该系统采用了一种被称作FUZMAP的模糊神经网络模型，处理那些来自机器视觉系统的、带有不确定因素的训练样本数据。
这些数据首先通过一定的变换被传送给模糊集，然后作为输入向量进入FUZMAP。
对于模糊目标在所获取的图像中具有随机位置和随机角度的情况，该系统能够达到很好的识别精度。
对于相同的分类识别问题，这种FUZMAP模型比传统的ART模型具有更高的准确性和优越性。
近年来，国内的相关研究人员在机器视觉分类识别领域也取得了较好的成绩，在不同程度上推动了我国该领域研究的发展。
其中，比较典型的应用实例有：
哈尔滨理工大学研制开发的基于BP神经网络的视觉检查系统、西安科技大学研制开发的煤岩石在线识别与自动分选系统、云南大理卷烟厂研制开发的卷烟机接装纸在线识别系统、天津科技大学研制开发的机器视觉玻壳分类计数与数据管理系统等。
但总的来说，国内对于该领域的研究尚未形成规模，大多都还没有转化为成熟的科技产品，2005年，哈尔滨理工大学的研究人员提出利用改进的BP神经网络模型解决视觉检查系统的在线识别问题，该方法适用于工业零件或商品的分类识别。
它通过传感器采集目标图像，提取图像中基于目标形状的某些特征（如直方图特征、面积、周长、分散度、伸长度等），并将这些特征以向量方式输入己经训练好的神经网络，最终实现目标的分类识别。
他们提出的改进型人工神经网络模型与传统的BP神经网络模型相比，有效地降低了陷入局部极小点的可能性，提高了网络收敛与识别的速度。
2003年，西安科技大学研制出了用于煤岩石在线识别与自动分选的机器视觉系统。
该系统在对煤岩石特征进行深入分析的基础上，利用图像处理方法和模式识别理论对煤岩石进行在线识别与分选，有效地避免了传统分选方法生产效率低、劳动强度大、容易造成环境污染等缺陷。
2003年，云南大理卷烟厂针对卷烟机上出现的接装纸换错牌号问题，研制开发了卷烟机接装纸在线识别系统。
该系统采用在线视觉成像技术对接装纸进行在线图像检测，并采用1台PLC控制视觉传感器以及实现与卷烟机控制系统的信息通讯。
该系统的应用有效地避免了卷烟机接装纸错牌现象，保证了卷烟产品的质量。
1.3玉米自动分拣装置的设计内容
玉米自动分拣装置的任务是满足现代化生产的需要，对速冻玉米传统手工分拣加工方式进行现代化改革，彻底改变生产效率低、卫生质量差、质量难以保证等弊端。
本设计主要是用PAC作为下位机与CCD摄像头设备相连接，对伺服电动机通过Device总线进行控制，同时用组态软件在计算机上建立人机界面，作为上位机，对玉米自动分拣装置现场设备的状况进行监控，实时的监测现场设备的运行情况，在非正常运行时及时发出报警信息。
玉米自动分拣装置采用控制柜集中操作,用PAC程控方式完成系统的顺序控制和条件联锁,既向操作人员提供全部操作控制,又可在系统运行时进行监视报警和自动跳机保护,集连锁控制和安全保护于一体。
预计实现目标：
（1）经过系统联调，分拣正确率达到100%；
（2）玉米的分拣速度每分钟大于30穗；
（3）传送带速度：
0～100m/min；
（4）将玉米按其长度、直径分为4类；
（5）能实现自动循环和手工操作功能；
（6）故障报警显示。
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2玉米分拣装置总体方案设计
2.1玉米自动分拣装置系统说明
玉米分拣是速冻玉米生产的重要组成部分，分类过程可以过滤不合格玉米，正确的分类也为后续包装过程提供便利，并且卫生健康的分拣过程也会为消费者健康饮食提供保障。
在本系统设计中，主要以功能模块化的结构形式来实现系统总体功能。
根据不同的功能，系统主要划分为4大功能模块：
机械部分（传送带、摄像头、传感器、推杆装置、电机和减速机）、图像识别部分、运动控制部分、IFIX监控部分。
系统的总体方案框图如图2-1，具体动作步骤如图2-2。
图2-1总体方案框图
图2-2玉米分拣装置动作步骤
本系统通过电机带动传送带使玉米运动，通过第二个光电传感器时检测玉米到达摄像头前，向摄像头发出拍照指令，摄像头对玉米进行拍照，然后通过图形处理分辨玉米的长度，传递分类信号给PAC，由PAC发出一个控制命令给伺服电机，当玉米运动到相应推杆时，推杆前的光电传感器发出信号给PAC，PAC发出第二个控制命令控制伺服电动机带动推杆将玉米推出。
2.2系统格式
机构设计
玉米自动分拣装置机构部分主要由传送带、摄像头支架和推杆部分组成。
如图2-3为玉米自动分拣装置整体设计三维模型图。
图2-3玉米分拣装置整体设计三维模型图
系统的传送部分采用的是采用的是带式输送机。
带式输送机是连续运输机的一种，连续运输机是固定式或运移式起重运输机中主要类型之一，其运输特点是形成装载点到装载点之间的连续物料流，靠连续物料流的整体运动来完成物流从装载点到卸载点的输送。
在工业、农业、交通等各企业中，连续运输机是生产过程中组成有节奏的流水作业运输线不可缺少的组成部分，也是本设计中不可缺少的重要组成部分。
推杆部分用的是连杆机构，平面连杆机构具有以下传动特点：
a.连杆机构中构件间以低副相连，低副两元素为面接触，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而可用来传递较大的动力。
又由于低副元素的几何形状比较简单（如平面，圆柱面），故容易加工。
b.构件运动形式具有多样性。
连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆，又有作平面一般运动的连杆，作往复直线移动的滑块等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动，这在工程实际中具有重要价值。
c.在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对尺寸，就可以使从动件实现不同的运动规律和运动要求。
d.连杆曲线具有多样性。
连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限扩展的一个平面，该平面称为连杆平面。
在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的各点，将描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称为连杆曲线。
e.在连杆机构的运动过程中，一些构件（如连杆）的质心在作变速运动，由此产生的惯性力不好平衡，因而会增加机构的动载荷，使机构产生强迫振动。
所以连杆机构一般不适于用在高速场合。
f.连杆机构中运动的传递要经过中间构件，而各构件的尺寸不可能做得绝对准确，再加上运动副间的间隙，故运动传递的累积误差比较大。
如图2-4为推杆部分实物图。
图2-4推杆部分实物图
3玉米自动分拣装置硬件设计
3.1上位机的选择
通过上位机实现的功能和工作的环境决定选择品牌机即可，不用选择工控机。
其功能是上位机通过IFIX组态软件能够显示玉米分拣的信息，具体菜单包括系统登陆、控制画面、查询记录、统计报表、退出系统等。
但本系统中上位机作为系统的主站，要求有比较高的可靠性和连续运行时间。
因此，选用品牌机作为上位机，质量过关、接口齐全，内存大，价格也适中。
3.2下位机PAC的选择
PAC的瞩目之处在于模块化的设计和架构，同样使用开放式的架构提供扩展性和设备及商用系统的互联性。
特别的是，PAC冠以高效处理及I/O扫描的特点，并以多种方式使其能够融入企业的商用系统。
PAC的一个优势在于编程时集成硬件和软件：
集成开发环境（IDE）用于对PAC编程包括所有开发工具均能识别的通用标记名数据库。
PAC使用一个软件包而不是来自不同厂商的多个软件包来解决现有及将来可能的自动化需求。
PAC的另一个优势是控制系统的升级非常简单。
模块化的处理器硬件轻松替换，无需拔下传感器和激励的接线。
由于其小巧的尺寸，一个PAC能为机柜节省宝贵的空间。
PAC拥有现代化的网络和通信能力，还能实时的获取信息。
这反过来使得数据收集更准确和及时，因此更有商业使用的价值。
至于价格上，PAC能够提供多种经济方面的优势：
（1）.由于硬件的费用较低，开发和集成所花时间更少，所以控制系统的总成本降低。
购买PAC的价格往往比在PLC上增加类似的功能更为经济。
（2）.由于自动化系统的应用范围（也称为其专业知识）的延伸，PAC在资产收益率，降低生命周期成本，降低总拥有成本（TCO）等方面都有提高。
（3）.现金流动得到改善：
添加I/O作为单独的模块意味着在初始的开发阶段只需要最少数量的模块，剩下的模块到项目结束前再添加。
PACSystems™RX3i控制器是可编程自动化控制器（PACs）中PACSystems家族的一员。
和PACSystems家族的其他成员一样，RX3i具备单一的控制引擎和通用的编程环境使其能灵活的应用于多种硬件平台上.。
PACSystemsRX3i性能
高速处理器和更快吞吐量的专利技术。
一个通用的背板可以在一个模块插槽上支持两种不同的背板总线。
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