摘要 本文介紹測(cè)量光幕于水果分級(jí)設(shè)備中的應(yīng)用，提出一種新型的水果分級(jí)方法，分析設(shè)備工作原理、主要技術(shù)性能和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 測(cè)量光幕；水果；分級(jí)；設(shè)計(jì) 1 水果分級(jí)技術(shù)概述 新鮮水果進(jìn)行分級(jí)處理，主要的作用是使同類(lèi)檔次的產(chǎn)品規(guī)格一致，便于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立或集合包裝，使包裝產(chǎn)品以統(tǒng)一的高品質(zhì)的外觀進(jìn)入超市，吸引消費(fèi)者的注意，提升消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)欲望。 水果分級(jí)形式包括有體積分級(jí)和重量分級(jí)兩大類(lèi)，由于分級(jí)的目的主要為統(tǒng)一產(chǎn)品外觀規(guī)格，以便包裝和提升銷(xiāo)售檔次，因此以體積分級(jí)應(yīng)用最廣泛。傳統(tǒng)的體積分級(jí)設(shè)備有滾筒式分級(jí)機(jī)、三輥筒式分級(jí)機(jī)和帶式分級(jí)機(jī)等，其原理大同小異，均利用若干級(jí)別尺寸的孔框或縫隙進(jìn)行篩選，當(dāng)物料的外形稍小于孔隙時(shí)，可依靠其本身重力穿過(guò)或跌落輸出，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)。 孔隙式篩選分級(jí)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的形式，不但生產(chǎn)效率較高，而且可設(shè)置多個(gè)級(jí)別。但這種分級(jí)形式存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在：（1）物料全程機(jī)械式翻轉(zhuǎn)篩分，難免造成鮮果表皮碰傷、擦傷及壓傷；（2）分級(jí)精度不高，級(jí)差不可設(shè)置過(guò)小，一般不小于5mm。（3）容易出現(xiàn)大小“串級(jí)”的混亂現(xiàn)象；（4）適應(yīng)性較差，只對(duì)近圓形、硬皮類(lèi)水果，如柑桔等適用性較好，而對(duì)于蘋(píng)果、梨、桃、柿、芒果等表皮薄弱的水果須慎用。 有鑒于此，筆者經(jīng)深入研究，運(yùn)用光幕測(cè)量技術(shù)，構(gòu)思一種創(chuàng)新的體積分級(jí)形式，設(shè)計(jì)新型的水果分級(jí)選別設(shè)備，于機(jī)上實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)的單個(gè)辨別分級(jí)。這種分級(jí)技術(shù)特別適應(yīng)外形不勻稱(chēng)的鮮果分級(jí)，較之傳統(tǒng)的孔徑分級(jí)方式，是一個(gè)質(zhì)的飛躍，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了非接觸式的分級(jí)形式，根本杜絕了孔框傷果的缺點(diǎn)，而且精確、高速。 2 光幕測(cè)量原理 光電傳感器是一種感應(yīng)其接收的光強(qiáng)度變化的電子器件，包含光學(xué)系統(tǒng)、放大器和開(kāi)關(guān)量輸出裝置。所有光電傳感器都使用調(diào)制光以排除周?chē)庠纯赡艿挠绊?，工作時(shí)，光電傳感器發(fā)射光線，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)模式的不同，物體或吸收光線或?qū)⒐饩€反射到光電傳感器的收光器，從而導(dǎo)致收光器接收的光線強(qiáng)度產(chǎn)生變化，其變化值觸發(fā)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。 測(cè)量用光幕是一種特殊的光電傳感器，與普通的對(duì)射式光電傳感器一樣，包含相互分離且相對(duì)放置的發(fā)射器和收光器兩部分，但其外形尺寸較大，為長(zhǎng)管狀。測(cè)量光幕發(fā)射器產(chǎn)生的檢測(cè)光線并非如普通傳感器般只有一束，而是沿長(zhǎng)度方向定間距生成光線陣列，形成一個(gè)“光幕”，以一種掃描的方式，配合控制器及其軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和測(cè)量物體外形尺寸的功能。 光幕測(cè)量系統(tǒng)要正常工作需配備一個(gè)控制器，控制器使用軟件進(jìn)行編程設(shè)定，可提供多種掃描模式和檢測(cè)分析模式，而且可通過(guò)串行接口與PLC或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，傳遞控制或掃描結(jié)果，另外還可接入觸發(fā)信號(hào)控制掃描過(guò)程。 2.1光幕掃描模式 常用的光幕掃描模式有兩種，分別為直線掃描模式和交叉掃描模式，前者是最常用和最簡(jiǎn)單的掃描模式，發(fā)射器連續(xù)生成定間距的光線陣列，依次由始至終平行排列，并由收光器對(duì)應(yīng)一一接收。 交叉掃描模式在直線掃描光線間交錯(cuò)排列有傾斜光線。第一束傾斜掃描光線于發(fā)射器第二通道和收光器第一通道之間建立；第二束傾斜掃描光線于發(fā)射器第三通道和收光器第二通道之間建立。依此類(lèi)推，直到最后一束傾斜掃描光線于發(fā)射器最后通道和收光器終點(diǎn)前一通道間建立。發(fā)射器最后通道在發(fā)射傾斜光線后再次被激活，發(fā)射直線光線至收光器最后通道，從而完成整個(gè)掃描過(guò)程。采用交叉掃描模式可提高光學(xué)分辨率，在檢測(cè)區(qū)域中間1/3部分的精度最高，最小檢測(cè)物體尺寸可縮小為直線掃描時(shí)的2/3。 2.2光幕檢測(cè)分析模式 光幕檢測(cè)分析模式有多種設(shè)置，最常用的有兩種，分別為“首尾光線阻擋模式”和“首尾光線透射模式”。 首尾光線阻擋模式當(dāng)物體進(jìn)入光幕區(qū)域時(shí)，阻擋光線，通過(guò)控制器識(shí)別被阻擋的首束光線的編號(hào)，然后依次由下往上計(jì)算被阻光線總數(shù)，直到最后被阻擋光線為止，累加數(shù)值，從而得出物體的被測(cè)方向尺寸。 首尾光線透射模式當(dāng)物體進(jìn)入光幕區(qū)域時(shí)，控制器識(shí)別透射光線，由首束透射光線計(jì)算，依次累加數(shù)值，直到最后透射光線為止，計(jì)算透射光線總數(shù)，從而得出物體的被測(cè)方向尺寸。 3分級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì) 由以上分析可知，測(cè)量光幕可提供一種理想的可靠的檢測(cè)模式，對(duì)于被檢物體的外形尺寸可實(shí)現(xiàn)非接觸式的自動(dòng)測(cè)量。因此，把這一技術(shù)應(yīng)用于水果分級(jí)設(shè)備將產(chǎn)生機(jī)械式分級(jí)難以比擬的理想效果。 筆者設(shè)計(jì)的應(yīng)用光幕測(cè)量技術(shù)的水果分級(jí)設(shè)備主要由三部分組成，包括核心部分的光幕測(cè)量分級(jí)裝置、前段水果整理排列裝置和后段自動(dòng)選別機(jī)構(gòu)。 3.1光幕測(cè)量分級(jí)裝置 常見(jiàn)水果的外形尺寸并不大，小的如李子、荔枝、龍眼等，較大的如蘋(píng)果、梨、橙等，其外徑尺寸一般處于20～100mm之間。顯而易見(jiàn)，外形越小的水果，其級(jí)差要求越小，以前述小水果為例，其相近級(jí)別一般只相差2～3mm。因此，適用于水果分級(jí)的測(cè)量光幕要求是小尺寸、高精度。 本設(shè)備采用的高精度測(cè)量光幕，其發(fā)射及收光感應(yīng)段長(zhǎng)度均為163mm（6.4”），可生成掃描光線總數(shù)為64束，光線間距2.5mm（0.1”）。采用直線掃描時(shí)檢測(cè)物體最小尺寸為2.5mm，而交叉掃描時(shí)檢測(cè)物體尺寸可小至1.7mm，可實(shí)現(xiàn)級(jí)差為1.7～2.5mm的辨別，因此對(duì)于大多數(shù)的水果分級(jí)均適用。 被檢水果進(jìn)入光幕區(qū)域前，已經(jīng)被排列成整齊的單個(gè)隊(duì)列，由輸送帶帶動(dòng)依次行進(jìn)。 輸送帶可采用平皮帶，材質(zhì)以符合食品衛(wèi)生要求的聚乙烯PE、聚胺酯PU、硅膠SI等較為理想，其底下以光滑托板支承，確保平皮帶平直而不下垂。由于平皮帶表面平整而富于彈性，與被輸送的水果柔性接觸，能起到緩沖和保護(hù)的作用。 測(cè)量光幕的發(fā)射器和收光器對(duì)應(yīng)布置于輸送帶兩側(cè)，1號(hào)掃描光線與輸送帶表面相平。由于水果均為一定形狀的實(shí)體，因此其檢測(cè)分析模式以采用“首尾光線阻擋模式”最為適宜，而且進(jìn)入光幕檢測(cè)范圍的水果都處于同一平面，所以首束阻擋光線均為1號(hào)光線，控制器只需要采集最后阻擋光線號(hào)數(shù)即可分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出水果截面被測(cè)方向的尺寸。 水果在平帶輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)辨別測(cè)量，既無(wú)額外的機(jī)械式作用，也無(wú)落差碰撞等運(yùn)動(dòng)，可根本杜絕分級(jí)過(guò)程傷果現(xiàn)象的發(fā)生。輸送帶上的欄桿可內(nèi)外調(diào)節(jié)間距，以適應(yīng)不同水果的大小，起到限位導(dǎo)向的作用。必須注意，在光幕部位，欄桿應(yīng)留窄逢缺口，以便掃描光線對(duì)射。 由于測(cè)量光幕的發(fā)射器和收光器裝置在輸送帶的兩側(cè)，其光線對(duì)射有一定的距離，這一距離應(yīng)處于傳感器允許的檢測(cè)距離范圍內(nèi)，因此輸送帶的寬度設(shè)計(jì)有一定的限制。測(cè)量光幕的應(yīng)用環(huán)境將影響其長(zhǎng)期工作的可靠性，當(dāng)傳感器處于最大檢測(cè)距離狀態(tài)時(shí)，因?yàn)楣鈱W(xué)透鏡會(huì)被空氣塵埃污染等原因，使接收光線強(qiáng)度減弱而導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，所以應(yīng)根據(jù)所選產(chǎn)品的過(guò)量增益曲線來(lái)確定最佳檢測(cè)距離。所謂過(guò)量增益，是指光電傳感器接收到的光強(qiáng)度超過(guò)啟動(dòng)其放大器所需光能量的強(qiáng)度的量度。過(guò)量增益為1代表啟動(dòng)放大器所需的最小能量；過(guò)量增益為10時(shí)，代表收光器接收的光能量是啟動(dòng)放大器所需能量的10倍。每一型號(hào)的光電傳感器都有一個(gè)相應(yīng)的過(guò)量增益曲線，配合環(huán)境因素而選擇修正系數(shù)，即可估計(jì)出不同條件下最大的可靠檢測(cè)距離。 對(duì)于一些帶枝柄的水果，在進(jìn)入光幕測(cè)量區(qū)時(shí)，向上的枝柄同樣會(huì)觸發(fā)光電信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確。為此，針對(duì)這類(lèi)水果，必須在進(jìn)入光幕測(cè)量區(qū)前加以整理，使每一個(gè)體均處于相同的有利于測(cè)量的狀態(tài)運(yùn)行。以蘋(píng)果檢測(cè)為例，于測(cè)量區(qū)配置兩條并列的輸送帶，相互間留有一定的間隙，整理后的蘋(píng)果承托于兩平皮帶之間運(yùn)行，柄朝下卡入皮帶間隙，因此通過(guò)光幕測(cè)量時(shí)避免了柄的干擾，測(cè)量值均為同一部位相同方向的尺寸，使檢測(cè)更為準(zhǔn)確可靠。 3.2整理排列裝置 整理排列裝置處于光幕測(cè)量分級(jí)裝置之前，其作用是將雜亂無(wú)章的水果整理成整齊的單個(gè)列隊(duì)，使水果以一定的間距依次進(jìn)入光幕測(cè)量區(qū)，這對(duì)確保精確測(cè)量非常重要。對(duì)于不同的水果，裝置的設(shè)計(jì)有所不同，必須根據(jù)水果的形態(tài)特征作針對(duì)性的設(shè)計(jì)?？傮w上，可采用一些相互配合的機(jī)械輸送裝置引導(dǎo)水果運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到目的，例如水平或傾斜布置的輸送帶、梳理?yè)醢?、離心轉(zhuǎn)盤(pán)、導(dǎo)向滑槽等，在此不一一贅述。 3.3選別機(jī)構(gòu) 選別機(jī)構(gòu)緊接測(cè)量光幕安裝，接受測(cè)量信號(hào)而動(dòng)作。被檢水果通過(guò)測(cè)量光幕時(shí)，觸發(fā)光電信號(hào)，經(jīng)控制器計(jì)算數(shù)值，與設(shè)定分級(jí)尺寸比較后發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)選別機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將水果送入合適的級(jí)別行列。 4結(jié)語(yǔ) 綜上所述，應(yīng)用光幕測(cè)量技術(shù)的水果分級(jí)設(shè)備具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，適用廣泛，調(diào)整靈活，既可杜絕機(jī)械分級(jí)易造成傷果現(xiàn)象的發(fā)生，又能實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)的精確測(cè)量和選別。筆者以剪枝后的荔枝作實(shí)驗(yàn)，采用光幕測(cè)量加噴氣式選別，分級(jí)級(jí)別為3級(jí)，級(jí)差設(shè)定2.5mm，運(yùn)行速率為180個(gè)/分鐘，結(jié)果顯示測(cè)量和選別均處于穩(wěn)定狀態(tài)。 本文圖例只配置一套測(cè)量光幕，檢測(cè)物體的一維尺寸。作為設(shè)計(jì)選擇，可配置三套測(cè)量光幕，通過(guò)合理的組裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體三維尺寸的采集和運(yùn)算，但須考慮其必要性，否則只會(huì)加重系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，因而降低工作效率。對(duì)于大多數(shù)水果，只要是同品種，其外形特征均相近，而且通過(guò)整理排列可保持相同狀態(tài)進(jìn)入測(cè)量區(qū)，因此，只需檢測(cè)其一維尺寸即可達(dá)到理想的分級(jí)效果。 本文作者：張聰，36歲，男，1989年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)為廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所（廣東省包裝食品機(jī)械研究所）高級(jí)工程師，另任機(jī)械工業(yè)包裝食品機(jī)械專(zhuān)家委員會(huì)委員，主要從事食品和包裝機(jī)械的研究開(kāi)發(fā)。已承擔(dān)的課題包括：系列天然果蔬汁飲料生產(chǎn)線的研制、荔枝果酒生產(chǎn)線的研制、肉制品生產(chǎn)線的研制以及真空包裝機(jī)、全自動(dòng)熱成型包裝機(jī)和果蔬分級(jí)包裝生產(chǎn)線等項(xiàng)目的研制。已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文十多篇，出版有著作《自動(dòng)化食品包裝機(jī)》。