摘 要

苹果是我们平时生活中常见的一种水果，它营养丰富，一直以来都备受消费者喜爱，但是因为苹果的品类多种多样、口感有酸有甜、大小参差不齐、色泽和果形也均存在差异，导致市场上的苹果的品质等级众多。因此设计一个操作简单又实用的小型苹果分拣机是非常有必要的。

本文通过对已有的苹果分拣设备的分析研究，在对比了现代机器视觉分拣法和传统机械分级方法、几种传统的机械分拣方法之间的优缺点后，选择辊带式分级装置为设计原型，改进原有结构，以苹果的分拣为例，设计了一台适用于小规模生产的苹果分级装置，该装置通过调节锥辊的上下位置，可以改变分级间隙，从而用于不同大小的其他品类的球形果的分拣。

关键词：苹果分拣；辊带式；大小分级

Abstract

Apple is a kind of fruit that we often see in our daily life. It is nutritious and has always been highly favored by consumers. However, due to the differences in the variety, taste, size, color, and shape of apples, there are many categories on the market. Therefore, it is necessary to design a small apple sorting machine which is simple and practical.

In this paper, after analyzing some kinds of apple sorting system, I compared the advantages and disadvantages of the modern machine vision sorting method, the traditional mechanical classification method and several traditional mechanical sorting methods, finally, I choose the roller belt grading device as the basis, improved the structure of the machine. Using apple sorting as an example, a spherical fruit grading device was designed,which is suitable for small-scale production. This device can be used to sort different sizes of spherical fruit by changing the grading gap, which can be realized by adjusting the position of the Tapered roller.

Key words: apple sorting；roller belt；size grading

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.3研究内容及技术路线 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2技术路线 5

1.4本章小结 6

第2章　苹果的分拣装置 7

2.1基于机器视觉的苹果分级装置 7

2.2机械式大小分级装置 7

2.2.1有孔带式分级装置 8

2.2.2滚筒式分级装置 8

2.2.3双辊式分级装置 9

2.2.4螺杆分级装置 10

2.2.5辊带式大小分级装置 11

2.3本章小结 11

第3章　辊带式苹果大小分级机 13

3.1供果装置设计 13

3.1.1水平输送带设计 13

3.1.2输送带挡板设计 15

3.1.3过渡跳板设计 16

3.2分级装置设计 17

3.2.1锥辊设计 17

3.2.2锥辊调节机构设计 24

3.2.3倾斜分级挡板设计 26

3.3出果装置设计 27

3.3.1出果轨道设计 27

3.3.2果箱设计 28

3.3.3缓冲毛刷辊设计 29

3.4本章小结 30

第4章　虚拟样机装配和关键零件强度的校核 31

4.1虚拟样机装配 31

4.2关键零件的校核 31

4.3本章小结 34

第5章　结论 35

5.1总结 35

5.2展望 36

参考文献 37

致谢 38

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

苹果作为市场上很常见的一种水果，不仅在我国水果市场上占有很大比例，在国际水果市场上也占有相当大的比重。现代农业技术的迅速发展和物流运输行业的技术跟进，使得市场上的苹果种类越来越多，我们在超市里看到的不再是单一的儿时记忆里的“红苹果”，而是不同颜色、不同大小、不同口味的很多种。至今在市场上销售的主要是以下几个品种：红富士、嘎拉新嘎拉（皇家嘎拉）、桑萨（珊夏）、红将军、津轻、金冠（金帅、黄香蕉）、红星（蛇果）、红玉 、乔纳金、澳洲青苹等，其中有较大一部分品种是从国外进口的。不同品种的苹果具有不同的果皮颜色、果实大小、果肉口感，同一品种的苹果由于种植的地理条件和培育的营养条件不可能完全相同，所以结出的果实也各有差异，这些原因造成市场上的苹果品质等级众多，对苹果进行精确的分级是很有必要的。而我国产量最大的就是红富士，因此选取山东地区种植的红富士作为此次苹果分级机设计的分拣对象。

从苹果的大小、果实颜色、表面有无虫洞和破损等，可以将苹果按照标准分级，红富士苹果品质标准如下：

在色泽分级标准中：按果面着色率将红富士苹果分为4个级别：60%以上为优级；40%-60%为良好级；20%-40%为中级；其余为等外级，等外级不限制。

在果实横径分级标准中：按横径大小将红富士苹果分为3个级别：80mm以上为1级；70mm以上为2级；65mm以上为3级；而在山东省的规定中：75mm以上为优级，70-74mm为1级，65-69mm为2级。

由于选取的是山东省产的苹果作为分级对象，因此采用山东省的横径分级标准来作为分级机中关键部件锥形辊的设计依据。将苹果分为4级：横径75mm以上为1级，70-74mm为2级，65-69mm为3级，64mm以下为4级。

在将苹果送往市场销售以前对苹果进行精确的分级是很有必要的，因为这样不仅可以保证市场上的竞争公平性，保证同一质量级别的苹果大小、颜色、口味最大程度的相近，宋哲等^[1]指出，果品质量均一性差是我国苹果产业存在的主要问题之一，也指出了目前国内苹果产业面临的主要问题也是分类标准化程度低，导致市面上苹果的质量参差不齐。事实上，我国在先进设备方面比起国外还比较欠缺，可以一次性完成苹果清洗、分级、打蜡、装箱等操作的自动化程度很高的生产线设备暂时还比不上国外，国内也只有少数生产商从国外引进的同种设备，对于其他的散户或者无力承担如此高昂投产费用的中小规模的苹果种植户来说，很难有机会接触到那些生产线。所以，如果将能够精确分级的苹果分级设备小型

化、经济化，也是一件很有价值的事情。

1.2国内外研究现状

一直以来，国内外关于苹果分拣的研究课题有很多，其中关于机器视觉技术在水果分级中的应用的相关研究占了绝大部分，关于机械分级技术的研究相对较少。

1.2.1国内研究现状

就国内的研究现状来看，关于机器视觉技术的研究有很多。李庆中^[2]在基于计算机视觉技术的苹果自动化分拣的研究中，得到了合适的图像低层处理的增强算法和平滑算法；提出了一些新的方法来适应苹果分拣的实时性这一特点，具体的方法有基于分型特征的图像边缘检测法，它能够检测图像的边缘，有利于将苹果的边界准确区分出来；还有基于有向分形维数和人工神经网络的识别新方法，它有助于识别苹果的表面缺陷。董腾等^[3]在机器视觉技术的基础上设计了一个水果分拣系统，这个系统由果品输送和图像处理这两部分结构组成，水果输送结构采用PLC控制传送带，启动后会将水果送至图像采集设备下方，图像采集设备也就是CCD工业相机，然后相机在采集图像之后又会将图像传输到用MATLAB编写而成的图像处理软件中，依次对图像进行预处理、边缘检测与特征提取等操作处理，再经过BP神经网络对苹果图像中的缺陷特征进行识别。依靠这种系统分拣苹果可以达到98%的分级精度。卢勇威^[4]也研究了一种基于机器视觉的水果分拣系统，不同于董腾的是，系统的送果阶段不再简单的依靠传送带和称重托盘，而是依靠建立在工业机器人上的机器视觉系统，使用并联机器人作为执行机构，对水果直接进行质量和大小的特征识别，然后可以将水果准确定位并分拣出不同质量级别的水果。肖仁等^[5]从目标跟踪、目标识别和视觉伺服三个模块总结概括了相关的国内外理论研究和机器视觉的应用情况。在他的研究中，详细介绍了几种目标跟踪法，分别是基于对比度分析的目标跟踪法、基于匹配的目标跟踪法、预测跟踪的方法、运动检测的跟踪方法，总结了目标识别模块中一些图像处理操作的基本原理。阐述了基于图像和基于位置的视觉伺服的原理，并对比了这两种视觉伺服的优缺点。钱中华^[6]针对红富士这一品种的苹果的特点，设计了一种基于机器视觉技术的分级系统，这个分级系统的分级速度能达到5个/秒，苹果分级的准确率可以达到88%。

在机器视觉技术在其他类型水果的分级应用方面，国内的研究者也取得了一些新的研究成果。刘民法^[7]设计了一台红枣分拣机，它能将不同大小、不同颜色、形状的红枣进行自动化无损分级。工作过程是先整理后将红枣输送到图像采集设备下方，利用相机采集枣子的图像特征，输入图像处理系统中，该系统分拣鲜枣的识别正确率可以达到98.33%，分拣干枣的正确率可以达到97.14%。机器视觉技术除了在现代化分级技术有重大作用外，在其他一些方面也大有用处。

在机器视觉技术与机器人技术结合的应用问题上，王丹丹等^[8]对苹果采摘机器人视觉系统做了重点研究，通过对视觉系统中仍然存在的问题的分析研究，优化了结构和算法，提升了视觉系统的实时性。谈英^[9]将苹果采摘机器人和苹果的在线自动分级系统结合起来，设计了一种可以将采摘和分级两个处理步骤合并的系统，大大提高了生产率。和常见的基于机器视觉技术的苹果分级设备相比，这种系统是根据苹果的质量和果皮颜色这两个特征对苹果进行分级，系统识别的正确率可达89%以上。

国内在水果的机械法分级技术上的研究相对较少。刘小龙等^[10]介绍了辊带式机械法分级机、对辊式机械法分级机等几种类型的尺寸分级机的工作原理和设备各自的特点。其中辊带式尺寸分级机又可以分为等径和变径两个小类；对辊式尺寸分级机又分按对辊之间相对角度变化、相对高度变化、间隙可变以及多单元等隙这几个小类。杜铮等^[11]设计了一种干壳莲子分级装置，它是利用同平面安装的两根辊轴来实现莲子的分级的，其中一根辊轴是螺杆轴，另外一根是光辊，因为这两者之间的间隙会逐渐变大，所以从莲子在上边移动的时候就可以实现莲子的无级分级。袁巧霞等^[12]研究了三滚筒式银杏分级机的工作原理和特点，得出三滚筒式分级机的分级性能与滚筒体的转速和扩孔系数有关这一结论，最后得到结果：由内层筛至外层筛最佳扩孔系数为1.02、1.03、1.04。

1.2.2国外研究现状

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