顏色分選下的建筑廢料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：進(jìn)入數(shù)據(jù)化時(shí)代以后，“智”造業(yè)成為了關(guān)鍵詞性的技術(shù)支撐，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分揀、焊接、涂裝、拆卸等各個(gè)方面，逐漸成為了制造系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中不可缺少的核心部件。隨著當(dāng)今建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑廢料也與日增多，同時(shí)也加強(qiáng)了分揀回收量。因此，為了減輕建筑廢料分揀任務(wù)量，有效增加分揀效率，本文針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有問題，根據(jù)建筑廢料中廢料顏色不一的區(qū)別，對(duì)建筑廢料分揀過程進(jìn)行重新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以建筑廢料呈像后顏色的差異，對(duì)相對(duì)應(yīng)的像素RGB數(shù)值區(qū)間為分揀依據(jù)，采用雙線陣彩色CCD來對(duì)建筑廢料的進(jìn)行成像。最后通過控制機(jī)械臂完成建筑廢料的自動(dòng)分揀。
關(guān)鍵詞：建筑廢料；彩色線陣CCD；RGB
1概述
伴隨當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，我國已經(jīng)逐漸進(jìn)入到了數(shù)字信息化智能時(shí)代，在社會(huì)生活中的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，使各行業(yè)技術(shù)都得到了提升。在建筑領(lǐng)域，建筑廢料隨著生活質(zhì)量的提升，數(shù)量和種類也逐漸增加。尤其是在拆舊建新的過程中，伴隨著大量的建筑廢料產(chǎn)生。對(duì)建筑廢料的有效分揀勢(shì)在必行，不僅要提升廢料分揀效率，更要提升分揀的準(zhǔn)確率。傳統(tǒng)的人工分揀人工或傳感器識(shí)別已經(jīng)無法滿足當(dāng)今建筑廢料分揀數(shù)量，而且由于技術(shù)落后，其處理的方式也大多為直接填埋或者當(dāng)作路基使用，這樣不僅占用大量的土地資源，消耗運(yùn)籌建設(shè)經(jīng)費(fèi)，還污染環(huán)境。因此，本文通過對(duì)建筑廢料進(jìn)行成像后，對(duì)其像素RGB數(shù)值進(jìn)行有效區(qū)分，并且使用雙線陣彩色CCD進(jìn)行成像，最后通過機(jī)械臂完成建筑廢料的分揀。整個(gè)過程依據(jù)顏色識(shí)別的建筑廢料分選系統(tǒng)，主要完成對(duì)建筑廢料中青磚、紅磚、混凝土塊等進(jìn)行分選。這種通過工業(yè)相機(jī)識(shí)別進(jìn)行有效分揀的系統(tǒng)，大大提高了建筑廢物分揀速度和效率，提升了分揀的準(zhǔn)確性，節(jié)省了時(shí)間成本、人工成本以及空間存儲(chǔ)成本，同時(shí)也減輕了對(duì)環(huán)境的污染，可以進(jìn)行大范圍試用和推廣。
2建筑廢料分類
隨著我國城鎮(zhèn)化加劇，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)不斷加大，我國產(chǎn)生的垃圾廢物也與日激增，每年生產(chǎn)的建筑垃圾大概有15-20億噸。大量的建筑垃圾不僅污染周圍環(huán)境，也會(huì)造成一定的資源損失。建筑廢料的分類是根據(jù)《城市建筑垃圾和工程渣土管理規(guī)定(修訂稿)》所分類的，其中建筑廢料指的是建設(shè)、施工單位對(duì)各種建筑物、構(gòu)筑物在建設(shè)、拆遷、維修以及居民裝飾、裝修時(shí)所產(chǎn)生的余泥、余渣及其他垃圾。如果根據(jù)廢料來源進(jìn)行分類，建筑廢料可以分成土地挖掘、道路挖掘、建筑物拆除、建筑施工以及建材廢料五類，而這五類主要由渣土、碎石塊、泥沙漿、碎石塊、廢舊塑料、金屬廢料以及竹木廢料等形成。根據(jù)建筑廢料的分類，可以依據(jù)不同垃圾廢料的用處，對(duì)建筑廢料進(jìn)行二次回收利用，提高廢舊資源的利用率。目前，根據(jù)顏色差異對(duì)建筑廢料進(jìn)行重新劃分、再利用的技術(shù)，在歐美國家已經(jīng)較為成熟，在中國還處于探索階段，垃圾廢料再利用率較低。
3顏色分選原理
建筑廢料的回收利用一般情況下，要對(duì)燒紙的磚、石進(jìn)行一定程度的分離，以生產(chǎn)二次利用的磚石與混凝土原料。傳統(tǒng)技術(shù)中的分揀設(shè)備早已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需要，燒治的磚、石塊也無法做到準(zhǔn)確分離，影響再利用質(zhì)量。針對(duì)現(xiàn)有分揀難題，利用現(xiàn)代技術(shù)手段，可以通過圖片顏色的識(shí)別來進(jìn)行建筑廢物的分揀，以達(dá)到廢舊物再利用的目的。顏色分選主要是利用建筑垃圾的顯示顏色差異，在基于物體表面差異的基礎(chǔ)之上，采用分選系統(tǒng)來識(shí)別不同顏色進(jìn)行劃分。本篇文章所述的建筑廢料分選系統(tǒng)的基本工作原理是通過雙線陣CCD攝像機(jī)攝像，獲取建筑廢料的在傳送帶上一定速度下的圖像，然后將獲取的圖像通過高速圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，接著利用計(jì)算機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過算法自動(dòng)識(shí)別圖像中建筑廢料的RGB的值，之后進(jìn)行建筑廢料的匹配和建筑廢料種類的識(shí)別，將獲取到的建筑廢料的位置信息輸入到運(yùn)動(dòng)控制芯片中，由動(dòng)控制芯片發(fā)送控制信息來指揮機(jī)械臂的移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑廢料的抓取。最后將抓取到的建筑廢料放入到對(duì)應(yīng)的存放點(diǎn)，分揀工作完成。建筑廢料的顏色識(shí)別分選過程是，在進(jìn)料斗中的建筑廢料進(jìn)入破碎機(jī)之前，先對(duì)建筑廢料進(jìn)行簡單處理，主要是將混凝土與鋼筋進(jìn)行初步的分離。接著將含有磚塊、混凝土塊、碎石塊、泥沙漿等建筑廢料送到破碎機(jī)處理，需要將建筑廢料破碎成直徑大約為10cm的塊狀物體，利用機(jī)器傳送帶將這些塊狀廢料通過光箱內(nèi)的透明背景區(qū)。廢料在接收到光源的照射后，采用兩套彩色線陣CCD拍攝圖片，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)處理，通過計(jì)算機(jī)將控制參數(shù)輸送給控制運(yùn)動(dòng)的芯片，由控制運(yùn)動(dòng)芯片控制機(jī)械臂，把磚塊主要是紅磚、青磚、混凝土塊、碎石塊、泥沙漿等建筑廢料進(jìn)行分離，最后將分離后的廢料通過四個(gè)傳送帶送入四個(gè)不同的料箱中，從而分選完成。工作流程圖如圖1所示。
4建筑廢料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)
建筑廢料分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系主要是由四個(gè)模塊組成，這四個(gè)模塊呈線型分布，是“一條龍”控制模式，主要包括供料系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和分選系統(tǒng)。
4.1供料系統(tǒng)
供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要用于對(duì)建筑廢料的整理，一方面使建筑廢料在傳送帶上能夠做到不重疊不遮擋，另一方面使建筑廢料保持穩(wěn)定的傳動(dòng)速和相對(duì)穩(wěn)定的個(gè)體姿態(tài)，從而保證建筑廢料通過光學(xué)系統(tǒng)的觀察區(qū)能夠逐個(gè)被識(shí)別檢測(cè)，該系統(tǒng)主要由供料站、破碎機(jī)、振動(dòng)喂料器等組成。在對(duì)建筑廢料分揀前，需要對(duì)建筑廢料進(jìn)行初步分離，初步分離主要是針對(duì)混凝土和鋼筋，當(dāng)初步分離完成后，將建筑廢料通過破碎機(jī)進(jìn)行處理，考慮到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)性的要求，后面分選系統(tǒng)采用的是型號(hào)為VS-6677GM-B的機(jī)械臂，因此將建筑廢料破碎成直徑大約為10cm的塊狀物體，接著通過震動(dòng)喂料器將經(jīng)過破碎處理的廢料移到傳送帶，利用傳送帶將廢料重送至光學(xué)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。最終，供料系統(tǒng)需要完成下列幾個(gè)任務(wù)：（1）破碎，保證建筑廢料達(dá)到合適的大小，既能方便識(shí)別也能方便分揀；（2）排隊(duì)，保證建筑廢料在傳送帶上不重疊不遮擋，有順序的進(jìn)入到光學(xué)系統(tǒng)；（3）勻速，保證建筑廢料到達(dá)后面的系統(tǒng)保持一個(gè)穩(wěn)定的速度，使其到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和分選點(diǎn)的時(shí)候能夠被準(zhǔn)確的識(shí)別和分選。
4.2光學(xué)系統(tǒng)
光學(xué)系統(tǒng)的作用是用來對(duì)建筑廢料進(jìn)行觀察，用來獲取傳送帶上建筑廢料的顏色信息和位置信息。本系統(tǒng)采用兩個(gè)彩色線陣CCD工業(yè)相機(jī)、光源、背景板、以及清潔器組成。線陣CCD擁有著比面陣CCD結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍廣等優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)中采用的顏色線陣CCD工業(yè)相機(jī)是采用的是分光棱鏡的方法，在棱鏡后對(duì)應(yīng)三片CCD傳感器，分別來對(duì)應(yīng)光線的三原色：紅、綠、藍(lán)，通過顏色線陣CCD相機(jī)將采集的圖像結(jié)合計(jì)算機(jī)完成建筑廢料的顏色識(shí)別。為了在識(shí)別過程中減小系統(tǒng)硬件帶來的干擾，將光源和背景板均選用白色。采用雙線陣彩色CCD的作用如下：（1）相比于單線陣CCD能夠獲取更多的數(shù)據(jù)，得到更準(zhǔn)確無誤的建筑廢料的顏色信息；（2）能夠利用雙目視覺的特點(diǎn)，測(cè)量傳送帶上建筑廢料的位置信息，確保獲得的分選信息準(zhǔn)確無誤。光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2。
4.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制是貫穿整個(gè)建筑廢料分揀系統(tǒng)的，是各個(gè)模塊的鏈接環(huán)，也是整個(gè)分選系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是對(duì)控制器的選擇，主要包括PLC、PC加運(yùn)動(dòng)控制器以及專用的控制器，可以根據(jù)建筑環(huán)境盡心特征性選擇。其次，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還有選擇滿足作業(yè)要求負(fù)荷的電機(jī)，對(duì)選型電機(jī)進(jìn)行一定次數(shù)的試驗(yàn)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的要求就是具有良好的作業(yè)性能，能夠有效調(diào)節(jié)各個(gè)子系統(tǒng)，優(yōu)選最佳的工作條件，選個(gè)控制算法以及人機(jī)界面，這些是其核心要素，缺一不可。
4.4分選系統(tǒng)
分選系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，他的主要作用是將建筑廢料根據(jù)不同顏色分開。分選裝置采用的是Denso機(jī)械臂VS-6677GM-B，如圖3所示。VS-6677GM-B型機(jī)械臂擁有6自由度，臂全長770mm，最大的工作范圍為R=934mm（工具安裝表面）、R=854mm（P點(diǎn)：J4、J5、J6），最大可搬運(yùn)質(zhì)量7kg。若搬運(yùn)的物料超過6kg時(shí)，需要以法蘭面朝下±45o的姿勢(shì)使用。
參考文獻(xiàn)
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作者：尹恒軍 楊寧 代作曉 張鵬 單位：上海電力大學(xué)