顏色分選下的建筑廢料分揀系統(tǒng)設計
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摘要：進入數據化時代以后，“智”造業(yè)成為了關鍵詞性的技術支撐，已經廣泛應用于分揀、焊接、涂裝、拆卸等各個方面，逐漸成為了制造系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)中不可缺少的核心部件。隨著當今建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑廢料也與日增多，同時也加強了分揀回收量。因此，為了減輕建筑廢料分揀任務量，有效增加分揀效率，本文針對當前現有問題，根據建筑廢料中廢料顏色不一的區(qū)別，對建筑廢料分揀過程進行重新的系統(tǒng)設計。以建筑廢料呈像后顏色的差異，對相對應的像素RGB數值區(qū)間為分揀依據，采用雙線陣彩色CCD來對建筑廢料的進行成像。最后通過控制機械臂完成建筑廢料的自動分揀。
關鍵詞：建筑廢料；彩色線陣CCD；RGB
1概述
伴隨當前我國科學技術迅猛發(fā)展，我國已經逐漸進入到了數字信息化智能時代，在社會生活中的各個領域都得到了廣泛的應用，使各行業(yè)技術都得到了提升。在建筑領域，建筑廢料隨著生活質量的提升，數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生。對建筑廢料的有效分揀勢在必行，不僅要提升廢料分揀效率，更要提升分揀的準確率。傳統(tǒng)的人工分揀人工或傳感器識別已經無法滿足當今建筑廢料分揀數量，而且由于技術落后，其處理的方式也大多為直接填埋或者當作路基使用，這樣不僅占用大量的土地資源，消耗運籌建設經費，還污染環(huán)境。因此，本文通過對建筑廢料進行成像后，對其像素RGB數值進行有效區(qū)分，并且使用雙線陣彩色CCD進行成像，最后通過機械臂完成建筑廢料的分揀。整個過程依據顏色識別的建筑廢料分選系統(tǒng)，主要完成對建筑廢料中青磚、紅磚、混凝土塊等進行分選。這種通過工業(yè)相機識別進行有效分揀的系統(tǒng)，大大提高了建筑廢物分揀速度和效率，提升了分揀的準確性，節(jié)省了時間成本、人工成本以及空間存儲成本，同時也減輕了對環(huán)境的污染，可以進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)基礎建設不斷加大，我國產生的垃圾廢物也與日激增，每年生產的建筑垃圾大概有15-20億噸。大量的建筑垃圾不僅污染周圍環(huán)境，也會造成一定的資源損失。建筑廢料的分類是根據《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、施工單位對各種建筑物、構筑物在建設、拆遷、維修以及居民裝飾、裝修時所產生的余泥、余渣及其他垃圾。如果根據廢料來源進行分類，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。根據建筑廢料的分類，可以依據不同垃圾廢料的用處，對建筑廢料進行二次回收利用，提高廢舊資源的利用率。目前，根據顏色差異對建筑廢料進行重新劃分、再利用的技術，在歐美國家已經較為成熟，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，要對燒紙的磚、石進行一定程度的分離，以生產二次利用的磚石與混凝土原料。傳統(tǒng)技術中的分揀設備早已經無法滿足現有需要，燒治的磚、石塊也無法做到準確分離，影響再利用質量。針對現有分揀難題，利用現代技術手段，可以通過圖片顏色的識別來進行建筑廢物的分揀，以達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之上，采用分選系統(tǒng)來識別不同顏色進行劃分。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換成數字量，接著利用計算機將采集到的數據進行處理，通過算法自動識別圖像中建筑廢料的RGB的值，之后進行建筑廢料的匹配和建筑廢料種類的識別，將獲取到的建筑廢料的位置信息輸入到運動控制芯片中，由動控制芯片發(fā)送控制信息來指揮機械臂的移動和實現對建筑廢料的抓取。最后將抓取到的建筑廢料放入到對應的存放點，分揀工作完成。建筑廢料的顏色識別分選過程是，在進料斗中的建筑廢料進入破碎機之前，先對建筑廢料進行簡單處理，主要是將混凝土與鋼筋進行初步的分離。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，利用機器傳送帶將這些塊狀廢料通過光箱內的透明背景區(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，并將采集的數據傳送給計算機處理，通過計算機將控制參數輸送給控制運動的芯片，由控制運動芯片控制機械臂，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行分離，最后將分離后的廢料通過四個傳送帶送入四個不同的料箱中，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)設計
建筑廢料分揀系統(tǒng)的結構體系主要是由四個模塊組成，這四個模塊呈線型分布，是“一條龍”控制模式，主要包括供料系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和分選系統(tǒng)。
4.1供料系統(tǒng)
供料系統(tǒng)的設計主要用于對建筑廢料的整理，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)定的傳動速和相對穩(wěn)定的個體姿態(tài)，從而保證建筑廢料通過光學系統(tǒng)的觀察區(qū)能夠逐個被識別檢測，該系統(tǒng)主要由供料站、破碎機、振動喂料器等組成。在對建筑廢料分揀前，需要對建筑廢料進行初步分離，初步分離主要是針對混凝土和鋼筋，當初步分離完成后，將建筑廢料通過破碎機進行處理，考慮到系統(tǒng)實驗性的要求，后面分選系統(tǒng)采用的是型號為VS-6677GM-B的機械臂，因此將建筑廢料破碎成直徑大約為10cm的塊狀物體，接著通過震動喂料器將經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檢測區(qū)域進行識別檢測。最終，供料系統(tǒng)需要完成下列幾個任務：（1）破碎，保證建筑廢料達到合適的大小，既能方便識別也能方便分揀；（2）排隊，保證建筑廢料在傳送帶上不重疊不遮擋，有順序的進入到光學系統(tǒng)；（3）勻速，保證建筑廢料到達后面的系統(tǒng)保持一個穩(wěn)定的速度，使其到達監(jiān)測點和分選點的時候能夠被準確的識別和分選。
4.2光學系統(tǒng)
光學系統(tǒng)的作用是用來對建筑廢料進行觀察，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)采用兩個彩色線陣CCD工業(yè)相機、光源、背景板、以及清潔器組成。線陣CCD擁有著比面陣CCD結構簡單，成本較低，靈敏度高，動態(tài)范圍廣等優(yōu)勢。本系統(tǒng)中采用的顏色線陣CCD工業(yè)相機是采用的是分光棱鏡的方法，在棱鏡后對應三片CCD傳感器，分別來對應光線的三原色：紅、綠、藍，通過顏色線陣CCD相機將采集的圖像結合計算機完成建筑廢料的顏色識別。為了在識別過程中減小系統(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能夠獲取更多的數據，得到更準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，測量傳送帶上建筑廢料的位置信息，確保獲得的分選信息準確無誤。光學系統(tǒng)的結構如圖2。
4.3運動控制系統(tǒng)
系統(tǒng)中的運動控制是貫穿整個建筑廢料分揀系統(tǒng)的，是各個模塊的鏈接環(huán)，也是整個分選系統(tǒng)的關鍵結構。運動控制系統(tǒng)主要是對控制器的選擇，主要包括PLC、PC加運動控制器以及專用的控制器，可以根據建筑環(huán)境盡心特征性選擇。其次，運動控制系統(tǒng)還有選擇滿足作業(yè)要求負荷的電機，對選型電機進行一定次數的試驗，以保證系統(tǒng)的正常運轉。運動控制系統(tǒng)最基本的要求就是具有良好的作業(yè)性能，能夠有效調節(jié)各個子系統(tǒng)，優(yōu)選最佳的工作條件，選個控制算法以及人機界面，這些是其核心要素，缺一不可。
4.4分選系統(tǒng)
分選系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，他的主要作用是將建筑廢料根據不同顏色分開。分選裝置采用的是Denso機械臂VS-6677GM-B，如圖3所示。VS-6677GM-B型機械臂擁有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：J4、J5、J6），最大可搬運質量7kg。若搬運的物料超過6kg時，需要以法蘭面朝下±45o的姿勢使用。
參考文獻
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作者：尹恒軍 楊寧 代作曉 張鵬 單位：上海電力大學