基于电子检测技术实现莲子分级、剥壳和穿心一体化

　　引言

　　莲子果实是由莲壳、莲仁和莲心组成，主要为椭圆形，经过分级、剥壳及穿心，再经过一系列的加工后形成市场上的莲仁，在国内外市场上具有广阔的前景。但是，莲子在分级、剥壳和穿心的机械化过程中，还未实现莲子的自动化生产，而是分级、剥壳和穿心 3个独立或者是两两结合的机械加工，且无法进行检测，还需大量的劳动人员参与。目前，电子检测在农产品上的应用越来越广泛: 展慧等根据基于 BP 神经网络与板栗图像特征的板栗分级; 程洪等利用机器视觉对多个玉米籽粒胚部特征进行检测，得出该检测方法的可行性; 孙彦龙等用机器视觉对马铃薯的质量和形状分选，得出质量分选准确率为 95． 3% ，形状分选准确率为 96% ，且可满足实际应用; 周竹等运用机器视觉实现马铃薯的自动分级; 张志强等研究机器视觉对淡水鱼质量分级; 汪强等用计算机视觉对烟草叶成熟度判定，为烟叶的收割提供依据。为此，为实现莲子分级、剥壳及穿心技术的一体化，引入电子检测技术，利用电子检测技术把莲子分级、剥壳和穿心三大主要加工系统进行有机地结合，为莲子加工向自动化、规模化方向发展提供一定的参考。

　　1 莲子分级机

　　根据国内学者的测量计算，红莲子和白莲子的大小不一，产地不同等，莲子的尺寸也不一致，但大体上与下面介绍的尺寸相差不大。刘烨进行了莲子物理机械特性试验研究，测得红莲子平均球度为0． 73，白莲子平均球度为 0． 84。红莲子平均中径大小值范围为 9． 62 ～11． 86mm，最大中径与最小中径极差是2． 24mm，其中径大小 92% 分布在 9． 50 ～ 11． 50mm 的范围之间。白莲子平均中径大小范围 11． 18 ～ 13． 74mm，极差为 2． 56mm，其中径大小 95% 分布在 11． 50 ～13． 50mm 范围之间。由此可知，在对莲子进行剥壳之前必须对莲子的中径大小进行分级，否则可能会引起莲子剥壳率低、破损率高。

　　1． 1 圆孔滚筒分级

　　圆孔滚筒分级是一种简单的机械分级方式，分级筛筒由不同大小直径的筛板转成圆柱型滚筒，圆柱型滚筒按一定的倾斜角度安装。分级时，滚筒在电机的带动下做旋转运动。莲子由滚筒一端进入，在滚筒内转动。在重力、摩擦力及离心力共同作用下，莲子由滚筒的进入端向输出端运动，移动到合适大小的筛孔处时，自行掉落到收集处，收集后，同一级大小莲子将从同一个出料口排出。圆孔滚筒分级设备简单，生产成本低; 但分级尺寸精度差，生产效率低，分级过程易出现筛孔堵塞现象。

　　1． 2 栅栏式滚筒分级

　　栅栏式滚筒分级与圆孔筒筛分级的方式原理一样，只是把圆孔筒筛换成栅栏式滚筒。而且栅栏式滚筒分级把传统圆形筛板结构给取代了，采用的是三级节栅栏结构，栅栏主要由并排的铁棍焊接而成，焊接沿筛筒轴线平行方向，每节筒体栅栏的间隙沿莲子运动的方向逐节变大。莲子通过栅栏的旋转来进行分级，在分级筛筒的旋转过程中，由于重力的作用，不同尺寸大小的莲子能通过栅栏中铁棍间的间隙落到下面不同的接莲斗中，从而实现不同尺寸莲子的分级目的。这种栅栏分级解决了圆孔筒筛莲子易堵住筛孔的现象，但分级的精度还是不高。

　　1． 3 莲子螺杆分级

　　如图 1 所示，莲子螺杆分级主要采用一对分级螺杆轴组对干壳莲子进行分级。该螺杆轴组主要由螺杆辊和锥辊组成，其中分级螺杆辊上设计有螺纹，锥辊是有一定锥度的光辊，螺杆辊和锥辊安装在同一个水平面上; 在电机的带动下，螺杆辊和锥辊按一定的方向转动，莲子经过进料斗进入到螺杆辊与锥辊之间的间隙中，并在螺杆辊的螺纹推动下，沿着锥辊间隙变大的方向移动; 当移动到合适莲子大小的间隙时，在重力作用下，莲子将落到分级斗内，从而实现莲子的分级。莲子分级过程稳定顺畅是因为其遵循最小能量法则，莲子均能按长轴水平取向排列，并位姿保持一致性，并发现莲子的中径是影响分级精度的重要因素。华中农业大学杜铮经正交试验法得到莲子螺杆分级机分级准确率最优因素水平组合为: 螺杆转速为 84r/min，螺杆辊在锥辊的左侧，且螺杆辊逆时针转，锥辊顺时针转，螺杆辊的螺纹升角为 4． 915°; 分级产量最优因素水平组合为: 螺杆转速为 196r/min，螺杆锟在锥辊的右侧，且多为逆时针转动，螺纹升角为14． 413°。【图1】

　　
　　2 莲子剥壳机
　　
　　莲子经分级后，须对莲子进行剥壳处理。研究人员测定，莲子壳的厚度范围为 0． 61 ～ 0． 86mm，且莲壳只有外表面的 1/3 较坚韧，其余部分则较脆。所以，莲子剥壳机只需要切开莲壳坚韧部分，剩下的较脆部分经适度的挤压就会自然裂开，实现莲子与莲壳分离的剥壳技术。

　　2． 1 多联辊刀式剥壳

　　多联辊刀式剥壳机主要由进料斗、电机及传动系统、分粒供料螺杆、剥壳头、集总式调节机构、机架及出料口等部分组成。莲子经分级后，进入到剥壳机相对应的各个不同级的进料斗内，在送料机构的螺杆和光辊同向转动作用下，莲子从机座上的出料孔按序推出; 莲子一经排出就进入剥壳通道，剥壳通道由双托辊和螺旋辊刀构成，双托辊平行安装且转向相同，而螺旋辊刀安装在双托辊中心的正上方。张永林、易启伟等设计的多联滚刀式剥壳机双托辊的辊面切制螺旋槽并滚花处理，莲子由双托辊摩擦带动边转边前行，并逐渐被辊刀所切割; 螺旋辊刀完成莲子环切后，又带动莲子转动翻滚并不断向出料口移动，在双托辊表面滚花的摩擦下，最终莲仁和莲壳从出料口排出。

　　2． 2 滚切式脱壳

　　滚切式脱壳整机结构主要由机架、料斗、供料机构、溜槽、大链轮、输送机构、拔轮轴、脱壳机构及传动系统等组成。莲子由料斗进入输送机构，在电机带动下，通过传动机构驱动大链轮上的搓辊轴转动，拨杆轴使槽轮的拨杆驱动槽轮带动输送机构作间歇运动。

　　槽轮机构作用是使莲子在切割和脱壳独立进行，从而使得莲子切割和脱壳更充分有效。进莲口处于供料斗位置时输送机构即停止，以利于莲子得进入。在供料机构中，把莲子带进切割通道和脱壳通道且莲子进行位姿调整，在搓辊转动的带动下，进入输送机构的莲子经摩擦力作用再次进行位姿调整，当输送机构将莲子输送到切割机构位置时输送机构停歇，莲子被限定在由输送辊、搓辊、连接板、套筒组成的切割通道内进行环切; 莲壳环切后，由输送机构将莲子输送到脱壳通道时再次停歇，脱壳机构与切割机构的结构基本相同，只是刀片的位置换成了脱壳辊。莲子在脱壳通道中受脱壳辊的挤压和搓辊的摩擦力作用做滚动，旋转的莲子带动脱壳辊旋转，搓辊和旋转脱壳辊对莲子产生挤压使环切后的莲壳和莲仁分离，完成莲子脱壳过程。

　　2． 3 挤压式脱壳

　　图 2 为挤压式脱壳示意图。挤压式脱壳由挤压杆和脱壳阶梯孔套膜组成。挤压杆挤压端有 R10 圆弧，用来增加挤压杆挤压莲子时的接触面积，避免莲子仁因被挤压而受损伤，脱壳阶梯孔套由柔性高阻尼聚四氟材料制作而成的。其中，大的阶梯孔 D1比小的阶梯孔 D2大 4mm，且大的阶梯孔 D1比未脱壳莲子的直径d 大 2． 5 ～ 3mm。工作时，先把经过分级的同级未脱壳的莲子削去根部厚度 1． 5mm，并切出深度为 0． 5mm、长为 15mm 的“一”或“十”字切痕; 然后将处理好的莲子置于模套阶梯孔中，挤压杆向下挤压，使未脱壳的莲子向下移动，莲子壳在橡胶阶梯台阶的阻挡和孔壁的摩擦下，实现莲子壳、仁分离。【图2】

　　
　　3 莲子穿心机构

　　莲心是莲子的胚芽，带有一种苦味，所以在制造成品莲仁时，须去除莲心，而且去心要干净、彻底，否则会影响食用莲仁的口感; 而且在去心的同时不能破坏莲仁本体，保证莲仁的完整性。

　　3． 1 钢针穿心

　　钢针穿心机构是一种高效莲子穿心脱壳机的穿心部件，整个钢针穿心机构是由穿心钢针、穿心驱动槽轮、回位弹簧、扶正支架、载料槽和载料轮组成，如图 3所示。穿心钢针与载料轮同步安装，以保证穿心准确。该穿心机构工作时，经过分级的同级莲子经由送料斗送进载料槽，载料槽内分布着对应级别大小的穿心钢针，穿心钢针在穿心驱动槽轮的推动下开始对莲子穿心; 穿心过程中穿心脱壳机的搓动带带动莲子旋转，而且穿心驱动槽轮设计要合理，使其能带动穿心钢针以较大的冲击速度戳穿莲子，并迅速退出莲子，完成莲子去心。该穿心机构去心彻底，但是需对莲子进行分级处理。【图3】

　　
　　3． 2 自动对心穿心

　　自动对心穿心机的设计与使用可以大大提高莲子加工过程中穿心的生产效率，降低工人劳动强度。武汉工业学院庄文星等成功设计出具有自动对心功能的莲子穿心机。具有自动对心功能的莲子穿心机设计采用平行四边形机构结合调心压莲机构实现莲子压紧的同时，使得穿心钻中心与莲心随动而实现自动对中，从而达到莲子去心目的。该设备主要由传动系统、进料装置、调心压莲机构及自动对心机构等组成。

　　该去心机构实现了莲子自动对心，免去莲子分级工序，提高效率，而且去心钻头高速旋转，保证去心干净、彻底。生产试验表明，该自动对心功能的莲子穿心机综合性能优良、可靠性高、调节使用方便，能满足莲子加工过程中机械穿心的生产要求，已在湖北仙桃、洪湖等地的莲子加工企业推广应用。

　　3． 3 莲子分级剥壳穿心一体机工艺流程设计

　　莲子分级剥壳穿心一体机就是将莲子分级系统、莲子剥壳系统及莲子穿心系统三大主要系统部件进行有机的组合，从而实现莲子从分级到莲仁的自动化加工的过程，保证莲子在较短的时间内，加工成莲仁，并降低莲仁氧化时间，避免莲仁色泽变差、营养流失及质量下降等。因此，在理论上设计一种基于电子检测技术，把莲子分级、剥壳和穿心 3 个主要系统有机结合起来，实现莲子分级、剥壳及穿心全自动一体化高效生产莲仁的工艺流程，如图 4 所示。【图4】

　　图 4 为一种基于电子检测技术而设计的莲子分级剥壳穿心一体工艺理论流程: 采摘的莲子经过清洗去除表面杂质，送入分级机，把莲子的大小进行等级分类; 分类后的莲子在相应的等级类别电子尺寸检测下，不符合相应等级的莲子会被再次送入分级机，而破损的莲子送入破损莲子收集器内，合格的莲子被送入相对应等级的剥壳机，进行剥壳; 剥壳后的莲子在电子莲仁检测装置的检测下，未剥壳或者是剥壳不全的莲子，将再次送入剥壳机进行剥壳，而破损的莲子直接送入破损莲子收集器内，去壳合格的莲子会被送入下一级穿心机内进行莲子穿心处理; 穿心后的莲子经电子莲心检测，将未穿心和穿心不全的莲子剔出，再次送入穿心机，破损的莲子直接送入破损莲子收集器，而最后得到的合格去心莲仁被放入收料箱内，等待进一步处理。整个莲子分级剥壳穿心过程全自动化，效率高，大大降低人的劳动强度，提高莲仁质量。
　　
　　4 结论

　　伴随着科技发展，电子检测技术不断深入各行各业，利用电子检测技术，对莲子的尺寸、莲壳及莲仁进行检测，把莲子分级、剥壳和穿心系统有机的结合在一起，使得莲子加工自动化，提高加工效率，降低工人的劳动强度，提高莲仁的质量，从而实现莲子加工向自动化、规模化方向发展。

　　参考文献:

　　［1］ 谢丽娟，宗力，李小昱． 莲子机械特性的测试研究［J］． 农业工程学报，2005，21( 7) : 11－14．
　　［2］ 展慧，李小昱，王为，等． 基于机器视觉的板栗分级检测方法［J］． 农业工程学报，2010，26( 4) : 327－331．
　　［3］ 程洪，史智兴，尹辉娟，等． 基于机器视觉的多个玉米籽粒胚部特征检测［J］． 农业工程学报，2013，29( 19) : 145－151．
　　［4］ 孙彦龙，高晓阳，李红玲，等． 基于机器视觉的马铃薯质量和形状分选方法［J］． 农业工程学报，2012，28( 17) :143－148．