Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt die Anwendung von Messlichtvorhängen in Obstsortiermaschinen vor, präsentiert ein neuartiges Obstsortierverfahren und analysiert Funktionsprinzip, technische Hauptmerkmale und Konstruktionsmerkmale der Anlage. Schlüsselwörter: Messlichtvorhang; Obst; Sortierung; Konstruktion. 1 Überblick über die Obstsortiertechnologie: Die Sortierung von Frischobst dient hauptsächlich dazu, einheitliche Spezifikationen für Produkte gleicher Güteklasse zu gewährleisten, die Einzel- oder Gruppenverpackung zu erleichtern und verpackten Produkten ein einheitliches, hochwertiges Erscheinungsbild für den Wareneingang im Supermarkt zu ermöglichen, um die Aufmerksamkeit der Verbraucher zu gewinnen und deren Kaufbereitschaft zu steigern. Obstsortierverfahren lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Volumen- und Gewichtssortierung. Da die Sortierung primär der Vereinheitlichung von Aussehen und Spezifikationen der Produkte für die Verpackung und der Verbesserung der Verkaufsqualität dient, ist die Volumensortierung am weitesten verbreitet. Zu den traditionellen Volumensortiermaschinen gehören Walzensortiermaschinen, Dreiwalzensortiermaschinen und Bandsortiermaschinen. Ihre Funktionsprinzipien sind ähnlich; alle nutzen mehrere Loch- oder Spaltebenen zum Sieben. Wenn das Material etwas kleiner als die Öffnung ist, kann es durchfallen oder aufgrund seiner Schwerkraft herausfallen und wird so sortiert. Die Siebtechnik ist eine einfache und praktische Methode, die nicht nur eine hohe Produktionseffizienz aufweist, sondern auch die Einstellung mehrerer Sortierstufen ermöglicht. Allerdings hat diese Sortiermethode einige Nachteile, insbesondere in folgenden Punkten: (1) Das Material wird während des gesamten Prozesses mechanisch gewendet und gesiebt, was unweigerlich zu Quetschungen, Kratzern und Druckschäden an der Schale von frischem Obst führt; (2) Die Sortiergenauigkeit ist nicht hoch, und die Größenunterschiede dürfen nicht zu gering sein, in der Regel nicht unter 5 mm; (3) Es besteht die Gefahr, dass verschiedene Größen verwechselt werden; (4) Die Methode ist wenig anpassungsfähig und eignet sich nur für nahezu runde Früchte mit harter Schale, wie z. B. Zitrusfrüchte. Bei Früchten mit dünner Schale, wie Äpfeln, Birnen, Pfirsichen, Kakis und Mangos, sollte sie mit Vorsicht angewendet werden. Vor diesem Hintergrund hat der Autor nach eingehender Forschung ein innovatives Volumensortierverfahren mittels Lichtvorhangmessung entwickelt und eine neuartige Obstsortieranlage konstruiert, die eine schnelle, kontinuierliche Einzelidentifizierung und -sortierung direkt an der Maschine ermöglicht. Diese Sortiertechnologie eignet sich besonders für die Sortierung von frischem Obst mit unregelmäßigen Formen. Im Vergleich zur herkömmlichen Lochsortierung stellt sie einen qualitativen Fortschritt dar, da sie eine berührungslose Sortierung ermöglicht. Dadurch wird der Nachteil der Beschädigung des Obstes durch den Lochrahmen vollständig beseitigt, und die Sortierung erfolgt präzise und schnell. 2. Funktionsprinzip der Lichtvorhangmessung: Ein Lichtsensor ist ein elektronisches Gerät, das Änderungen der Intensität des einfallenden Lichts erfasst. Er besteht aus einem optischen System, einem Verstärker und einem Schaltausgang. Alle Lichtsensoren verwenden moduliertes Licht, um den Einfluss von Umgebungslichtquellen zu eliminieren. Im Betrieb sendet der Lichtsensor Licht aus. Wenn ein Objekt vorbeizieht, absorbiert es – je nach Erfassungsmodus – entweder das Licht oder reflektiert es zurück zum Empfänger des Lichtsensors. Dies führt zu einer Änderung der vom Empfänger empfangenen Lichtintensität. Diese Änderung löst ein Schaltsignal aus und ermöglicht so die Detektionsfunktion. Ein Messlichtvorhang ist ein spezieller fotoelektrischer Sensor. Wie ein herkömmlicher Lichtschrankensensor besteht er aus einem separaten, gegenüberliegenden Sender und Empfänger, ist jedoch größer und hat eine längliche, röhrenförmige Gestalt. Das vom Lichtvorhang-Sender ausgesendete Detektionslicht ist kein einzelner Strahl wie bei einem herkömmlichen Sensor, sondern ein Array von Lichtstrahlen, die in regelmäßigen Abständen entlang seiner Länge angeordnet sind und einen „Lichtvorhang“ bilden. Dieser „Lichtvorhang“ scannt mithilfe einer Steuerung und deren Software, um die Abmessungen von Objekten zu überwachen und zu messen. Für den ordnungsgemäßen Betrieb des Lichtvorhang-Messsystems ist eine Steuerung erforderlich. Diese wird mithilfe von Software programmiert und bietet verschiedene Scan- und Detektions-/Analysemodi. Sie kann über eine serielle Schnittstelle mit einer SPS oder einem Computer kommunizieren, um Steuerungs- oder Scanergebnisse zu übertragen. Zusätzlich kann sie mit Triggersignalen verbunden werden, um den Scanvorgang zu steuern. 2.1 Scanmodi des Lichtvorhangs Es gibt zwei gängige Scanmodi für Lichtvorhänge: lineares Scannen und Kreuzscannen. Ersteres ist der gebräuchlichste und einfachste Modus. Der Sender erzeugt kontinuierlich ein Array von Lichtstrahlen mit festem Abstand, die parallel zueinander von Anfang bis Ende angeordnet sind und nacheinander vom Empfänger empfangen werden. Im Kreuzabtastmodus werden schräge Lichtstrahlen zwischen die linearen Abtaststrahlen eingestreut. Der erste schräge Abtaststrahl wird zwischen dem zweiten Kanal des Senders und dem ersten Kanal des Empfängers positioniert; der zweite schräge Abtaststrahl zwischen dem dritten Kanal des Senders und dem zweiten Kanal des Empfängers. Dies wird fortgesetzt, bis der letzte schräge Abtaststrahl zwischen dem letzten Kanal des Senders und dem vorletzten Kanal des Empfängers positioniert ist. Nach dem Aussenden der schrägen Strahlen wird der letzte Kanal des Senders reaktiviert und sendet lineares Licht zum letzten Kanal des Empfängers, wodurch der gesamte Abtastvorgang abgeschlossen wird. Der Kreuzabtastmodus verbessert die optische Auflösung, erreicht die höchste Genauigkeit im mittleren Drittel des Erfassungsbereichs und reduziert die minimale Objektgröße auf zwei Drittel derjenigen, die beim linearen Abtasten erzielt wird. 2.2 Lichtvorhang-Erkennungs- und Analysemodus Der Lichtvorhang-Erkennungs- und Analysemodus verfügt über verschiedene Einstellungen. Die beiden am häufigsten verwendeten sind der „Erster- und Letzter-Lichtblockierungsmodus“ und der „Erster- und Letzter-Lichttransmissionsmodus“. Im Erster- und Letzter-Lichtblockierungsmodus blockiert ein Objekt, sobald es in den Lichtvorhangbereich eintritt. Die Steuerung ermittelt die Nummer des ersten blockierten Lichtstrahls und berechnet anschließend die Gesamtzahl der blockierten Lichtstrahlen sequenziell von unten nach oben, bis der letzte blockierte Lichtstrahl erreicht ist. Die akkumulierten Werte bestimmen die gemessene Abmessung des Objekts in Messrichtung. Im Erster- und Letzter-Lichttransmissionsmodus ermittelt die Steuerung die transmittierten Lichtstrahlen, sobald ein Objekt in den Lichtvorhangbereich eintritt. Die Werte werden ab dem ersten transmittierten Lichtstrahl berechnet und sequenziell bis zum letzten transmittierten Lichtstrahl akkumuliert. Die Gesamtzahl der transmittierten Lichtstrahlen bestimmt die gemessene Abmessung des Objekts in Messrichtung. 3. Konstruktion der Sortieranlage Wie die obige Analyse zeigt, bietet die Lichtvorhangmessung einen idealen und zuverlässigen Erkennungsmodus, der die berührungslose, automatische Messung der Abmessungen des Prüfobjekts ermöglicht. Die Anwendung dieser Technologie auf Obstsortiermaschinen führt daher zu optimalen Ergebnissen, die mit mechanischer Sortierung nur schwer zu erzielen sind. Die vom Autor entwickelte Obstsortiermaschine, die auf Lichtvorhangmesstechnik basiert, besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem Kernstück, dem Lichtvorhangmess- und Sortiergerät, der vorgelagerten Obstsortier- und -anordnungsvorrichtung sowie dem nachgelagerten automatischen Sortiermechanismus. 3.1 Lichtvorhangmess- und Sortiergerät Gängige Obstsorten sind nicht sehr groß und reichen von kleinen Früchten wie Pflaumen, Litschis und Longans bis hin zu größeren Früchten wie Äpfeln, Birnen und Orangen mit einem Außendurchmesser zwischen 20 und 100 mm. Je kleiner die Frucht, desto geringer ist der erforderliche Qualitätsunterschied. Bei den genannten kleinen Früchten beispielsweise unterscheiden sich ähnliche Qualitätsstufen in der Regel nur um 2–3 mm. Daher muss der für die Obstsortierung geeignete Lichtvorhang klein und hochpräzise sein. Der in diesem Gerät verwendete hochpräzise Messlichtvorhang verfügt über eine Sende- und Empfangslänge von 163 mm (6,4 Zoll) und erzeugt insgesamt 64 Abtaststrahlen mit einem Strahlabstand von 2,5 mm (0,1 Zoll). Bei linearer Abtastung beträgt die minimale Objektgröße 2,5 mm, während bei querer Abtastung Objekte bis zu 1,7 mm groß sein können. Dadurch wird eine Sortierung von 1,7–2,5 mm erreicht, was das Gerät für die meisten Sortierverfahren von Obst geeignet macht. Vor dem Eintritt in den Messbereich des Lichtvorhangs werden die zu prüfenden Früchte in ordentlichen Reihen angeordnet und nacheinander über ein Förderband transportiert. Ein Flachförderband ist vorzuziehen, idealerweise aus lebensmittelechten Materialien wie Polyethylen (PE), Polyurethan (PU) oder Silikon (SI), das auf einem glatten Untergestell ruht, um einen geraden Lauf zu gewährleisten und ein Durchhängen zu verhindern. Die flache und elastische Oberfläche des Flachbandes bietet Dämpfung und Schutz durch flexiblen Kontakt mit den transportierten Früchten. Sender und Empfänger des Messlichtvorhangs befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Förderbandes, wobei der erste Abtaststrahl bündig mit der Förderbandoberfläche abschließt. Da Früchte feste Objekte mit einer bestimmten Form sind, eignet sich der Modus „Erster und letzter Lichtblockierungsstrahl“ optimal für deren Erfassung und Analyse. Zudem befinden sich alle Früchte im Erfassungsbereich des Lichtvorhangs in derselben Ebene, sodass der erste blockierende Lichtstrahl immer Strahl Nummer 1 ist. Die Steuerung muss lediglich die Nummer des letzten blockierenden Lichtstrahls erfassen, um die Messdaten auszuwerten und die Querschnittsabmessungen der Früchte in Messrichtung zu berechnen. Die Früchte werden während des Transports auf dem flachen Förderband ohne zusätzliche mechanische Einwirkungen oder Bewegungen wie Fallenlassen oder Kollisionen identifiziert und vermessen. Dadurch werden Beschädigungen der Früchte während des Sortierprozesses vollständig vermieden. Die Führungsschienen des Förderbandes lassen sich nach innen und außen verstellen, um unterschiedliche Fruchtgrößen aufzunehmen und dienen als Führungen und Begrenzungen. Wichtig ist, dass in den Führungsschienen an der Position des Lichtvorhangs schmale Lücken verbleiben, damit das Abtastlicht reflektiert werden kann. Da sich Sender und Empfänger des Messlichtvorhangs beidseitig des Förderbandes befinden, besteht ein gewisser Abstand zwischen ihren Lichtstrahlen. Dieser Abstand muss innerhalb des zulässigen Erfassungsbereichs des Sensors liegen; daher ist die Breite des Förderbandes begrenzt. Die Einsatzumgebung eines Lichtvorhangs beeinflusst dessen Langzeitstabilität. Bei maximalem Erfassungsabstand kann die Intensität des empfangenen Lichts durch Staubablagerungen auf der optischen Linse abnehmen und zu Instabilität führen. Daher sollte der optimale Erfassungsabstand anhand der Überschussverstärkungskurve des gewählten Produkts bestimmt werden. Die Überschussverstärkung bezeichnet die Lichtmenge, die der fotoelektrische Sensor empfängt und die zur Aktivierung seines Verstärkers benötigte Lichtenergie übersteigt. Eine Überschussverstärkung von 1 entspricht der minimalen Aktivierungsenergie des Verstärkers; eine Überschussverstärkung von 10 bedeutet, dass die vom Empfänger empfangene Lichtenergie das Zehnfache der zur Aktivierung des Verstärkers benötigten Energie beträgt. Jedes Modell eines fotoelektrischen Sensors verfügt über eine entsprechende Überschussverstärkungskurve. Durch die Auswahl eines Korrekturfaktors in Verbindung mit Umgebungsfaktoren lässt sich der maximale zuverlässige Erfassungsabstand unter verschiedenen Bedingungen abschätzen. Bei einigen Früchten mit Stiel können die nach oben gerichteten Stiele beim Eintritt in den Messbereich des Lichtvorhangs fotoelektrische Signale auslösen, was zu ungenauen Messungen führt. Daher müssen solche Früchte vor dem Eintritt in den Messbereich vorbereitet werden, um sicherzustellen, dass sich alle Früchte in einem vergleichbaren, messfreundlichen Zustand befinden. Am Beispiel von Äpfeln lässt sich dies verdeutlichen: Im Messbereich sind zwei parallele Förderbänder mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Die sortierten Äpfel werden zwischen den beiden Bändern gehalten und laufen mit dem Stiel nach unten durch den Spalt. Dadurch werden Störungen durch die Stiele während der Messung durch den Lichtvorhang vermieden, und die Messwerte beziehen sich alle auf dieselbe Position und Richtung. Dies erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Prüfung. 3.2 Sortier- und Anordnungsvorrichtung Die Sortier- und Anordnungsvorrichtung befindet sich vor der Lichtvorhang-Mess- und Sortiervorrichtung. Ihre Funktion besteht darin, die ungeordneten Früchte in ordentlichen Reihen anzuordnen, sodass sie nacheinander in einem bestimmten Abstand in den Messbereich des Lichtvorhangs gelangen können. Dies ist entscheidend für eine genaue Messung. Die Konstruktion des Geräts variiert je nach Fruchtart und muss an deren morphologische Eigenschaften angepasst werden. Im Allgemeinen können koordinierte mechanische Fördereinrichtungen eingesetzt werden, um die Bewegung der Früchte zu steuern, beispielsweise horizontale oder geneigte Förderbänder, Sortierblenden, Zentrifugaldrehtische, Führungsrutschen usw., die hier nicht näher erläutert werden. 3.3 Sortiermechanismus Der Sortiermechanismus ist direkt hinter dem Messlichtvorhang installiert und wird durch Messsignale aktiviert. Wenn die zu prüfende Frucht den Messlichtvorhang passiert, wird ein fotoelektrisches Signal ausgelöst. Die Steuerung berechnet den Wert, vergleicht ihn mit den eingestellten Sortiermaßen und gibt dann einen Befehl an den Sortiermechanismus, um die Früchte in die entsprechende Sortierklasse zu befördern. 4. Fazit Zusammenfassend bietet die Obstsortieranlage mit Lichtvorhangmesstechnik erhebliche Vorteile: Sie ist vielseitig einsetzbar und flexibel einstellbar. Sie vermeidet Beschädigungen der Früchte, die bei der mechanischen Sortierung leicht auftreten können, und ermöglicht eine schnelle, dynamische und präzise Messung und Sortierung. Der Autor verwendete gepflügte Litschis als Beispiel und kombinierte die Messung mittels Lichtvorhang mit einer Strahlsortierung. Die Sortierstufe betrug 3, der Sortierunterschied 2,5 mm und die Verarbeitungsgeschwindigkeit 180 Früchte pro Minute. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl Messung als auch Sortierung stabil waren. Die Abbildung in diesem Artikel verwendet lediglich einen Messlichtvorhang zur Erfassung der eindimensionalen Abmessungen des Objekts. Alternativ können drei Messlichtvorhänge konfiguriert werden. Durch eine geeignete Anordnung lassen sich die dreidimensionalen Abmessungen des Objekts erfassen und berechnen. Die Notwendigkeit muss jedoch sorgfältig abgewogen werden, da andernfalls die Rechenlast des Systems erhöht und die Arbeitseffizienz verringert wird. Bei den meisten Früchten, sofern sie derselben Sorte angehören, sind die äußeren Merkmale ähnlich, und sie können vor dem Einbringen in den Messbereich einheitlich angeordnet werden. Daher ist eine eindimensionale Messung ausreichend, um den gewünschten Sortiereffekt zu erzielen. Der Autor dieses Artikels ist Zhang Cong, männlich, 36 Jahre alt. Er schloss sein Ingenieurstudium 1989 an der Südchinesischen Technischen Universität mit einem Bachelor-Abschluss ab. Derzeit ist er leitender Ingenieur am Guangdong Provincial Agricultural Machinery Research Institute (Guangdong Provincial Packaging and Food Machinery Research Institute) und Mitglied des Expertenkomitees für Verpackungs- und Lebensmittelmaschinen der Maschinenbauindustrie. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf Lebensmittel- und Verpackungsmaschinen. Zu seinen Forschungsprojekten zählen die Entwicklung von Produktionslinien für natürliche Frucht- und Gemüsesäfte, einer Litschi-Wein-Produktionslinie, einer Fleischprodukt-Produktionslinie sowie die Entwicklung von Vakuumverpackungsmaschinen, vollautomatischen Thermoform-Verpackungsmaschinen und Produktionslinien zur Sortierung und Verpackung von Obst und Gemüse. Er hat mehr als zehn wissenschaftliche Artikel und das Buch „Automatisierte Lebensmittelverpackungsmaschinen“ veröffentlicht.