木質(zhì)薄板缺陷智能挖補裝置的設(shè)計?

房友盼 劉 英 趙 乾 徐兆軍 於亞斌

在人造板特別是膠合板生產(chǎn)過程中，需要對單板的自然缺陷進行修補。長期以來，我國的膠合板生產(chǎn)企業(yè)多采用手工修補法，也有采用如圖1所示的單板挖補機對單板進行修補。圖1的單板挖補機采用高速液壓，通過紅色十字線精確定位，在木質(zhì)薄板缺陷洞周圍快速形成一個規(guī)格洞和規(guī)格補塊，缺陷規(guī)格如圖2所示，其最快速度可達到2 s/次，效率是人工的六倍以上。但是，即使采用上述木質(zhì)薄板挖補機也只能做到?jīng)_出挖補形狀和補塊，仍需由人工進行填補，并用紙帶或熱熔絲粘連。其過程費料、費工、費時，修補后視感明顯，影響美觀。隨著木材缺陷識別技術(shù)的成熟[1-8]，可將圖像處理技術(shù)與挖補技術(shù)相結(jié)合，改善單板挖補工藝。

圖1 挖補機Fig.1 Patching machine

圖2 缺陷規(guī)格Fig.2 Defect size

1 木材表面缺陷智能挖補裝置的設(shè)計

1.1 設(shè)計需求

木材加工企業(yè)對設(shè)備適用木板的尺寸要求：長度為800～1 000 mm，寬度為（300±10）mm，厚度為4 mm以下。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

缺陷挖補裝置屬于多工序加工類裝置，其主要工序為木板傳輸、缺陷識別、缺陷定位、缺陷挖除、缺陷填補、烘干、打磨。木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補裝置的方案設(shè)計如圖3所示，其組成包括可移動平臺、挖補機構(gòu)支架、圓柱導軌、絲杠、滑塊螺母、菱形導軌、旋轉(zhuǎn)刀盤組件、檢測裝置支架、攝像頭、輸送鏈、機架、操作控制臺等。

圖3 木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall structure of thin wood surface defect intelligent patching device

經(jīng)查閱相關(guān)文獻并結(jié)合木材加工企業(yè)的實地考察，筆者提出以下設(shè)計思路：

選用鏈傳動作為木板傳輸?shù)膫鲃有问健Ｅc摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準確的平均傳動比，傳動效率較高，在同樣的使用條件下，鏈傳動的整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為緊湊，與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造和安裝精度要求較低[9-10]。

缺陷識別利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實現(xiàn)。通過光學成像和圖像采集裝置獲得被測木板的數(shù)字化圖像，然后再由數(shù)據(jù)采集卡將這些圖像信息轉(zhuǎn)換成二維圖像并反饋至計算機，由計算機對捕獲的木板圖像進行處理，獲得木板缺陷的位置、大小、形狀等缺陷的坐標數(shù)據(jù)。

缺陷定位通過控制系統(tǒng)進行確定?？刂葡到y(tǒng)可以獲得旋轉(zhuǎn)刀盤組件中的鉆孔刀具工作時的中心點坐標數(shù)據(jù)，由缺陷所在的坐標數(shù)據(jù)，確定兩者之間在木板傳輸方向上的距離。根據(jù)木板的運輸速度，控制系統(tǒng)設(shè)置一定的運動時間將木板缺陷坐標與鉆孔刀具坐標在木板運動方向上重合，同理，通過絲杠運動使得木板缺陷坐標與鉆孔刀具坐標在垂直于木板運輸方向上重合，從而定位缺陷。

缺陷挖除即使用木工鉆孔刀具對缺陷進行挖除。鉆孔刀具具體參數(shù)由木板厚度、缺陷大小以及挖補要求確定。

缺陷填補即將已經(jīng)涂好膠的木塞，通過氣動吸盤吸附，傳送至待填補處填補并壓實。

烘干和打磨即通過烘干裝置對填補后的木板接合處進行烘干，烘干后使用打磨裝置對接合處進行打磨。

缺陷挖除、填補、烘干、打磨等功能裝置集成在一個旋轉(zhuǎn)盤上，通過旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換。這些裝置均安裝在各自的安裝底座上，安裝底座嵌裝在旋轉(zhuǎn)盤上，安裝底座兩側(cè)帶有齒條，旋轉(zhuǎn)盤上安裝有與之相嚙合的齒輪，在電機控制下可實現(xiàn)上下運動。

旋轉(zhuǎn)刀盤組件（如圖5所示）選用一對內(nèi)嚙合齒輪傳動，效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長、傳動比穩(wěn)定[11-12]。外齒輪裝在轉(zhuǎn)軸上，由步進電機驅(qū)動，通過控制電機的步距控制齒輪轉(zhuǎn)動角度。內(nèi)齒輪的齒圈上每相隔90°安裝有鉆孔刀具、吸附裝置、打磨裝置和烘干裝置。內(nèi)齒輪的安裝方式為：內(nèi)齒輪齒圈外沿嵌套在壓板和內(nèi)齒輪套之間，內(nèi)齒輪下表面開有環(huán)形槽，通過壓板可實現(xiàn)內(nèi)齒輪的導向；內(nèi)齒輪套與上蓋之間用螺釘相連，壓板和內(nèi)齒輪套之間用螺釘相連，壓板和內(nèi)齒輪套之間設(shè)有調(diào)整墊片。安裝時，通過調(diào)整墊片調(diào)節(jié)內(nèi)齒輪與內(nèi)齒輪套和壓板之間的間隙，使內(nèi)齒輪既轉(zhuǎn)動靈活又無軸向竄動。

在對木質(zhì)薄板表面缺陷進行智能挖補時，需要對缺陷進行定位，橫向移動的實現(xiàn)方式是：旋轉(zhuǎn)刀盤組件用螺栓與滑塊螺母相連，在絲杠的帶動下，旋轉(zhuǎn)刀盤組件可與滑塊螺母一起左右移動。為方便導向以及限制自由度，在絲杠左右平行布置圓柱滑動導軌和菱形滑動導軌?？v向移動的實現(xiàn)方式是輸送鏈的勻速運動，在挖補過程中，木板不可避免地會產(chǎn)生振動，為實現(xiàn)木材的裝夾以及限位，在每條滾子鏈的外側(cè)對稱安裝有多對支撐外鏈板，將帶兩圓柱銷的夾緊板套上彈簧后安裝在支撐外鏈板上，并用防松螺母和緊固螺母固定，如圖4（b）所示。將待處理木板放置于多對帶兩圓柱銷的夾緊板形成的支撐平面上，多對帶兩圓柱銷的夾緊板之間的間距L可通過壓縮彈簧而改變，即可適應(yīng)不同規(guī)格待處理木板的寬度變化，如圖4（a）所示。

為防止鏈條在傳輸過程中晃動、左右偏移造成定位偏差，機架的上表面設(shè)置有一個u型槽，如圖4（a）所示。輸送鏈底端從u型槽底面拖過，u型槽起著支撐輸送鏈的作用。u型槽的兩內(nèi)側(cè)之間的寬度剛好等于輸送鏈兩外鏈板之間的寬度，使輸送鏈帶著待處理木板直線行走，并防止輸送鏈在挖補木板表面缺陷過程中產(chǎn)生移動。u型槽兩側(cè)的高度低于輸送鏈中的銷軸高度。

圖4 待處理木板定位示意圖Fig.4 Schematic diagram of unprocessed board positioning

圖5 旋轉(zhuǎn)刀盤組件內(nèi)齒輪與外齒輪嚙合三維立體圖Fig.5 Three-dimensional graph of the engagement of internal gear and external gear

圖6 旋轉(zhuǎn)刀盤組件Fig.6 Rotary cutter assembly

2 工作原理

操作控制臺的控制系統(tǒng)可檢測并控制整個工作流程，實現(xiàn)數(shù)字圖像處理缺陷檢測機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)刀盤組件挖補機構(gòu)的信息同步，確保切割精度及挖補質(zhì)量。設(shè)備運行前，操作者根據(jù)所需挖補批次木板的材質(zhì)、厚度、尺寸等參數(shù)進行編程，將編輯完畢的運行程序?qū)氩僮骺刂葡到y(tǒng)的計算機內(nèi)，控制系統(tǒng)準備工作完成。

挖補裝置整體工作原理如圖7所示。將待處理木板放置于輸送鏈起始端，由對稱安裝的帶兩圓柱銷的壓緊板壓緊固定于輸送鏈上；將直徑相同、高度相等、涂有膠的木塞間隔地排放在可移動平臺上。操作者按動開始鍵，控制系統(tǒng)開始工作，在伺服電機帶動下，輸送鏈帶動待處理木板勻速從攝像頭下方通過，攝像頭識別到待處理木板的表面缺陷后，操作控制臺中的控制系統(tǒng)記錄缺陷位置，并根據(jù)輸送鏈的傳輸速度控制待處理木板上的表面缺陷位置停于旋轉(zhuǎn)刀盤組件下方。挖補機構(gòu)工作原理如圖8所示。伺服電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，滑塊螺母帶動旋轉(zhuǎn)刀盤組件沿著圓柱導軌和菱形導軌左右移動，安裝在旋轉(zhuǎn)刀盤組件中內(nèi)齒輪齒圈上的鉆孔刀具、吸附裝置、烘干裝置和打磨裝置可在步進電機驅(qū)動下繞內(nèi)齒輪的軸線轉(zhuǎn)動。步進電機帶動轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，通過控制步進電機的步距可控制內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)角度。將鉆孔刀具旋轉(zhuǎn)至待處理木板的缺陷部位的垂直上方，鉆孔刀具在齒輪齒條機構(gòu)的帶動下伸出，將缺陷挖除，在待處理木板上留下一個小圓孔；缺陷挖除完畢后，步進電機帶動轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，使得內(nèi)齒輪回到初始位置，如圖6（a）所示，此時吸附裝置與可移動平臺上的第一個木塞處在同一直線上；絲杠旋轉(zhuǎn)，滑塊螺母帶動旋轉(zhuǎn)刀盤組件沿著圓柱導軌和菱形導軌向可移動平臺方向移動，使得吸附裝置位于木塞的垂直上方；吸附裝置的導桿在齒輪齒條機構(gòu)的帶動下伸出，吸盤吸住木塞；絲杠旋轉(zhuǎn)，滑塊螺母帶動旋轉(zhuǎn)刀盤組件沿著圓柱導軌和菱形導軌向待處理木板方向移動，步進電機帶動轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，使得吸附裝置位于待處理木板上的小圓孔的垂直上方，吸附裝置將涂膠完成的木塞壓入小圓孔中，完成缺陷的填補；步進電機帶動轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動內(nèi)齒輪順時針旋轉(zhuǎn)180°，將烘干裝置旋轉(zhuǎn)至待處理木板的缺陷部位的垂直上方，對涂膠處進行烘干處理；烘干完畢后，步進電機帶動轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動內(nèi)齒輪順時針旋轉(zhuǎn)90°，將打磨裝置旋轉(zhuǎn)至缺陷部位的垂直上方，打磨裝置對填補表面進行打磨處理，將干固的膠體及補合處毛刺磨平，此處挖補工作完成。吸附裝置在可移動平臺上吸走一個木塞后，可移動平臺向前移動一個間隔，以確保吸附裝置下次的作業(yè)。輸送鏈帶動待處理木板繼續(xù)前行，進行下一處木材表面缺陷的智能挖補。

圖7 挖補裝置整體原理圖Fig.7 The overall principle of patching device

圖8 挖補機構(gòu)工作原理圖Fig.8 Working principle diagram of patching mechanism

3 控制系統(tǒng)

木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補裝置的控制部分包括對鏈輪、絲杠、內(nèi)齒輪、齒輪齒條4個部分的控制，要求齒輪齒條分別實現(xiàn)鉆孔刀具、吸附裝置、烘干裝置、打磨裝置的運轉(zhuǎn)，在檢測裝置部分實現(xiàn)缺陷檢測?？傮w控制模塊如圖9所示。

圖9 木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補裝置總體控制模塊Fig.9 Overall control module of thin wood surface defect intelligent patching device

木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補裝置采用PLC可編程邏輯控制器實現(xiàn)智能控制[13-15]，選用S7-200小型可編程控制器功能最強的單元CPu226AC/DC/繼電器24DI/16DO。控制系統(tǒng)中總共21個輸入點、12個輸出點，以滿足控制要求。內(nèi)齒輪采用步進電機精確的速度位置控制，其他部分采用普通電機控制實現(xiàn)勻速運動，鏈輪上的木板在檢測裝置處由點動控制電機實現(xiàn)木板的位移以完成木材的缺陷檢測。其控制參數(shù)如表1所示。

表1 木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補裝置PLC I/O端口分配表Tab.1 PLC I/O port allocation of thin wood surface defect intelligent patching device

根據(jù)PLC端口的配置與軟件的設(shè)計，得到木材表面缺陷智能挖補裝置PLC控制原理接線圖，如圖10所示。

4 結(jié)語

根據(jù)企業(yè)的設(shè)計需求，筆者描述了一種木質(zhì)薄板表面缺陷的智能挖補裝置的理論方案設(shè)計過程，并闡述了其方案流程。該裝置主要由數(shù)字圖像處理檢測裝置、旋轉(zhuǎn)刀盤組件挖補機構(gòu)以及傳動部分等組成，選用S7-200可編程控制器智能地進行挖料、補料、烘干、打磨等工序的自動控制。該裝置不僅大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且有利于木材加工企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升其自動化、智能化水平。

圖10 PLC控制原理接線圖Fig.10 PLC control schematic wiring diagram

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