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(duì)單板的自然缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。長期以來，我國的膠合板生產(chǎn)企業(yè)多采用手工修補(bǔ)法，也有采用如圖1所示的單板挖補(bǔ)機(jī)對(duì)單板進(jìn)行修補(bǔ)。圖1的單板挖補(bǔ)機(jī)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(gè)規(guī)格洞和規(guī)格補(bǔ)塊，缺陷規(guī)格如圖2所示，其最快速度可達(dá)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(bǔ)機(jī)也只能做到?jīng)_出挖補(bǔ)形狀和補(bǔ)塊，仍需由人工進(jìn)行填補(bǔ)，并用紙帶或熱熔絲粘連。其過程費(fèi)料、費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，修補(bǔ)后視感明顯，影響美觀。隨著木材缺陷識(shí)別技術(shù)的成熟[1-8]，可將圖像處理技術(shù)與挖補(bǔ)技術(shù)相結(jié)合，改善單板挖補(bǔ)工藝。

圖1 挖補(bǔ)機(jī)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(bǔ)裝置的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

木材加工企業(yè)對(duì)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(jì)

缺陷挖補(bǔ)裝置屬于多工序加工類裝置，其主要工序?yàn)槟景鍌鬏?、缺陷識(shí)別、缺陷定位、缺陷挖除、缺陷填補(bǔ)、烘干、打磨。木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補(bǔ)裝置的方案設(shè)計(jì)如圖3所示，其組成包括可移動(dòng)平臺(tái)、挖補(bǔ)機(jī)構(gòu)支架、圓柱導(dǎo)軌、絲杠、滑塊螺母、菱形導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)刀盤組件、檢測裝置支架、攝像頭、輸送鏈、機(jī)架、操作控制臺(tái)等。

圖3 木質(zhì)薄板表面缺陷智能挖補(bǔ)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(xiàn)并結(jié)合木材加工企業(yè)的實(shí)地考察，筆者提出以下設(shè)計(jì)思路：

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

缺陷識(shí)別利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過光學(xué)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(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)捕獲的木板圖像進(jìn)行處理，獲得木板缺陷的位置、大小、形狀等缺陷的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

缺陷定位通過控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)的中心點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由缺陷所在的坐標(biāo)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(yùn)輸速度，控制系統(tǒng)設(shè)置一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間將木板缺陷坐標(biāo)與鉆孔刀具坐標(biāo)在木板運(yùn)動(dòng)方向上重合，同理，通過絲杠運(yùn)動(dòng)使得木板缺陷坐標(biāo)與鉆孔刀具坐標(biāo)在垂直于木板運(yùn)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(duì)缺陷進(jìn)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(bǔ)要求確定。

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

烘干和打磨即通過烘干裝置對(duì)填補(bǔ)后的木板接合處進(jìn)行烘干，烘干后使用打磨裝置對(duì)接合處進(jìn)行打磨。

缺陷挖除、填補(bǔ)、烘干、打磨等功能裝置集成在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤上，通過旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)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(jī)控制下可實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)刀盤組件（如圖5所示）選用一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長、傳動(dòng)比穩(wěn)定[11-12]。外齒輪裝在轉(zhuǎn)軸上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制電機(jī)的步距控制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)內(nèi)齒輪的導(dǎo)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(shí)，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(dòng)靈活又無軸向竄動(dòng)。

在對(duì)木質(zhì)薄板表面缺陷進(jìn)行智能挖補(bǔ)時(shí)，需要對(duì)缺陷進(jìn)行定位，橫向移動(dòng)的實(shí)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(dòng)下，旋轉(zhuǎn)刀盤組件可與滑塊螺母一起左右移動(dòng)。為方便導(dǎo)向以及限制自由度，在絲杠左右平行布置圓柱滑動(dòng)導(dǎo)軌和菱形滑動(dòng)導(dǎo)軌?？v向移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式是輸送鏈的勻速運(yùn)動(dòng)，在挖補(bǔ)過程中，木板不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)木材的裝夾以及限位，在每條滾子鏈的外側(cè)對(duì)稱安裝有多對(duì)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(duì)帶兩圓柱銷的夾緊板形成的支撐平面上，多對(duì)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(dòng)、左右偏移造成定位偏差，機(jī)架的上表面設(shè)置有一個(gè)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(bǔ)木板表面缺陷過程中產(chǎn)生移動(dòng)。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(tái)的控制系統(tǒng)可檢測并控制整個(gè)工作流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理缺陷檢測機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)刀盤組件挖補(bǔ)機(jī)構(gòu)的信息同步，確保切割精度及挖補(bǔ)質(zhì)量。設(shè)備運(yùn)行前，操作者根據(jù)所需挖補(bǔ)批次木板的材質(zhì)、厚度、尺寸等參數(shù)進(jìn)行編程，將編輯完畢的運(yùn)行程序?qū)氩僮骺刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)，控制系統(tǒng)準(zhǔn)備工作完成。

挖補(bǔ)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(duì)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(dòng)平臺(tái)上。操作者按動(dòng)開始鍵，控制系統(tǒng)開始工作，在伺服電機(jī)帶動(dòng)下，輸送鏈帶動(dòng)待處理木板勻速從攝像頭下方通過，攝像頭識(shí)別到待處理木板的表面缺陷后，操作控制臺(tái)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(bǔ)機(jī)構(gòu)工作原理如圖8所示。伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，滑塊螺母帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤組件沿著圓柱導(dǎo)軌和菱形導(dǎo)軌左右移動(dòng)，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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下繞內(nèi)齒輪的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下伸出，將缺陷挖除，在待處理木板上留下一個(gè)小圓孔；缺陷挖除完畢后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得內(nèi)齒輪回到初始位置，如圖6（a）所示，此時(shí)吸附裝置與可移動(dòng)平臺(tái)上的第一個(gè)木塞處在同一直線上；絲杠旋轉(zhuǎn)，滑塊螺母帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤組件沿著圓柱導(dǎo)軌和菱形導(dǎo)軌向可移動(dòng)平臺(tái)方向移動(dòng)，使得吸附裝置位于木塞的垂直上方；吸附裝置的導(dǎo)桿在齒輪齒條機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下伸出，吸盤吸住木塞；絲杠旋轉(zhuǎn)，滑塊螺母帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤組件沿著圓柱導(dǎo)軌和菱形導(dǎo)軌向待處理木板方向移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(bǔ)；步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪順時(shí)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(duì)涂膠處進(jìn)行烘干處理；烘干完畢后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的外齒輪，驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪順時(shí)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(duì)填補(bǔ)表面進(jìn)行打磨處理，將干固的膠體及補(bǔ)合處毛刺磨平，此處挖補(bǔ)工作完成。吸附裝置在可移動(dòng)平臺(tái)上吸走一個(gè)木塞后，可移動(dòng)平臺(tái)向前移動(dòng)一個(gè)間隔，以確保吸附裝置下次的作業(yè)。輸送鏈帶動(dòng)待處理木板繼續(xù)前行，進(jìn)行下一處木材表面缺陷的智能挖補(bǔ)。

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

圖8 挖補(bǔ)機(jī)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(bǔ)裝置的控制部分包括對(duì)鏈輪、絲杠、內(nèi)齒輪、齒輪齒條4個(gè)部分的控制，要求齒輪齒條分別實(shí)現(xiàn)鉆孔刀具、吸附裝置、烘干裝置、打磨裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，在檢測裝置部分實(shí)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(bǔ)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(bǔ)裝置采用PLC可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)智能控制[13-15]，選用S7-200小型可編程控制器功能最強(qiáng)的單元CPu226AC/DC/繼電器24DI/16DO?？刂葡到y(tǒng)中總共21個(gè)輸入點(diǎn)、12個(gè)輸出點(diǎn)，以滿足控制要求。內(nèi)齒輪采用步進(jìn)電機(jī)精確的速度位置控制，其他部分采用普通電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)，鏈輪上的木板在檢測裝置處由點(diǎn)動(dòng)控制電機(jī)實(shí)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(bǔ)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(jì)，得到木材表面缺陷智能挖補(bǔ)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(jì)需求，筆者描述了一種木質(zhì)薄板表面缺陷的智能挖補(bǔ)裝置的理論方案設(shè)計(jì)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(bǔ)機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)部分等組成，選用S7-200可編程控制器智能地進(jìn)行挖料、補(bǔ)料、烘干、打磨等工序的自動(dòng)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(jí)，提升其自動(dòng)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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