房友盼，劉 英，徐兆軍，張丹丹，於亞斌

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210037）

0 引言

眾所周知，我國(guó)的林木資源十分匱乏，森林資源人均占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)于木材的需求量卻與日俱增，資源緊缺嚴(yán)重制約我國(guó)木材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；另一方面，由于木材等級(jí)差異、原材料品質(zhì)參差不齊，導(dǎo)致出現(xiàn)木材利用率低、生產(chǎn)成本高、廢料多、浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。木材表面無損檢驗(yàn)就成為木材加工工業(yè)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，它對(duì)提高木材資源利用率、保證木材生產(chǎn)質(zhì)量具有重要意義[2]。

檢測(cè)木材缺陷的方法有人工檢測(cè)、激光檢測(cè)、X射線檢測(cè)、CT和核磁共振技術(shù)檢測(cè)、基于振動(dòng)聲學(xué)的檢測(cè)以及應(yīng)用數(shù)字圖像處理檢測(cè)方法等[3,4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于木材表面識(shí)別的研究非常重視，很多關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于木材加工的自動(dòng)化生產(chǎn)過程中[5,6]。然而，現(xiàn)有的圖像識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)絕大部分只能完成單一面的木材缺陷的檢測(cè)，盡管在加拿大已投入使用可以雙面檢測(cè)的Woodeye木材表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，但是由于設(shè)備購(gòu)買、維修、保養(yǎng)成本過高，且并不能適應(yīng)所有規(guī)格的木材，因此沒有得到廣泛的應(yīng)用。為了全面地完成木材表面圖像的采集，考慮翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、工作可靠、承載能力大的優(yōu)勢(shì)[7]，為此本文設(shè)計(jì)了一種用于木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，此裝置只需安裝于現(xiàn)有的木材檢測(cè)系統(tǒng)中，即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程中木材的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，操作簡(jiǎn)單、適用性好。

1 木材缺陷雙面檢測(cè)翻轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 翻轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)圖

本裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其中進(jìn)料機(jī)構(gòu)包括進(jìn)料支架20、進(jìn)料電機(jī)19、進(jìn)料帶傳動(dòng)18和進(jìn)料擋邊17，進(jìn)料機(jī)構(gòu)是將皮帶輪鉸接在支架上，通過安裝在支架一端的伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過帶傳動(dòng)傳輸實(shí)現(xiàn)進(jìn)料，機(jī)構(gòu)中的進(jìn)料擋板可實(shí)現(xiàn)待測(cè)木板在傳輸過程中，能順利安穩(wěn)地在皮帶上傳輸；出料機(jī)構(gòu)包括出料擋邊4、出料帶傳動(dòng)2、出料電機(jī)3和出料支架1，出料機(jī)構(gòu)的原理同進(jìn)料機(jī)構(gòu)；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)吸盤15、翻轉(zhuǎn)電機(jī)23 、翻轉(zhuǎn)氣缸13、翻轉(zhuǎn)支架16和翻轉(zhuǎn)安裝板14，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是將伺服電機(jī)固定在翻轉(zhuǎn)支架上，翻轉(zhuǎn)支架通過地腳螺栓固定在地面，電機(jī)轉(zhuǎn)軸一端設(shè)置一個(gè)安裝板，安裝板兩面分別裝有氣缸和吸盤，在工作過程中用于吸附待檢測(cè)木板，實(shí)現(xiàn)待測(cè)木板的翻轉(zhuǎn)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)軌5、滾珠絲杠6、滑塊螺母10、傳動(dòng)氣缸11、傳動(dòng)吸盤9、絲杠電機(jī)7以及傳動(dòng)支架22，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，通過翻轉(zhuǎn)支架上的絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，下方的導(dǎo)軌起導(dǎo)向作用。其中滑塊螺母上裝有氣缸和吸盤，用于將已翻轉(zhuǎn)木板吸附，由絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳輸至出料機(jī)構(gòu)，進(jìn)行木材另一面的檢測(cè)。

2 木材缺陷雙面檢測(cè)翻轉(zhuǎn)裝置的工作原理

圖2 木材檢測(cè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理三維示意圖

木材檢測(cè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理如圖2所示。前期，在木材圖像檢測(cè)過程前，操作者將待檢測(cè)木材放置于右側(cè)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪傳動(dòng)，通過應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)完成進(jìn)料檢測(cè)探頭后，木材繼續(xù)隨著帶傳動(dòng)傳輸。到達(dá)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的氣缸活塞桿伸出，吸盤牢牢吸附木材后，為了防止大尺寸木材與裝置碰觸，先啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)電機(jī)，電機(jī)軸帶動(dòng)氣缸、吸盤和安裝板轉(zhuǎn)動(dòng)180°，而后氣缸活塞桿收回，從而實(shí)現(xiàn)木材翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后氣缸、吸盤安裝板托舉木材，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到木材上方，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的氣缸活塞桿部分伸出帶動(dòng)吸盤伸出，吸盤觸及木材并將其吸附，此時(shí)翻轉(zhuǎn)吸盤釋放。傳動(dòng)吸盤緊緊吸附木材后，氣缸活塞桿收回，傳動(dòng)伺服電機(jī)啟動(dòng)，將木材運(yùn)送至出料機(jī)構(gòu)上方。定位后傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的氣缸活塞桿全部伸出帶動(dòng)吸盤伸出，將木材送及出料機(jī)構(gòu)傳輸帶上，傳輸吸盤釋放。木材置于出料機(jī)構(gòu)后，隨著出料機(jī)構(gòu)中的帶傳動(dòng)一起移動(dòng)并反向運(yùn)動(dòng)到出料機(jī)構(gòu)檢測(cè)探頭，實(shí)現(xiàn)木材表面缺陷的雙面檢測(cè)。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制

用于木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括對(duì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)四個(gè)部分的控制，要求在進(jìn)料機(jī)構(gòu)和出料機(jī)構(gòu)的過程中對(duì)木材實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理技術(shù)的檢測(cè)?？偟目刂颇K如圖3所示。

圖3 木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總控模塊圖

用于木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用PLC可編程實(shí)現(xiàn)智能控制，選用西門子S7-200小型可編程器功能最強(qiáng)的單元CPU226，并選用四個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)木材在進(jìn)料機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及出料機(jī)構(gòu)精確的速度位置控制，在進(jìn)料機(jī)構(gòu)和出料機(jī)構(gòu)的木材缺陷檢測(cè)探頭處安裝接近開關(guān)使木材運(yùn)輸在此處時(shí)停止運(yùn)輸并完成木材缺陷雙面檢測(cè)。其控制參數(shù)如表1所示，原理圖如圖4所示。

表1 木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)PLC控制參數(shù)

圖4 木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)PLC控制原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有木材圖像識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)只能進(jìn)行單面檢測(cè)的問題，給出了一種用于木材缺陷雙面檢測(cè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案與工作原理,并給出了該裝置的控制方案。將該機(jī)構(gòu)與木材表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)木材雙面檢測(cè)，對(duì)于進(jìn)一步的木材優(yōu)選等加工工藝有著顯著的作用。

[1] 朱光前.新的歷史環(huán)境下我國(guó)木材產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略[J].中國(guó)人造板,2014,(03):1-4.

[2] 趙勇.木材檢驗(yàn)對(duì)木材生產(chǎn)工作的重要性及提高策略[J].科學(xué)中國(guó)人,2014,(16):192.

[3] 郭繼龍,南生春,楊全文.木質(zhì)材料無損檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法[J].木材加工機(jī)械,2012,(06):51-55.

[4] 樸順姬,戚大偉,金雪婧.多尺度分形特征在木材內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].森林工程,2012,(05):56-59.

[5] Va′clav Sebera,et al.Using optical full-f i eld measurement based on digital image correlation to measure strain on a tree subjected to mechanical load [J].Tree, 2014. 28(4):1173-1184.

[6] S. Haldar, et al. Multi-scale mechanical characterization of palmetto wood using digital image correlation to develop a template for biologically-inspired polymer composites[J].Experimental Mechanics,2011,51(4):575-589.

[7] 謝志江,賈海軍,劉其南,王玉梅.潔凈環(huán)境下翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010,(11):3-5.