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(jìn)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(jī)對單板進(jìn)行修補。圖1的單板挖補機(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(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)薄板挖補機(jī)也只能做到?jīng)_出挖補形狀和補塊，仍需由人工進(jìn)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(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(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(xiàn)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?。與摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)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(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算機(jī)，由計算機(jī)對捕獲的木板圖像進(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的中心點坐標(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(biāo)與鉆孔刀具坐標(biāo)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(biāo)與鉆孔刀具坐標(biāo)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(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(jìn)行烘干，烘干后使用打磨裝置對接合處進(jìn)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(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過控制電機(jī)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(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，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(jìn)行智能挖補時，需要對缺陷進(jìn)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(dǎo)向以及限制自由度，在絲杠左右平行布置圓柱滑動導(dǎo)軌和菱形滑動導(dǎo)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(jī)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(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)刀盤組件挖補機(jī)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(jìn)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(jī)內(nèi)，控制系統(tǒng)準(zhǔn)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(jī)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(jī)構(gòu)工作原理如圖8所示。伺服電機(jī)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(dǎo)軌和菱形導(dǎo)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動下繞內(nèi)齒輪的軸線轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)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(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(jìn)電機(jī)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(dǎo)軌和菱形導(dǎo)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(dǎo)桿在齒輪齒條機(jī)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(dǎo)軌和菱形導(dǎo)軌向待處理木板方向移動，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)行烘干處理；烘干完畢后，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(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(qiáng)的單元CPu226AC/DC/繼電器24DI/16DO?？刂葡到y(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(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(jī)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(jī)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(jìn)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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