陳衛(wèi)軍

摘要：森林資源的日益匱乏，對(duì)木材資源的綜合高效益利用已成為擺在木工設(shè)備制造業(yè)和木材加工業(yè)面前的重要課題。傳統(tǒng)木材旋切單板是采用有卡旋切，但是有卡旋切存在卡心，剩余木心大，還常發(fā)生讓刀和跳刀現(xiàn)象，所旋出板材厚度誤差很大，價(jià)值很低。因此圓木直徑較小時(shí)無法旋切，只好把木心制成木工心板，價(jià)值很低，造成圓木的大量浪費(fèi)，利用率低。為提高其利用率，無卡旋切機(jī)成為首選。為了解決無卡軸旋切機(jī)圓木旋切過程中進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)速與刀刃所處水平位置的數(shù)學(xué)模型計(jì)算耗時(shí)的問題。對(duì)無卡軸旋切機(jī)工作特點(diǎn)進(jìn)行了分析。并通過對(duì)旋切過程中刀床進(jìn)給速度與旋切木芯直徑數(shù)學(xué)關(guān)系的推導(dǎo)，得出結(jié)論：旋切過程中刀床進(jìn)給速度必須以一定規(guī)律增加，以保證旋切機(jī)正常工作。時(shí)代的變遷，人工成本不斷上升，讓旋出的皮子自動(dòng)裁剪出所需長(zhǎng)度，同時(shí)要求最后一張皮子完整的。是本文的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無卡旋切機(jī)；刀床變速進(jìn)給；尾張整張；單片機(jī)；自學(xué)習(xí)；ARM

引言

無卡軸旋切機(jī)由于沒有卡軸所以剩余木芯直徑小，提高了木材使用率，我國(guó)單板旋切設(shè)備的發(fā)展方向。決定無卡軸旋切機(jī)加工精度的關(guān)鍵是進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，進(jìn)給系統(tǒng)主要有液壓和絲桿兩種驅(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)由于加工均勻性差以及無法加工薄板而逐漸被淘汰；而絲桿驅(qū)動(dòng)由于主軸轉(zhuǎn)速、原木外徑、切削厚度、絲桿螺距和齒輪傳動(dòng)比等參量之間存在著復(fù)雜的關(guān)系，所以在加工過程中，隨著被加工原木直徑的變化，如何正確修正進(jìn)給速度是其技術(shù)關(guān)鍵。無卡軸旋切機(jī)變速進(jìn)給與恒線速旋切的問題目前國(guó)內(nèi)已有許多研究，并取得了一定的成果，然而大多數(shù)無卡軸旋切機(jī)都采用單片機(jī)作為主控CPU，由于單片機(jī)的運(yùn)算速度較低，復(fù)雜的運(yùn)算會(huì)占用CPU許多運(yùn)算時(shí)間，很難滿足旋切刀具快速變速的要求。為此，本文在推導(dǎo)圓木旋切過程中進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)速與刀刃所處水平位置數(shù)學(xué)模型的同時(shí)，并采用時(shí)下性價(jià)比較高的ARM作為主控，對(duì)絲桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得出了簡(jiǎn)單且便于運(yùn)算的擬合函數(shù)。對(duì)尾張采用模糊算法，對(duì)旋切出來的皮子進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

1 無卡軸旋切一體原理介紹

1.1 無卡軸旋切機(jī)簡(jiǎn)介

旋切機(jī)由機(jī)座、雙輥系統(tǒng)、單輥系統(tǒng)、刀架、傳動(dòng)系統(tǒng)，側(cè)刀系統(tǒng)，傳送帶和電氣系統(tǒng)等組成，主要是用于對(duì)圓木的加工，將一定長(zhǎng)度和直徑的木段加工成連續(xù)的單板帶，經(jīng)剪切后成為一定規(guī)格的單板。一般來說，剪切出來的單板必須是完整的，且都有嚴(yán)格的厚度和長(zhǎng)度要求。如圖1所示：

旋切機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件示意圖：（如圖2）

1.2 旋切機(jī)的動(dòng)作過程

撥動(dòng)啟動(dòng)開關(guān)后，啟動(dòng)控制器開始工作，默認(rèn)壓輥電機(jī)先啟動(dòng)（由變頻器輸出繼電器控制壓輥電機(jī)接觸器）。

壓輥電機(jī)啟動(dòng)后，再次按下啟動(dòng)開關(guān)，變頻器開始工作，使絲桿電機(jī)啟動(dòng)，如按下快進(jìn)開關(guān)則按快進(jìn)速度進(jìn)刀，否則按圓木實(shí)際直徑計(jì)算速度進(jìn)刀（通過絲桿電機(jī)編碼器的輸入得到刀臺(tái)位移量，計(jì)算出圓木實(shí)際直徑，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型得到絲桿電機(jī)的進(jìn)給速度）。

絲桿電機(jī)在進(jìn)刀時(shí)，如果按下快退開關(guān)，則立即快速退刀，在退刀或按圓木直徑計(jì)算進(jìn)刀時(shí)，如果按下快進(jìn)開關(guān)，則立即快速進(jìn)刀。

1.3 控制器電氣圖

（見圖3）

2 計(jì)算理論推導(dǎo)

2.1 刀臺(tái)進(jìn)給計(jì)算理論

2.1.1 無卡軸旋切機(jī)的工作原理

如圖4所示，D為待加工原木。A、B為固定驅(qū)動(dòng)輥，C為進(jìn)給壓尺輥，E為旋切刀片。工作時(shí)三個(gè)輥把待加工原木D抱緊并在同步轉(zhuǎn)動(dòng)的固定驅(qū)動(dòng)輥A、B帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中由旋切刀片切削出成品薄板。由于在旋切中待加工原木D被逐漸切削成薄板，因此直徑越來越小，這就要求旋切刀片E與壓尺輥c在切削中以速度V同步進(jìn)給。假設(shè)驅(qū)動(dòng)輥與圓木問無相對(duì)滑動(dòng)，為了旋切出厚度均勻的單板，圓木表面的線速度必須保持恒定，旋切刀片與進(jìn)給壓尺輥進(jìn)給速度V在旋切過程中必須以一定的規(guī)律連續(xù)變化，即進(jìn)給速度V是旋切刀片E與壓尺輥c的進(jìn)給量x的函數(shù)。

對(duì)于絲桿驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式，旋切刀片E與壓尺輥c的進(jìn)給量x是通過驅(qū)動(dòng)絲桿交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，也就是說，進(jìn)給速度V的變化實(shí)際上就是驅(qū)動(dòng)絲桿交流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化，我們要解決的問題實(shí)質(zhì)就是要找出電機(jī)轉(zhuǎn)速N與給進(jìn)量x的函數(shù)關(guān)系：

N= fn（x）

2.1.2 刀具變速進(jìn)給模型

建立如圖4所示的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為固定驅(qū)動(dòng)輥A、B中心連線的中點(diǎn)，旋切刀片E刃尖坐標(biāo)為（X，0），即在X軸上。，設(shè)驅(qū)動(dòng)輥A、B，壓尺輥C，直徑為D（mm）、轉(zhuǎn)速為n0（r/min）；原木直徑為φ（mm）、轉(zhuǎn)速為n（r/min）；旋切單板厚度為S（mm）；驅(qū)動(dòng)輥A、B間中心距為a（mm）；刀床進(jìn)給速度為V（mm/min），切削出的單板厚度為S（mm）。假定驅(qū)動(dòng)輥與圓木無相對(duì)滑動(dòng)，則其表面線速度相等，即：

d·no=D·n

也就是說，在旋切過程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速n0（r/min）恒定不變的情況下，原木（木芯）的轉(zhuǎn)速n（r/min）隨原木（木芯）直徑的不斷變小而變大。

旋切原木（木芯）時(shí)，旋切刀刃在驅(qū)動(dòng)輥A、B的對(duì)稱中心平面上，原木旋切點(diǎn)（旋切刀刃）的水平坐標(biāo)

即，為保證旋切單板厚度，要求刀床進(jìn)給速度v應(yīng)滿足上式。從上式可以看出，在D、a、S確定的情況下，刀床進(jìn)給速度v與原木直徑有關(guān)，在旋切過程中越來越小，v隨之越來越大。假若從進(jìn)給電機(jī)到進(jìn)給絲杠的傳動(dòng)比為i，進(jìn)給絲杠的螺距為t，則，進(jìn)給電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速N應(yīng)滿足下式：

2.1.3 刀床變速進(jìn)給的實(shí)現(xiàn)

從以上推算可看出，在旋切過程中，刀床進(jìn)給速度v隨原木直徑的不斷變小而變大，這一點(diǎn)是無卡軸旋切機(jī)實(shí)現(xiàn)正常旋切和保證旋切精度的關(guān)鍵所在。可通過機(jī)械的方法，也可通過電器控制等方法實(shí)現(xiàn)刀床進(jìn)給速度v隨原木直徑的不斷變小而變大。目前，利用電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)通過機(jī)電一體化的方法已成功地實(shí)現(xiàn)刀床進(jìn)給速度隨原木直徑的不斷變小而變大。

2.2 無卡軸旋切機(jī)剪板工作原理

在開始旋切圓木后，控制器計(jì)算旋切木塊的長(zhǎng)度并輸出信號(hào)啟動(dòng)分切機(jī)變頻器進(jìn)行切割，鍘刀變頻器切割完成后碰到光電開關(guān)自動(dòng)停止。當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定的切割長(zhǎng)度時(shí)，控制器再次輸出信號(hào)控制鍘刀變頻器進(jìn)行切割，然后再次開始計(jì)算長(zhǎng)度，依次循環(huán)。鍘刀變頻器的停止信號(hào)由光電開關(guān)/行程開關(guān)的開關(guān)量輸入給定。

3 電原理圖設(shè)計(jì)

3.1 整體框圖設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)需求如下：

3.2 各部件電路設(shè)計(jì)

編碼器接口電路是接收刀臺(tái)行程位置的重要數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到后續(xù)設(shè)計(jì)精度，所以在選用編碼器時(shí)選用1024線的編碼器并采用差分輸出接口，具備抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。按照上面計(jì)算的理論的，木頭超小，行進(jìn)的速度超快，當(dāng)?shù)竭^最小木心時(shí)（27MM），旋切厚度為2MM時(shí)，電機(jī)的速度達(dá)3000轉(zhuǎn)/分鐘，變頻器運(yùn)行頻率達(dá)100Hz，編碼器的輸出信號(hào)2M的速度。因此在選用隔離光耦時(shí)選用AVAGO的M600型高速光耦，速度達(dá)5M。為高精度設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，接口電路設(shè)計(jì)如圖6：

IO的輸入電路接口要求輸入信號(hào)可靠、穩(wěn)定、無毛策、簡(jiǎn)單，并且成本要低，設(shè)計(jì)如下：

電源的輸入直接采用變頻器的24V輸出，再由24V轉(zhuǎn)換出3。

3V供系統(tǒng)工作用，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及安全性，采用LM2576開關(guān)電源芯片，它具有轉(zhuǎn)換效率高，外圍器件少，輸出電源紋波小，輸出電流大，（可達(dá)5A）等特點(diǎn)。電路圖如圖8。

主控CPU的選擇上要求有3路UART接口，2路高速脈沖計(jì)數(shù)接口，以及若干個(gè)I/O口，綜合以上因素，選擇了STM32F100C8的芯片。如圖9：

5 總結(jié)

經(jīng)過山東的客戶和河北的客戶實(shí)際測(cè)試，單板厚度小于1mm，單板的誤差小于0.15mm，單板厚度在1.2到2.0之間，單板的誤差在0.2mm之內(nèi)。滿足客戶的要求。尾張出整張誤差在3mm左右。遠(yuǎn)小于客戶要求的5mm誤差。

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