田振成，王繼榮，王士華，時(shí)連文，代相伍

(青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，勞動(dòng)力密集型的生產(chǎn)模式已不適用于當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。由于勞動(dòng)成本的增加和制造業(yè)市場的發(fā)展緩慢，使得企業(yè)必須對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造，減少人工的參與，降低成本，鞏固產(chǎn)品在市場中的地位。德國威力集團(tuán)生產(chǎn)的優(yōu)選橫截鋸改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但其售價(jià)過于昂貴[1]，未能在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。國內(nèi)的江佳、瑞力特、優(yōu)必選等企業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)選橫截鋸以售價(jià)低，效率高，質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)廣泛應(yīng)用，但這些優(yōu)選橫截鋸只能實(shí)現(xiàn)木材的橫截鋸切。為了降低創(chuàng)業(yè)公司、小型企業(yè)的勞動(dòng)成本，從增加產(chǎn)品功能的多樣性角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種新型的優(yōu)選橫截鋸。使優(yōu)選橫截鋸能從多個(gè)角度切割，而不僅僅橫截鋸切，使設(shè)備能夠做到一機(jī)多用。

1 優(yōu)選橫截鋸的工作原理

干燥的木材需要經(jīng)過刨削、縱切，橫截等流程[2]才能成為制作木門、地板等產(chǎn)品的毛料。在橫截的工藝中，采用優(yōu)選橫截鋸不僅可以將木材橫截，還能剔除掉木材的結(jié)疤、缺陷等瑕疵。國內(nèi)的大部分優(yōu)選橫截鋸采用識(shí)別熒光粉的原理自動(dòng)鋸切木材。工人將木材搬到畫線區(qū)[3]，采用特制的熒光粉筆對(duì)木材的各部分標(biāo)記質(zhì)量等級(jí)和對(duì)需要剔除掉的疤痕、缺陷的橫向邊界畫線，然后再將畫好線的木材放到傳送帶上，傳送帶上的傳感器對(duì)熒光粉進(jìn)行識(shí)別并將數(shù)據(jù)傳入到電腦中，電腦根據(jù)畫線的位置讓裝載鋸片的氣缸按要求推出和退回活塞桿，使一直旋轉(zhuǎn)的鋸片按照要求實(shí)現(xiàn)進(jìn)給、鋸切。

本文設(shè)計(jì)的優(yōu)選橫截鋸引入機(jī)器視覺和基于深度學(xué)習(xí)的智能木料檢測方法，采用機(jī)器視覺將木材的具體情況變成圖像，通過電腦的智能算法自動(dòng)識(shí)別圖像的缺陷和自動(dòng)劃分木材的等級(jí)。這樣，在鋸切的過程中就無須人工干預(yù)，不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也避免了因工人狀態(tài)不好等原因造成木材評(píng)級(jí)錯(cuò)誤等材料浪費(fèi)的現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)的優(yōu)選橫截鋸預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)鋸切一米的木材精度為±1 mm，最大鋸切厚度為100 mm×100 mm(寬×高)，最小鋸切厚度為200 mm×30 mm，最小鋸切長度為100 mm。

2 優(yōu)選橫截鋸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)選橫截鋸的三維模型如圖1所示，木材從木料檢測機(jī)構(gòu)出來后進(jìn)入到優(yōu)選橫截鋸的工作臺(tái)面上，進(jìn)給輪帶動(dòng)木材向前移動(dòng)，根據(jù)木料檢測機(jī)構(gòu)的自動(dòng)識(shí)別結(jié)果，PLC控制鋸片進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋸片進(jìn)給，完成木材的鋸切。根據(jù)不同的木材厚度，可以調(diào)節(jié)進(jìn)給輪的高度，從而完成不同厚度的木材鋸切。因此，本文設(shè)計(jì)的優(yōu)選橫截鋸主要分為鋸片鋸切機(jī)構(gòu)、鋸片進(jìn)給機(jī)構(gòu)和木材進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

圖1 優(yōu)選橫截鋸的三維模型

2.1 鋸片鋸切機(jī)構(gòu)

采用同步帶傳動(dòng)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速、動(dòng)力傳遞到鋸片所在軸上，一般鋸切木材的轉(zhuǎn)速為3 400 r/min。無論鋸片是處于鋸切還是不鋸切的狀態(tài)，鋸片都要始終保持旋轉(zhuǎn)，通過對(duì)鋸片切削力的計(jì)算和鋸片需要長期轉(zhuǎn)動(dòng)等特點(diǎn)，選用了5.5 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)。

由于在鋸切的過程中，同步帶輪之間的中心距隨鋸片的位置始終在發(fā)生變化，當(dāng)中心距瞬間變小時(shí)，同步帶會(huì)發(fā)生打滑或脫離同步帶輪的現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象設(shè)計(jì)了同步帶的張緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)配重塊的重量足夠時(shí)，利用杠桿原理使張緊輪能夠始終支撐和張緊同步帶。當(dāng)同步帶因長時(shí)間工作而變松時(shí)，可以調(diào)節(jié)張緊調(diào)節(jié)桿在機(jī)架中的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步帶的張緊(見圖2)。

圖2 鋸片鋸切機(jī)構(gòu)

2.2 鋸片進(jìn)給機(jī)構(gòu)

本文基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了鋸片的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，采用伺服電機(jī)控制主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄采用一對(duì)外嚙合齒輪實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于普通桿件，一對(duì)外嚙合齒輪具有轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成機(jī)構(gòu)的停止等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 木材進(jìn)給機(jī)構(gòu)

當(dāng)木材進(jìn)入到工作臺(tái)時(shí)，氣缸推出活塞缸，使壓緊輪壓緊木材。同時(shí)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過鏈條帶動(dòng)各鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪的另一面與進(jìn)給輪同軸，鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)進(jìn)給輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使木材往前運(yùn)行。增加了壓緊輪和進(jìn)給輪的數(shù)量，減小了輪與輪之間的間距，使其盡可能地運(yùn)輸長度較小的木材。為了鋸切不同厚度的木材，將機(jī)體斷開、分為豎直方向的工作安裝面和水平方向的工作臺(tái)，工作安裝面與滾珠絲杠固定連接，滾珠絲杠的螺母與水平的工作臺(tái)面固定。由于螺母固定不動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)手輪只能讓豎直的工作安裝面隨滾珠絲杠一起繞水平工作面做相對(duì)的上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)進(jìn)給輪的高度，實(shí)現(xiàn)鋸切不同厚度的木材鋸切(見圖3)。

圖3 木材進(jìn)給機(jī)構(gòu)的正面

本文設(shè)計(jì)的優(yōu)選橫截鋸可以實(shí)現(xiàn)多角度鋸切。為了降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，在工作臺(tái)上靠近鋸片的位置留有一定深度的凹槽，將帶有角度刻度的靠尺固定板放入到凹槽內(nèi)，并用螺釘緊固。并用螺釘將靠尺固定在所需角度處。當(dāng)木材進(jìn)給時(shí)，通過靠尺的側(cè)面改變木材的進(jìn)給方向從而實(shí)現(xiàn)木材的任意角度斜切。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的優(yōu)選橫截鋸不僅采用了機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)等高自動(dòng)化水平的技術(shù)、方法，還改變了傳統(tǒng)的優(yōu)選橫截鋸單一的鋸切方向，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的切割，提高了設(shè)備功能的多樣性，降低了企業(yè)的勞動(dòng)成本。但仍有不足之處，該設(shè)計(jì)的任意角度切割的效率遠(yuǎn)不如橫截的效率高。