原木外輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計

程千晟， 何用輝， 卓書芳

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350002)

我國是全球最大的木業(yè)加工、木制品生產(chǎn)基地和最主要的木制品加工出口國，但木材出材率和綜合利用率指標(biāo)與發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距[1-3]。世界發(fā)達(dá)國家的木材綜合利用率一般均在80%以上，與此相比，我國木材出材率大約為61%，木材綜合利用率在63%左右，木材加工時的極大浪費與當(dāng)前木材原料的短缺極不協(xié)調(diào)[4]。原木檢尺長、檢尺徑、長徑和短徑是原木尺寸規(guī)格的重要指標(biāo)同時也是原木材積計算的重要依據(jù)，目前我國絕大多數(shù)木材加工企業(yè)都是采用人工檢測的方法來測量原木的外圍參數(shù)，這種方法常常由于測量人員的狀態(tài)、測量方法、測量經(jīng)驗的不同導(dǎo)致測量誤差較大，而且人工測量很難兼顧原木的三維信息，更增加了測量的不準(zhǔn)確性，這也是導(dǎo)致原木材積利用率低下的重要原因，此外人工檢測方法也不適應(yīng)現(xiàn)代化木材加工流水線的生產(chǎn)節(jié)奏。近年來，邢力平等提出了利用角度傳感器測量圓木外形的測量方法，實現(xiàn)了原木三維數(shù)據(jù)的采集，但是這種方法屬于接觸式測量方法[5]。安珍等提出利用計算機視覺檢驗?zāi)静牟姆e的方法，一定程度上提高了原木檢尺的自動化，但對于原木的具體尺寸沒有進行檢測[6]。關(guān)明山等利用激光對原木的外形尺寸進行測量并實現(xiàn)了原木的三維重構(gòu)，但并未對所測量的結(jié)果進行驗證[7]。

基于此，設(shè)計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)原木外形輪廓參數(shù)自動采集的裝備系統(tǒng)，以此提高原木外形檢測的準(zhǔn)確性從而提高原木材積利用率，降低勞動成本。本文采用紅外傳感器對原木外形輪廓參數(shù)進行測量，并進行誤差分析選取較優(yōu)方案實現(xiàn)原木外形輪廓參數(shù)的自動檢測。

1 原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計要求

原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)試驗應(yīng)滿足以下幾點要求：①系統(tǒng)中原木運送系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行以保證參數(shù)采集的準(zhǔn)確性；②參數(shù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集原木的外形尺寸，包括檢尺長、檢尺徑、長徑、短徑；③該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能夠顯示與存儲，方便工作人員查看和后期做處理分析。

1.2 原木外形參數(shù)采集的工作原理

原木檢尺長是指原木的長度按照木材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定經(jīng)進舍后確定的作為材積計算依據(jù)的長度分檔尺寸。原木檢尺徑是指原木的直徑按照木材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定經(jīng)進舍后確定的作為材積計算依據(jù)的直徑分檔尺寸[8]。參數(shù)采集裝置主要采集的數(shù)據(jù)對象有原木的檢尺長、檢尺徑，原木的大、小頭直徑以及相應(yīng)的長徑、短徑?；谏鲜鲆螅岢鲈搮?shù)采集系統(tǒng)的原理框架圖如圖1所示，由原木輸送裝置(V型鋸齒原木托枕、輸送電機、傳動鏈、傳動鏈輪)、原木外形輪廓檢測裝置(測量傳感器、傳感器支架)、檢測與控制模塊(電機驅(qū)動器、通訊、單片機)、電源模塊和上位機數(shù)據(jù)處理與顯示模塊組成。

本文采用紅外測距傳感器模塊作為檢測傳感器，它是一種用紅外線作為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，測量范圍廣，響應(yīng)時間短，其具有一對紅外信號發(fā)射和接收二極管，工作原理為利用紅外測距傳感器發(fā)射出一束紅外光，遇到物體后反射，當(dāng)反射光回到傳感器后傳感器接收到信號，然后通過CCD對發(fā)射與接收的時間差數(shù)據(jù)進行處理[9]。由信號處理器的計算結(jié)果判斷物體與傳感器的距離[10]，該傳感器量程大，頻率響應(yīng)高，適用于工業(yè)環(huán)境中。

圖1 原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)工作原理框圖

2 原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 原木輸送裝置

原木輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其用來輸送待檢測原木，保證原木勻速輸送過程中的穩(wěn)定性，實現(xiàn)原木外形輪廓參數(shù)的自動采集。

圖2 原木輸送裝置結(jié)構(gòu)1.機架；2.張緊裝置；3.V型輸送鏈板；4.輸送鏈條；5.電機；6.減速器

根據(jù)原木運輸速度及所需承載的阻力選用86HBS85型步進電機，輸送裝置采用鏈?zhǔn)絺鲃?，為保證原木輸送過程中不發(fā)生傾斜及轉(zhuǎn)動，設(shè)計V型鋸齒原木托枕，托枕通過螺栓固定在帶耳鏈條上，通過鏈條的運動進行原木輸送。

為保證原木運送過程中的穩(wěn)定性，設(shè)計的原木V型鋸齒鏈板如圖3所示。原木V型鋸齒鏈板長270 mm、寬35 mm、高65 mm，鋸齒環(huán)抱于原木表面，可有效防止原木的轉(zhuǎn)動，V型設(shè)計可防止原木在運送過程中發(fā)生偏移。

圖3 原木V型鋸齒鏈板

V型原木鋸齒鏈板用于支撐原木，保證原木平穩(wěn)行進，鏈板直接與原木表面接觸，是原木輸送裝置中一個重要的零件，下面利用有限元分析軟件對其進行靜力學(xué)分析[11]。本文所采用的分析軟件為ANSYS17.0，首先利用Creo4.0建立V型原木鋸齒鏈板的三維模型，然后將模型以Parasolid(*.x_t)類型文件導(dǎo)出，接著導(dǎo)入到ANSYS靜力學(xué)分析模塊中，并對模型定義材料屬性，同時進行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型。

(1)建立鏈板三維模型：利用Creo4.0建立V型原木鋸齒鏈板三維模型如圖4所示，鏈板呈V型帶齒狀，保證原木在輸送過程中不發(fā)生傾斜與轉(zhuǎn)動。

圖4 V型鋸齒鏈板三維模型

(2)定義材料屬性：V型原木鋸齒鏈板設(shè)計厚度為6 mm，在對其進行有限元靜力分析之前首先定義其材料為Q235鋼，其相關(guān)特性參數(shù)見表1。

表1 Q235鋼材料特性

(3)進行網(wǎng)格劃分：ANSYS17.0提供了自適應(yīng)劃分、網(wǎng)格映射劃分、尺寸控制劃分和掃掠劃分等多種網(wǎng)格劃分方法[12]。網(wǎng)格劃分是鏈板靜力分析的重要步驟[13]。由于V型原木鋸齒鏈板表面較為復(fù)雜，本文采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方法對鏈板進行網(wǎng)格劃分，共生成了3 228個節(jié)點，生成單元9 571個，鏈板網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 鏈板網(wǎng)格劃分結(jié)果

(4)定義約束及施加載荷：輸送裝置載著原木沿水平方向勻速進給，原木表面與鏈板鋸齒部直接接觸，因此受到原木垂直向下的重力作用，同時還受到一個向后的靜摩擦力。確定鏈板鋸齒部位法向受力1 000 N，橫向受力800 N。鏈板約束及載荷分布如圖6所示，對鏈板8個定位孔添加固定約束，對鋸齒及鏈板橫向面施加載荷。

(5)分析結(jié)果：鏈板位移云圖如圖7所示，由圖可得當(dāng)鏈板承載原木時，最大位移發(fā)生在鏈板中部，其值為0.048 477 mm，說明載荷對鏈板造成的變形量很小，對原木運輸?shù)姆€(wěn)定性基本無影響。

鏈板應(yīng)力分布云圖如圖8所示，由圖8可知，鏈板所受應(yīng)力較大部位分布在鏈板中部與螺栓孔周邊，其最大值為0.832 679 MPa。

圖7 鏈板位移云圖

圖8 鏈板的應(yīng)力分布云圖

鏈板在靜力作用下的安全系數(shù)計算如下：

式中：S為安全系數(shù)；σlim為材料極限應(yīng)力(MPa)；σ為最大應(yīng)力(MPa)。

Q235鋼的許用安全系數(shù)取[S]=1.5，則S>[S]說明鏈板安全，因此所設(shè)計的V型原木鋸齒鏈板滿足設(shè)計要求。

2.2 原木外形輪廓檢測裝置

原木外輪廓參數(shù)采集裝置由數(shù)據(jù)采集控制模塊和檢測模塊構(gòu)成。檢測模塊由8個紅外測距傳感器與檢測裝置機架兩部分構(gòu)成。根據(jù)被檢測原木直徑范圍及紅外測距傳感器工作距離，設(shè)計的檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示，機架高100 cm、寬60 cm，8個傳感器均布安裝在正八邊形傳感器支架八條邊的中點位置。

圖9 檢測裝置結(jié)構(gòu)1.輸送裝置；2.傳感器；3.防護罩；4.傳感器支架；5.數(shù)據(jù)采集控制模塊

3 原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)控制設(shè)計

3.1 輸送裝置控制模塊設(shè)計

輸送裝置控制模塊電路是單片機和輸送電機的連接電路以及單片機和按鍵的連接電路；本文選用STM32單片機作為控制的核心，工作電壓5 V，選用86HBS85步進電機作為動力源，該電機工作電壓為36 V，由HBS860H型驅(qū)動器提供脈沖信號驅(qū)動，脈沖由STM32單片機數(shù)字輸入/輸出接口提供，原木輸送速度可通過速度調(diào)節(jié)按鈕進行調(diào)節(jié)。輸送裝置控制模塊電路如圖10所示。

圖10 輸送裝置控制模塊電路

系統(tǒng)控制程序采用C語言開發(fā)，編譯后下載到STM32單片機中，輸送裝置控制流程如圖11所示。

圖11 輸送裝置控制流程圖

3.2 參數(shù)采集裝置控制模塊設(shè)計

本文原木外輪廓參數(shù)采集裝置執(zhí)行器采用型號為GP2Y0A02YK0F的紅外距離測量傳感器模塊，如圖12所示，采用三角測量的方法獲取采樣點坐標(biāo)值，紅外發(fā)射器按既定角度a發(fā)出紅外光。當(dāng)發(fā)出的光碰到原木后，光線將發(fā)生反射回到傳感器，其中紅外光線將被CCD檢測到，于是獲得一個偏移量L，結(jié)合光線發(fā)出的角度a、偏移的距離L、濾鏡的焦距f，以及中心距X[14]，由三角關(guān)系可得物體與傳感器的距離D。

參數(shù)采集模塊電路是單片機和檢測傳感器的連接電路，以及單片機和上位機的連接電路，具體接線如圖13所示，單片機與上位機選用RS485串口通訊。

圖12 三角測量法原理示意圖

圖13 參數(shù)采集模塊電路

參數(shù)采集裝置控制流程如圖14所示，該流程描述了原木外輪廓參數(shù)采集的過程。

4 結(jié)論

本文基于原木檢尺工藝，通過模塊設(shè)計法對原木外輪廓參數(shù)進行采集，進行了功能分析與求解，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計了原木輸送裝置、原木外輪廓參數(shù)采集裝置，同時通過單片機編程設(shè)計了原木輸送裝置、原木外輪廓參數(shù)采集裝置的控制系統(tǒng)。該設(shè)計提高了原木參數(shù)檢測精度和效率，有利于降低原木加工生產(chǎn)成本，為木材制品后續(xù)加工奠定一定基礎(chǔ)。但對于不同彎曲程度的原木外輪廓尺寸檢測還有待進一步研究與開發(fā)。

圖14 參數(shù)采集裝置控制流程圖