原木外輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程千晟， 何用輝， 卓書(shū)芳

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

我國(guó)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(guó)，但木材出材率和綜合利用率指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大的差距[1-3]。世界發(fā)達(dá)國(guó)家的木材綜合利用率一般均在80%以上，與此相比，我國(guó)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(shí)的極大浪費(fèi)與當(dāng)前木材原料的短缺極不協(xié)調(diào)[4]。原木檢尺長(zhǎng)、檢尺徑、長(zhǎng)徑和短徑是原木尺寸規(guī)格的重要指標(biāo)同時(shí)也是原木材積計(jì)算的重要依據(jù)，目前我國(guó)絕大多數(shù)木材加工企業(yè)都是采用人工檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量原木的外圍參數(shù)，這種方法常常由于測(cè)量人員的狀態(tài)、測(cè)量方法、測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的不同導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，而且人工測(cè)量很難兼顧原木的三維信息，更增加了測(cè)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(cè)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(lái)，邢力平等提出了利用角度傳感器測(cè)量圓木外形的測(cè)量方法，實(shí)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(cè)量方法[5]。安珍等提出利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢驗(yàn)?zāi)静牟姆e的方法，一定程度上提高了原木檢尺的自動(dòng)化，但對(duì)于原木的具體尺寸沒(méi)有進(jìn)行檢測(cè)[6]。關(guān)明山等利用激光對(duì)原木的外形尺寸進(jìn)行測(cè)量并實(shí)現(xiàn)了原木的三維重構(gòu)，但并未對(duì)所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[7]。

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

1 原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)要求

原木外形輪廓參數(shù)采集系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：①系統(tǒng)中原木運(yùn)送系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)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(zhǎng)、檢尺徑、長(zhǎng)徑、短徑；③該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能夠顯示與存儲(chǔ)，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(zhǎng)是指原木的長(zhǎng)度按照木材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定經(jīng)進(jìn)舍后確定的作為材積計(jì)算依據(jù)的長(zhǎng)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(jìn)舍后確定的作為材積計(jì)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(duì)象有原木的檢尺長(zhǎng)、檢尺徑，原木的大、小頭直徑以及相應(yīng)的長(zhǎng)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(jī)、傳動(dòng)鏈、傳動(dòng)鏈輪)、原木外形輪廓檢測(cè)裝置(測(cè)量傳感器、傳感器支架)、檢測(cè)與控制模塊(電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、通訊、單片機(jī))、電源模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理與顯示模塊組成。

本文采用紅外測(cè)距傳感器模塊作為檢測(cè)傳感器，它是一種用紅外線作為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短，其具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射和接收二極管，工作原理為利用紅外測(cè)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(hào)，然后通過(guò)CCD對(duì)發(fā)射與接收的時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9]。由信號(hào)處理器的計(jì)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(jì)

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(lái)輸送待檢測(cè)原木，保證原木勻速輸送過(guò)程中的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)原木外形輪廓參數(shù)的自動(dòng)采集。

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

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

為保證原木運(yùn)送過(guò)程中的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的原木V型鋸齒鏈板如圖3所示。原木V型鋸齒鏈板長(zhǎng)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(dòng)，V型設(shè)計(jì)可防止原木在運(yùn)送過(guò)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(jìn)，鏈板直接與原木表面接觸，是原木輸送裝置中一個(gè)重要的零件，下面利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)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(lèi)型文件導(dǎo)出，接著導(dǎo)入到ANSYS靜力學(xué)分析模塊中，并對(duì)模型定義材料屬性，同時(shí)進(jìn)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(guò)程中不發(fā)生傾斜與轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(jì)厚度為6 mm，在對(duì)其進(jìn)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(jiàn)表1。

表1 Q235鋼材料特性

(3)進(jìn)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(duì)鏈板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成了3 228個(gè)節(jié)點(diǎn)，生成單元9 571個(gè)，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(jìn)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(shí)還受到一個(gè)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(duì)鏈板8個(gè)定位孔添加固定約束，對(duì)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(shí)，最大位移發(fā)生在鏈板中部，其值為0.048 477 mm，說(shuō)明載荷對(duì)鏈板造成的變形量很小，對(duì)原木運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性基本無(wú)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(jì)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(shuō)明鏈板安全，因此所設(shè)計(jì)的V型原木鋸齒鏈板滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 原木外形輪廓檢測(cè)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(cè)模塊構(gòu)成。檢測(cè)模塊由8個(gè)紅外測(cè)距傳感器與檢測(cè)裝置機(jī)架兩部分構(gòu)成。根據(jù)被檢測(cè)原木直徑范圍及紅外測(cè)距傳感器工作距離，設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示，機(jī)架高100 cm、寬60 cm，8個(gè)傳感器均布安裝在正八邊形傳感器支架八條邊的中點(diǎn)位置。

圖9 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)1.輸送裝置；2.傳感器；3.防護(hù)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(jì)

3.1 輸送裝置控制模塊設(shè)計(jì)

輸送裝置控制模塊電路是單片機(jī)和輸送電機(jī)的連接電路以及單片機(jī)和按鍵的連接電路；本文選用STM32單片機(jī)作為控制的核心，工作電壓5 V，選用86HBS85步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，該電機(jī)工作電壓為36 V，由HBS860H型驅(qū)動(dòng)器提供脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，脈沖由STM32單片機(jī)數(shù)字輸入/輸出接口提供，原木輸送速度可通過(guò)速度調(diào)節(jié)按鈕進(jìn)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)，編譯后下載到STM32單片機(jī)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(jì)

本文原木外輪廓參數(shù)采集裝置執(zhí)行器采用型號(hào)為GP2Y0A02YK0F的紅外距離測(cè)量傳感器模塊，如圖12所示，采用三角測(cè)量的方法獲取采樣點(diǎn)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(cè)到，于是獲得一個(gè)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(jī)和檢測(cè)傳感器的連接電路，以及單片機(jī)和上位機(jī)的連接電路，具體接線如圖13所示，單片機(jī)與上位機(jī)選用RS485串口通訊。

圖12 三角測(cè)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(guò)程。

4 結(jié)論

本文基于原木檢尺工藝，通過(guò)模塊設(shè)計(jì)法對(duì)原木外輪廓參數(shù)進(jìn)行采集，進(jìn)行了功能分析與求解，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了原木輸送裝置、原木外輪廓參數(shù)采集裝置，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)編程設(shè)計(jì)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(jì)提高了原木參數(shù)檢測(cè)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(duì)于不同彎曲程度的原木外輪廓尺寸檢測(cè)還有待進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)。

圖14 參數(shù)采集裝置控制流程圖