基于光纖傳感器的機(jī)械板材深度修整裝置

王晨 李東民

山東科技大學(xué)智能裝備學(xué)院 山東 泰安 271000

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究發(fā)展?fàn)顩r

目前與該產(chǎn)品類似的有校平機(jī)，我國校正裝備的研制始于70年代初經(jīng)過30多年的發(fā)展，在國家大力支持下，引進(jìn)了美、英、日、法、瑞典等國先進(jìn)校正技術(shù)，對原有的校正裝備進(jìn)行改造。從校正機(jī)設(shè)計(jì)水平到生產(chǎn)制造能力，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到亞洲先進(jìn)水平。其中山東省博興縣隆泰鍛壓設(shè)備有限公司的不銹鋼校平機(jī)較為先進(jìn)，有故障少、壽命長、較耐用等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足：設(shè)備較大、在對桌板孔洞填補(bǔ)等小場合中操作不方便、移動(dòng)過程中穩(wěn)定性不夠、整機(jī)分量重、制形本錢高、價(jià)格貴等。

1.2 國外研究發(fā)展?fàn)顩r

國外校正機(jī)械自20世紀(jì)70年代以來發(fā)生了巨大變化，這些變化可概括為下述3個(gè)主要方面[1]：①校正機(jī)械由自動(dòng)化初級階段走向高級階段。②校正機(jī)械向精密成形化發(fā)展。③校正機(jī)械注重向環(huán)保方向發(fā)展。

國外市場中英國Nu-Tech Engineering校平機(jī)有限公司的校平機(jī)較為優(yōu)秀，有適用范圍較廣泛、高精度、較耐用等優(yōu)點(diǎn)，但存在著成本較高、平整性較差、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易操作的缺點(diǎn)。

1.3 研究優(yōu)勢

由于我國對機(jī)械加工的重視程度逐漸增大，機(jī)械加工板材表面修整裝置的設(shè)計(jì)也會(huì)日趨完善?？v觀當(dāng)下板材修整裝置，都存在著不足之處：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，隨著新技術(shù)在各個(gè)方面上的運(yùn)用，不斷完善，加入新的元素，簡化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，使其功能和性能更加突出，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，使其更能滿足機(jī)械加工的要求。該裝置具有設(shè)備輕便、結(jié)構(gòu)簡單、有較高的穩(wěn)定性、成本較低、價(jià)格低廉、有良好的平整性使桌面光滑平整、耐用性較強(qiáng)、適用于日常生活中的小場合等優(yōu)點(diǎn)。

2 裝置整體結(jié)構(gòu)

該裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括第一套筒和第二套筒，第一套筒上方裝有第一電機(jī)，第一電機(jī)與第一套筒之間緊固有定位桿，第一電機(jī)下側(cè)裝有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸表面均勻焊接攪拌塊，第一套筒表面下側(cè)裝有套環(huán)，套環(huán)外表面與第一套筒之間對稱連接有第一螺旋彈簧，第一套筒左側(cè)面焊接有第一導(dǎo)向管，第一導(dǎo)向管下端連接有第二螺旋彈簧，第二螺旋彈簧下端安裝有第一螺帽，第一導(dǎo)向管內(nèi)部套裝有第一導(dǎo)桿，第一導(dǎo)桿表面上側(cè)裝有第二螺帽，第一導(dǎo)桿下端焊接有第一底板，第一底板底面均勻安裝有第一萬向輪，第一套筒右側(cè)面安裝有抽風(fēng)機(jī)，抽風(fēng)機(jī)與第二套筒之間接通有導(dǎo)管，第二套筒上端緊固有端蓋，端蓋上方設(shè)置有第二電機(jī)，第二電機(jī)與第二套筒之間對稱黏合有定位架，第二電機(jī)下側(cè)安裝有絞龍，定位架右側(cè)面安裝有填料泵，填料泵與第二套筒之間接通有進(jìn)料管，第二套筒右側(cè)面下端焊接有第二導(dǎo)向管，第二導(dǎo)向管下端連接有第四螺旋彈簧，第二導(dǎo)向管內(nèi)部套有第二導(dǎo)桿，第二導(dǎo)桿表面上側(cè)套有第三螺帽，第二導(dǎo)桿下端焊接有第二底板，第二底板底面均勻安裝有第二萬向輪，第二導(dǎo)向管表面系有連接繩，連接繩另一端連接有擠壓板，擠壓板表面黏合有手柄。

圖1 機(jī)械加工板材表面修整裝置

標(biāo)號說明：

1、第一萬向輪，2、第一底板，3、攪拌塊，4、套環(huán)，5、第一螺旋彈簧，6、第一螺帽，7、第一導(dǎo)桿，8、第二螺旋彈簧，9、第一導(dǎo)向管，10、第二螺帽，11、第一電機(jī)，12、定位桿，13、轉(zhuǎn)軸，14、第一套筒，15、抽風(fēng)機(jī)，16、導(dǎo)管，17、第二電機(jī)，18、定位架，19、端蓋，20、絞龍，21、填料泵，22、第二套筒，23、進(jìn)料管，24、第三螺帽，25、第二導(dǎo)向管，26、第二導(dǎo)桿，27、第四螺旋彈簧，28、第二底板，29、第二萬向輪，30、連接繩，31、擠壓板，32、手柄。

2.1 配合優(yōu)選方案[2]

①第一底板和第二底板中部都安裝有孔，且孔的直徑分別大于套環(huán)的直徑和第二套筒的直徑。②第一螺帽和第二螺帽與第一導(dǎo)桿螺紋進(jìn)行配合，第一導(dǎo)桿與第一導(dǎo)向管滑動(dòng)配合。③套環(huán)與第一套筒滑動(dòng)配合。④設(shè)置的抽風(fēng)機(jī)的進(jìn)端口與第一套筒之間接有導(dǎo)管。⑤第二導(dǎo)桿與第二導(dǎo)向管滑動(dòng)配合，第二導(dǎo)桿與第三螺帽螺紋進(jìn)行配合。

2.2 技術(shù)路線[3]

①為解決粉碎廢棄木材所需動(dòng)力過大問題，采用力矩式電機(jī)帶動(dòng)攪拌塊來實(shí)現(xiàn)，這樣產(chǎn)生的瞬時(shí)力可以將壓力集中一點(diǎn)，更加有效地粉碎廢棄板材。②為避免產(chǎn)生浪費(fèi)，設(shè)置了體積為100立方厘米的內(nèi)置容量罐，存儲(chǔ)板材材料。③為解決廢料填補(bǔ)壓實(shí)問題和填料準(zhǔn)確問題，采用絞龍和填料泵來實(shí)現(xiàn)。④設(shè)置的第一底板和第二底板，具有導(dǎo)向作用，而且會(huì)使得該裝置的移動(dòng)更加穩(wěn)定能夠承受較大力量。⑤抽風(fēng)機(jī)和第二電機(jī)配合，通過絞龍將木粉向孔洞進(jìn)行傳輸，可將木粉快速傳輸?shù)阶腊宓目锥磧?nèi)，提高工作效率。⑥為實(shí)現(xiàn)物料的充分利用，設(shè)置了套環(huán)，起到了密封隔離的作用，有利于對木粉進(jìn)行抽取。⑦利用攪拌塊，減少材料的浪費(fèi)，進(jìn)行廢物利用，可用于對桌板孔洞的填充。⑧利用熱管，解決電機(jī)的發(fā)熱問題，保證電機(jī)的正常工作。

2.3 創(chuàng)新特色

2.3.1 環(huán)保性。對孔洞填補(bǔ)所使用的木材大部分來自廢棄木材，減少了對新木材的使用，避免了物料的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)廢料的重新利用。

2.3.2 機(jī)構(gòu)巧妙且有較高經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思精巧。制造工藝和對材料的要求較低。制造成本低，安全性和可操作性較高，設(shè)計(jì)合理，操作簡單，提高效率。③智能化。從加工開始到結(jié)束，是裝置各個(gè)零件相互配合完成的過程，減少了對人和人力的使用，實(shí)現(xiàn)智能化。④使用壽命長。利用熱管技術(shù)進(jìn)行熱量的傳遞，避免了電機(jī)工作過程中由于鐵損和銅損造成電機(jī)發(fā)熱問題，延長裝置的使用壽命。

2.4 裝置優(yōu)勢

2.4.1 風(fēng)機(jī)安裝。安裝電機(jī)疏通機(jī)，將專用疏通簧穿過疏通機(jī)，在伸到抽風(fēng)機(jī)堵塞的位置后，打開電源，使疏通簧逐步向前對抽風(fēng)機(jī)風(fēng)片進(jìn)行一定幅度的甩動(dòng)，利用抽風(fēng)機(jī)，將殘留在抽風(fēng)機(jī)的木粉運(yùn)輸?shù)降诙淄ㄍ病Ｈ绻摶杀荒痉鄹街?，可以將其拉回，再以正常的速度進(jìn)行疏通。遇到堵塞的木粉，將鋼簧拉出一段距離，使之與抽風(fēng)機(jī)形成一段弧度，使扭力傳導(dǎo)到疏通頭，以打通堵塞。如果抽風(fēng)機(jī)被疏通，需要把鋼簧向前疏通一段距離來確認(rèn)抽風(fēng)機(jī)中的堵塞是否疏通。

2.4.2 分類傳送裝置的設(shè)置。設(shè)置分類傳送裝置，采用機(jī)械傳動(dòng)方式，傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠、制造簡單、設(shè)計(jì)工藝較成熟、受負(fù)荷及溫度變化的影響較小。但是傳送帶在運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生偏移，因此在安裝分類傳送裝置時(shí)，盡可能使得頭尾滾筒和中間托輥之間在同一中心線上，來確保輸送帶不偏移或少偏移。

2.4.3 解決電機(jī)發(fā)熱問題。電機(jī)正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量主要是銅損和鐵損。利用熱管技術(shù)對電機(jī)定子進(jìn)行散熱，電機(jī)繞組產(chǎn)生的熱量大部分是由電機(jī)定子導(dǎo)出的，當(dāng)熱量過大，定子傳遞熱量效率低時(shí)，熱量就會(huì)聚集，使得電機(jī)溫升升高。由于電機(jī)在工作過程中，電機(jī)定子靜止，利用熱管的超導(dǎo)特性，加快熱量的傳遞，解決電機(jī)發(fā)熱問題，從而讓電機(jī)正常運(yùn)行，提高裝置的工作效率，延長設(shè)備的使用壽命[4]。

2.4.4 解決抽風(fēng)機(jī)與導(dǎo)管銜接問題。對修整裝置的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，修改抽風(fēng)機(jī)和導(dǎo)管之間的縫隙銜接，并加裝橡膠條以更好地進(jìn)行密封。一方面增大了抽風(fēng)機(jī)對木粉的傳輸，加快了傳輸速率，另一方面使得裝置中各個(gè)結(jié)構(gòu)達(dá)到完美的契合，避免了物料的浪費(fèi)。

2.4.5 解決轉(zhuǎn)軸磨損問題。采用功率分流式行星齒輪減速器，有體積小、精確度高、回程間隙短、使用壽命較長及承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于行星齒輪減速器的振動(dòng)噪聲會(huì)影響裝置的可靠性和器件的使用壽命，因此，整個(gè)減速器裝置可使用灰鑄鐵，制成沿軸心線水平剖分式，具有較好的鑄造性能和減振性能，可以有效避免轉(zhuǎn)軸和軸承的磨損問題，以及電機(jī)在工作過程中內(nèi)部溫度較高的缺點(diǎn)。

2.5 光纖傳感器的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及新材料的廣泛應(yīng)用，板材加工工藝得到了快速發(fā)展，其加工技術(shù)有了顯著的進(jìn)步越來越多檢測控制技術(shù)被應(yīng)用到板材加工機(jī)械上，進(jìn)一步提高板材加工的精度。光纖傳感器具有靈敏度高、絕緣性好、安全可靠、耐高溫、抗電磁和原子輻射干擾能力強(qiáng)、可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。

光纖傳感器由光源、光導(dǎo)纖維、光傳感器元件、光調(diào)制機(jī)構(gòu)和信號處理器等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)

在機(jī)械加工當(dāng)中，表面粗糙度是一個(gè)重要檢測指標(biāo)，它對機(jī)械板材加工的精度有著很大的影響。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的精密控制，采用光纖式表面粗糙度在線檢測儀，該在線檢測儀具有重量輕、可靠性好、方便標(biāo)定和精度校驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，可用于在線靜態(tài)環(huán)境下的快速檢測，有利于提高板材的加工精度和生產(chǎn)效率[5]。

在對板材表面粗糙度進(jìn)行測量時(shí)，可以進(jìn)行探測目標(biāo)自動(dòng)定位對光纖傳感器的探頭進(jìn)行定位和自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過探頭發(fā)送的光纖束，將通過光源發(fā)出的部分光線直接照射到板材的粗糙表面，一部分光線會(huì)通過接收光纖束和光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過光學(xué)或光學(xué)放大電路進(jìn)行處理就可以得到光纖傳感器的輸出電壓信號。

光纖傳感器也可以對板材寬度和厚度進(jìn)行檢測控制，利用反射式光纖傳感器、PLC控制器及其他器件,組成板材寬度和厚度檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有閉環(huán)檢測板材寬度和厚度加工精度的功能，其分辨率為 0.05～0.03mm，檢測精度可控制在0.1mm，具有較高的加工精度。對于檢測超差的板材，通過控制執(zhí)行裝置提高板材的加工精度，使加工誤差滿足加工精度要求；對已加工超差板材，進(jìn)行打標(biāo)分選處理。

光纖傳感器的使用不僅提高了板材的加工精度，同時(shí)也減少了木材的浪費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、降噪。

2.6 板材紋路加工

在板材加工過程中，需要對加工后的桌面進(jìn)行紋路和圖案的加工，可以采用跟蹤開關(guān)電容帶通濾波器對紋路深度進(jìn)行檢測，是雙二次二階帶通濾波器，可以檢測出紋路深度信號，采用單片機(jī)可編程計(jì)數(shù)器，可得到所需頻率的時(shí)鐘信號，解決了板材紋路加工深度檢測問題，能夠廣泛的應(yīng)用[6]。

在加工過程中，通過測頭檢取出來的信號包含多種噪聲，其中有加工中板材的振動(dòng)和波動(dòng)、厚度變化及彎曲，測頭滾子的回轉(zhuǎn)振動(dòng)等，這些噪聲會(huì)將紋路深度信號掩蓋，因此必須根據(jù)深度信號的特征將紋路深度信號從噪聲信號中提取出來。

該裝置的工作原理為：測頭檢測的信號通過變換器變?yōu)殡妷盒盘査腿敫櫈V波器，與軋輥同軸安裝的光電編碼器將其轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槊}沖信號送入單片機(jī)進(jìn)行頻率測量，并按一定關(guān)系進(jìn)行變頻，為控制時(shí)鐘送入跟蹤濾波器，使其帶寬中心頻率與紋路深度信號頻率相同，并從測頭信號中選出深度信號，由檢波器變?yōu)橹绷餍盘?，送入A/D進(jìn)行采樣，經(jīng)單片機(jī)處理后顯示紋路深度值。

2.7 板材加工變形控制

在板材加工軋制過程中，一方面就是由于板材會(huì)受到外界壓力和其他力的雙重影響，導(dǎo)致了板材在成型的過程中，受力不均勻或者板材厚度軋制過薄，都會(huì)出現(xiàn)板材變形的情況[7]。另一方面，在加工硬化過程中，由于板材的材質(zhì)不夠好，會(huì)使得板材在內(nèi)部力的作用下組織應(yīng)力不夠均勻，導(dǎo)致板材變形。因此，要提高板材工藝技術(shù)，保證板材的加工質(zhì)量和精度，同時(shí)，也要合理選擇板材，保證板材的材質(zhì)。采用多點(diǎn)成形技術(shù)，將木材分割成若干個(gè)高度可調(diào)、排列規(guī)則的基本體，從基本點(diǎn)到整體進(jìn)行實(shí)時(shí)變形控制，從而保障了板材的完整性以及板材成形的質(zhì)量，能夠有效地控制板材的加工質(zhì)量，提高板材的加工精度。

3 結(jié)束語

以光纖傳感器為核心，對板材表面的粗糙度以及寬度和厚度進(jìn)行在線檢測，從而提高板材加工的精度。利用熱管技術(shù)，避免電機(jī)因長時(shí)間工作產(chǎn)生的熱量問題。利用功率分流式行星齒輪減速器，有效解決轉(zhuǎn)軸和軸承的磨損問題。利用跟蹤開關(guān)電容帶通濾波器，解決了板材紋路加工深度檢測問題。這些裝置的設(shè)置，有利于提高裝置的工作效率和修整精度，避免了物料的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)廢物利用，具有巨大的環(huán)保價(jià)值。