基于視覺(jué)檢測(cè)的膠合板表面缺陷修補(bǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：S777；TS64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2025.04.020

Abstract：To solvethe problemsoflow eficiency，highlaborintensity，andpoor working environment in plywood production，a surface defect repair equipment for plywood based on visualdetection and automation controltechnology to improve the surface qualityand production eficiencyof plywood wasdesigned.Theequipment mainlyincludeda visual detection and intellgent control system，a positioning system，an extrusion system，andarepairing mechanism.The visual detectionand intellgentcontrolsystem identifiedthesizeand positionof defects through visualdetection technologyand generated coresponding G-code instructions （the most widely used CNC programming language forcomputer numerical control machines），which were transmited to the positioning systemand extrusion system.The positioning system used the CoreXY mechanism（dual motordrive（Motors M1and M2），timing belt drive，X-shaped structure），andthe system received the instructions and controls therepairing mechanism to determine the defectrepair pointthrough thecoordination of M1，M2，and Z motors.The putyextrusion machineof the extrusion system was used to realize stable extrusion andevencoverage of theputtyatthedefectsite.The testshowed thatthe detection accuracyof theequipmentfor holes， cracks and other defects reached 97. 1% and 70.6% respectively，which can effectively cover the surface defects of the plywood andavoid large areas of coating.The repaired plywood issuperiorto manual repairin termsof putty residue， usage and repair time，providing an efective solution forthe automatic repairof the plywood processing industry.

Keywords： Plywood; surface defect repair; CoreXY mechanism;repair equipment；machine vision

0 引言

膠合板生產(chǎn)屬于木材深加工領(lǐng)域，通過(guò)旋切將原木加工成單板，隨后單板歷經(jīng)干燥、拼接、涂膠、組壞、預(yù)壓、熱壓、膩補(bǔ)、裁邊以及砂光等一系列工藝，最終制造成板材[1-3]。由于具有高強(qiáng)度、穩(wěn)定性和良好的可加工性，成為眾多結(jié)構(gòu)和裝飾應(yīng)用領(lǐng)域的首選材料。然而，膠合板在生產(chǎn)流程中時(shí)常出現(xiàn)各類缺陷，諸如裂縫、孔洞和死結(jié)等[4]，這些缺陷會(huì)影響膠合板的表面質(zhì)量和等級(jí)。而通過(guò)膩?zhàn)有扪a(bǔ)膠合板表面的缺陷可以使表面光滑平整，能夠提高膠合板表面與飾面材料的附著力，使飾面更加牢固，不易脫落。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了彌補(bǔ)先前生產(chǎn)過(guò)程中遺留的產(chǎn)品缺陷，并且為板材后續(xù)加工創(chuàng)造條件，通常在砂光前用膩?zhàn)有扪a(bǔ)膠合板表面的空隙。傳統(tǒng)的膠合板膩?zhàn)有扪a(bǔ)方式是采用人工刮刀進(jìn)行膩?zhàn)油磕?。該方法勞?dòng)強(qiáng)度大且資源消耗高，并且在砂光工序中會(huì)產(chǎn)生大量的膩?zhàn)臃蹓m，這不僅有害環(huán)境，還會(huì)威脅工人的身體健康。在膠合板生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)化修補(bǔ)其缺陷的研究相對(duì)較少。林志偉等[5仿照手工操作刮刀的貼合方式，設(shè)計(jì)了一種對(duì)膠合板側(cè)面進(jìn)行修補(bǔ)的設(shè)備。然而，該機(jī)構(gòu)存在一定局限性，膩?zhàn)釉趥魉蛶c刮刀的配合下只能對(duì)側(cè)面進(jìn)行持續(xù)涂抹，無(wú)法針對(duì)膠合板的孔隙位置進(jìn)行精準(zhǔn)填涂。Pang等設(shè)計(jì)的自動(dòng)化膩?zhàn)訃娡啃扪a(bǔ)設(shè)備，采用大口徑泵，靠高壓把膩?zhàn)訅哼M(jìn)缺陷處來(lái)填補(bǔ)。但這種方法導(dǎo)致膩?zhàn)訐p耗量極大，限制了此類設(shè)備在膠合板行業(yè)中的廣泛應(yīng)用與推廣。因此，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高且精準(zhǔn)度高的數(shù)控修補(bǔ)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)膠合板表面修補(bǔ)提供可能。

經(jīng)過(guò)工廠實(shí)地考察，結(jié)合該設(shè)備的功能需求，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)檢測(cè)的膠合板表面缺陷修補(bǔ)設(shè)備，如圖1所示。該機(jī)器包括3個(gè)系統(tǒng)：1）視覺(jué)識(shí)別與智能控制系統(tǒng)（上位機(jī)系統(tǒng)），用于識(shí)別膠合板表面缺陷位置，并將其位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為G-code指令（電腦數(shù)控（CNC）機(jī)器使用最廣泛的數(shù)控編程語(yǔ)言），通過(guò)串口通信的方式傳輸至機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)；2機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)，采用CoreXY機(jī)構(gòu)（雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)（電機(jī)M1和電機(jī)M2）、同步帶傳動(dòng)、X形結(jié)構(gòu)），根據(jù)接收到的G-code指令，通過(guò)控制 M1，M2，Z 軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)機(jī)構(gòu)在三維空間內(nèi)移動(dòng)至缺陷位置，以實(shí)現(xiàn)缺陷定位；3）膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)，修補(bǔ)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到缺陷位置時(shí)，擠出電機(jī)旋轉(zhuǎn)將料斗中的膩?zhàn)訑D出，并使其附著在膠合板表面，完成膠合板表面缺陷修補(bǔ)。這3個(gè)系統(tǒng)緊密協(xié)作、相輔相成，實(shí)現(xiàn)膠合板表面缺陷的修補(bǔ)功能，為膠合板的表面修復(fù)工作提供一種創(chuàng)新解決方案。

1.機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng);2.膩?zhàn)訑D出系統(tǒng);3.膠合板;4.修補(bǔ)機(jī)構(gòu);5.攝像頭;6.Arduino開(kāi)發(fā)板。 1.Mechanismpositionngsystem;2.Putyextrusionsstem;3.Plywood;4.Repairmechanism；5.Camera;6.Arduinodevelopentbo

1 視覺(jué)檢測(cè)與智能控制系統(tǒng)

膠合板表面修補(bǔ)設(shè)備的視覺(jué)檢測(cè)與智能控制系統(tǒng)使用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，其程序框圖和上位機(jī)軟件的用戶界面（userinterface，UI）如圖2所示，UI界面設(shè)計(jì)有串口設(shè)置、操作控制、手動(dòng)控制和命令反饋等功能。系統(tǒng)集成了基于坐標(biāo)注意力機(jī)制（coordinateattentionmechanism，CA）改進(jìn)的YOLOv8模型對(duì)膠合板表面的缺陷進(jìn)行識(shí)別，獲取裂縫、孔洞和死結(jié)邊界框的坐標(biāo)信息，并根據(jù)特定轉(zhuǎn)換公式生成附帶缺陷坐標(biāo)的G-code修補(bǔ)指令。這些指令可在UI界面中予以檢查與確認(rèn)，待確認(rèn)其準(zhǔn)確性后，通過(guò)串口通信將指令發(fā)送至機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)。在設(shè)備首次啟用時(shí)，需要進(jìn)行手動(dòng)零點(diǎn)設(shè)定，通過(guò)設(shè)備的UI界面手動(dòng)控制 X，Y 軸電機(jī)，將修補(bǔ)機(jī)構(gòu)緩慢移動(dòng)到設(shè)備工作區(qū)域的左下角。按下設(shè)置零點(diǎn)，控制系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前位置記錄為坐標(biāo)系的原點(diǎn)（0，0），后續(xù)的坐標(biāo)運(yùn)算以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，均以此原點(diǎn)為基準(zhǔn)有序展開(kāi)。

1.1 缺陷的識(shí)別

本研究拍攝了共計(jì)1240張桉木表面缺陷圖片，由桉木膠合板表面缺陷和桉木單板表面缺陷組成。通過(guò)圖像尺寸歸一化操作獲得分辨率為 640×640 像素的圖片，按照7：2：1的比例對(duì)其進(jìn)行劃分，分別形成訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。同時(shí)，借助LabelImg工具對(duì)死節(jié)、活節(jié)、孔洞、裂縫和缺口這5種缺陷進(jìn)行了標(biāo)注。

由圖3可知，呈現(xiàn)了數(shù)據(jù)集的分析結(jié)果，由4部分組成。其中，圖3（a）部分顯示數(shù)據(jù)存在一定程度的不均勻性，死節(jié)和孔洞的數(shù)量占比較多，而裂縫和缺口的數(shù)量相對(duì)較少；圖3（b）部分展示了所有的標(biāo)注框，邊界框的大小和形狀各異反映了不同缺陷的多樣性；圖3（c）部分顯示缺陷中心點(diǎn)在圖像中分布較為均勻，沒(méi)有明顯的集中區(qū)域；圖3（d）部分展示了缺陷的寬度和高度的分布情況，表明目標(biāo)框大小分布不均，小目標(biāo)的數(shù)量較大。

1. 1. 1 CA注意力機(jī)制

CA注意力機(jī)制的核心思想是將特征圖中的每個(gè)像素點(diǎn)視為一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，并基于這些坐標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系計(jì)算注意力權(quán)重。這種方法能夠捕捉到輸人特征圖的全局信息，使得網(wǎng)絡(luò)能夠更加關(guān)注于對(duì)當(dāng)前檢測(cè)任務(wù)更為關(guān)鍵的特征信息，同時(shí)降低對(duì)無(wú)關(guān)信息的關(guān)注度。本研究通過(guò)在YOLOv8骨干網(wǎng)絡(luò)SPPF（spatialpyramidpoolingfast）模塊前添加CA注意力機(jī)制模塊，通過(guò)深化模型對(duì)目標(biāo)空間結(jié)構(gòu)信息的把握，增進(jìn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)效能，進(jìn)一步強(qiáng)化模型的目標(biāo)特征聚焦功能。

1. 1. 2 YOLOv8-CA模型訓(xùn)練

訓(xùn)練的操作系統(tǒng)為Windows11，CPU為IntelCorei9-12900F@2.10GHz 。GPU為NVDIAGeForceRTX4060（8GB），運(yùn)行內(nèi)存為32GB。Pytorch版本為2.4.1，Py-thon版本為3.8，CUDA版本為12.1。初始學(xué)習(xí)率設(shè)定為0.0001對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，YOLOv8-CA模型針對(duì)5種缺陷的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，孔洞的檢測(cè)效果達(dá)到最佳，其精確率、召回率和平均精度均值 （mAP） 分別為 97.1% /96.2% 和 98.9% ，而裂縫的檢測(cè)精度最低，其精確率、召回率和 mAP 分別為 70.6%.59.6% 和 65.3% 。根據(jù)模型檢測(cè)出膠合板表面缺陷做出的標(biāo)注，可獲取模型輸出的邊界框信息 （u₁，v₁，u₂，v₂） 以實(shí)現(xiàn)后續(xù)缺陷修補(bǔ)動(dòng)作，其中， （u₁，v₁） 表示邊界框左上角， （u₂，v₂） 表示邊界框右下角。

1. 2 坐標(biāo)位置的確定

識(shí)別并標(biāo)注缺陷位置后獲得的坐標(biāo) （u，v） 表示圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。然而，機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)的物理坐標(biāo)系通常以毫米作為單位，根據(jù)工位面的實(shí)際行程情況，直接獲取的圖像像素坐標(biāo)無(wú)法被用作定位坐標(biāo)[8]，需要把相機(jī)捕捉到的圖像像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作面的物理坐標(biāo) 。如圖4所示。

由圖4可知， {O₀} 為圖像像素坐標(biāo)系 ，{O₁} 為物理坐標(biāo)系， （u₀，v₀） 為圖像坐標(biāo)系的中心坐標(biāo)，表示 u 軸和v 軸方向的初始偏移量。用 dx 和 dy 表示每個(gè)像素在 下的長(zhǎng)度，可得每個(gè)像素在 和 坐標(biāo)系中的關(guān)系，其公式為

1. 3 代碼的生成

在完成上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后獲得的物理坐標(biāo) （_x，y） ，可用于修補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的G代碼生成。膩?zhàn)有扪a(bǔ)的具體運(yùn)動(dòng)路徑根據(jù)缺陷的類型進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于裂縫采用直線插補(bǔ)算法，利用增量計(jì)算實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)修補(bǔ)；孔洞、死結(jié)采用平面變半徑螺旋插補(bǔ)算法，該路徑能夠均勻地覆蓋膩?zhàn)訌亩_(dá)到表面修補(bǔ)的要求。螺旋運(yùn)動(dòng)路徑以固定點(diǎn)為中心，在 XY 平面進(jìn)行半徑逐漸變化的螺旋插值運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)G1指令實(shí)現(xiàn)微小直線段逼近[]，其公式為

式中： r 為極徑； θ 是極角；參數(shù) Ψ_a 控制起始半徑；參數(shù) b 決定螺旋的間距； x_c 和 y_c 為螺旋中心點(diǎn)在物理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。

變半徑螺旋路徑示意圖如圖5所示，可以用極坐標(biāo)方程來(lái)表示。在實(shí)際應(yīng)用中，取標(biāo)注的邊界框中心點(diǎn)作為螺旋中心點(diǎn)，并將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)對(duì) θ 的離散化，計(jì)算不同角度下的r ，再結(jié)合直角坐標(biāo)公式生成一系列 （_x，y） 點(diǎn)，形成螺旋路徑的運(yùn)動(dòng)軌跡G-code指令。

2 機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示，圖6中ΔX，ΔY 分別為滑塊搭載的修補(bǔ)機(jī)構(gòu)沿 X 軸和Y軸的位移量； ΔA，ΔB 分別為步進(jìn)電機(jī)M1和M2輸出的線位移量，其方向與皮帶路徑匹配。該設(shè)計(jì)采用了CoreXY機(jī)構(gòu)，涂抹工具能夠在長(zhǎng) 372mm 寬 258mm. 高 40mm 的三維空間運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的連接件通過(guò)3D打印制作而成，并裝配了帶寬為 6mm 的GT2型同步帶，以及6個(gè)齒數(shù)為20、直徑為 16mm 的帶齒帶輪和4個(gè)相同規(guī)格的不帶齒帶輪，以此確保傳動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性。使用M1和M2兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)同步帶和帶輪的聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)定位，從而實(shí)現(xiàn)滑塊在 XY 平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。M1、M2和 Z 軸步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42步進(jìn)電機(jī)，其扭矩達(dá)0.3～0.5N?m ，轉(zhuǎn)速范圍為 100～600r/min ，可實(shí)現(xiàn)的平面定位運(yùn)動(dòng)。CoreXY機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，其固定了控制滑臺(tái)在XY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，降低了運(yùn)動(dòng)部件的重量，進(jìn)而降低了運(yùn)動(dòng)慣性，從而提高了加速度，增加了運(yùn)動(dòng)的敏捷性[0]，這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)適合用于膩?zhàn)有扪a(bǔ)的機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)。

CoreXY機(jī)構(gòu)通過(guò)M1和M2步進(jìn)電機(jī)、同步帶和帶輪的聯(lián)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)滑塊定位。當(dāng)M1電機(jī)帶動(dòng)同步帶的一側(cè) 移動(dòng)，M2電機(jī)則控制另一側(cè) （ΔB） 的同步帶運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與速度，可以實(shí)現(xiàn)滑塊以一定速度在 XY 平面的任意方向移動(dòng)，以滿足精確定位需求，從而建立 ΔX.ΔY 與 ΔA，ΔB 之間的關(guān)系，這種關(guān)系可以用以下公式表示

通過(guò)精確控制M1和M2電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與速度，調(diào)節(jié) 和 ΔB ，就能實(shí)現(xiàn)滑塊在 XY 平面內(nèi)按照預(yù)設(shè)的坐標(biāo)位置移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)機(jī)構(gòu)在 XY 平面的定位。

例如，當(dāng)一個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而另一個(gè)電機(jī)停止時(shí)，滑塊會(huì)沿著 Y=±X 的方向進(jìn)行移動(dòng)；當(dāng)2個(gè)電機(jī)同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊會(huì)沿著 ±X 的方向移動(dòng)；當(dāng)2個(gè)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊會(huì)沿著 ±Y 的方向移動(dòng)。GRBL固件根據(jù)式（3）的原理讀取并解析計(jì)算機(jī)發(fā)送的G-code指令，并將解析后的指令準(zhǔn)確地傳遞給相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，確保電機(jī)按照預(yù)定的參數(shù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)機(jī)構(gòu)在三維空間內(nèi)的精確運(yùn)動(dòng)。

2. 1 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Arduino單片機(jī)是廣泛應(yīng)用的開(kāi)源電子平臺(tái)，硬件開(kāi)放且程序開(kāi)發(fā)可免費(fèi)獲取，開(kāi)發(fā)者能按需修改[]。鑒于此，膠合板表面修補(bǔ)設(shè)備采用ArduinoUno開(kāi)發(fā)板控制。圖7為系統(tǒng)電控部分的框圖。整個(gè)控制系統(tǒng)基于ATmega328P主控芯片的ArduinoUno開(kāi)發(fā)板搭載ArduinoCNCShieldV3.00電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板組成。系統(tǒng)通過(guò)串口通信與PC（personalcomputer）機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)視覺(jué)檢測(cè)與智能控制系統(tǒng)生成的G-code控制指令傳輸，控制系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為各步進(jìn)電機(jī)提供獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

12V電源 24V電源 12 volt power supply 24 volt power supply Pomel c A M電機(jī) M2步p機(jī) Z步機(jī) Te 個(gè) A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 Arduino cnc shield v3.0 A4988 stepper motor drive module 電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板 Arduino cnc shield v3.0 擠出電機(jī) motor drive expansion board 繼電器模塊 Extruder motor Relaymodule

M1、M2和 Z 軸步進(jìn)電機(jī)為42步進(jìn)電機(jī)，與AT-mega主控單片機(jī)板共同使用12V供電。其中M1和M2步進(jìn)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)CoreXY機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，控制修補(bǔ)機(jī)構(gòu)在XY平面運(yùn)動(dòng)，Z軸步進(jìn)電機(jī)用于調(diào)整修補(bǔ)機(jī)構(gòu)在垂直方向上的距離。針對(duì)膩?zhàn)羽ば愿?、擠出難度大的問(wèn)題，擠出電機(jī)選用了扭矩較大的57步進(jìn)電機(jī)作為主軸，具體型號(hào)為57HS1003A4。由于57步進(jìn)電機(jī)工作電壓較高，通常為12＼～48V，需要對(duì)57步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)供電，設(shè)計(jì)使用spnEn引腳控制繼電器模塊吸合，進(jìn)而使TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收脈沖，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制，推動(dòng)膩?zhàn)訑D出。

2.2 數(shù)據(jù)通訊

ArduinoUno的串口通信由板載 ATmega2560 中的USART （universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter）實(shí)現(xiàn)，其允許Arduino板與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ArduinoUno在通信中數(shù)據(jù)位默認(rèn)是8位，停止位默認(rèn)是1位，波特率設(shè)置為115200波特。在Ar-duino中，串口通信可以通過(guò)硬件串口和軟件模擬串口2種方式實(shí)現(xiàn)：硬件串口通常指的是ArduinoUno上自帶的串口發(fā)送器（RX）和接收器（TX），而軟件模擬串口則是通過(guò)SoftwareSerial類庫(kù)來(lái)模擬的串口[12]，在Py-thon中串口通信可以通過(guò)導(dǎo)入pySerial庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

2.3 GRBL固件

GRBL作為一款嵌人式G-code編譯器和運(yùn)動(dòng)控制器固件，搭載直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等算法，能夠產(chǎn)生最高30kHz 的控制脈沖，支持標(biāo)準(zhǔn)的G-code指令[13]，并且能夠在ArduinoUno上穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)接收上位機(jī)程序生成的G-code指令，通過(guò)串口通信將指令傳輸至ATmega328單片機(jī)，GRBL固件解析G-code指令從而控制電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化修補(bǔ)的功能。為了適配膠合板表面修補(bǔ)設(shè)備功能，GRBL固件燒錄到ArduinoUno時(shí)需要進(jìn)行參數(shù)修改，主要設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表2。

3 擠出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在表面修補(bǔ)領(lǐng)域，常采用由白乳膠（或骨膠、酚醛膠）與滑石粉混合而成的膩?zhàn)?，具有?yōu)異的填充性和附著力等顯著特性，尤其適用于填補(bǔ)木材自身固有或在加工過(guò)程中所形成的各類缺陷[14-15]。然而，該膩?zhàn)泳哂休^快的干燥速度，易迅速硬化，可能導(dǎo)致管道堵塞；同時(shí)，其黏性較高，需要較大力度才能順利擠出膩?zhàn)右詽M足表面修補(bǔ)的具體要求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)合理的膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)是確保膠合板表面修補(bǔ)順利完成的關(guān)鍵。圖8展示了根據(jù)膩?zhàn)犹攸c(diǎn)和設(shè)備要求設(shè)計(jì)的擠出系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括擠出機(jī)1、擠出電機(jī)2、料斗3、出料口4、出料軟管5和修補(bǔ)機(jī)構(gòu)6。

1.擠出機(jī)；2.擠出電機(jī)；3.料斗；4.出料口；5.出料軟管；6.修 補(bǔ)機(jī)構(gòu)。 1.Extruder;2.Extruder motor;3.Hopper;4.Dischargeport;5. Discharge hose;6. Applicator.

3.1 擠出螺桿設(shè)計(jì)

由圖9可知，膩?zhàn)訑D出機(jī)的核心部件為擠出螺桿。在螺桿參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)膩?zhàn)恿髯冃阅苡?jì)算螺桿中徑處的平均螺旋升角 （λ_m） ，然后結(jié)合擠出料筒內(nèi)徑尺寸選定螺桿截面平均半徑 （D_m） ，最后確定螺桿的螺距 （P） 。 λ_m 計(jì)算公式為

式中： R₁ 為螺桿外緣半徑； R₂ 為螺桿根部半徑。

根據(jù)流變學(xué)原理，膩?zhàn)訉儆诩偎苄粤黧w，其切應(yīng)力（τ） 與剪切速率 之間關(guān)系[16]為

式中： K 為稠度系數(shù)； n 為流變指數(shù)。

在螺桿輸送過(guò)程中， 與螺桿轉(zhuǎn)速 （N）、D_m 以及 P 相關(guān)，對(duì)于單頭螺桿，剪切速率的近似公式為

膩?zhàn)铀芮袘?yīng)力為 τ_m ，將式（6代人式（5），可得

將式（4）代人式（7）可得 λ_m ，計(jì)算公式為

1.電機(jī)支架;2.擠出電機(jī);3.聯(lián)軸器;4.鎖緊螺母;5.軸承;6.軸承座;7.料斗;8.料斗固定套;9.料筒;10.擠出螺桿。 1.Motorbracket;2Extruderotor;3.Coupling;4.Locknut；5.Bearing；6.Bearingseat;7.Hoppr;8.Hopprfixedsleeve;9.Barel; 10.Extrude screw.

由式（8）可知，通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)速、假塑性流體的流變參數(shù)以及螺桿幾何參數(shù)可推導(dǎo)出 λ_m ，從而揭示螺桿設(shè)計(jì)與物料擠出之間的關(guān)系。螺旋角取值過(guò)小，無(wú)法提供足夠軸向的擠壓應(yīng)力來(lái)推動(dòng)膩?zhàn)恿鲃?dòng)；取值過(guò)大，膩?zhàn)又粫?huì)受到垂直于軸線方向的相互擠壓，而不會(huì)產(chǎn)生沿著軸向的擠壓應(yīng)力，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)膩?zhàn)釉谳S向上的有效推動(dòng)，綜合公式選取 λ_m 為 17^° 。

擠出腔室的徑向尺寸主要是指料筒的內(nèi)徑 （D_b ）螺桿外徑 （D₁） 與 D_b 之間需要保持一定的間隙（δ），以保證螺桿能夠正常旋轉(zhuǎn)且膩?zhàn)幽軌蛟陂g隙中形成合適的流動(dòng)狀態(tài)。已知 D_b 為 24mm ，選定的8為 0.2mm，R₂ 為6mm ，因此 R₁ 為 11.9mm ，依據(jù)式（4）計(jì)算 ，^P 為 23.8mm_c

3.2擠出螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定

螺旋推桿的轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)防止材料滯留和死區(qū)形成至關(guān)重要，轉(zhuǎn)速直接影響物料在螺旋槽內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。不適宜的轉(zhuǎn)速可能導(dǎo)致物料滯留，形成死區(qū)，尤其是在相鄰槽間壓力差過(guò)大時(shí)，壁面間隙處的回流現(xiàn)象會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致材料浪費(fèi)和交叉污染[17]。適宜的轉(zhuǎn)速則可減少不良現(xiàn)象，并控制材料擠出的流量和質(zhì)量。此外，螺桿轉(zhuǎn)速與材料擠出的體積流量緊密相關(guān)，對(duì)控制擠出材料的流量和質(zhì)量具有決定性作用，轉(zhuǎn)速的提高會(huì)直接導(dǎo)致體積流量的增加[18]。因此，優(yōu)化螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)于確保材料擠出的均勻性和質(zhì)量至關(guān)重要。

然而，轉(zhuǎn)速過(guò)高可能引發(fā)材料干結(jié)堵塞和電機(jī)過(guò)載。螺桿外緣的切向速度增加會(huì)加劇膩?zhàn)訉娱g摩擦，使外層膩?zhàn)右赘捎步Y(jié)塊，導(dǎo)致堵塞。研究表明，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速超過(guò) 150r/min 時(shí)，擠出的膩?zhàn)娱_(kāi)始形成小硬塊，且擠出膩?zhàn)拥募铀俣入S著螺桿轉(zhuǎn)速遞增緩慢上升[19]，因此合理優(yōu)化轉(zhuǎn)速對(duì)擠出過(guò)程的穩(wěn)定性和設(shè)備安全性尤為重要。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的擠出機(jī)螺桿的螺距 P 等于螺桿外徑 D₁， 那么螺桿擠壓機(jī)構(gòu)的流量計(jì)算公式可以采用簡(jiǎn)化的流量計(jì)算公式[20]，其計(jì)算公式為

式中： Q 為擠出頭膩?zhàn)恿髁浚?k_g/min; β 為螺桿綜合影響系數(shù)，數(shù)值介于 0.002 0～0.004 5;D₁ 為螺桿外徑，為23.8mm ，計(jì)算中需轉(zhuǎn)換為厘米代人公式； N 為螺桿轉(zhuǎn)速， r/min 。

因膩?zhàn)拥酿ざ容^高，取 β 為0.004，擠出頭膩?zhàn)恿髁?Q 取 0.12kg/min 。由式（8）計(jì)算出螺桿轉(zhuǎn)速 N ，初步確定為 133.5r/min 。則擠出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 v_m 也為133.5r/min ，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 v_m 的計(jì)算公式可求得步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率。 v_m 計(jì)算公式為

式中 ：f 為脈沖頻率； T 為步進(jìn)電機(jī)步距角； x 為細(xì)分倍數(shù)。

擠出步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為57步進(jìn)電機(jī)，其步距角 T 為 1.8^° ，即電機(jī)每接收一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng) 1.8^° ，因此每轉(zhuǎn)需要200個(gè)脈沖。根據(jù)轉(zhuǎn)速 v_m 為 133.5r/min ，細(xì)分倍數(shù)x=1 ，計(jì)算出擠出步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率需設(shè)置為 445Hz 。

4設(shè)備測(cè)試

膠合板表面修補(bǔ)設(shè)備樣機(jī)如圖10所示，鑒于實(shí)際生產(chǎn)中膠合板的表面較大，修補(bǔ)設(shè)備樣機(jī)主要針對(duì)210mm×297mm 規(guī)格膠合板的表面缺陷進(jìn)行修補(bǔ)測(cè)試，板材單面缺陷數(shù)量為1＼～3個(gè)，且主要為裂縫和孔洞2種類型，占比約 20% 和 80% 。上位機(jī)編譯后通過(guò)USB線將電腦與修補(bǔ)設(shè)備的Arduino控制板連接，并接人 12V 電源，進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。手動(dòng)選擇串口，待反饋窗口顯示“連接成功”后，手動(dòng)控制 X 軸、Y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)并設(shè)置零點(diǎn)。通過(guò)相機(jī)拍攝并將表面有缺陷的板材圖像傳輸給YOLOv8模型，檢測(cè)結(jié)果的圖像隨后顯示在UI界面上。使用“生成G代碼”功能核對(duì)生成的G-code指令的合理性，確認(rèn)無(wú)誤后，啟用“確定發(fā)送”將G-code指令傳輸至機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)。

圖11（a）呈現(xiàn)的是膠合板最上層單板處于原始缺陷狀態(tài)的清晰展示，其缺陷特征明顯可見(jiàn)。而圖11（b）所展示的是把該帶有缺陷的單板置于表層后，在

180^°C 和 2MPa 條件下進(jìn)行150s熱壓處理后的膠合板表面修補(bǔ)最終呈現(xiàn)的結(jié)果。測(cè)試發(fā)現(xiàn)通過(guò)算法獲取的缺陷坐標(biāo)存在一定誤差，但圖11（b）完成修補(bǔ)后仍可將缺陷覆蓋且沒(méi)有造成大面積的涂抹。表3為幅面尺寸 210mm×297mm 的5層膠合板人工修補(bǔ)與機(jī)器修補(bǔ)對(duì)比情況，其數(shù)據(jù)是在剔除設(shè)備識(shí)別失敗的結(jié)果后得到的指標(biāo)范圍。

測(cè)試結(jié)果表明：表面修補(bǔ)設(shè)備修補(bǔ)后的膠合板表面無(wú)多余膩?zhàn)託埩?，膩?zhàn)酉牧靠刂凭珳?zhǔn)，速度較快，而手工修補(bǔ)在這些方面可能稍顯不足。但由于受視覺(jué)識(shí)別模型精度的限制，在檢測(cè)某些較小或邊緣化缺陷時(shí)仍存在不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化以提升檢測(cè)的全面性和精度，相比之下，手工修補(bǔ)可能在檢測(cè)小缺陷方面更具靈活性。

5結(jié)論

鑒于手工方式對(duì)膠合板表面缺陷進(jìn)行膩?zhàn)有扪a(bǔ)存在效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定和人工成本高等情況，研發(fā)出一種借助視覺(jué)識(shí)別和自動(dòng)化控制技術(shù)的膠合板表面缺陷修補(bǔ)設(shè)備樣機(jī)。所構(gòu)建的基于坐標(biāo)注意力機(jī)制改進(jìn)的YOLOv8模型對(duì)膠合板常見(jiàn)缺陷表現(xiàn)出良好識(shí)別能力，對(duì)孔洞、裂縫缺陷的檢測(cè)準(zhǔn)確率分別達(dá)到 97.1% /

70.6% 。設(shè)備的機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)采用CoreXY機(jī)構(gòu)，配合優(yōu)化設(shè)計(jì)的擠出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了膩?zhàn)釉谌毕萏幍姆€(wěn)定擠出與均勻覆蓋。相比傳統(tǒng)人工修補(bǔ)，機(jī)器修補(bǔ)后的膠合板表面膩?zhàn)託埩麸@著減少，膩?zhàn)邮褂昧靠刂圃诟侠矸秶?，且?shí)現(xiàn)修補(bǔ)時(shí)間縮短，有效提升了修補(bǔ)效率與質(zhì)量，降低了材料浪費(fèi)，改善了工作環(huán)境。為膠合板生產(chǎn)提供了一種高效、精準(zhǔn)且環(huán)保的自動(dòng)化解決方案，具備廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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