用于木材缺陷雙面檢測的自動翻轉機構設計

房友盼，劉 英，徐兆軍，張丹丹，於亞斌

（南京林業大學 機電學院，南京 210037）

0 引言

眾所周知，我國的林木資源十分匱乏，森林資源人均占有量遠低于世界平均水平[1]。隨著經濟發展，社會進步，人們對于木材的需求量卻與日俱增，資源緊缺嚴重制約我國木材工業的可持續發展；另一方面，由于木材等級差異、原材料品質參差不齊，導致出現木材利用率低、生產成本高、廢料多、浪費嚴重等問題。木材表面無損檢驗就成為木材加工工業中必不可少的一個環節，它對提高木材資源利用率、保證木材生產質量具有重要意義[2]。

檢測木材缺陷的方法有人工檢測、激光檢測、X射線檢測、CT和核磁共振技術檢測、基于振動聲學的檢測以及應用數字圖像處理檢測方法等[3,4]。國內外對計算機視覺技術應用于木材表面識別的研究非常重視，很多關鍵技術已成功應用于木材加工的自動化生產過程中[5,6]。然而，現有的圖像識別檢測系統絕大部分只能完成單一面的木材缺陷的檢測，盡管在加拿大已投入使用可以雙面檢測的Woodeye木材表面缺陷檢測系統，但是由于設備購買、維修、保養成本過高，且并不能適應所有規格的木材，因此沒有得到廣泛的應用。為了全面地完成木材表面圖像的采集，考慮翻轉機構具有結構簡單、制造容易、工作可靠、承載能力大的優勢[7]，為此本文設計了一種用于木材缺陷雙面檢測的翻轉機構，此裝置只需安裝于現有的木材檢測系統中，即可實現檢測過程中木材的自動翻轉，操作簡單、適用性好。

1 木材缺陷雙面檢測翻轉裝置的結構設計

圖1 翻轉裝置的結構圖

本裝置結構如圖1所示，主要由進料機構、出料機構、翻轉機構和傳動機構組成，其中進料機構包括進料支架20、進料電機19、進料帶傳動18和進料擋邊17，進料機構是將皮帶輪鉸接在支架上，通過安裝在支架一端的伺服電機帶動皮帶輪轉軸轉動，通過帶傳動傳輸實現進料，機構中的進料擋板可實現待測木板在傳輸過程中，能順利安穩地在皮帶上傳輸；出料機構包括出料擋邊4、出料帶傳動2、出料電機3和出料支架1，出料機構的原理同進料機構；翻轉機構包括翻轉吸盤15、翻轉電機23 、翻轉氣缸13、翻轉支架16和翻轉安裝板14，翻轉機構是將伺服電機固定在翻轉支架上，翻轉支架通過地腳螺栓固定在地面，電機轉軸一端設置一個安裝板，安裝板兩面分別裝有氣缸和吸盤，在工作過程中用于吸附待檢測木板，實現待測木板的翻轉；傳動機構包括導軌5、滾珠絲杠6、滑塊螺母10、傳動氣缸11、傳動吸盤9、絲杠電機7以及傳動支架22，在傳動機構中，通過翻轉支架上的絲杠螺母機構實現傳動，下方的導軌起導向作用。其中滑塊螺母上裝有氣缸和吸盤，用于將已翻轉木板吸附，由絲杠螺母機構傳輸至出料機構，進行木材另一面的檢測。

2 木材缺陷雙面檢測翻轉裝置的工作原理

圖2 木材檢測翻轉機構工作原理三維示意圖

木材檢測翻轉機構工作原理如圖2所示。前期，在木材圖像檢測過程前，操作者將待檢測木材放置于右側的進料機構，由伺服電機帶動皮帶輪傳動，通過應用數字圖像處理技術完成進料檢測探頭后，木材繼續隨著帶傳動傳輸。到達翻轉機構下方后，翻轉機構上的氣缸活塞桿伸出，吸盤牢牢吸附木材后，為了防止大尺寸木材與裝置碰觸，先啟動翻轉電機，電機軸帶動氣缸、吸盤和安裝板轉動180°，而后氣缸活塞桿收回，從而實現木材翻轉。翻轉后氣缸、吸盤安裝板托舉木材，傳動機構在伺服電機的帶動下，通過絲杠螺母機構運動到木材上方，傳動機構中的氣缸活塞桿部分伸出帶動吸盤伸出，吸盤觸及木材并將其吸附，此時翻轉吸盤釋放。傳動吸盤緊緊吸附木材后，氣缸活塞桿收回，傳動伺服電機啟動，將木材運送至出料機構上方。定位后傳動機構中的氣缸活塞桿全部伸出帶動吸盤伸出，將木材送及出料機構傳輸帶上，傳輸吸盤釋放。木材置于出料機構后，隨著出料機構中的帶傳動一起移動并反向運動到出料機構檢測探頭，實現木材表面缺陷的雙面檢測。

3 翻轉機構的控制

用于木材缺陷雙面檢測的翻轉機構包括對進料機構、翻轉機構、傳動機構、出料機構四個部分的控制，要求在進料機構和出料機構的過程中對木材實現數字圖像處理技術的檢測。總的控制模塊如圖3所示。

圖3 木材缺陷雙面檢測的翻轉機構總控模塊圖

用于木材缺陷雙面檢測的翻轉機構采用PLC可編程實現智能控制，選用西門子S7-200小型可編程器功能最強的單元CPU226，并選用四個伺服電機實現木材在進料機構、翻轉機構、傳動機構以及出料機構精確的速度位置控制，在進料機構和出料機構的木材缺陷檢測探頭處安裝接近開關使木材運輸在此處時停止運輸并完成木材缺陷雙面檢測。其控制參數如表1所示，原理圖如圖4所示。

表1 木材缺陷雙面檢測的翻轉機構PLC控制參數

圖4 木材缺陷雙面檢測的翻轉機構PLC控制原理圖

4 結束語

針對現有木材圖像識別檢測系統只能進行單面檢測的問題，給出了一種用于木材缺陷雙面檢測的翻轉機構的設計方案與工作原理,并給出了該裝置的控制方案。將該機構與木材表面缺陷檢測系統結合，可實現木材雙面檢測，對于進一步的木材優選等加工工藝有著顯著的作用。

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