無卡旋切一體機控制系統的設計與研究

陳衛軍

摘要：森林資源的日益匱乏，對木材資源的綜合高效益利用已成為擺在木工設備制造業和木材加工業面前的重要課題。傳統木材旋切單板是采用有卡旋切，但是有卡旋切存在卡心，剩余木心大，還常發生讓刀和跳刀現象，所旋出板材厚度誤差很大，價值很低。因此圓木直徑較小時無法旋切，只好把木心制成木工心板，價值很低，造成圓木的大量浪費，利用率低。為提高其利用率，無卡旋切機成為首選。為了解決無卡軸旋切機圓木旋切過程中進給電機轉速與刀刃所處水平位置的數學模型計算耗時的問題。對無卡軸旋切機工作特點進行了分析。并通過對旋切過程中刀床進給速度與旋切木芯直徑數學關系的推導，得出結論：旋切過程中刀床進給速度必須以一定規律增加，以保證旋切機正常工作。時代的變遷，人工成本不斷上升，讓旋出的皮子自動裁剪出所需長度，同時要求最后一張皮子完整的。是本文的重點。

關鍵詞：無卡旋切機；刀床變速進給；尾張整張；單片機；自學習；ARM

引言

無卡軸旋切機由于沒有卡軸所以剩余木芯直徑小，提高了木材使用率，我國單板旋切設備的發展方向。決定無卡軸旋切機加工精度的關鍵是進給系統的驅動技術，進給系統主要有液壓和絲桿兩種驅動方式。液壓驅動由于加工均勻性差以及無法加工薄板而逐漸被淘汰；而絲桿驅動由于主軸轉速、原木外徑、切削厚度、絲桿螺距和齒輪傳動比等參量之間存在著復雜的關系，所以在加工過程中，隨著被加工原木直徑的變化，如何正確修正進給速度是其技術關鍵。無卡軸旋切機變速進給與恒線速旋切的問題目前國內已有許多研究，并取得了一定的成果，然而大多數無卡軸旋切機都采用單片機作為主控CPU，由于單片機的運算速度較低，復雜的運算會占用CPU許多運算時間，很難滿足旋切刀具快速變速的要求。為此，本文在推導圓木旋切過程中進給電機轉速與刀刃所處水平位置數學模型的同時，并采用時下性價比較高的ARM作為主控，對絲桿驅動系統轉速函數進行多項式擬合，得出了簡單且便于運算的擬合函數。對尾張采用模糊算法，對旋切出來的皮子進行自學習。

1 無卡軸旋切一體原理介紹

1.1 無卡軸旋切機簡介

旋切機由機座、雙輥系統、單輥系統、刀架、傳動系統，側刀系統，傳送帶和電氣系統等組成，主要是用于對圓木的加工，將一定長度和直徑的木段加工成連續的單板帶，經剪切后成為一定規格的單板。一般來說，剪切出來的單板必須是完整的，且都有嚴格的厚度和長度要求。如圖1所示：

旋切機關鍵構件示意圖：（如圖2）

1.2 旋切機的動作過程

撥動啟動開關后，啟動控制器開始工作，默認壓輥電機先啟動（由變頻器輸出繼電器控制壓輥電機接觸器）。

壓輥電機啟動后，再次按下啟動開關，變頻器開始工作，使絲桿電機啟動，如按下快進開關則按快進速度進刀，否則按圓木實際直徑計算速度進刀（通過絲桿電機編碼器的輸入得到刀臺位移量，計算出圓木實際直徑，再根據數學模型得到絲桿電機的進給速度）。

絲桿電機在進刀時，如果按下快退開關，則立即快速退刀，在退刀或按圓木直徑計算進刀時，如果按下快進開關，則立即快速進刀。

1.3 控制器電氣圖

（見圖3）

2 計算理論推導

2.1 刀臺進給計算理論

2.1.1 無卡軸旋切機的工作原理

如圖4所示，D為待加工原木。A、B為固定驅動輥，C為進給壓尺輥，E為旋切刀片。工作時三個輥把待加工原木D抱緊并在同步轉動的固定驅動輥A、B帶動下旋轉，旋轉中由旋切刀片切削出成品薄板。由于在旋切中待加工原木D被逐漸切削成薄板，因此直徑越來越小，這就要求旋切刀片E與壓尺輥c在切削中以速度V同步進給。假設驅動輥與圓木問無相對滑動，為了旋切出厚度均勻的單板，圓木表面的線速度必須保持恒定，旋切刀片與進給壓尺輥進給速度V在旋切過程中必須以一定的規律連續變化，即進給速度V是旋切刀片E與壓尺輥c的進給量x的函數。

對于絲桿驅動進給方式，旋切刀片E與壓尺輥c的進給量x是通過驅動絲桿交流電機的轉動實現的，也就是說，進給速度V的變化實際上就是驅動絲桿交流電機轉速n的變化，我們要解決的問題實質就是要找出電機轉速N與給進量x的函數關系：

N= fn（x）

2.1.2 刀具變速進給模型

建立如圖4所示的坐標系，坐標原點為固定驅動輥A、B中心連線的中點，旋切刀片E刃尖坐標為（X，0），即在X軸上。，設驅動輥A、B，壓尺輥C，直徑為D（mm）、轉速為n0（r/min）；原木直徑為φ（mm）、轉速為n（r/min）；旋切單板厚度為S（mm）；驅動輥A、B間中心距為a（mm）；刀床進給速度為V（mm/min），切削出的單板厚度為S（mm）。假定驅動輥與圓木無相對滑動，則其表面線速度相等，即：

d·no=D·n

也就是說，在旋切過程中，當驅動輥轉速n0（r/min）恒定不變的情況下，原木（木芯）的轉速n（r/min）隨原木（木芯）直徑的不斷變小而變大。

旋切原木（木芯）時，旋切刀刃在驅動輥A、B的對稱中心平面上，原木旋切點（旋切刀刃）的水平坐標

即，為保證旋切單板厚度，要求刀床進給速度v應滿足上式。從上式可以看出，在D、a、S確定的情況下，刀床進給速度v與原木直徑有關，在旋切過程中越來越小，v隨之越來越大。假若從進給電機到進給絲杠的傳動比為i，進給絲杠的螺距為t，則，進給電機的輸出轉速N應滿足下式：

2.1.3 刀床變速進給的實現

從以上推算可看出，在旋切過程中，刀床進給速度v隨原木直徑的不斷變小而變大，這一點是無卡軸旋切機實現正常旋切和保證旋切精度的關鍵所在。可通過機械的方法，也可通過電器控制等方法實現刀床進給速度v隨原木直徑的不斷變小而變大。目前，利用電磁調速電動機通過機電一體化的方法已成功地實現刀床進給速度隨原木直徑的不斷變小而變大。

2.2 無卡軸旋切機剪板工作原理

在開始旋切圓木后，控制器計算旋切木塊的長度并輸出信號啟動分切機變頻器進行切割，鍘刀變頻器切割完成后碰到光電開關自動停止。當長度達到設定的切割長度時，控制器再次輸出信號控制鍘刀變頻器進行切割，然后再次開始計算長度，依次循環。鍘刀變頻器的停止信號由光電開關/行程開關的開關量輸入給定。

3 電原理圖設計

3.1 整體框圖設計，根據實際需求設計需求如下：

3.2 各部件電路設計

編碼器接口電路是接收刀臺行程位置的重要數據，直接關系到后續設計精度，所以在選用編碼器時選用1024線的編碼器并采用差分輸出接口，具備抗干擾能力強，傳輸距離遠。按照上面計算的理論的，木頭超小，行進的速度超快，當到過最小木心時（27MM），旋切厚度為2MM時，電機的速度達3000轉/分鐘，變頻器運行頻率達100Hz，編碼器的輸出信號2M的速度。因此在選用隔離光耦時選用AVAGO的M600型高速光耦，速度達5M。為高精度設計打下基礎，接口電路設計如圖6：

IO的輸入電路接口要求輸入信號可靠、穩定、無毛策、簡單，并且成本要低，設計如下：

電源的輸入直接采用變頻器的24V輸出，再由24V轉換出3。

3V供系統工作用，考慮系統的穩定性，以及安全性，采用LM2576開關電源芯片，它具有轉換效率高，外圍器件少，輸出電源紋波小，輸出電流大，（可達5A）等特點。電路圖如圖8。

主控CPU的選擇上要求有3路UART接口，2路高速脈沖計數接口，以及若干個I/O口，綜合以上因素，選擇了STM32F100C8的芯片。如圖9：

5 總結

經過山東的客戶和河北的客戶實際測試，單板厚度小于1mm，單板的誤差小于0.15mm，單板厚度在1.2到2.0之間，單板的誤差在0.2mm之內。滿足客戶的要求。尾張出整張誤差在3mm左右。遠小于客戶要求的5mm誤差。

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