用于木材缺陷双面检测的自动翻转机构设计

房友盼，刘 英，徐兆军，张丹丹，於亚斌

（南京林业大学 机电学院，南京 210037）

0 引言

众所周知，我国的林木资源十分匮乏，森林资源人均占有量远低于世界平均水平[1]。随着经济发展，社会进步，人们对于木材的需求量却与日俱增，资源紧缺严重制约我国木材工业的可持续发展；另一方面，由于木材等级差异、原材料品质参差不齐，导致出现木材利用率低、生产成本高、废料多、浪费严重等问题。木材表面无损检验就成为木材加工工业中必不可少的一个环节，它对提高木材资源利用率、保证木材生产质量具有重要意义[2]。

检测木材缺陷的方法有人工检测、激光检测、X射线检测、CT和核磁共振技术检测、基于振动声学的检测以及应用数字图像处理检测方法等[3,4]。国内外对计算机视觉技术应用于木材表面识别的研究非常重视，很多关键技术已成功应用于木材加工的自动化生产过程中[5,6]。然而，现有的图像识别检测系统绝大部分只能完成单一面的木材缺陷的检测，尽管在加拿大已投入使用可以双面检测的Woodeye木材表面缺陷检测系统，但是由于设备购买、维修、保养成本过高，且并不能适应所有规格的木材，因此没有得到广泛的应用。为了全面地完成木材表面图像的采集，考虑翻转机构具有结构简单、制造容易、工作可靠、承载能力大的优势[7]，为此本文设计了一种用于木材缺陷双面检测的翻转机构，此装置只需安装于现有的木材检测系统中，即可实现检测过程中木材的自动翻转，操作简单、适用性好。

1 木材缺陷双面检测翻转装置的结构设计

图1 翻转装置的结构图

本装置结构如图1所示，主要由进料机构、出料机构、翻转机构和传动机构组成，其中进料机构包括进料支架20、进料电机19、进料带传动18和进料挡边17，进料机构是将皮带轮铰接在支架上，通过安装在支架一端的伺服电机带动皮带轮转轴转动，通过带传动传输实现进料，机构中的进料挡板可实现待测木板在传输过程中，能顺利安稳地在皮带上传输；出料机构包括出料挡边4、出料带传动2、出料电机3和出料支架1，出料机构的原理同进料机构；翻转机构包括翻转吸盘15、翻转电机23 、翻转气缸13、翻转支架16和翻转安装板14，翻转机构是将伺服电机固定在翻转支架上，翻转支架通过地脚螺栓固定在地面，电机转轴一端设置一个安装板，安装板两面分别装有气缸和吸盘，在工作过程中用于吸附待检测木板，实现待测木板的翻转；传动机构包括导轨5、滚珠丝杠6、滑块螺母10、传动气缸11、传动吸盘9、丝杠电机7以及传动支架22，在传动机构中，通过翻转支架上的丝杠螺母机构实现传动，下方的导轨起导向作用。其中滑块螺母上装有气缸和吸盘，用于将已翻转木板吸附，由丝杠螺母机构传输至出料机构，进行木材另一面的检测。

2 木材缺陷双面检测翻转装置的工作原理

图2 木材检测翻转机构工作原理三维示意图

木材检测翻转机构工作原理如图2所示。前期，在木材图像检测过程前，操作者将待检测木材放置于右侧的进料机构，由伺服电机带动皮带轮传动，通过应用数字图像处理技术完成进料检测探头后，木材继续随着带传动传输。到达翻转机构下方后，翻转机构上的气缸活塞杆伸出，吸盘牢牢吸附木材后，为了防止大尺寸木材与装置碰触，先启动翻转电机，电机轴带动气缸、吸盘和安装板转动180°，而后气缸活塞杆收回，从而实现木材翻转。翻转后气缸、吸盘安装板托举木材，传动机构在伺服电机的带动下，通过丝杠螺母机构运动到木材上方，传动机构中的气缸活塞杆部分伸出带动吸盘伸出，吸盘触及木材并将其吸附，此时翻转吸盘释放。传动吸盘紧紧吸附木材后，气缸活塞杆收回，传动伺服电机启动，将木材运送至出料机构上方。定位后传动机构中的气缸活塞杆全部伸出带动吸盘伸出，将木材送及出料机构传输带上，传输吸盘释放。木材置于出料机构后，随着出料机构中的带传动一起移动并反向运动到出料机构检测探头，实现木材表面缺陷的双面检测。

3 翻转机构的控制

用于木材缺陷双面检测的翻转机构包括对进料机构、翻转机构、传动机构、出料机构四个部分的控制，要求在进料机构和出料机构的过程中对木材实现数字图像处理技术的检测。总的控制模块如图3所示。

图3 木材缺陷双面检测的翻转机构总控模块图

用于木材缺陷双面检测的翻转机构采用PLC可编程实现智能控制，选用西门子S7-200小型可编程器功能最强的单元CPU226，并选用四个伺服电机实现木材在进料机构、翻转机构、传动机构以及出料机构精确的速度位置控制，在进料机构和出料机构的木材缺陷检测探头处安装接近开关使木材运输在此处时停止运输并完成木材缺陷双面检测。其控制参数如表1所示，原理图如图4所示。

表1 木材缺陷双面检测的翻转机构PLC控制参数

图4 木材缺陷双面检测的翻转机构PLC控制原理图

4 结束语

针对现有木材图像识别检测系统只能进行单面检测的问题，给出了一种用于木材缺陷双面检测的翻转机构的设计方案与工作原理,并给出了该装置的控制方案。将该机构与木材表面缺陷检测系统结合，可实现木材双面检测，对于进一步的木材优选等加工工艺有着显著的作用。

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