作為評(píng)定木材機(jī)械加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，木材表面的粗糙度的好壞同時(shí)還直接影響著后面工序的加工，如砂光質(zhì)量、表面涂飾質(zhì)量和膠合質(zhì)量等等。與此同時(shí)，涂料、膠料等材料的消耗以及工件加工余量的大小也受到了直接影響。
但是，如果能在木材加工過(guò)程中對(duì)材料表面粗糙度采用在線監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的方式，就可以對(duì)于加工狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，就可以提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，節(jié)約原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本，從而提高木材產(chǎn)品的利用價(jià)值。
木材表面粗糙度的非接觸式在線測(cè)量方法一直是國(guó)際上木材機(jī)械加工自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文介紹了一種采用計(jì)算機(jī)控制的激光位移傳感器在線檢測(cè)木材表面粗糙度的新的測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、精度高及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。
1、硬件結(jié)構(gòu)及原理
檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由PC計(jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換板(A/D板)、激光傳感器、CNC木材機(jī)械加工裝置等組成。當(dāng)進(jìn)行木材試件的表面粗糙度在線 檢測(cè)時(shí)，首先在卡具上把被加工工件固定好，然后通過(guò)編程控制CNC加工中心按給定切削量和進(jìn)給速度進(jìn)行銑削加工，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制激光傳感器對(duì)試件進(jìn)行 表面粗糙度的在線測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示。
模數(shù)轉(zhuǎn)換板型號(hào)為DAQ1202，它的信號(hào)大輸入范圍為±10V，增益分別為1、2、4、8四個(gè)檔，對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入范圍是±10V、±5V、±2.5V和±1.25V。A/D轉(zhuǎn)換器為12位，滿量程為±2048；大采樣速率400kHz，即采樣周期為2.5μs。
激光傳感器測(cè)量系統(tǒng)采用的是日本KEYENCE公司生產(chǎn)的LC-2400系列超高精度激光位移傳感器，激光頭選用的是專用于檢測(cè)低反射率物體的LC-2450型激光頭。該裝置的分辨率為0.1μm、線性度為±0.05，輸出0~5V直流電壓信號(hào)。
2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件采用VB6.0編程。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)主要分為屏幕菜單的設(shè)計(jì)和 控制程序的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。屏幕菜單比較簡(jiǎn)單，只設(shè)“start”和“stop”兩個(gè)命令鍵及“粗糙度Rz”和“A/D采樣值”兩個(gè)數(shù)據(jù)顯示窗口。控制程序 分為“A/D轉(zhuǎn)換”、“動(dòng)態(tài)零點(diǎn)確定”、“數(shù)據(jù)采集”、“10點(diǎn)大值篩選(輪廓的峰高和谷深各5點(diǎn))”、“10點(diǎn)平均值的計(jì)算”、“數(shù)字量的換算及標(biāo) 定”、“數(shù)據(jù)顯示”等。程序流程見(jiàn)圖2。
2.1、激光傳感器初始測(cè)量點(diǎn)的設(shè)定
表面粗糙度的在線檢測(cè)在動(dòng)態(tài)中進(jìn)行，被加工工件的表面與激光頭的距離隨加工切削量的大小而變化，激光傳感器零點(diǎn)很難固定，所以在正的信號(hào)區(qū)里選擇了一個(gè)偏移初始點(diǎn)，即0.4~0.6V左右，激光傳感器在這個(gè)區(qū)間開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集。
2.2、A/D轉(zhuǎn)換原理
當(dāng)程序執(zhí)行“start”命令鍵時(shí)，計(jì)算機(jī)控制激光傳 感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，激光傳感器采樣的數(shù)據(jù)要先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將激光傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)方能輸入給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。一般銑削加工表面粗 糙度的信號(hào)在0~200mV之內(nèi)變化，為了提高測(cè)量精度,A/D板的增益選擇為8，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號(hào)在±1.25V以內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換的輸出范圍 為±2048，即每個(gè)數(shù)字量等于0.61mV(1.25V/2048)模擬量。
2.3、初始數(shù)據(jù)的采集
在線檢測(cè)的數(shù) 據(jù)采集在工件進(jìn)給的動(dòng)態(tài)中進(jìn)行。銑削加工剛開(kāi)始時(shí)，初工件還沒(méi)有到達(dá)激光測(cè)量點(diǎn)的位置，由于這時(shí)激光的光線照射在工作臺(tái)上進(jìn)行反射，測(cè)量距離超過(guò)有效的 范圍，使激光傳感器的輸出超過(guò)滿量程，同時(shí)也使A/D轉(zhuǎn)換器的輸出等于2048的滿量程值。因此，這時(shí)程序處于循環(huán)采樣和等待狀態(tài)，而采樣值一但小于 2047，說(shuō)明被測(cè)工件已經(jīng)進(jìn)入激光傳感器的測(cè)量范圍。為避開(kāi)工件邊緣處不平整的影響，先延時(shí)20ms，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
2.4、數(shù)據(jù)采集和表面粗糙度的計(jì)算
首先連續(xù)循環(huán)采集200個(gè)數(shù)據(jù)，采樣周期根據(jù)進(jìn)給速度的快慢確定為1~2ms。然后根據(jù)算術(shù)平均中線法來(lái)確定零點(diǎn)，即將200個(gè)數(shù)據(jù)相加求平均值作為零 點(diǎn),而后用每個(gè)采樣數(shù)據(jù)減去零點(diǎn)值，其結(jié)果大于零點(diǎn)的為正，小于零點(diǎn)的為負(fù)。通過(guò)比較大小篩選出10個(gè)大值(正負(fù)各5個(gè))，再計(jì)算其平均值。再將數(shù)字量的結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，求出表面粗糙度Rz。
把測(cè)量求得的表面粗糙度Rz送屏幕顯示，同時(shí)將Rz數(shù)據(jù)以文本文件的格式存入硬盤(pán)的指定目錄。在連續(xù)測(cè)量和顯示表面粗糙度Rz的過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)大于2047時(shí)，說(shuō)明整個(gè)工件已經(jīng)測(cè)量完畢，因此停止檢測(cè)。
3、木材表面粗糙度的在線測(cè)量
表面粗糙度的在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)選擇了軟材的花旗松和硬材的山毛櫸這 兩種實(shí)驗(yàn)材料。下面給出在CNC刀軸轉(zhuǎn)速分別為2000、3000r/min的情況下，CNC工作臺(tái)的進(jìn)給速度分別為1.8、3、4.2、6m/min 時(shí)，在1m長(zhǎng)工件的銑削加工過(guò)程中，采集6個(gè)點(diǎn)的表面粗糙度Rz數(shù)據(jù)，花旗松的表面粗糙度Rz的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和表2，山毛櫸的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。
4、小結(jié)
本文介紹了采用計(jì)算機(jī)控制激光傳感器組成的木材表面粗糙度在線檢測(cè)系統(tǒng)的組成、工作原理及實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了木材機(jī)械加工表面粗糙度的高速在線檢測(cè)，它對(duì)提高木材機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要的意義。同時(shí)，也為下一步實(shí)現(xiàn)木材機(jī)械加工的在線控制奠定了基礎(chǔ)。
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