程千晟， 陳凡磊， 吳淑娟

(閩西職業(yè)技術(shù)學院，福建 龍巖 361000)

我國是全球最大的木業(yè)加工、木制品生產(chǎn)基地和最主要的木制品加工出口國，但木材出材率和綜合利用率的指標與發(fā)達國家相比還有較大的差距[1-3]。 在木材的加工流水線中，原木經(jīng)過加工切割成一片片的毛邊鋸材之后，仍需進行進一步的加工才能得到邊緣形狀規(guī)則的整邊鋸材。 在毛邊鋸材加工過程中，寬邊尺寸、窄邊尺寸及長度尺寸的測量是重要的環(huán)節(jié)[4-5]。 目前，我國大部分毛邊鋸材加工企業(yè)仍采用人工檢測的方法來測量外圍尺寸，再憑借工人的經(jīng)驗對毛邊鋸材的下鋸位置做出判斷，這種方法不僅生產(chǎn)效率較低，還常常因為人為因素造成較大誤差而降低出材率。

基于此，設(shè)計一款能夠?qū)崿F(xiàn)對毛邊鋸材的外形尺寸在線快速檢測的系統(tǒng)，來提高毛邊鋸材外形輪廓參數(shù)檢測的準確性。 同時，對所檢測到的數(shù)據(jù)進行處理輸出，為進一步實現(xiàn)毛邊鋸材自動化加工提供數(shù)據(jù)支撐，從而提高了木材加工的出材率和生產(chǎn)效率，進一步降低勞動成本。

1 毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計要求

毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)應滿足以下幾點要求:①能夠?qū)崟r檢測在傳送帶中行進的毛邊鋸材的尺寸，主要包括毛邊鋸材寬邊尺寸、窄邊尺寸及長度尺寸；②能夠?qū)λ杉瘮?shù)據(jù)進行處理得到窄邊尺寸并存儲；③能夠?qū)崿F(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的可視化輸出。

1.2 毛邊鋸材形狀識別工作原理

毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)主要采集的數(shù)據(jù)對象有毛邊鋸材的寬邊尺寸、窄邊尺寸和長度尺寸。 基于上述要求，提出該形狀識別系統(tǒng)的原理框架圖如圖1所示，由毛邊鋸材外形參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和電源模塊組成。

圖1 毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)工作原理框圖

毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)采用MCS-51 單片機進行檢測信號的接收和處理。 利用光幕傳感器采集毛邊鋸材的尺寸，通過串口通信，接收傳感器信號并在單片機內(nèi)對數(shù)據(jù)進行計算處理，得到尺寸數(shù)據(jù)后保存并輸出顯示，與此同時，通過最小二乘法擬合得到毛邊鋸材外形輪廓，從而得到最佳下鋸位置。

2 毛邊鋸材形狀識別控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型

2.1.1 檢測光幕選型

在實際生產(chǎn)中，我國木材生產(chǎn)加工所使用的常規(guī)毛邊鋸材的寬度約為250 ～400 mm 之間，為了盡量提高檢測精度，滿足實際使用需求，選用1 mm 光軸間距(也是測量精度)，512 光軸型號的檢測光幕，掃描方式選擇最常用的平行掃描的方式。 所選光幕的各項參數(shù)如表1 所示。

表1 檢測光幕技術(shù)參數(shù)

2.1.2 液晶顯示屏選型

在毛邊鋸材形狀識別數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)中，需對檢測處理后的數(shù)據(jù)進行操作和顯示，對當前檢測中的毛邊鋸材數(shù)據(jù)進行實時顯示。 LCD1602 液晶顯示屏，是用來顯示字母、數(shù)字、符號等點陣型的液晶模塊。 由多個5×7 或5×11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位顯示一個字符，兩個位間的間隔是一個點距，上下行之間也有間隔，它的作用是顯示字符間距和行間距。 該顯示屏的指令功能強大，可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿不同的要求。

本文利用LCD1602 液晶顯示屏實現(xiàn)毛邊鋸材尺寸數(shù)據(jù)的顯示，電路圖如圖2 所示。

圖2 LCD1602 液晶電路圖

其中連接P26 的RS 引腳為數(shù)據(jù)/命令選擇端。RS 為高電平時可對數(shù)據(jù)進行寫操作，為低電平時進行寫命令操作，如確定顯示位置等。 RW 為讀/寫選擇端，可控制LCD 當前是進行讀操作還是進行寫操作。 E 為使能信號端，其與LCD 的工作時序相關(guān)聯(lián)，控制當前是輸入數(shù)據(jù)還是保持穩(wěn)定顯示。 DB0 到DB7 為數(shù)據(jù)I/O 口。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計

如圖3 所示，每對測量光幕相對安置，在光幕接線連接好后，VCC 和GND 兩個端線分別連接+24V直流電源和地線，A、B 兩個RS485 輸出端口通過RS485/RS232 雙向轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換之后輸入到單片機上[6]。 系統(tǒng)控制程序采用C 語言開發(fā)，編譯后下載到單片機中。 數(shù)據(jù)采集控制程序流程如圖4 所示。

圖3 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 數(shù)據(jù)采集控制程序流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理控制模塊設(shè)計

毛邊鋸材的形狀通常是一端較大一端較小，因此鋸材的形狀可近似為一個梯形。 本文通過最小二乘法擬合的方法，可以得到毛邊鋸材的窄邊尺寸，從而獲得最佳下鋸位置。

具體過程為:①通過數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)獲取毛邊鋸材采集點數(shù)據(jù)坐標。 ②建立和解方程組，直線方程設(shè)為f(x)＝a+bx，其中a、b 為未知。 擬合成的直線如圖5 所示，方程組為式(1)、式(2)所示。

圖5 擬合直線

解式(2)即可得到擬合出的直線的斜率a，斜率a 的計算式如式(3)所示。

在曲線擬合程序編寫之時采用for 循環(huán)來進行xi，yi，，xiyi等的累加，求出累加得到的值。 程序段如下所示。

至此，根據(jù)測得的窄邊尺寸就可確定梯形整邊鋸材的加工位置。

3 毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)調(diào)試

3.1 試驗設(shè)備的準備

準備2 片毛邊鋸材尺寸規(guī)格(長×寬邊×窄邊)分別為:

(1)毛邊鋸材a:28.5 cm×4.3 cm×3.3 cm

(2)毛邊鋸材b:20.1 cm×4.5 cm×3.6 cm

本文選用意普興的測量光幕作為試驗數(shù)據(jù)采集傳感器，具體參數(shù)如表2 所示:

表2 光幕型號參數(shù)

該型號對本設(shè)計來說，既能滿足試驗要求，又能驗證理論，成本也低。 供電的電源選用S250 W-24 V-10 A 開關(guān)電源，主要用于AC220 V 轉(zhuǎn)DC24 V，為測量光幕提供24 V 電源。

3.2 試驗調(diào)試及其結(jié)果

上電，將程序加載到單片機上，LCD1602 顯示屏上顯示的數(shù)字為鋸材窄邊和長度尺寸，其中第一行D 表示所測毛邊鋸材的窄邊尺寸，第二行L 表示所測毛邊鋸材的長度尺寸，如圖6 所示，檢測前窄邊尺寸D 和長度L 均為0。

圖6 檢測前顯示屏示數(shù)圖

當毛邊鋸材a 以2 cm/s 的速度勻速通過數(shù)據(jù)采集裝置時，可觀察到LCD1602 顯示屏上顯示的數(shù)字發(fā)生變化，如圖7 所示，D＝3.20 cm，L＝28.48 cm。 同理，當毛邊鋸材b 以2 cm/s 的速度勻速通過數(shù)據(jù)采集裝置時，可觀察到LCD1602 顯示屏上顯示的數(shù)字發(fā)生變化，如圖8 所示，D＝3.80 cm，L＝20.20 cm。

圖7 毛邊鋸材a 測量數(shù)據(jù)顯示

圖8 毛邊鋸材b 測量數(shù)據(jù)顯示

3.3 試驗分析

通過試驗發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能對不同毛邊鋸材的尺寸進行檢測計算并實時輸出毛邊鋸材的窄邊尺寸和長度尺寸，達到了預期的效果，驗證了該系統(tǒng)可在實際運用中為毛邊鋸材的自動化加工提供數(shù)據(jù)依據(jù)的可行性，但由于傳感器精度的問題，存在一定誤差。 在實際應用中需使用精度更高的測量光幕以減小測量誤差。

4 結(jié)論

本文基于毛邊鋸材檢尺工藝，通過模塊設(shè)計法對毛邊鋸材形狀識別系統(tǒng)進行了功能分析與求解，根據(jù)分析結(jié)果，通過單片機編程設(shè)計了毛邊鋸材數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的控制系統(tǒng)。 該設(shè)計提高了毛邊鋸材外形數(shù)據(jù)的檢測精度和效率，有利于降低木材加工生產(chǎn)成本，為木材制品后續(xù)自動化加工奠定一定基礎(chǔ)。 但對于缺陷較大的毛邊鋸材外輪廓尺寸檢測還有待進一步研究與開發(fā)。