（计算机应用技术专业论文）智能化木材强度在线实时无损检测软件系统研究.pdf

一 - 摘要 摘要 天然生长的木材即使同一树种，也可能因生长条件的变化而影响其结构上量 的变化，这样就使得各株甚至于同株内的不同位置材性的变化可能很大。这些因 素都给木材选材工作带来了定的困难。木材都具有优良的声振动性能，木材之 间的声振动性能的差别能较直接的反映木材强度差别。智能化木材强度在线实时 检测线采用基于打击音的快速傅里叶变换( f f t ) 频谱与木材的几何数据结合分 析确定木材的静弹性模量，同时根据木材的静弹性模量对木材强度进行分等并做 出分等标识。 本论文主要针对智能化木材强度在线实时检测线形成一套界面友好、功能齐 全、使用方便、实时性强、准确率高、专业化程度较高的数控软件。 本文主要介绍了木材强度自动检测线的工作流程、木材几何数据的采集和锤 头定位的方法、打击音的共振频率的提取、基于b p 神经网络的木材强度分等算 法和软件整体设计等部分。着重介绍了对打击音的小波消噪和f f t 分析，同时 应用误差反向传播网络建立输入量( 长、宽、高、重量及共振频率) 与输出量( 静 弹性模量) 之间的全局性的映射关系，提高了木材分等的准确性。 研究木材强度数控检测线为木材强度检测的工业化生产奠定了良好的基础， 它摆脱了传统的木材强度取样检测的局限，并且不破坏被检测木材，能实现木材 强度自动分级的连续化生产，对我国木材分级技术有一定的促进作用。 关键词无损检测；小波变换；快速傅立叶变换；b p 网络 l 东北林业大学顶：l 学位论文 a b s t r a c t t h en a n l r a lg r o 、 厂t hl u m b e re v e nj ft h ej d e n t i c a lt r e e ，o r e na 、f e c t st h ec h a n g eo fq u a n t i t y o ni t ss t r u c t u r eb e c a u s eo ft h ec h a n g eo fg r o 、v t hc o n d i t i o n ，s ot h i sc a u s e st h a tt h el u m b e r c h a r a c t e ro fe a c he v e nt h es a m et r e e s d i f f - e r e n tp o s i t i o nh a v eb i gd i f 佗r e n c e s a l lt h e s ef a c t o r s g i v et h ep l a t es e l e c t i o nw o r kt o b r i n gt h ec e r t a i nd i f ! f l c u l t y a 1 lt h el u m b e r h a s t h e6 n es o u n d v i b r a t i o np e r f o r m a n c e ，t h ed i f 传r e n c eo fl u m b e rs o u n dv i b r a t i o np e r f o 肿a n c ec a nt h em o r e d i r e c t l yr e n e c tp l a t ei n t e n s i t yd i f 瓷r e n c e t h ei n t e l l e c t u a l i z e dw o o ds t r e n g t ho n - i i n er e a l t i m e d e t e c t i o nl i n eu s e sf a s tf o u m i e rt r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) t h ef r e q u e n c ys p e c t m mb a s e do nt h e a t t a c ks o u n da n dt h ep l a t eg e o m e t r yd a t at oa n a l y s i sa n de n s u r ep l a t es t a t i ce l a s t i c i t y c o e m c i e n t ，s i m u l t a n e o u s l ya c c o r d i n gt o t h ep j a t es t a t i ce l a s t i c i t yc o e m c i e n tc a r r i e so nt h e c l a s s i f i c a t i o nt o t h ep l a t ei n t e n s i t ya n dm a k e sc l a s s i f i c a t i o nm a r k i n g t h ep a p e rm a i n l ya i m sa tt h ei n t e l l e c t u a l i z e dw o o ds t r e n g t ho n l i n e r e a l t i m ed e t e c t i o n l i n et of o r mas e to fn u m e r i c a ic o n t r o ls o f l w a r ew h i c hc o n s i s t so fs u r f a c e si naf r i e n d l yw a y 、 c o m p l e t e f u n c t i o n 、 e a s y t o o p e r a t e 、s t r o n gt i m e l i n e s s 、h i g h a c c u r a t er a t ea n dh i g h e r s p e c i a l i z a t i o l l t h i sa 九i c l en l a i n i yi n t r o d u c e st h ew o r kf l o wo fp l a t ee 】a s t i c i t yc o e f n c i e l l ta l l t o m a t i c d e t e c t i o nl i n e 、t h eg a t h e ro fp l a t eg e o m e t r yd a t a 、t h em e t h o do fh a m m e r h e a do r i e n t a t i o n 、 t h ep i c k u po ft h ea t t a c ks o u n d sr e s o n a n c ef r e q u e n c y ，b a s e do nb pn e r v en e t w o r kp l a t e i n t e n s i t yc l a s s i n c a t i o na l g o r i t h ma n ds o n w a r eo v e r a l ld e s i g n i te m p h a t i c a l l yj n t r o d u c e s l h e a t f a c ks o u n d st h ew a v e l e td i s a p p e a rc h i r pa n dt h ef f ta n a l y s i s ，s i m u l t a n e o l i s l yu t i l i z e se h o r r e v e r s ed i s s e m i n a t i o nn e t w o r kt oe s t a b i i s ho v e r a l ls i t u a t i o nm a p p i n gr e l a t i o n sb e t w e e ni n p u t ( 1 e n g t h ，w i d t h ，h e i g h t jw e i g h t ，r e s o n a n c e 打e q u e n c y ) a n do u t p u t ( s t a t i ce l a s t i c i t yc o e f n c i e n i ) j e n h a n c e st h ea c c u r a c yo fp l a t ec l a s s m c a t i o n t h er e s e a r c ho fp l a t ee l a s t i c i t yc o e 筒c i e n tn u m e r i c a lc o n t r o ld e t e c t i o nl i n ee s t a b l i s h e st h e f o u l l d a t i o nf o r t h ei n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o no fp l a t ee l a s t i c i t yc o e f 矗c i e n te x a m i n a t i o n ：i t 2 e t s “do ft h el i l n i t a t i o no ft r a d i t i o n a lp l a t ee l a s t i c i t y c o e f h c i e n te x a m i n a t i o n s a m p l i n g e x a m i n a t i o n ，a n dc a n td e s t r o yj h ee x a m i n e dp l a t e ，r e a l i z e st h ec o n t i n u o u sp r o d u c t i o no f w o o d s i r e n g t ha u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o n ，i th a st h ec e r t a i np r o m o t e ra c t i o nf o r o u rc o u n t r y sp l a t e c l a s s m c a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d sn o n d e s t r u c t i v et e s t ；w a 、，e l e tt r a n s f o r m ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ；b pn e t w o r k i磊、 l 绪论 1 绪论 1 1 木材无损检测系统现状分析 木材的弹性模量与强度和刚度有着密切的关系，它是木材强度重要的分等依据，根 据木材弹性模量的数值范围就可以确定木材强度的等级。本文的木材强度数控检测线是 通过纵向振动法获取弹性模量，通过弹性模量实现木材强度分等。所以木材强度检测线 检测的关键是木材的弹性模量，同时也可称为木材弹性模量检测线。 1 1 1 国内木材弹性模量检测设备的现状分析 我国传统的木材弹性模量的检测方法通常是采用静态测试法的小试件3 点弯曲试验 法，即抽取一定比例的成品板截成小试件进行破坏性试验。目前静态法基本都是采用木 材万能实验机、专用卡具、游标卡尺、干分尺等工具用破坏试件的方法来测量弹性模 量。相对于其它方法来说，静态法的主要优点是测量精确，但是工时费用较高，工作过程 复杂、耗时长，检测结果不能及时反馈到生产线，只能用于单件小批量检测。这些测量 方法多为破坏性测量，劳动生产率低。就我国的情况而言，惯用的做法是：依据标准从 一批产品中随机抽取0 1 ( 不得少于l 张) 的样板进行测试。中密度纤维板的售价不 高，一般企业均采用一张板进行测试。破坏性检验增加了成本，并且随机抽取不能保证 每张板的质量合格，远不能满足现在大规模应用人造板的要求。 为了满足工业化生产的需求，国内正不断的对板材弹性模量的动态测试法进行研 究。木材的弹性模量与强度和刚度有着密切的关系，木材按机械的强度等级区分的方法 有测量木材变形推测强度的方法和测量木材振动特性推测强度的方法。 我国从8 0 年代初开始了木材无损检测技术的应用基础研究：1 9 8 0 - 1 9 8 5 年陈嘉宝利 用超声仪对1 1 种木材超声弹性模量和强度关系进行了研究；1 9 8 5 年刘一星等利用超声波 检测系统测试分析木材的顺纹、横纹的超声波检测值与强度之间的关系；1 9 8 8 年赵学 增、刘星等利用快速傅利叶变换分析技术和计算机技术开发了一种关于木材弹性模量e 和刚性系数g 的快速测量方法。9 0 年代以来国内也有些木材无损检测分级方面的文献 报道，但都处于实验室规模的研究阶段，我国自主开发的木材强度分级无损检测线尚未 问世，其主要原因在于无损检测线的实用性开发高科技技术含量高，难度大，需要木材 科学、机械设计、电气自动化、计算机控制等多个专业的技术人员合作才有可能成功 2 - 8 0 在我国进入世界贸易组织的形势下，国内木材加工业均面临参与国际贸易竞争的风 险和挑战。国际市场对木材及林工产品的质量和强度分级有着很严格的要求，同时经过 规范检测的高品质等级产品也能通过高销售价格获取明显的利润，这无疑在接受风险挑 战的同时，也给我们带来了新的发展机遇。而作为活力木蓄积量居全国第一位的黑龙江 省，正是出于风险最大，机遇也最多的地位。所以，如果我们通过应用高新技术的改革 东北林业大学硕士学位论文 和创新，开发研制出具有自主知识产权和高性价比优势，适合我国、我省实际情况和需 求木材( 木质材料) 强度分级无损检测线并迅速推广，就能够在进入w t 0 中再提高木材 和木制品质量控制水平获取价格利润和检测线本身的推广销售利润两个方面获得巨大的 经济效益。因此，前景十分广阔。 1 1 2 国外木材检测理论研究和弹性模量检测设备的发展趋势 国外对木材及木质材料的无损检测技术研究较早，2 0 世纪6 0 年代，英国、美国、南 非等国研究出第一代木材分等机械；采用重量法结合人工目测的方法对木材进行分等。 7 0 年代末8 0 年代初，英国、芬兰研究出第二代木材应力分等机，采用非破坏性的实验方 法对木材进行分等。9 0 年代以来，利用纵向应力波测定木材弹性模量和抗拉强度的研究 取得了较大的进展，并可用有限元模型来表示非均质锯材的动态特性。目前，国外已适 用于木材川h h n t 企业的木材强度分级检测线的主流产品是美国m e t r i g a r d 公司和德国有关公 司的应力分级机。日本的中国木材公司、河合木业公司与机械、电气公司联合研制的应 力分级检测线也应用在自厂的生产，但国际市场销售的分级检测线价格昂贵，高达3 0 0 万8 0 0 万元人民币，不能被国内木材加工企业所接受，但本研究拟开发研制的检测线形 成工业化产品后的预期价格不高于3 5 万元人民币 9 - 1 4 1 。 国外木材弹性模量检测设备的研究发展以在线n d t ( 无损检测) 设备为主。n d t 是在 不破坏物质原有材质和形状情况下，对材料的某些特性进行检测。采取在线n d t 方法， 可将检测结果及时反馈到生产线，及时调整工艺参数，保证每一块板的质量符合要求。 n d t 的最大优点是既不破坏材料的原有特性，而且能在短时间内获得结果，以便操作人 员做出判断，有利于生产的连续性和生产效率的提高。由于人造板等板材在生产生活中 的大规模运用，对在线检测提出了更高的要求，弹性模量检测技术将向应用于生产实 际，节约原材料，保证产品安全可靠，实现质量控制，提高劳动生产率，向全自动化方 向发展。 随着电子技术、计算机技术及n d t 技术等科学技术的发展，作为木材力学强度n d t 基础的木材弹性模量的研究也将会更加深入。弹性模量的检测会与电子技术及计算机等 技术更加紧密的结合来满足生产要求，提高检测水平，不断缩小动态检测和静态检测结 果的差异性，使动态检测的结果更加接近板材实际弹性模量，更加的准确。以后的板材 弹性模量检测技术会将更多的数学方法引入到n d t 中来，会与有限元、小波分析和人工 神经网络等结合的越来越多。总之，板材弹性模量检测设备将不断在探索中与更新更好 的技术相结合来完善检测的理论和实践，我国的板材弹性模量检测线必然向着在线检 测、n d t 和全自动化检测的方向发展。而板材弹性模量数控检测线由于自动化程度高、 测量方便和准确等特点将会是未来弹性模量检测技术发展的一个重要方向。 1 2 木材无损检测系统研发目的及意义 研制采用计算机数控智能化技术，能对木材成材、人造板、家具部件材的力学强度 等级在生产线上实行快速无损检测的成套设备，形成高效的自动化检测线。 1 绪论 研究木材弹性模量数控检测线为木材弹性模量检测的工业化生产奠定基础，它摆脱 了传统的木材弹性模量检测取样检测的局限，并且不破坏被检测木材，能实现木材强度 自动分级的连续化生产，对我国木材分级技术有一定的促进。目前国际市场销售的木材 分级检测线价格昂贵，不能被国内的木材加工企业所接受。研究木材弹性模量数控检测 线也是为了研究一种价格低廉，更符合我国国情的弹性模量检测机。 成材和人造板等木质材料的在线无损检测及应力分等，能改变传统分等方法的分等 效率低，分等误差大等缺陷，能快速准确地对木材和人造板等木质材料按应力或强度水 平进行区分、划等，是物尽其材、提高材料的利用水平，同时也避免了因分等不准造成 的材料的超载使用所带来的事故隐患，特别是对于强度这种原本必须用破坏方法才能检 测的材料性质，本研究的预期成果将更加显现其优越性。由原来抽样破坏检测即浪费材 料和工时，也难以保证整批产品质量的情况，变为最大程度的保证产品质量、杜绝浪 费。 我省活力木蓄积量居全国之首。拟研制的木材和木质材料实时无损检测线可以提高 成材和人造板的质量控制水平，规范产品质量控制体系、防止木材和人造板的人为浪 费、合理保护资源、提高木材资源的综合利用率、提高生产效率和产品价值、具有显著 的经济效益和社会效益。 我国即将进入w t o ，国际市场对木材及林工产品的质量和强度( 应力分级) 有着很 严格的要求，同时经过规范检测的高品质等级产品也能够通过高销售价格获取明显的利 润。所以，我们只有通过应用高新技术改革和创新才能更好地迎接入世之后带来的挑战 和机遇。 1 3 木材弹性模量数控检测线的市场预测与产品的效益分析 目前由于木材的发展导致对板材检测设备需求增加，而传统的检测方式往往不能满 足时代发展的需求。比如传统对刨花板和中密度纤维板的静曲强度和弹性模量的测定， 基本都是通过手工取点然后向工件加载压力，最后破坏工件的方式来测绘出弹性模量。 这样不仅成本高，而且测量的效率低，无法满足对大批量木材弹性模量检测的要求。采 用振动法无损检测弹性模量的方法，虽然比传统手工检测的方法节约了成本，但是需要 用胶粘剂把传感器和工件连在一起，用手动小锤敲击的方法收集信号f u f f t 分析仪检测弹 性模量。这样检测效率低，仍然满足不了市场需求。采用超声波速及波形测试法因为测 试结果受到测试件与超声波发射器及接受器的耦合程度的影响较大，除了用油性耦合剂 外，亦有用水性耦合剂进行各种实验，耦合剂对试件的渗透很快，而耦合剂渗透造成的 污染无法避免与消除。这就使超声波波速及波形测试法难于在工业生产实际中应用。最 近二三十年也有应用电测法测量弹性模量，电测法能够精确测量木材的弹性常数，是一 种比较合适的应变检测手段，测试结果可靠，实验时间短而且可以同时测出木材试件在 三个主方向上的应变。但是电测法费用较高，主要是由于电阻应变片仅能一次性使用。 同样不适合工业在线检测。所以现在必须摆脱取样检测的局限，直接在工件上进行材料 东北林业大学硕士学位论文 弹性模量的高精度检测已势在必行。在线无损检测设备一定有很广阔的市场。在线无损 检测应该满足的基本要求：( 1 ) 检测过程自动控制( 2 ) 数据处理智能化( 3 ) 适时显示检测结 果，并能打印和保存。木材弹性模量数控检测设备能够满足市场需求，实现对木材的在 线无损自动化的检测的要求。在检测过程中，工件将自动通过滚台，数控检测设备将记 录下其高度、厚度及长度，然后由推板器推到电子秤上称重并被小锤敲击通过木材声音 频率来确定静弹性模量，由喷漆筒对不同弹性模量的木材喷不同颜色的油漆，最后经传 送链传到出料滚台，工件检测完毕。整个过程耗时短，检测自动化程度高，并且直接测 得结果并将木材分类。能够满足木材工业化的在线检测的需求。 木材弹性模量的无损测量和自动检测已成为当前先进的木材分等技术的基础。利用 木材弹性模量的自动检测来实现对木材强度自动分级的连续化生产，最典型的是利用机 械应力分级( m a c h i n es t r e s sr a t i n g ：m s r ) 技术对结构材进行分等和单板的超声波分等。在 国外工业生产中应用的基于弹性模量检测的木材强度分级已实现电子计算机控制的自动 化检测和人工智能化检测。在我国，在线木材弹性模量检测的研究却还处于起步阶段， 而国际市场销售的分级检测线价格昂贵，不能被国内木材加工企业所接。木材弹性模量 数控检测设备对我国木材分级技术也有一定的促进，价格方面也比较符合我国国情。所 以一定具有良好的市场前景。能在木材的检测中广泛的应用。 1 4 本论文研究内容 本文是以导师主持的黑龙江省攻关项目“数控智能化木材强度在线实时无损检测成 套设备研究( g b 0 2 a 1 0 8 1 ) ”为课题来源。本文主要负责该课题的数控智能化木材强度在 线实时无损检测成套设备的智能化数控检测系统的研究，形成一套界面友好、功能齐 全、使用方便、实时性强、准确率高、专业化程度较高的数控软件。本课题研究的主要 内容可以概括为4 个方面： ( 1 ) 确定木材强度在线实时无损检测线的各部分组成和工作时序。 ( 2 ) 确定计算机与多种传感器通信的方法以及控制步进电动机的方法。获取木材几 何数据，做好基准点的准确定位。 ( 3 ) 确定基于木材几何参数和扣击应力声波信号频谱分析的快捷、准确的木材强度 分级的基本方法。 ( 4 ) b p 神经网络应用在木材强度分等领域的探讨。 2 木材强度检测线工作流程 2 木材强度检测线工作流程 2 1 板材强度检测设备的组成 板材强度检测线采用模块化设计与开放式体系，主要由七大部分组成：主控机、智 能运动控制卡和数据采集卡、传感器、电气柜、步进电机、机械系统、气控系统。板材 强度检测线实验台如图2 1 所示。 图2 1 板材强度检测线 2 1 1 机械布置图 板材强度检测设备的机械布置图如图2 2 所示。 图2 2 机械布置图 团田 一 2 木材强度检测线工作流程 时处于最高点) ，触动挡板上的行程开关，电磁阀换向，推板器回退至原来位置。延时一 段时间待电子称稳定后，计算机根据2 个电子秤输出值的相加和计算出板材重量并存 储。 2 1 2 。4 敲击锤定位 计算机根据宽和高确定板材中心点位置，驱动步进电机将锤头由初始零点调整到中 心点，计算机发出指令给电磁阀，电磁阀换向，便压缩空气，冲击汽缸工作，打击发出 声音。 2 1 2 5 声音信号采集和处理 计算机采集声波信号，滤波、平滑处理、存储、进行傅立叶变换，分析其频率。 2 1 2 6 弹性模量分级 根据板材的长、宽、高、重量和频率取得弹性模量的等级( 分为四等) ，一种等级对 应一种喷漆颜色。 2 1 2 7 喷漆筒就位 根据板材的弹性模量等级，计算机驱动步进电机控制相应的喷漆筒到达锤击喷漆筒 的位置。 2 1 2 8 喷漆 称重装置下降，板材落到传送链上，平移至喷漆处，触动开关，螺旋汽缸压下喷 漆筒喷漆。喷漆以后，传送链带动板材向前运动，滑到出料台，板材由出料辊台送 出。汽缸压下的时间控制继电器，延时后继电器来控制各工位回到初始位置，进行下一 个循环。 2 2 系统控制时序图 根据板材强度无损实时检测线的工作流程，绘制表2 1 的控制时序表如下，表中 “+ ”代表设备工作，“”代表设备停止工作。 表2 1 控制时序表 序设鲁标 。：。 检测厚度 写。曼； 设备名称 初始化喾荔菊重 7 控件 ”。”“8 锤头称锤电子称选择喷开始 移动重击 落下漆桶喷漆 5 l l 6 l 2 7 l 3 8 l 9 l 5 电源总开关 + 进料电动机 + 传送链电机 + 出料电动机 + 长度传感器( 灯) + 厚度传感器( 灯) + 宽度传感器l ( 灯) + 宽度传感器2 ( 灯) + 电予称l ( 灯) 十 警 撇器 端部测量长度测量宽度测量 2 3 ， 3 板材几何数据采集和锤头定位 3 板材几何数据采集和锤头定位 3 1 板材几何数据采集 3 1 1 板材几何数据测定依据 一般情况下，普通锯材的长度、宽度、厚度等参数可查表获得。锯材的尺寸检测是 以锯割当时检测的尺寸为准，具体按以下几种方法检n - ( 1 ) 长度是按沿材长方向检测两端面间的最短距离。实际材长小于标准长度，但不超 过负偏差，仍按标准长度计算；如超过负偏差，则按下一级长度计算，其多余部分不 计。 ( 2 ) 宽度和厚度是在材长范围内除去两端各1 5 c m 的任意无钝棱部位检量。正、负偏 差允许同时存在，并分别计算。 ( 3 ) 板长的实际宽度小于标准宽度，但不超过负偏差时，仍按标准宽度计算，如超过 负偏差限度，则按下一级宽度计算。 ( 4 ) 检测尺寸的计量单位，长度以米为单位，量至厘米，不足l c m 舍去；宽、厚以毫 米为单位量，不足l m m 舍去。 长、宽、高等参数采集完成后进行对板材材积的计算。由于采用计算机采集参数方 法可以实现对板材参数的连续检测，所以计算板材的材积将比以往手工检测方法计算的 板材材积更为准确【l 川。以往板材材积可按下列公式计算： ( 1 ) 整边板、方材材积v 的计算公式 v = l w t ( 3 1 ) 式中：v 为锯材材积m3 ；w 为锯材宽m ( 锯材长、宽常用h u n 表示，需换算成m ) ；t 为 锯材材厚；l 为锯材长m 。 ( 2 ) 毛边板材积的计算 毛边板的材面宽度随着原木尖削度而使板面形成梯形，在断面上由于外材面比内材 面窄也形成梯形。n ) k 计算材积时，毛边板的宽度是测量材长中央部位外材面和内材面 宽度相加后除以2 ，但此宽度为实际尺寸，还需按一定进位尺寸进舍后算得其标准宽的尺 寸。材积按整边材公式求得。 ( 3 ) 板皮材积计算 板皮材积一般按层积立方米计算，如计算单块板皮材积按下式计算： v = 2 3 牛w t l( 3 2 ) 式中：v 为板皮材积m 3 ；w 为离大头4 1 0 材长处的宽度m ；t 为离大头4 1 0 材长处的厚 度m ：l 为材长m 。 现在由于采用计算机采集参数的方法，实现了对板材在线连续的检测，可测得并记 录下在板材通过的任意时刻t 的板材参数长、宽、高。在计算板材材积时可得出更为精确 东北林业大学硕士学位论文 的板材材积。公式如下 t v = i x ( t ) y ( t ) d z ( t )。f 3 3 ) 0 式中z ( t ) nt 时刻的长度；x ( t ) 为t 时刻的宽度；y ( t ) 为t 时刻高度。 由于检测线检测宽度和高度是用探测杆与板材进行点接触的方式测得的，所以对于 形状规则的板材测量较准，而对形状不规则的板材测量将有一定误差。例如对整边板和 方材的测量就比较准确，计算出材积更接近实际值。而对毛边板和板皮进行检测时，由 于其窄材面未着锯或钝棱超过允许限度而使得形状不够规则，在用宽度测量架进行测量 时又只能测量其侧面一点的宽度，无法描述整个侧面的形状，因此在进行材积计算时会 产生一定误差。测量宽度时将探测杆位置尽量调整到比较靠近毛边板或板皮中间位置来 获得较平均的宽度值来使测量值接近实际值。总的说来，打击音检测台更适合测量整边 板和方材的长、宽、高。在进行检测时应尽量选择此类板材进行检测。 3 1 2 板材几何数据采集 3 1 。2 1 板材的长度测量 板材的长度测量装置见图3 1 主要由压辊和旋转编码器组成。当板材在传送装置上 通过长度测量装置时，长度测量装置上的压辊被板材顶起，压辊上包有橡胶，板材在被 传送过程中依靠摩擦力带动压辊一起转动，压辊的一端连有旋转编码器，压辊转动带动 旋转编码器旋转，板材通过长度测量装置后由旋转编码器所旋转的圈数可求出板材长 度。为适应检测不同厚度板材的需要，压辊的高度是可调的。当测量同一批厚度的板材 时，只需将压辊调到合适高度即可。计算公式为： 三= ，7 刀- d ( 3 4 ) 式中门为压辊转的圈数，d 为压辊直径。 二，。、，、，。j=：，。一一 r j瑾红闭治替畦f 二蚕f 二弓孑 r 磊了_ 争一一 l ，。，、一，j o 0 7 7 q ，1 r 7 。r 、x 一i 一一1 7 二( 2 二。：二jt ：兰竺：二：二 图3 1 板材长度测量装置 3 1 2 2 板材的宽度测量 板材宽度的测量装置见图3 2 由两个连有测量杆的旋转编码器构成。当板材通过宽 度测量装置时顶开两个旋转编码器的测量杆，由两个旋转编码器各自转过的角度可以计 算出通过板材的宽度。测宽装置上有复位弹簧，当板材完全通过后，测宽装置的两测量 杆由复位弹簧拉回原位等待测量下一个板材。板材宽度计算公式为： w = 卜f lc o s o r 一7 2c o s f 3 5 ) 式中7 为两旋转编码器之间的距离，7 ：为测量杆1 的长度，f 为测量杆2 的长度，口为测 3 板材几何数据采集和锤头定位 量杆，。从初始位置被顶起的角度，为测量杆，：从初始位置被顶起的角度。 、 编码 w 鬈 被测工件 ，f 依 )( 送方同 i 图3 - 2 板材的宽度测量装置 3 1 2 3 板材的厚度测量 板材厚度的测量装置见图3 3 ，其中编码器所连测量杆初始位置垂直于被测工件， 当被测板材由传送辊传送通过测厚装置时，旋转编码器所连的测量杆被被测工件顶起转 过一个角度口，由编码器与传送辊之间的距离减去由测量杆所转角度计算出的与工件顶 端的距离即可求出被测工件的厚度。测厚装置的测量杆也装有复位弹簧，当工件完全通 过测厚装置时，测厚装置测量杆由复位弹簧拉回原位准备测量下一个工件。为适应测量 不同厚度板材，测厚装置的上下位置也可调，当测量同一批板材时，只需手动调一次测 厚装置的位置即可。板材厚度测量的公式为： b = 卜，lc o s ( 3 - 6 ) 式中7 为编码器到传送辊之间的距离，7 为测量杆长度，口为测量杆所转的角度。 ，上、塥香善 t 二1 测! 量托：7 1 i n 图3 - 3 板材的厚度测量装置 3 1 2 4 旋转编码器和数据采集卡的选择 板材在进料滚台传送过程中需要测量出板材的长度、宽度、高度三个外形参数，检 测过程中需要使用传感器将板材的长、宽、高参数由非电量转换成电量传入计算机进行 运算处理。本系统选用e l t r a 品牌的增量型编码器作为检测线长、宽、高参数检测的传感 器，该传感器最小测距l m r n ，其最大响应频率1 8 0 k h z 。编码器是一种将角位移转换成一连 串电数字脉冲的旋转式传感器。这些脉冲能用来控制角位移，在e l t r a 编码器中角位移的 转换采用了光电扫描原理。读数系统是基于径向分度盘的旋转，该分度盘是由交替的透 光窗口和不透光窗口构成的1 1 6 2 1 1 。 旋转编码器输出为电信号需要数据采集卡获得。本论文选用p c i 。1 7 1 l 低损耗多功能采 集卡。具有独特的电路设计和完善的数据采集与控制功能，支持即插即用，具有f i f o i j , o 高速缓存，可灵活设定输入类“_ - t z “d 和 。4 范围，具有1 6 通道单端模数输入、1 6 通道数字i o 和2 东北林业大学硕士学位论文 通道数模输出，采集速率可达l o o k h z ，可编程的计数计时器可作为a d 转换的速度触 发，同时具有通道自动搜索功能。内部结构主要有单端模拟输入通道、模拟输出通道和 触发源连接三部分。 p c i 17 11 具有独特的电路设计和完善的数据采集与控制功能，支持即插即用。主要 功能包括： ( 1 ) 1 6 路单端模拟量输入通道，用来作为a d 转换器使用； ( 2 ) 1 2 位d 分辨率，采样速率可达1 0 0 k h z ； ( 3 ) 1 k 采样f i f o 高速缓存区： ( 4 ) 2 路1 2 位模拟量输出通道，1 6 路数字量i o 通道； ( 5 ) 自动通道增益扫描； ( 6 ) a d 转换支持软件触发、可编程触发器定时器触发。 3 1 2 5p c i 1 7 1 1 的采集功能实现 p c i 1 7 1 1 的开发商为该卡提供了一个基于w i n d o w s 的标准开发环境。同时还提供了 w i n d o w s 标准动态连接库文件。其中包含有对p c i 1 7 1 1 相关地址进行读写的操作函数。 因此可在v c + + 环境下通过调用动态连接库中的函数很容易对硬件设备进行底层的i o 操 作。”a d v a n t e c h ”的动态连接的i o 操作。”a d v a n t e c h ”的动态连接库提供了两种i o 方 式：标准方式和快速方式。 圈3 4 采集卡总体函数调用流挥 下丽对几个关键的函数进行简单地说明： 3 板材几何数据采集和锤头定位 d r vd e v i c e o p e n ( ) ：该函数的调用是v c + + 完成i o 所必须的。它是加载一个 a d * d r y 的设备驱动程序到内存。同时确定设备的类型，按照“d v a n t e c h i n i “初始文 件中用户的设定参数对设备进行初始化，使设备作好i 0 的准备工作；同时返回个函数 值。若设备驱动成功返回非“0 ”的设备句柄，若设备驱动失败则返回“0 ”。 d r vd e v i c e c l o s e 0 - 该函数的参数是由d r vd e v i c e o p e n ( ) n 数返回的设备句柄。关 闭一个由d r v d e v i c e o p e n 0 返回句柄的设备。并返回一个函数值，若关闭成功返回一个 非“o ”值，否则返回“0 ”。 d r v d e v i c e g e t f e a t u r e s ( ) ：这个函数是由d r v d e v i c e o p e n ( ) 函数返回的句柄所确定 的一个打开设备中获得相关的硬件信息，保存在系统定义的系统结构变量 “p td e v i c e g e t f e a t u r e s ”中，并返回一个函数值，若操作成功，返回非“0 ”值，否则返 回“0 ”。 d r vd e v i c e g e t n u m o f l i s t 0 ：该函数返回己安装的设备数，使用户获得系统设备安 装信息。 d r vm a i v o l t a g e l n ( ) ：该函数是进行i o 操作最重要的函数。其参数是由 d r vd e v i c e o p e n 0 函数返回的旬柄。每调用一次该函数就对通道的设置完成一次i 0 操 作，操作成功则返回“0 ”值。在实际的数据采集中是通过使用这个函数得到与模拟物理 量相对应的数字量( 以一定范围的电压值表示) 。按照系统采样和指令输出的时间要求。该 函数可在v c 抖6 0 中的定时器函数事件o n t i m e r 0 进行定时调用。 3 1 3 板材重量的采集 本论文在板材重量的采集选用台湾u w a 型电子秤，最大量程3 0 0 k g 。电子秤使用串口 与计算机进行通讯。该电子秤为输出为r s 2 3 2 c 标准接口，波特率为3 0 0 9 6 0 0 、偶：佼验、 7 个数据位、2 个停止位。所有字符均发送1 1 位a s c i i 码，一个起始位。计算机串行接口采 用r s 2 3 2 标准：规定逻辑l 的电平为3 1 5 v ，逻辑0 的电平为+ 3 + 1 5 v ，常用的信号有8 个( 接口为d b 9 m 插座时，弓f 脚号如表3 一l 所示) ，其中r x d 、t x d 为收、发数据，可与 r s 2 3 2 串行标准接口( 如表3 1 ) 设备直接进行通讯，r t s 、d t r 、c d 、d s r 、c t s 、 b e l l 为控制与检测m o d e m 的信号，在通讯过程中起联络与控制作用。数据格式有5 、 6 、7 、8 5 几种，1 位起始位( 逻辑0 ) ，1 ：一巧或2 位停止位( 逻辑1 ) ，可以选择奇校验、 表3 1r s 2 3 2 c 标准接口 东北林业大学硕士学位论文 偶校验和无校验，常用波特率为2 4 0 0 、4 8 0 0 、7 2 0 0 、9 6 0 0 b p s 等。串行口编程方法主要有 三种：硬件编程法、文件操作法、串口控件法。m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s 中提供了一 个串口通讯控件，用它我们可以很简单的利用串口进行通讯。在v c + + 6 0 中应将把控件 加在应用程序的对话框上。然后再c l a s s w i z a r d 生成相应的对象。该控件有很多自己的属 性，你可以通过它的属性窗口来设置，也可以用程序设置。 3 2 锤头和喷漆筒定位 一一 本生产线选用了1 1 0 b y g 2 6 0 d s a k r m a 0 5 0 2 型三相混合式步进电动机，其步距角 是o 7 5 。1 5 。，相电流5 a ，保持转矩4 0 n m ，具有步距角小，启动、运行频率较高， 断电后具有二定的静态定位转矩、精度和动态性能高等特点：+ 选用了满度电流为6 a ( 大 于步进电机的相电流5 a ) 的s h 2 1 0 0 6 a 型两相混合式步进电机细分驱动器，该驱动器的 细分模式可在1 6 4 至l l 之间进行选择，驱动电流调节范围是驱动电流满量程的3 0 至 1 0 0 ，大大改善了电机电流的控制精度，进一步降低了力矩的脉动。驱动器采用交流电 源供电，电源电压在6 0 v a c 1 2 0 v a c 之问都可以正常工作。生产线采用p c l 8 3 9 卡组成 的三轴步进电动机控制。图3 5 中z 轴( 喷漆装置) 采用步进电动机c 驱动，经精密滚 珠丝杠传动，实现检测过程中喷漆筒水平移动，计算机通过板材强度的分等，控制水平 移动距离。在用纵波检测方法敲击板材，打击点位置是非常重要，直接影响振动信号的 波形、共振频率的测量。实验结果表面敲击点选择在板材小头面的中心点位置获得的振 动信号是最佳的。x 轴和y 轴就是负责锤头的水平和垂直移动。计算机根据板材的宽度和 厚度计算中心点位置，输出水平和垂直位移。 勺 n 广 器 口 控 制 卡 x 轴步进 剖电动机a 驱动器 y 轴步进 二二纠电动机b 驱动器 z 轴步进 纠电动机c 驱动器 图3 5 三轴步进电动机控图 ( 敲击锤x 轴) ( 敲击锤y 轴) ( 喷漆水平轴) 3 2 1p c l 8 3 9 控制卡特点 考虑系统功能、开放性和价格等方面因素，决定选用台湾研华工控公司生产的p c l 3 板材几何数据采集和锤头定位 8 3 9 卡。它是种三轴高速步进电机驱动卡，包含3 个脉冲发生器，额定最大脉冲频率为 1 6 k ( p u l s ep e rs e c o n d ) 。p c l 一8 3 9 卡硬件构成如图3 - 6 所示。该卡具有的主要特点是： ( 1 ) 可实现三轴联动或独立地对三轴进行控制，每轴既可分步运动也可连续运动； f 2 ) 提供两种操作模式：双脉冲( 正负脉冲) 和单脉冲( 脉冲加方向) 模式； ( 3 ) 具有3 7 针d 型接口，可以为每个轴提供步进脉冲和转向信号，驱动步进电机运 动，还提供每轴的五个开关控制输入，即左、右位置限位，原点，左、右减速开关： ( 4 ) 提供16 路标准t t l 输入输出接点，这些接点根据需要与对应的开关量执行装置 f 如电磁阀、继电器等) 相连接，只要通过读取i o 的信号，就可对开关量进行控制。 ( 5 ) 电机控制信号输出与开关信号输入全部采用光耦隔离，抗干扰性强，保证输出正 确的控制脉冲，不会因干扰引起多步和失步使定位精度下降； ( 6 ) 具有可编程的初始速度、终止速度、延迟时间及自动执行梯形加减速度。 p c l 8 3 9 卡还提供了丰富的软件功能，包括3 1 条命令和1 5 种c 函数。这些命令主 要是为了调试p c l 8 3 9 命令和p c l 8 3 9 卡本身。用高级语言开发的应用程序可直接调用 提供的库函数，只要预先设定相应的运行参数，就可用于精密的直线或旋转运动控制。 脉冲、方向 信号输出 开关信号 输入 图3 6p c l 8 3 9 的硬件组成 3 2 2p c i 8 3 9 控制卡功能实现 本控制系统是通过步进电动机控制卡控制的，故对其需要进行驱动编程，首先需要 编译与联接，使工程能调用相应的p c l 8 3 9 卡的库函数。 在p c l ，8 3 9 驱动函数库中总共有2 0 多个函数，这些函数可粗分类为初始化函数、运 动控制函数、检测函数及插补函数。例如有： 东北林业大学硕士学位论文 ( 1 ) 初始化控制卡函数： s h o r ti n i tp c l - 8 3 9 c a r d ( s h o r ta d d r e s s ，s h o r ta x i s n u m ，s h o r tb o a r d _ m o d e l ，s h o r ti t i m e ) ； 这个函数初始化步进电机控制卡，用户应在程序的初始化部分调用该函数对每个板 进行初始化。 ( 2 ) 运动控制函数： s h o r t p r o f i l e ( s h o r ta x i