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木材铣削加工激光在线检测及模糊控制的研究 摘要 本文从模糊控制原理的角度，对木材铣削加工的质量监控过程进行了激光在线检测 和模糊控制的实验研究，该项研究是在国际上首次提出。实验系统由计算机、激光传感 器、a d 转换器及输出功率驱动器等实验装置组成；以表面粗糙度高度特征参数r z 作 为质量评定指标：选择针叶材花旗松和阔叶材山毛榉作为实验材料；实验研究是在木材 加工c n c 的铣削( 旋转刨加工) 加工工位上进行的。f 首先，为了了解激光测量信号对不 同种类的木材的表面特征的反射效果，选择了花期拣扁柏、山毛榉和紫檀四种颜色、 纹理及密度各不相同的材料试件，进行了激光传感器的线性度标定实验研究，从中获得 了各种材料的标定系数( 比例系数) ：其次，使用由f f t 快速傅立叶分析仪、激光传感 器等组成的检测系统，进行了激光传感器对木材表面粗糙度定量测量方法的研究和木材 表面缺陷识别的研究。先分别使用激光传感器和触针式测量仪，在相同的测量条件下， 对同一试件的相同部位分别进行测量，并以触针式测量仪的测量结果来标定激光传感器 的测量结果，从中找出了i 0 9 的比例关系，使两者的测量结果达到一致。木材表面缺 陷识别的实验研究表明，该系统检测木材表面裂纹和节子，具有快速和准确的特点；而 后，使用由计算机、激光传感器、a d 转换器等组成的表面粗糙度在线检测系统，进行 了铣削加工过程中的表面粗糙度在线检测的研究。从而获得了与触针式测量仪非在线 检测一致的实验结果；最后，进行了木材铣削加工的模糊在线控制的实验研究。在原来 在线检测的硬件系统中加入功率驱动板，就构成了闭环模糊在线控制系统。以激光传感 器检测的表面粗糙度信号作为模糊在线控制的输入信号，并通过模糊推理运算，做出模 糊决策、给出驱动信号，实时的调节进给速度，控制表面粗糙度的变化，从而提高了加 工质量。 实验结果表明，采用模糊在线控制的表面粗糙度比普通的铣削加工平均减小了 1 5 一2 0 。 关键词：才鑫以削孟7 表面 赢激光检测模糊控制 木材铣削加工激光在线检测及模糊控制的研究 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ep o s s i b i l i t yo fo n - l i n em e a s u r e m e n to fl a s e ra n df u z z yc o n t r o lo f w o o dm i l l i n gp r o c e s s i n ga c c o r d i n gt of u z z yc o n t r o lt h e o r yt h i ss t u d yi sa d v a n c e dw i t ht h e f i r s tt i m ei ni n t e m a t i o n a l t h ec o n t r o ls y s t e ma r ec o n s i s t e do fc o m p u t e r , l a s e rs e n s o r , a d c o n v e r t e ra n dt h ep o w e rd r i v e ro fo u t p u te t c t h es u r f a c er o u g h n e s sr zi su s e da sq u a l i t y i n d e x d o u g l a sf i ro fc o n i f e r o u st r e ea n db e e c ho fb r o a d l e a ft r e e i ss e l e c t e da st h e e x p e r i m e n tm a t e r i a l s t h i ss t u d yw o r ki sd o n eo nc n cm i l l e r ( p l a n n e rp r o c e s s i n 曲f o rw o o d p r o c e s s i n g f i r s t l y , d o u g l a sf i r , h i n o k i ，b e e c ha n dp a d a u ka r es e l e c t e d a s e x p e r i m e n t s p e c i m e n ，t h i sf o u rs p e c i m e n sh a v ed i f f e r e n tc o l o r , g r a i na n dd e n s i t y i no r d e rt og e ta tr e f l e c t e f f e c to f1 a s e rm e a s u r e m e n ts i g n a l 幻w o o ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i cw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s t h e l i n e a r i t yc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n to fl a s e rs e n s o ra r ec a r r i e do u ta n da r ea c q u i r e dv a r i o u s m a t e r i a lc a l i b r a t i o nf a c t o r ( r a t i of a c t o r ) ；s e c o n d l y , l a s e rs e n s o rq u a n t i t a t i v em e a s u r ew o o d s u r f a c er o u g h n e s sm e t h o da n dw o o ds u r f a c ed e f e c tr e c o g n i t i o na r es t u d i e db yt h et e s ts y s t e m c o n s i s t i n go f f f ta n a l y z e r , l a s e rs e n s o re t c a tf i r s tt h el a s e rs e n s o ra n ds t y l u si n s t r u m e n ta r e u s e dt or e s p e c t i v e l ym e a s u r es a m ep a r to f s a m es p e c i m e n ，u n d e rt h es a m em e a s u r ec o n d i t i o n ， t h er a t i or e l a t i o no f t h em e a s u r e m e n td a t u mo fl a s e rs e n s o ra n ds t y l u si n s t r u m e n tf o ri 0 9i s a c q u k e d n l e nu s i n gt h em e a s u r e m e n td a t ao fs t y l u s i n s t r u m e n ta r ec a l i b r a t e dt h e m e a s u r e m e n td a t ao fl a s e rs e n s o lt om a k eb o t hm e a s u r e m e n td a t aa r ei d e n f i c a l t h e e x p e r i m e n to f w o o ds u r f a c ed e f e c ti d e n t i f ys h o w st h a tt h i ss y s t e mh a st h ef e a t u r eo f f a s ta n d a c c u r a t et om e a s u r ew o o ds u r f a c ec r a c ka n dk n o b a f t e rt h a t ，u s i n gt h es u r f a c er o u g h n e s s o n - l i n em e a s u r e m e n ts y s t e mt h a tc o n s i s t so f c o m p u t e r , l a s e rs e n s o r ，a dc o n v e r t o ra n ds oo n a s t u d yo f o n - l i n em e a s u r e m e n to f t h es u r f a c er o u g h n e s si nt h em i l l i n gp r o c e s s i n gw a sd o n e a n ds a u l er e s u l tw i t hs t y l u si n s t r u m e n tn o n - o n - l i n em e a s u r e m e n tw a so b t a i n e d a tl a s t , t h e e x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ef u z z yo n - l i n ec o n t r o lf o rw o o dm i l l i n gp r o c e s s i n gi sd o n e t h e f u z z yo n * l i n e c o n t r o ls y s t e mo f c l o s e l o o pi sm a d eu pw h e nt h ep o w e rd r i v e rb o a r di sa d d e d i np r i m a r yo n - l i n ec h e c k i n gs y s t e m t a k i n gt h es u r f a c er o u g h n e s sm e a s u r e m e n ts i g n a lf r o m l a s e rs e n s o ri su s e da st h ei n p u ts i g n a lo ff u z z yc o n t r 0 1 u s i n gt h ef u z z yr e a s o n i n g c a l c u l a t e ， m a k i n gt h ef u z z yc o n c l u s i o n ，g i v i n gt h ed r i v es i g n a l ，t h ef b e ds p e e do fc n cw o r kt a b l ei s a d j u s t e dm o m e n t a r i l y u n d e rt h i sw a y t h ec h a n g eo f s u r f a c er o u g h n e s sc a nb ec o n t r o l l e d ，a n d t h ep r o c e s s i n gq u a l i t yc a r la l s ob ei m p r o v e d 1 1 1 ec o n s e q u e n c eo ft h i s e x p e r i m e n th a v e j u s t i f i e dt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s so fa d o p t i n gf u z z yo n - l i n ec o n t r o lh a v ed e c r e a s e do nt h e a v e r a g eb y1 5 t o2 0 c o m p a r e dw i t hg e n e r a lm i l l i n gp r o c e s s i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：w o o dm i l l i n gp r o c e s s i n g s u r f a c er o u g h n e s sl a s e rm e a s u r e m e n t f u z z yc o n t r o l 查塑鳖墅塑兰塑垄垄堡垒! ! 整堡塑鍪墅塑堡塞一1 1 综述 1 1 本耱工堑及本榜懿工鑫动纯技术酌发疑憝势 1 1 。1 国内外木材工业发展的回顾与展望 1 1 1 1 木材工业的熏要作用 木材工业是以术材和术质材料为原料，主要包括制村、人造扳和术材制晶工业等。 由于木材其有重量轻、强度商、弹性好、纹理美观、加工容易髓属于可蒋生资源等特点， 它已或先除东以穸 鹩、a 类簸重簧、磁簿最广泛静鹱材辑之一。 本材工业在很多蜜家静经济审发挥着重要作用。我国本材年港耗量达2 5 亿i n 3 ，相 当于我国钢材与塑料年消耗量的总和。美国1 9 8 4 年林产工业产值1 2 0 0 亿美元，占国民 生产总值4 ，其木材年消耗量达2 亿i n 3 相当于该国锦j 材、水泥、塑料、铝四种材料 年清耗量之帮：瑞典、芬兰每年林产工监憨值占其强民垒产总值1 4 一1 8 ，印度尾两 亚的本材工业如日额近年均达5 0 亿美元，占全鞫工她出姐额拘2 5 。1 9 9 5 年马采西亚 术材工业出口额4 0 0 0 万荧元，占本国国民生产总值4 ，占出口总额1 0 ，已成为该国 1 2 个优先投资的工北部f 1 之n ”。 1 1 ，1 。2 本捌晶落场霭求螅技展 随着经济鹩发释帮天鼙鹣增长，毽界木材产品鹄需求量也不断增长。在过去的2 0 年中，锯材消费量壤长停潍。其原因是：生产镊材所需的丈径原术星灏短缺，其供应也 受到要求保护天然林的环境保护方面的压力；锯材也受 u 润比较高的胶合顿的竞争：锯 材消费量大的地区，如北美、欧洲等地，其入均消费量已经饱和，与人造板相比，其生 产霈劳动力较多；在主要本材生产蓉，鼓融甭锯耢生产增值产品，包耩缅术工制品、家 具、装修材料等。 人造板增长迅速。在7 0 年代人造板消费量仪为锯材的1 7 ，1 9 9 0 年增长到2 4 ，1 年增长到3 0 。自7 0 年代起，世界人造板消费最以年均3 的速度增长，1 9 9 4 年达1 2 6 亿i n 3 ，颈诗到年将达到1 5 4 亿一。胶合板消费量在入造板中的眈重b 觚7 0 年代 的4 8 下降到9 0 年代的4 0 ，目藏为5 0 0 0 万一，预计到20 0 0 年将下降茔l3 1 。 全世界的刨花扳年消耗蹩目前为4 6 0 0 万一，欧洲1 9 9 6 年产量2 7 8 0 万矗，占敬 洲人造板产量的3 4 。预计到20 0 0 年世界刨花板消费量将占世界人造扳总消费量3 7 ， 藏为a 造校最主要的品种。 中密度纾维板( m d f ) 是a 逡扳中发裂最遗这耱品种，谯过去1 5 年中箕镩费量黻 年增1 3 的速度增长。1 9 9 3 年消费量达7 7 0 万一，占人造板总量的6 ；1 9 9 6 年时间 生产能力己超过1 5 0 0 万一；1 9 9 7 年垒球有6 9 个项目在建或计划建设，工厂的平均规 模为1 2 7 万群。欧渊1 9 9 6 年产量为4 5 0 万m 3 ，比上年增长1 8 ，消费登从1 9 9 5 年3 5 0 东北林业大学博士学位论文 万m 3 ，增长到1 9 9 6 年的4 2 5 万m 3 。现在m d f 的价格已从历史最高价3 3 0 美元m 3 ，降 低到2 4 0 美元m 3 。预计到2 0 0 0 年世界生产能力将超过2 1 0 0 万m 3 ，消费量将占人造板 总消费量的1 4 t “。 1 1 1 3 木材工业的持续发展战略 进入8 0 年代以来，世界经济已开始由工业化社会向生态化社会发展，林业经济目 标也开始由传统的以生产为主向可持续经营和实现森林的生态、环境、社会和木材等多 方面效益发展。木材工业的进一步发展也面临木材资源减少、环境保护压力增加等重大 问题的挑战。可持续发展战略已经为世界越来越多的国家所接受，为了发挥森林的综合 效益，适应保护环境和对木材的需要，很多国家都已经把大力发展速生工业用材人工林 作为解决木材供需的战略措施，1 9 9 5 年世界发达国家人工林面积已经从1 9 8 0 年的5 0 0 0 万h m 2 增加到1 亿h m 2 ，发展中国家已从1 9 8 0 年的4 0 0 0 万h m 2 增加到8 1 0 0 万h m 2 。工 业用材人工林在提供木材原料方面发挥着越来越大的作用1 3 。由于人造板含有有害 人体健康的挥发性气体，人们在室内装修与购置家具方面越来越重视以天然木材为原料 的材料，天然木材的加工量将会呈增长的趋势，因而导致对木材加工设备提出更高的要 求i ”。 1 1 2 木材加工技术及设备自动化的发展概况 1 1 2 1 发展木材加工技术及设各自动化的重要意义 自动化生产作为先进的现代化生产方式，它用各种高效率、高精度自动化设备代替 所担负的繁重体力劳动，用各种自动控制装置代替人对产品加工过程的控制、调配和管 理，使产品质量、生产率和经济效益明显提高。木材加工生产自动化主要依靠设备自动 化来实现。研究开发木材加工自动化技术和设备，成为国i 为p t , 先进木材加工设备制造企 业在发展生产以及技术改造中采取的主要举措。随着人们对木制品需求日新月异变化和 科学技术突飞猛进发展，木制品更新换代不断加快，生产模式由少品种大批量向多品种 小批量以至按用户要求制造方向转变。市场要求木材加工企业具有很强应变能力，及时 调整产品类型、规格和产量。已有的流水线等刚性自动化木材加工设备已不能适应这种 要求。近些年来，国外先后开发出了：计算机数字控制镂铣机f cn cr o u t e r ) 、计算机群控 加工中心( d n c ) 、柔性制造系统( f ms ) 、计算机集成制造系统( cim s l 、智能 制造技术( imt ) 等。这些设备综合了数控技术、计算机技术、自动控制以及智能控制 等多项先进的技术及理论。它们极大的减轻了人的体力和脑力劳动，大大的提高了生产 效率和产品质量，推动了生产力的发展口i 。 i i 2 2 国内外木材加工技术及设备自动化的概况 近年来，我国术材加工工业进步很快，但是从生产规模与效益、生产工艺与设备、 查塑竺型塑三塑垄垄堡望塑墨塑塑笙型塑堕塞一3 产品质量与品种等方面，与国外先进水平比较都存在较大差距。其中，主要原因是设各 自动化程度低下所造成的。 如v a i 暂j 材工业为例，制材工业是木材加工工业的基础，也是其中最大的行业。我国 制材工业与国外先进国家相比，其差距是木材加工各行业中最大的，如：出材率为 5 5 ：7 0 、木材综合利用为7 2 ：8 5 9 0 、平均劳动生产率为1 2 2 m 。k 班： 4 6 1 0 0 m 3 人班( 相差4 0 1 0 0 倍) 。究其原因，当属制材生产及其设备自动化落后所 致。若按对现代化制材生产起着重大影响的最优下锯理论( bof ) 的研究和应用水平衡 量，可将国外制材工业发展过程大致分为传统制材、自动化制材和bof 制材3 个阶段。 传统制材阶段无bof 参加，但有机械化设备，劳动生产率仅0 5 1 5 m 3 人班；自动 化制材阶段产生了“假设原木为圆截面”的传统bof 数学模型，采用了自动化设备，使 上木、翻转、夹紧、抛木等工序实现了自动化，摇尺实现了数控化，劳动生产率达到3 0 5 0 m3 人班，但由于其软件不能自动识别原木三维缺陷，还不能实现有缺陷原木下锯最 优化：bof 制材阶段以“高精度原木数学模型”建立起来的改进bof 系统控制制材， 真正实现了下锯最优化，使偏心、椭圆、弯曲、带节及有裂纹等形状不规则和有缺陷原 木也实现bof 制材，劳动生产率提高到4 6 1 0 0 m 5 人班，出材率提高1 0 以上。而 我国目前大多数制材设备为机械化和半自动化设备；不少中小型制材企业还停留在半机 械化或手工操作状态；b0f 制材仅局限于研究人员讨论之中：引进的个别先进制材生 产线，由于缺乏软件，甚至出现出材率反而低于人工下锯制材的怪事。显然，正是自动化 设备缺乏和自动化技术落后阻碍着我国制材工业生产的发展和水平的提高1 6 j i 。 人造板业也同样存在设备和技术落后的问题。我国人造板加工设备制造业起步较晚， 虽已发展到一定规模，但总体水平仍然比较低。人造板加工设备品种和规格少、性能和 质量差、技术先进性和运行可靠性不足。国外人造板加工设备已经朝着自动化、大型化、 高速( 产) 化、节能化和环保化等方向发展。他们广泛应用了电子计算机以及红外线、超 声波、激光、高频、微电子、数字电路等高新技术，提供了自动检测、自动控制、自动 调节、自动保护及至自动管理等多种功能，在实现生产过程自动化和连续化的同时，提 高了劳动生产率，保证了产品质量，改善了劳动环境，降低了生产成本。例如，国外中密 度纤维板板坯热压加工工序，采用高频加热，不仅实现了自动化操作而且无论在热压速 度、板坯均匀性和热效率上都比用蒸汽、热水、热油加热优越。这是由于高频加热电流 频率很高( 每秒几百万次) ，热效应瞬间产生、均匀分布，并且能被板坯内水分选择吸收， 使热压时间缩短7 7 板坯表层至芯层密度差减少5 0 。国产中密度纤维板由于未采用 高频加热，不仅生产自动化程度低，而且压制时间长，产品强度偏低、表芯层密度差大， 甚至无法生产厚板坯。另据调查，国外中密度纤维板生产普遍采用纤维含水率自动检测 和调节系统、板坯密度自动检测和控制系统、板坯金属自动探测器等自动化设备而国 产中密度纤维板生产设备大都没有配备这些自动化仪器和设备。因此、要想提高国产中 密度纤维板生产率和产品质量，采用高频热压制板及其他自动化技术，无疑是一条重要 的有效途径【6 1 1 ”。 东北林业大学博士学位论文 1 2 木材铣削加工的质量评定 12 1 表面粗糙度测量标准的发展过程 表面粗糙度是评定材料的机械加工、铸造成型及其它特种加工的重要指标，同时它 也是评估木材加工的木制件、木制品表面质量的重要指标。表面粗糙度标准的提出和发 展与工业生产技术的发展密切相关，它经历了由定性评定表面粗糙度到定量评定表面粗 糙度两个阶段。 为研究表面粗糙度对零件功能的影响和度量表面微观不平度的需要，从2 0 年代末 到3 0 年代，德国、美国和英国等一些专家设计制作了轮廓记录仪、轮廓仪，垂直放大倍 率可达50 0 0 倍和1 00 0 0 倍。同时也生产出了光切式显微镜和干涉显微镜等用光学方法 来测量表面微观不平度的仪器，给从数值上定量评定表面粗糙度创造了条件。从3 0 年代 起，已对表面粗糙度定量评定参数进行了研究，如美国的a b b o t t 就提出了用距表面轮廓 峰顶深度和支承长度率的关系曲线( 即a b b o t t 曲线，也就是现在的支承长度率曲线) 来 表征表面粗糙度。1 9 3 6 年出版了s c h m a l t z 论述表面粗糙度的专著，对表面粗糙度的评定 参数和数值的标准化提出了建议。美国在1 9 4 0 年发布了a s a b 4 6 1 国家标准。到1 9 4 7 年修订一次为a s a b 4 6 1 1 9 4 7 表面粗糙度、波纹度和加工纹理。它采用中线制，提 出的参数是高度方向上的，并列有4 个，即轮廓微观不平度的最大高度，轮廓微观不平 度的平均高度、轮廓对中线的均方根偏差和轮廓对中线的算术平均偏差，并规定了参数 数值系列。之后又经过5 次修订，成为现行标准a n s i a s m eb 4 6 1 - 1 9 8 8 表面结构、 表面粗糙度、表面波纹度和加工纹理。该标准出人头地将焉作为主参数外，在附录中 还列出了相当多的其他表征粗糙度特性的参数和定义，供在特殊需要的场合选用。附录 中列举了不少测量粗糙度的方法，还加进了容许采用的小面积上综合测量表面粗糙度的 方法在实际生产中应用，如光散射法、电容法和气动法等【1 ”j 。 原苏联在1 9 4 5 年发布了ro ct 2 7 8 9 1 9 4 5 表面光洁度、表面微观几何形状、分 级和表面法国家标准。该标准也采用中线制作为表面光洁度参数的计算制，只规定了 一个轮廓均方根偏差参数，并按参数值划分为1 4 个光洁度级别。而后经过了3 次修订成 为ro ct2 7 8 9 1 9 7 3 表面粗糙度参数和特征。该标准规定了6 个评定参数及其相应 的参数值，取消了按参数系列值划分1 4 个级别的规定，并规定直接采用参数值表示。 其他工业国家的标准大多是5 0 年代制订的。英国的第一个表面粗糙度国家标准是 1 9 5 0 年发布的b s i 1 3 4 - 1 9 5 0 表面结构的评定。它也是采用中线制，只规定了轮廓的 中心线平均值c l a ( 即现在的风参数) 一个高度参数及其参数值。又经过多次修订成 为b s l l 3 4 1 - 1 9 8 8 表面结构的评定，它规定了6 个粗糙度评定参数，而把各参数的数 值列在附录中。日本在1 9 5 5 年开始制定了j i sb 0 6 0 1 1 9 5 5 表面粗糙度国家标准，经 过两次修订，现为j i sb 0 6 0 1 - 1 9 8 2 表面粗糙度的定义和数值。联邦德国在1 9 5 2 年2 月发布了d i n 4 7 6 0 和d i n 4 7 6 2 有关表面粗糙度的评定参数和术语等方面的标准，以后 又陆续发布了d i n4 7 6 3 1 9 8 1 数值及等级等方面的标准，特点是标准项目分得细， 个数多i i e 6 1 。 术村铣静加工激先在线硷餐l 爰模糊控制豹磺究 我国予1 9 5 6 年开始袭丽粗糙度标准的制定工作，颁布了机s o 5 6 标准。该标 准与苏联ro c t 2 7 8 9 - - 5 1 完全一致。1 9 6 0 年修订兔豫1 7 8 6 0 表面光洁魔等级及代 号 二1 9 6 8 年颁南了g b l 0 3 0 6 8 表夏光洁度。该摭准主要参考了1 9 6 2 年1 l 奠在 北京攀行的社会主义国家标准化机构代表会议上通过的k 0 7 1 北u 京1 1 9 6 2 1 4 统建议，表 丽粗糙度、粗糙度缀别，它与i s o 后来公布的建议标准l s or 4 6 8 基本一致。1 9 8 3 年我 秘捅熬发布了袭面糍糙菠参数及其数值( g b l 0 3 1 ) 和表面耨糙衰符号、代号及萁注法 ( g b l 3 1 ) 两项基础的表露糖糙度坛礁。1 9 9 1 年我嚣又对翦述的表趸糕糙璇标壤 乍了修 订，1 9 9 5 年我阉已有包括基本概念、评定参数和参数数值、测量与检验、符号和代号及 标注等1 5 项表面粗糙度国家标准，形成了比较完整的我国表面粗糙度标准化独立体系。 表1 1 给辩了我国表面耧糙度国家标准及参照静相应的豳际标罐”q 。 1 22 谱定术稿船工工粹表面租糙度的主要技术指标 原木经过机械的或其它加工方法被加工成典有定几何彤状、规寇的尺寸精度和表 蟊 质鬟的零件及制懿，冀表霹不同程度遗留有探工痰迹。表瑟褪糙度即是备种茄工方法 在术制品表面懿下的具有较小间蹦和峰谷所组成的微观几趔形状姆征，它是衡量本制晶 表面质量的重要指标。术制件表面粗糙度对木制品表面的摩擦磨损、疲劳强度、冲击强 度、耐腐蚀性、接触强泼、抗振性、配台性能、测爨精度、毯封俊能、嗓音、涂漆及装 饰质鬟都鸯缀大影响1 ”j i 7 1 0 醋际上，辩术糟及木潮件表搿程糙度的研究，由于受到检测条件和手段的限制还很 不谚深入。嚣裁世界上只有苏联一个本转方瑟的粗糙度标准。其代号为ro c t l 5 6 1 2 - - - 8 5 木材和术质材料制品袭面粗糙度参数测定法。我国对术制件表面粗糙度评定的碰完 工作怒从1 9 8 0 年开始，8 0 年代束国家开始了木制件表面粗糙度标准的制定工作，现已 铡定出了g b f 2 4 7 2 - - 9 0 木翩律表面粗裢髓参数及其数值和g b i t l 4 4 9 5 - - 9 3 术制 彳牛表蕊粗糙痊比较撵块二个国家括啦1 9 1 1 ”】f 1 2 1 13 i 。嚷尔滨工业大学教授赵学增等a1 9 8 5 年研制了触针式木材表耐粗糙度测量仪；哈尔滨理工大学的陈捷等人利用比较样块法进 行木质材料表面粗糙度检测，升于1 9 9 6 年出版了我国这个领域的第一本学术蛰作术 靠律袭嚣穰糙凌。评定术材加工工件表面相糙度的指标，主要划分为二类，即高度特 链参数和嬲距特征参数。一般以嶷凄特征参数为主，蔼瓣距特短参数捧为辕翳斡参考参 数【5 4 l 。 各个评定参数是从不同角度分别反映袭嚣粗糙度特征的。选撂本焦g 仕交嚣糨糙度谨 定参数时，可根据袭面功能的需要、考虑表面的加t 方法和测量条件的具体情况决定。 般舔材表面可戳采用轮离螽大商度( r y ) 评定铣自4 及刨削表面可采用微观不平度十 点毫瘦( r ：) 爨热微理不平度静平均阉势( s 。) 评定，黢黏及涂弥表哥酉戳采麓轮癣算 术平均偏蓑( r ) 或微观不平度十点商度( r z ) 驸加微观不平度的平均阅距 s m ) 浮定 m l i i 1 。 6 东北林业大学博士学位论文 国家标准 采用的国际标准 序号 标准号和名称 标准号 采标程度 g b 3 5 0 5 。1 9 8 3 表面粗糙度术 i s 0 4 2 7 1 19 8 4等效 1 语表面及其参数 g 1 3 t 1 0 3 1 1 9 9 5 表面粗糙度 等效 2 g b l 0 3 1 1 9 8 3 l s 0 4 6 8 1 9 8 2 参数及其数值 g b t 1 3 1 - 1 9 9 3 机械制图表 等效 3 g b l 3 1 1 9 8 3i s 0 1 0 3 2 1 9 9 2 粗糙度符号、代号及其注法 g b l 2 4 7 2 1 9 9 0 木制件表面 4 粗糙度参数及其数值 g b l 2 7 6 9 1 9 9 1 粉末冶金表 5 面粗糙度参数及其数值 g b 6 0 6 1 1 9 8 5 轮廓法测量表 6 l s 0 1 8 7 9 1 9 8 l等效 面粗糙度的仪器术语 g b 6 0 6 2 1 9 8 5 轮廓法触针式 i s 0 3 2 7 4 1 9 7 5 参照 7表面粗糙度测量仪轮廓记录 i s o l8 8 0 1 9 7 9 仪及中线制轮廓计 g b 7 2 2 0 1 9 8 7 表面粗糙度 8 i s 0 4 2 8 7 2 1 9 8 4等效 术语参数测量 g b l 0 6 1 0 1 9 8 9 触针式仪器 9测量表面粗糙度的规则和方 i s 0 4 2 8 8 1 9 8 5参照 法 g b 6 0 6 0 1 1 9 8 5 表面粗糙度 1 0 i s 0 2 6 3 2 3 - 1 9 7 9 参照 比较样块铸造表面 g b 6 0 6 0 2 1 9 8 5 表面粗糙度 1 1 比较样块磨、车、镗、铣、 i s 0 2 6 3 2 1 - 1 9 8 5参照 插及刨加工表面 g b 6 0 6 0 3 1 9 8 6 表面粗糙度 i s 0 2 6 3 2 2 1 9 8 5 1 2的“电火花加工”等效 比较样块电火花加工表面 部分 g b 6 0 6 0 4 1 9 8 8 表面粗糙度 i s 0 2 6 3 2 2 - 1 9 8 5 1 3的“抛光加工”参照 比较样块抛光加工表面 部分 g b 6 0 6 0 5 1 9 8 8 表面粗糙度 i s 0 2 6 3 2 2 1 9 8 5 1 4比较样块抛( 喷) 丸、喷砂“喷丸、喷砂”参照 加工表面 部分 g b t 1 4 4 9 5 。1 9 9 3 木制件表 1 5 面粗糙度比较样块 查塑竺型塑三堂堂垄堡垒型墨堡塑丝型箜! 塑一一7 点高度( r ：) 附加微观不平度的平均间距( s 。) 评定，胶贴及涂饰表面可以采用轮廓算 术平均偏差( r 。) 或微观不平度十点高度( 如) 附加微观不平度的平均间距( s m ) 评定 l l 儿】。 1 3 木材加工中的在线检测技术的研究及发展 1 3 1 表面粗糙度在线检测技术的研究 木材表面粗糙度是评价木材加工质量的一个重要指标。目前国内外对这方面测量技 术及方法的研究十分活跃。木材表面粗糙度的测量，从测量方法上讲主要分为接触式和 非接触式两类；从工作环境上又分为在线测量和离线测量；而从测量的几何空间上又分 为二维测量和三维测量。 接触式测量方法又称为针描法，它是目前国内外使用最多的一种方法，主要是采用 触针式测量仪，这种仪器产品国内国外都有。该测量方法优点是工作稳定、分辨率高， 可画出表面轮廓曲线及可多参数测量。其缺点是测量速度慢，属二维分析，对个别的纤 维不敏感，不能在线测量。对材料表面有划分破坏作用；受触针尖端圆弧半径大小的限 制，对加工质量要求很高的被测面，触针难以测到实际轮廓的谷底，从而影响其测量精 度【5 4 】。 非接触式测量方法主要有气动法、电容法、热比较法、微波法、a e ( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 法、光学法等。非接触式测量方法的主要特点是测量精度高，容易实现表面粗糙度的快 速、在线和自动测量。在表1 中给出触针式、气动式、a e 式及光学式四种方法的性能 比较【1 8 】。 表i 2 ：木材表面粗糙度测量方法的比较 t a b l e l 2c o m p a r i s o no fw o o ds u r f a c er o u g h n e s sm e a s u r e m e n t 测量方法优点缺点 触针法高分辨率速度慢、接触式、二维分析 气动式三维分析接触式、不能给出实际轮廓 a e 三维分析、高速测量不能给出实际的轮廓 光学高速测量、高分辨率、非接触二维分析、测量是一条线 在非接触式测量方法方面的典型应用主要有美国北卡纳罗州立大学的教授r i c h a r d l l e m a s t e r1 9 9 6 年研究了采用激光测量的方法来测量砂光后的中密度纤维板( m d f ) 的表面粗糙度。使用的粗糙度测量参数是r a 和k ( 凡的均方根) 两种参数。最后得出 了在标准含水率下，8 0 目的砂光表面比1 2 0 目的砂光表面峰谷的数量要高的多。而在 8东北林业大学博士学位论文 高含水率下，峰谷的数量要比标准状况下高得多的结论；日本根岛大学综合理工学部的 田中千秋教授和他指导的博士生g o r z e g o r z c y r a1 9 9 6 年研究使用a e 传感器测量在c n c 上进行的木材铣削加工的表面粗糙度，来作为加工过程中调节进给速度的在线监控信 号。最后得出了，在a e 监控下可以获得所需要的表面粗糙度i l 。美国俄勒冈州立大学 的j a m e sw f u n c k 等人1 9 9 2 年进行了使用激光测量和触针式仪器测量木材表面粗糙度 的比较分析的研究，最后得出了由于激光光点与触针直径的差别以及光学作用，使激光 测量结果比触针测量结果略大的结论i l m 。 近年来国内外又有不少人在积极研究三维测量方法和图像处理技术来测量木材表 面粗糙度。它与现行的表面粗糙度的二维测量方法相比，更能反映被测表面的真实结构 和几何特征。如在2 0 0 1 年的美国加里福尼亚学院的第十五届国际木材机械加工年会上， c o s t c s j 等人发表了使用三维方法测量木材表面粗糙度的研究，并得出了满意的结果。 国内在这方面研究的文章有哈尔滨工业大学赵学增教授的“木质材料表面粗糙度计算机 视觉检测技术的研究”l j w p 。 1 3 2 木材的材质及材积等方面在线检测技术的研究 在木材加工过程中，为了确保加工质量和提高产品的合格率，减少材料消耗和浪费， 需要对木材质量及尺寸进行在线检测。如对板材三方面特征的在线检测，即表面特征、 几何特征和内部特征三个方面的检测。表面特征检测主要是检查板材上是否存在节子、 孔洞、开裂、腐朽、变色和纹理的角度；几何特征主要检查板材的三维形状、翘起、缺 损、厚度的变化等；内部特征主要检测空洞、节子及腐朽等。这些方面的研究国内外都 曾进行过。如美国密歇里哥伦比亚大学数据分析实验室的r i c h a r dw c o n n e f s 等人采 用机器视觉技术对板材三个特征进行检测。它的机器视觉系统中心部分由一台图像处理 计算机组成，下面连接控制计算机，以及x 射线扫描系统、激光扫描系统、核磁共振 系统和多个系统摄像头等检测装置，如图1 5 所示。彩色图像系统用于识别表面缺陷和 颜色；高速激光扫描系统用于探测裂纹、孔洞和厚度的变化；x - 射线图像系统识别板 材密度。这些信号最后均由中心计算机处理和做出判断。检测速度为每秒2 英尺。国内 也有进行原木及板材三维尺寸自动检测方面研究的，如采用图像识别技术测量堆放原木 的材积，板材长、宽、厚三维尺寸的自动检测装置的研究等t 2 0 1 1 3 ”。东北林业大学的陆怀 民、马岩教授等研究了旋切原木的外形，并确定原木最高出材率的定心位置；东北林业 大学的王克奇教授等研究了采用神经元网络的计算机视觉技术识别木材的节子、腐朽等 缺陷【8 ”。 1 3 3 木材加工设备状态在线监控技术的研究 在木材加工过程中，加工设备的状态良好与否将直接影响工件的加工质量。只有加 工设备处于良好的状态，才能保证加工出高质量的工件。那么，在加工过程中，实时的 监控设备的状态，是保证加工质量的重要环节。设备状态的监控指标主要包括有功率消 查塑生型塑三燮垄垄垡垒型墨堡塑丝型堕竺窒一一9 i m a g e p r o c e s s i n gc o m p u t e r c o n t r o l l a b l ec o l o r r a n g i n gx 一y = t o p c a m e r a2c a m e r a2u f c e 图1 1 木材机器视觉检测系统 f i g 1 1s c h e m a t i co ft h em a c h i n ev i s i o np r o t o t y p ef o rl u m b e ri n s p e c t i o n 耗、轴的振动、机器噪声、切削力的变化、工具的损耗等。监控的方式分为直接测量和 间接测量。直接测量系统往往测量实际值的变化，具有较高的精度，但系统较为复杂； 而间接测量系统可通过测量工具切削力的变化推断出工具的磨损状态，这种方法往往更 适合实际应用。如美国北卡拉罗纳州立大学的r i c h a r dl l e m a s t e r 教授在c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n 扫0 1 ) 木材加工镂铣机上进行在线监控的研究，他使用a e 传感器、功率传 感器和振动加速度计等测量装置分别进行监控实验。他得出的结论是，a e 和功率传感 器对工具磨损的测量不如振动传感器和麦克风敏感，同时还进一步得出了在过程控制 中，通过监控轴的振动调整切削加工参数、改进工件表面质量是可能的结论田】1 2 2 1 1 ”】。 1 4 木材加工过程中的在线控制技术的研究和发展 随着科学技术的飞速发展，自动化技术及自动控制理论在木材加工中的应用越来越 普及。人们对生产加工不断的提出新的更高的要求，木材加工设备从简单的机械传动系 统发展到n c 控制( 即数字控制) 系统，从n c 控制系统又发展到c n c 控制系统( 计算 机数字控制) ，不管是n c 控制系统还是c n c 控制系统，从控制的角度来说仍然还都属 于开环控制的范畴，即给定一个m n ：y - 程序，它- f r l i p 可按程序执行，在加工过程中如果出 现什么偏差，它们是无法加以纠正的。这就需要操作人员要具有较高的技术经验。为此， 人们又提出了能否对加工过程中出现的偏差进行自动调节和纠正，这就是所说的能否对 其进行在线控制，在线控制就是所说的闭环控制，它们对加工的状态，进行实时的检测 和调节控制，使加工结果最终达到人们所希望的目标【9 ”。 0东北林业大学博士学位论文 近年来，随着计算机科学的发展，使自动控制理论从经典控制理论、现代控制理论 发展到智能控制理论的新阶段，而在线控制也由简单的模拟p i d 闭环控制方法，引人了 模糊控制、神经元网络控制以及模糊神经网络控制等计算机智能控制方法，这使在线控 制如虎添翼，可以按人的思维对加工状态进行推理、判断和做出决策”78 8 8 9 o 有关木 材加工过程的在线控制的研究目前国际上只有日本岛根大学综合理工学部的田中千秋 教授在开展研究，如1 9 8 9 年田中千秋教授指导他的博士研究生赵春瑞进行了“带锯加 工过程的自适应最优控制的研究”，为了获得一个好的制材加工质量，防止带锯条的跑 偏，采用自适应最优控制的方法监控带锯的加工过程。他们使用了a e 声发射传感器、 电流位移传感器、压力传感器及温度传感器分别检测带锯条的偏移、表面粗糙度、进给 速度、带锯条温度、切削力和进给力等量的变化。他们通过实验研究发现了a e 声发射 传感器的计数率的变化与进给速度及锯缝的偏移具有线性关系，采用自适应最优控制的 方法监视a e 声发射传感器的计数率的变化，自动调节工件的进给速度就可以防止锯缝 的偏移，从而保正制材加工质量。并对不同纹理角和不同含水率的加工情况也进行了研 究1 5 5 5 6 5 75 5 5 9 1 。 为了提高木材加工工件的表面粗糙度，1 9 9 5 年田中千秋教授又指导博士生研究 g r z e g r z c y r a 进行了使用a e 传感器监控数控镂铣机进给速度的自适应在线控制的研究， 获得了a e 声发射传感器的计数率与进给速度及工件表面粗糙度的关系，通过监控a e 传感器信号的变化