作為評定木材機械加工質量的重要指標，木材表面的粗糙度的好壞同時還直接影響著后面工序的加工，如砂光質量、表面涂飾質量和膠合質量等等。與此同時，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程中對材料表面粗糙度采用在線監測和監控的方式，就可以對于加工狀態進行及時的調整，就可以提高產品的加工質量，節約原材料的消耗，降低生產成本，從而提高木材產品的利用價值。
木材表面粗糙度的非接觸式在線測量方法一直是國際上木材機械加工自動化領域的研究熱點。本文介紹了一種采用計算機控制的激光位移傳感器在線檢測木材表面粗糙度的新的測量系統。該系統具有檢測速度快、精度高及性能穩定等特點。
1、硬件結構及原理
檢測系統的硬件結構如圖1所示。它由PC計算機、模數轉換板(A/D板)、激光傳感器、CNC木材機械加工裝置等組成。當進行木材試件的表面粗糙度在線 檢測時，首先在卡具上把被加工工件固定好，然后通過編程控制CNC加工中心按給定切削量和進給速度進行銑削加工，同時啟動計算機控制激光傳感器對試件進行 表面粗糙度的在線測量、數據轉換和計算、存儲及數據顯示。
模數轉換板型號為DAQ1202，它的信號大輸入范圍為±10V，增益分別為1、2、4、8四個檔，對應的信號輸入范圍是±10V、±5V、±2.5V和±1.25V。A/D轉換器為12位，滿量程為±2048；大采樣速率400kHz，即采樣周期為2.5μs。
激光傳感器測量系統采用的是日本KEYENCE公司生產的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。
2、系統軟件設計
本系統軟件采用VB6.0編程。計算機程序設計主要分為屏幕菜單的設計和 控制程序的設計兩個部分。屏幕菜單比較簡單，只設“start”和“stop”兩個命令鍵及“粗糙度Rz”和“A/D采樣值”兩個數據顯示窗口。控制程序 分為“A/D轉換”、“動態零點確定”、“數據采集”、“10點大值篩選(輪廓的峰高和谷深各5點)”、“10點平均值的計算”、“數字量的換算及標 定”、“數據顯示”等。程序流程見圖2。
2.1、激光傳感器初始測量點的設定
表面粗糙度的在線檢測在動態中進行，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，激光傳感器零點很難固定，所以在正的信號區里選擇了一個偏移初始點，即0.4~0.6V左右，激光傳感器在這個區間開始數據的采集。
2.2、A/D轉換原理
當程序執行“start”命令鍵時，計算機控制激光傳 感器進行數據采集，激光傳感器采樣的數據要先進行A/D轉換，將激光傳感器采集到的模擬信號轉變為數字信號方能輸入給計算機進行處理。一般銑削加工表面粗 糙度的信號在0~200mV之內變化，為了提高測量精度,A/D板的增益選擇為8，A/D轉換器的模擬輸入信號在±1.25V以內，A/D轉換的輸出范圍 為±2048，即每個數字量等于0.61mV(1.25V/2048)模擬量。
2.3、初始數據的采集
在線檢測的數 據采集在工件進給的動態中進行。銑削加工剛開始時，初工件還沒有到達激光測量點的位置，由于這時激光的光線照射在工作臺上進行反射，測量距離超過有效的 范圍，使激光傳感器的輸出超過滿量程，同時也使A/D轉換器的輸出等于2048的滿量程值。因此，這時程序處于循環采樣和等待狀態，而采樣值一但小于 2047，說明被測工件已經進入激光傳感器的測量范圍。為避開工件邊緣處不平整的影響，先延時20ms，然后再進行數據采集。
2.4、數據采集和表面粗糙度的計算
首先連續循環采集200個數據，采樣周期根據進給速度的快慢確定為1~2ms。然后根據算術平均中線法來確定零點，即將200個數據相加求平均值作為零 點,而后用每個采樣數據減去零點值，其結果大于零點的為正，小于零點的為負。通過比較大小篩選出10個大值(正負各5個)，再計算其平均值。再將數字量的結果轉換成模擬量，求出表面粗糙度Rz。
把測量求得的表面粗糙度Rz送屏幕顯示，同時將Rz數據以文本文件的格式存入硬盤的指定目錄。在連續測量和顯示表面粗糙度Rz的過程中，當出現采樣數據大于2047時，說明整個工件已經測量完畢，因此停止檢測。
3、木材表面粗糙度的在線測量
表面粗糙度的在線測量實驗選擇了軟材的花旗松和硬材的山毛櫸這 兩種實驗材料。下面給出在CNC刀軸轉速分別為2000、3000r/min的情況下，CNC工作臺的進給速度分別為1.8、3、4.2、6m/min 時，在1m長工件的銑削加工過程中，采集6個點的表面粗糙度Rz數據，花旗松的表面粗糙度Rz的檢測結果見表1和表2，山毛櫸的檢測結果見表3和表4。
4、小結
本文介紹了采用計算機控制激光傳感器組成的木材表面粗糙度在線檢測系統的組成、工作原理及實驗研究。該系統實現了木材機械加工表面粗糙度的高速在線檢測，它對提高木材機械加工的產品質量和生產效率具有重要的意義。同時，也為下一步實現木材機械加工的在線控制奠定了基礎。
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