作為評定木材機(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，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(jiān)測和監(jiān)控的方式，就可以對于加工狀態(tài)進(jìn)行及時的調(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(jī)械加工自動化領(lǐng)域的研究熱點。本文介紹了一種采用計算機(jī)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(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測速度快、精度高及性能穩(wěn)定等特點。

　　1、硬件結(jié)構(gòu)及原理

　　檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由PC計算機(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(jìn)給速度進(jìn)行銑削加工，同時啟動計算機(jī)控制激光傳感器對試件進(jìn)行表面粗糙度的在線測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計算、存儲及數(shù)據(jù)顯示。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換板型號為DAQ1202，它的信號最大輸入范圍為±10V，增益分別為1、2、4、8四個檔，對應(yīng)的信號輸入范圍是±10V、±5V、±2.5V和±1.25V。A/D轉(zhuǎn)換器為12位，滿量程為±2048；最大采樣速率400kHz，即采樣周期為2.5μs。

　　激光傳感器測量系統(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(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件采用VB6.0編程。計算機(jī)程序設(shè)計主要分為屏幕菜單的設(shè)計和控制程序的設(shè)計兩個部分。屏幕菜單比較簡單，只設(shè)“start”和“stop”兩個命令鍵及“粗糙度Rz”和“A/D采樣值”兩個數(shù)據(jù)顯示窗口。控制程序分為“A/D轉(zhuǎn)換”、“動態(tài)零點確定”、“數(shù)據(jù)采集”、“10點最大值篩選(輪廓的峰高和谷深各5點)”、“10點平均值的計算”、“數(shù)字量的換算及標(biāo)定”、“數(shù)據(jù)顯示”等。程序流程見圖2。

　　2.1、激光傳感器初始測量點的設(shè)定

　　表面粗糙度的在線檢測在動態(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，激光傳感器零點很難固定，所以在正的信號區(qū)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(qū)間開始數(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，計算機(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轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號方能輸入給計算機(jī)進(jìn)行處理。一般銑削加工表面粗糙度的信號在0~200mV之內(nèi)變化，為了提高測量精度,A/D板的增益選擇為8，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號在±1.25V以內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換的輸出范圍為±2048，即每個數(shù)字量等于0.61mV(1.25V/2048)模擬量。

　　2.3、初始數(shù)據(jù)的采集

　　在線檢測的數(shù)據(jù)采集在工件進(jìn)給的動態(tài)中進(jìn)行。銑削加工剛開始時，最初工件還沒有到達(dá)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(jìn)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(zhuǎn)換器的輸出等于2048的滿量程值。因此，這時程序處于循環(huán)采樣和等待狀態(tài)，而采樣值一但小于2047，說明被測工件已經(jīng)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　2.4、數(shù)據(jù)采集和表面粗糙度的計算

　　首先連續(xù)循環(huán)采集200個數(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)平均中線法來確定零點，即將200個數(shù)據(jù)相加求平均值作為零點,而后用每個采樣數(shù)據(jù)減去零點值，其結(jié)果大于零點的為正，小于零點的為負(fù)。最后通過比較大小篩選出10個最大值(正負(fù)各5個)，再計算其平均值。最后再將數(shù)字量的結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，求出表面粗糙度Rz。

　　把測量求得的表面粗糙度Rz送屏幕顯示，同時將Rz數(shù)據(jù)以文本文件的格式存入硬盤的指定目錄。在連續(xù)測量和顯示表面粗糙度Rz的過程中，當(dāng)出現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)大于2047時，說明整個工件已經(jīng)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(zhuǎn)速分別為2000、3000r/min的情況下，CNC工作臺的進(jìn)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(shù)據(jù)，花旗松的表面粗糙度Rz的檢測結(jié)果見表1和表2，山毛櫸的檢測結(jié)果見表3和表4

　　4、小結(jié)

　　本文介紹了采用計算機(jī)控制激光傳感器組成的木材表面粗糙度在線檢測系統(tǒng)的組成、工作原理及實驗研究。該系統(tǒng)實現(xiàn)了木材機(jī)械加工表面粗糙度的高速在線檢測，它對提高木材機(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，也為下一步實現(xiàn)木材機(jī)械加工的在線控制奠定了基礎(chǔ)。