实木板材表面无损检测装置控制系统的设计

实木地板在生产的过程中，实木备料的质量要求越来越高，不仅需要识别板料的纹理和颜色，而且需要避开腐朽、节子、乱纹、夹皮、裂纹、孔洞等缺陷。通过传统的人工目测评价木材健康状况的方法，已经不能满足日益扩大的市场需求。目前，木材无损检测缺陷的方法有 X射线检测、超声波检测、CT扫描技术等，很多已成功应用于木材加工的自动化生产过程中，然而，现有的木材无损检测系统绝大部分只能完成木材单面二维图像信息的检测。

为了得到实木板材的三维激光轮廓、两维表面缺陷，本文设计了一种实木表面缺陷的双面检测装置，选用西门子PLC S7-200为控制器[4-7]，结合具有广泛应用前景的激光三维轮廓扫描技术，设计了一套实木板材表面无损检测装置的控制系统。将三维激光轮廓扫描和二维色泽扫描集成起来，可以快速匹配实木板材的三维激光轮廓、二维色泽图像，并对缺陷进行快速识别。本系统采集到的实木板材表面图像的色泽像素分辨率可达到1mm×05mm，Z方向分辨率可达到0055～0200 mm，X方向分辨率可到达0275～0550m，实木板材表面特征与缺陷识别的准确率大大提高。

1 实木板材表面图像检测方案

实木板材表面无损检测装置包括图像采集机构、输送机构、动力机构、螺旋升降机构、防护箱和整体机架等部分，整体结构如图1所示。图像采集机构包括上、下激光轮廓扫描仪、扫描仪行程开关、图像存储设备等;输送机构包括第一输送带、第二输送带、若干传动辊和连结机壳等;动力机构包括伺服电机及其驱动器、同步齿轮、同步带等;螺旋升降机构包括导轨台、圆柱导轨、螺旋手轮、圆柱导轨支架等。防护箱能够有效地屏蔽外界光源的影响。

实木板材表面无损检测装置包括对如下几个部分的控制：伺服电机、第一输送带、第二输送带、同步齿轮和同步带、左右限位开关、旋转编码器、高速计数器等。本控制系统主要完成实木板材的位置监控、实木表面图像的采集以及输送带速度的调节。

为了实现实木板材表面无损检测系统图像的自动检测，在输送装置的起始端设置左限位开关，激光图像采集处设置激光轮廓扫描仪行程开关，输送装置末端部分设置右限位开关;激光轮廓扫描仪采用脉冲驱动方式触发;系统选择施耐德BCH08020型伺服电机，该型号增量编码器分辨率为2500p/r。

系统开始工作时，伺服驱动器接收到PLC发出的脉冲，驱动伺服电机向前运动，当左限位开关检测到实木板材时，向PLC发出位置占用信号，PLC通过PC机实时监控实木板材的速度和位置;当实木板材进入激光检测区域后，触发激光轮廓扫描仪行程开关，并向PLC发出位置占用信号，PLC向激光轮廓扫描仪发送触发脉冲，激光轮廓扫描仪通过传动辊之间的间隙完成图像采集当右限位开关检测到实木板材时，右限位开关信号传给 PLC，PLC向伺服驱动器发出电机停止脉冲，伺服电机停止转动。当多实木板材连续检测时，系统重复上述的过程，完成实木板材表面图像的自动采集

2 控制系统设计

根据实木板材表面缺陷无损检测装置的图像检测方案要求，选用PLC作为系统的控制核心，研究本控制系统的硬件结构，确定I/O端口的分配，给出PLC控制系统的接线图，并同时对PLC控制系统进行软件编程。

2.1 控制系统硬件设计

本控制系统主要为开关量控制，其中包括11个开关输入量，4个开关输出量。控制系统选择西门子PLC S7-200中的CPU224型号，可满足输入输出信号数目的要求。同时，S7-200具有RS232及I/O接口，可满足本系统的通讯要求。本控制系统硬件结构如图2所示。

实木板材的速度取决于伺服电机的运行速度，初始运动速度为0300m/s。通过对伺服电机运行速度的控制实现对输送带速度的控制，PLC通过I/O接口连接到伺服驱动器，通过对脉冲频率的控制，实现对伺服电机转动速度的控制。本控制系统选用了施耐德BCH08020 伺服电机，该型号电机对应的增量编码器分辨率为 2500p/r。选取KS系列精密蜗轮减速机KS63-20-S2- F-M2，传动比是20。

为了实现对实木板材位置的实时监控，用联轴器将伺服电机转轴与旋转编码器相连，将电机转轴上的机械几何位移量转换成旋转编码器的输出脉冲，并接入PLC 的高速可逆计数器模块

3 结束语

。高速计数器的值记录伺服电机转轴的旋转位置，从而间接得到实木板材的实际位置。旋转编码器的脉冲信号使用PLC中的高速计数器功能，所使用的CPU2 2 4X P含有6个高速计数器 HC S 0～HC S 5，共有13种模式，这里采用的是高速计数器0即HC S 0的模式0，通过将16#FC写入到存储区SMB37，将0写入到SMD3 8来设置这个模式。

CPU224XP有两个最大脉冲输出频率为100kHz的内置脉冲发生器：脉冲串输出(PTO)和脉冲宽度调制输出(PWM)。PLC在脉冲串输出时，可生成一个50%占空比脉冲串，用于控制伺服电机的速度和位置

3 结束语

。 PLC中的高速计数器对旋转编码器的输出脉冲信号进行计数，采样时间采用定时中断1。设采样时间是 50ms，对编码器连续反馈的10次脉冲数求取平均值，通过这个平均脉冲值即可计算出伺服电机的转速。本系统采用的编码器分辨率为2500p/r，即每转发出2500个脉冲，假定一个采样周期里平均测得的脉冲数为n个，则伺服电机的转速为[60×n/(0001×50)]/2500r/min。高速计数器响应速度快，计数频率高，高速计数器以中断方式工作，与扫描周期无关，因而不会受到扫描速度的制约。

采用PC机作为控制系统的上位机，完成三项监控任务：一是通过串口下载输送带速度信息、实木板材位置信息、实木板材表面缺陷数据，并将这些参数作为系统控制的依据;二是将这些参数从串口读出，并在人机交互界面显示;三是对控制系统的运行参数作一定的处理，并将最终处理的结果备份存档，以备后续查询;四是实现自动工作模式和手动工作模式的自由切换。

2.2 控制系统软件设计

实木表面无损检测装置的控制系统有手动和自动两种工作方式。按下SB1，工作方式为自动工作模式，控制系统首先启动伺服电机，输送装置运转，当左行程开关检测到实木板材时，左限位开关SQ1向PLC发出脉冲信号，PLC通过PC机人机交互界面对实木板材的速度和位置进行实时监控;当实木板材进入激光检测范围后，扫描仪行程开关SQ2向PLC发出脉冲信号，PLC输出脉冲触发激光轮廓扫描仪完成图像采集。当右行程开关检测到实木板材时，右限位开关SQ3向PLC发出脉冲信号，PLC向伺服电机发出停止脉冲，伺服电机停止。按下 SB2，工作方式为手动工作模式，可通过操作面板上的按钮单独控制伺服电机启动和停止、激光轮廓扫描仪的启动和停止。系统设置伺服电机紧急停止开关SB4，通过人工干预，完成对系统故障的紧急处理;系统设置开关SB5，可对检测过程进行复位处理。

本控制系统需要11个开关输入量，4个开关输出量，实木表面无损检测装置的控制系统PLC的I/O分配如表 1所示，控制系统的接线图如3所示。

选用基于W i n d o w 操作系统的程序编程软件过RS232接口传递送给PLC，实现数据传输、运行过程操作等功能。本控制系统的编程采用模块化思想，程序便于调试[10]。根据系统的测试要求，程序启动后，控制系统首先完成PLC、伺服电机、激光轮廓扫描仪的检测及其初始化等任务，确定系统自检过程无误后，PLC会继续运行后续指令。运行模块根据工作方式又分为自动运行模式和手动运行模式。该检测装置的PLC控制程序的流程如图4所示。

[9]

实木板材表面缺陷控制系统设计完成后，经过安装与调试，可通过伺服电机带动输送带运动，实现实木板材速度和位置的实时监控，实现了手动和自动两种控制方式，实践证明可以获得满意的位置控制精度，系统调整的灵活性较好。利用本系统获得实木板材表面激光图像，其色泽像素分辨率可达到1mm×05mm，与同类检测装置相比，本系统具有成像精度高、噪声低、工作稳定、对环境适应性较好的优点。