CN103294003A - 旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明“旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统与控制方法”涉及一种控制系统及其控制方法，该系统应用于线速度可调无卡旋切机旋切时的控制。本发明旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统与控制方法实现了无卡旋切机旋过程中旋切线速度的调节，可以大幅提高木头旋切的生产效率，同时保证单板的厚度均匀与铡切单板长度的准确性。通过协调控制旋切线速度、刀架进给速度与单板铡切速度实现单板旋切过程的精确控制。本发明改变了既有无卡旋切机的恒线速度旋切方式，在木头旋切的开始逐渐提高旋切的线速度，在旋切过程的末尾根据旋切规律的计算降低旋切线速度，在大幅度提高旋切效率的同时解决了旋切末尾刀架突然停止造成的刹车困难问题。

Description

旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统与控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统与控制方法，特别涉及一种旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统与控制方法。

背景技术

目前单板加工行业中使用的无卡旋切机均为恒线速度旋切无卡旋切机，其控制系统及控制方法为发明人本人的200910249690.3号发明专利。此类无卡旋切机的控制系统只需要控制刀架的进给速度，单板的旋切线速度保持不变，单板铡切过程只需要按照固定时间差铡切即可。旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统在原来的机械结构基础上，增加旋切线速度控制模块与单板铡切控制模块，优点是：

根据旋切木头的木质，用户可以自主设定旋切线速度的变化范围，即不同的木质硬度设置不同的旋切线速度，显著提高单板的均匀度与平滑性。

显著提高单板旋切的加工效率。恒线速度旋切的无卡旋切机由于旋切线速度不可调节，无法大幅度的提高旋切机的旋切线速度，旋切线速度可调无卡旋切机，在刀架进给速度较低时，能够大幅度提高旋切线速度，从而在大幅度提高了生产效率。

彻底解决了恒线速度旋切机旋切末尾，刀架刹车困难的问题。恒线速度旋切机由于只能调节刀架的进给速度，因此在旋切的末尾，刀架进给速度很快，在旋切过程结束时需要瞬间停止刀架的进给，当刹车效果不好时，很容易造成撞车，损毁机床。旋切线速度可调旋切机在旋切过程的末尾，采用变旋切线速度的控制模式，以降低旋切末尾时刀架的进给速度，从而避免了刹车困难的问题。

发明内容

本发明彻底改变了目前恒线速度旋切无卡旋切机的旋切方法，通过协调控制旋切线速度、刀架进给速度、单板铡切速度，大幅度提升无卡旋切机的旋切效率，同时也提升单板的旋切质量。本发明还涉及旋切线速度可调无卡旋切机的控制方法。

一种旋切线速度可调无卡旋切机控制系统，其特征在于，所述的控制系统包括无卡旋切机状态监测模块，旋切线速度控制模块，进刀速度控制模块、单板铡切控制模块、人机交互和参数配置模块；所述的无卡旋切机状态监测模块连接所述的人机交互和参数配置模块，并且其输出端分别连接所述的旋切线速度控制模块、进刀速度控制模块、单板铡切控制模块；所述的旋切线速度控制模块其输出端连接驱动辊电机驱动器，通过所述的无卡旋切机状态监测模块输入的机床状态信息对无卡旋切机的旋切线速度进行调节；所述的进刀速度控制模块其输出端连接刀架进给电机驱动器，协调控制刀架的进给速度；所述的单板铡切控制模块其输出端连接铡刀电机驱动器，控制单板的铡切宽度。

一种如上所述的控制系统的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

等待用户启动命令，响应控制按钮输入；

旋切启动：驱动辊以最低工作线速度启动，刀架进给启动，控制系统监测模块计算刀架坐标，计算刀架坐标对应的木头直径，计算驱动辊线速度；

控制系统判断进入旋切过程后，计算木头在单板长度方向的坐标，若该坐标为单板铡切长度的整数倍，则铡切控制模块开始第一张单板的铡切；

控制系统协调控制旋切线速度、刀架的进给速度、铡切速度，按照用户设定的最高旋切线速度，将旋切线速度逐渐加速到最快；

以最快旋切线速度执行木头旋切，按照单板设定长度铡切单板；

旋切过程的末尾，刀架进给速度保持允许的最高速度，通过降低旋切线速度，保证旋切单板的厚度均匀性；

旋切过程结束，刀架自动快退到指定位置，根据用户设置停机或进入下一次旋切过程。

附图说明

图1为本发明线速度可调无卡旋切机控制系统的结构图。

图2为线速度可调无卡旋切机的旋切示意图

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面结合附图对发明内容进行详细说明。

参见图1，线速度可调无卡旋切机的控制系统包括：无卡旋切机状态监测模块1，旋切线速度控制模块2，刀架进给速度控制模块3、单板铡切控制模块4、人机交互与参数配置模块5。

所述的无卡旋切机状态监测模块1连接有刀架进给编码器8、停刀位置接近开关9、驱动辊编码器6、坐标原点限位开关7。通过刀架进给编码器8与坐标原点限位开关7，控制系统计算无卡旋切机的刀架位置与刀架的进给速度。通过驱动辊编码器6，控制系统计算驱动辊的旋转线速度与单板的长度。停刀位置接近开关用来定位铡刀的停止位置。所述的无卡旋切机状态监测模块1还连接有人机交互与参数配置模块5，用于显示状态监测模块的控制变量。所述的旋切线速度计算方法为为：

$N=\frac{Y_T\mathrm{\πD}}{{\mathrm{BM}}_{1}T}$

其中，D为驱动辊直径，Y_T为采样时间内编码器脉冲数，M₁为驱动辊编码器单圈脉冲数，T为控制器采样时间，B为编码器脉冲计数的倍频数，N为旋切线速度。

所述刀架坐标与刀架进给速度为：

$\left\{\begin{array}{c}L=L_0+\frac{L_S{X}_0}{{\mathrm{BM}}_0}\\ V_1=\frac{L_S{X}_T}{{\mathrm{BM}}_{0}T}\end{array}\right.$

其中，L₀为前限位开关坐标点，L_s为丝杠螺距，M₀为丝杠编码器单圈脉冲数，X₀为编码器的累计脉冲数，L为刀架坐标，T为控制器采样时间，X_T为采样时间内编码器脉冲数，B为编码器脉冲计数的倍频数，V₁为刀架进给速度。

所述的旋切线速度控制模块2连接有驱动辊电机驱动器12，所述的驱动辊电机驱动器12连接驱动辊电机，驱动辊电机通过减速机构连接驱动辊；旋切线速度控制模块2的输入信号有刀架坐标，刀架进给速度，旋切线速度，此处的旋切线速度指测量获得的实际旋切线速度。旋切线速度控制模块2根据输入信号计算旋切线速度的控制期望，然后对旋切线速度进行闭环偏差控制。驱动辊电机驱动器12一般为伺服驱动器，变频器，或步进电机驱动器；所述的旋切线速度控制模块2在旋切启动阶段按配置参数最低旋切线速度启动驱动辊，在正常旋切阶段，将旋切线速度逐渐加速到最高旋切线速度，在旋切过程的末尾，当刀架进给速度已经达到最高允许速度时，通过降低旋切线速度保证旋切单板的厚度均匀；刀架进给速度的最高允许速度通过计算获得，计算方法是，根据参数原点限位开关坐标和最低旋切线速度，假设无卡旋切机以最低旋切线速度进行恒线速度旋切，则旋切过程结束时，刀架进给速度达到最高，此时的刀架进给速度为最高允许速度；最高允许速度的计算方法为：

$v_{\max }=\frac{4{(D+{2L}_0)}^3{N}_{\min }E}{\mathrm{\π}[{(D+{2L}_0)}^2-M^2][{{4L}_0}^2-D^2+M^2]}$

其中v_max为刀架进给速度的最高允许速度，D为驱动辊直径，L₀为原点限位开关坐标，E后单板厚度，M为驱动辊中心距。当刀架进给速度超过刀架进给速度最高允许速度后，刀架进给速度不在继续增加，通过控制旋切线速度保证单板的厚度均匀，此时刀架的进给速度作为控制旋切线速度的输入，旋切线速度的控制期望输出为：

$N=\frac{\mathrm{V\πd}}{E[\frac{D+d}{\sqrt{{(D+d)}^2-M^2}}+1]}$

其中，N为期望旋切线速度，V为刀架进给速度，d为木头直径，E为单板厚度，D为驱动辊直径。旋切线速度控制模块在给出控制期望N后，通过驱动辊编码器测量实际的旋切线速度，对其进行偏差闭环控制。

所述的刀架进给速度控制模块3连接有刀架进给电机驱动器11，所述的刀架进给电机驱动器11连接刀架进给电机，刀架进给电机通过减速机构及丝杠驱动刀架进给。刀架进给速度控制模块3的输入信号有刀架坐标，刀架进给速度，旋切线速度。所述的刀架进给速度控制模块3根据输入信号计算刀架进给速度的控制期望，然后对刀架进给速度进行闭环偏差控制，当刀架进给速度小于刀架经给速度的最高允许速度时，旋切线速度提高后，通过协调控制刀架的进给速度保证旋切单板的厚度均匀，此时旋切线速度作为刀架进给速度控制的输入变量，刀架进给速度的控制期望输出为：

$v=[\frac{D+d}{\sqrt{{(D+d)}^2-M^2}}+1]\frac{\mathrm{NE}}{\mathrm{\πd}}$

其中，v为期望刀架进给，d为木头直径，E为单板厚度，D为驱动辊直径，N为当前旋切线速度；刀架进给速度控制模块在给出控制期望v后，通过丝杠编码器测量实际的进给速度，对其进行偏差闭环控制。根据刀架进给电机的类型，所述的刀架进给电机驱动器11一般为伺服驱动器，变频器，或步进电机驱动器。

所述的单板铡切控制模块4连接有铡切电机驱动器10，所述的铡刀电机驱动器10连接铡刀电机，铡刀电机通过减速机构连接铡刀；单板铡切控制模块4的输入信号有刀架坐标，铡刀停刀信号，单板长度。铡切控制模块4根据输入信号计算铡切开始的位置，然后根据驱动辊编码器测量的单板长度按照要求对单板进行铡切。在铡切过程中为保证单板铡切长度的准确，铡刀停止时定位在停刀位置接近开关处，在铡切过程中，每经过一次停刀位置接近开关，认为完成一次铡切；所述的单板铡切控制模块，在旋切开始后要精确控制铡刀电机第一刀的铡切时刻，以保证铡切过程的最后一张单板也是完整一张，当旋切单板的厚度不变时，固定直径的原木可旋切的单板长度是确定的，因此准确确定第一张单板的铡切时刻，可以保证旋切过程结束时，最后一张单板也是完整一张，这样将不确定长度的单板产生在旋切的起始阶段，而旋切起始阶段的单板往往孔洞较多，旋切过程的最后一张单板保证是完整一张，提高单板的出板张数；在线速度可调无卡旋切机的工作过程中，单板的线速度是变化的，为保证铡切的每张单板满足长度要求，当旋切线速度改变时，单板铡切电机的速度也需要改变；单板铡切电机有一铡一停和连续旋转两种工作模式，当铡切的单板长度较长时采用一铡一停的工作模式，当铡切的单板长度较短时采用连续旋转的工作模式；在一铡一停的工作模式中，根据旋切线速度的改变，单板铡切控制模块计算铡刀电机从启动到铡刀完成铡切的时间窗内，单板的出皮长度，并对其进行补偿，从而保证铡切单板的长度满足要求。在连续旋转的工作模式中，当单板旋切线速度改变时，为了保证单板的铡切长度一致，铡刀的旋转线速度要正比于单板旋切线速度，旋切线速度增大，则铡刀旋转线速度增大，反之亦然。所述单板铡切控制模块通过驱动辊编码器测量旋切过程中的单板长度。单板长度的计算公式：

$R=\frac{P_R\mathrm{\πD}}{{\mathrm{BM}}_1}$

其中，R为单板长度，P_R为上次铡切完成后编码器的脉冲计数，D为驱动辊直径，M₁为驱动辊编码器单圈脉冲数,B为编码器脉冲计数的倍频数。

所述的人机交互与参数配置模块5主要用于显示无卡旋切机的工作状态并进行参数配置。所述人机交互与参数配置模块5中机床的配置参数主要包括：驱动棍中心距、驱动棍直径、机械传动比、丝杠螺距、驱动辊传动比、双棍编码器脉冲数、驱动辊编码器脉冲数、原点限位开关坐标；机床的工作参数主要包括：单板厚度、单板铡切长度、旋切线速度最高值，旋切线速度最低值、自动后退距离、木轴大小；机床状态显示参数主要包括：单板累积旋切长度、单板张数、原木直径、刀架坐标、驱动电机电流、控制系统故障状态等。所述的人机交互单元通过工业文本显示器或触摸屏等人机设备进行参数输入与参数显示。

所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其控制目标是协调控制无卡旋切机的旋切线速度，刀架进给速度，单板铡切速度，以保证旋切出单板的厚度均匀，铡切单板的长度满足设定要求。如图2所示，驱动辊100通过表面摩擦力驱动木头101旋转。驱动辊与木头圆周的线速度相同，因此调节驱动辊100的线速度即调节木头101的线速度，由旋切线速度控制模块实现对驱动辊100线速度的控制。切刀102在木头的旋切过程中要不断向前进给，以保证旋切过程的连续性，切刀102的进给速度即刀架的进给速度，通过刀架进给速度控制模块实现对切刀102进给速度的控制。铡刀103旋转一周对单板104完成一次铡切，单板铡切控制模块控制铡刀103将单板104铡切成固定长度的单板。

所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法,其主要特点在于旋切过程中线速度的调节。在旋切启动时，为了减少驱动辊100与木头101表面的相对滑动，驱动辊以最低工作线速度启动，然后线速度逐渐增加，显著提高旋切的工作效率。旋切线速度变化后，为保证单板厚度的均匀与单板长度的准确，必须同步的对刀架进给速度与单板铡切速度进行调节。在旋切过程的末尾，为了降低刀架刹车的难度，通过降低旋切线速度保证旋切单板的厚度均匀，实现旋切过程的平稳结束；传统的恒线速度旋切无卡旋切机只能通过控制刀架的进给速度保证单板的厚度均匀，因此在旋切过程的末尾，刀架的进给速度快速提高，造成旋切过程结束时，刀架刹车困难，易出现撞车现象。

所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法，主要包括以下步骤：

等待用户启动命令，响应控制按钮输入；

旋切启动：驱动辊以最低工作线速度启动，刀架进给启动，控制系统监测模块计算刀架坐标，计算刀架坐标对应的木头直径，计算驱动辊线速度；

控制系统判断进入旋切过程后，计算木头在单板长度方向的坐标，若该坐标为单板铡切长度的整数倍，则铡切控制模块开始第一张单板的铡切；

控制系统协调控制旋切线速度、刀架的进给速度、铡切速度，按照用户设定的最高旋切线速度，将旋切线速度逐渐加速到最快；

以最快旋切线速度执行木头旋切，按照单板设定长度铡切单板；

旋切过程的末尾，刀架进给速度保持允许的最高速度，通过降低旋切线速度，保证旋切单板的厚度均匀；

旋切过程结束，刀架自动快退到指定位置，根据用户设置停机或进入下一次旋切过程。

所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其特征在于旋切过程中旋切线速度的调节，在旋切的开始阶段提高旋切线速度，协调控制刀架的进给速度保证单板的厚度均匀，旋切过程的末尾，刀架匀速进给，通过控制旋切线速度保证单板的厚度均匀，旋切线速度的控制期望为：

$N=\frac{\mathrm{V\πd}}{E[\frac{D+d}{\sqrt{{(D+d)}^2-M^2}}+1]}$

其中，N为期望旋切线速度，V为刀架进给速度，d为木头直径，E为单板厚度，D为驱动辊直径，旋切线速度控制模块在给出控制期望N后，通过驱动辊编码器测量实际的旋切线速度，对其进行偏差闭环控制。

所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其特征在于，单板的铡切速度与旋切线速度同步调节，即单板铡切电机的输出速度始终与旋切线速度成比例调节，以保证铡切单板宽度满足设定要求。

Claims (12)

1.一种旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统，其特征在于，所述的控制系统包括无卡旋切机状态监测模块，旋切线速度控制模块，进刀速度控制模块、单板铡切控制模块、人机交互和参数配置模块；所述的无卡旋切机状态监测模块连接所述的人机交互和参数配置模块，并且其输出端分别连接所述的旋切线速度控制模块、进刀速度控制模块、单板铡切控制模块；所述的旋切线速度控制模块其输出端连接驱动辊电机驱动器，通过所述的无卡旋切机状态监测模块输入的机床状态信息对无卡旋切机的旋切线速度进行调节；所述的进刀速度控制模块其输出端连接刀架进给电机驱动器，协调控制刀架的进给速度；所述的单板铡切控制模块其输出端连接铡刀电机驱动器，控制单板的铡切宽度。

2.根据权利要求1所述的旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统，其特征在于所述的无卡旋切机状态监测模块，连接有刀架进给编码器、停刀位置接近开关、驱动辊编码器、坐标原点限位开关，用于测量刀架坐标、铡刀停止位置、旋切线速度、单板长度、刀架进给速度。

3.根据权利要求1所述的线速度可调无卡旋切机的控制系统，其特征在于所述的旋切线速度控制模块连接驱动辊电机驱动器，所述的驱动辊电机驱动器连接驱动辊电机，驱动辊电机通过减速机构连接驱动辊；所述的旋切线速度控制模块根据用户设置的最高旋切线速度与最低旋切线速度在旋切过程中通过调节驱动辊的转速对旋切线速度进行调节；所述的旋切线速度控制模块在原木旋切初始阶段加快旋切线速度至最高旋切线速度，然后以最高旋切线速度进行木头旋切，当刀架进给速度达到其最高允许速度后，以刀架进给速度为输入，按照旋切规律的计算降低旋切线速度至旋切结束。

4.根据权利要求3所述的旋切线速度可调无卡旋切机的控制系统，其特征在于，根据驱动辊电机的类型，所述的驱动辊电机驱动器可以为变频器，伺服驱动器或步进电机驱动器。

5.根据权利要求1所述的线速度可调无卡旋切机的控制系统，其特征在于所述的进刀速度控制模块连接刀架进给电机驱动器，所述的刀架进给电机驱动器连接刀架进给电机，刀架进给电机通过减速机构及丝杠驱动刀架进给；当刀架进给速度小于其最高允许速度时，所述的进刀速度控制模块以旋切线速度为输入按照旋切规律的计算逐渐加快刀架的进给速度，当刀架进给速度达到其最高允许速度后，刀架进给速度维持不变至旋切过程结束。

6.根据权利要求5所述的旋切线速度可调无卡旋切机控制系统，其特征在于，根据刀架进给电机的类型，所述的刀架进给电机驱动器可以为变频器，伺服驱动器或步进电机驱动器。

7.根据权利要求1所述的线速度可调无卡旋切机控制系统，其特征在于所述的单板铡切控制模块连接铡刀电机驱动器，所述的铡刀电机驱动器连接铡刀电机，铡刀电机通过减速机构连接铡刀；所述的铡刀控制模块根据当前的旋切线速度实时调整铡刀的运行速度，保证铡切单板的宽度满足要求；所述的单板铡切控制模块具有一铡一停和连续旋转两种铡切模式。

8.根据权利要求7所述的旋切线速度可调无卡旋切机控制系统，其特征在于，根据铡刀电机的类型，所述的铡刀电机驱动器可以为变频器，伺服驱动器或步进电机驱动器。

9.根据权利要求1所述的线速度可调无卡旋切机控制系统，其特征在于包含所述的人机交互与参数配置模块，通过参数配置，使得控制系统可以应用于机械结构参数不同的各种无卡旋切机，所述的人机交互单元通过文本显示器或触摸屏进行参数的配置与显示。

10.一种如权利要求1所述的控制系统的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

等待用户启动命令，响应控制按钮输入；

旋切启动：驱动辊以最低工作线速度启动，刀架进给启动，控制系统监测模块计算刀架坐标，计算刀架坐标对应的木头直径，计算驱动辊线速度；

控制系统判断进入旋切过程后，计算木头在单板长度方向的坐标，若该坐标为单板铡切长度的整数倍，则铡切控制模块开始第一张单板的铡切；

控制系统协调控制旋切线速度、刀架的进给速度、铡切速度，按照用户设定的最高旋切线速度，将旋切线速度逐渐加速到最快；

以最快旋切线速度执行木头旋切，按照单板设定长度铡切单板；

旋切过程的末尾，刀架进给速度保持允许的最高速度，通过降低旋切线速度，保证旋切单板的厚度均匀性；

旋切过程结束，刀架自动快退到指定位置，根据用户设置停机或进入下一次旋切过程。

11.根据权利要求10所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其特征在于旋切过程中旋切线速度的调节，在旋切的开始阶段提高旋切线速度，协调控制刀架的进给速度保证单板的厚度均匀，旋切过程的末尾，刀架匀速进给，通过控制旋切线速度保证单板的厚度均匀，旋切线速度的控制期望为：

$N=\frac{\mathrm{V\πd}}{E[\frac{D+d}{\sqrt{{(D+d)}^2-M^2}}+1]}$

其中，N为期望旋切线速度，V为刀架进给速度，d为木头直径，E为单板厚度，D为驱动辊直径，旋切线速度控制模块在给出控制期望N后，通过驱动辊编码器测量实际的旋切线速度，对其进行偏差闭环控制。

12.根据权利要求10所述的线速度可调无卡旋切机的控制方法，其特征在于，单板的铡切速度与旋切线速度同步调节，即单板铡切电机的输出速度始终与旋切线速度成比例调节，以保证铡切单板宽度满足设定要求。

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