CN113237593B - 一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法，该阻力仪包括：包括第一电机系统、第二电机系统、机械传动装置、钻针、钻针支撑部件、钻针位移测量装置、控制手柄和外壳，第二电机系统设置在机械传动装置上，第一电机系统通过机械传动装置带动第二电机系统和钻针前后移动，第二电机系统驱动钻针旋转。该仪器用于木材密度、树木年轮、木材腐烂程度、木材空洞及裂缝的大小及位置等方面的微损测量。

Description

一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法
技术领域
本发明涉及林业装备领域，具体涉及一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法，该仪器用于木材密度、树木年轮、木材缺陷等方面的微损测量。
背景技术
传统的测量活立木的树木年轮、木材密度、木材缺陷等信息一般使用生长锥法。尽管使用生长锥法测量的木材内部信息比较准确，但是由于生长锥钻孔直径较大，对树木生长有一定的负面影响。因此，科研人员一直试图寻找一种微损的测量方法来代替生长锥法。微钻阻力法是使用微型钻针钻入树木、通过钻针阻力来测量树木年轮、木材密度及木材内部缺陷等信息，但是，目前市场上的树木微钻阻力仪由于钻针振动较大，钻针阻力中含有大量的噪声信号，测量精度不高。因此，亟需对微钻阻力仪的机械结构、控制系统和钻针阻力表示方法做进一步改进。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法，该仪器能微损、可靠的测量木材密度、木材内部缺陷、树木年轮等信息，解决现有相关仪器中存在的钻针弯曲幅度较大、钻针阻力测量精度不高、钻针位置测量精度不高等问题，以进一步提高微钻阻力仪的测量精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种树木微钻阻力仪，其工作原理是：当木材密度增大时，钻针阻力增加，使钻针旋转速度下降，直流电机反电动势下降，同时，微钻阻力仪控制器增加直流电机两端的电压，使直流电机电流增加，电机输出转矩增加，使电机转速上升；当木材密度减小时，钻针阻力变小，钻针旋转速度上升，直流电机反电动势上升，微钻阻力仪控制器减小直流电机两端的电压，使直流电机电流减小，电机输出转矩减小，使电机转速下降。当电机转速误差较小时，直流电机的负载转矩近似等于直流电机的输出转矩。而直流电机的输出转矩与直流电机的电枢电流成正比，因此，可用直流电机的电流来间接表示直流电机的负载转矩。在微钻阻力仪中，直流电机的负载是钻针，钻针阻力的力矩可近似等于直流电机负载转矩，因此，可以用直流电机的电流来间接表示钻针阻力的大小。但是，由于直流电机电流信号中还有大量的噪声信号，因此，直流电机的原始电流信号不能直接反应出钻针阻力的大小及变化趋势。当钻针钻入晚材部分时，晚材密度较大，钻针阻力较大；当钻针钻入早材部分时，早材密度较小，钻针阻力较小。当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木的晚材和早材，因此，钻针阻力呈波峰-波谷交替变化。因此，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮信息。由于钻针钻入木材的速度较慢，由木材密度变化而引起的钻针阻力变化速度较慢，因此，有效的钻针阻力信号的频率较低。因此可以通过RC低通滤波电路滤去钻针阻力信号中的高频噪声信号。本设计使用RC低通滤波电路对电流信号进行滤波处理，使滤波后的电流信号可较清晰的反应出树木木材密度的变化。因此，根据滤波后的直流电机电流可测量树木年轮、木材密度、木材是否存在缺陷(如腐烂、空洞、裂缝、树节等)及缺陷位置等。
本发明采用的技术方案如下：
一种树木微钻阻力仪，包括第一电机系统、第二电机系统、机械传动装置、钻针、钻针支撑部件、钻针位移测量装置、控制手柄和外壳，第二电机系统设置在机械传动装置上，第一电机系统通过机械传动装置带动第二电机系统和钻针前后移动，第二电机系统驱动钻针旋转。
进一步的，第一电机系统包括：第一电机、第一电机驱动器、第一电机安装架，第一电机安装架固定在底板的一端，用于固定第一电机和第一电机驱动器，控制器发出控制信号给第一电机驱动器，从而控制第一电机的旋转方向和旋转速度。
进一步的，第二电机系统包括第二电机、光电编码器、控制器、丝杆滑块、钻针夹，第二电机安装在丝杆滑块上，光电编码器用于测量第二电机的旋转转速，控制器根据第二电机的转速误差实时调节第二电机两端的平均电压，使第二电机匀速旋转，钻针通过钻针夹与第二电机输出轴相连，钻针的旋转速度与第二电机的旋转速度相同。
进一步的，机械传动装置包括：前支撑座、后支撑座、联轴器、传动丝杆、直线导轨，前支撑座固定在底板的前端，后支撑座固定在底板的后端，前支撑座和后支撑座用于固定传动丝杆，直线导轨固定在底板上，第二电机系统的丝杆滑块中间有螺纹孔，丝杆滑块通过螺纹孔嵌套在传动丝杆上，丝杆滑块底部有“V”型槽，丝杆滑块通过“V”型槽安装在直线导轨上，第一电机的电机输出轴通过联轴器与传动丝杆相连，当第一电机旋转时带动传动丝杆同步旋转，使丝杆滑块在直线导轨上移动，从而控制钻针的进给速度。
进一步的，钻针位移测量装置包括：磁栅尺和磁栅尺读头，磁栅尺固定在底板上，磁栅尺读头固定在丝杆滑块上，磁栅尺上等间距的分布着相互平行的磁栅，当丝杆滑块移动时，磁栅尺读头读取磁栅尺上磁栅的个数并发送相应的脉冲信号给控制器的计数器。在本申请中，丝杆滑块每移动2μm,磁栅尺读头发送1个脉冲给控制器，控制器的计数器计数值加2。
进一步的，钻针支撑部件包括钻针套头、直线导杆、钻针支撑挡片、钻针支撑挡片支撑架，钻针支撑挡片的两边有直线导杆孔，中间有钻针孔，直线导杆从钻针支撑挡片的直线导杆孔穿过，钻针从钻针支撑挡片的钻针孔穿过，在直线导杆孔和钻针孔内安装了铜套，钻针支撑挡片支撑架为U形结构，2个钻针支撑挡片支撑架平行布置，2个钻针支撑挡片支撑架的前端上方固定有钻针支撑挡片，2个钻针支撑挡片支撑架的后端上方均具有直线导杆孔。
进一步的，多个长度和高度不相同的钻针支撑挡片支撑架叠加在一起用于支撑、保护钻针，当丝杆滑块在起始位置时，多个钻针支撑挡片支撑架的后端叠加在一起，钻针支撑挡片支撑架前端的钻针支撑挡片均匀分布在直线导杆上；当丝杆滑块向前移动时，钻针支撑挡片前推块推动钻针支撑挡片向前移动，使钻针支撑挡片逐步叠加在一起；当丝杆滑块移动到直线导轨的最前端时，所有钻针支撑挡片叠加在一起，钻针支撑挡片支撑架的后端均匀分布在直线导杆上；当丝杆滑块从最前端开始后退时，丝杆滑块上的横向支撑架推动钻针支撑挡片支撑架，从而带动钻针支撑挡片向后移动。
进一步的，钻针由不锈钢钢针材料构成，钻针针头宽度是钻针针杆直径的2倍。
进一步的，钻针由长470mm的不锈钢钢针材料构成，钻针针杆直径1.5mm，针头经锻造和打磨后为刀片结构，宽度3mm。
进一步的，钻针套头采用铜质材料制成，钻针针头可从钻针套头的中间钻针孔穿过，为了防止钻针退出树木时把木屑带入微钻阻力仪内部，在钻针套头侧面开了初次排木屑孔和二次排木屑孔。
进一步的，还包括开关量输入模块和电线拖链，控制器安装在第二电机上，控制器由控制器底板和DSP核心板组成，开关量输入模块包括按键开关和限位开关，按键开关控制微钻阻力仪的钻针状态，有前进键、后退键和停止键，限位开关是限制第二电机座在可移动的范围内移动，防止第二电机座超出可移动的范围而损坏设备，限位开关安装在底板上，限位开关包括前、后限位开关，DSP核心板是微钻阻力仪的控制中心，负责第一电机和第二电机的启停控制和转速控制、第二电机转速、电流的采集和存储、钻针位移的采集和存储，DSP核心板控制器选用TMS320FS128 DSP作为处理器。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括钻针状态控制模块，钻针状态控制模块根据按键开关状态和限位开关状态来设置钻针的控制状态，DSP核心板采用轮询方式检测按键开关状态和限位开关状态，如果检测到前进键按下且前限位开关处于无效状态时，把钻针设置为前进状态；如果检测到后退键按下且后限位开关处于无效状态时，把钻针设置为后退状态；如果检测到停止键按下时，把钻针设置为停止状态；当钻针处于前进状态时，如果检测前限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；当钻针处于后退状态时，如果检测到后限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；如果钻针控制状态是前进状态，则启动第一、二电机，并使第一电机按逆时针方向旋转；如果钻针控制状态是后退转态，则启动第一、二电机，并使第一电机按顺时针方向旋转；如果钻针控制状态是停止转态，则使第一、二电机停止转动。
进一步的，第二电机转速控制原理如下：DSP的引脚PWM4控制第二电机的占空比，当PWM4引脚输出高电平时，IRS 2186引脚LO输出高电平，使MOS管导通，第二电机旋转；当DSP的PWM4引脚输出低电平时，IRS 2186引脚LO输出低电平，使MOS管截止，第二电机在惯性作用下旋转，功率二极管导通，通过控制PWM4引脚的占空比可以控制第二电机两端的平均电压。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括第二电机控制算法软件模块，第二电机控制算法软件模块完成第二电机转速控制，使钻针以固定的旋转速度钻入树木，通过DSP的PWM模块控制MOS管的通断时间来控制第二电机的两端的平均电压；当第二电机转速高于设定值时，减小MOS管的接通时间来减小PWM4信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；当第二电机转速低于设定值时，增加MOS管的接通时间来增加PWM4信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；控制算法采用变论域模糊控制算法，有效提高了第二电机的控制精度；第二电机控制算法模块是在DSP核心板中的CPU定时器T0的中断处理子程序中实现的，CPU定时器T0定时周期是1ms，DSP每间隔1ms采样1次第二电机转速，根据第二电机转速误差，设置控制PWM4信号的占空比的寄存器的值，从而使电机转速控制在设定值附近运行。
进一步的，第二电机电枢电流测量方法如下：在第二电机回路中串联一个15mΩ精密采样电阻，由于第二电机的电流一般在0.5-2.5A之间，因此，采样电阻两端的电压比较低，需要使用放大器对采样电阻两端的电压进行放大，由于第二电机电枢电流中存在大量的噪声信号，采用RC低通滤波电路对放大后的电压信号滤波处理。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括第一电机转速控制模块，第一电机转速控制模块主要根据钻针的控制状态控制第一电机的旋转方向和转速。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据采集模块，数据采集模块采集第二电机转速和电流、钻针位移这3个参数，数据采集模块是在DSP核心板中的CPU定时器T0的中断处理子程序中实现的，DSP每间隔1ms采样一次定时器T2的计数值n1、控制第二电机电枢电流AD转换后的值ADCRESULT、定时器T4的计数值n2。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据显示模块，数据显示模块主要是把数据采集模块采集的数据转换成所需要的阻力数据，并显示阻力数据，数据显示模块在PC机上运行。
进一步的，第一电机为步进电机，第二电机为直流电机。
本申请还提供一种利用前述的树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，该方法用第二电机的电流表示钻针阻力相对大小；
当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木晚材和早材，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材机械强度、木材是否存在缺陷及缺陷位置这些反映木材质量的参数；
进一步的，利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，具体步骤如下：
1)计算钻针每1ms的位移量：丝杆滑块每移动2μm，光栅尺读头发送1个脉冲给DSP定时器T4，T4的计数值加2，因此，根据定时器T4在每1ms内的计数值n2可以得出每毫秒内钻针的位移s0，s0计算公式为：
s0＝n2 (1)
2)计算某时刻tms钻针总位移，钻针在tms内的总位移和s计算公式为：
Figure BDA0003120451710000051
式(2)中，s0i是钻针在第ims内的位移；
3)计算某时刻tms钻针的阻力
直流电机转矩平衡方程为
Figure BDA0003120451710000052
式中M——电磁转矩，N·m
ML——负载转矩，N·m
J——转速惯量，N·m·s·min/r
n——转子转速，r/min
直流电机电磁转矩计算公式为
M＝CmФI (4)
式中Cm——转矩常数
Ф——每极磁通，Wb
I——电枢电流，A
当直流电机转速误差较小时，转速变化速率近似为0，根据式(3)可知，电机电磁转矩近似等于电机的负载转矩，由式(4)可知，电机的电磁转矩与电枢电流成正比，在微钻阻力仪中，电机的主要负载是钻针，电机电磁转矩近似等于钻针阻力扭矩，钻针阻力与电机电流成正比，所以，钻针阻力可以用第二电机的电流I表示，
在DSP中，当ADCINA引脚输入电压Vin低于OV时，ADC转换结果为0；当Vin大于或者等于3V时，ADC转换的结果是4095；当Vin在0-3V时，ADC转换结果ADCRESULT计算公式为：
ADCRESULT＝4095Vin/3 (5)
式中，ADCRESULT——ADC转换结果
Vin——ADC引脚输入电压
采样电阻的阻值是0.015Ω，电流放大器的放大倍数是50，因此，输入到DSP的电压Vin为：
Vin＝0.015×50I (6)
把式(6)代入式(5)中得直流电机电流计算公式：
I＝3ADCRESULT/(4095×0.015×50) (7)
4)利用测量的第二电机两端的平均电流I计算木材的绝干密度ρ：
经过大量测试，得到电机电流I(A)与木材的绝干密度ρ(kg/m3)的回归模型为：
ρ＝-43.97+334.35I (8)
5)利用公式(2)计算各采样时刻钻针的总位移，利用公式(7)计算第二电机的电流值I作为钻针在各采样时刻的钻针阻力，以钻针总位移为横坐标，以钻针阻力值为纵坐标，利用R语言画图工具绘制钻针阻力曲线；
6)对钻针阻力曲线进行分析：
钻针阻力曲线中波峰与树木年轮的晚材位置相匹配，通过各波峰之间横坐标的距离可以计算各年轮的年轮宽度；
钻针阻力曲线中局部阻力平均值低于正常阻力平均值的部分是木材的腐烂区域；
钻针阻力曲线中阻力值接近钻针空载时阻力值的部分是空洞；
通过钻针阻力曲线能够确定木材钻针路径上年轮的个数及各年轮的年轮宽度、空洞位置及空洞的长度。
(三)有益效果
1)本发明提供的一种树木微钻阻力仪，其原理是：当钻针转速误差较小时，控制钻针旋转速度的直流电机电枢电流与钻针阻力成正比，而钻针阻力与钻针针头切割木材的密度正相关，因此可以用该树木微钻阻力仪测量树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材是否存在缺陷及缺陷位置等信息。
2)本发明利用第二电机的电枢电流绘制的钻针阻力曲线图和木材内部的实际结构，如年轮宽度、内部腐烂和孔洞部分高度吻合，准确度很高，说明本发明利用第二电机的电枢电流表示钻针阻力相对大小是正确可行的。
3)由于钻针针杆直径仅1.5mm，钻针针杆较细，当钻针高速旋转时，钻针易弯曲、变形。本发明专利重新设计了钻针支撑挡片，能减小钻针的弯曲程度，减小了钻针阻力信息中的噪声信号。
4)本发明专利在电机采样电流中增加了RC低通滤波电流，可以滤除电流信号中的高频噪声信号，提高了电枢电流的测量精度。
5)本发明的树木微钻阻力仪的钻针针头较小，对活立木损伤程度较小，属于微损测量仪器，且仪器体积小、重量轻、能耗小，可在野外作业，因此，本发明专利为测量活立木树木年龄及年轮、木材密度、木材缺陷信息等提供了一种微损的测量方式，具有较好的经济价值和社会效益。
附图说明
图1是本发明所述的树木微钻阻力仪外观示意图；
图2是本发明所述的树木微钻阻力仪去掉外壳的内部结构示意图；
图3是钻针形状示意图；
图4是单个钻针支撑挡片支架结构图；
图5是多个钻针支撑挡片支架组装示意图；
图6是机械传动装置示意图；
图7是钻针套头示意图；
图8是树木微钻阻力仪控制系统电路结构图；
图9是直流电机驱动电路原理图；
图10是电枢电流放大和滤波电路原理图
图11是直流电机电流与木材绝干密度散点图；
图12是钻针阻力曲线与木材的圆盘年轮图像对比图。
附图标记：
1：第一电机；2：第一电机驱动器；3：控制器；4：钻针支撑挡片前推块；5：直线导杆；6：钻针支撑挡片；7：钻针支撑挡片支撑架；8：钻针；9：传动丝杆安装座；10：前支撑座；11：钻针套头；12：传动丝杆；13：磁栅尺；14：直线导轨；15：磁栅尺读头；16：后支撑座；17：底板；18：第一电机安装架；19：直线导杆孔；20：钻针孔；21：钻针夹；22：第二电机；23：联轴器；24：丝杆滑块；25：钻针孔；26：初次排木屑孔；27：二次排木屑孔；28：螺丝杆；29：限位开关；30：横向支撑架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图1-12对本发明作进一步的介绍。
本发明提供一种树木微钻阻力仪，包括第一电机系统、第二电机系统、机械传动装置、钻针(8)、钻针支撑部件、钻针位移测量装置、控制手柄和外壳，第二电机系统设置在机械传动装置上，第一电机系统通过机械传动装置带动第二电机系统和钻针前后移动，第二电机系统驱动钻针旋转。
进一步的，第一电机系统包括：第一电机(1)、第一电机驱动器(2)、第一电机安装架(18)，第一电机安装架(18)固定在底板(17)的一端，用于固定第一电机(1)和第一电机驱动器(2)，控制器(3)发出控制信号给第一电机驱动器(2)，从而控制第一电机(1)的旋转方向和旋转速度。
进一步的，第二电机系统包括第二电机(22)、光电编码器、控制器(3)、丝杆滑块(24)、钻针夹(21)，第二电机(22)安装在丝杆滑块(24)上，光电编码器用于测量第二电机(22)的旋转转速，控制器(3)根据第二电机(22)的转速误差实时调节第二电机(22)两端的平均电压，使第二电机匀速旋转，钻针(8)通过钻针夹(21)与第二电机输出轴相连，钻针(8)的旋转速度与第二电机(22)的旋转速度相同。
进一步的，机械传动装置包括：前支撑座(10)、后支撑座(16)、联轴器(23)、传动丝杆(12)、直线导轨(14)，前支撑座(10)固定在底板(17)的前端，后支撑座(16)固定在底板(17)的后端，前支撑座(10)和后支撑座(16)用于固定传动丝杆(12)，直线导轨(14)固定在底板(17)上，第二电机系统的丝杆滑块(24)中间有螺纹孔，丝杆滑块通过螺纹孔嵌套在传动丝杆(12)上，丝杆滑块底部有“V”型槽，丝杆滑块通过“V”型槽安装在直线导轨上，第一电机(1)的电机输出轴通过联轴器(23)与传动丝杆(12)相连，当第一电机(1)旋转时带动传动丝杆(12)同步旋转，使丝杆滑块(24)在直线导轨(14)上移动，从而控制钻针的进给速度。
进一步的，钻针位移测量装置包括：磁栅尺(13)和磁栅尺读头(15)，磁栅尺(13)固定在底板(17)上，磁栅尺读头(15)固定在丝杆滑块(24)上，磁栅尺(13)上等间距的分布着相互平行的磁栅，当丝杆滑块(24)移动时，磁栅尺读头(15)读取磁栅尺(13)上磁栅的个数并发送相应的脉冲信号给控制器(3)的计数器。在本申请中，丝杆滑块每移动2μm,磁栅尺读头发送1个脉冲给控制器，控制器的计数器计数值加2。
进一步的，钻针支撑部件包括钻针套头(11)、直线导杆(5)、钻针支撑挡片(6)、钻针支撑挡片支撑架(7)，钻针支撑挡片(6)的两边有直线导杆孔，中间有钻针孔，直线导杆从钻针支撑挡片的直线导杆孔穿过，钻针从钻针支撑挡片的钻针孔穿过，在直线导杆孔和钻针孔内安装了铜套，钻针支撑挡片支撑架(7)为U形结构，2个钻针支撑挡片支撑架(7)平行布置，2个钻针支撑挡片支撑架(7)的前端上方固定有钻针支撑挡片(6)，2个钻针支撑挡片支撑架(7)的后端上方均具有直线导杆孔。
进一步的，多个长度和高度不相同的钻针支撑挡片支撑架叠加在一起用于支撑、保护钻针，当丝杆滑块(24)在起始位置时，多个钻针支撑挡片支撑架(7)的后端叠加在一起，钻针支撑挡片支撑架前端的钻针支撑挡片(6)均匀分布在直线导杆(5)上；当丝杆滑块(24)向前移动时，钻针支撑挡片前推块(4)推动钻针支撑挡片(6)向前移动，使钻针支撑挡片(6)逐步叠加在一起；当丝杆滑块(24)移动到直线导轨(14)的最前端时，所有钻针支撑挡片叠加在一起，钻针支撑挡片支撑架的后端均匀分布在直线导杆上；当丝杆滑块(24)从最前端开始后退时，丝杆滑块上的横向支撑架(30)推动钻针支撑挡片支撑架，从而带动钻针支撑挡片(6)向后移动。
进一步的，钻针由不锈钢钢针材料构成，钻针针头宽度是钻针针杆直径的2倍。
进一步的，钻针由长470mm的不锈钢钢针材料构成，钻针针杆直径1.5mm，针头经锻造和打磨后为刀片结构，宽度3mm。
进一步的，钻针套头(11)采用铜质材料制成，钻针针头可从钻针套头的中间钻针孔(25)穿过，为了防止钻针退出树木时把木屑带入微钻阻力仪内部，在钻针套头侧面开了初次排木屑孔(26)和二次排木屑孔(27)。
进一步的，还包括开关量输入模块和电线拖链，控制器(3)安装在第二电机(22)上，控制器(3)由控制器底板和DSP核心板组成，开关量输入模块包括按键开关和限位开关，按键开关控制微钻阻力仪的钻针状态，有前进键、后退键和停止键，限位开关是限制第二电机座在可移动的范围内移动，防止第二电机座超出可移动的范围而损坏设备，限位开关安装在底板上，限位开关包括前、后限位开关，DSP核心板是微钻阻力仪的控制中心，负责第一电机和第二电机的启停控制和转速控制、第二电机转速、电流的采集和存储、钻针位移的采集和存储，DSP核心板控制器选用TMS320FS128 DSP作为处理器。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括钻针状态控制模块，钻针状态控制模块根据按键开关状态和限位开关状态来设置钻针的控制状态，DSP核心板采用轮询方式检测按键开关状态和限位开关状态，如果检测到前进键按下且前限位开关处于无效状态时，把钻针设置为前进状态；如果检测到后退键按下且后限位开关处于无效状态时，把钻针设置为后退状态；如果检测到停止键按下时，把钻针设置为停止状态；当钻针处于前进状态时，如果检测前限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；当钻针处于后退状态时，如果检测到后限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；如果钻针控制状态是前进状态，则启动第一、二电机，并使第一电机按逆时针方向旋转；如果钻针控制状态是后退转态，则启动第一、二电机，并使第一电机按顺时针方向旋转；如果钻针控制状态是停止转态，则使第一、二电机停止转动。
进一步的，第二电机转速控制原理如下：DSP的引脚PWM4控制第二电机的占空比，当PWM4引脚输出高电平时，IRS 2186引脚LO输出高电平，使MOS管导通，第二电机旋转；当DSP的PWM4引脚输出低电平时，IRS 2186引脚LO输出低电平，使MOS管截止，第二电机在惯性作用下旋转，功率二极管导通，通过控制PWM4引脚的占空比可以控制第二电机两端的平均电压。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括第二电机控制算法软件模块，第二电机控制算法软件模块完成第二电机转速控制，使钻针以固定的旋转速度钻入树木，通过DSP的PWM模块控制MOS管的通断时间来控制第二电机的两端的平均电压；当第二电机转速高于设定值时，减小MOS管的接通时间来减小PWM4信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；当第二电机转速低于设定值时，增加MOS管的接通时间来增加PWM4信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；控制算法采用变论域模糊控制算法，有效提高了第二电机的控制精度；第二电机控制算法模块是在DSP核心板中的CPU定时器T0的中断处理子程序中实现的，CPU定时器T0定时周期是1ms，DSP每间隔1ms采样1次第二电机转速，根据第二电机转速误差，设置控制PWM4信号的占空比的寄存器的值，从而使电机转速控制在设定值附近运行。
进一步的，第二电机电枢电流测量方法如下：在第二电机回路中串联一个15mΩ精密采样电阻，由于第二电机的电流一般在0.5-2.5A之间，因此，采样电阻两端的电压比较低，需要使用放大器对采样电阻两端的电压进行放大，由于第二电机电枢电流中存在大量的噪声信号，采用RC低通滤波电路对放大后的电压信号滤波处理。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括第一电机转速控制模块，第一电机转速控制模块主要根据钻针的控制状态控制第一电机的旋转方向和转速。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据采集模块，数据采集模块采集第二电机转速和电流、钻针位移这3个参数，数据采集模块是在DSP核心板中的CPU定时器T0的中断处理子程序中实现的，DSP每间隔1ms采样一次定时器T2的计数值n1、控制第二电机电枢电流AD转换后的值ADCRESULT、定时器T4的计数值n2。
进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据显示模块，数据显示模块主要是把数据采集模块采集的数据转换成所需要的阻力数据，并显示阻力数据，数据显示模块在PC机上运行。
进一步的，第一电机(1)为步进电机，第二电机(22)为直流电机。
本申请还提供一种利用前述的树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，该方法用第二电机的电流表示钻针阻力相对大小；
当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木晚材和早材，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材机械强度、木材是否存在缺陷及缺陷位置这些反映木材质量的参数；
进一步的，利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，具体步骤如下：
1)计算钻针每1ms的位移量：丝杆滑块每移动2um，光栅尺读头发送1个脉冲给DSP定时器T4，T4的计数值加2，因此，根据定时器T4在每1ms内的计数值n2可以得出每毫秒内钻针的位移s0，s0计算公式为：
s0＝n2 (1)
2)计算某时刻tms钻针总位移，钻针在tms内的总位移和s计算公式为：
Figure BDA0003120451710000111
式(2)中，s0i是钻针在第ims内的位移；
3)计算某时刻tms钻针的阻力
直流电机转矩平衡方程为
Figure BDA0003120451710000112
式中M——电磁转矩，N·m
ML——负载转矩，N·m
J——转速惯量，N·m·s·min/r
n——转子转速，r/min
直流电机电磁转矩计算公式为
M＝CmФI (4)
式中Cm——转矩常数
Ф——每极磁通，Wb
I——电枢电流，A
当直流电机转速误差较小时，转速变化速率近似为0，根据式(3)可知，电机电磁转矩近似等于电机的负载转矩，由式(4)可知，电机的电磁转矩与电枢电流成正比，在微钻阻力仪中，电机的主要负载是钻针，电机电磁转矩近似等于钻针阻力扭矩，钻针阻力与电机电流成正比，所以，钻针阻力可以用第二电机的电流I表示，
在DSP中，当ADCINA引脚输入电压Vin低于OV时，ADC转换结果为0；当Vin大于或者等于3V时，ADC转换的结果是4095；当Vin在0-3V时，ADC转换结果ADCRESULT计算公式为：
ADCRESULT＝4095Vin/3 (5)
式中，ADCRESULT——ADC转换结果
Vin——ADC引脚输入电压
采样电阻的阻值是0.015Ω，电流放大器的放大倍数是50，因此，输入到DSP的电压Vin为：
Vin＝0.015×50I (6)
把式(6)代入式(5)中得直流电机电流计算公式：
I＝3ADCRESULT/(4095×0.015×50) (7)
4)利用测量的第二电机两端的平均电流I计算木材的绝干密度ρ：
经过大量测试，得到电机电流I(A)与木材的绝干密度ρ(kg/m3)的回归模型为：
ρ＝-43.97+334.35I (8)
使用本微钻阻力仪测量了泡桐、马尾松、樱桃和麻栎4个树木木材加工的3cm*3cm*3cm个正方体木块的阻力数据，计算钻针钻过每个木块时直流电机两端的平均电流，并测量每个木块的绝干密度，测量数据如表1所示。
表1测量木材绝干密度的试验数据
Figure BDA0003120451710000121
Figure BDA0003120451710000131
Figure BDA0003120451710000141
Figure BDA0003120451710000151
Figure BDA0003120451710000161
Figure BDA0003120451710000171
将上表1中的试验数据绘制成散点图如图11所示，建立钻针阻力与木材绝干密度之间的回归方程，回归方程如式(8)所示。该回归方程的R2为0.828，说明直流电机电流与木材绝干密度之间存在极强的线性相关系(r＝0.910)。因此，应用本发明的方法测量树木密度，精度较高。
5)利用公式(2)计算各采样时刻钻针的总位移，利用公式(7)计算第二电机的电流值作为钻针在各采样时刻的钻针阻力，以钻针总位移为横坐标，以钻针阻力值为纵坐标，利用R语言画图工具绘制钻针阻力曲线；
6)对钻针阻力曲线进行分析：
钻针阻力曲线中波峰与树木年轮的晚材位置相匹配，通过各波峰之间横坐标的距离可以计算各年轮的年轮宽度；
钻针阻力曲线中局部阻力平均值低于正常阻力平均值的部分是木材的腐烂区域；
钻针阻力曲线中阻力值接近钻针空载时阻力值的部分是空洞；
通过钻针阻力曲线能够确定木材钻针路径上年轮的个数及各年轮的年轮宽度、空洞位置及空洞的长度。
钻针阻力曲线与圆盘年轮图像对比图如图12所示，从图12可以看出，本发明利用第二电机的电枢电流表示钻针阻力相对大小绘制的钻针阻力曲线与木材实物的对比分析图。从图中可以看出：钻针阻力曲线图中的波峰与树木年轮的晚材部分基本上可以一一对应，钻针阻力曲线图的中间钻针阻力较小部分的长度与空洞位置相对应，从而说明该仪器测量精度较高，也就说明了利用第二电机的电枢电流表示钻针阻力相对大小是正确可行的，应用该方法进行木材质量评价对木材创伤小，应用前景广阔。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，其特征在于：
该树木微钻阻力仪，包括第一电机系统、第二电机系统、机械传动装置、钻针、钻针支撑部件、钻针位移测量装置、控制手柄和外壳，第二电机系统设置在机械传动装置上，第一电机系统通过机械传动装置带动第二电机系统和钻针前后移动，第二电机系统驱动钻针旋转；
第一电机系统包括：第一电机(1)、第一电机驱动器(2)、第一电机安装架(18)，第一电机安装架(18)固定在底板(17)的一端，用于固定第一电机(1)和第一电机驱动器(2)，控制器(3)发出控制信号给第一电机驱动器(2)，从而控制第一电机(1)的旋转方向和旋转速度；
第二电机系统包括第二电机(22)、光电编码器、控制器(3)、丝杆滑块(24)、钻针夹(21)，第二电机(22)安装在丝杆滑块(24)上，光电编码器用于测量第二电机(22)的旋转转速，控制器(3)根据第二电机(22)的转速误差实时调节第二电机(22)两端的平均电压，使第二电机匀速旋转，钻针(8)通过钻针夹(21)与第二电机输出轴相连，钻针(8)的旋转速度与第二电机(22)的旋转速度相同；
第一电机(1)为步进电机，第二电机(22)为直流电机；
利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法用第二电机的电流表示钻针阻力相对大小，当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木晚材和早材，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材机械强度、木材是否存在缺陷及缺陷位置这些反映木材质量的参数，具体步骤如下：
1)计算钻针每1ms的位移量：丝杆滑块每移动2um，光栅尺读头发送1个脉冲给DSP定时器T4，T4的计数值加2，因此，根据定时器T4在每1ms内的计数值n2可以得出每毫秒内钻针的位移s0，s0计算公式为：
s0＝n2 (1)
2)计算某时刻tms钻针总位移，钻针在tms内的总位移和s计算公式为：
Figure FDA0003789311180000011
式(2)中，s0i是钻针在第ims内的位移；
3)计算某时刻tms钻针的阻力
直流电机转矩平衡方程为
Figure FDA0003789311180000012
式中M——电磁转矩，N·m
ML——负载转矩，N·m
J——转速惯量，N·m·s·min/r
n——转子转速，r/min
直流电机电磁转矩计算公式为
M＝CmФI (4)
式中Cm——转矩常数
Ф——每极磁通，Wb
I——电枢电流，A
当直流电机转速误差较小时，转速变化速率近似为0，根据式(3)可知，电机电磁转矩近似等于电机的负载转矩，由式(4)可知，电机的电磁转矩与电枢电流成正比，在微钻阻力仪中，电机的主要负载是钻针，电机电磁转矩近似等于钻针阻力扭矩，钻针阻力与电机电流成正比，所以，钻针阻力可以用第二电机的电流I表示，
在DSP中，当ADCINA引脚输入电压Vin低于0V时，ADC转换结果为0；当Vin大于或者等于3V时，ADC转换的结果是4095；当Vin在0-3V时，ADC转换结果ADCRESULT计算公式为：
ADCRESULT＝4095Vin/3 (5)
式中，ADCRESULT——ADC转换结果
Vin——ADC引脚输入电压
采样电阻的阻值是0.015Ω，电流放大器的放大倍数是50，因此，输入到DSP的电压Vin为：
Vin＝0.015×50I (6)
把式(6)代入式(5)中得直流电机电流计算公式：
I＝3ADCRESULT/(4095×0.015×50) (7)
4)利用测量的第二电机两端的平均电流I计算木材的绝干密度ρ：
经过大量测试，得到电机电流I(A)与木材的绝干密度ρ(kg/m3)的回归模型为：
ρ＝-43.97+334.35I (8)
5)利用公式(2)计算各采样时刻钻针的总位移，利用公式(7)计算第二电机的电流值I作为钻针在各采样时刻的钻针阻力，以钻针总位移为横坐标，以钻针阻力值为纵坐标，利用R语言画图工具绘制钻针阻力曲线；
6)对钻针阻力曲线进行分析：
钻针阻力曲线中波峰与树木年轮的晚材位置相匹配，通过各波峰之间横坐标的距离可以计算各年轮的年轮宽度；
钻针阻力曲线中局部阻力平均值低于正常阻力平均值的部分是木材的腐烂区域；
钻针阻力曲线中阻力值接近钻针空载时阻力值的部分是空洞；
通过钻针阻力曲线能够确定木材钻针路径上年轮的个数及各年轮的年轮宽度、空洞位置及空洞的长度。
2.根据权利要求1所述的利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，其特征在于：树木微钻阻力仪的机械传动装置包括：前支撑座(10)、后支撑座(16)、联轴器(23)、传动丝杆(12)、直线导轨(14)，前支撑座(10)固定在底板(17)的前端，后支撑座(16)固定在底板(17)的后端，前支撑座(10)和后支撑座(16)用于固定传动丝杆(12)，直线导轨(14)固定在底板(17)上，第二电机系统的丝杆滑块(24)中间有螺纹孔，丝杆滑块通过螺纹孔嵌套在传动丝杆(12)上，丝杆滑块底部有“V”型槽，丝杆滑块通过“V”型槽安装在直线导轨上，第一电机(1)的电机输出轴通过联轴器(23)与传动丝杆(12)相连，当第一电机(1)旋转时带动传动丝杆(12)同步旋转，使丝杆滑块(24)在直线导轨(14)上移动，从而控制钻针的进给速度。
3.根据权利要求1所述的利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，其特征在于：树木微钻阻力仪的钻针位移测量装置包括：磁栅尺(13)和磁栅尺读头(15)，磁栅尺(13)固定在底板(17)上，磁栅尺读头(15)固定在丝杆滑块(24)上，磁栅尺(13)上等间距的分布着相互平行的磁栅，当丝杆滑块(24)移动时，磁栅尺读头(15)读取磁栅尺(13)上磁栅的个数并发送相应的脉冲信号给控制器(3)的计数器。
4.根据权利要求1所述的利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，其特征在于：树木微钻阻力仪的钻针支撑部件包括钻针套头(11)、直线导杆(5)、钻针支撑挡片(6)、钻针支撑挡片支撑架(7)，钻针支撑挡片(6)的两边有直线导杆孔，中间有钻针孔，直线导杆从钻针支撑挡片的直线导杆孔穿过，钻针从钻针支撑挡片的钻针孔穿过，在直线导杆孔和钻针孔内安装了铜套，钻针支撑挡片支撑架(7)为U形结构，2个钻针支撑挡片支撑架(7)平行布置，2个钻针支撑挡片支撑架(7)的前端上方固定有钻针支撑挡片(6)，2个钻针支撑挡片支撑架(7)的后端上方均具有直线导杆孔。
5.根据权利要求4所述的利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，其特征在于：多个长度和高度不相同的钻针支撑挡片支撑架叠加在一起用于支撑、保护钻针，当丝杆滑块(24)在起始位置时，多个钻针支撑挡片支撑架(7)的后端叠加在一起，钻针支撑挡片支撑架前端的钻针支撑挡片(6)均匀分布在直线导杆(5)上；当丝杆滑块(24)向前移动时，钻针支撑挡片前推块(4)推动钻针支撑挡片(6)向前移动，使钻针支撑挡片(6)逐步叠加在一起；当丝杆滑块(24)移动到直线导轨(14)的最前端时，所有钻针支撑挡片叠加在一起，钻针支撑挡片支撑架的后端均匀分布在直线导杆上；当丝杆滑块(24)从最前端开始后退时，丝杆滑块上的横向支撑架(30)推动钻针支撑挡片支撑架的后端，从而带动钻针支撑挡片(6)向后移动。
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