液压原木旋切机床的数控化改造设计

1  引言    原木旋切机床主要是用来把原木加工成各种厚度的木板的机床，分有卡轴和无卡轴两大类，其中有卡轴类加工出来的板材均匀性好，但是加工后的木芯最细也在60mm以上，而无卡轴类机床加工出来的板材薄厚误差相对就大些，但是它加工后的木芯最细可以控制在25mm，在目前木材紧缺的环境下，所以多数厂家选用无卡轴类的机床。随着我国建筑装饰行业的发展，我国每年都需要大量的该类机床，同时对板材的加工也提出了越来越高的要求。    无卡轴类机床从刀架进给的控制方式上可分为液压控制方式和变频器控制方式，目前国内所用的原木旋切机床绝大部分为液压控制方式，液压控制方式采用的是恒力推进木头来进行旋切，在木材不同时，因木材软硬加工出的木板厚度不同，而同一根木头有结巴的地方会相对硬一些，那么加工的木板就会出现厚薄，所以加工精度相对比较低。变频器控制方式采用的也是恒力推进木头进行旋切，和液压控制方式一样，因此加工精度也比较低，但变频器和液压系统相比较，环境干净，调节方便，但成本较高。因此笔者针对液压控制方式原木旋切机床提出并设计了一种基于伺服驱动系统控制刀架进给的数字控制原木旋切机床的改造设计方案，该方案通过对传统的液压传动原木旋切机床进行改造，提高了原木板材的加工精度，又减少了原木棒料的浪费，在实际应用中取得了非常好的效果，该方法可以广泛地用于现有的液压控制方式原木旋切机床的数控化改造与应用。 2  液压原木旋切机床的数控化改造总体方案    无卡轴液压传动原木旋切机床的数控化改造设计思路是把剥木进给刀架的控制方式由液压控制方式改为交流伺服电动机控制方式，控制系统采用笔者自行研制的原木旋切机床专用NC控制器。专用NC控制器的控制思路为旋切开始时采用恒力推进的旋切方式，旋切一段距离，然后改为速度配合式，采用具有转矩限制功能的伺服驱动器和专门的旋切机床控制器，笔者设计的这款数字旋切机床控制器具有自动调节刀口宽度的功能，其它种类的旋切机床刀口都是用螺丝固定死的，那么要加工不同厚度的板材时需调节很长时间才能调好，笔者用一台步进电动机来控制刀口的宽度，因此在加工不同厚度的板材时，只要调出一组事先计算好的参数，既可改变刀口的宽度，又可改变伺服驱动器的进给速度。另外它可以在加工过程中改变刀口宽度，这样在加工一根原木时，比如剥皮要2.4mm，板材要1.6mm，一次即可以加工完成，这是其它旋切机床无法相比的，系统整体框图如图1所示。

   这种数字控制旋切机床具有以下按钮功能：快进、慢进、快退、慢退、剥皮和工作方式，其中工作方式包括回零方式、手动方式和自动方式。在机床每次上电开机时，都要进行一次回零操作，这样机床可以找到刀口和刀架的相对位置，控制器才能正常的控制加工。手动方式可以通过按钮刀架前进后退，剥皮按钮可以先对原木进行剥皮，然后在自动方式下，完成剥板的整个加工过程。系统的功能框图如图2所示。

   这种数字控制旋切机床还具有显示和参数修改保护功能，它有一块液晶显示器，可以显示刀架当前位置和刀口的当前宽度，还可以显示当前机床的工作状态，比如：快进、慢进、快退、慢退、剥皮进行中、回零准备好、回零过程中、自动加工中、自动加工完成等。通过液晶显示还可以监控各类报警，比如伺服驱动器、步进驱动器、主轴电动机过热等。还可以通过液晶显示和按键来修改和保存参数。具体参数有剥皮厚度、剥板厚度、伺服和步进电动机前进后退速度等。 3  液压原木旋切机床的数控化改造关键技术难点    在设计这种新型数字控制旋切机床中，关键技术难点在于伺服驱动器及其电动机的选择、速度匹配控制中的控制算法及恒力控制的实现等。 3.1  伺服驱动器及其电动机的选择    由于旋切机床所需功率比较大，旋切2m长原木的机床大约要8KW，目前，国内还没有这么大功率的伺服驱动系统，而国外的价钱又很贵，因此笔者选用两台国产4KW的电动机及其伺服驱动器，在机械上也配以双丝杠拖动，这样价格比较便宜，然而就要求两台电动机要进行同步控制，为实现这一控制，笔者采用具有位置控制功能的伺服驱动器驱动控制电动机，当专门的旋切机床控制器发出相同的脉冲串时，伺服驱动器接收到脉冲后，就会根据脉冲串的频率和个数来控制电动机速度和位置，从而实现同步控制。 3.2  速度匹配控制中的控制算法    无卡轴原木旋切机床在旋切时，带动原木旋切的滚筒，其角速度恒定，假设原木和滚筒不打滑，电动机拖动的传动比又知道，那么就可以根据原木的直径和剥板厚度，计算出电动机所需要的转速。    设定原木的速度为ν_M，直径为D_M，滚筒的速度为ν_G�，直径为D_G�，电动机和丝杠的传动比λ，丝杠螺距为L上，剥板的厚度为H，伺服电动机的速度为ν_s。    由原木的线速度和滚筒的线速度有：    ν_M*D_M=ν_G*D_G     （1）    ν_M=（ν_G*D_G）/D_M （2）    由传动关系可得：    ν_s=（2*ν_M*H）/λ                    （3）    将式（2）代人式（3）得：    ν_s=（2*ν_G*D_G*H）           （4）    而原木的直径可以用刀架的位置来代替，因此，可以根据式（4）来编写软件控制算法实现速度匹配控制。 3.3  恒力控制的实现    简单的恒力控制很好实现，只要给伺服驱动器发出转矩信号就可以了，但进行恒力控制时，还要考虑两台伺服电动机的位置同步，因此，在进行恒力控制时，除了发出转矩限制信号外，还要控制输出位置脉冲，一开始位置脉冲快速输出，使指令位置和实际位置产生一定偏差值，并保持偏差值恒定，当恒力控制结束时，停止位置脉冲输出，同时监控指令位置和实际位置的偏差值，当它小于一定值时，撤除转矩限制信号，并转入速度匹配控制模式，从而实现平稳过渡。 4  结束语    本文提出的液压式无卡轴原木旋切机床数控化改造设计方案用交流伺服系统取代了传统的液压传动系统，再配以原木旋切机床专用NC控制器，大大简化了原木旋切机床的结构，同时提高了板材的加工精度，减少了木材的浪费。液压式的无卡轴原木旋切机床数控化改造以较低的成本提高了原木旋切机床的技术水平和产品档次，该方法在原木旋切机床领域的广泛应用，对原木旋切机床的数控化改造和数控原木旋切机床的设计应用将有很大的促进作用。