多体仿真的进步，对单板旋切机效率的提升有何贡献？

文 | 三楼的猫头鹰

编辑 | 三楼的猫头鹰

在木材加工领域，单板旋切机的运用在生产效率和木材利用率方面具有重要作用，为了进一步优化这种加工设备的性能和效果，开发一种实时多体联合仿真模型成为一项具有挑战性的研究。

单板旋切机作为一种重要的木材加工设备，用于将圆木切削成单板以满足家具、建筑和工艺品等领域的需求。

由于加工过程中涉及切削、旋转和物料传输等多个物理过程，其运行稳定性和切削质量常常受到影响，为了更好地预测和优化单板旋切机的性能，实时多体联合仿真模型成为一种值得探索的方法。

01

半递归方法

实时多体联合仿真模型结合了多体动力学仿真和实时控制策略，可以模拟单板旋切机加工过程中各个部件的运动和相互作用，通过这种模型，研究人员可以模拟切削过程、预测设备的运行状态以及优化加工参数，从而实现更高效的木材加工和资源利用。

在递归运动学的背景下，通过采用链式或树状结构，可以使用一组相对坐标来描述相互连接物体的位置、速度和加速度 ，这样的坐标选择确保它们仅描述了运动学上可允许的位移，从而避免了约束方程的引入。

在开环系统的描述中，约束方程被规避，而运动方程则由与系统自由度相同数量的广义坐标来表达。

当递归方法应用于闭环系统时，必须将其转化为开环系统，随后通过施加约束条件，将开环系统重新映射回闭环系统。

这个过程可以通过拉格朗日乘子法、罚分法、增广拉格朗日法或基于坐标划分的方法 等实现，从而将约束条件纳入运动方程中。

在增广拉格朗日法的这种形式中，所有与虚拟势能、耗散和动能相关的惩罚项都被整合在方法中，根据经典增广拉格朗日法的思路，通过迭代拉格朗日乘子，可以最小化约束方程中的误差。

需要强调的是，对于单板旋切车床的刚性多体描述 ，涉及所有相关部件（主轴、原木、支撑滚轮和连接接头）的建模和仿真是通过Mevea软件环境进行的。

为了简化实际单板车床并将其转化为多刚体系统，以研究模型与现实之间的匹配情况，研究采用这种方法进行了旋切过程的仿真。

通过将仿真结果与旋转旋切过程的有限元模型以及实际单板车床的测量数据进行比较，研究评估了引入的旋切过程仿真方法的鲁棒性和可靠性。

无需引入新的参数集来描述所提出的方法的鲁棒性和可靠性，例如处理不确定性或干扰效应。

这项研究为了深入探索旋切过程的模拟方法，通过实时建模和仿真，以及与实际测量数据的对比，为理解和应用多体系统的递归运动学方法提供了有价值的洞察。

02

单板旋切机

单板旋切车床是一种用于生产胶合板、单板层积材（LVL）以及其他面板或板材的覆盖表面的设备， 在旋切过程中，通过使用心轴或滚筒，原木被旋转，切割刀片将单板从原木的外表面切割下来。

该过程中，切削过程对单板质量产生了重要影响，包括影响表面光滑度、开裂情况和厚度波动 ，为了保证生产出纵向厚度均匀的单板，旋切过程中使用支撑辊将原木支撑在刀片的另一侧。

生产出的单板通过传送带移动到下一步工序，这在本研究中未被具体讨论。

尽管去皮原理保持不变，现代去皮车床与旧款车床存在显著差异，现代车床的尺寸更大，生产能力更强，单板质量更优且运营过程中需要的操作人员更少，这种变革主要是通过引入自动化和先进的传感器技术实现的。

现代车床越来越多地用于加工较小尺寸的种植园原木，而不是较大的雨林树木，以适应气候和法规变化，新型的现代车床还配备了电动执行器，比使用液压执行器的旧款车床更加节能。

车床的正常运行时间也得到延长，以最大化年度生产能力，并且这些机器已配备了传感器和预测性维护功能。

在研究中，描述了现代旋切车床的实时模型，该车床由多个组件组成，如线性和步进送料器、XY预定心装置、传送臂以及负责剥皮原木的主车床。

线性和步进送料器位于车床的前方，将木原木输送到预定心装置，而预定心装置使用激光传感器扫描原木的形状。

扫描完成后，预定心装置计算出车床中放置原木的最佳位置，以最大限度地提高单板产量，然后，预定心主轴会移动以调整原木位置，随后传送臂将原木从预定心装置转移到车床主轴，并开始旋切过程。

剥皮车床作为联合仿真模型实现，其中车床机械装置、执行器和传感器在Mevea软件中建模 ，而剥皮过程则以Julia编程语言制作了单独的模型。

用于控制实际车床的真实PLC硬件通过I/O接口连接到车床的MBD模型，该接口通过TCP/IP套接字与PLC和车床模型之间进行数据传输。

同样地，TCP/IP套接字接口用于在车床MBD模型和剥皮过程模型之间进行数据传输，从而实现车床机械结构和剥皮原木所产生的力的协同仿真。

车床由PLC控制，PLC向PID控制器发送基于位置和速度的目标，PID控制器驱动执行器来移动不同的车床组件。

从车床到PLC的反馈包括车床组件的位置，是否达到了预期的移动目标，以及来自MBD模型中实现的虚拟传感器的反馈，预定心单元的激光扫描仪用于扫描工件。

剥皮过程开始时，当原木到达车床主轴时，其位置和方向，以及支撑辊、主轴和剥皮刀的全局位置将被传递给工艺模型。

在过程模型中，原木的方向与位置同步，然后根据主轴的旋转进行更新，直到剥皮完成，支撑辊、剥皮刀和主轴的位置将根据MBD模型的更新不断调整。

剥皮过程模型除了使用阿特金斯方程计算切削力外，还处理了原木、支撑辊以及剥皮刀之间的碰撞检测和处理，这一整合的仿真模型使得研究人员能够更好地理解和优化现代旋切车床的工作流程和性能。

03

剥离过程模型中的接触描述

在仿真过程中，通过利用位置和方向信息，完成了剥皮过程模型中原木和车床剥皮工具之间的接触检测任务，鉴于原木的形状不规则，在多个位置与剥皮工具发生接触，为了强制执行原木与相邻物体之间的接触约束，采用了惩罚方法。

用于实时模拟的原木几何形状是从生产线剥离过程中的充电器扫描仪获取的，充电器是一种定心装置，用于确定原木的最佳旋切中心，以最大限度地提高单板回收率和产量。

研究所使用的几何数据包括自然的不对称形状，例如具有各向异性横截面或纵向缺乏直线度的原木，在过程模型中，原木的几何形状被表达为点云。

这些点被排列成一组 360 个并置点，这些点以整圆圆周每度一个测量点的方式确定原木的圆周轮廓，原木纵向上的轮廓顺序描绘了待加工原木的整体形状。

实际上，配置文件的数量可以从几个到扫描仪数据的全分辨率不等 ，原木几何形状的准确性会影响在过程模型中需要完成的计算数量。

为了确保计算的实时性，几何描述必须与可用的CPU能力保持平衡，在所使用的模拟模型中，采用一百个剖面来描述原木的几何形状，这些剖面描述了沿纵向方向的横截面。

考虑到在处理原始数据扫描时会引入噪声，过程模型中实施了数据预处理滤波器，以净化和平滑几何表示。

虽然噪声几何数据不会影响最佳剥离中心的搜索确定，但会使接触搜索任务和剥离力计算变得复杂。

为了保证计算的实时性，几何描述必须与可用的CPU能力保持平衡，在所使用的模拟模型中，使用一百个剖面来描述原木的几何形状，这些策略确保了模拟的准确性，并使得仿真过程能够在现有的计算资源内高效地进行。

04

数值结果

使用有限元方法和单板旋切机的联合仿真程序，详细介绍了旋切过程模型，并根据参数敏感性研究了剥离过程的有限元模型，这项研究探讨了不同参数（倾角和剥离速度的变化）对剥离过程的影响。

在旋切过程中单板旋切机通过切割刀片将单板从原木外表面切割下来，同时使用心轴或滚筒使原木旋转，切削力、前角等参数对单板质量产生影响，包括表面光滑度、开裂情况和厚度波动。

研究中引入了联合仿真环境，其中有限元模型和阿特金斯模型结合，以对剥离过程进行深入研究，研究采用了实验测量数据作为基础，以提高模型的可信度。

叶片的建模方式包括离散刚体和可变形体两种，考虑了大粘合变形下的内聚元素，研究针对不同的参数进行了准静态分析，研究切削力与前角的关系，探讨了这些参数对剥离过程的影响。

动态分析揭示了切削力与前角的复杂函数关系 ，研究中基于有限元模型和阿特金斯模型得出的结果展示了这种关系，这些结果对于理解切削过程中的力学行为和参数之间的关系具有重要意义。

在参数敏感性分析中，研究探究了不同前角和剥离速度对切削力的影响。

在这方面，有限元模型表现出高度的敏感性，而阿特金斯模型则提供了一种相对较稳定的结果，这些发现强调了参数选择对于有限元模型的计算成本和稳定性的影响。

联合仿真方法为研究剥离过程提供了一种全面的途径，将有限元模型与实验数据相结合，深入探讨了切削力与前角、剥离速度等参数之间的关系，这一研究为优化单板旋切过程以及设计更高效的旋切机提供了有益的信息。

三科变频器木板加工设备改造方案

下文是由杭州三科变频器 技术工程师提出电气控制系统的控制策略,主要目标是对木工加工设备叠板机控制工艺，进行变频器控制改造。该系统采用简化的控制方式，已在实践中取得满意的运行效果。

一、引言

木板加工的设备，主要有剥皮机、整形机、木工旋切机、自动叠板机等组成生产线；一个圆木通过薄皮机外皮给剥开，然后通过整形机把弯曲的圆木整成比较圆的木材，再到木工旋切机上把圆木旋切成木板，并且按设定长度裁切后，通过选材把废木板留下，把加工好的木板通过叠板机自动叠好。

二、叠板机的工作原理：

叠板机的主要系统如下图：

说明：

1、电机通过皮带和减速机连接，减速机的输出通过链轮和传送轮A、传送轮B进行连接，并且链轮和滑轮做固定，在链轮动作时，滑轮向左、向右滑动，把传送带上的木板叠好；

2、当传送带上的接近开关（没有画）感应到有木板时，电机开始工作；

3、当滑轮动作到左边，接近开关A感应到信号，给出停机命令，并且要求停机之后，还在接近开关A的感应范围内；

4、当传送带上的接近开关再次感应到有木板时，电机开始反转，从左边向右边移动，当接近开关B感应到信号时，停机，并且要求停机之后，还在接近开关B的感应范围内。

三、SKI780变频器介绍

SKI780迷你型变频器特别针对小功率应用场合设计，不仅体积小，操作简单，而且同样具备开环矢量控制模式，和V/f控制模式可选，以及多种频率给定方式，包括数字给定，模拟量输入，脉冲输入，端子控制，PID控制，简易PLC控制，通讯控制等方式。

四、变频器的应用：

1、变频器的接线图：

2、变频器的运行命令有单板的PLC给定，确定正转、反转，频率给定方式为变频器的面板电位器；

3、变频器参数：

b0-013操作面板

4、控制重点：

1)变频器带电机，让滑轮向左滑动，到接近开关A感应到之后，必须在感应铁板A的范围内，要求要急速减速。

2)急减速过程中变频器不能报故障，客户之前在使用过程中经常会出现此情况，影响生产。

3)变频器具备智能急减速功能，能够完美的解决了客户即要求快速停机，又不会报警的问题，叠板精度控制在±2mm以内。

五、结束语

三科SKI780变频器基于小功率，小体积，低成本的市场需求，针对性推出220v和380v迷你变频器，作为一款小型通用矢量变频器，SKI780变频器采用国际先进矢量控制算法，具备优异性能，兼容螺丝固定和轨道安装两种方式，维护更便捷，功能齐全易于使用。

上述资料由杭州三科变频器工程部整理编辑，如有疑问或有意咨询变频器价格 等相关业务，请通过官网联系客服人员了解详情。

相关问答

旋切机的组成?

旋切机主体包括定心装置和旋切机构;还包括驱动旋切机主体翻转90°使圆木处于竖直状态的翻转装置工作原理:旋切机用来将木段旋切成单板。旋切的一般方法是:左...

木材旋切法?

木材旋切是指将木段作定轴回转,旋到刀刃平行于木段轴线作直线进给运动,切削沿木材年轮方向进行的切削过程。具体的旋切步骤如下:将木材放到工作台上,固定住...

原木是怎么变成木板的?古代是怎么做的?-红网问答

我们现代常用的木板,主要有以下几种类型:1、原木板:直接用原木锯开形成的,宽度和长度都受限于原木的尺寸,规格不统一,一般用于木地板、包装箱、粗...

多层板贴三胺纸用什么砂光机?

双头砂光机定制砂光。1、完整的生产流程,原木进口,原木旋切,单板加工,制胶,贴面,加工成成品。所有工序独立完成,保证了单板配套,胶水稳定,使得板材平整...双...

什么是木夹板?

木夹板是粘合压缩板材。由原木旋切成单板或木方刨切成薄木,再用胶粘剂胶合而成的三层或三层以上的薄板材。通常用奇数层单板,并使相邻层单板的纤维方向互相垂...

木屑能做什么?木屑有什么用途?-Gir1张的回答-懂得

1、取暖和生活用民用取暖和生活用能,燃烧利用率高,便于储存,便于使用,安全卫生。在家庭使用受到普遍欢迎。2、锅炉的燃料生物质工业锅炉,作为工业,...

木地板工艺流程是什么样的_地板

[回答]好品牌的质量控制是从原木选材开始把关的,好木材是生产出优质地板的基础。第二步:原木旋切干燥这道工序用于加工制作多层实木复合地板基材的实木...

旋切机旋出来的皮子干什么用?

旋切机是一种用于将圆木或木材切成薄片的机器,旋切出来的薄片通常被称为木皮或木片。旋切出来的皮子可以用于生产各种木制品,如胶合板、集成材、木地板、木门...

胶合板制作?胶合板热压机好看吗?

[回答]全桦木胶合板厚度一般是多少?临沂天财木业专为使用中高档胶合板的厂家配套生产各种规格、厚度及特殊质量要求的胶合板,产品主要分两大系列:1)2-40mm...

...圆木车床主要有什么内容都来说说怎么选择，卧式数控车床编程?

[回答]安阳涵缘机械已成功研制出“多功能旋切机”、“各种钻铣床”、“双端锯”,主要用于大型木材自动化加工,如方形、圆形、圆锥形、多棱形、瓦缸形、西...