伟创旋切机系统应用方案

1 旋切机简介

​随着森林资源的匮乏和国家对森林环境的日益重视，使得木材资源的高效利用成为了摆在整个木工设备制造行业面前的一项重要课题。旋切机是生产胶合板的主要设备之一，近年来，数控旋切裁切一体机逐渐成为行业的主流机型。行业内对于设备的要求不断提高。伟创数控一体机通过多年的技术积累，提供系统的解决方案，大大提高了一体机的加工质量和精度、生产效率和操作简便程度。

2 系统介绍

伟创旋切机系统采用伟创高性能PLC（V5运动控制器）作为控制器，单双辊选用伟创AC300通用变频器，进刀选用伟创AC310旋切机专用变频器或者SD700旋切机专用伺服驱动器，切刀选用SD700伺服驱动器，还搭配了伟创物联网远程监控管理系统。

系统采用模块化设计，可以由单双辊变频器+进刀变频器+触摸屏构成，也可以由单双辊变频器+进刀伺服+触摸屏构成，还可以采用V5运动控制器+切刀伺服+进刀变频器（伺服）+单双辊变频器+触摸屏构成。其中单双辊变频器可以选择伟创其他系列变频器，物联网远程监控管理系统可以与以上系统搭配使用。可以根据具体的机械情况进行拆分和组合，不会影响整个系统的运行。

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3 系统方案

01 系统应用到的产品及硬件构成如下图所示

02 方案实现

A. 伟创高性能运动控制器V5-MC104作为上位控制，通过RS485通讯对单双辊变频器/进刀伺服（变频器）/切刀伺服等进行速度或位置控制。

B. 系统通过V5运动控制器把变频器或伺服的参数信息和故障信息上载至伟创物联网远程监控管理系统。

C. 触摸屏通过422通讯与V5运动控制器进行实时数据传输。

4 系统优势

01 丰富的模块化系统解决方案。

A. 运行控制器解决方案：通过模块化组合可以选择单双辊调速、电子凸轮裁切、远程控制等功能。

B. 可以选择同步伺服或者变频器作为进给和裁切的动力。

C. 专用变频器解决方案：集成度高，成本优势明显。

02 操作简单，加工精度高。

A. 旋切进给专用伺服功能，使进给位置曲线贴合旋切模型，减小旋切厚度误差。

B. 单双辊可以根据需求任意改变转速，提高生产效率。

C. 单双辊提前降速，减小机台冲击力，提高机械使用寿命。

03 定长裁切专用电子凸轮控制，裁切过程裁刀与木皮同线速度，裁切阻力最小、胶辊磨损最小、裁切精度高、无需复杂调试。

04 实现标准尾板功能无需自检，尾板宽度直接调节，误差1厘米以内。

05 通过手机就可以实现远程参数更改、系统状态监控，无需频繁跑现场服务。

06 可以实现两种裁切宽度旋切过程中切换，裁刀连续旋转，没有过度宽度。

07 高精度低惯量主轴伺服电机，进一步提高旋切精度。

5 总结

伟创旋切机系统具有模块化、效率高、精度高和稳定性强等优点，系统方案能满足各类客户的需求。系统操作非常简单，经过与现场人员的详细沟通后对系统参数完成多次的更新，主要目的就是使操作变得简单易懂。旋切木板厚度基本一致，剩余木芯直径准确，基本没有尾板切坏的现象。系统兼容性高，用户可以根据现场的工况进行微小的调整，多数情况基本不用调整，系统就能稳定的运行。

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。

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