竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)的設(shè)計(jì)

沈馮崢，徐 康，袁少飛，張 建，王洪艷，李 琴

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州311300；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310023）

中國(guó)竹類資源豐富，約占世界的1／3，被稱為“竹材大國(guó)”［1］。根據(jù)第8次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，中國(guó)現(xiàn)有竹林資源約占全國(guó)森林資源的3%［2-3］。作為一種可持續(xù)利用資源，竹材具有生長(zhǎng)速度快、成材時(shí)間早、生產(chǎn)周期短、竹材產(chǎn)量高等特點(diǎn)［4］，并且物理力學(xué)性能優(yōu)異，如硬度大、強(qiáng)度高、韌性好，其制品被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，現(xiàn)已形成包括竹重組材、竹集成材、竹地板、竹家具、竹紙品、竹炭、竹飲料等1 000多種產(chǎn)品，其中以竹重組材為代表的竹制品大大拓寬了竹材的應(yīng)用領(lǐng)域，其制造技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平［1，5-6］。然而整體而言，中國(guó)竹材加工企業(yè)總體規(guī)模偏小，大多屬于勞動(dòng)密集型企業(yè)，特別是原料初加工階段機(jī)械化程度低、勞動(dòng)生產(chǎn)率低，如鋸竹、分選、剖竹等生產(chǎn)工序基本依賴人工完成或處于半自動(dòng)化程度［1］。分選是竹材初加工階段的重要工序，對(duì)竹材壁厚的有效分選可以在剖分后獲得厚度相似的竹條，以減少刨切浪費(fèi)，提高竹材利用率。目前，竹材壁厚分選主要依靠人工視覺識(shí)別，分選精度低，且工人長(zhǎng)時(shí)間工作后，容易因視覺疲勞造成分選誤差。針對(duì)上述問題，論文設(shè)計(jì)了一種竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)，通過自動(dòng)測(cè)量竹材壁厚以實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)分選，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分選精度。

1 竹材分選設(shè)備研究現(xiàn)狀

雖然中國(guó)竹材加工產(chǎn)業(yè)處于世界領(lǐng)先地位，但中國(guó)內(nèi)地竹工機(jī)械研發(fā)和應(yīng)用較晚，存在仿制性設(shè)備多、生產(chǎn)效率低、科研創(chuàng)新能力不足、更新?lián)Q代慢等問題［7-12］。近年來，中國(guó)科研人員通過自主創(chuàng)新和對(duì)其他行業(yè)機(jī)械設(shè)備的探索借鑒，促使中國(guó)內(nèi)地竹工設(shè)備逐漸向機(jī)械化和自動(dòng)化方向發(fā)展［7］。然而一直以來關(guān)于竹材初加工機(jī)械特別是竹材壁厚及徑級(jí)分選方面設(shè)備的研究較少，目前竹材壁厚分選主要憑借工人經(jīng)驗(yàn)，分選精度較低。而竹材徑級(jí)分選設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中處于起步階段，如安吉吉泰機(jī)械有限公司的自動(dòng)剖竹設(shè)備初步實(shí)現(xiàn)了竹材徑級(jí)分選和徑向剖分的連續(xù)化，該設(shè)備首先自動(dòng)測(cè)量竹材外徑，并在此基礎(chǔ)上自動(dòng)匹配合適刀盤，最后完成徑向剖分［14］。但是，該設(shè)備在測(cè)量竹材外徑前，工人需根據(jù)竹材壁厚進(jìn)行預(yù)先分選，否則剖分的竹條寬度相似但厚度不一，若將其用于生產(chǎn)同一厚度的竹制品會(huì)造成資源浪費(fèi)。為提高資源利用率，研究針對(duì)當(dāng)前竹材初加工階段竹材壁厚未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化識(shí)別和分選的問題，設(shè)計(jì)了一種竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)，通過自動(dòng)測(cè)量竹材壁厚以實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)分選，從而提高分選精度和生產(chǎn)效率，降低人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，減少初加工階段的材料損耗。

2 竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)的設(shè)計(jì)

竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)包括輸送機(jī)構(gòu)、壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

竹材分選時(shí)，竹材放置于輸送機(jī)構(gòu)的送料桿，靠其自身重力下滑至送料桿末端，隨后送料桿末端的光電傳感器產(chǎn)生信號(hào)，控制系統(tǒng)接收到信號(hào)后啟動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)輸送軸以及其上的撥竹盤轉(zhuǎn)動(dòng)，撥竹盤將送料桿末端的竹材輸送至壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)。竹材落入壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)的擱置架后，兩個(gè)擱置架之間的光電傳感器產(chǎn)生信號(hào)，此時(shí)輸送機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)的推竹氣缸啟動(dòng)并將擱置架上的竹材往前推進(jìn)直至觸碰前擋板。前擋板側(cè)面的光電傳感器隨即產(chǎn)生信號(hào)，測(cè)量裝置啟動(dòng)，其上的線性編碼器產(chǎn)生脈沖電信號(hào)并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)基于脈沖電信號(hào)實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)分選并將其換算成對(duì)應(yīng)竹材壁厚數(shù)值。然后，儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)中相應(yīng)氣缸通過伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整轉(zhuǎn)軸上擋竹板與儲(chǔ)料槽頂部平面的夾角，從而為竹材落入相應(yīng)收集框做準(zhǔn)備。與此同時(shí)，上料機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)上料下鏈輪軸以合適速度轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)上料鏈條上的上料支架運(yùn)動(dòng)，上料支架將測(cè)量完成的竹材輸送至儲(chǔ)料槽頂部。此時(shí)儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)推竹板將輸送至儲(chǔ)料槽頂部的竹材推送至對(duì)應(yīng)收集框上方，竹材落入收集框中。此時(shí)完成一次竹材分選儲(chǔ)料作業(yè)，如此反復(fù)。

2.1 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、送料桿、電動(dòng)機(jī)、減速器、光電傳感器、輸送軸、軸承、撥竹盤、鏈輪以及鏈條組成，如圖2所示。

機(jī)架采用框架結(jié)構(gòu)，不僅可以滿足竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)強(qiáng)度和剛度，而且節(jié)省了材料，降低了成本。為使竹材自動(dòng)下滑至送料桿末端，2根送料桿安裝于機(jī)架上并與機(jī)架呈銳角。光電傳感器固定于送料桿末端下方，用于識(shí)別送料桿末端有無竹材。輸送軸通過軸承安裝于機(jī)架上，其末端通過鏈輪、鏈條與減速器輸出軸相連，在鏈輪、鏈條和減速器的作用下輸送軸能夠以適合轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)與減速器輸入軸相連，提供輸送軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。撥竹盤由圓環(huán)和焊接于圓環(huán)上的4根矩形鋼條構(gòu)成，4根矩形鋼條以圓環(huán)為中心，呈十字型，通過螺絲固定于輸送軸。輸送機(jī)構(gòu)工作時(shí)，撥竹盤將送料桿末端的竹材輸送至壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)。

圖1 竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)Fig.1 Automatic sorting machine for bamboo wall thickness

圖2 輸送機(jī)構(gòu)Fig.2 Conveyor

2.2 壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)

壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、前后擋板、擱置架、氣缸、光電傳感器、測(cè)量裝置組成，如圖3所示。

前擋板為1塊矩形鋼片，安裝于機(jī)架前端，擋板中心位置開出1個(gè)方形孔（如圖4所示），以便測(cè)量裝置的楔形測(cè)量塊通過；后擋板為1塊正方形鋼片，安裝于推竹氣缸的活塞桿頭。推竹氣缸固定于機(jī)架末端，通過伸縮運(yùn)動(dòng)可將處于前后擋板之間的竹材往前推進(jìn)直至觸碰前擋板和實(shí)現(xiàn)推竹后的復(fù)位。擱置架呈Y字型，可使竹材落在擱置架上不易滾動(dòng)，且2個(gè)擱置架安裝于前后擋板之間并與其處于同一直線。壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)有2個(gè)光電傳感器，光電傳感器I位于2個(gè)擱置架之間的下方，用于識(shí)別擱置架上有無竹材；光電傳感器II位于前擋板側(cè)面，用于識(shí)別壁厚測(cè)量處有無竹材。

測(cè)量裝置主要由前進(jìn)氣缸、下壓氣缸、線性編碼器、彈簧、楔形測(cè)量塊、滑塊、滑軌以及底板組成（如圖4所示），安裝于前擋板前端。前進(jìn)氣缸的活塞桿頭固定于底板上，缸體固定于滑塊上且缸體末端裝有楔形測(cè)量塊。前進(jìn)氣缸通過伸縮運(yùn)動(dòng)可將楔形測(cè)量塊推送穿過前擋板直達(dá)竹材內(nèi)部和實(shí)現(xiàn)楔形測(cè)量塊水平方向的復(fù)位。底板上的滑軌和滑塊相匹配，并與前后擋板位于同一直線。下壓氣缸位于底板下方，氣缸活塞桿頭與底板固定，缸體底面與機(jī)架固定，通過伸縮運(yùn)動(dòng)可使楔形測(cè)量塊向下運(yùn)動(dòng)直至觸碰竹筒底部?jī)?nèi)壁和實(shí)現(xiàn)楔形測(cè)量塊垂直方向的復(fù)位。線性編碼器安裝于測(cè)量裝置一側(cè)的機(jī)架上，并與底板相互垂直，其彈性拉桿頭與底板突出處相接觸。設(shè)備調(diào)試時(shí)，壁厚測(cè)量處不放置竹材，楔形測(cè)量塊穿過前檔板的方形孔，并隨下壓氣缸向下運(yùn)動(dòng)，直至觸碰方形孔底部后停止，線性編碼器隨即產(chǎn)生脈沖電信號(hào)并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將此脈沖電信號(hào)換算成位移量并作為常量存儲(chǔ)于控制系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，竹材位于壁厚測(cè)量處，楔形測(cè)量塊穿過前檔板的方形孔，并隨下壓氣缸向下運(yùn)動(dòng)，直至觸碰竹材竹筒底部?jī)?nèi)壁后停止，線性編碼器產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，控制系統(tǒng)基于該脈沖電信號(hào)進(jìn)行竹材分選并將其換算成位移量，此位移量為常量與竹材壁厚之和，控制系統(tǒng)將其與常量進(jìn)行相減運(yùn)算，最終得到竹材壁厚數(shù)值。

圖3 壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)Fig.3 Wall thickness measurer

圖4 測(cè)量裝置Fig.4 Measuring device

2.3 上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、鏈條、鏈輪、鏈輪軸、軸承、上料支架、減速器、機(jī)架組成，如圖5所示。

2根鏈輪軸通過軸承安裝于機(jī)架一側(cè)的頂部與底部，且兩根鏈輪軸構(gòu)成1個(gè)平面。2個(gè)上料上鏈輪分別安裝于上料上鏈輪軸兩端，2個(gè)上料下鏈輪分別安裝于上料下鏈輪軸的兩端，同側(cè)的上鏈輪與下鏈輪通過上料鏈條相連接，鏈條上裝有上料支架，用于輸送竹材。上料支架由1塊矩形鋼板和1根矩形鋼條組成，矩形鋼條焊接于寬面矩形鋼板上并與之形成銳角，可使竹材在傳送中不易掉落。電動(dòng)機(jī)與減速器輸入軸相連，減速器輸出軸和下鏈輪軸通過鏈輪I和鏈條I相連。電動(dòng)機(jī)為下鏈輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，并帶動(dòng)鏈條以及其上的上料支架運(yùn)動(dòng)，可使上料支架以合適速度從壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)的擱置架上將竹材輸送至儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)頂部。

2.4 儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)

儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、收集框、氣缸、連桿、鏈輪、鏈條、鏈輪軸、軸承、推竹板、擋竹板、電動(dòng)機(jī)、減速器組成，如圖5所示。

圖5 上料機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)Fig.5 Feeder and hopper

圖6 擋竹板與儲(chǔ)料槽的夾角關(guān)系及推竹過程Fig.6 The angle between the bamboo blocker and the storage tank and the process of pushing the bamboo

機(jī)架內(nèi)部設(shè)計(jì)有6個(gè)儲(chǔ)料槽，每個(gè)儲(chǔ)料槽內(nèi)放置1個(gè)收集框，用于儲(chǔ)存不同壁厚竹材。每個(gè)儲(chǔ)料槽頂部中間位置各安裝1根轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸左右兩側(cè)各裝有1個(gè)擋竹板，擋竹板長(zhǎng)度與儲(chǔ)料槽寬度相等。氣缸安裝于機(jī)架側(cè)面，氣缸活塞桿頭與連桿一端鉸接，連桿另一端與轉(zhuǎn)軸端頭剛接，氣缸通過伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整轉(zhuǎn)軸上擋竹板與儲(chǔ)料槽頂部平面的夾角。擋竹板與儲(chǔ)料槽頂部平面平行時(shí)，竹材從儲(chǔ)料槽上方通過；擋竹板與儲(chǔ)料槽頂部平面垂直時(shí)，竹材落入收集框內(nèi)，擋竹板與儲(chǔ)料槽夾角關(guān)系如圖6所示。收集框底部裝有滾輪，與儲(chǔ)料槽底面裝有的滑軌匹配，便于更換收集框。2根推竹鏈輪軸分別安裝于機(jī)架頂部的前后兩側(cè)。每根鏈輪軸上各安裝兩個(gè)推竹鏈輪，同一側(cè)面的鏈輪通過推竹鏈條相連，鏈條上裝有推竹板，用于推送竹材。推竹板由1塊矩形鋼板和1根矩形鋼條組成，矩形鋼條焊接于矩形鋼板上。電動(dòng)機(jī)與減速器輸入軸相連，減速器輸出軸和推竹前鏈輪軸通過鏈輪II和鏈條II相連。電動(dòng)機(jī)為前鏈輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，在鏈輪、鏈條和減速器的作用下使得前鏈輪軸以適合轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鏈條以及其上的推竹板運(yùn)動(dòng)，可使推竹板將竹材推送至相應(yīng)收集框上方，竹材自動(dòng)落入收集框內(nèi)。

2.5 控制系統(tǒng)

工業(yè)上的控制系統(tǒng)基本以單片機(jī)、工控機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）3種作為系統(tǒng)控制器。因竹材壁厚分選機(jī)的控制系統(tǒng)涉及到大量開關(guān)量，工作環(huán)境復(fù)雜，且需使用維護(hù)簡(jiǎn)單，所以選擇PLC作為其系統(tǒng)控制器。根據(jù)竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，對(duì)PLC的輸入／輸出進(jìn)行合理分配，控制竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)的輸送、測(cè)量、上料、儲(chǔ)料作業(yè)，實(shí)現(xiàn)竹材壁厚自動(dòng)分選。例如以輸送機(jī)構(gòu)中光電傳感器的信號(hào)為輸入信號(hào)，控制啟動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)；以擱置架之間的光電傳感器的信號(hào)為輸入信號(hào)，控制輸送機(jī)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行和推竹氣缸的向前運(yùn)動(dòng)；以前擋板側(cè)面的光電傳感器為輸入信號(hào)，控制推竹氣缸的復(fù)位運(yùn)動(dòng)和測(cè)量裝置的測(cè)量動(dòng)作等。為使竹材壁厚分選機(jī)操作簡(jiǎn)單，可將觸摸屏通過RS-232串口和PLC進(jìn)行通信，用GT Designer3對(duì)觸摸屏界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中觸摸屏界面包括竹材壁厚顯示界面、手動(dòng)模式操作界面、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置界面等。內(nèi)部參數(shù)設(shè)置界面可對(duì)竹材壁厚區(qū)間進(jìn)行設(shè)置，以滿足不同竹材壁厚范圍的需求。

3 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)的竹材壁厚自動(dòng)分選機(jī)由輸送機(jī)構(gòu)、壁厚測(cè)量機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)組成，該設(shè)備可代替人工作業(yè)，提高竹材分選精度，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人工成本，減少初加工階段的材料損耗，提高竹材利用率。整機(jī)采用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)竹材壁厚的自動(dòng)測(cè)量與竹材自動(dòng)分選、各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)作業(yè)以及內(nèi)部參數(shù)在線修改等功能；并以觸摸屏為人機(jī)交互界面，便于輸入、讀取和調(diào)整數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了人性化操作。設(shè)備總體上安全、可靠，可適用于中國(guó)竹材初加工廠。