竹材自動(dòng)定段設(shè)備的設(shè)計(jì)與樣機(jī)試驗(yàn)

劉延鶴，雷永杰，周建波*，孫曉東，張彬，肖飛，蔣鵬飛

(1. 國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086； 2. 國家林業(yè)和草原局機(jī)電工程實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086； 3. 六安市葉集區(qū)市場監(jiān)督管理局，六安 237431； 4. 湖南省林業(yè)科學(xué)院，長沙 410004；5. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

我國森林資源缺乏，森林覆蓋率和人均森林擁有量均較低，大徑級原木資源也很缺乏[1-3]。隨著我國木材禁伐令的實(shí)施和木材成本的不斷上升，木材供不應(yīng)求的趨勢愈加明顯，尋找木材替代品變得尤為重要。竹材具有獨(dú)特的生物學(xué)、力學(xué)、生態(tài)學(xué)特性，綠色環(huán)保，同時(shí)兼具良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益，可廣泛應(yīng)用于建筑、造紙、家具、食品等行業(yè)[3-4]，被認(rèn)為是未來最有希望和潛力替代木質(zhì)資源的植物[5]。

竹集成材類產(chǎn)品是竹材工業(yè)化利用的重要產(chǎn)品之一，其初加工一般包括定段、破竹和粗銑三大工序。定段是將原竹切斷成若干規(guī)格長度的竹段；破竹是將竹段從小端沿竹材纖維方向破成若干竹條；粗銑是將竹條加工成定長定寬定厚的規(guī)格化竹片[6-7]。目前竹材定段加工多由人工操作截?cái)噤忂M(jìn)行，由人工完成原竹上料、移動(dòng)、定位、壓緊、操作鋸機(jī)鋸切等一系列動(dòng)作，從竹材大端開始，依次完成竹篼鋸切、竹段定長鋸切。根據(jù)破竹機(jī)的要求，在距離小端50 mm內(nèi)竹段不能存在竹節(jié)，由人工判斷和執(zhí)行避讓竹節(jié)動(dòng)作?，F(xiàn)有竹材定段加工設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化水平過低，重復(fù)性動(dòng)作多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)存在安全隱患，加工成本高，易造成竹材大量浪費(fèi)[8]?，F(xiàn)有的原竹截?cái)嗉庸し绞揭巡荒軡M足新時(shí)代的生產(chǎn)需求，嚴(yán)重制約了竹材加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?；谥癫慕Y(jié)構(gòu)和生理特性研究特有的加工方法，對研發(fā)竹材定段加工設(shè)備具有重要意義[9]。

筆者研發(fā)的竹材自動(dòng)定段設(shè)備能實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)進(jìn)料、去竹篼、可調(diào)定長定段、竹節(jié)自動(dòng)識別、竹節(jié)有效精準(zhǔn)避讓、規(guī)格竹段自動(dòng)出料、去竹梢等功能，從而大幅提高竹材定段加工的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少安全隱患。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求及整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)竹材的生長結(jié)構(gòu)和特性，遵循高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展理念[10]，需在研發(fā)竹材自動(dòng)定段設(shè)備時(shí)解決4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題： 一是如何實(shí)現(xiàn)竹材的自動(dòng)進(jìn)料和規(guī)格竹段的自動(dòng)出料；二是如何實(shí)現(xiàn)竹篼自動(dòng)去除及竹段的定長定段(竹篼的鋸切長度手動(dòng)調(diào)節(jié)；竹段規(guī)格化長度可調(diào)，允許竹段長度偏差范圍為±50 mm)；三是如何實(shí)現(xiàn)竹節(jié)自動(dòng)識別及有效精準(zhǔn)避讓；四是如何實(shí)現(xiàn)小于可利用最小直徑竹材(竹梢)的有效保留及收集。

研發(fā)的竹材自動(dòng)定段設(shè)備總體結(jié)構(gòu)見圖1，主要包括機(jī)架、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、竹節(jié)檢測機(jī)構(gòu)、竹段定長機(jī)構(gòu)、鋸切機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等7個(gè)。

1.來料檢測傳感器；2.自動(dòng)進(jìn)料裝置；3.前端光電傳感器；4.測量光幕；5.電機(jī)2和自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組；6.后端光電傳感器；7.滑軌臺(tái)1；8.出料阻擋模塊；9.滑軌臺(tái)2；10.末端推料傳感器；11.推料氣缸；12.推料裝置；13.出料輥筒輸送輪組；14.電機(jī)4；15.往復(fù)鋸機(jī)；16.電機(jī)3；17.電機(jī)1。圖1 竹材自動(dòng)定段設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of bamboo automatic segmentation equipment

1.2 工作原理

竹材自動(dòng)定段工序主要包括自動(dòng)進(jìn)料、去竹篼、檢測和鋸切、自動(dòng)出料。

1)自動(dòng)進(jìn)料。竹材自動(dòng)定段設(shè)備首先將原竹平放入進(jìn)料輥筒輸送輪組上，將竹材往鋸片方向輸送完成自動(dòng)進(jìn)料。

2)去竹篼。當(dāng)來料檢測傳感器檢測到竹材時(shí)，進(jìn)料輥筒輸送輪組正轉(zhuǎn)，將竹材輸送到鋸片方向，當(dāng)前端光電傳感器檢測到竹材時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)2和電機(jī)3，鋸片高速旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組旋轉(zhuǎn)輸送竹材。利用后端光電傳感定位測控，進(jìn)料輥筒輸送輪組和自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組停止旋轉(zhuǎn)，竹材被固定。往復(fù)進(jìn)給鋸機(jī)開始進(jìn)給，進(jìn)行齊頭鋸切后復(fù)位。

3)檢測和鋸切。通過測量光幕對竹材直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，去竹篼之后自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組旋轉(zhuǎn)輸送竹材到定段長度限位，竹節(jié)自動(dòng)識別裝置判斷檢測處是否存在竹節(jié)，如不存在竹節(jié)則直接進(jìn)行鋸切，如存在竹節(jié)，將啟動(dòng)自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組將竹材向前輸送一段距離(可調(diào)整)后進(jìn)行鋸切，之后重復(fù)檢測鋸切工序，直至測量光幕檢測竹材直徑小于可利用最小值為止。當(dāng)竹材直徑小于可利用最小值時(shí)，系統(tǒng)停止鋸切和檢測動(dòng)作，竹梢自動(dòng)出料實(shí)現(xiàn)其有效保留。

4)自動(dòng)出料。鋸切下的竹段被出料輥筒輸送輪組輸送至末端推料傳感器處，推料氣缸啟動(dòng)，規(guī)格竹段被收集歸堆；小于可利用直徑最小值的竹材(竹梢)被出料輥筒輸送輪組輸送至另一處收集歸堆。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

保障系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的安全運(yùn)行可有效提高竹材自動(dòng)定段加工的效率和準(zhǔn)確度[11-14]。竹材自動(dòng)定段設(shè)備在滿足控制系統(tǒng)可靠性及經(jīng)濟(jì)性的原則下配備了臺(tái)達(dá)DVP40ES200T的可編程控制器(PLC)，其具有快速執(zhí)行邏輯運(yùn)算、多元擴(kuò)展功能等特點(diǎn)，配合使用PLC擴(kuò)展模塊DVP04AD-E2，滿足竹材自動(dòng)定段設(shè)備的控制要求。控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成Fig. 2 Composition of control system

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

竹材控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)進(jìn)料、去竹篼、檢測和鋸切、自動(dòng)出料各功能的協(xié)同配合作業(yè)，整個(gè)系統(tǒng)包括輥筒輸送輪組、自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組、氣缸、電機(jī)組成的動(dòng)作部分；控制器、驅(qū)動(dòng)器和變頻器等組成的控制部分。竹材自動(dòng)定段控制系統(tǒng)通過各個(gè)模塊子程序的協(xié)調(diào)控制，可以連續(xù)循環(huán)完成定段的控制，通過設(shè)定相應(yīng)的初始化參數(shù)值，適用于不同規(guī)格竹段的加工要求[15-16]。控制系統(tǒng)的PLC程序流程圖如圖3所示。

圖3 竹材自動(dòng)定段流程Fig. 3 Process of bamboo automatic segmentation

3.1 竹材自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)

竹材自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)由傳感器、進(jìn)料輥筒輸送輪組、彈性導(dǎo)向軌、電機(jī)、長隔板等組成，如圖4所示。當(dāng)來料檢測傳感器感應(yīng)到竹材放置在輥筒輸送輪組上時(shí)，信號傳感至中控PLC系統(tǒng)指示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，竹材將在進(jìn)料輥筒輸送輪組作用下輸送至自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組進(jìn)入竹篼鋸切工位。當(dāng)來料檢測傳感器和前端傳感器均超過10 s未感應(yīng)到竹材時(shí)，則停止運(yùn)行，防止無人管護(hù)時(shí)系統(tǒng)空運(yùn)行產(chǎn)生危險(xiǎn)。

圖4 竹材自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)Fig. 4 Bamboo automatic feeding system

3.2 竹篼鋸切系統(tǒng)

竹篼鋸切系統(tǒng)由傳感器、自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組、往復(fù)進(jìn)給鋸機(jī)、竹篼收集導(dǎo)軌等組成，如圖5(左)所示。竹材經(jīng)進(jìn)料輥筒輸送輪組送入，當(dāng)前端光電傳感器檢測到竹材時(shí)，自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組閉合夾緊運(yùn)轉(zhuǎn)，牽引竹材進(jìn)入竹篼鋸切系統(tǒng)；當(dāng)后端光電傳感器檢測到竹篼時(shí)，進(jìn)料停止，夾緊固定，PLC中控系統(tǒng)控制往復(fù)進(jìn)給鋸機(jī)啟動(dòng)鋸切竹篼(竹篼切除長度即后端光電傳感器與鋸片間的距離，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)合理間距)，竹篼脫落后沿收集導(dǎo)軌統(tǒng)一收集利用。每一根竹材進(jìn)入后，竹篼優(yōu)選鋸切系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)完成一次作業(yè)。

圖5 竹篼鋸切系統(tǒng)Fig. 5 Bamboo basket sawing system

3.3 竹節(jié)自動(dòng)檢測與精準(zhǔn)避讓系統(tǒng)

由于竹材的生物學(xué)特性和竹節(jié)部位的形態(tài)，為了提高竹材資源利用率和后續(xù)竹材加工需要，竹材定段工序中鋸切位置需與大端竹節(jié)(靠近出料裝置的竹節(jié)，距離小端竹節(jié)位置不做要求)相隔大于50 mm以上。竹節(jié)自動(dòng)檢測系統(tǒng)由測量尺、微動(dòng)開關(guān)、氣缸、推料機(jī)構(gòu)等組成，如圖6所示，每次鋸切動(dòng)作前均進(jìn)行竹節(jié)檢測。竹材輸送至定長位置后，停止進(jìn)料，夾緊固定，氣缸啟動(dòng)控制推料機(jī)構(gòu)推動(dòng)測量尺至接觸竹材后停止。如微動(dòng)開關(guān)接收信號，則顯示檢測位置處存在竹節(jié)，竹節(jié)自動(dòng)檢測裝置復(fù)位，竹節(jié)避讓系統(tǒng)啟動(dòng)，完成竹節(jié)避讓后進(jìn)行鋸切；如微動(dòng)開關(guān)未接收信號，則表示檢測位置無竹節(jié)，竹節(jié)自動(dòng)檢測裝置復(fù)位，直接完成鋸切動(dòng)作。

圖6 竹節(jié)自動(dòng)檢測系統(tǒng)Fig. 6 Bamboo joint automatic detection system

竹節(jié)精準(zhǔn)避讓系統(tǒng)主要配置電機(jī)2和自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組等，通過PLC程序控制電機(jī)2帶動(dòng)自動(dòng)開合導(dǎo)向牽引輥輪組動(dòng)作，以控制竹節(jié)避讓過程中的運(yùn)行距離(通常大于50 mm且小于70 mm，可調(diào)節(jié)設(shè)定)，待避讓竹節(jié)完成后控制往復(fù)進(jìn)給鋸切裝置進(jìn)行鋸切。

3.4 竹材鋸切系統(tǒng)

竹材鋸切系統(tǒng)主要配置電機(jī)3、氣缸、滑軌和往復(fù)進(jìn)給鋸切裝置等，如圖5(右)所示。竹材鋸切系統(tǒng)在控制系統(tǒng)控制下對竹材進(jìn)行鋸切，在前端光電傳感器感應(yīng)到竹材時(shí)電機(jī)3動(dòng)作，帶動(dòng)鋸片旋轉(zhuǎn)；在接受鋸切指令后，氣缸動(dòng)作，推動(dòng)往復(fù)進(jìn)給鋸機(jī)在滑軌上移動(dòng)，完成鋸切動(dòng)作后復(fù)位；當(dāng)竹材直徑小于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)3停止動(dòng)作，鋸片停止旋轉(zhuǎn)。

3.5 定長與自動(dòng)出料系統(tǒng)

自動(dòng)定長系統(tǒng)由兩滑軌臺(tái)和出料阻擋模塊組成，如圖7所示?；壟_(tái)2可在滑軌臺(tái)1上橫向左右移動(dòng)，滑軌臺(tái)2的位置控制了竹材定段的長度，出料阻擋模塊可在滑軌臺(tái)2上縱向上下移動(dòng)，竹材定長前出料阻擋模塊在滑軌臺(tái)2上下移至工位，竹材輸送至出料阻擋模塊處停止進(jìn)料完成竹材定長，隨后出料阻擋模塊上升，依次進(jìn)行竹節(jié)檢測、竹節(jié)避讓和鋸切工序，完成自動(dòng)出料后出料阻擋模塊重復(fù)動(dòng)作。

自動(dòng)出料系統(tǒng)由出料輥筒輸送輪組、推料氣缸和推桿機(jī)構(gòu)組成，如圖7所示。定段完成后的竹材經(jīng)出料輥筒輸送輪組向前輸送，當(dāng)末端推料傳感器檢測到竹材時(shí)，推料氣缸動(dòng)作，控制推桿機(jī)構(gòu)將其推出后復(fù)位。竹梢經(jīng)出料輥工作向前輸送，控制系統(tǒng)控制推料氣缸不動(dòng)作，竹梢由出料輥筒輸送輪組向前輸送，從出料阻擋模塊和機(jī)架下方出料歸堆，完成竹梢的有效保留和收集。

圖7 定長與自動(dòng)出料系統(tǒng)Fig. 7 Fixed length and automatic discharging system

3.6 竹梢有效保留系統(tǒng)

竹梢有效保留系統(tǒng)由測量光幕、輥筒輸送輪組構(gòu)成。加工過程中測量光幕將實(shí)時(shí)進(jìn)行直徑檢測，并將數(shù)據(jù)信號傳輸給PLC中控系統(tǒng)進(jìn)行判斷。當(dāng)檢測竹材直徑小于60 mm(可調(diào)整)時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出停止竹節(jié)識別、定段鋸切、出料等預(yù)設(shè)動(dòng)作指令，不再進(jìn)行下一個(gè)定段周期，剩余的竹梢部位由自動(dòng)出料系統(tǒng)出料收集。待竹梢出料完成后，再放入下一根竹材進(jìn)行定段加工。

3.7 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用臺(tái)達(dá)7寸DOP-B07SS411真彩觸摸屏，具有較強(qiáng)的人機(jī)交互功能，操作簡單且可靠性高，主要由自動(dòng)控制系統(tǒng)主界面圖和點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)界面等組成，如圖8所示。竹材自動(dòng)定段控制系統(tǒng)界面可以控制自動(dòng)定段設(shè)備啟動(dòng)、復(fù)位和點(diǎn)動(dòng)等操作，主界面顯示竹節(jié)檢測時(shí)間、竹材實(shí)時(shí)直徑、竹子最小直徑、竹節(jié)移動(dòng)距離、鋸切時(shí)間等，也能清楚判斷測量位置是否存在竹節(jié)。點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)界面可以控制各個(gè)電機(jī)與氣缸分別動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)進(jìn)料、去竹篼、檢測和鋸切、自動(dòng)出料等功能，實(shí)現(xiàn)竹材定段加工的點(diǎn)動(dòng)控制。

圖8 人機(jī)交互界面Fig. 8 Interactive interface

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 主要參數(shù)

根據(jù)計(jì)算與分析，最終確定了竹材自動(dòng)定段設(shè)備各部分參數(shù)，并試制加工出一臺(tái)樣機(jī)。竹材自動(dòng)定段設(shè)備樣機(jī)如圖9所示，樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖9 竹材自動(dòng)定段設(shè)備樣機(jī)Fig. 9 Bamboo automatic segmentation equipment prototype

表1 樣機(jī)參數(shù)Table 1 Prototype parameters

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證竹材自動(dòng)定段設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的加工效率，以及定段效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，于2020年4月20日在福建省建甌市進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)原料為福建產(chǎn)毛竹，竹齡3～5 a，長度6 257～7 949 mm，大端直徑121～160 mm，每組數(shù)量5根，共5組。將竹段長度設(shè)定為1 340 mm，試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)包括每次試驗(yàn)用竹子鋸切的竹篼長度、竹篼直徑、竹段長度、竹段直徑是否大于60 mm、距鋸切點(diǎn)最近竹節(jié)位置、竹節(jié)位置是否大于50 mm、竹梢直徑及加工時(shí)間等。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，竹段小端直徑大于60 mm的概率達(dá)100%，鋸切處與竹節(jié)間距離大于50 mm的概率達(dá)100%，竹篼與竹梢均歸類收集。竹材自動(dòng)定段設(shè)備平均加工效率約10.16 m/min，經(jīng)過前期工廠實(shí)地調(diào)研，傳統(tǒng)工人手動(dòng)鋸切效率約8 m/min，且同時(shí)需2名工人配合完成鋸切動(dòng)作，而竹材自動(dòng)定段設(shè)備樣機(jī)可提高生產(chǎn)效率至少27%，降低勞動(dòng)力成本50%以上。因此，樣機(jī)基本達(dá)到了實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)定段、竹節(jié)自動(dòng)檢測和避讓、自動(dòng)出料、竹梢有效保留的要求。對于各種長度、不同直徑的竹材，該樣機(jī)均可直接定段，大幅提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，減少了勞動(dòng)力成本，降低了生產(chǎn)安全隱患。

表2 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Prototype test results

綜合試驗(yàn)過程及結(jié)果，樣機(jī)定段性能穩(wěn)定，能滿足竹材的定段需求，有一定的推廣價(jià)值。此外，現(xiàn)階段竹材自動(dòng)定段設(shè)備還存在生產(chǎn)效率不高、竹粉末未收集等問題，樣機(jī)仍需優(yōu)化和改進(jìn)。

5 結(jié) 論

根據(jù)竹材特性和竹材初加工實(shí)際所需，設(shè)計(jì)了一款竹材自動(dòng)定段設(shè)備，經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1)竹材自動(dòng)定段設(shè)備控制性能良好，實(shí)現(xiàn)了竹材自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)定段、自動(dòng)避讓竹節(jié)、自動(dòng)測量直徑、竹梢有效保留等功能，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)加工到全自動(dòng)化加工的轉(zhuǎn)變，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)竹材初加工全程機(jī)械化提供了條件。

2)竹材自動(dòng)定段設(shè)備竹節(jié)避讓率為100%，平均加工效率約10.16 m/min，竹梢保留率100%，可滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，樣機(jī)定段效率比人工定段效率提高至少27%，降低勞動(dòng)力成本50%以上。

3)竹材自動(dòng)定段設(shè)備操作簡單，自動(dòng)化程度高，安全系數(shù)高，大幅減少了生產(chǎn)安全隱患，同時(shí)降低了勞動(dòng)力成本，提高了生產(chǎn)效率，具有很好的推廣價(jià)值和使用價(jià)值，但其加工速度和環(huán)保性能還需進(jìn)一步提高和完善。