竹材自动定段设备的设计与样机试验

刘延鹤，雷永杰，周建波*，孙晓东，张彬，肖飞，蒋鹏飞

(1. 国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，哈尔滨 150086； 2. 国家林业和草原局机电工程实验室，哈尔滨 150086； 3. 六安市叶集区市场监督管理局，六安 237431； 4. 湖南省林业科学院，长沙 410004；5. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

我国森林资源缺乏，森林覆盖率和人均森林拥有量均较低，大径级原木资源也很缺乏[1-3]。随着我国木材禁伐令的实施和木材成本的不断上升，木材供不应求的趋势愈加明显，寻找木材替代品变得尤为重要。竹材具有独特的生物学、力学、生态学特性，绿色环保，同时兼具良好的经济、生态和社会效益，可广泛应用于建筑、造纸、家具、食品等行业[3-4]，被认为是未来最有希望和潜力替代木质资源的植物[5]。

竹集成材类产品是竹材工业化利用的重要产品之一，其初加工一般包括定段、破竹和粗铣三大工序。定段是将原竹切断成若干规格长度的竹段；破竹是将竹段从小端沿竹材纤维方向破成若干竹条；粗铣是将竹条加工成定长定宽定厚的规格化竹片[6-7]。目前竹材定段加工多由人工操作截断锯进行，由人工完成原竹上料、移动、定位、压紧、操作锯机锯切等一系列动作，从竹材大端开始，依次完成竹篼锯切、竹段定长锯切。根据破竹机的要求，在距离小端50 mm内竹段不能存在竹节，由人工判断和执行避让竹节动作。现有竹材定段加工设备的机械化、自动化水平过低，重复性动作多，劳动强度大，生产存在安全隐患，加工成本高，易造成竹材大量浪费[8]。现有的原竹截断加工方式已不能满足新时代的生产需求，严重制约了竹材加工产业的发展。基于竹材结构和生理特性研究特有的加工方法，对研发竹材定段加工设备具有重要意义[9]。

笔者研发的竹材自动定段设备能实现竹材自动进料、去竹篼、可调定长定段、竹节自动识别、竹节有效精准避让、规格竹段自动出料、去竹梢等功能，从而大幅提高竹材定段加工的自动化程度和生产效率，并降低劳动强度，减少安全隐患。

1 整体设计

1.1 设计要求及整机结构

根据竹材的生长结构和特性，遵循高效生产和可持续发展理念[10]，需在研发竹材自动定段设备时解决4个关键技术问题： 一是如何实现竹材的自动进料和规格竹段的自动出料；二是如何实现竹篼自动去除及竹段的定长定段(竹篼的锯切长度手动调节；竹段规格化长度可调，允许竹段长度偏差范围为±50 mm)；三是如何实现竹节自动识别及有效精准避让；四是如何实现小于可利用最小直径竹材(竹梢)的有效保留及收集。

研发的竹材自动定段设备总体结构见图1，主要包括机架、进料机构、竹节检测机构、竹段定长机构、锯切机构、出料机构和控制系统等7个。

1.来料检测传感器；2.自动进料装置；3.前端光电传感器；4.测量光幕；5.电机2和自动开合导向牵引辊轮组；6.后端光电传感器；7.滑轨台1；8.出料阻挡模块；9.滑轨台2；10.末端推料传感器；11.推料气缸；12.推料装置；13.出料辊筒输送轮组；14.电机4；15.往复锯机；16.电机3；17.电机1。图1 竹材自动定段设备结构Fig. 1 Structure of bamboo automatic segmentation equipment

1.2 工作原理

竹材自动定段工序主要包括自动进料、去竹篼、检测和锯切、自动出料。

1)自动进料。竹材自动定段设备首先将原竹平放入进料辊筒输送轮组上，将竹材往锯片方向输送完成自动进料。

2)去竹篼。当来料检测传感器检测到竹材时，进料辊筒输送轮组正转，将竹材输送到锯片方向，当前端光电传感器检测到竹材时，系统启动电机2和电机3，锯片高速旋转，自动开合导向牵引辊轮组旋转输送竹材。利用后端光电传感定位测控，进料辊筒输送轮组和自动开合导向牵引辊轮组停止旋转，竹材被固定。往复进给锯机开始进给，进行齐头锯切后复位。

3)检测和锯切。通过测量光幕对竹材直径进行实时监测，去竹篼之后自动开合导向牵引辊轮组旋转输送竹材到定段长度限位，竹节自动识别装置判断检测处是否存在竹节，如不存在竹节则直接进行锯切，如存在竹节，将启动自动开合导向牵引辊轮组将竹材向前输送一段距离(可调整)后进行锯切，之后重复检测锯切工序，直至测量光幕检测竹材直径小于可利用最小值为止。当竹材直径小于可利用最小值时，系统停止锯切和检测动作，竹梢自动出料实现其有效保留。

4)自动出料。锯切下的竹段被出料辊筒输送轮组输送至末端推料传感器处，推料气缸启动，规格竹段被收集归堆；小于可利用直径最小值的竹材(竹梢)被出料辊筒输送轮组输送至另一处收集归堆。

2 控制系统硬件设计

保障系统有效运行的关键是控制系统硬件的设计，系统的安全运行可有效提高竹材自动定段加工的效率和准确度[11-14]。竹材自动定段设备在满足控制系统可靠性及经济性的原则下配备了台达DVP40ES200T的可编程控制器(PLC)，其具有快速执行逻辑运算、多元扩展功能等特点，配合使用PLC扩展模块DVP04AD-E2，满足竹材自动定段设备的控制要求。控制系统组成框图如图2所示。

图2 控制系统组成Fig. 2 Composition of control system

3 控制系统软件设计

竹材控制系统主要是实现竹材自动进料、去竹篼、检测和锯切、自动出料各功能的协同配合作业，整个系统包括辊筒输送轮组、自动开合导向牵引辊轮组、气缸、电机组成的动作部分；控制器、驱动器和变频器等组成的控制部分。竹材自动定段控制系统通过各个模块子程序的协调控制，可以连续循环完成定段的控制，通过设定相应的初始化参数值，适用于不同规格竹段的加工要求[15-16]。控制系统的PLC程序流程图如图3所示。

图3 竹材自动定段流程Fig. 3 Process of bamboo automatic segmentation

3.1 竹材自动进料系统

竹材自动进料系统由传感器、进料辊筒输送轮组、弹性导向轨、电机、长隔板等组成，如图4所示。当来料检测传感器感应到竹材放置在辊筒输送轮组上时，信号传感至中控PLC系统指示电机运转，竹材将在进料辊筒输送轮组作用下输送至自动开合导向牵引辊轮组进入竹篼锯切工位。当来料检测传感器和前端传感器均超过10 s未感应到竹材时，则停止运行，防止无人管护时系统空运行产生危险。

图4 竹材自动进料系统Fig. 4 Bamboo automatic feeding system

3.2 竹篼锯切系统

竹篼锯切系统由传感器、自动开合导向牵引辊轮组、往复进给锯机、竹篼收集导轨等组成，如图5(左)所示。竹材经进料辊筒输送轮组送入，当前端光电传感器检测到竹材时，自动开合导向牵引辊轮组闭合夹紧运转，牵引竹材进入竹篼锯切系统；当后端光电传感器检测到竹篼时，进料停止，夹紧固定，PLC中控系统控制往复进给锯机启动锯切竹篼(竹篼切除长度即后端光电传感器与锯片间的距离，可根据需要调节合理间距)，竹篼脱落后沿收集导轨统一收集利用。每一根竹材进入后，竹篼优选锯切系统各机构完成一次作业。

图5 竹篼锯切系统Fig. 5 Bamboo basket sawing system

3.3 竹节自动检测与精准避让系统

由于竹材的生物学特性和竹节部位的形态，为了提高竹材资源利用率和后续竹材加工需要，竹材定段工序中锯切位置需与大端竹节(靠近出料装置的竹节，距离小端竹节位置不做要求)相隔大于50 mm以上。竹节自动检测系统由测量尺、微动开关、气缸、推料机构等组成，如图6所示，每次锯切动作前均进行竹节检测。竹材输送至定长位置后，停止进料，夹紧固定，气缸启动控制推料机构推动测量尺至接触竹材后停止。如微动开关接收信号，则显示检测位置处存在竹节，竹节自动检测装置复位，竹节避让系统启动，完成竹节避让后进行锯切；如微动开关未接收信号，则表示检测位置无竹节，竹节自动检测装置复位，直接完成锯切动作。

图6 竹节自动检测系统Fig. 6 Bamboo joint automatic detection system

竹节精准避让系统主要配置电机2和自动开合导向牵引辊轮组等，通过PLC程序控制电机2带动自动开合导向牵引辊轮组动作，以控制竹节避让过程中的运行距离(通常大于50 mm且小于70 mm，可调节设定)，待避让竹节完成后控制往复进给锯切装置进行锯切。

3.4 竹材锯切系统

竹材锯切系统主要配置电机3、气缸、滑轨和往复进给锯切装置等，如图5(右)所示。竹材锯切系统在控制系统控制下对竹材进行锯切，在前端光电传感器感应到竹材时电机3动作，带动锯片旋转；在接受锯切指令后，气缸动作，推动往复进给锯机在滑轨上移动，完成锯切动作后复位；当竹材直径小于设定值时，电机3停止动作，锯片停止旋转。

3.5 定长与自动出料系统

自动定长系统由两滑轨台和出料阻挡模块组成，如图7所示。滑轨台2可在滑轨台1上横向左右移动，滑轨台2的位置控制了竹材定段的长度，出料阻挡模块可在滑轨台2上纵向上下移动，竹材定长前出料阻挡模块在滑轨台2上下移至工位，竹材输送至出料阻挡模块处停止进料完成竹材定长，随后出料阻挡模块上升，依次进行竹节检测、竹节避让和锯切工序，完成自动出料后出料阻挡模块重复动作。

自动出料系统由出料辊筒输送轮组、推料气缸和推杆机构组成，如图7所示。定段完成后的竹材经出料辊筒输送轮组向前输送，当末端推料传感器检测到竹材时，推料气缸动作，控制推杆机构将其推出后复位。竹梢经出料辊工作向前输送，控制系统控制推料气缸不动作，竹梢由出料辊筒输送轮组向前输送，从出料阻挡模块和机架下方出料归堆，完成竹梢的有效保留和收集。

图7 定长与自动出料系统Fig. 7 Fixed length and automatic discharging system

3.6 竹梢有效保留系统

竹梢有效保留系统由测量光幕、辊筒输送轮组构成。加工过程中测量光幕将实时进行直径检测，并将数据信号传输给PLC中控系统进行判断。当检测竹材直径小于60 mm(可调整)时，系统将发出停止竹节识别、定段锯切、出料等预设动作指令，不再进行下一个定段周期，剩余的竹梢部位由自动出料系统出料收集。待竹梢出料完成后，再放入下一根竹材进行定段加工。

3.7 人机界面设计

人机界面采用台达7寸DOP-B07SS411真彩触摸屏，具有较强的人机交互功能，操作简单且可靠性高，主要由自动控制系统主界面图和点动控制系统界面等组成，如图8所示。竹材自动定段控制系统界面可以控制自动定段设备启动、复位和点动等操作，主界面显示竹节检测时间、竹材实时直径、竹子最小直径、竹节移动距离、锯切时间等，也能清楚判断测量位置是否存在竹节。点动控制系统界面可以控制各个电机与气缸分别动作，实现竹材自动进料、去竹篼、检测和锯切、自动出料等功能，实现竹材定段加工的点动控制。

图8 人机交互界面Fig. 8 Interactive interface

4 样机试验

4.1 主要参数

根据计算与分析，最终确定了竹材自动定段设备各部分参数，并试制加工出一台样机。竹材自动定段设备样机如图9所示，样机参数如表1所示。

图9 竹材自动定段设备样机Fig. 9 Bamboo automatic segmentation equipment prototype

表1 样机参数Table 1 Prototype parameters

4.2 验证试验

为了验证竹材自动定段设备在实际应用中的加工效率，以及定段效果是否达到设计要求，于2020年4月20日在福建省建瓯市进行样机试验。试验原料为福建产毛竹，竹龄3～5 a，长度6 257～7 949 mm，大端直径121～160 mm，每组数量5根，共5组。将竹段长度设定为1 340 mm，试验测量数据包括每次试验用竹子锯切的竹篼长度、竹篼直径、竹段长度、竹段直径是否大于60 mm、距锯切点最近竹节位置、竹节位置是否大于50 mm、竹梢直径及加工时间等。试验结果如表2所示。

由表2可知，竹段小端直径大于60 mm的概率达100%，锯切处与竹节间距离大于50 mm的概率达100%，竹篼与竹梢均归类收集。竹材自动定段设备平均加工效率约10.16 m/min，经过前期工厂实地调研，传统工人手动锯切效率约8 m/min，且同时需2名工人配合完成锯切动作，而竹材自动定段设备样机可提高生产效率至少27%，降低劳动力成本50%以上。因此，样机基本达到了实现竹材自动定段、竹节自动检测和避让、自动出料、竹梢有效保留的要求。对于各种长度、不同直径的竹材，该样机均可直接定段，大幅提高了自动化水平和生产效率，减少了劳动力成本，降低了生产安全隐患。

表2 样机试验结果Table 2 Prototype test results

综合试验过程及结果，样机定段性能稳定，能满足竹材的定段需求，有一定的推广价值。此外，现阶段竹材自动定段设备还存在生产效率不高、竹粉末未收集等问题，样机仍需优化和改进。

5 结 论

根据竹材特性和竹材初加工实际所需，设计了一款竹材自动定段设备，经样机试验，得出以下结论。

1)竹材自动定段设备控制性能良好，实现了竹材自动进料、自动定段、自动避让竹节、自动测量直径、竹梢有效保留等功能，实现了手动加工到全自动化加工的转变，为后续实现竹材初加工全程机械化提供了条件。

2)竹材自动定段设备竹节避让率为100%，平均加工效率约10.16 m/min，竹梢保留率100%，可满足实际生产需要，样机定段效率比人工定段效率提高至少27%，降低劳动力成本50%以上。

3)竹材自动定段设备操作简单，自动化程度高，安全系数高，大幅减少了生产安全隐患，同时降低了劳动力成本，提高了生产效率，具有很好的推广价值和使用价值，但其加工速度和环保性能还需进一步提高和完善。