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實驗室，浙江 杭州310023）

中國竹類資源豐富，約占世界的1／3，被稱為“竹材大國”［1］。根據(jù)第8次全國森林資源清查結(jié)果顯示，中國現(xiàn)有竹林資源約占全國森林資源的3%［2-3］。作為一種可持續(xù)利用資源，竹材具有生長速度快、成材時間早、生產(chǎn)周期短、竹材產(chǎn)量高等特點［4］，并且物理力學(xué)性能優(yōu)異，如硬度大、強度高、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，中國竹材加工企業(yè)總體規(guī)模偏小，大多屬于勞動密集型企業(yè)，特別是原料初加工階段機械化程度低、勞動生產(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化程度［1］。分選是竹材初加工階段的重要工序，對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，提高竹材利用率。目前，竹材壁厚分選主要依靠人工視覺識別，分選精度低，且工人長時間工作后，容易因視覺疲勞造成分選誤差。針對上述問題，論文設(shè)計了一種竹材壁厚自動分選機，通過自動測量竹材壁厚以實現(xiàn)竹材自動分選，降低工人勞動強度，提高分選精度。

1 竹材分選設(shè)備研究現(xiàn)狀

雖然中國竹材加工產(chǎn)業(yè)處于世界領(lǐng)先地位，但中國內(nèi)地竹工機械研發(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，中國科研人員通過自主創(chuàng)新和對其他行業(yè)機械設(shè)備的探索借鑒，促使中國內(nèi)地竹工設(shè)備逐漸向機械化和自動化方向發(fā)展［7］。然而一直以來關(guān)于竹材初加工機械特別是竹材壁厚及徑級分選方面設(shè)備的研究較少，目前竹材壁厚分選主要憑借工人經(jīng)驗，分選精度較低。而竹材徑級分選設(shè)備在實際生產(chǎn)中處于起步階段，如安吉吉泰機械有限公司的自動剖竹設(shè)備初步實現(xiàn)了竹材徑級分選和徑向剖分的連續(xù)化，該設(shè)備首先自動測量竹材外徑，并在此基礎(chǔ)上自動匹配合適刀盤，最后完成徑向剖分［14］。但是，該設(shè)備在測量竹材外徑前，工人需根據(jù)竹材壁厚進行預(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造成資源浪費。為提高資源利用率，研究針對當(dāng)前竹材初加工階段竹材壁厚未實現(xiàn)機械化識別和分選的問題，設(shè)計了一種竹材壁厚自動分選機，通過自動測量竹材壁厚以實現(xiàn)竹材自動分選，從而提高分選精度和生產(chǎn)效率，降低人工成本和勞動強度，減少初加工階段的材料損耗。

2 竹材壁厚自動分選機的設(shè)計

竹材壁厚自動分選機包括輸送機構(gòu)、壁厚測量機構(gòu)、上料機構(gòu)、儲料機構(gòu)以及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

竹材分選時，竹材放置于輸送機構(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，控制系統(tǒng)接收到信號后啟動輸送機構(gòu)的電動機，電動機通過鏈傳動帶動輸送軸以及其上的撥竹盤轉(zhuǎn)動，撥竹盤將送料桿末端的竹材輸送至壁厚測量機構(gòu)。竹材落入壁厚測量機構(gòu)的擱置架后，兩個擱置架之間的光電傳感器產(chǎn)生信號，此時輸送機構(gòu)的電動機停止運行，同時壁厚測量機構(gòu)的推竹氣缸啟動并將擱置架上的竹材往前推進直至觸碰前擋板。前擋板側(cè)面的光電傳感器隨即產(chǎn)生信號，測量裝置啟動，其上的線性編碼器產(chǎn)生脈沖電信號并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)基于脈沖電信號實現(xiàn)竹材自動分選并將其換算成對應(yīng)竹材壁厚數(shù)值。然后，儲料機構(gòu)中相應(yīng)氣缸通過伸縮運動帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，調(diào)整轉(zhuǎn)軸上擋竹板與儲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，上料機構(gòu)的電動機啟動，帶動上料下鏈輪軸以合適速度轉(zhuǎn)動，進而帶動上料鏈條上的上料支架運動，上料支架將測量完成的竹材輸送至儲料槽頂部。此時儲料機構(gòu)的電動機啟動，帶動推竹板將輸送至儲料槽頂部的竹材推送至對應(yīng)收集框上方，竹材落入收集框中。此時完成一次竹材分選儲料作業(yè)，如此反復(fù)。

2.1 輸送機構(gòu)

輸送機構(gòu)主要由機架、送料桿、電動機、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。

機架采用框架結(jié)構(gòu)，不僅可以滿足竹材壁厚自動分選機強度和剛度，而且節(jié)省了材料，降低了成本。為使竹材自動下滑至送料桿末端，2根送料桿安裝于機架上并與機架呈銳角。光電傳感器固定于送料桿末端下方，用于識別送料桿末端有無竹材。輸送軸通過軸承安裝于機架上，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。電動機與減速器輸入軸相連，提供輸送軸轉(zhuǎn)動的動力。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。輸送機構(gòu)工作時，撥竹盤將送料桿末端的竹材輸送至壁厚測量機構(gòu)。

圖1 竹材壁厚自動分選機Fig.1 Automatic sorting machine for bamboo wall thickness

圖2 輸送機構(gòu)Fig.2 Conveyor

2.2 壁厚測量機構(gòu)

壁厚測量機構(gòu)主要由機架、前后擋板、擱置架、氣缸、光電傳感器、測量裝置組成，如圖3所示。

前擋板為1塊矩形鋼片，安裝于機架前端，擋板中心位置開出1個方形孔（如圖4所示），以便測量裝置的楔形測量塊通過；后擋板為1塊正方形鋼片，安裝于推竹氣缸的活塞桿頭。推竹氣缸固定于機架末端，通過伸縮運動可將處于前后擋板之間的竹材往前推進直至觸碰前擋板和實現(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，且2個擱置架安裝于前后擋板之間并與其處于同一直線。壁厚測量機構(gòu)有2個光電傳感器，光電傳感器I位于2個擱置架之間的下方，用于識別擱置架上有無竹材；光電傳感器II位于前擋板側(cè)面，用于識別壁厚測量處有無竹材。

測量裝置主要由前進氣缸、下壓氣缸、線性編碼器、彈簧、楔形測量塊、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量塊。前進氣缸通過伸縮運動可將楔形測量塊推送穿過前擋板直達竹材內(nèi)部和實現(xiàn)楔形測量塊水平方向的復(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，缸體底面與機架固定，通過伸縮運動可使楔形測量塊向下運動直至觸碰竹筒底部內(nèi)壁和實現(xiàn)楔形測量塊垂直方向的復(fù)位。線性編碼器安裝于測量裝置一側(cè)的機架上，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，壁厚測量處不放置竹材，楔形測量塊穿過前檔板的方形孔，并隨下壓氣缸向下運動，直至觸碰方形孔底部后停止，線性編碼器隨即產(chǎn)生脈沖電信號并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將此脈沖電信號換算成位移量并作為常量存儲于控制系統(tǒng)。實際測量時，竹材位于壁厚測量處，楔形測量塊穿過前檔板的方形孔，并隨下壓氣缸向下運動，直至觸碰竹材竹筒底部內(nèi)壁后停止，線性編碼器產(chǎn)生脈沖電信號，控制系統(tǒng)基于該脈沖電信號進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)將其與常量進行相減運算，最終得到竹材壁厚數(shù)值。

圖3 壁厚測量機構(gòu)Fig.3 Wall thickness measurer

圖4 測量裝置Fig.4 Measuring device

2.3 上料機構(gòu)

上料機構(gòu)主要由電動機、鏈條、鏈輪、鏈輪軸、軸承、上料支架、減速器、機架組成，如圖5所示。

2根鏈輪軸通過軸承安裝于機架一側(cè)的頂部與底部，且兩根鏈輪軸構(gòu)成1個平面。2個上料上鏈輪分別安裝于上料上鏈輪軸兩端，2個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。電動機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。電動機為下鏈輪軸轉(zhuǎn)動提供動力，并帶動鏈條以及其上的上料支架運動，可使上料支架以合適速度從壁厚測量機構(gòu)的擱置架上將竹材輸送至儲料機構(gòu)頂部。

2.4 儲料機構(gòu)

儲料機構(gòu)主要由機架、收集框、氣缸、連桿、鏈輪、鏈條、鏈輪軸、軸承、推竹板、擋竹板、電動機、減速器組成，如圖5所示。

圖5 上料機構(gòu)和儲料機構(gòu)Fig.5 Feeder and hopper

圖6 擋竹板與儲料槽的夾角關(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

機架內(nèi)部設(shè)計有6個儲料槽，每個儲料槽內(nèi)放置1個收集框，用于儲存不同壁厚竹材。每個儲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個擋竹板，擋竹板長度與儲料槽寬度相等。氣缸安裝于機架側(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，氣缸通過伸縮運動帶動搖桿轉(zhuǎn)動，進而帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整轉(zhuǎn)軸上擋竹板與儲料槽頂部平面的夾角。擋竹板與儲料槽頂部平面平行時，竹材從儲料槽上方通過；擋竹板與儲料槽頂部平面垂直時，竹材落入收集框內(nèi)，擋竹板與儲料槽夾角關(guān)系如圖6所示。收集框底部裝有滾輪，與儲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架頂部的前后兩側(cè)。每根鏈輪軸上各安裝兩個推竹鏈輪，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。電動機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。電動機為前鏈輪軸轉(zhuǎn)動提供動力，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，從而帶動鏈條以及其上的推竹板運動，可使推竹板將竹材推送至相應(yīng)收集框上方，竹材自動落入收集框內(nèi)。

2.5 控制系統(tǒng)

工業(yè)上的控制系統(tǒng)基本以單片機、工控機、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，且需使用維護簡單，所以選擇PLC作為其系統(tǒng)控制器。根據(jù)竹材壁厚自動分選機各機構(gòu)的動作，對PLC的輸入／輸出進行合理分配，控制竹材壁厚自動分選機的輸送、測量、上料、儲料作業(yè)，實現(xiàn)竹材壁厚自動分選。例如以輸送機構(gòu)中光電傳感器的信號為輸入信號，控制啟動輸送機構(gòu)中電動機；以擱置架之間的光電傳感器的信號為輸入信號，控制輸送機構(gòu)中電動機停止運行和推竹氣缸的向前運動；以前擋板側(cè)面的光電傳感器為輸入信號，控制推竹氣缸的復(fù)位運動和測量裝置的測量動作等。為使竹材壁厚分選機操作簡單，可將觸摸屏通過RS-232串口和PLC進行通信，用GT Designer3對觸摸屏界面進行設(shè)計，其中觸摸屏界面包括竹材壁厚顯示界面、手動模式操作界面、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置界面等。內(nèi)部參數(shù)設(shè)置界面可對竹材壁厚區(qū)間進行設(shè)置，以滿足不同竹材壁厚范圍的需求。

3 結(jié)論

研究設(shè)計的竹材壁厚自動分選機由輸送機構(gòu)、壁厚測量機構(gòu)、上料機構(gòu)、儲料機構(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，降低工人勞動強度，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。整機采用PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)了對竹材壁厚的自動測量與竹材自動分選、各機構(gòu)協(xié)調(diào)作業(yè)以及內(nèi)部參數(shù)在線修改等功能；并以觸摸屏為人機交互界面，便于輸入、讀取和調(diào)整數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了人性化操作。設(shè)備總體上安全、可靠，可適用于中國竹材初加工廠。