Средства измерения параметров лесо- и пиломатериалов

Древесина − материал с очень изменчивыми показателями свойств. Эта особенность создает трудности в технологии обработки и использовании конечных продуктов из древесины. Достаточно сказать, что в штабеле плотность и прочность пиломатериалов из одной породы и из одного района произрастания может отличаться для отдельных досок почти в два раза.

Современные средства измерения позволяют оптимизировать процессы обработки как круглых лесоматериалов, так и пиломатериалов с учетом особенностей сортимента.

Приборы для склада круглых лесоматериалов

Круглые лесоматериалы отличаются друг от друга формой ствола, кривизной, сбежистостью, наличием пороков. Поэтому первой операцией, которую выполняют на деревообрабатывающих производствах, является сортировка бревен. По ее результатам лесоматериалы разделяются на потоки, поступающие либо к различным бревнопильным станкам, либо к одинаковым станкам, но настроенным в соответствии с параметрами бревен.

Неудивительно, что первыми измерительными приборами в лесопереработке стали именно измерители бревен. Они позволяют измерять геометрические параметры бревен в проходном режиме (на продольном конвейере) с шагом от одного миллиметра до нескольких сантиметров. Результаты измерений сегодня обрабатываются компьютером или специализированным контроллером в соответствии с заданной программой, что позволяет рассчитать вершинный, комлевой, средний и максимальный диаметры, определить кривизну, сбежистость, овальность и прочие геометрические свойства каждого сортимента и точно определить его физический объем.

Известны приборы, работающие с инфракрасными излучателями (например, измеритель бревен производства компании «Автоматика-Вектор», г. Архангельск). В их конструкцию входят специальный компьютер (контроллер) и две или четыре измерительные линейки, которые при измерении бревна располагаются вертикально по обеим его сторонам. На каждой линейке имеется множество инфракрасных излучателей и приемников. В момент обнаружения объекта прибор автоматически переключается в режим измерения. Одно бревно может быть измерено в сотнях и тысячах точек. Его реальный диаметр выбирается из множества полученных значений по специальному алгоритму, который отсеивает мешающие факторы. Результатом измерений являются все геометрические параметры бревна.

Функционально похожий прибор производится и еще одной российской фирмой «Воронежпромавтоматика» − это измеритель диаметров и длин бревен ИДД-2.

В современных приборах используется оптико-звуковой способ измерения бревен. Например, при помощи универсальной измерительной установки «Экорондер» фирмы Hecht-Electronic (Германия) можно выполнять перекрестное измерение бревен. Аналогичный измеритель бревен от фирмы Baljer & Zembrod (Германия) имеет подвижный передатчик и неподвижно закрепленный приемник с устройством для обработки полученных данных. В течение всего процесса измерения производится контроль погрешности измерений, а оптические и ультразвуковые датчики подвергаются функциональному контролю. Во время измерений скорость подачи бревен ограничивается 60 м/мин. Прибор, использующий ультразвук, есть и в арсенале «Автоматика-Вектор» − называется он Vektor-Sonic. Этот прибор в одной плоскости использует обычные инфракрасные линейки, а в другой − ультразвуковые датчики дистанции.

Кроме оптических и ультразвуковых датчиков, применяются и лазерные. Фирма Visiometric из Финляндии представила Elmes 3600 − измеритель бревен, использующий четыре лазерных луча, направленных перпендикулярно движению бревна. Трехматричные камеры сканируют лазерное изображение посекционно и в результате формируют полное изображение пиловочного бревна при скорости его движения до 120 м/мин. Бревна сортируются по длине и диаметру. Точность измерения диаметра − 1 мм, длины − 1 см, определения объема − 1%. Масса прибора − 650 кг.

Лазерный измеритель бревен «Вектор 3D» производится и компанией «Автоматика-Вектор». Этот измеритель состоит из трех или четырех измерительных головок (камера+лазер), промышленного ПК, источника резервного питания и шкафа управления.

Шведская фирма Sawco выпускает устройство ProBark для измерения толщины коры и точного определения диаметра бревен без коры. Устройство одобрено шведской ассоциацией по измерению лесоматериалов VMR и может использоваться для расчета объемов и сортировки пиловочника. А прибор RemaLog Bark (Remacontrol, Швеция) позволяет видеть, как выглядит древесина под корой. Здесь используется так называемый метод трахеид (патент STFI), учитывающий различия прохождения лазерного луча в коре и древесине. Опыты показали 95%-е совпадение этих измерений с измерениями диаметра сосновых бревен без коры, которые проводились обычными способами (линейка, рулетка и т. п.). Известен также прибор Gap Control (Remacontrol), предназначенный для соблюдения постоянного и оптимального расстояния между бревнами в лесопильном потоке в целях повышения производительности и стабильности работы оборудования.

Немаловажно и определение направления движения бревна (вершиной или комлем вперед). Эта задача часто возникает на складе сырья лесопильного предприятия, так как пиловочные бревна должны подаваться преимущественно вершиной вперед. Фирма Microtec (Австрия − Италия) производит широкий спектр приборов, в том числе iRAS − угловой сканер для измерения лесоматериалов на продольном конвейере в двух плоскостях. Скорость подачи до − 300 м/мин. Точность измерения диаметра − 2 мм. Кроме кривизны и овальности, прибор распознает положение комля для управления разворотным устройством. Он допущен к использованию немецкими и австрийскими сертификационными службами. Аналогичного назначения устройство производится и в России − «Вектор 2010». Этот прибор кроме определения направления вершины бревна и управления разворотным устройством производит и учет расхода сырья в лесопильном цехе. Удобство его применения перед разворотным устройством обусловлено наличием дискретных выходов, при помощи которых в контроллер передается информация о направлении движения бревна. В мире уже используется более 600 таких приборов.

Приборы для оптимизации работы бревнопильного оборудования

В лесопильном цехе нашли применение приборы с более широкими возможностями, которые позволяют оптимизировать продольное пиление бревен. Специально для лесопильных производств компания Sawco выпускает оптимизационную систему ProOpt второго поколения, действие которой основано на оценке трехмерного изображения пиловочных бревен перед распиловкой. Компьютер оценивает все возможные варианты распиловки и рекомендует оптимальный с экономической точки зрения вариант. ProOpt не только указывает лучший способ распиловки, но также предлагает оптимальное положение бревна относительно пил и определяет геометрический центр бревна и бруса.

В основе прибора − трехмерный сканер ProScan для бревен и бруса. Сканер использует лазерный луч и приемную камеру, смонтированную на общей раме. Он позволяет проводить до 300 измерений в секунду. Практически для каждого бревна или бруса требуются сотни тысяч измерений. Камера обеспечивает высокое качество работы независимо от погоды, яркости освещения и влажности древесины. На каждое бревно может быть нанесена метка сорта, которая в дальнейшем считывается устройством, управляющим бревнопильным оборудованием.

Фирма Remacontrol выпускает измеритель бревен, в котором измерения проводятся в трех направлениях с точностью до 1 мм. При этом фиксируются сучки, вогнутость и выпуклость ствола, механические повреждения и т. п. С помощью этого прибора можно учитывать при сортировке такие показатели, как средний вершинный диаметр бревна, диагональ бруса, трещины и др. Опыт показывает, что новые критерии способны повысить полезный выход пиломатериалов на 2%.

Машина на рельсовом ходу для сортировки и раскряжевки круглого леса RSTW фирмы Baljer & Zembrod, по желанию клиента, для учета круглого лесоматериала может быть оборудована измерительной системой. Измерение диаметра и длины бревна осуществляется в процессе движения RSTW вдоль бревна, после чего результат измерений (объем бревна) отображается на мониторе оператора. С помощью этой измерительной системы учитывается любая степень кривизны ствола. Затем из данных о длинах заготовок, заранее внесенных в «память» управляющего устройства, предлагаются наиболее оптимальные варианты раскряжевки измеренного ствола, т. е. цель измерения − максимальное использование древесины, увеличение процента выхода готовой продукции предприятия.

Следующим шагом на пути совершенствования измерительной техники стало использование рентгеновских сканеров. Сканер RemaLog XRay позволяет видеть древесину изнутри и измерять диаметр бревен без коры. С его помощью можно сортировать бревна по качеству древесины, что важно, например, при отборе древесины для производства оконных блоков. Можно также строить профиль плотности древесины по диаметру бревна, видеть червоточины, сердцевинную трубку, годовые слои и т. п. Этот сканер сейчас повсеместно заменяет своего предшественника − изотопный прибор.

В мире работают не менее 1000 приборов iRed (Kemes) фирмы Microtec, предназначенных для точного измерения длины, диаметра и контура бревна. Измерения выполняются с помощью двух параллельно установленных инфракрасных сканеров, находящихся в одной плоскости. При добавлении второй измерительной плоскости прибор способен точно измерять кривизну и качество лесоматериалов. Точность измерения диаметра − до 1 мм. Другой прибор той же фирмы − Screenlog − устройство для получения трехмерного реалистичного изображения бревна во всех деталях. Круговая система обзора DiCam Color (рис. 1) фотографирует ствол со всех сторон и передает в компьютер трехмерное изображение бревна. Оператор на мониторе видит цветную объемную модель пиловочного бревна, которая может быть повернута на любой угол и увеличена в масштабе изображения. Все данные сохраняются в памяти компьютера и используются для статистики и управления деревообрабатывающим оборудованием. Дополнительно прибор дает возможность получать снимки комлевого и вершинного торцов бревна.

Рис. 1. Круговая система обзора DiCam

С помощью сканера DiScan100 благодаря комбинации лазерной триангуляции* и рефлекции на приборе DiShape определяются не только выпуклости и вогнутости бревна, кривизна и качественные признаки, но и точное положение овальности. Скорость подачи лесоматериалов − до 300 м/мин. Все это позволяет дать ценностную оценку лесоматериалам для последующего планирования раскроя бревен на пиломатериалы. Система позволяет проводить измерения без учета толщины коры на бревне. При этом она дает трехмерное изображение бревна с указанием положения и размера сучков, пустот, металлических включений трещин и даже ширины годовых слоев.

Современная техника позволяет автоматизировать ориентацию бревна перед подачей на бревнопильный станок. Эту задачу может выполнить система Timberturn (Microtec). После измерения параметров и получения трехмерного изображения материала система способна найти оптимальное положение бревна относительно пил бревнопильного оборудования с учетом схемы продольного раскроя материала. Система маркирует каждое бревно и может работать как с продольными, так и с поперечными конвейерами.

Приборы для оптимизации обработки пиломатериалов в лесопильном цехе

Рис. 2. Схема работы прибора BoardScan

Для сортировки сырых пиломатериалов важно определение размеров досок. Прибор BoardMaster-GS (Finscan, Финляндия) разработан для сортировки сырых пиломатериалов с измерениями одной, двух или четырех сторон досок; производительность − 60−100 досок в минуту.

BoardScan от Microtec (рис. 2) − это система для измерения длины, ширины и толщины досок на поперечном конвейере; производительность − до 240 досок в минуту. Инфракрасная балка в этой системе работает с разрешением до 5 мм, светоприемная камера − с точностью до 0,75 мм.

Современная видеоэлектроника и развитые программные средства позволяют создавать системы, цены на которые находятся на вполне приемлемом для потребителей уровне. Одна из них − эффективная система оптимизации обрезки обзола, которая производится компанией «Автоматика-Вектор». Программа Boards Scanner рассчитывает установку обрезных пил, исходя из размеров обзола в пиломатериале и возможной последующей торцовки пиломатериала до стандартной длины, с учетом стоимости пиломатериалов различных длин и сечений. На рис. 3 представлена структурная схема сканера.

Рис. 4. Главное «окно» программы Boards Scanner (компания
«Автоматика-Вектор»)

Обработка информации, полученной от видеомодуля и датчиков, выполняется программой Boards Scanner. Главное окно программы BoardsScanner − на рисунке 4.

Оборудование будет еще более эффективным при использования системы автоматики торцовки обзольной части доски на линиях сортировки. Эта система также производится компанией «Автоматика-Вектор». Измерение обзола происходит с помощью лазерных триангуляционных датчиков, расположенных по всей длине доски через каждые 30 см. Данные передаются в компьютер, который высчитывает оптимальный режим торцовки.

Для обрезки пиломатериалов разработаны очень эффективные системы сканирования необрезных досок. Форма таких пиломатериалов настолько многообразна, что для получения максимально высокого выхода обрезного материала оператор должен для каждой доски заново принимать решение по настройке пил обрезного станка.

Такая работа очень трудна не только в физическом, но и в умственном отношении. Поэтому на современных предприятиях она в основном поручена системам, измеряющим нужные параметры досок и передающим информацию встроенному компьютеру, который формирует команды для исполнительных механизмов.

Таким образом снижается доля ручного труда, растет производительность обрезки досок, уменьшаются затраты и повышается полезный выход продукции.

Первой операцией при обрезке пиломатериалов должна быть оценка внешнего вида доски. По ее результатам выполняется позиционирование доски относительно пил или настройка пил относительно доски.

Рис. 5. Схема работы полнопрофильного
сканера Wanescan

Здесь можно использовать приборы с оптическими излучателями и приемниками света. Wanescan − новый полнопрофильный сканер обзола фирмы Microtec (рис. 5). В непрерывном режиме трехмерный измерительный модуль осматривает доску, распознает неравномерности обзольной части досок и показывает на мониторе полный профиль доски.

Система распознает даже участки обзола с небольшим наклоном, автоматически определяет их высоту и точно показывает на мониторе их положение на доске. Длина измеряемых досок может достигать 8 м. Максимальная скорость продольного конвейера − до 500 м/мин; наибольшая производительность на поперечном конвейере − до 200 досок в минуту. Переворачивать доски во время измерений не требуется.

Обрезка боковых досок всегда должна проводиться в положении доски внутренней пластью вниз. Для автоматизации поворота доски в нужное положение фирма Visiometric разработала систему Turner System, в которой прибор сканирует торец первой подаваемой в станок доски, определяет наличие коры и находит внутреннюю пласть доски по кривизне годовых слоев. На основании этой информации при необходимости формируется сигнал, для того чтобы соответствующим устройством был выполнен поворот доски внутренней пластью вниз.

Оптимизация обрезки досок достигается с помощью системы, камеры которой сканируют верхнюю пласть доски и определяют полезную площадь, площадь обзола и толщину доски. Система работает с точностью до 1 мм при скорости подачи до 400 м/мин и выдает команду исполнительным механизмам в соответствии с параметрами, заложенными в ее программу. Критериями могут быть объемный или ценностный выход обрезных досок. Данные измерений и оптимизационные показатели сохраняются в памяти компьютера или передаются в офис предприятия.

Для оценки досок после лесопильного станка служит система BoardMaster производства компании Finscan. Одна система может одновременно контролировать работу нескольких линий, в состав которых входит разнообразное оборудование, например, обрезной станок, триммер и сортировщик пиломатериалов. Измерения выполняются на поперечном конвейере, который занимает мало места. Одна, две или все четыре стороны доски измеряются с помощью одной или двух замерных рам. Стандартная система позволяет обрабатывать до 45 досок в минуту, улучшенная − до 80 досок в минуту при контроле работы 1−3 обрезных станков, а также вершинной и комлевой пил.

Для участка торцовки пиломатериалов разработаны приборы, определяющие качество досок и оптимизирующие работу торцовок. Оборудование от Visiometric Oy (Финляндия) включает две матричные камеры, которые сканируют доску на продольном конвейере. Камеры фиксируют сучки, трещины, обзол и другие дефекты на пластях и кромках доски. На основе базы данных, полученных от этого оборудования, управляющее устройство пильного станка получает инструкцию для настройки инструмента и выполнения реза. В результате повышается производительность торцовки досок, отпадает необходимость в очень тяжелом труде браковщиков.

Для триммерных установок Finscan предлагает полностью автоматизированную систему сортировки досок BoardMaster. В системе используется камера CCD-line, данные передаются от измерительной рамы транспьютеру (транспьютер − сверхбольшая интегральная схема, которая содержит процессор, коммуникационные каналы для межпроцессорной связи, оперативную память и кэш небольшого объема) по оптоволоконному кабелю. Регистрируются диаметр и точное расположение каждого сучка. Сучки классифицируются по трем различным группам согласно правилам, принятым в лесопилении.

Рис. 6. Оптическая метка доск(IDiScan)

Следует упомянуть еще одно достижение в области логистики в лесопилении. Это оптическая метка доски (рис. 6), аналогичная штрих-коду на товарной продукции.

Система IDiSCAN от Microtec позволяет идентифицировать отдельную доску в любом месте технологического процесса с помощью оптической метки, своеобразного отпечатка пальца, с которым связана информация о качестве объекта. При этом точность воспроизведения результатов близка к 100%.

IDiScan особенно эффективна там, где нужно упорядочить хаотический поток досок или полуфабрикатов и передать на дальнейшую обработку. Метка сопровождает объект на всем пути его обработки и приводит точно к нужному месту.

Системы оптимизации деревообрабатывающих производств

В деревообработке современные сканеры служат для всесторонней оценки сухих досок (в том числе после строгания), оптимизации поперечного раскроя, сортировки по внешнему виду или прочности.

Устройство WoodEye (Innovativ Vision AB, Швеция) получило признание деревообработчиков − в мире работает уже свыше 200 таких устройств. WoodEye имеет три пакета программного обеспечения: для оптимизации поперечной торцовки досок; для оценки и сортировки пиломатериалов; для контроля качества паркетных и других покрытий пола.

В зависимости от потребности производства система может быть оснащена различными средствами для выполнения измерений, например, черно-белым и цветным сенсорами высокого разрешения для определения положения дефекта, его контура, отклонений цвета. Сенсоры позволяют измерять большинство обычных пороков древесины, таких как смоляные кармашки, сучки, трещины, ненормальные окраски (синева, краснина). Кроме того, можно выполнить:

К устройству могут быть добавлены наружные сенсоры для создания рентгеновского изображения материала, сортировки по прочности, определения влажности древесины, покоробленности и т. д.

Рис. 7. Лазерные метки на пиломатериале

Прибор GoldenEye (Microtec) определяет качество и прочность доски (рис. 7). Система состоит из рентгеновского сканера, лазерного сканера, цветного сканера и прибора Viscan для оценки прочности пиломатериалов. Измерения выполняются с высокой точностью при максимальной скорости подачи досок. Имеются технические варианты для работы на продольном или поперечном конвейере.

Многосенсорная система GoldenEye позволяет получать полную информацию о конкретной партии пиломатериалов. Она оценивает прочность, моментально распознает сучки, трещины, обзол, измеряет размеры досок в ходе их продольного перемещения. В комбинации с устройством для бесконтактного измерения прочности досок эта система позволяет найти в потоке наиболее прочные доски.

GoldenEye объединяет рентгеновскую установку и лазерный сканер, что позволяет оценить не только поверхность доски, но и то, что находится внутри. В результате удается точно фиксировать размеры и положение сучков, трещин и других пороков древесины, измерить ее плотность. Система бесконтактного измерения прочности сертифицирована во многих странах мира. Максимальная скорость подачи пиломатериалов через измерительный комплекс − 450 м/мин. Данные измерений могут быть далее переданы в системы управления пильных станков, линий сортирования и т. п.

Целый ряд промышленных сканеров, в том числе для предприятий деревообработки, выпускает фирма Luxscan, Люксембург.

Easy-Scan − двухсторонний сканер, распознающий разные пороки, такие как обзол, сучки, трещины, сердцевинные трубки, смоляные кармашки, синева, краснина и т. п. Сканер выполняет функции мультисканирования, лазерного измерения профиля, измерения размеров лесоматериалов. Сканер совмещается со всеми торцовками-оптимизаторами, может работать в системе онлайн, а также как буферный накопитель информации, заменяя известные устройства маркирования продукции. Его особенности:

Combi-Scan − четырехсторонний лазерный сканер для распознавания практически всех пороков древесины и пороков обработки пиломатериалов. Может одновременно обслуживать до трех торцовок-оптимизаторов. Цветные метки наносятся на 2 или 4 стороны материала с помощью печатающего устройства со специальными чернилами. Сканер может распознавать непростроганные участки досок.

X-Scan − четырехсторонний сканер для распознавания различных пороков древесины. Главное его достоинство − возможность распознавания локальных внутренних дефектов по разности плотности древесины. Благодаря повышенной плотности сучки фиксируются без проблем, независимо от состояния поверхности пиломатериала, то есть от наличия пыли, загрязнений и т. п. Измерение ширины каждой доски с помощью ультразвука позволяет значительно оптимизировать обработку досок нестандартной ширины. Для каждой обмеряемой доски камеры и сенсоры позиционируются отдельно.

Match-Scan − двухсторонний сканер для распознавания щитов и ламелей по цвету (например, для дуба: темно-коричневый, светло-коричневый, темно-красный, светло-красный, серый, белый). Кроме того, во внимание могут быть приняты обычные дефекты (сучки, смоляные кармашки) для сортировки по качеству. При добавлении к сканеру модуля для обнаружения непрострожек поверхности изменения в цвете могут игнорироваться. Программное обеспечение сканера предусматривает функцию самообучения согласно заданной спецификации. Типичный вариант измерительной системы состоит из механизма подачи материала, собственно сканера и сортировочной линии. Для оптимизации торцовки с учетом пороков и окраски древесины Match-Scan может работать в сочетании с торцовочным сканером. Благодаря чувствительности к малейшим отклонениям цвета древесины Match-Scan идеально подходит для оценки и сортировки такой продукции, как панели, перила, покрытия пола, паркетная дощечка, мебель, двери и окна.

R200 − двухсторонний сканер для распознавания пороков и оптимизации раскроя. Основа системы − двухсторонняя камера, к которой могут быть добавлены модули для цветоизмерения и обнаружения непрострожек поверхности древесины. Сканер может работать с одной или двумя торцовками. Обычно для поштучной подачи досок используется поперечный конвейер, находящийся между сканером и торцовочной пилой. R200 можно также использовать для сортировки широких плоских деталей по порокам и цвету.

Shape-Scan L − система для измерения кривизны и крыловатости досок при движении их по продольному транспортеру. Во время движения доски по транспортеру ее «осматривают» три треугольных лазерных сенсора или более и измеряют ширину и толщину материала (опционально − изгиб, кривизну и крыловатость); скорость − 1000 измерений в секунду Точность измерения − 0,1 или 0,25 мм.

Это устройство создано также для автоматического скоростного контроля на продольном конвейере формы досок всех размеров. Используются сенсоры, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга. Shape-Scan L имеет модульную конструкцию и может быть настроен по запросам пользователя.

Front End Scanner измеряет направления годовых слоев в древесине. Метод основан на том, что у доски, движущейся на поперечном конвейере, система фиксирует торцовую поверхность. Это позволяет рассчитать направление годовых слоев, определить положение сердцевины и сортировать доски по расположению годовых слоев − радиальные (Rift), полурадиальные (halb-Rift) и тангенциальные (Flader). Кроме того, точно определяются размеры поперечного сечения досок (торец доски должен быть чистым и контрастным). Front End Scanner FES-150 позволяет замерять и оценивать торцовые поверхности не менее 80 досок в минуту во время их движения на поперечном конвейере. На основании этого становится возможным не только сортировка пиломатериалов по направлению годовых слоев, но и другие действия, например позиционирование, поворот и раскрой досок.

Этот краткий обзор современных систем оценки качества лесо- и пиломатериалов показывает, как много внимания уделяется в мире технике для сканирования обрабатываемого материала. Нетрудно предвидеть, что это направление окажет серьезное влияние на проектирование деревообрабатывающего оборудования. Высокая изменчивость свойств древесины требует индивидуального, «штучного» подхода к каждому образцу пиломатериалов. Подстраивая каждый раз оборудование под особенности бревна, бруса, доски можно добиться оптимизации параметров обработки пиломатериалов, повысить качество продукции, увеличить ее полезный выход, снизить трудозатраты и быстро окупить вложения в новейшее оборудование.

Владимир ВОЛЫНСКИЙ