Средства неразрушающего контроля качества древесины. Часть 1

Оборудование для сортировки круглых лесоматериалов

Средства неразрушающего контроля качества древесины. Часть 2. Системы неразрушающего контроля качества пиломатериалов
Средства неразрушающего контроля качества древесины. Часть 3. Лазерное сканирование поверхности

Совершенствование технологических процессов в лесопильной и деревообрабатывающей промышленности - актуальная научно-техническая проблема, связывающая теорию процессов раскроя сырья с бережным использованием лесных ресурсов.

На современном этапе развития деревообрабатывающего оборудования большое значение имеет внедрение автоматизированных систем контроля качества технологического процесса.

Такие системы позволяют отказаться от участия человека в оценке качества предмета труда. Комплексная оценка продукта труда с целью выявления всех пороков и дефектов и незамедлительное принятие правильного решения для их устранения представляют собой сложность для человека, не вооруженного необходимыми приборами или средствами. Автоматизированные системы контроля позволяют с высокой скоростью проводить оценку разных характеристик древесины и выявлять разного рода дефекты и пороки. Такие системы используются при сортировке древесного сырья и оптимизации его дальнейшей переработки. Автоматизированные системы неразрушающего контроля качества могут быть классифицированы по виду исследуемого материала и способу измерения. По виду исследуемого материала они подразделяются на оборудование для сортировки круглых лесоматериалов и пиломатериалов.

Системы контроля качества круглых лесоматериалов (СКККЛ) используют для определения породы древесного сырья, измерения длины, диаметра, кривизны, оценки сбежистости и объема бревен, вида и местоположения пороков древесины, наличия инородных включений. Классификация СКККЛ по методу оценки: визуальный, оптический, оптико-электронный методы, лазерное сканирование, компьютерная томография.

Как правило, измерительные устройства представляют собой модули, встраиваемые в линию сортировки бревен.

Визуальный метод

Критерии визуальной сортировки лесоматериалов - порода, качественные и размерные характеристики бревен. Сортировку бревен по породам и качеству оператор может вести при прохождении бревен по транспортерам. Учитываются такие параметры, как длина, диаметр, овальность и сбежистость, использование которых помогает определить объем древесного сырья. Учет бревен, поступающих на предприятие, может выполняться групповым методом или поштучно. Для поштучного измерения диаметров круглых лесоматериалов используются рулетки, линейки, измерительные лесные вилки и лесные скобы, для измерения длины - рулетки. При измерении групповым методом штабелей круглых лесоматериалов используются измерительные металлические линейки. В соответствии с результатами оценки качества и данными измерений геометрических параметров круглые лесоматериалы классифицируются и сбрасываются в сортировочные карманы.

У визуального метода контроля круглых лесоматериалов есть ряд недостатков: невысокая скорость, низкая точность, необходимость активного участия человека, невозможность оценки внутренней структуры древесины.

Этот метод сортировки может использоваться на малых предприятиях, поскольку не требует дополнительного места для размещения оборудования и затрат на покупку специальных автоматизированных систем контроля качества.

Оптико-электронный метод

Для измерения и сортировки лесоматериалов могут быть использованы обычные цветные видео- и фотокамеры. Как правило, несколько камер оценивают бревно с разных ракурсов и позволяют получить его трехмерное реалистичное изображение. Оператор видит на мониторе цветную объемную модель этого бревна, которую может повернуть на любой угол и увеличить в масштабе. Эта информация сохраняется в компьютере с целью дальнейшей статистической обработки и управления процессом последующей переработки лесоматериалов. Современное высокотехнологичное программное обеспечение позволяет распознавать пороки и дефекты бревен. В качестве примера подобных устройств можно назвать установки LogProfiler фирмы Limab и Screenlog фирмы Microtec, которые могут быть использованы на предприятиях разной мощности и присоединены к любому типу оптимизирующих поворотных устройств для бревен. Минусы оптико-электронных средств контроля оценки качества: необходимость использования операторов и малый объем выдаваемой информации.

Оптический метод

Оптический метод оценки качества используется для измерения геометрических параметров бревен в составе автоматизированных систем управления сортировкой лесоматериалов. Измерения выполняются посредством тонкой сети инфракрасных лучей, которая создается парой измерительных линеек «излучатель - приемник». При попадании бревна в плоскость измерения прибор определяет величину объекта по числу перекрытых лучей. С помощью движущегося транспортера такое измерение выполняется с заданной частотой по всей длине бревна. Измерители этого типа, как правило, состоят из блока управления с микроконтроллером и сканирующей рамки. Линейка-излучатель в сканирующей рамке с платой, на которой размещены в ряд излучающие светодиоды, предназначена для создания пучков инфракрасных лучей. В состав сканирующей рамки также входит датчик перемещения для измерения длины и соединительные кабели. Плата с фотодиодами на линейке-приемнике преобразует поступающие инфракрасные лучи в электрические сигналы. Примеры таких устройств - измерители бревен «Алмаз» (производитель - ООО «ДТМ», г. Киров) и «Вектор 2000» и «Вектор 4000» (от компании «Автоматика-Вектор», г. Архангельск).

Модификацией оптического метода оценки качества является метод оптико-ультразвуковой сортировки лесоматериалов. В конструкцию приборов для такой сортировки входят устройства оптического измерения геометрических параметров бревен и ультразвуковые датчики дистанции. Пример подобного оборудования - оптико-ультразвуковой измеритель бревен немецкой фирмы Baljer & Zembrod. Это устройство позволяет вести измерения в диапазоне от 120 до 950 мм и оснащено гидравлически перемещаемым передатчиком и неподвижно закрепленным приемником с устройством для обработки полученных данных. Надежность измерительной установки обеспечивается работой контрольных и предохранительных устройств. Все результаты измерений поступают на пульт управления и могут быть использованы для составления отчетов. Скорость измерения - 60 м/мин.

Максимальный диаметр бревна, который можно измерить устройством Ecoronder 500 немецкой фирмы Hecht Electronic AG, зависит от количества установленных сенсоров, а разрешение составляет 1 мм. Однако у этой системы есть существенный недостаток. Ecoronder 500 может работать в температурном диапазоне от -25 до +50°C, что требует его эксплуатации в помещении.

Использование подобных автоматизированных систем контроля качества бревен позволяет увеличить выход годовой продукции и уменьшить число занятых на этой операции людей. Такие системы могут быть интегрированы в любую линию сортировки бревен. Недостаток этого типа оборудования - невозможность оценки внутренней структуры бревен и выявления внутренних дефектов и пороков древесины. Достоинство - простота установки и эксплуатации.

Лазерное сканирование бревен

Для измерений, сортировки, а также центрирования бревен на предприятиях используется оборудование с лазерным излучением. Лазерные сканеры бревен, как правило, представляют собой рамку с источниками и приемниками излучения. Действие таких устройств основано на принципе лазерной триангуляции: характеристики бревен оцениваются в зависимости от интенсивности отраженного сигнала. Ввиду слабой проникающей способности лазерного излучения с помощью лазерных сканеров нельзя исследовать внутреннюю структуру бревен. Еще один недостаток этой технологии - вне зоны действия лазера могут остаться незамеченными червоточины, характерные для буреломной и ветровальной древесины.

Шведская компания Sawco выпускает системы трехмерного сканирования бревен на базе лазерного излучения. Специалистами этой компании разработана система ProLog, которая дает возможность сортировать бревна по диаметру, качеству, способу раскроя и обеспечивает высокую точность сортировки даже очень темных и сырых бревен. Основной компонент системы, трехмерный сканер ProScan, выполняет измерения со скоростью более 160 м/мин. при зазоре между бревнами 0,1 м, мощность лазера - 100 МВт. Программа Tracheid позволяет определить наличие коры на поверхности бревна путем измерения степени рассеивания отраженного света лазера и рассчитывает форму каждого бревна без учета коры. В линейке продукции Sawco есть также система ProBark для измерения толщины коры и конфигурации бревна под корой, позволяющая минимизировать обзол на пиломатериалах. Качество бревен определяется встроенной системой Quality On-Line в соответствии со степенью их кривизны. Для классификации бревен и ведения отчетности может быть использовано программное обеспечение ProOpt, которое также создано специалистами фирмы Sawco.

Система 3D-сканирования бревен ELMES 3600 разработана финской фирмой Visiometric для линий сортировки бревен с целью максимизации выхода пиломатериалов. Сканирование выполняется четырьмя лазерными лучами, направленными перпендикулярно движению бревна. Визуальный профиль диаметра бревна формируется с шагом 5 см при скорости конвейера 120 м/мин., при этом каждый профиль состоит из 360 точек измерения. Совокупность всех профилей бревна дает его полную 3D-модель. Точность измерения: диаметра: ±1 мм при диаметре бревна до 600 мм, длины: ±1 см, объема: 1%.

Пример отечественного оборудования этого типа - измеритель бревен «ВЕКТОР 3D» от фирмы «Автоматика-Вектор». В конструкцию этого измерителя входит система видеокамер и лазерные маркеры, расположенные под разными углами. Лазерами на поверхности бревна создается линия, образующая полный контур сечения бревна, который фиксируется видеокамерами. Сигналы с видеокамер поступают в программный комплекс, в котором преобразуются в цифровую форму и обрабатываются специальным программным обеспечением. «ВЕКТОР 3D» позволяет измерять диаметр, длину, сбежистость, объем, кривизну, овальность и форму бревна. Лазерный метод контроля внешних характеристик пиловочника дает возможность получать наиболее полную информацию о древесном сырье.

Компьютерная томография

Компьютерная томография - метод неразрушающего исследования внутренней структуры объектов с использованием рентгеновского излучения. В основе метода, который впервые был предложен Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, - просвечивание объектов рентгеновскими лучами по нескольким направлениям. Компьютерный томограф представляет собой сканирующую систему, состоящую из источников рентгеновского излучения, приемных датчиков и программного комплекса. Источники испускают поток рентгеновского излучения, который проходит сквозь бревно с разной интенсивностью. Интенсивность выходного сигнала зависит от плотности сканируемого бревна и фиксируется приемными датчиками, расположенными напротив излучателей.

Компанией Limab разработан компьютерный томограф Opmes AX1 для сканирования круглых лесоматериалов. Этот сканер используется для контроля сосновых и еловых круглых лесоматериалов. Он прост в работе, сканирование выполняется в одной плоскости. Результаты, полученные при сканировании, обрабатываются всего за 0,2 с с момента прохождения бревна через сканирующую рамку. Затем закодированная информация отправляется в память ПК, где специальная программа присваивает бревну тот или иной сорт качества. Также сканер распознает внутренние пороки и дефекты древесины, диаметр без коры, диаметр ядра, ширину годичных слоев и возможный выход из бревна пиломатериалов заданного размера.

Ослабление интенсивности рентгеновского излучения характеризуется коэффициентом. Сканирование по нескольким направлениям позволяет получить 3D-модель объекта с детальным отображением его внутренней структуры, что достигается путем обработки данных, полученных в ходе сканирования программным комплексом. Для количественной оценки интенсивности излучения используется шкала Хаунсфилда, а результаты сканирования выражаются в единицах Хаунсфилда (HU). Ствол дерева состоит из таких макроскопических элементов, как кора, заболонь, ядро, сердцевина, сучки, которые отличаются по плотности, и компьютерная томография позволяет разграничивать зоны этих анатомических составляющих в сканируемых бревнах. При таком методе оценки в бревнах могут быть выявлены трещины и металлические включения. Недостатки компьютерной томографии - высокая стоимость оборудования и его обслуживания, большой срок окупаемости.

В линейке продуктов шведской компании RemaControl устройство для сортировки бревен Rema 15, измеритель бревен RemaLog 3D, измеритель толщины коры RemaLog Bark, устройство для контроля расстояния между бревнами RemaLog Gap Control. Работа устройства для сканирования бревен на лесопильных предприятиях RemaLog XRay основана на принципе компьютерной томографии.

Среди оборудования для сортировки и измерения бревен фирмы Microtec наиболее эффективен сканер Tomolog, также работающий на основе компьютерной томографии. Этот сканер может измерять геометрические параметры бревен, локализовать и распознавать внутренние дефекты древесины, определять объем коры.

Анатолий ЧУБИНСКИЙ, д-р. техн. наук, проф. СПбГЛТУ,
Александр ТАМБИ, канд. техн. наук, доц. СПбГЛТУ,
Мария БАКШИЕВА, аспирант СПбГЛТУ

Кстати

К числу известных поставщиков комплектующих для производства сканирующих устройств относится компания Holtec. В течение многих лет компания сотрудничает со скандинавским производителем сканеров компаний Bintec. Два года назад на ганноверской выставке Ligna на стенде Holtec был представлен первый рентгенографический сканер, который впоследствии был поставлен в Россию. Исходя из количества сканирующих лучей, в бревне им могут быть обнаружены всевозможные внутренние изъяны, например, инородные элементы, узлы. При помощи сканнера можно узнать плотность и ширину колец, а также обнаружить места гниения. Сканирование сырья диаметром от 100 до 500 мм ведется на скорости от 100 до 250 м/мин. Другой такой сканер недавно поставлен Holtec на лесопильное производство немецкой компании EGGER.