Средства неразрушающего контроля качества древесины. Часть 3
Лазерное сканирование поверхности
Средства неразрушающего контроля качества древесины. Часть 1. Оборудование для сортировки круглых лесоматериалов
Средства неразрушающего контроля качества древесины. Часть 2. Системы неразрушающего контроля качества пиломатериалов
Одним из видов неразрушающего контроля качества является метод дефектоскопии и измерения геометрии поверхностей лазером с помощью источника мощного оптического излучения (лазера) и фотоприемного устройства с оптической системой. В настоящее время для оценки качества пиломатериалов наиболее широко используются теневой метод, лазерная триангуляция и метод точной фокусировки. Их совокупность дает возможность определить качество обработки поверхности, ее дефекты, контуры, а также профиль поверхности изделия. Максимально достижимая точность измерений лазерных дефектоскопов зависит от параметров пучка лазера.
В числе самых распространенных лазерных средств измерения - проекционные (теневые). С их помощью на основе размеров тени, отбрасываемой деталью на фотоприемное устройство, получают информацию о размере детали, причем деталь освещается строго параллельными лазерными лучами, что обеспечивает высокую точность работы. Также существует метод сканирования вдоль лазерного пучка, который получил название «метод точной фокусировки». Средства измерения на основе лазерной фокусировки используются для измерения линейных размеров и профиля обрабатываемой поверхности. Эти средства обеспечивают непрерывный контроль и высокую точность измерений.
По точности измерения наиболее эффективны лазерные интерферометры. Их принцип действия основан на интерференции когерентных световых пучков. Еще одним видом лазерных бесконтактных средств контроля являются триангуляционные средства измерения, принцип их работы основан на определении данных путем вычисления по известным тригонометрическим соотношениям в треугольнике. Здесь треугольник образован лазерным лучом, падающим на поверхность, до которой измеряется расстояние, отраженным лучом, падающим на фотоприемник, и базой оптического дальномера. Сенсор излучает пучок лазерного света, который отражается от поверхности объекта под определенным углом. Угол отклонения луча зависит от расстояния до объекта. Отраженный лазерный пучок падает на приемник, образуя точку лазера. При изменении расстояния от лазерного сенсора до объекта положение точки лазера на приемнике изменяется. Таким образом, фиксируя положение точки лазера на приемнике, можно определять расстояние до объекта. Этот метод прост и универсален и может использоваться для поверхностей с разной шероховатостью и отражательной способностью.
Широкий спектр устройств лазерного сканирования древесины представлен производителями деревообрабатывающего оборудования разных стран: Limab, Visiometric и Finscan (все - Финляндия), Luxscan (Люксембург), Paul Machinenfabric (Германия), Remacontrol и Sawco (обе - Швеция) и др.
Измерение геометрических параметров
Финская компания Limab производит широкий спектр оборудования, работа которого основана на принципе использования лазерного излучения. Это позиционирующие компактные лазеры серии PreciLine, которые представляют собой универсальный источник инфракрасного излучения и используются не только в деревообрабатывающей индустрии.
Устройство Limab CapProfiler оснащено двумя PreciCura SR лазерными сенсорами, один из которых измеряет поперечное коробление досок, а другой служит для компенсации неточности измерения, вызванного посторонними вибрациями. Устройство может быть оборудовано дополнительными сенсорами, что позволяет измерять толщину древесного сырья и обзол. Limab CapProfiler, как правило, устанавливается в линейке перед оборудованием для строгания либо продольного раскроя.
Для обмера толщины и ширины досок был разработан специальный продукт: Limab PreciLogger. Принцип работы этого устройства заключается в том, что непрерывно подаваемый пиломатериал обмеряется лазерными сенсорами PreciCura SR, один из которых расположен над заготовкой, а другой - под ней. Устройство также оснащено компьютером, который отвечает за статистику и выполняет архивацию данных обмера. Для измерения толщины плитных и клееных древесных материалов был разработан продукт под названием TMS1000. В линию устанавливается рамка, оснащенная сенсорами PreciCura SR (их количество варьирует в зависимости от ширины конвейера).
Для контроля разнотолщинности плитного материала создано устройство Limab PanelProfiler. Толщина материала измеряется двумя лазерными сенсорами PreciCura с использованием принципа лазерной триангуляции. Limab ProfiCuraCup - это автоматическая система для контроля покоробленности досок в поперечном сечении. Эта бюджетная система оснащена только одним сенсором, расположенным над или под конвейером, работающим по принципу лазерной 2D-триангуляции. Как и другие продукты компании, эта система легко интегрируется в линию. Система, как правило, используется для контроля уже откалиброванных досок. Доски, у которых покоробленность выше нормы, отсортировываются.
У Limab есть и другие модели оборудования для деревообрабатывающей индустрии: BoardProfiler 3D - для оптимизации распила на обрезном станке, измерения геометрических параметров, обнаружения дефектов и деформаций; BoardProfiler - для измерения обзола и деформаций досок; BoardProfiler L - для измерения обзола и обнаружения дефектов на продольном конвейере; LMS6048 - для измерения длины. Все оборудование фирмы Limab оснащено компьютерами с операционной системой Windows и удобным для работы интерфейсом.
Лазерная технология была также применена компанией Microtec при создании системы Matrix. Использован принцип лазерной триангуляции. Система легко интегрируется с другим оборудованием и настраивается на любые требования точности. Система Matrix комбинируется с программным обеспечением VARiOSORT, которое тоже является продуктом компании Microtec. VARiOSORT также работает с данными, полученными с помощью системы Boardscan, которая была создана для измерения длины, ширины и толщины досок. Эта система встраивается в поперечный конвейер и работает со скоростью до 240 досок в минуту. Для измерения обзолов компанией был разработан полнопрофильный сканер обзола Wanescan. Лазерные сенсоры этого устройства сканируют доски до двух тысяч раз в секунду и распознают обзол. Это устройство используется вместе с программой для оптимизации MAXiCUT, которая учитывает заданные параметры и приоритеты. Система устроена так, что в процессе измерения не требуется постоянно переворачивать доски. Со всеми названными системами может быть использовано устройство IDiSCAN, позволяющее наносить на каждую доску оптическую метку, чтобы идентифицировать помеченную доску в любом звене технологического процесса.
Распознавание дефектов древесины
Линейка сканеров для распознавания пороков древесины была разработана Luxscan, дочерней фирмой немецкой компании Weinig. Для оптимизации процесса поперечного раскроя фирмой представлен сканер EasyScan. Это двухсторонний сканер (оснащен двумя сканирующими узлами), который способен распознавать такие пороки древесины, как сучки, обзол, трещины, смоляные кармашки, сердцевинные трубки и грибковые поражения, а также выполнять лазерное измерение профиля и других геометрических размеров пиломатериалов. Устройство оптимизирует раскрой пиломатериалов по номенклатуре, полезному выходу и стоимости. Более совершенным по принципу действия является CombiScan, который выполняет четырехстороннее сканирование пиломатериалов и может быть встроен в торцовочную и сортировочную линии. Сканирование осуществляется за счет четырех цветных и четырех лазерных камер. Этот сканер идентифицирует дефекты древесины и наносит на те участки досок, где они имеются, специальные метки чернилами разных цветов с помощью печатного устройства. CombiScan также может быть оснащен рентгеновскими сенсорами, которые позволят идентифицировать дефекты с большей точностью.
Для сортировки щитов и ламелей по цвету (например, береза бывает кремово-белого или желтоватого оттенков) существует двухсторонний сканер MatchScan. Это устройство также способно распознавать и другие дефекты древесины. Оно состоит из механизма подачи, сканера и сортировочной линии. Поскольку сканер очень чувствителен к перемене цвета, он весьма эффективен при сортировке панелей, покрытий для пола, перил, паркетной доски, столярно-строительных элементов изделий. Для сортировки по цвету и порокам широких плоских деталей также подходит сканер R200. Эта система может быть оснащена дополнительным модулем для выявления непрострожек на поверхности древесины.
ShapeScan L подходит для измерения кривизны и крыловатости пиломатериалов, которое выполняется тремя лазерными сенсорами с использованием принципа триангуляции. Этим сканером также выполняется замер длины, толщины и ширины пиломатериалов. Поскольку к сенсору могут быть присоединены дополнительные модули, он изготавливается в соответствии с требованиями заказчика. Для сканирования торцовых поверхностей пиломатериалов в линейке предназначен сканер FrontEndScanner. Как и другие, он способен работать на высоких скоростях, определять количество и направление годичных слоев, рассчитывать положение сердцевины.
Innovation Vision, производящая лазерные сканеры WoodEye, является одним из мировых лидеров по изготовлению сканирующих систем для контроля качества древесины. Компания имеет двадцатилетний опыт производства сканеров; более 450 установок, изготовленных Innovation Vision, работают на предприятиях многих стран. На мировом рынке хорошо известны сканеры WoodEye One, предназначенные для измерения и сортировки пиломатериалов на лесопильном производстве, WoodEye Parquet - для сортировки и оптимизации раскроя паркетных ламелей, WoodEye RIP - для сканирования и оптимизации раскроя широкоформатного (до 800 мм) пиломатериала, WoodEye Beam - для сортировки по качеству слоистых и массивных брусьев. В 2012 году компания начала выпуск сканера пятого поколения WoodEye 5, который сочетает лучшие характеристики сканеров, выпускавшихся в предшествующие годы. Этот сканер оснащен чувствительными сенсорами, которые сканируют четыре пласти доски, а также торцовые поверхности пиломатериалов, выявляют неточности геометрии пиломатериала и биологические дефекты древесины. У WoodEye 5 высокое разрешение, и он может измерять расстояние между годичными слоями, а также направление волокон древесины. Это немаловажно, поскольку светлые сучки, совпадающие по цвету с окружающей их древесиной, могут быть распознаны именно по направлению волокон. Расстояние между годичными слоями имеет положительную корреляцию с физико-механическими свойствами древесины. WoodEye 5 оснащен компьютером с операционной системой на базе Windows 7 и сенсорным экраном для удобного управления процессом и настройки точности изображения.
Лазерные средства оценки качества пиломатериалов универсальны, поскольку позволяют не только измерять геометрические параметры пиломатериалов, но и выявлять и распознавать дефекты.
Дефектоскопия с помощью рентгеновского излучения
Сегодня проникающее сканирование древесины является наиболее эффективным способом неразрушающего контроля качества. Дефектоскопия древесины с помощью рентгеновского излучения аналогична гамма-дефектоскопии, используемой в аэропортах для досмотра багажа, и отличается лишь специальным оборудованием для испускания рентгеновских лучей. Для рентгенографии пиломатериалов используются устройства с одним, двумя, тремя или четырьмя источниками рентгеновского излучения, что позволяет сканировать либо по пласти, либо по пласти и торцам. Эта технология используется для распознавания таких дефектов древесины, как сучки, гнили, грибковые поражения, инородные включения, смоляные кармашки, ложное ядро, трещины, для разграничения ядра и заболони, а также для выявления непроклеев при производстве клееных древесных материалов. Принцип рентгеноскопии основан на свойстве рентгеновских лучей ослабевать в разной степени в зависимости от плотности исследуемого материала. Поскольку плотность дефектов выше или ниже плотности основной древесины, они проявляются на изображениях, полученных в ходе сканирования, в виде более темных или светлых по тону проекций на соответствующую плоскость, регистрирующую это излучение. Черно-белые изображения оцифровываются и отправляются в память ПК, в которой обрабатываются с помощью специального программного обеспечения.
GoldenEye - сканирующие системы, выпускаемые австро-итальянской фирмой MIcrotecI, относящиеся к описываемой группе систем неразрушающего контроля качества. Они представлены тремя моделями сканеров: GoldenEye-500 создана для производителей пиломатериалов, окон, дверей, мебели и клееного бруса; GoldenEye-700 - для производства клееного бруса, пиломатериалов и конструкционных древесных материалов; GoldenEye-900 может быть использована на всех типах лесопильных производств. Эти сканеры могут работать с применением трех наиболее совершенных технологий: лазерного сканирования, съемки цветными камерами и доминантного рентгеновского сканирования - и способны определять качество и прочность пиломатериалов. Сканеры GoldenEye используют при выполнении торцовки и сортировки, а также для оптимизации и замера геометрических размеров материалов.
В линейке продуктов фирмы Luxscan также есть устройство, сканирующее пиломатериалы с помощью рентгеновского излучения. Четырехсторонний сканер X-scan способен распознавать локальные дефекты по разности плотности древесины и работает независимо от состояния поверхности (наличия на ней пыли, загрязнений и т. п.). Этот сканер выявляет такие дефекты древесины, как обзол, смоляные кармашки, синеву, бурую гниль и другие пороки. При обработке досок с переменной шириной сначала с помощью ультразвука измеряется ширина пиломатериалов, а затем за счет программного комплекса осуществляется позиционирование камер и сенсорных датчиков - индивидуально, в соответствии с размерами каждой доски.
Метод контроля качества пиломатериалов с помощью рентгеновского излучения дает точную информацию о расположении того или иного дефекта в материале, а также позволяет определить плотность древесины при фиксированной влажности. Недостатком этого метода является высокая стоимость оборудования.
Большое разнообразие систем неразрушающего контроля качества, предлагаемых на рынке деревообрабатывающего оборудования, может привести деревообработчиков в замешательство при выборе наиболее подходящего варианта для условий конкретного производства. Выбор оборудования может быть обусловлен технико-экономическими характеристиками. К таким характеристикам относятся:
● производительность, синхронизированная с производительностью основного технологического оборудования;
● точность оценки;
● стоимость оборудования;
● срок службы;
● энергоемкость;
● безопасность эксплуатации и обслуживания;
● стоимость текущего обслуживания и ремонта и др.
Учет всех перечисленных характеристик позволит сделать правильный выбор, который поможет добиться высокого качества продукции, экономичного использования ресурсов, отлаженного производственного процесса, рентабельности и конкурентоспособности производства.
Анатолий ЧУБИНСКИЙ,
д-р техн. наук, проф. СПбГЛТУ,
Александр ТАМБИ,
канд. техн. наук, доц. СПбГЛТУ,
Марьям БАХШИЕВА, аспирант СПбГЛТУ
