董楸煌，程千晟，邱榮斌，葉大鵬*1

（1.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福州350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福州350002）

原木是建筑、家具、人造板等行業(yè)的主要原料。掌握了木材加工先進技術(shù)的國家的木材綜合利用率均在80%以上；而我國原木出材率大約為61%，木材綜合利用率在63%左右，原木在加工過程中造成的極大浪費和當前原木資源的短缺很不協(xié)調(diào)[1-2]。合理下鋸能夠有效提高木制產(chǎn)品質(zhì)量和原木出材率，節(jié)約木材和充分利用森林資源，提高生產(chǎn)效率[3]。目前，國內(nèi)原木加工裝備還處于半自動化水平，在原木下鋸前，鋸切角度的調(diào)整及下鋸策略的制定等輔助工作仍依賴人工完成，受人為主觀判斷的影響，不僅加工效率低而且出材率也低。因此，設計一套能夠?qū)崿F(xiàn)原木輸送、檢測及鋸切策略制定的鋸切自動化輔助裝備，對于提高原木加工設備自動化水平、出材率和生產(chǎn)效率具有非常重要的意義。

原木外輪廓檢測的目標是通過一定的技術(shù)手段實現(xiàn)對原木外形輪廓參數(shù)的自動采集，為建立可分析的原木數(shù)學模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進而為實現(xiàn)原木鋸切策略的分析、優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，從而提高原木的材積利用率及生產(chǎn)效率。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及其在生產(chǎn)實踐中的應用，建立原木仿真數(shù)學模型及運用計算機仿真原木加工過程等觀點相繼被提出，推動了原木外輪廓檢測技術(shù)的發(fā)展。此外，還相繼提出了機械法、攝像掃描法、激光掃描法及光電掃描法等檢測方法。其中：機械法測量原木屬于接觸式檢測方法，相較于人工測量，該方法的測量精度提高，但僅適用于檢測截面為規(guī)則圓形或規(guī)則橢圓的原木[4]。機器視覺檢測技術(shù)的測量精度較高，計算量大[5]。激光測距法是利用多點測量得到原木端面輪廓，檢測精度高，適用于外形結(jié)構(gòu)復雜的原木，但抗干擾能力差[6-9]。光電掃描檢測法的精確度較高，頻寬和信息容量極大，可實現(xiàn)高精度測量?？傮w上，對于原木外形輪廓的檢測及參數(shù)的采集，已經(jīng)實現(xiàn)了從低精度、低效率的人工檢測方式和機械檢測方式到高精度、高效率的檢測方式，但對于不同種類、形狀的原木檢測精度及實際應用問題還有待進一步研究。

在原木鋸切策略的分析及優(yōu)化方面，東北林業(yè)大學的馬巖團隊[10-12]對截頂橢圓拋物柱原木數(shù)學模型及原木的材積計算公式進行了推導，提出了邊皮的最佳裁邊、截斷與板材加工的網(wǎng)絡優(yōu)化方法及扁方材最大出材率的整數(shù)優(yōu)化方法，建立了板皮、邊條鋸材、鈍棱板、扁方材及毛邊板的先關(guān)鋸切數(shù)學模型，對截頂橢圓彎曲錐柱體的彎曲原木模型進行了推導等，為原木的建模及分析奠定了基礎(chǔ)。

為提高原木鋸切裝備的自動化程度和加工效率，同時保證原木鋸切的出材率，本文設計了原木自動化鋸切翻轉(zhuǎn)概念機，并針對原木外輪廓檢測問題，設計了8點紅外測距方法，進而提出了原木鋸切的有效利用區(qū)域的裁剪及擬合方法，分析了鋸切策略和鋸切角度調(diào)整的計算方法，并通過搭建的試驗平臺驗證了上述方法的可行性，以期為原木自動化鋸切的整機裝備的研制提供理論參考。

1 原木自動化鋸切翻轉(zhuǎn)機結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

原木自動化鋸切翻轉(zhuǎn)機結(jié)構(gòu)主要由原木外輪廓檢測裝置、鋸切角度調(diào)整裝置和V形鋸齒鏈板輸送裝置組成，如圖1所示。原木外輪廓檢測裝置的正八邊形機架的各邊中點分別安裝8個紅外測距傳感器；鋸切角度調(diào)整裝置主要由原木夾持機構(gòu)、抬升機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成；輸送裝置通過鏈傳動來帶動V形鋸齒鏈板運動并輸送原木。

圖1 原木自動化鋸切翻轉(zhuǎn)機Fig.1 Automated sawing and angleregulation machinefor log

1.2 工作原理

翻轉(zhuǎn)機運行時，原木通過V形鋸齒鏈板沿著軸向輸送，首先經(jīng)過外輪廓檢測裝置，在該檢測裝置的八邊形機架上的8個紅外測距傳感器可以分別檢測到沿著原木軸向上均勻分布的若干個截面外輪廓上的8個點到對應紅外測距傳感器的徑向距離，通過計算機對上述采集的參數(shù)進行計算和擬合，可以得到原木的近似外輪廓，為后續(xù)鋸切方案的設計和鋸切角度的調(diào)整提供依據(jù)。外輪廓檢測完的原木將繼續(xù)通過輸送鏈板沿著軸向輸送到鋸切角度調(diào)整裝置，該裝置根據(jù)前一步工序計算得到的鋸切方案和鋸切角度調(diào)整值，將原木夾持、抬升離開V型鏈板后，繞軸線旋轉(zhuǎn)適當?shù)慕嵌龋笾匦路胖糜谳斔玩湴迳?，使原木繼續(xù)輸送并進行后續(xù)的鋸切加工。通過檢測裝置和角度調(diào)整裝置的數(shù)據(jù)通信，整個過程可以實現(xiàn)自動化操作。

2 鋸切策略分析

原木鋸切過程的鋸切策略及鋸切角度調(diào)整會直接影響原木的出材率，如果完全依靠人工判斷和操作，原木鋸切的出材率受人工經(jīng)驗的影響會很大，且勞動強度大，工作效率和自動化程度低。為了提高原木鋸切翻轉(zhuǎn)機的工作穩(wěn)定性、可靠性和自動化程度，采用紅外測距檢測方法，對原木輪廓進行檢測識別，并利用計算機進行原木的鋸切策略及鋸切角度調(diào)整值的計算。

2.1 原木截面輪廓檢測與裁剪算法

為了使翻轉(zhuǎn)機自動識別原木的外輪廓形狀，設計了基于紅外測距傳感器的檢測裝置。8個紅外測距傳感器分別安裝于八邊形機架的8條邊的中點，并使傳感器的發(fā)射器中心線與原木傳輸方向的中心軸線垂直正交，如圖2所示。當原木在輸送過程中穿過八邊形檢測機架時，8個紅外傳感器可以檢測到原木軸向的任意橫截面外輪廓上對應的8個點到紅外傳感器的距離，并以這8個外輪廓采樣點作為頂點擬合的八邊形，近似表征原木對應截面的外輪廓，這些擬合的八邊形定義為采樣截面。

圖2 原木外輪廓檢測裝置Fig.2 Outlinedetection deviceof log

根據(jù)原木的軸向投影可知，對于彎曲度和錐度較小，且不同橫截面形狀差別不大的原木，其軸向分布的若干截面相交的區(qū)域可近似視為原木的有效利用區(qū)域，因此可以利用原木軸向上若干個擬合的八邊形采樣截面，進行裁剪和提取原木的有效利用區(qū)域。

物流行業(yè)的發(fā)展在邁向未來的過程中必將逐漸走向智能化，特別是在倉儲管理領(lǐng)域中表現(xiàn)的更為明顯。勞動強度大、重復性較強、危險大的復雜勞動都可由智能機器人來出色完成。但是，我國對專門從事物流工作的智能機器人研究才剛剛起步。本文主要是對智能倉儲機器人的運用現(xiàn)狀進行調(diào)查，分析其對提升倉儲物流效率有何作用，列出其優(yōu)缺點并提出改善建議。

不失一般性，以任意2個截面為例，采用Weiler-Atherton算法，對2個截面相交的有效區(qū)域進行裁剪并提取有效利用區(qū)域。將八邊形A0A1A2A3A4A5A6A7（紅色，圖3）和B0B1B2B3B4B5B6B7為原木的2個任意截面的擬合形狀，分別記為八邊形M和N，定義八邊形M為被裁剪對象，八邊形N為裁剪窗口，M和N的頂點序列按照順時針方向進行排列，2個多邊形交點記為C1，C2，C3，C4，C5，C6，其中C1，C3和C5為入點，C2，C4和C6為出點，則按照順時針的方向搜索、收集裁剪后所得的多邊形，過程如圖3所示，多邊形B0C1A1C2B2B3C3A4C4B5B6C5A7C6即為2個八邊形M和N裁剪和提取的有效利用區(qū)域。該方法可推廣應用于任意多個八邊形裁剪，以提取有效利用區(qū)域[13-14]。

圖3 Weiler-Atherton裁剪算法示意圖Fig.3 Illustration of Weiler-Atherton clipping algorithm

通過對多個八邊形截面進行裁剪、提取有效利用區(qū)域之后，需要將上述有效利用區(qū)域進一步擬合成橢圓，為下一步鋸切策略及鋸切角度調(diào)整值的分析提供依據(jù)。在二維平面坐標系中，橢圓的代數(shù)表達形式為：

采用最小二乘法將有效利用區(qū)域的多邊形擬合成橢圓[15]，對多邊形的頂點進行最小二乘處理便可得到所求的橢圓代數(shù)方程的各個系數(shù)，其目標函數(shù)為：

通過求目標函數(shù)的最小值確定各個系數(shù)。由極值定理可知，欲使f（A，B，C，D，E，F(xiàn)）取最小值，則需滿足：

由式（3）可得一線性方程組，通過全主元素高斯消元法求解線性方程組便可求得A，B，C，D，E，F(xiàn)的值，擬合過程示意圖如圖4所示。

2.2 原木鋸切角度及鋸切策略分析

2.2.1 鋸切角度的調(diào)整

根據(jù)上述有效利用區(qū)域擬合的橢圓代數(shù)方程表達式可知，橢圓長軸傾角θ為：

該角度即為原木鋸切之前需要進行調(diào)整的角度，當傾角調(diào)為0之后再進行鋸切，可有效提高鋸材的出材率。

2.2.2 鋸切策略分析

在原木下鋸前需要根據(jù)原木的特性、鋸材規(guī)格要求，在原木端面設計鋸口排列圖示，即下鋸圖，以此作為制材生產(chǎn)的指令。按照下鋸圖進行木材生產(chǎn)，不僅能夠提高木材生產(chǎn)的效率，還能提高原木的出材率。

如圖5所示，原木有效利用區(qū)域擬合的橢圓長軸為2a，短軸為2b，其內(nèi)接四邊形ABCD面積為S，B點坐標為（x，y）。根據(jù)橢圓代數(shù)方程可知，求出內(nèi)接最大矩形邊長AB和BC便可得到橢圓形截面原木內(nèi)接最大方材。橢圓截面關(guān)于原點對稱，因此，只需求出第一象限內(nèi)四邊形面積便可得出內(nèi)接最大矩形ABCD的面積S，其值為：

同時，B點在橢圓軌跡線上，因此滿足橢圓方程：

為了進一步提高原木的出材率，還需要計算邊皮木材的鋸切策略，如圖6所示。根據(jù)幾何關(guān)系可知：長半軸邊皮的最大出材木板厚度為0.2a，最大寬度為0.87b；短半軸邊皮的最大出材木板厚度為0.2b，最大寬度為0.87a。

圖5 橢圓截面內(nèi)接最大方材示意圖Fig.5 Illustration of the largest square bar inscribed in elliptical section

圖6 橢圓截面邊皮最大出材率示意圖Fig.6 Illustration of maximum export rate of elliptical crosssection edge

上述原木截面有效利用區(qū)域的裁剪算法、鋸切角度和鋸切策略的計算，均是在紅外測距傳感器檢測到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過計算機按照事先編好的算法自動計算，并將計算結(jié)果作為原木鋸切加工的調(diào)整指令，可有效提高原木鋸切的加工效率、出材率和自動化程度。

3 原木輪廓檢測裝置試驗與分析

為了驗證上述原木外輪廓檢測方法、鋸切角度調(diào)整值和鋸切圖計算方法的可行性，搭建了原木外輪廓檢測試驗驗證平臺，如圖7和圖8所示。該試驗平臺由V形鋸齒鏈板鏈條輸送機構(gòu)、八邊形紅外檢測機構(gòu)、下位機電氣控制系統(tǒng)和上位機人機交互系統(tǒng)等組成。

圖7 原木外輪廓檢測裝置試驗平臺Fig.7 Test platform for log outline detection device

圖8 原木外輪廓檢測裝置機架Fig.8 Framefor log outlinedetection device

試驗材料選用彎曲度和錐度較小、長度1.5 m左右的原木。試驗過程中沿著原木軸向每30 mm進行一次截面參數(shù)采集，每根原木采集50組截面參數(shù)，并導入上位機的原木鋸切策略分析系統(tǒng)，記錄并自動計算相應的輸出數(shù)據(jù)；上位機交互界面如圖9所示。任意選取4根原木，對小頭截面按1∶1比例進行圖像提取，并與檢測裝置采集計算的原木有效利用區(qū)域的擬合橢圓進行對比。從對比圖（圖10）可知：對于截面比較接近規(guī)整圓的原木，截面有效利用區(qū)域的擬合橢圓邊界與實際小頭截面外輪廓邊界基本吻合（圖10A和B）；對于有分叉小節(jié)的截面和不規(guī)則的截面，截面有效利用區(qū)域的擬合橢圓邊界與實際小頭截面外輪廓邊界會有一定的偏差，特別是對于有分叉小節(jié)的截面，擬合精度受到明顯影響（圖10C和D）。

圖9 原木外輪廓檢測裝置的上位機交互界面Fig.9 Interactive interface of host computer for log outline detection device

圖10 采集數(shù)據(jù)擬合橢圓與實際原木小頭截面對比圖Fig.10 Comparison of fitted ellipse and actual cross-section of thelog small-end

另外，對多組不同原木樣本檢測發(fā)現(xiàn)，通過原木鋸切策略分析系統(tǒng)計算得到的出材率統(tǒng)計數(shù)據(jù)都為64%～65%，與人工按照理論方法計算得到的出材率接近，但是計算效率遠高于人工。

4 結(jié)論

本文所設計的原木自動化鋸切翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)是包含原木外輪廓檢測、輸送和鋸切角度調(diào)整裝置的一體化結(jié)構(gòu)，自動化程度高。采用紅外測距傳感器的空間合理布置，可實現(xiàn)原木輸送運動過程中對其外形輪廓的快速檢測。根據(jù)檢測裝置采集的數(shù)據(jù)，利用計算機進行計算可以得到精度較高的原木有效利用區(qū)域的擬合橢圓，并可在保證出材率不降低的情況下，快速計算得到下鋸圖（鋸切策略）及鋸切角度的調(diào)整值。將該方法應用于原木鋸切裝備，可有效提高工作效率，但是對于彎曲角度和錐度較大、外輪廓有較大突出小節(jié)的原木，需要進行前期的截斷或篩選處理，否則將影響有效利用區(qū)域的擬合橢圓與原木小頭截面輪廓的吻合精度，大大降低原木鋸切后的出材率。