駱 燕, 譚博文, 黃 劼*

(1.西昌學(xué)院,四川 西昌 615000 ;2. 四川大學(xué)機械學(xué)院,四川 成都 610065)

我國竹資源豐富,竹材使用歷史悠久,各類竹制品廣泛應(yīng)用于建筑、車輛、包裝、裝飾、家具等領(lǐng)域。以竹材為原料生產(chǎn)加工的材料、產(chǎn)品雖多種多樣,但加工過程中一般都需對竹材進行鋸竹、分選、剖竹、開片、刨削等初加工[1],針對這一需求,自20世紀(jì)90年代開始,國內(nèi)即有單位開展相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究,并取得了諸多成果,如國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所劉延鶴等[2]設(shè)計了一款基于PLC控制的竹材自動定長切斷設(shè)備樣機,可實現(xiàn)該工序的自動加工;該所雷永杰等[3]設(shè)計了一種竹片粗銑用分離輸送裝置,實現(xiàn)了竹片分離、竹面翻轉(zhuǎn)及上料粗銑,工作效率較人工提高3倍以上;中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所張占寬等[4]研制的竹材定型弧銑機,以原竹經(jīng)破竹加工而成的竹片坯條為加工對象,能一次進行四面定寬定弧銑削加工,加工效率高并可提高竹材利用率25%以上;國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機械研究所等單位在國家重點研發(fā)計劃“竹材高值化加工關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究”項目的支持下,完成了竹材定段破竹粗銑連續(xù)化加工關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制,可實現(xiàn)竹材定段破竹和粗銑的連續(xù)加工[5],于航等[6]研發(fā)了一種基于往復(fù)鋸鋸切方式的竹材切割測試試驗臺,為研制竹材切割機械提供理論依據(jù)及試驗基礎(chǔ)。

類似的研究成果不一而足,基本可滿足竹材初加工工序的需要,但由于我國對竹材加工技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的研究起步較晚,現(xiàn)有設(shè)備大多只能完成單一工序加工,自動化水平普遍較低,需要人工輔助以完成各工序加工,勞動強度大,自動化、連續(xù)化程度較低。為促進竹材加工設(shè)備由單一功能設(shè)備向多環(huán)節(jié)、多工序一體機、成套設(shè)備發(fā)展,提高竹材加工的自動化、智能化水平,以及竹產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值,保持該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,成套一體化竹材加工設(shè)備和智能化竹材加工設(shè)備將是竹材初加工領(lǐng)域的重點發(fā)展方向[7]。

1 加工設(shè)備工作原理

竹原纖維是一種服用性能極佳的天然纖維素纖維,已在服裝領(lǐng)域得到成功應(yīng)用,并向工業(yè)、建筑、環(huán)境保護等領(lǐng)域延伸,現(xiàn)已實現(xiàn)部分取代木材和玻璃纖維[8]。從竹材中提取竹原纖維一般采用物理、化學(xué)相結(jié)合的方法,其生產(chǎn)工藝包括竹材原料鋸斷—壓片—軟化—制絲—抽絲等工序[9],其中后續(xù)工藝已較為成熟和先進,但鋸斷和制片工序沒有高效的專用設(shè)備,一般采用替代型的鋸切機和滾筒碾壓制片,需人工輔助。生產(chǎn)過程勞動強度大、生產(chǎn)效率低,而且工序不連續(xù),節(jié)拍不匹配,滿足不了后續(xù)工藝的原料需求,尤其是在后續(xù)工序的生產(chǎn)速度發(fā)生改變時,鋸斷和壓片的速度很難自動適應(yīng)以保證整個過程的連續(xù)、協(xié)調(diào)。

針對這一瓶頸問題,根據(jù)竹原纖維生產(chǎn)企業(yè)的需要,開展了成捆竹材鋸切壓片一體化設(shè)備的研制,圖1為一體化加工設(shè)備原理圖。設(shè)備由上料鋸切機構(gòu)、竹段緩沖機構(gòu)、竹段輸送機構(gòu)及壓片和卸料機構(gòu)等部分組成。成捆竹材放入上料鋸切機構(gòu)后由傳送鏈上的傳送鉤拖動前行,被圓盤鋸鋸切為兩段(長度無嚴(yán)格要求)。根據(jù)竹材長度和要求的竹段長度,上料鋸切機構(gòu)寬3 m,鋸片居中安置(也可根據(jù)要求調(diào)整鋸片位置或增加鋸片);鋸切后竹段進入竹段緩沖區(qū),被緩沖區(qū)傳動鏈送入輸送機構(gòu)。輸送機構(gòu)為皮帶輸送機,皮帶上設(shè)置推板,推板間距略大于竹段長度,皮帶輸送機運動時,竹段被推板推入壓片機,最后壓制好的竹片被裝入料筐送往下一工序。

2 工序節(jié)拍匹配需求

加工設(shè)備的工作原理和機械結(jié)構(gòu)較為簡單,以常規(guī)帶、鏈傳動為主,但設(shè)備運行速度、各環(huán)節(jié)的啟?？刂埔约颁徢泻蛪浩俣鹊钠ヅ涫且粋€難點。原因在于壓片時成捆竹材直徑和壓片機開口不一定相同,很難保證成捆竹材同時進入壓片機壓制,通常情況是壓片機滾筒隨機“咬住”數(shù)根竹材并將其拖入壓片機進行壓制,后續(xù)竹材在推板推動下前進。由于成捆竹材不能完全按傳送帶速度及時連續(xù)進入壓片機,為避免干涉?zhèn)魉蛶в煞e放滾筒驅(qū)動,通過打滑滾筒以適應(yīng)壓片速度,因此傳送帶的速度是變化的;而且一捆竹材的數(shù)量、鋸斷后的竹段長度、硬度不完全相同,壓片時間自然也不完全相同,但鋸切時間基本取決于鋸切傳動鏈的運動速度,不會因竹材數(shù)量、硬度不同有較大變化,因此設(shè)備運行時必須保證鋸切和壓片環(huán)節(jié)的加工節(jié)拍匹配,否則可能出現(xiàn)鋸好的竹段在緩沖區(qū)或輸送機上堆砌或者輸送機、壓片機空轉(zhuǎn)而不能連續(xù)出片。另一方面如果調(diào)整生產(chǎn)線產(chǎn)能則要求壓片速度相應(yīng)加快或減慢,這是引起鋸切、壓片時間不匹配的另一個原因。

綜上所述,鋸切速度應(yīng)能根據(jù)全線生產(chǎn)速度的人為調(diào)節(jié)和壓片速度的隨機變化自動調(diào)節(jié),以保證生產(chǎn)線連續(xù)有序運行。

3 工序節(jié)拍匹配實現(xiàn)方案

根據(jù)一體化設(shè)備的加工特點,設(shè)計了以PLC為核心的多輸入多輸出控制系統(tǒng),采用實時監(jiān)測壓片速度,并以其為基礎(chǔ)通過PLC程控調(diào)整緩沖、鋸切速度的方案來實現(xiàn)工序節(jié)拍的自適應(yīng)匹配。為此,在上料區(qū)、緩沖區(qū)以及傳輸、壓片和裝料機構(gòu)部分均安裝了傳感器以監(jiān)測各環(huán)節(jié)的加工速度,檢測結(jié)果作為控制系統(tǒng)輸入信號。進料傳感器采用電感式接近開關(guān),安裝在竹段傳輸機構(gòu)的門形隔斷上,用以檢測壓片速度的變化。因為壓片機滾筒是隨機“咬住”數(shù)根竹材并將其拖入壓片機進行壓制而非整捆竹段整齊前進,未進入壓片機的竹段將被門形隔斷阻擋,后端的推板不能前進(此時積放滾筒打滑空轉(zhuǎn),避免出現(xiàn)干涉),當(dāng)與傳送帶一起運動的推板到達門形隔斷時,表明一捆竹段已全部進入壓片機,后續(xù)傳輸帶已空,此時發(fā)出壓片完成信號,PLC啟動緩沖機構(gòu),將鋸切好的竹段輸送至壓片傳送帶上,保證連續(xù)壓片。設(shè)置推板和門形隔斷可避免竹材捆間交叉重疊,后續(xù)出片混亂,而壓片機進料傳感器可感知一捆竹材已完全進入壓片機,使緩沖機構(gòu)上的竹段可適時進入壓片傳送帶,保證壓片的連續(xù)性。

緩沖區(qū)出料傳感器信號用于控制緩沖區(qū)鏈傳動機構(gòu)啟停,為空時啟動緩沖傳動機構(gòu),保證壓片機原料的及時供應(yīng);緩沖區(qū)進料傳感器用于檢測此處有無已鋸切竹段,以控制鋸切傳動鏈的啟停,避免鋸切后竹段在此處堆砌;上料區(qū)傳感器用于檢測上料區(qū)有無待鋸切竹材,為空時前端機構(gòu)將竹材放入該區(qū)域,保證鋸切區(qū)既不空也不會出現(xiàn)原料堆砌。上述傳感器只需輸出開關(guān)信號,可采用漫反射型光電傳感器,檢測距離5 cm左右,保證檢測準(zhǔn)確性即可,PLC根據(jù)傳感器反饋信號控制上料和緩沖鏈傳動機構(gòu)的啟停以保證壓片機原料的連續(xù)有序供應(yīng),達到匹配壓片速度變化的目的,圖2為PLC控制流程圖。

圖2 基于傳感器信號的PLC控制流程

4 結(jié)論

鋸切和壓片工序節(jié)拍匹配的難點在于壓片速度既可能因產(chǎn)能調(diào)整而人為改變,也會因原料差異而隨機變化,因此節(jié)拍匹配的關(guān)鍵在于實時檢測壓片速度,并根據(jù)壓片節(jié)拍調(diào)整鋸切速度、緩沖供料時間。本系統(tǒng)通過設(shè)置進料傳感器,實時感知壓片速度變化,亦即檢測壓片的節(jié)拍,在此基礎(chǔ)上,通過PLC調(diào)整、控制前序的緩沖、鋸切速度實現(xiàn)節(jié)拍的自適應(yīng)匹配。采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測各工序節(jié)拍,以節(jié)拍具有隨機性的工序為基礎(chǔ),通過PLC程控各環(huán)節(jié)加工速度是本文提出的一種工序節(jié)拍自適應(yīng)匹配解決方案,對解決類似系統(tǒng)的節(jié)拍匹配具有參考意義。