Миллиметр рубль бережёт

В гонке достижений мировые гиганты исследовательского корпуса в прямом смысле стали активно наращивать фундамент научно-практических испытаний в сфере раскроя пиломатериалов. И тяга к резонансному контрасту научного соперничества имела серьёзный экономический подтекст. Осознанный интерес в лесную индустрию пришёл ещё в конце 1960-х, когда шведская фирма «Чер» спроектировала ленточнопильный поток. С тех пор оптимизация раскроя брёвен обрела современный облик, но даже он не является конечным продуктом технического совершенства. Поиск новых решений продолжается…

Эра решения проблем с оптимизацией процессов раскроя началась в Швеции с проектирования и создания в двухэтажном лесопильном цехе линии по раскрою. На первом этаже разместились окорочные станки, соседствуя с рентгеновской и телевизионной установками. Благодаря которым уже тогда оператор мог визуально определить качество подлежащей распиловке древесины. А результаты автоматического измерения геометрических параметров специальными электронными приборами поступали для обработки в ЭВМ, где происходила оценка результатов, и определялся оптимальный вариант распиловки. Сама линия представляла собой девять ленточнопильных агрегатов. Восемь из них установили попарно симметрично вдоль подающего конвейера, а девятый находился на оси последнего. На линии подлежали выпиловке лишь необрезные доски определённых сорторазмеров. Существовал и вариант распила с брусовкой, в котором на первом проходе размещался сдвоенный ленточнопильный агрегат, а на втором проходе — сдвоенный ленточнопильный агрегат для распиловки двухкантных брусьев и далее — встроенный ленточнопильный агрегат для распиловки четырёхкантных брусьев. Первые технические протекции стали прародителями современных сканеров, и прошли десятки лет, прежде чем наука предложила более эффективные инструменты экономически выгодного распила древесины.

Эпоха лазера и томографии

Свою лепту в разработку автоматизированной технологии раскроя древесины внесли и США в начале 1980-х, когда представили систему АР. С появлением ЭВМ технические возможности деревообрабатывающей отрасли возросли в разы, а процесс резания и раскроя стал полностью подконтрольным в соответствии с выбранной программой. При этом каждое бревно подвергали осмотру с помощью фотон-томографии, которая позволяла установить внутреннее строение бревна и выявить скрытые дефекты, обозначить состояние сердцевины, размеры и расположение сучков, наклон волокон и прочее. Благодаря серии томограмм специалисты формировали полное трёхмерное изображение бревна и видели истинную картину качества древесины. Считается, что использование данных технологий оправдано, так как выход пиломатериалов возрастает примерно на 15%, да и лазерная система резания древесины позволяет сэкономить, несмотря на её внушительную стоимость. Конечно, сейчас существуют и установки для сортировки пиломатериалов по прочности на основании зависимости прочности от плотности древесины, но к ним не прониклись особым доверием переработчики, так как они показали сравнительно низкую точность измерения.

В принципе развитие автоматизации процессов определения качества древесины происходило по двум направлениям. С одной стороны, велась работа по прогнозированию качества на начальном этапе технологического процесса, когда осуществлялся раскрой пиловочных брёвен. А второй этап включал в себя прогнозирование качества на стадии конечных операций, когда определялись параметры прочности пиломатериалов. Зачастую использовали метод силового изгиба, где анализировали реакцию пиломатериала на определённую величину прогиба и при определённой изгибающей силе. При этом силовая сортировка пиломатериала основывалась на определении модуля упругости и иных показателей, раскрывающих механические свойства древесины. С точки зрения физики была доказана корреляционная связь между жёсткостью и прочностью конструкционных пиломатериалов, что позволило использовать научные обоснования для выявления дефектов древесины без разрушения исследуемого сырья. Согласно зарубежным исследованиям, учёт нормативных сопротивлений досок повышал точность расчётов и снижал древесиноёмкость конструкций в среднем на 18% при проектировании деревянных конструкций.

На сегодняшний день вариации оптимизации раскроя пиловочных брёвен во многих компаниях включают в себя лазерное сканирующее устройство, посредством которого измеряют текущий диаметр, сбег, эллиптичность, кривизну и длину брёвен, а также компьютер, обрабатывающий данную информацию, с помощью которого определяют оптимальные схемы раскроя пиловочника по специальным технологическим программам. При этом раскрой пиловочника производят посредством гибких поставов. Пример подобного решения описывает в своей книге «Лесопиление в XXI веке. Технология, оборудование, менеджмент» профессор Р. Е. Калитеевский из Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Речь идёт о системе оптимизации распиловки брёвен английской фирмы «Локас», где процесс сфокусирован на четырёх этапах. Первый, включает в себя контроль и учёт объёма распиловки. На втором этапе производится сравнение прогноза с распиловкой при ручном управлении. В течение третьего этапа происходит обучение станочников, а на четвёртом — сравнивают оптимизированную распиловку с ручной. Специалисты считают, что подобный подход позволяет увеличить выход пиломатериалов на 3,3%, но наибольшая результативность использования данной методики проявляется при распиловке брёвен, выбракованных по качеству.

Считается, что более рациональный раскрой обеспечивается посредством использования на производстве как датчиков качества древесины, так и специального оборудования. В таких условиях можно получить пилопродукцию требуемого качества и объёмов заданного сечения с учётом выпиливания. Такой подход весьма приветствуется в Японии, где жилищная архитектура страны представлена выразительным, с эстетической точки зрения, качественным деревянным домостроением. На японских лесопильных предприятиях активно используют сканирующие устройства для получения максимального объёма пиломатериалов с бездефектной красивой текстурой. В больше степени там распространены сканеры двух типов.

Первый предназначен для определения диаметров вершинных и комлевых торцов брёвен, их длин и объёма, на основе которых подбирают схемураспиловки. При этом метод получил обозначение «секционного» светового луча (среза), где задействован технический тандем — телевизионная камера и гелий-неоновое лазерное устройство. Благодаря данной методике получают более точный перечень показателей: объём бревна, степень кривизны в диаметре по оси бревна при относительно гладкой его поверхности в поперечном разрезе круглой формы.

Однако потеря точности неизбежна, если материал имеет множество сучков или овальную форму поперечного разреза. Сканеры же второго типа контролируют внутреннее строение древесины, к таким относят медицинские томографические компьютерные устройства. Свою продуктивность данные сканеры доказали при работе со свежесрубленной и высушенной древесиной хвойной породы. На таких сканерах под рентгеновскими лучами отчётливо видны годичные кольца, наличие сучков, трещины, червоточина и гниль. Хотя сейчас существуют и портативные сканирующие приспособления, которым под силу без вмешательства провести томограмму растущего дерева на количество и форму годовых колец, обнаружить дефекты, причём в диаметре ствола до 1 метра. Даже оценить рисунок текстур на пропиленных поверхностях распила древесины можно при помощи излучения невысокой интенсивности. Известны случаи использования и ультракоротких волн для сканирования брёвен, когда степень гнили древесины определяют по разнице во времени распространения волн. Таким образом, наука предоставила добротный арсенал методов сканирования древесины при распиловке, применение которых даёт увеличение объёмов выхода качественных пиломатериалов на 8%, а ценностного — на 20%.

Практика использования сканеров на японских лесопильных производствах основана на внедрении местных автоматических лесопильных систем на базе сдвоенного ленточнопильного станка, включающего в себя загрузочный конвейер, две телевизионные камеры, пульт управления и монитор, а также тележки и дополнительные конвейеры. Сам процесс обработки сводится к поэтапному проведению требуемых операций: сначала при ярком освещении телевизионные камеры ведут съёмку вершинного и комлевого торцов бревна, затем компьютер на основе телеметрических данных, анализируемых процессором, выдаёт оптимальное позиционирование бревна для распиловки. И так происходит с каждым бревном, но при этом всегда производится точная регулировка центрирования бревна в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а уж потом соответствующий подбор схем раскроя, после которых автоматически зажимается бревно на тележке, устанавливаются ленточные пилы, и производится уже сам распил. Процесс на самом деле не из простых, так как технология раскроя включает в себя и параллельное решение вопросов относительно перепила и недопила сырья не только по сечению, но и сортам пиломатериала.

Дело за инновациями

Безусловно, с годами колоссальная работа инженеров становилась всё ближе к искомому результату. На рынке стали появляться современные инновационные сканеры промышленного формата. Одной из первых о промышленном компьютерном томографе заявила итало-австрийская компания Microtek. Под маркой CT.LOG было представлено новое сканирующее устройство для круглого лесоматериала. Сама компания не единожды радовала промышленный сектор своими мультисенсорными разработками и программными системами оптимизации для деревообрабатывающей индустрии.

Сами производители считают, что данный сканер стал очередным прорывом в научно-техническом секторе. Функционал сканера ориентирован на сканирование круглого лесоматериала путём использования рентгеновских устройств и нового алгоритма презентации в цифровом формате бревна. Благодаря компьютерной обработке данных изображение бревна подаётся в трёхмерной (3D) визуализации с необходимым описательным набором показателей размеров и расположений дефектов. В состоянии виртуального режима CT.LOG оценивает древесину согласно визуально считываемым характеристикам: как по качественному составу, так и по прочности, предоставляя анализ качества сырья ещё до процесса распила. Программным обеспечением производится полноценное моделирование различных вариантов раскроя с анализом наиболее выгодной схемы распила с учётом стоимостного критерия конечного пиломатериала. А в тандеме с системным управлением лесопильной линией данный агрегат способен обеспечить оптимизацию инструмента для выгодного и доходного раскроя пиловочника. Сканер отлично себя показал в работе и с твердолиственными, и с хвойным породным составом древесины. Производственный потенциал устройства работоспособен при условии, что диаметр сырья не превышает 800 мм, а скоростной режим в продольной подаче материала находится в интервале до 120 м\мин.

Ещё одним представителем передовых технологий является фирма Inray Oy, чьи установки прославились бесконтактной передачей энергии и данных. При помощи сканеров этого производителя этап сортировки круглого лесоматериала сводится к сканированию сырья в одной плоскости и получению набора качественных характеристик объекта по результатам анализа изображения. Если говорить о возможностях Opmes AX1, то он стал более продуктивным по части достоверности измерительных систем, так как Inray Oy дополнила его калибровочным цилиндром для тестирования пиломатериалов с помощью рентгена или измерения основных параметров брёвен. При помощи данного приспособления оператору в один присест удаётся оценить работоспособность используемых измерителей на производственной линии и оценить процент погрешности задействованных параметров. Сам калибр Testray выполнен из композитного материала, его длина составляет всего 2 метра, номинальный диаметр 200 мм, а вес не превышает 22 кг, так что управление им осуществляется без каких-либо специальных приспособлений. Что же касается конструктива устройства, то за пластмассовым корпусом скрыты имитирующие заболонь и ядро слои, чья плотность идентична натуральной древесине. Внутреннее наполнение калибра представлено псевдоручками, которые определяет рентген при сканировании. Opmes AX1 в процессе апробации не только продемонстрировал свою полезность, но и подтвердил заявленные преференции на морозостойкость и механическую прочность, так как температурные колебания абсолютно не влияют работоспособность данного устройства.

За право стать одним из востребованных продуктов в сфере сканирования также поборолась шведская компания Innovativ Vision AB под брендом WoodEye. Агрегат специально разработан под требования сортировки и включает в себя выявление всевозможных дефектов и пороков древесины, причём не только на всестороннем уровне заготовки, но и с учётом анализа геометрии пиловочника. Сканер активно задействован и при оценке твёрдости, влажности и направления волокон брёвен, а также укомплектован современным программным обеспечением, которому вменены не только функции по оптимизации раскроя и сортировки, но и в целом организации работы всей линии.

На платформе технического перевооружения процессов раскроя расположилась и команда сканеров Luxscan. Принципиальная функциональность данных устройств ориентирована на распознавание пороков древесины и инденсификации недостатков в процессе её обработки. Линейка промышленных сканеров от германского производителя WEINIG свободно дополняет любую линию по деревообработке, так сказать, с учётом индивидуальных потребностей производства. К примеру, Combi-Scan является четырёхсторонним лазерным аппаратом, внедрение которого в торцовочную, сортировочную или распиловочную линию даёт возможности эффективной оптимизации процесса раскроя. При этом имеется возможность совмещения с тремя торцовками-оптимизаторами. Сам сканер разработчики оснастили четырьмя цветными и четырьмя многоканальными лазерными камерами. А нанесение цветных меток на дефектные участки происходит специальными чернилами на две или четыре стороны сканируемого материала при помощи печатающего устройства. Функционал агрегата можно расширить и с помощью дополнений в виде сенсоров для распознания толщины и непростроганных участков досок. Так что современный модульный подход к формированию линии сегодня пользуется успехом у деревообработчиков.

Easy-Scan — ещё одна модель промышленного, но уже двустороннего сканера, чьи рабочие задачи сконцентрированы именно на распознании различных видов пороков древесины: от сучков, обзолов, трещин, смоляных карманов до сердцевинных трубок, краснины, да синевы. Таким образом компания-производитель позиционирует на рынке Easy-Scan как устройство, способное осуществить массу измерительных операций: начиная от мультисканирования, лазерного измерения профиля до измерения размеров пиломатериалов. Как и собратья, сканер органично вписывается в производственный поток с торцовками-оптимизаторами, но при этом способен работать в онлайн-режиме и выступить в роли буферного накопителя информации, а соответственно заменить устройства маркирования продукции.

А вот X-Scan — одно из немногих технических средств, которые могут продемонстрировать свои рабочие возможности распознания внутренних локальных дефектов путм анализа различий плотности древесины. Благодаря техническим характеристикам этот четырёхсторонний сканер без особых проблем проводит идентификацию древесины плотности сучков независимо от состояния поверхности лесоматериалов, и на результаты абсолютно не влияют ни загрязнения, ни пыль. Также к списку его достоинств производители включают и способность производить измерения ширины досок при помощи ультразвука, что опять-таки, по мнению специалистов компании, даёт возможность существенно оптимизировать работу с пиломатериалами нестандартной ширины, потому что для каждой сканируемой доски сенсоры и камеры позиционируются индивидуально.

Однозначно с внедрением операций по сканированию пиломатериалов мировой промышленный сектор обрёл не только существенный опыт в унификации технологического подхода, но значительно продвинул вперёд производственные возможности процесса деревообработки. Широкий спектр инструментов по оптимизации раскроя пиловочника стал своего рода мотиватором к системному подходу оценки качества древесины, а также открыл новые горизонты эффективной работы предприятий.