Лесопильное производство: автоматизация и роботизация технологии лесопиления


М. А. Блохин









                ЛЕСОПИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО:




АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕСОПИЛЕНИЯ




Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.5:674
ББК 37.13
     Б70




Рецензент:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой компьютерных систем автоматизации производства МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва) С. С. Гаврюшин



            Блохин, М. А.


Б70 Лесопильное производство: автоматизация и роботизация технологии лесопиления : учебное пособие / М. А. Блохин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 112с.: ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0967-4

     Приведено описание современных технологий и способов автоматизации и роботизации создаваемого оборудования, а также представлены решения и расчеты конкретных конструкторско-технологических задач, направленных на создание и эксплуатацию принципиально нового энергосберегающего оборудования повышенной производительности для производства паркета, ламелей, обрезной доски, двухкантного бруса высокого качества.
     Для студентов технических вузов направления подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть полезно для преподавателей и инженеров, а также разработчиков оборудования с круговым поступательным движением полотен.

УДК 681.5:674
                                                           ББК 37.13










ISBN 978-5-9729-0967-4

     © Блохин М. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            Оглавление



ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................5
1. ВВЕДЕНИЕ...................................................11
1.1. Стратегия лесного комплекса РФ...........................11
1.2. Современные тенденции в лесопилении. Обзор рынка лесопильного оборудования..................................................12
1.3. Потребность рынка лесопильного оборудования..............27
1.4. Актуальность темы автоматизации и роботизации в области лесопильного производства...........................29
2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НАТЯЖЕНИЯ ПОЛОТЕН В МОДУЛЯХ ПИЛЬНОГО БЛОКА......................................35
2.1. Конструктивное решение натяжения полотен.................35
2.2. Конструктивная схема автоматизации процесса натяжения полотен и его расчет..................................................38
2.3. Расчет и выбор микроэлектродвигателя подъемника..........40
2.4. Автоматизация натяжения полотен и ее преимущества........42
3. АВТОМАТИЗАЦИЯ В КОНСТРУКЦИИ СТАНКА С КРУГОВЫМ ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОЛОТЕН..............................44
3.1. Об актуальности темы.....................................44
3.2. Схемное решение автоматизации позиционирования полотен в пильном блоке...............................................49
3.2.1. Механический привод....................................50
3.2.2. Электромеханические приводы............................53
3.2.3. Расчет требуемой мощности микроэлектродвигателей.......60
3.3. Роботизированный многопильный блок с круговым поступательным движением полотен.............................................61
3.4. Будущее предприятий - за наукоемкими проектами...........63
4. АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТИЗАЦИЯ СТАНКА С КРУГОВЫМ ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОЛОТЕН..............................65
4.1. Актуальность задачи......................................65
4.2. Последовательность операций роботизированного многопильного станка........................................................66
4.2.1. Сканирование положения торцов заготовки................69
4.2.2. Обеспечение прямолинейности распиловки. Конструкция разделителя...................................................71

3

4.2.3. Подача жидкости в зону резания.............................72
4.2.4. Подача сжатого воздуха в зону резания......................74
4.3 Схема роботизированного станка «Триумф» с подающим рольгангом.77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................79
Приложение 1......................................................80
Приложение 2.....................................................105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................106

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ


     В условиях рыночной экономики конкурентная борьба за потребителей требует от предприятий постоянного обновления выпускаемой продукции, повышения ее качества, максимального удовлетворения пожеланий заказчиков, для чего необходимо сокращать сроки и стоимость инженерной подготовки производства, качественно совершенствовать разрабатываемые проекты.
     Возможны два пути развития производства - экстенсивный и интенсивный. Экстенсивный путь предполагает увеличение объемов производства при применении сложившихся технологий, оборудования, приемов и способов организации производства за счет пропорционального роста расхода энергии, сырья, материалов, транспорта и вовлечения новых трудовых ресурсов. Этот путь бесперспективен, так как в данном случае не повышается качество и не снижается себестоимость продукции, что делает ее неконкурентоспособной и затратной; растет нагрузка на окружающую среду и необходимо все большее число работающих (но невысокой квалификации); не внедряются достижения науки и не разрабатываются высокие технологии.
     Перспективным является интенсивный путь развития производства, при котором во все возрастающих объемах создается продукция высокого потребительского качества при минимальных расходах сырья, энергии, материалов и человеческих ресурсов.
     Интенсификация производства может быть реализована путем создания техники новых поколений и на ее базе - новых высоких технологий.
     Характерные черты техники нового поколения, отличающие ее от модернизированной техники, состоят в следующем: во-первых, реализация новой технической идеи - научного открытия, крупного изобретения, комплекса изобретений; во-вторых, скачкообразный рост эффективности, повышение производительности труда, экономия сырья, снижение материалоемкости и энергозатрат. Для своевременной смены поколений техники необходимо, чтобы первая фаза цикла - техника нового поколения - опережала последнюю фазу цикла - техника предыдущего поколения. Поэтому важно вовремя переориентиро-

5

вать конструкторов и изготовителей на разработку и освоение техники нового поколения.
     Создание современных машин, приборов, новых материалов и технологий - сложный процесс, требующий соответствующей государственной политики, создания или восстановления научных школ, аналитических центров, отраслевых конструкторских бюро, развития промышленного капитального строительства, подготовки высококвалифицированных специалистов. Следует подчеркнуть, что копирование даже передовых зарубежных разработок неминуемо приводит к техническому отставанию. Только изучение тенденций развития техники и упреждающий выход вперед позволяет создавать высокоэффективную технику, не имеющую аналогов за рубежом.
     Для этого требуется вести научно-экономическое прогнозирование целесообразности реализации выбранного направления создания образца новой техники и определять:
     -  патентную чистоту применяемых технических решений;
     -       преимущества по сравнению с известными лучшими в мире образцами новой техники, выполняющими те же функции;
     -       влияние создаваемой техники на развитие смежных отраслей промышленности;
     -  потребность по годам;
     -  возможности и объемы продажи в другие страны;
     величины затрат на прикладные исследования, разработку технической документации, модернизацию действующих машиностроительных предприятий или капитального строительства новых предприятий, подготовку и освоение регулярного производства;
     -  прогнозируемую цену одного изделия;
     -  ожидаемый экономический эффект;
     -  срок окупаемости.
     Результаты этого этапа носят ориентировочный характер, так как могут отсутствовать достоверные сведения о работах конкурентов в соответствующем б

направлении и полная характеристика создаваемого образца новой техники, но и при этом ответ на вопрос о целесообразности работ по его созданию может быть получен.
     Прикладные научно-исследовательские работы выполняются на экспериментальных образцах, которые являются прообразами новой техники. При этом создаваемые образцы новой техники должны не только обладать патентной чистотой, но и иметь патентную защиту в тех странах, где предполагается их эксплуатация.
     При проведении прикладных исследований заранее формулируются и обосновываются конечная цель и задачи, которые необходимо решить для ее достижения; должен быть известен объем финансирования для создания экспериментального образца и проведения исследований; определены этапы и сроки их выполнения. В процессе разработки и создания экспериментального образца новой техники могут возникнуть новые технические решения, подлежащие патентованию.
     Конструкторские работы - это деятельность, в ходе которой выполняется инженерно-техническая проработка создаваемого образца новой техники с получением технической документации, необходимой для его промышленного производства.
     Подготовка серийного производства включает комплекс конструкторских, технологических и организационных работ, связанных с переходом предприятия на массовый или серийный выпуск нового изделия. На этой стадии осуществляют корректировку конструкторской документации применительно к конкретным производственным условиям, разработку технологических процессов, проектирование и изготовление оснастки и инструмента, решение организационных вопросов и др. При необходимости выполняют производственные исследования, связанные с улучшением качества, экономичности и надежности новых изделий.
     Освоение регулярного производства - завершающая стадия создания новой техники. Она включает работы, направленные на обеспечение конкретным

7

предприятием ритмичного выпуска новых изделий с заданными технико-экономическими показателями.
     Необходимо заметить, что создание новой техники - сложный процесс, требующий вложения больших финансовых средств, обеспечения высокого уровня развития науки и техники и наличия высококвалифицированных творческих людей. Последнее связано с повышением качества всех видов образования и как материального (вознаграждение, соответствующее творческим успехам), так и морального (высокий статус и уважение в обществе) социального стимулирования.
     Центральное место в системе создания новой техники занимают прикладные научные исследования. Они позволяют:
     -       проверить на экспериментальном образце эффективность новых технических решений, используемых в образце новой техники;
     -       уточнить целесообразность создания образца новой техники;
     -       получить новые технические решения, повышающие эффективность работы промышленного образца;
     -       получить все исходные материалы, необходимые для конструкторской проработки нового образца техники.
     Учебное пособие предназначено в качестве вспомогательного материала для самостоятельной проработки студентами дисциплины «Технология автоматизированных производств» в составе направления подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».
     Приведены описания современных технологий и способов автоматизации и роботизации создаваемого оборудования, а также представлены решения и расчеты конкретных конструкторско-технологических задач, направленных на создание и эксплуатацию принципиально нового энергосберегающего оборудования повышенной производительности для изготовления паркета, ламелей, обрезной доски, двухкантного бруса высокого качества.
     Рассматриваемая тематика относится к фундаментальным основам инженерных наук - к разработке принципиально новых технических решений в об

8

ласти создания распиловочных станков, умножающих преимущества и исключающих недостатки существующего лесопильного оборудования с возвратнопоступательным движением пильной рамки.
     Пособие рекомендовано студентам технических вузов в связи с изучением основ прикладных и научных исследований при создании новой техники. Оно может быть полезным для преподавателей, бакалавров, магистров и инженеров, а также разработчиков модификаций оборудования с круговым поступательным движением полотен (исполнительных элементов).
     Материал Пособия поможет читателю решать прикладные задачи применительно к потребностям конкретных аналогичных вопросов инженерного, изобретательского и иного характера, а возможно, и создания деревоперерабатывающего производства на базе представленного оборудования.
     Для освоения и изучения соответствующей дисциплины необходимы знания теоретической механики, сопротивления материалов, материаловедения, деталей машин, технологии конструкционных материалов, а также основ математики и физики.
     Самопроверку целесообразно вести, осуществляя контрольные расчеты силовых и конструктивных параметров узлов и деталей, таких как инерционные силы, динамический баланс валов, внецентренное растяжение полосы по методу Л. Эйлера, а также скорость воздушной струи, используя упрощенное уравнение Бернулли.
     В «Приложении 1» дан пример проекта составления «Технического задания» (ТЗ) для проведения двух вариантов работ:
     1)       опытно-конструкторская работа (ОКР) «Разработка и освоение серийного производства роботизированного станка с круговым поступательным движением пильных полотен для получения пиломатериалов» или «Роботизация многопильного станка модели М2017»;
     2)       создание программного обеспечения (по ГОСТ 15.016-2016) для станка модели М2017.

9

     Предложенный вариант ТЗ дает представление о том, с чего начинается ОКР, какова номенклатура и сущность поэтапного прохождения работ. В ТЗ указываются сроки, стоимость этапов и всей работы, а также различные требования эксплуатации, хранения, периодических испытаний, проверок и т. п.
     Порядок и особенности прохождения работ регламентируются соответствующими ГОСТами по принадлежности к соответствующей отрасли промышленности. Их можно найти в Интернете или непосредственно в организации - заказчике работ.
     В «Приложении 2» дана Информация о ПАВ (поверхностно-активном веществе) как специальном, жидком беспенном щелочном моющем средстве многоразового использования, предназначенном для мойки инструментов и оборудования в деревообрабатывающей промышленности, мебельном производстве, производстве ДСП, ДВП, фанеры и ламината.
     Использование средства ПАВ позволит снизить издержки производства посредством исключения внеплановых остановок из-за загрязнения инструмента и оборудования.
     В целом содержание Пособия опирается на конкретную разработку, выполненную в ведущем инженерном высшем учебном заведении страны МВТУ им. Н. Э. Баумана, - создание совершенно нового типа лесопильного оборудования, где пильные полотна описывают окружности в своей фронтальной зоне с заданным эксцентриситетом вращения.

10

            1. ВВЕДЕНИЕ


            1.1. Стратегия лесного комплекса РФ


     В «Стратегии лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года», разработанной под руководством Минпромторга России, констатируется, что «... К 2030 году мировой спрос на пиломатериалы составит 595 млн куб. метров, темпы прироста в целом составят от 0,8 до2%в год.
     Планируется, что Россия увеличит производство пиломатериалов с 42,6 до 62-69,5 млн куб. метров в год. Новые объемы будут направлены как на внутренний рынок, так и на экспорт, преимущественно в Китай.
     Также к 2030 году ожидается увеличение внутрироссийского спроса на пиломатериалы с 16,3 до 24,7 млн куб. метров. Спрос на российские пиломатериалы наэкспортных рынках вырастет с 26,3 до 37,1-44,8 млн куб. метров.
     Увеличение мощностей экономически целесообразно рассматривать в рамках расширения существующих и (или) создания новых лесоперерабатывающих кластеров.
     Привлекательными для инвестирования в новые проекты по производству пиломатериалов являются Центральный и Северо-Западный федеральные округа, а также Сибирский федеральный округ - с учетом мер государственной поддержки.
     Основное преимущество отечественного оборудования перед импортным -относительно низкая стоимость, импортное оборудование, как правило, в 2-3 раза дороже российского. При этом импортная техника, бывшая в употреблении, сравнима по цене с новыми российскими моделями.
     При этом модернизацию технической базы лесного комплекса необходимо проводить с использованием наилучших доступных технологий с учетом их экономической эффективности. Альтернативой привлечению зарубежных производителей является развитие собственного производства, что соответствует долгосрочным интересам лесной промышленности России ... ».

11

     Для стимулирования НИР и ОКР предусмотрена государственная поддержка - принято постановление Правительства от 30 декабря 2913 года №1312 «Об утверждении Правил предоставления субсидий из федерального бюджета российским организациям на компенсацию части затрат на проведение НИР и ОКР по приоритетным направлениям гражданской промышленности в рамках реализации такими организациями комплексных инвестиционных проектов», где предусмотрены субсидии на компенсацию 50 % себестоимости пилотных партий импортозамещающей продукции.
     В целях стимулирования модернизации, а также технического перевооружения предприятий российской промышленности и производства ими конкурентоспособной импортозамещающей продукции распоряжением Председателя Правительства РФ от 28 августа 2014 г. № 1651-р образован фонд развития промышленности (ФРП).


            1.2. Современные тенденции в лесопилении.
            Обзор рынка лесопильного оборудования


     Повышение эффективности работы лесопильно-деревообрабатывающей промышленности теснейшим образом связано с развитием комплекса машин, обеспечивающих реализацию основных этапов технологического процесса производства. Особое место при этом принадлежит лесопильным станкам, играющим главную роль в формировании размеров и качества пиломатериалов. В настоящее время в России большая часть пиломатериалов производится на лесопильных рамах с возвратно-поступательным движением пильных полотен. Широкое применение находят также круглопильные станки с круглыми или дисковыми пилами, а также лесопильные станки с лезвиями в форме замкнутой ленты-пилы.
     Поскольку актуальна необходимость сокращения издержек на транспортные перевозки, на электроэнергию при распиловке древесины, иных издержек за счет различных мероприятий организационного и технологического характера, необходимо хотя бы вкратце рассмотреть тенденции развития лесопиль

12