重組竹材竹方冷壓裝料自動化生產線優化設計與分析

龔 正，袁少飛，王洪艷，張 建，李 琴

重組竹材竹方冷壓裝料自動化生產線優化設計與分析

龔 正1,2，袁少飛2，王洪艷2，張 建2，李 琴2

（1. 浙江農林大學，浙江 杭州 311300；2. 浙江省林業科學研究院，浙江省竹類研究重點實驗室，浙江 杭州 31002）

針對當前重組竹材竹方冷壓裝料工藝中存在的自動化水平不高、生產效率低、用工成本高等問題，對現有的重組竹材竹方冷壓裝料生產工序進行合理的自動化優化設計與改造，以經濟、實用、自動化為原則，提出了一種可實現重組竹材竹方冷壓裝料工序自動化生產的生產線優化設計和技術構建。該自動化生產線包括竹束運輸機構、計量上料機構、模具自動進出機構、模具蓋板放置機構、銷釘鎖緊機構、模具轉向運輸機構共六個組成模塊，可減少用工數量，降低勞動強度，提高自動化程度和生產效率，為實現重組竹材竹方冷壓裝料自動化生產提供了技術思路和借鑒。

重組竹材；冷壓；裝料；自動化生產

我國竹類資源豐富，竹材制品種類繁多，其中重組竹材已成為我國竹材工業的主流產品和增長速度最快的一個新型竹材[1-2]。重組竹材又稱重竹，是我國20世紀90年代自主研發的竹材產品，是一種以竹束為原料，按順紋組坯、熱壓（或冷壓）膠合成板材或方材的新型竹質材料。相比于其他竹材產品重組竹材的原料利用率可達到90%以上[3-4]，全國年產量超過50萬m3，是一種制造家裝材料和高強度工程材料的不可多得的綠色生物質材料[5-7]。目前，重組竹材部分工序實現了自動化生產，但由于其生產工藝的特殊性，整個生產過程還不能完全實現自動化和連續式生產[8]，仍存在工藝繁瑣、用工多、生產效率低、能耗大、自動化水平低等問題。重組竹材生產中成型工藝分為先冷壓后熱固化成型和直接熱壓固化成型兩種[7]。當前重組竹材企業普遍采用先冷壓后熱固化成型的生產方法，其中竹方冷壓裝料成型是重組竹材生產的關鍵工序[9]，也是存在生產效率低、用工多、勞動強度大、自動化水平低等問題的重要工序之一。因此，對重組竹材生產中的冷壓熱固化成型工序進行自動化改造設計非常有必要，也是實際生產中急需解決的問題。

本文以重組竹材竹方冷壓裝料工序為研究對象，從技術和理論層面，提出了實現重組竹材竹方冷壓裝料工序連續式自動化生產的優化設計和技術思路，并設計了相應的裝置裝備，旨在為提高重組竹材生產自動化水平提供思路和借鑒。

1 冷壓裝料生產工藝現狀

重組竹材竹方冷壓裝料工序主要包括原料稱量、模具放置、原料裝入、蓋板放置、加壓裝模、銷釘安裝、模具取出共7個生產單元。其中以冷壓工序最為繁瑣，所需工人最多、勞動強度大、生產效率低，是企業最希望實現自動化的工序。

竹束原料稱量時，工人利用電子秤稱取重組竹竹方模具所需質量的竹束，待模具放置到冷壓機后進行裝料，整個過程效率較低。模具材料一般為鑄鐵，內部有效規格尺寸根據冷壓機和重組竹材產品具體要求而定，長度一般為200 cm，較為沉重。模具放置時至少需要兩名工人抬至導軌上然后再推入冷壓機壓腔內，該步驟工人勞動強度很大。稱量后的竹束可以由人工手動或放料裝置自動放入模具，但兩種放料方式仍需要人工將放置后的竹束原料兩端修整整齊，以保證竹方質量。竹束原料裝入模具后，人工將模具蓋板放置在竹束原料最上方，由于模具蓋板較重且冷壓機壓腔狹小，放置較為不便。安裝銷釘時需要工人先將一組銷釘逐一放入冷壓機內的模具銷釘槽中，由于模具較長在擺放銷釘時需要換邊擺放兩次，雖然工作強度不大但是較為消耗時間。冷壓機加壓將竹束壓縮至要求位置，人工再將銷釘逐一推入模具銷釘孔，初步固定模具。冷壓機冷壓完成卸壓復位后，工人將模具取出再用螺栓將模具鎖緊固定，模具的輸入和輸出主要依靠人力實現，工作效率不高。

近年來，高校、科研院所和企業等技術人員，在重組竹材生產設備研制及自動化水平提升上開展了相關研究，或者通過現有生產線改造、增加裝置等措施，實現了重組竹材半自動化生產裝備與人工操作相結合的生產方式，部分工序實現了連續化和自動化生產。但重組竹材竹方冷壓裝料整個工序仍未能實現連續式自動化生產，主要體現在以下四個方面：一是竹束稱量需要人工操作；二是竹束裝入模具后容易散亂，不整齊，需要人工修正；三是模具放入導軌、模具蓋板放置和模具取出仍需人工操作；四是銷釘自動安裝需人工先把銷釘放到指定位置，最后由人工或推動裝置把銷釘推入模具銷釘孔。本生產線主要針對這四個方面進行自動化改造。

1－竹束運輸機構；2－計量上料機構；3－模具蓋板放置機構；4－冷壓機；5－銷釘鎖緊機構；6－模具轉向輸送機構；7－模具。

Figure 1 Sketch of cold press and feeding operation from production line for bamboo scrimber

2 生產線優化設計

2.1 總體設計

自動化生產線的優化設計目標是設計重組竹材冷壓裝料工序中的原料稱量、模具放置、原料裝入、蓋板放置、加壓裝模、銷釘安裝、模具取出共七個生產單元（圖1）。在技術上實現竹束原料連續自動落入上料設備；上料設備能夠計量并自動將原料推入模具；模具蓋板自動落入上料設備；模具自動輸入和輸出冷壓機；模具銷釘自動入位；總體實現穩定協調的連續式自動化生產。在生產上實現重組竹材竹方生產效率提高30%以上，減少人工50%以上。重組竹材竹方冷壓成型自動生產線包括竹束運輸機構、計量上料機構、模具進出輸送機構、模具蓋板放置機構、銷釘鎖緊機構、模具轉向運輸機構共六個組成模塊，具體機構及布局如圖1。

表1 工序時間

在對生產線進行設計時，各個生產機構之間的工作節拍配合會直接影響到各工序之間的銜接情況從而影響到整個生產線的生產效率。而在原有生產線的生產過程中，工人運料和上下模具等工作的節拍較為合理，生產過程中沒有出現較長的等待以及不和諧的地方，所以在構建新的自動化生產線時，各個機械設備遵循原有的工作節拍并在此基礎上盡量減少各個工序的工作時間。根據原有工序生產時間調整后設計的自動化生產線各工序所需時間如表1，其中冷壓機不重新設計所以壓制時間不變。

2.2 功能實現

生產時，竹束運輸機構將竹束原料連續輸送至計量上料機構，并進入計量上料機構的上料槽中。在此過程中，模具進出輸送機構將重組竹材竹方專用模具自動輸送到冷壓機的模具槽中。待上料槽中的竹束質量達到壓制一個竹方需要的竹束質量時，停止原料輸送；上料槽運行至模具一側，上料推板將竹束原料推進模具。模具蓋板放置機構將模具蓋板放在竹束原料上部，冷壓機加壓將竹束壓制成竹方。銷釘鎖緊機構啟動將銷釘推入模具銷釘孔，鎖緊模具。冷壓機卸壓后，啟動模具進出輸送機構將模具拉出，輸送至模具轉向運輸機構，再輸送至集中堆放區域。

2.2.1 竹束運輸機構 竹束運輸機構由倉體、撥料輥筒、安裝架、輸送帶組成，整體裝置如圖2所示。倉體整體呈漏斗形，可以儲備盛放大量竹束原料，底部設有出料口。倉體兩側各設有一個窗口，用于觀察內部的具體情況以及堵塞時方便清理和維修。倉體內部中下方安裝了兩排撥料滾筒用于篩選原料。輥筒筒身設計了撥料齒，兩端裝有軸承，由鏈輪、鏈條帶動整個輥筒轉動。輸送帶寬度設計比竹束略長，兩邊安裝有擋板。工作時，電機啟動，輥筒開始轉動，第一排輥筒從上方堆疊的大量竹束中撥離出一部分竹束，落到第二排輥筒上，第二排輥筒再將竹束進一步撥離整理，以保證竹束從倉體底部的出料口順利平穩的落于下部的輸送帶上。

2.2.2 計量上料機構 計重上料機構主要由上料槽、上料推板、滑臺、導軌、壓力傳感器、機架組成。具體機構如圖3。

1－電機；2－倉體；3－輥筒；4－支架；5－擋板；6－輸送帶。

Figure 2 Conveying device for bamboo bundle

1－控制板；2－滑臺；3－上料推板；4－上料槽；5－導軌；6－機架；7－壓力傳感器。

Figure 3 Weighing and feeding device

2.2.3 模具進出輸送機構 模具進出輸送機構主要由滾筒、撥桿、拖鉤、支架、拖鉤罩、擋鉤、鏈輪、鏈條、出模架組成，具體機構如圖4。

模具進出輸送機構是在一般輥筒運輸帶的基礎上改進而來的，根據重組竹材冷壓生產的特點增加一些輔助裝置進而達到自動裝模的效果，主要用于在冷壓前將模具送入壓機內和在冷壓后將模具勾出并送入下一個裝置。機構總體呈運輸帶狀，主要由滾筒運輸模具。在裝置末端有一個拖鉤罩，內部安裝有一個拖鉤通過電機帶動實現上下擺動從而勾住和松開模具，整體通過鏈輪鏈條帶動，能左右平移控制模具出入。撥桿機構，由兩根撥桿組成，撥桿斜跨于滾筒傳送帶，上方裝有兩個滾輪與模具滾動接觸。工作時，滾筒轉動將其上的模具輸送至壓機中，由壓機內的限位裝置定位，待冷壓完成后拖鉤進入壓機將壓制完成的模具勾出至滾筒上，由兩根撥桿將模具撥至出模架上。出模架通過擋鉤將模具鉤住并運輸至下一生產環節。

1－滾筒；2－撥桿；3－拖鉤；4－支架；5－拖鉤罩；6－擋鉤；7－鏈條；8－鏈輪；9－出模架。

Figure 4 Mold conveying device

2.2.5 銷釘鎖緊機構 銷釘鎖緊機構用于銷釘自動連續落入銷釘槽，主要由銷釘夾、固定件、導軌組成，具體機構如圖6。銷釘夾下方呈半圓形與鎖模機上的半圓形銷釘槽形成一個直徑比銷釘直徑稍大且恰好能通過氣壓推桿的圓形孔。銷釘夾內部用于儲存銷釘，其長度和寬度比銷釘的長度和直徑都稍大，可同時裝載多枚銷釘。銷釘夾橫截面積較大的兩側，中部鏤空一個矩形，可觀察銷釘在銷釘夾內的排列情況和處理銷釘夾內的特殊狀況。銷釘夾橫截面積較小的兩側，上方各有兩對螺紋孔。將銷釘夾固定在液壓機銷釘槽上方，當推桿通過銷釘夾下方的半圓孔與鎖模機上的半圓形銷釘槽形成的圓形孔將銷釘推入模具后銷釘夾內上方的銷釘通過重力自動下降，達到連續自動入位的效果。固定件呈U字形，固定件平行的兩個壁上有兩對螺紋孔。螺栓頭呈扁平的圓弧狀，與銷釘夾裝配的時候，頭部在銷釘夾內側，兩個螺栓同時穿過銷釘夾和固定件上的兩對螺紋孔。導軌是兩根長方體的鐵柱，其寬度略小于固定件的寬度，其高度略小于固定件兩螺紋孔之間的距離。銷釘夾通過兩邊的固定件，固定在導軌上，銷釘夾之間的距離可隨意調節，滿足各種大小的模具情況。

1－鏈輪；2－推臺；3－儲板槽；4－導板；5－支架。

Figure 5 Mold cover device

1－銷釘夾；2－固定件；3－螺栓；4－螺帽；5－銷釘；6－導軌；7－銷釘槽底座。

Figure 6 Pin locking device

2.2.6 模具轉向運輸機構 模具轉向運輸機構主要分為模具運輸機構和模具轉向機構兩部分，具體機構如圖7。承接架是一根中空直桿，其側面突出兩根較短的直桿用于從模具下方托住模具，兩根較短的直桿內側各有一段輥筒由電機帶動，用于模具的運輸。較粗的長方形中空直桿兩端底部各安裝有一根液壓桿用于承接架的起落，兩側安裝有承接架滑輪在承接架起落時減少與主支架的摩擦。轉向器為轉動軸，在外部側面連接一根液壓桿帶動旋轉并配合導軌、滑輪轉向。工作時，承接架轉動90°伸入模具運輸機構上的模具下方，由液壓桿帶動升起承接架，承接架抬起一個模具之后轉向器開始工作，經導軌和滑輪輔助轉回起始位置，最后由輥筒帶動模具進入下一個裝置。

1－承接架滑輪；2－承接架；3－輥筒；4－滑輪；5－液壓桿；6－導軌；7－轉向器；8－模具；9－支架；10－鏈輪鏈條；11－鏈條支架。

Figure 7 Mold steering and conveying device

3 控制系統設計

目前，常用的控制技術主要有三種：（1）單片機控制系統；（2）DSP控制系統；（3）PLC控制系統[10]。本設計選用PLC可編程邏輯控制器作為整條生產線的控制系統，PLC控制系統使用靈活、可靠性高，能夠適應車間里復雜的生產環境[11]。上述生產線中各個工序之間的節拍配合、承接復位都要用PLC控制系統進行一體化控制，保證整個生產過程的有序進行，還需有急停按鈕應對緊急情況。根據重組竹材竹方冷壓裝料自動化連續生產線中各個機構的運行流程構建了控制系統流程圖如圖8。本生產線在實際運行中主要可以分為以下幾個步驟：（1）原料的運輸與模具的運輸在生產過程中并不干涉，當生產線啟動后，兩條運輸帶同時運行；（2）當上料機內的原料達到額定重量時，模具蓋板運輸裝置啟動將蓋板運至上料機內的原料上方。同時模具轉向裝置將模具轉向并運至模具進出裝置上，模具進出輸送裝置將模具送入冷壓機內；（3）竹束自動計量上料裝置將原料及蓋板推入冷壓機內的模具中；（4）冷壓機工作，壓制完成后銷釘推送裝置將銷釘推入；（5）模具進出裝置將壓制完成的模具拉出。根據以上幾個步驟繪制了程序框圖如圖9。

圖8 控制系統流程圖

Figure 8 Control system flow chart

Figure 9 Block diagram of control system

4 應用試驗

應用試驗于2019年9月在湖州市安吉縣浙江永裕竹業股份有限公司進行。重組竹材生產工藝較為復雜，現有生產線還未能全部實現自動化生產，本次應用試驗主要對重組竹材冷壓裝料生產工序中實現自動化連續生產的竹束計量自動上料機構、模具自動運輸機構、模具銷釘自動鎖緊機構共三個自動化機構進行應用試驗、數據統計和測試分析。

4.1 竹束計量自動上料機構

竹束計量上料機構的有效工作時間分為稱量時間和上料時間兩部分，因為原料稱量完畢之后需要等待模具運輸就緒才能開始上料，所以兩部分時間分開計時，本次試驗隨機抽取10次動作進行計時（表2），稱量步驟平均用時65 s，上料時間平均用時8 s，總平均用時約73 s，測試過程中除了有少量竹束掉落并沒有發現其他問題。而原有的上料方式為工人先用臺秤稱量每個竹方所需竹束質量55 kg，然后將稱量完的竹束抱至冷壓機中的模具內裝料，該過程平均用時約120 s。兩者相比，雖然都是一名工人操作，但竹束計量自動上料機構不僅生產效率提高了64%，還大大降低了工人的勞動強度。

4.2 模具進出輸送機構

模具進出輸送機構的試驗主要測試模具轉向時間、模具送入時間和模具送出時間3部分，每個部分隨機抽樣計時10次。測試結果（表3）中，模具的轉向平均用時為11 s，模具送入冷壓機的平均用時為6 s，壓制完的模具從冷壓機中送出的平均用時為4 s，三部分總用時約21 s。而原有的模具運輸方式為叉車將模具運到冷壓機旁，由2名工人將模具抬至冷壓機內，平均用時約為40 s，壓制完成后再抬出模具，平均用時約20 s，兩部分總用時約60 s。兩者相比，模具進出輸送機構節省了1名工人，生產效率提高2倍，降低了勞動強度和人工成本。

表2 竹束計量上料機構試驗數據

表3 模具進出機構試驗數據

4.3 模具銷釘自動鎖緊機構

模具銷釘自動鎖緊機構在測試時能做到銷釘連續自動落入銷釘槽并不耗費時間，所以本次試驗只記錄推桿把銷釘推入模具的時間，隨機對10次銷釘推入動作進行計時（表4），平均用時為12 s。而原有的實現方式都是由2個工人提前將銷釘逐個放入冷壓機銷釘槽，再拿鐵桿一個個將銷釘推入模具銷釘孔，最后將模具取出，勞動強度非常大，固定一個模具平均需要120 s。模具銷釘自動鎖緊機構的使用替代了人工作業的方式，節省了2名工人，生產效率大大提高，大大降低人工成本。

表4 銷釘鎖緊機構試驗數據

5 結論與討論

（1）對重組竹材竹方冷壓裝料工藝詳細分析，結合實際生產工藝和現有設備，從技術層面設計構建了重組竹材竹方冷壓裝料自動化生產線總體方案。

（2）優化設計了重組竹材竹方冷壓裝料自動生產線的竹束運輸機構、計量上料機構、模具進出輸送機構、模具蓋板放置機構、銷釘鎖緊機構、模具轉向運輸機構共六個組成模塊。

（3）重組竹材竹方冷壓裝料實現連續自動化生產可大大減少用工量，減輕勞動強度，提高生產效率，降低人工成本，生產效率可提高50%以上，減少用工60%以上。

（4）本研究涉及學科和領域較多，各模塊及機構之間在實現穩定聯動工作及其自動控制系統等方面還需進行深入研究和優化，以達到整個冷壓裝料工序自動化生產的需要，盡快用于實際生產。

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Design of Feeding Operation from Cold Press Automatic Production Line for Bamboo Scrimber

GONG Zheng1,2，YUAN Shao-fei2，WANG Hong-yan2，ZHANG Jian2，LI Qin2

（1. Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China; 2. Key Laboratory for Bamboo Research of Zhejiang Province, Zhejiang Academy of Forestry, Hangzhou 310023, China）

Aiming at the problems such as low automation level, low production efficiency and high labor cost in the feeding operation of bamboo scrimber cold-press production line, rational automation of the operation was designed. The operation included automatic weighing and feeding device of bamboo bundle, automatic mold conveying device, automatic mold cover device and automatic pin locking device. The test of the operation demonstrated that it could reduce the number of labor by 60% and improve automation and production efficiency by 50%.

bamboo scrimber; cold-press; feeding; automatic production

TS65

A

1001-3776（2019）06-0092-08

10.3969/j.issn.1001-3776.2019.06.015

2019-04-23；

2019-10-11

浙江省林業廳省院合作重大項目（2017SY11）

龔正，碩士研究生，從事林業機械方面的研究；E-mail:460582848@qq.com。

張建，研究員，博士，碩士生導師，從事竹木材綜合利用研究。E-mail:zhjianzj@126.com。

張建（1978-），男，安徽淮北人，研究員，博士，碩士生導師，主要從事竹木材綜合利用方面的研究。E-mail:zhjianzj@126.com