Обзор торцовочных станков

Оператор такого станка периодически поворачивал заготовку вокруг продольной оси, определял расположение дефектов и вырезал их. Работа на станке была трудоемкой, точность реза неидеальной, а производительность невысокая. Чтобы обеспечить необходимый объем производства перед линией сращивания часто устанавливали параллельно несколько потоков выбраковки дефектов. Дальнейшее повышение производительности труда при выполнении этой операции было достигнуто за счет внедрения так называемых «зеркальных» торцовок. Рабочая поверхность торцовочных станков представляла собой плоскость из закаленного стекла, под которой располагались осветительные лампы дневного света и два зеркала. Одно из зеркал располагалось в горизонтальной плоскости - в нем оператор мог видеть отражение нижней поверхности заготовки. Другое зеркало располагалось параллельно оси заготовки в вертикальной плоскости и демонстрировало оператору противоположную от него вертикальную поверхность. Оператор мог, не переворачивая заготовку, оценить состояние всех ее сторон. Следующим шагом повышения эффективности выбраковки дефектов стало оснащение станков простейшими сканерами. В местах недопустимых дефектов специальным флюоресцентным мелком наносятся маркеры, отражающие излучение, генерируемое лазером или светодиодом. Это отражение улавливают сканеры, а станок автоматически удаляет дефекты. Подобная технология достаточно широко применяется и в настоящее время.

Торцовочные станки оптимизаторы

Вместе с расширением технологических возможностей оборудования, появилась потребность и в автоматизации раскроя заготовок по длине и сортности в соответствии с заданной спецификацией. Для этого были разработаны торцовочные станки нового поколения, которые были названы «оптимизаторами». Некоторые модели таких станков зарубежного производства имеют наименование OptiCut, произошедшее от английского словосочетания «оптимальный рез». Так как станок снабжается комплектом околостаночного оборудования, значительно расширяющего его технические возможности, правильнее было бы называть такое оборудование линиями оптимизации поперечного раскроя древесины. «Оптимизаторы» позволяют при высокой производительности выполнять целый ряд технологических задач и обеспечивают высокую рентабельность производства.

Погрешность при ручной торцовке достигает 8 мм, что за одну смену приводит к потере до 25 м древесины. Именно на этапе раскроя образуется большая часть отходов деревообрабатывающих производств, а значит здесь возможно получить максимальную экономию древесины. Внедрение новой технологии оптимального раскроя позволило эффективнее использовать древесину, увеличить процент выхода пиломатериалов, пригодных для дальнейшей обработки, а также контролировать их качество и количество. Правильно раскроенный пиломатериал позволяет снизить припуски на последующих этапах обработки, что в свою очередь также значительно экономит древесину.

В зависимости от состава линии и степени ее автоматизации на ней могут выполняться несколько вариантов раскроя:

- торцовка досок и брусьев в штабеле при заданных постоянных длинах – производится необходимое количество заготовок фиксированной длины по требуемой спецификации;

- торцовка досок разной длины – поступающие на раскрой доски автоматически измеряются, и блок управления определяет оптимальную комбинацию заготовок для данной длины доски соответственно заданной спецификации; производится требуемое количество заготовок каждой длины;

- торцовка с вырезкой дефектов при переменных длинах на выходе – с помощью сканера удаляются сучки, гниль и другие дефекты досок, которые затем подаются на линию сращивания;

- вырезка дефектов и фиксированный раскрой в соответствии с заданными спецификацией размерами;

- полная оптимизация с контролем количества и качества выпущенной продукции.

Первые два варианта раскроя применяются для производства заготовок клееных щитов, столярных изделий (окон, дверей, лестниц), тарных и мебельных заготовок, европоддонов, заготовок для паркета, домостроения, серийного выпуска пиломатериалов и других. Третий вариант раскроя используется для выпуска заготовок разной длины, однако максимальная и минимальная их длина определяется параметрами линии сращивания, на которую они, как правило, подаются в дальнейшем. Этот процесс используется в производстве клееной конструкционной древесины: панелей, балок, бруса и др. Может применяться в производстве мебельных щитов, в которых допускается сращивание ламелей по длине. Этот вариант раскроя позволяет максимально сократить количество древесных отходов. В четвертом случае раскроя на линии производится требуемое количество заготовок максимальной длины между маркированными дефектами. Назначение таких заготовок аналогично первым двум случаям работы линии, но выпускаемая продукция имеет более высокую стоимость.

Последний вариант раскроя обеспечивает контроль и учет продукции с учетом сортности, расчет длин заготовок для последующего сращивания, причем, чем большее число параметров оптимизации задается на входе, тем более эффективно и качественно раскраивается древесина. Число таких параметров оптимизации для линий проходного типа может достигать восьми. Естественно, чем более универсальным является станок, тем выше его стоимость. Поэтому при выборе конкретной модели станка необходимо ориентироваться на специализацию и мощность собственного производства. Наибольшей популярностью у потребителей пользуются программы минимизации отходов (получаемый на выходе пиломатериал имеет примерно одинаковую цену), и оптимизации стоимости (цена выпускаемой продукции значительно отличается). Второй вариант последнее время используется все чаще: цена на длинную цельную бессучковую заготовку («нулевку», как ее называют производственники) выше, чем на заготовку, склеенную на шиповое соединение. Примером этого могут быть лицевые ламели бруска для производства евроокон, ламели мебельных клееных щитов и т.д. Сортность и цена таких изделий значительно выше цены изделий из нескольких склеенных по длине брусков.

Рассмотрим состав линии оптимизации раскроя заготовок по длине на примере торцовочной установки OptiCut 450 Quatrum фирмы Dimter (входит в группу Weinig), выпускающей несколько линий различной производительности и комплектации (рис. 1). Линия включает поперечный конвейер-накопитель, который может быть оснащен автоматическим разборщиком штабеля и имеет продольный подающий конвейер; сканирующее устройство, обеспечивающее автоматическую разметку дефектов; продольный транспортер; высокоскоростной торцовочный станок; устройство сбора отходов; приемный продольный транспортер с поперечными сбрасывателями и карманами на каждую длину и сортность заготовки.

При работе в серийном или массовом производстве в состав линии включаются еще и штабелирующие устройства для готовой продукции. Для повышения эффективности работы линии оптимизации рекомендуется предварительно обработать заготовки на четырехстороннем продольно-фрезерном или двухстороннем рейсмусовом станке. Это вскроет имеющиеся дефекты древесины на поверхностях брусков, повысит качество распознавания дефектов. Следовательно, заготовки будут лучше базироваться, а точность их раскроя повысится.

Гигантский потенциал

В линии OptiCut 450 Quatrum заготовка сначала обрабатывается устройством автоматического сканирования заготовок. Если в простейших линиях, таких как OptiCut S50 и OptiCut S90, места пропилов распознаются фотоэлементом или люминесцентным сканнером по отраженному от флуоресцентной меловой разметки свету, то в высокопроизводительных линиях используется автоматическое сканирование. Излучатели и сенсоры сканируюшего устройства размещаются над движущейся доской, а иногда и по всем ее сторонам, позволяя определять особенности строения древесины и ее пороки на клеточном уровне. Основой сканирующего устройства – излучателем, является линейка лазеров широкополосного цветового спектра или рентгеновские трубки, облучающие древесину импульсными сигналами. После отражения от поверхностей доски сигналы поступают к сенсорам, а потом в процессорное устройство, которое формирует информацию о форме доски, ее строении, состоянии древесины на уровне клеток. Каждый отраженный сигнал или их комбинация говорит об особенностях строения древесины, поскольку клетки различных участков древесины имеют свои особенности и по-разному поглощают излучение. Современные сканирующие устройства в состоянии различать более сотни различных пороков древесины – разновидности сучков, трещины, гнили, смоляные кармашки, косослой и др. Они также определяют корреляцию пороков с такими показателями древесины, как прочность, плотность, резонансные свойства и т.д.

Если планируется обрабатывать новые, ранее не использовавшиеся в производстве экзотические породы древесины, необходимо скорректировать программное обеспечение станка. Иногда для этого приходится предоставлять разработчикам программ образцы древесины с теми видами пороков, по которым вы собираетесь разбраковывать пиломатериалы. Очевидно, у подобных систем сканирования большое будущее. В июле 2007 г. немецкий производитель деревообрабатывающего оборудования группа Weinig приобрела люксембургского производителя сканирующих устройств LuxScan. Как заявила группа, устройства оптимизации древесины – это большой рынок, а используемые технологии имеют гигантский потенциал для инноваций. Фрагмент внутреннего сканирующего устройства LuxScan представлен на рис. 2.

Если лазерные системы сканирования позволяют анализировать состояние древесины по наружным поверхностям доски, то рентгеновские системы анализируют состояние всего массива древесины. Подобные системы сканирования достаточно дороги, однако они способны одновременно обеспечивать загрузку двух-трех станков, как для поперечного, так и продольного раскроя, объединенных в единую систему управления. Применение таких систем сканирования вместе наиболее целесообразно на крупных и средних предприятиях, производящих пиломатериалы, погонажные изделия, мебель и столярно-строительные заготовки. Полученные сканирующим устройством параметры доски или бруса сравниваются с данными, заложенными в компьютер, анализируются и передаются в систему управления линии для работы в соответствии с запрограммированной спецификацией раскроя. Это позволяет установить оптимальный баланс между сортностью, ассортиментом и количеством продукции. В ряде случаев в линиях раскроя пиломатериалов сканирующее устройство устанавливается за разборщиком штабеля. После него обследованный пиломатериал поступает по продольному транспортеру на участок предварительной торцовки. Здесь у заготовок обрезаются торцы, а если доска обладает большой кривизной, она может распускаться на две-три более короткие. Далее оторцованные заготовки поступают на буферный поперечный транспортер, и лишь затем – на автоматический торцовочный станок.

В основе каждой такой линии торцовочный станок с нижним расположением пилы, оснащенный передним подающим и задним приемным конвейером. Поскольку скорость подачи высокая (в OptiCut 450 Quatrum - 415 м/мин), а заготовки могут быть тяжелыми, для обеспечения виброустойчивости станка его станина выполняется из литой стали и может достигать толщины 30 мм. Жесткий базовый стол станка покрыт твердым хромом или выполняется из хромистой нержавеющей стали для повышения износоустойчивости. Во многих моделях станков он устанавливается на станине с наклоном под углом до 30 градусов в сторону направляющей линейки. Это в ряде случаев исключает необходимость использования боковых прижимных устройств, поскольку заготовка прижимается к линейке собственной тяжестью. Кроме того, в некоторых станках траектория подъема пилы выбрана таким образом, что возникающие при резании силы дополнительно поджимают заготовку к направляющей линейке. Подача заготовок в станок OptiCut 450 Quatrum обеспечивается конвейером с автоматизированным приводом VarioSpeed, разгоняющим подаваемую заготовку до нужной скорости. За счет раздельных приводов подающего конвейера и приводных вальцов станка это позволяет минимизировать разрывы между торцами смежных заготовок до 30-50 мм. А значит, подача материала в станок происходит непрерывно.

В качестве подающего устройства могут использоваться традиционные подающие вальцы или толкатель. В первом случае подача заготовок осуществляется верхними (как у OptiCut 450 Quatrum) или одновременно верхними и нижними подающими вальцами, сразу обеспечивающими прижим подаваемой заготовки. В некоторых моделях один из вальцов (большего диаметра) выполняет функцию измерительного устройства длины выпиливаемой заготовки. В вальцовых механизмах подачи позиционирование может осуществляться и с помощью независимой системы измерения линейных размеров. В случае установки триангуляционных датчиков линия позволяет точно раскраивать даже заготовки со значительной кривизной. У некоторых станков датчики расположены таким образом, что позволяют обрабатывать и сортировать выпиленные заготовки не только по длине, но и по ширине и толщине. Чтобы недопустить проскальзывание заготовок в вальцовом механизме подачи станка OptiCut 450 Quatrum подающие вальцы выполняются по конструкции рифлеными или покрываются твердым хромом. Фактура рабочей поверхности таких вальцов напоминает абразивный круг с грубым зерном (рис. 3).

Широко применяются и вальцы из износостойких пластмасс с высоким коэффициентом трения, как в станке OptiCut 200 (рис. 4). Прижим вальцов к заготовке осуществляется с помощью пневмоцилиндров, расположенных на траверсе механизма подачи. Усилие прижима задается индивидуальными регуляторами давления воздуха в зависимости от размеров и массы заготовки, влажности древесины, состояния ее поверхности, выбранной скорости подачи и еще целого ряда факторов.

На некоторых станках, например OptiCut S90, устанавливается прецизионный толкатель - штанга с толкающим башмаком на конце, шарнирно установленная на жестком корпусе, закрепленном в свою очередь на круглых или призматических направляющих, расположенных вдоль стола станка за направляющей линейкой. Перемещение толкателя на заданную длину в направлении подачи осуществляется от сервопривода через плоскозубчатый ремень по командам компьютера. После раскроя первой заготовки толкатель совершает холостой ход, возвращаясь за следующей заготовкой. Естественно, наличие холостого хода, пусть даже и ускоренного, несколько снижает производительность линии. В некоторых конструкциях станков предусмотрена возможность загрузки на стол станка очередной заготовки, хотя предыдущая еще не раскроена до конца. Преимуществом станков с подачей заготовок толкателем типа OptiCut S90 является возможность одновременной обработки пачки заготовок (рис. 5).

В момент резания в таких станках заготовка или пачка заготовок фиксируется верхним прижимом. При обработке пачек заготовок, как правило, используется боковой прижим для выравнивания пачки относительно направляющей линейки. При достижении переднего торца заготовки заданного положения она останавливается и торцуется спереди примерно на 15 мм. Полученный рез по переднему торцу заготовки является базой для устройства непосредственного отсчета, относительно которого осуществляется измерение ее требуемой длины. Затем она перемещается на заданную программой длину, позиционируется, фиксируется и разрезается. Заготовка вновь разгоняется с ускорением до 50 м/с2 и цикл обработки повторяется снова. Отходы с дефектами древесины и мелкие обрезки по ходу движения заготовки сбрасываются во внутренние полости станины: либо воздушной струей с помощью сопла определенной формы, либо под собственной тяжестью. По мере накопления обрезки удаляются за пределы станка ленточным или скребковым транспортером. Если в брак поступает обрезок, по длине превышающий размеры окна в столе, то он автоматически разрезается на несколько более коротких. Существует ряд станков, например, OptiCut 450 Quatrum, в которых размеры окна для обрезков регулируются автоматически. Как уже говорилось, заготовки могут раскраиваться в зависимости от типа линии и схемы раскроя как по одной, так и пачками по 4-6 штук. При этом для резания используются пилы диаметром от 350 до 600 мм, что позволяет обрабатывать заготовки сечением от 25х90 до 200х230 мм. Следует иметь в виду, что при одном и том же диаметре пилы и одной высоте ее подъема над столом, можно распилить либо тонкую, но широкую доску, либо близкую к квадратному сечению, но меньшей ширины.

Производительность раскроя обеспечивается за счет скоростного подъема пилы, осуществляемого, как правило, серводвигателем через кривошипно-шатунный механизм. В более простых линиях для этих целей может применяться пневматический привод подъема. Если заготовка в дальнейшем будет дополнительно торцеваться (как на линии сращивания), то в системе управления станком устанавливается постоянная максимальная скорость подъема пилы. В случае осуществления чистовой торцовки, например, мебельных деталей, цикл подъема пилы программируется таким образом, что на выходе пилы из заготовки она замедляет свою скорость подъема, обеспечивая за счет этого более высокое качество пропила без сколов волокон древесины. Для исключения деформации тонких заготовок силами резания подающие вальцы располагаются в непосредственной близости к зоне пиления. У высокопроизводительных линий оптимизации подъем пилы для резания осуществляется менее чем за 0,1 секунды. Практическая точность реза при торцевании составляет 0,8-1,5 мм, существуют и модели, обеспечивающие точность 0,2 мм. На выходе из станка может устанавливаться приемный транспортер, по которому движутся выпиленные заготовки разной длины. На направляющей линейке приемного транспортера устанавливается ряд сортирующих сбрасывателей соответственно количеству длин в спецификации заготовок. При большой номенклатуре деталей последние могут сбрасываться с конвейера на обе его стороны – справа и слева. Если осуществляется распиливание пиломатериала на заготовки постоянной длины, то сталкивание может осуществляться на приемные элементы автоматического формирователя штабеля.

Существуют линии оптимизации для раскроя пиломатериалов низкого качества, имеющего обзол, острые края, неправильную геометрию. Они снабжаются специальной оснасткой, большим количеством подающих вальцов, оригинальной системой измерения и фиксации. Для надежной подачи заготовок в станок на таких линиях может использоваться цепной транспортер. Естественно, скорость подачи у таких линий меньше. Управление большинством линий осуществляется с помощью несложного интерфейса комьютерной системы, работающей в операционной среде Windows. Это обеспечивает совместимость линий оптимизации и сетевых компьютеров офисных служб. Поступающая информация позволяет оценивать эффективность использования линии: учитывается число погонных метров раскроенного пиломатериала, количество и типоразмеры заготовок, число резов на любую обработанную входную длину заготовки, качество заготовок, доля отходов и брака, время работы линии в течение смены. Программирование современных линий осуществляется вводом данных с клавиатуры или сенсорной панели управления (рис. 6).

Для визуальной идентификации готовых изделий на конвейере устанавливают струйный принтер, наносящий на деталь ее обозначение, или устройство, наносящее стикеры с цифровым или штриховым кодом (рис. 7). Это позволяет повысить логистический контроль движения продукции в ходе производства и снизить издержки при хранении и формировании заказа, транспортировке изделий до потребителя.