面向竹材加工的高效开条装置结构设计开题报告

1. 研究目的与意义

目前我国家具产品主要是木材制品占据主导，但是以目前看来木材家具具有原材料生长周期慢，成本逐步增高，含有毒气体，危害环境，耐腐蚀耐磨损能力不强等缺点。因而市场需求其他可替代材料，来替换木制家具。

我国是世界上主要产竹国家，竹林面积约400万hm，其中经济利用价值较高的毛竹林面积约400万hm,占世界毛竹总量的90%以上。我国的竹林面积约占国土面积0.5%，约占全国森林面积的2.8%,每年可砍伐毛竹约5亿支，各类竹材300多万吨，相当于1000万m3以上木材。竹材资源丰富且生长周期短，是在诸多应用场合中代替木材的理想材料，同时未来市场选择家具材料时，对产品的环保性，安全性，耐磨耐蚀性更为看重。这正是竹制家具相较木制家具的优势，竹家具的主材是采用胶粘剂制作粘合，然后经过高温高压处理，因此竹家具的材料无毒，而且结构牢固，不易变形，在阻燃性、耐磨性和防霉变性能方面都比较突出，因而竹制家具会越来越受到重视。

但是原竹在制成可加工竹材料之前，涉及计到大量的加工工序，如竹材的采伐，切断，去青皮，去竹黄，去竹节，刨削等，上述工序的加工质量和成本直接影响了竹材的利用效率和经济效益，因此需要研究各加工工艺所需要的机械装备，为竹材的高效、低成本应用提供装备支撑。 与此同时，现在使用的装备和工艺越来越不能满足现代竹产业的发展需求 ，在一定程度上阻碍了竹工机械的发展，乃至我国林业的前进步伐。现有竹材加工主要靠手工或简单的机械来完成，传统加工工具所需要的工作量较大，耗费的时间也较长，同时对操作工人的熟练度有较大要求，因而生产成本高、加工效率低、安全性能差，无法满足高效率和高质量的竹材加工生产需求。同时由于工作条件差，技术水平低，无法获得较多的劳动力，导致竹木制品得不到市场认可，从而处于劣势。由于竹材初加工受到资源分布区域和加工过程中对劳动力要求较高的因素制约，导致国竹材初加工机械非常匮乏，参与竹材初加工机械开发的企业及研究机构十分有限 , 这也是长期以来竹材初加工机械一直处于半自动化状态的重要原因。

2. 国内外研究现状分析

目前市场上数控剖竹机面临的最大障碍是人工对心，整体精度不高，剖分的竹条规格不一，使得后期加工困难。同时人工对心操作危险系数高，严重制约着竹材初加工的发展。由于竹材胸径大小不同，竹材的剖分开条所用刀具也不同，目前市场上的剖竹机的刀具多采用人工换刀，操作繁琐，竹条规格不易控制。

国外竹资源主要集中在孟加拉、印度、斯里兰卡及马来西亚等南亚和东南亚国家以及日本地区，在这些地区竹材加工机械得到一定的发展，其中日本比较突出。上世纪30年代后，日本使用电动机械设备加工竹产品，竹材加工领域开始进入机械生产，促进了竹产品由手工生产转为机械生产。上世纪50～60年代，竹材加工机械设备生产应用区域重心由日本转向我国台湾地区。上世纪70～80年代，台湾竹材工业和竹工机械行业达到了鼎盛时期。但受到外在因素和国际经济的影响，台湾竹材工业和竹工机械行业走向衰退，随之初级破竹设备等竹材加工机械的重心转移到我国内地 。从全球竹材加工机械行业而言，包括竹材破竹设备在内的整个竹材加工机械行业是落后的，制造研发能力还处于起步阶段，科技能力远远滞后于其他机械加工行业。

在20世纪70年代以前，我国竹材加工业经历了几千年漫长历史的篾刀、手钻、手锯等传统落后生产方式。70年代初期，我国开始采用热压机生产竹席胶合板，供包装、建筑行业使用。1984年我国大陆首次从海外转口引进中国台湾省锦荣机器厂的卫生筷生产线 。与此同时，我国科技人员经过国外和跨行业引进消化技术，竹材加工机械设备的研制工作也随之起步。从上世纪80年代初期开始，我国的企业人员通过引进国外技术，促使竹材开始进入半机械化进程，简单撞击式破竹机开始出现，并得到大规模的应用。 进入21世纪后，简单撞击式破竹机已不能满足竹材机械化生产的要求，业界开始对竹材破竹设备进行研发，进行了一些初步的探索。东北林业大学吴哲等研究了一种数控竹材剖分加工机床。该设备主要是设计了一种可自动对心的弹簧支承机构，利用多边形卡槽固定竹材，根据竹材的质量压迫弹簧到达一个固定位置，使其完成对心。该设备需要了解计算竹材密度与湿度，容易使对心产生较大误差，竹材在破竹推进过程中会偏离中心，竹材破竹质量和效率得不到保证。湖北省林业科学院的孙晓东等在原有撞击式破竹机的基础上进行改造，设计出弹力夹紧式去内节破竹机。该设备将开条与去内节两道工序合二为一，设计一种刀盘前端为开条刀片，在刀盘末端加上去内节刀具，使得竹材在开条之后完成去内节。该设备刀盘结构较为复杂，破竹和去内节不能很好地协调加工，影响了去内节质量，同时也导致开条质量无法得到保证。 南宁职业技术学院的诸小丽对竹签成型机中的破竹机进行了研究，提出在原破竹机上安装气动机械手、送料装置的自动化改造方案。该设备方案提出在喂料机构之前加入一个3自由度的机械手，可完成竹材的机械对心和竹材直径的测量，方便刀具的精确选用。同时该方案也提出在末端利用传送带完成自动送料。但一般开条机械用于中小型竹木加工工厂，机械手是否会使得设备成本上升，导致工厂产品成本上升？同时机械手测量内径之后，依旧需要手动选择刀具，未解决根本问题，目前开来数控系统控制选择刀具，是较好的选择。由于设备未涉及对中系统的设计，用于实际生产有待于进一步研究 。东北林业大学的杨春梅等对剖竹机上料机构的设计中，对上料机构的参数进行确定及计算，计算出前轴的转速等相关数据 ，该设备仅针对上料做了设计，对大量原竹材料进行运输，分拨。但如果上料机构设计的过于复杂庞大，是否会使得整体机械重量过于大。姜新波等设计了剖竹机自动对心机构，研究了竹材重量与竹材中心的关系。该设计是吴哲等人的设计的改进版本，在原有的基础上，增加至3组支撑机构来完成自动对心。这样避免了前面所提到的不够稳定的问题，但是，竹材长达2~3米，每一段竹材的质量是否存在差异，若有差异，是否会导致竹材对弹簧的压力存在不同，从而使竹材倾斜，导致对心无法精准。由于该设计未考虑竹材重量等因素存在变异性较大的问题，对中时可能会存在较大误差。邢力平等设计了数控剖竹机自动换刀机构，研究了竹材质量与竹材大头横截面之间的关系。该设计主要设计一种自动更换刀片的设备，根据需求将刀具库里的合适刀具横向推出，再由推杆纵向将刀具固定到刀盘上。但该设计不能保障换刀的准确性，如何将刀具精准的和刀盘完成固定，该设计并未作详细描述。袁聪等对伞状自定心剖竹刀结构进行了设计，但没有用于实际的制造和生产，以老式的人工破竹机为机床，加工效率、安全性等受到影响 。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

1.前期通过查阅国内外文献资料，查找国内外现有竹木加工设备厂商，对其相应产品进行了解，对目前原竹加工工艺以及现有技术水平进行熟悉和了解，考虑到研究的针对性，着重对加工工序中开条这一工艺进行研究，了解现有机械的开条工序的优点和不足之处。

2.随后对加工原竹材料进行研究，根据市场需求，选择合适的原材料，并确定其物理特性（质量，切削力等），化学特性等，从而在设计机械时能将其考虑进去，保证机械的合理性，实用性。

4. 研究创新点

目前依靠单个或多组弹簧支承来完成自动对心，然而此类设计大多存在竹材运送过程中不够稳定，或竹材质量考虑不够周全的问题，导致实际生产过程中并不能精确对心。 本设计将针对剖竹机的对心机构做优化设计，解决现有设计问题，同时使结构简洁，仅依赖简单机械完成自动对心。