автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Обоснование и разработка автоматизированного метода определения размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов

На правах рукописи

Захаров Максим Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2004

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор

Алексеев А.Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Копейкин A.M.

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Щеглов В.Ф.

Ведущая организация ОАО «Северолесоэкспорт»

Защита диссертации состоится 2 июня в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 в Архангельском государственном техническом университете (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд. 1228).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В условиях постоянного развития технологии лесопиления, повышения эффективности использования лесосырьевых ресурсов, снижения затрат и потерь сырья, вопрос о совершенствовании способов и методов определения размерных характеристик пиловочного сырья и учета приобретает большое значение.

Существующие визуальные способы измерения геометрических параметров круглых лесоматериалов достаточно субъективны и не отвечают условиям получения качественной информации для правильного выполнения технических операций. Известные автоматизированные измерительные устройства позволяют анализировать плоскую форму поперечных сечений сортиментов в одной или двух направлениях. Получение пиломатериалов заданных размеров зависит от размерно-качественных характеристик сырья, точности сортирования по диаметрам, правильности ориентации сортиментов при раскрое, а это, в свою очередь, зависит от характеристик пиловочника, формы продольного и поперечного сечений, точности измерения параметров. В современных условиях автоматизации эта задача приобретает важное значение.

Повышение информативности измерительных операций, совершенствование методов обработки информации, технических средств измерения, контроля и учета геометрических параметров являются основными направлениями разработки и создания современных эффективных технологий и оборудования лесопильного производства.

Эффективность выхода пилопродукции во многом зависит от технологичности учета размеров и формы круглых лесоматериалов. Существующие автоматизированные системы определения и учета размеров сечений сортиментов не обеспечивают решение отмеченных задач. Поэтому разработка новых способов определения размеров сечений сортиментов, способствующих повышению точности и технологичности измерений, совершенствование существующих методов учета являются актуальными.

Цель и задачи исследований Цель работы - обоснование и разработка автоматизированного метода определения размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов.

Для достижения поставленной цели решению подлежали следующие задачи:

- анализ существующих методов определения и учета геометрических параметров круглых лесоматериалов и определение направлений их совершенствования;

- разработка методики определения геометрических параметров круглых лесоматериалов с учетом их формы;

- научное обоснование и разработка метода измерений размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов,

- определение технологических параметров измерителя поперечных сечений круглых лесоматериалов;

- экспериментальная проверка точности измерительных операций при определении размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов. Методы исследований.

При выполнении теоретических и экспериментальных исследований применялись методы математической статистики и теории вероятностей.

При разработке математического аппарата применялись методы аналитической геометрии, математического анализа и математического моделирования и вычислительной математики с использованием современных средств вычислительной техники. Разработка математического аппарата проводилась с применением программы Mathcad 8.0, алгоритм практически реализован на языке Pascal в среде Turbo Pascal 7.0.

Для обработки экспериментальных данных использовались программы Microsoft Excel 2000 и Statistica 6.0. Научная новизна работы.

- разработан способ определения геометрических параметров сортиментов на основе контрольно-измерительной системы, включающей измерительный датчик кольцевой формы;

- разработана математическая модель поперечного сечения сортимента, восстанавливающая форму его сечения на основе получаемых с кольцевого измерителя данных;

- разработан алгоритм процесса бесконтактных измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов;

- разработан математический аппарат процесса измерений, включающий в себя математическую модель поперечного сечения круглого сортимента, алгоритм процесса измерений и алгоритм обработки получаемой информации; даны характеристики математического аппарата, обоснованы его элементы, приведены рекомендации по его практической реализации;

- установлены пределы технологической точности измерения формы сечения сортимента кольцевым измерителем, их зависимость от параметров измерителя и процесса измерений.

Практическая значимость работы. Предложен и разработан способ измерений поперечных размеров сортиментов, обоснованы его параметры. Предложенный способ измерений может быть использован при проектировании промышленных измерительных установок для лесопильного производства. На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических параметров измерителя размеров сечений круглых лесоматериалов;

- научно обоснованные способ и техническое решение определения размеров сечений круглых лесоматериалов;

- технологическое и информационное обеспечение метода измерительного контроля размеров сечений круглых лесоматериалов и методика процесса измерений поперечных размеров и площади сечений сортиментов с учетом их реальной формы.

Реализация результатов. Предложенный и разработанный способ измерений практически реализован в экспериментальной измерительной установке.

Результаты исследований нашли отражение в методических указаниях «Определение геометрических размеров круглых лесоматериалов на измерителе кольцевой формы», применяемых в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на: международных научно-практических конференциях «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск, 2000 г.), «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2000 г.), «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2001 г.), региональной выставке «Лес и деревообработка» (г. Архангельск, 2001 г.), всероссийских научно-технических конференциях «Молодые исследователи - региону» (г. Вологда, 2003 г.), «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, 2004 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава (1999 г., 2002 г.).

Экспериментальная установка экспонировалась и отмечена дипломом 2 степени на всероссийской выставке-ярмарке «Иннов-2003» в г. Новочеркасске.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 83 наименований, приложений. Основное содержание работы изложено на 157 страницах, включает 80 рисунков, 27 таблиц.

Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, необходимость развития новых способов измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов.

В первой главе дана характеристика систем машинного зрения и решаемых при их использовании задач в технологических процессах лесопиления; предложены пути решения задач анализа видеоизображений; приводятся структура и особенности фотоэлектрических датчиков для определения геометрических размеров круглых лесоматериалов; рассмотрены основы построения виртуальных анализаторов и их применения в системах мониторинга состояния непрерывных технологических процессов; изучен подход к задаче построения унифицированной системы виртуального мониторинга на основе типовых виртуальных анализаторов. Этими вопросами занимались научно-исследовательские организации ЦНИИМОД, КарНИИПП, СибТИ, ЦНИИлесосплава, СибНИИПП, ЦНИИМЭ, ВЛТИ, ЛТА, ученые Петровский B.C., Калитеевский Р.Е., Розенблит М.С., Курицын А.К и другие.

Рис. 1. Фотоэлектрические способы измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов

Фотоэлектрические способы измерения параметров сортиментов подразделяются на несколько групп (рис. 1): с механической разверткой луча (рис. 1, а, б, и, л), со сложной оптической системой (рис. 1, в, г, д, к), с большим количеством групп (линеек) «излучатель - фотоприемник» (рис. 1, е, ж, з).

Отмечено, что из существующих измерителей геометрических параметров круглых лесоматериалов наилучшими достоинствами обладают устройства, которые получают информацию путем непосредственной регистрации пересечения светового луча объектом. Датчики подключаются к ЭВМ, которая обеспечивает работу измерителя в различных режимах. Измерения проводятся в двух или даже в трех направлениях, что не только повышает точность измерений, но и позволяет определять форму сечения сортимента. Однако измерители такого рода уже достигли предела в своем развитии и дальнейшее увеличение разрешающей способности и частоты сканирования не приводит к качественному улучшению процесса измерений. Повышение эффективности измерений геометрических параметров сортиментов требует разработки новых способов измерений, в которых должны сочетаться достоинства известных фотоэлектрических способов (точность, скорость, надежность) с высокой информативностью результатов измерений.

Во второй главе приведены результаты анализа методов приемки, контроля и учета круглых лесоматериалов.

Основополагающие стандарты, определяющие и устанавливающие нормы и правила учета круглых лесоматериалов, приведены на рис. 2. Они содержат методы учета круглых лесоматериалов, которые подразделяются на методы поштучного измерения объема, методы группового измерения объема, методы контроля качества и приемки. Известные стандартные методы имеют отличия друг от друга, но не столько в методах измерения геометрических параметров, сколько в принципах перевода этих измеренных параметров в объем. Приведено сопоставление четырех методов поштучного определения объема: ГОСТ 2708-75, математическая модель ГОСТ 2708-75, ОСТ 13-303-92, РД 13-2001-00.

ГОСТ 2708-75 включает в себя таблицы, по которым можно определить объем сортимента по известным длине и вершинному диаметру. Собственно измерение диаметра и длины проводится в соответствии с ГОСТ 2292-88. ГОСТ 2708-75 применяется наиболее часто, но он имеет недостаток - сбег всех круглых лесоматериалов считается нормальным (1 см/м). Таким образом, он может завышать или занижать объем лесоматериалов. Другой недостаток этого стандарта - отсутствие точной математической модели для вычисления объема, что усложняет вычисление объемов на ЭВМ.

Существующая математическая модель ГОСТ 2708-75 является приближенной. Величина расхождения имеет большой разброс при малых диаметрах и/или длинах круглых лесоматериалов (от 0% до 16%), это связано с большой дисперсией таблиц ГОСТ 2708-75. При использовании средств измерений математическую модель применять не следует. Программа для ЭВМ, обрабатывающая результаты измерений, должна непосредственно использовать ГОСТ 2708-75.

Рис. 2. Классификация стандартных методов учета круглых лесоматериалов

При разработке ОСТ 13-303-92 учтены недостатки ГОСТ 2708-75: внедрено несколько различных методов поштучных измерений, есть поправка на сбег, присутствует метод, позволяющий реализовать автоматизированные измерения, для каждого метода есть математическая модель. Он имеет недостатки: завышение объемов круглых лесоматериалов с диаметром до 20 см по сравнению с ГОСТ 2708-75 и занижение для круглых лесоматериалов с диаметром более 36 см, что делает его более выгодным для покупателя круглых лесоматериалов, чем для продавца.

Наиболее доработанным является РД 13-2001-00 - он содержит необходимые термины, определения и правила при торговле круглыми лесоматериалами, включает в себя все методы измерения объема лесоматериалов при поставке на экспорт, правила контроля и приемки. Унифицированы несколько методов измерений, присутствует метод, способствующий реализации автоматизированных измерений, для каждого метода есть математическая модель. Завышен объем круглых лесоматериалов с диаметром до 20 см по сравнению с ГОСТ 2708-75 и занижен для круглых лесоматериалов с диаметром более 36 см, что делает его более выгодным для покупателя круглого леса, чем для продавца (как и ОСТ 13-303-92).

о -20 -

6 10 14 22 30 38 46 54 62 70 78 86 94 102 110 118 Рис. 3. Различие в определении объема по разным стандартам

Занижен объем круглых лесоматериалов по сравнению с ОСТ 13-303-92, но это отклонение очень незначительно по сравнению с отклонением от ГОСТ 2708-75.

Большое значение имеет внедрение автоматизации измерений и ее стандартизация. Средства автоматизации следует применять во всех случаях, когда они позволяют проводить операции по измерениям, регистрации и обработке результатов с затратами и точностью, сопоставимыми с затратами и точностью операций, выполняемых инструментальными средствами.

В третьей главе приведен анализ способа измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов, обоснованы его параметры, разработан математический аппарат процесса измерений и обработки данных, дана теоретическая оценка погрешности измерений.

Рис. 4. Схема процесса измерений: 1 - рама датчика; 2 - фотоприемники; 3 - излучатели света

Устройство датчика измерителя позволяет каждому фотоприемнику измерить сечение сортимента в двух точках (рис. 4).

Предлагаемый способ измерений предусматривает следующую последовательность действий.

Рис. 5. Математический аппарат процесса измерений и обработки данных

Поочередно включаются все излучатели; если в створе рамы нет сортимента, то каждый излучатель освещает все фотоприемники, вызывая их срабатывание. Если внутри рамы находится измеряемый объект и он перекрывает одну (или несколько) линий излучатель-фотоприемник, то соответствующий фотоприемник не сработает. За один цикл прохода по излучателям образуется сеть лучей, охватывающая измеряемый объект (рис. 4). Структура математического аппарата (МА) процесса измерений и обработки данных приведена на рис. 5.

1. Алгоритм обработки получаемых данных преобразует информацию, поступающую с измерительного датчика в коэффициенты математической модели (ММ) сечения сортимента. Алгоритм включает в себя разработанные ММ рамы измерителя и поперечного сечения сортимента.

2. Математическая модель рамы применительно к предлагаемому способу измерений является окружностью. Однако возможности МА несколько расширены усложнением ММ рамы так, чтобы она могла описывать не только окружность, но и более сложные фигуры.

3. ММ образующей поперечного сечения сортимента (1) является основой МА. Форма сечения определяется набором коэффициентов ММ (рис. 7).

.....а»(Л0|А.....ол, где (1)

0,{ф) = ахф-ф1? ^М-ф^ +с,{ф-ф,) + <1<

4. Найденные коэффициенты ММ сечения сортимента однозначно определяют восстановленную форму сечения. ММ дает возможность определять любые геометрические параметры сечения сортимента, в частности, диаметры в любом направлении, площадь сечения, длину образующей поверхности сечения.

Рис. 6. Структурная схема процесса измерений

Структурная схема алгоритма МА приведена на рис. 6. Светолучевая сеть не является сплошной, ее плотность (а значит, и погрешность измерений) зависит от диаметра рамы, количества излучателей и количества фотоприемников. Оптимальное количество фотоприемников - 4 (по критерию минимальной погрешности и минимального количества фотоприемников). Диаметр рамы должен быть такой, чтобы светолучевая. сеть смогла охватывать лесоматериалы самых больших диаметров. Для круглых лесоматериалов с диаметром до 60 см и с запасом 20 см минимально необходимый диаметр рамы составляет 120 см.

Плотность светолучевой сети неравномерна: в центре рамы она менее плотная, чем по краям (рис. 8).

Рис. 8. Зависимости погрешности измерений от количества излучателей (а) и от конфигурации рамы (б)

При диаметре рамы 120 см и количестве излучателей 512 плотность будет составлять от 0,5 до 2 мм (ближе к центру рамы - погрешность больше). Это означает, что расчетная максимальная погрешность в определении положения одной точки на поверхности сечения может достигать 2 мм. При диаметре рамы 120 см и количестве излучателей 1024 максимальная погрешность не должна превышать 1 мм. Выдвинуто предположение, что погрешность в определении диаметра не превышает расчетной погрешности. Достоверность этого предположения проверена в главах 4 и 5.

В четвертой главе приведена методика экспериментального исследования. Предусматривались следующие этапы:

- оценка адекватности приведенного в главе 3 математического аппарата процесса измерений путем сравнения результатов автоматизированных и ручных измерений;

- оценка величины погрешностей измерителя в определении вертикального и горизонтального диаметров,

- определение различия между круговой формой сечения, построенной по известному диаметру (вертикальному) и формой сечения, измеренной экспериментальной установкой. Обе восстановленные формы сравнивали с действительной формой сечения, определяемой ручными средствами измерений.

Предложенный способ измерения формы сечения круглых лесоматериалов реализован в экспериментальной измерительной установке (рис. 9). Она включает в себя измерительный датчик кольцевой формы, управляющую ПЭВМ, устройство сопряжения для подключения датчика к ПЭВМ, управляющую программу.

Измерительный датчик имеет следующие параметры: количество фотоприемников - 4, диаметр рамы - 80 см, количество излучателей - 64. Расчетная максимальная погрешность в определении положения одной точки на поверхности сечения составляет 2 см.

Рис. 9. Экспериментальная установка: 1 - рама измерительного датчика; 2 - фотоприемник; 3 - устройство сопряжения; 4 - ПЭВМ

В качестве объектов исследования были подготовлены срезы круглых лесоматериалов толщиной около 7 см и различных диаметров. Каждый образец обмерялся двумя способами: на экспериментальной установке (автоматизированное измерение) и вручную (ручное измерение) Таким образом, геометрические параметры каждого образца (диаметры (11 и (12, площадь сечения Б, длина образующей сечения Ц) измерены двумя способами: автоматизированным и ручным

Оценка адекватности предложенного математического аппарата процесса измерений и определение величины погрешности измерения геометрических параметров поперечных сечений круглых лесоматериалов на экспериментальной установке включали следующие шаги.

а) Проверка гипотезы о нормальном распределении измеренных геометрических параметров с помощью показателей асимметрии и эксцесса

б) Адекватность математического аппарата процесса измерений оценивается проверкой однородности средних арифметических (по 1-1фитерию Стьюдента) и дисперсий (по О-критерию Кохрена) (11, (12, Ь, Б, измеренных на экспериментальной установке и вручную.

в) Определяются оклонения данных ручных измерений от данных автоматизированных измерений

Строятся точечные диаграммы Д(11, Д(12, ДЪ, ДБ, визуально оцениваются и определяются максимальные величины погрешностей.

Методика исследования точности определения формы сечений круглых лесоматериалов при разных способах измерений включала в себя определение различия между круговой формой сечения Фи, построенной по известному диаметру (вертикальному) и формой сечения измеренной экспериментальной установкой Обе восстановленные формы сравнивали с действительной формой сечения Фд, определяемой ручными средствами измерений.

^_в,_

0,/2

Рис. 10 Измерение координат точек на образующей сечения сортимента

Формой сечения считается набор точек на его поверхности (образующей) -Точность в определении форм одного и того же

сечения оценивается по величине площадей сегментов, образованных перекрытием этих форм с действительной формой Фд (рис. 11). Суммарная разница площадей ЕДБ характеризует точность в измерении формы сечения. Разность ДБ между завышенной S+ и заниженной S. площадями характеризует систематическое завышение или занижение площади сечения. Значимость расхождений между формами оценивалась по ^критерию Стьюдента и G-критерию Кохрена.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Результаты сопоставления экспериментальных данных автоматизированных и натурных геометрических (ручных) измерений, а также статистических оценок выборок показали отсутствие значимой разницы между анализируемыми способами измерений. Это свидетельствует о достоверности предложенного способа измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов. Максимальная погрешность измерения диаметра на экспериментальной установке совпала с теоретически рассчитанной (2 см). Указанное дает основание утверждать о правомерности теоретических положений по обоснованию параметров измерителя кольцевой формы и процесса измерений, а также об адекватности разработанного математического аппарата процесса измерений. В целом

результаты теоретических и экспериментальных исследований определяют целесообразность

практического применения метода.

Точность в определении формы сечения практически не зависит от неравномерной плотности

светолучевой сети кольцевого измерителя. Кольцевой измеритель не дает ощутимой систематической погрешности в определении площади поперечного сечения сортимента. Существующая погрешность имеет случайный характер (подчиняется

нормальному закону). Средняя относительная погрешность в определении площади сечения круглого лесоматериала на кольцевом измерителе слабо зависит от его диаметра и составляет около 10-13% при диаметре рамы измерителя 80 см и количестве излучателей 64.

Форма поперечного сечения сортимента, определенная по данным получаемым с кольцевого измерителя, точнее соответствует действительной форме сечения, чем круговая форма, восстановленная по единственному диаметру.

в декартовых координатах в полярных координатах

Рис. 13. Формы сечения образца при разных методах измерений: Фк- измеренная на кольцевом измерителе; Фд-действительная форма; Фи - круговая форма

Общие выводы и рекомендации

В результате проведенных исследований отмечено:

1. Бесконтактные фотоэлектрические методы измерений геометрических размеров пиловочника имеют преимущества по сравнению с другими методами. Наибольшими достоинствами обладают методы на основе групп «излучатель(и)-фотоприемник», не имеющие механических узлов и сложной оптической системы.

2. Проведен сопоставительный анализ различных стандартизированных методов приемки, контроля и учета пиловочника. Одновременно действующие стандарты имеют различия, особенно в методах поштучного определения объемов пиловочника. Автоматизированная контрольно-измерительная система учета круглых лесоматериалов должна включать в себя возможность выбора метода определения объемов.

3. Обосновано направление развития фотоэлектрических способов измерения геометрических параметров круглых лесоматериалов. Качественное улучшение измерения формы поперечного сечения сортимента может быть достигнуто повышением количества измеряемых точек на его поверхности, что

требует разработки нового подхода в измерениях на основе фотоэлектрических способов.

4. Научно обоснован новый способ измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов на основе контрольно-измерительной системы, включающей в себя измерительный датчик кольцевой формы.

5. Разработан математический аппарат процесса измерений, включающий в себя математическую модель рамы измерительного датчика, математическую модель поперечного сечения сортимента, алгоритмы управления измерителем и обработки измеренных данных, определение геометрических параметров поперечного сечения сортимента по известной математической модели. Обоснованы принципы и характеристики процесса измерений.

6. Определена математическая зависимость, связывающая плотность светолучевой сети с основными параметрами измерительного датчика. Дана аналитическая оценка возможной погрешности в определении положения точек на поверхности сечения при различных параметрах датчика.

7. Обоснован выбор основных параметров измерительного датчика: количества фотоприемников, диаметра рамы, количества излучателей. Оптимальное количество фотоприемников составляет 4 независимо от других параметров и оно является основной характеристикой предложенного способа измерений. Оптимальным диаметром рамы (120 см) является минимально возможный ее диаметр при максимально возможном диаметре сортимента. Необходимое количество излучателей может быть определено по приведенной математической зависимости.

8. На основании экспериментальных исследований изучено влияние различных факторов на точность определения формы поперечного сечения сортимента кольцевым измерителем.

9. Доказано, что форма сечения сортимента, определенная кольцевым измерителем, более точно соответствует действительной форме сечения, чем круговая форма, восстановленная по единственному измеренному диаметру.

10. Способ измерений, научно обоснованные параметры и техническое решение могут быть рекомендованы при разработке систем учета круглых лесоматериалов, сортирования и оптимальной ориентации в технологических процессах лесопильного производства.

11. Разработана и внедрена в учебный процесс методика определения основных технологических параметров измерителя кольцевой формы и процесса измерений размеров круглых лесоматериалов для подготовки студентов специальности 2102 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Основное содержание диссертации и результаты исследований представлены в следующих работах

1. Алексеев А.Е., Захаров М.В. Сканирование параметров круглых лесоматериалов с использованием метода индивидуальных моделей при автоматизированном учете // Повышение эффективности энергетических систем и оборудования: Сб. науч. тр. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 1999. - С. 15-19.

2. Алексеев А.Е., Захаров М.В., Бедердинова О.И. Совершенствование методов контроля и учета на основе результатов автоматического измерения параметров бревен // Вклад ученых АГТУ в развитие науки и техники. Сборник научных трудов / АГТУ. - Архангельск, 1999. - С. 291-296.

3. Захаров М.В. Экспериментальная установка для измерения геометрических характеристик пиловочного сырья // Новые материалы и технологии на рубеже веков: тезисы докладов международной науч.-техн. конференции. Сборник материалов, ч. 2. - Пенза: Изд-во ПензГУ, 2000. - С. 157158.

4. Алексеев А.Е., Захаров М.В., Ефремов А.А., Вирин Д.Б. Измеритель геометрических параметров круглых лесоматериалов // Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы: Материалы междунар. науч.-практич. конф. - Новочеркасск: НАБЛА, 2000. - С. 19-20.

5. Алексеев А.Е., Захаров М.В., Ефремов А.А. Контрольно-измерительная система // Современные техника и технологии: Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Томск: Изд. ТПУ, 2001. - С. 162-163.

6. Захаров М.В. Математическая модель сечения бревна // Наука - северному региону. Сб. науч. тр. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 50-52.

7. Захаров М.В. Методы поштучного измерения и учета // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сб. науч. тр. -Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 68-70.

8. Алексеев А.Е., Захаров М.В., Ефремов А.А. Измеритель геометрических параметров круглых лесоматериалов // Совершенствование энергетических систем и технологического оборудования. Сб. науч. тр. - Архангельск: Изд-во АГТУ,

2002. - С. 30.

9. Захаров М.В. Совершенствование автоматизированного контроля параметров сортиментов. Молодые исследователи - региону: Материалы Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. - Вологда: ВоГТУ,

2003.-С. 163-164.

10. Захаров М.В., Ефремов А.А., Дудник Д.Б. Определение геометрических размеров круглых лесоматериалов на измерителе кольцевой формы: Методические указания к выполнению лабораторных работ. -Северодвинск: ФГУП ПО «Севмаш», 2003. - 37 с.

Сдано в произв. 27.04.2004. Подписано в печать 27.04.2004. Формат 60*84/16. Бумага писчая. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ № 89. Тираж 120 экз.

Отпечатано в типографии Архангельского государственного технического университета.

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

»11376

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Тенденция развития систем управления и контроля технологическими процессами.

1.2. Особенности оценки размеров при использовании систем технического зрения.

1.3. Принципы построения и структура информационного обеспечения в системах контроля и учета технологических параметров.

1.4. Особенности существующих способов измерения геометрических параметров круглых лесоматериалов.

1.5. Характеристика математического обеспечения.

1.6. Направление совершенствования метода автоматизированной оценки геометрических параметров сортиментов.

1.7. Выводы, цель и задачи исследований.

2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРИЕМКИ, КОНТРОЛЯ И УЧЕТА КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ.

2.1. Особенности методов приемки, контроля и учета круглых лесоматериалов.

2.2. Методы приемки и контроля качества.

2.3. Методы группового измерения объема.

2.4. Методы поштучного измерения объема.

В условиях постоянного развития технологии лесопиления, повышения эффективности использования лесосырьевых ресурсов, снижения затрат и потерь сырья, вопрос о совершенствовании способов и методов определения размерных характеристик пиловочного сырья и учета приобретает большое значение.

Существующие визуальные способы измерения геометрических параметров круглых лесоматериалов достаточно субъективны и не отвечают условиям получения качественной информации для правильного выполнения технических операций. Известные автоматизированные измерительные устройства позволяют анализировать плоскую форму поперечных сечений сортиментов в одной или двух направлениях. Получение пиломатериалов заданных размеров зависит от размерно-качественных характеристик сырья, точности сортирования по диаметрам, правильности ориентации сортиментов при раскрое, а это, в свою очередь, зависит от характеристик пиловочника, формы продольного и поперечного сечений, точности измерения параметров. В современных условиях автоматизации эта задача приобретает важное значение.

Повышение информативности измерительных операций, совершенствование методов обработки информации, технических средств измерения, контроля и учета геометрических параметров являются основными направлениями разработки и создания современных эффективных технологий и оборудования лесопильного производства.

Эффективность выхода пилопродукции во многом зависит от технологичности учета размеров и формы круглых лесоматериалов. Существующие автоматизированные системы определения и учета размеров сечений сортиментов не обеспечивают решение отмеченных задач. Поэтому разработка новых способов определения размеров сечений сортиментов, способствующих повышению точности и технологичности измерений, совершенствование существующих методов учета являются актуальными.

Целью работы является обоснование и разработка автоматизированного метода определения размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов.

Для достижения поставленной цели решению подлежали следующие задачи:

- анализ существующих методов определения и учета геометрических параметров круглых лесоматериалов и определение направлений их совершенствования;

- разработка методики определения геометрических параметров круглых лесоматериалов с учетом их формы;

- научное обоснование и разработка метода измерений размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов,

- определение технологических параметров измерителя поперечных сечений круглых лесоматериалов;

- экспериментальная проверка точности измерительных операций при определении размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов.

5.3. Выводы

Обобщение результатов экспериментальных исследований дает возможность сделать следующие выводы:

1. Результаты сопоставления экспериментальных данных автоматизированных и натурных геометрических (ручных) измерений, а также статистических оценок выборок показали отсутствие значимой разницы между анализируемыми способами измерений. Это свидетельствует о достоверности предложенного способа измерений геометрических параметров сортиментов. Максимальная погрешность измерения диаметра на экспериментальной установке совпала с рассчитанной теоретически (2 см). Указанное дает основание утверждать о правомерности теоретических положений по обоснованию параметров измерителя кольцевой формы и процесса измерений, а также об адекватности разработанного математического аппарата процесса измерений. В целом результаты теоретических и экспериментальных исследований определяют целесообразность практического применения метода.

2. Точность в определении формы сечения практически не зависит от неравномерной плотности светолучевой сети кольцевого измерителя. Кольцевой измеритель не дает ощутимой систематической погрешности в определении площади поперечного сечения сортимента. Существующая погрешность имеет случайный характер (подчиняется нормальному закону). Средняя относительная погрешность в площади сечения сортимента на кольцевом измерителе практически не зависит от его диаметра и составляет около 10-13% при диаметре рамы измерителя 80 см и количестве излучателей 64.

3. Форма поперечного сечения сортимента, определенная по данным получаемым с кольцевого измерителя, точнее соответствует действительной форме сечения, чем круговая форма, восстановленная по единственному диаметру.

4. Измерительная система на основе датчика с рамой кольцевой формы имеет преимущество над системой с датчиком со сходными параметрами, но измеряющим сортимент в одном направлении. Преимущество заключается в более точном измерении формы сечения сортимента, следовательно, и всей формы сортимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований отмечено:

1. Бесконтактные фотоэлектрические методы измерений геометрических размеров пиловочника имеют преимущества по сравнению с другими методами. Наибольшими достоинствами обладают методы на основе групп «излучатель(и)-фотоприемник», не имеющие механических узлов и сложной оптической системы.

2. Проведен сопоставительный анализ различных стандартизированных методов приемки, контроля и учета пиловочника. Одновременно действующие стандарты имеют различия, особенно в методах поштучного определения объемов пиловочника. Автоматизированная контрольно-измерительная система учета круглых лесоматериалов должна включать в себя возможность выбора метода определения объемов.

3. Обосновано направление развития фотоэлектрических способов измерения геометрических параметров круглых лесоматериалов. Качественное улучшение измерения формы поперечного сечения сортимента может быть достигнуто повышением количества измеряемых точек на его поверхности, что требует разработки нового подхода в измерениях на основе фотоэлектрических способов.

4. Научно обоснован новый способ измерений геометрических параметров круглых лесоматериалов на основе контрольно-измерительной системы, включающей в себя измерительный датчик кольцевой формы.

5. Разработан математический аппарат процесса измерений, включающий в себя математическую модель рамы измерительного датчика, математическую модель поперечного сечения сортимента, алгоритмы управления измерителем и обработки измеренных данных, определение геометрических параметров поперечного сечения сортимента по известной математической модели. Обоснованы принципы и характеристики процесса измерений.

6. Определена математическая зависимость, связывающая плотность светолучевой сети с основными параметрами измерительного датчика. Дана аналитическая оценка возможной погрешности в определении положения точек на поверхности сечения при различных параметрах датчика.

7. Обоснован выбор основных параметров измерительного датчика: количества фотоприемников,, диаметра рамы, количества излучателей. Оптимальное количество фотоприемников составляет 4 независимо от других параметров и оно является основной характеристикой предложенного способа измерений. Оптимальным диаметром рамы (120 см) является минимально возможный ее диаметр при максимально возможном диаметре сортимента. Необходимое количество излучателей может быть определено по приведенной математической зависимости.

8. На основании экспериментальных исследований изучено влияние различных факторов на точность определения формы поперечного сечения сортимента кольцевым измерителем.

9. Доказано, что форма сечения сортимента, определенная кольцевым измерителем, более точно соответствует действительной форме сечения, чем круговая форма, восстановленная по единственному измеренному диаметру.

10. Способ измерений, научно обоснованные параметры и техническое решение могут быть рекомендованы при разработке систем учета круглых лесоматериалов, сортирования и оптимальной ориентации в технологических процессах лесопильного производства.

11. Разработана и внедрена в учебный процесс методика определения основных технологических параметров измерителя кольцевой формы и процесса измерений размеров круглых лесоматериалов для подготовки студентов специальности 2102 «Автоматизация технологических процессов и производств».

1. А. с. 1006911 G 01 В 5/08. Устройство для измерения объемов бревен / Л.Ш. Каган-Барский, В.П. Матвеев, Э.Я. Руцис, А.И. Алексеев. - № 3305630/25-28; Заявлено 22.06.81; Опубл. 23.03.83, Бюл. № 11. - С. 220.

2. А. с. 1315798 G 01 В 11/08. Устройство для измерения диаметров древесного сырья / Л.Г. Хижняков. № 4008531/24-28; Заявлено 17.01.86; Опубл. 07.06.87, Бюл. № 21. - С. 282.

3. А. е. 1479814 G 01 В 5/08. Устройство для измерения торцов бревен и пиломатериалов / И.А. Овсянников. № 4218061/25-28; Заявлено 04.03.87; Опубл. 15.05.89, Бюл. № 18. - С. 167.

4. А. с. 1479821 G 01 В 11/00. Устройство для контроля линейных размеров / А.Б. Лысов. № 4296015/24-28; Заявлено 14.08.87; Опубл. 15.05.89, Бюл. № 18.-СЛ68.

5. А. с. 1490465 G 01 В 11/00. Способ измерения размеров объекта / В.Н. Аноховский. -■№ 4225082/25-28; Заявлено 06.04.87; Опубл. 30.06.89, Бюл. №24.-С. 190.

6. А. с. 1608414 G 01 В 5/08. Устройство для измерения поперечных размеров лесоматериалов / Б.П. Плотвинов. — № 4612825/25-28; Заявлено 01.12.88; Опубл. 23.11.90, Бюл. № 43. С. 138.

7. А. с. 1647240 G 01 В 11/08. Устройство для измерения диаметров древесного сырья / Л.Г. Хижняков. № 4674607/28; Заявлено 06.04.89; Опубл. 07.05.91, Бюл. № 17.-С. 115.

8. А. с. 290166 G 01 В 11/08. Фотоэлектрический датчик диаметров бревен / В.Г. Цигель, В.Ф. Чернов, Б.В. Ковылов. № 1345983/29-33; Заявлено 07.07.69; Опубл. 22.12.70, Бюл. № 2. - С. 122.

9. А. с. 355479 G 01 В 5/08. Способ определения диаметров круглых лесоматериалов / Д.В. Иващенко, В.Н. Горностаев. № 1453583/29-33; Заявлено 06.07.70; Опубл. 16.10.72, Бюл. № 31. - С. 140.

10. А. с. 968580 G 01 В 5/08. Способ определения объема бревен / JI.IH. Каган-Барский. №3276168/25-28; Заявлено 16.04.81; Опубл. 23.10.82, Бюл. №39.-С. 225.

11. А. с. 991094 G 01 N 33/46. Фотометрический способ определения объема и качества круглых лесоматериалов / З.П. Мартынюк. № 99109434/28; Заявлено 28.04.99; Опубл. 10.20.2001, Бюл. №17. -С. 112.

12. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в лесной промышленности: Сборник трудов ЦНИИлесосплава / P.E. Василькова, C.B. Виноградов, Ф.Е. Захаренков, М.Н. Фоминцев, В.А. Щербаков. М.: Лесная пром-сть, 1981. - 103 с.

13. Айвазян С.А., Енюков И. С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей // Под ред. С.А. Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1985. — 232 с.

14. Аксенов П.П. Технология пиломатериалов. М.: Лесная пром-сть, 1976.-479 с.

15. Александров А.Г., Панин С.Ю. Система ГАММА-IPC для синтеза регуляторов многомерных систем // Автоматизация в промышленности. — 2003. № 2. - С. 14-16.

16. Алексеев А.Е., Захаров М.В., Ефремов A.A. Измеритель геометрических параметров круглых лесоматериалов // Совершенствование энергетических систем и технологического оборудования. Сб. науч. тр. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 30

17. Алексеев А.Е., Захаров М.В., Ефремов A.A. Контрольно-измерительная система // Современные техника и технологии: Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Томск: Изд. ТПУ, 2001. С. 162-163

18. Анисимов П.М., Кореневич JIM. Множительные таблицы для исчисления объема круглых лесоматериалов. Краткий справочник. -Изд. 3-е. -М: Лесн. пром-сть, 1990. 72 с.

19. Бермант. А.Ф. Курс математического анализа. -М.Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951. 435 с.

20. Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. — 656 с.

21. Васильков Ю.В., Василькова H.H. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб. пособие. -Финансы и статистика, 1999.-256 с.

22. Вечкасов И.А., Кручинин H.A. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области. М.: Химия, 1977. - 280 с.

23. Вознесенский B.JI. Первичная обработка экспериментальных данных. — М.: Высшая школа, 1983. 264 с.

24. Гершберг А.Ф., Мусаев. A.A., Назик A.A., Шерстюк Ю.М. Концептуальные основы информационной интеграции АСУ ТП нефтеперерабатывающего предприятия: СПб. — Альянс-строй. — 2003.- 38 с.

25. ГОСТ 17461-84. Технология лесозаготовительной промышленности. Термины и определения. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. - 23 с.

26. ГОСТ 17462-84. Продукция лесозаготовительной промышленности. Термины и определения. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. - 20 с.

27. ГОСТ 18288-87. Производство лесопильное. Термины и определения. -Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. -18 с.

28. ГОСТ 22296-893. Балансы для экспорта. Технические условия. -Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. 6 с.

29. ГОСТ 22299-76Э. Бревна пиловочные лиственных пород, поставляемые для экспорта. Технические требования. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. —6 с.

30. ГОСТ 22299-76Э. Бревна пиловочные лиственных пород, поставляемые для экспорта. Технические требования. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996.7 с.

31. ГОСТ 2292-88. Лесоматериалы круглые. Маркировка, сортировка, транспортирование, методы измерения и приемка. -Взамен 2292-74; Введ. с 21.04.88. -М.: Издательство стандартов, 1990,- 12 с.

32. ГОСТ 23827-79. Сырье древесное тонкомерное. Технические условия. -Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. 6 с.

33. ГОСТ 24297-80. Входной контроль продукции. Основные положения. -Введ. с 01.07.81. -М.: Издательство стандартов, 1980. 11 с.

34. ГОСТ 2708-75. Лесоматериалы круглые. Таблицы объемов. -М.: Издательство стандартов, 1999. — 26 с.

35. ГОСТ 8486-86. Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия. -Химки: «ЦНИИМЭ», 1996.- 14 с.

36. ГОСТ 9462-88. Лесоматериалы круглые лиственных пород. Технические условия. Взамен 9462-71; Введ. с 01.01.91. - М.: Издательство стандартов, 1991. — 14 с.

37. ГОСТ 9463-88. Лесоматериалы круглые хвойных пород. Технические условия. Взамен 9462-72; Введ. с 01.01.91. - М.: Издательство стандартов, 1991. — 12 с.

38. Гутер P.C. и др. Программирование и вычислительная математика. -М.: Наука, 1965.-447 с.

39. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента / Под общ. ред. А.Н. Матвеева. -М.: Изд. МГУ, 1977.-111 с.

40. Долацис Я.А. Взаимодействие ИК-излучения на древесину. — Рига: Зинатне, 1973.-302 с.

41. Захаров М.В. Математическая модель сечения бревна // Наука -северному региону. Сб. науч. тр. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. -С. 50-52

42. Захаров М.В. Методы поштучного измерения и учета // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сб. науч. тр. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 68-70

43. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск: Наука и техника, 1969.-591 с.

44. Кармадонов А.Н. Дефектоскопия древесины. — М.: Лесн. пром-сть, 1987.-120 с.

45. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1986.-448 с.

46. Лакатош Б.К. Дефектоскопия древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1966. -182 с.

47. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. -М.: Советское радио, 1960. 520 с.

48. Леонов Л.В. Технологические измерения и приборы в лесной и деревообрабатывающей промышленности. -М.: Лесн. пром-сть, 1984. — 252 с.

49. Макаров В.Л., Хлобыстов В.В. Сплайн-аппроксимация функций. -Л.: Наука, 1969.-95 с.

50. Можегов H.A. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. М.: Энергоатомиздат, 1990. —120 с.

51. Монахов В.М. и. др. Методы оптимизации. Применение математических методов в экономике. Пособие для учителей. -М.: «Просвещение», 1978. -175 с.

52. Мусаев A.A., Шерстюк Ю.М. Архитектурные и технологические аспекты создания аналитических информационных систем // Тр. Межд. НТК ММТТ. СПб., 2000. - С. 18-21.

53. OCT 13-208-85. Лесоматериалы круглые. Геометрический метод определения объема и оценка качества при поставке в судах. Введ. с. 10.07.85. -М.: Издательство стандартов, 1985. - 12 с.

54. ОСТ 13-238-88. Сырье древесное. Групповой метод измерения объема по массе. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. - 14 с.

55. ОСТ 13-303-92. Лесоматериалы круглые. Методы поштучного измерения объема. — М.: Издательство стандартов — 17 с.

56. ОСТ 13-43-79. Лесоматериалы круглые. Геометрический метод определения объема и оценка качества лесоматериалов, погруженных в вагоны и автомобили. Взамен ОСТ 13-43-75; Введ. с 01.01.80. -М.: Издательство стандартов. - 14 с.

57. ОСТ 13-44-81. Лесоматериалы круглые. Методы геометрического обмера пучков для определения объема круглых лесоматериалов, поставляемых сплавом. Методы измерения и оценки качества. — М.: Издательство стандартов, 1985. 11 с.

58. ОСТ 13-59-82. Лесоматериалы круглые. Весовой метод определения объема и оценка качества. Взамен ОСТ 13-59-76; Введ. с 01.07.82. -М.: Издательство стандартов, 1985. - 9 с.

59. Остапчук В.Г., Кагановский И.П. Применение систем технического зрения в промышленности: Методич. рек. -М.: ЭНИМС, 1989. 37 с.

60. Павлов А.В., Черников А.И. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов. М: Энергия, 1972.-239с.• 66. Песоцкий А.Н. Лесопильное производство. М.: Лесная пром-сть, 1970.-432 с.

61. Петровский B.C. Автоматическая операция раскроя древесины стволов. -М.: Лесн. пром-сть, 1970. 183 с.

62. Пижурин А.А. Современные методы исследований технологических процессов в деревообработке. -М: Лесная пром-сть, 1972. 248 с.

63. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. — М: Энергоатомиздат, 1983.-150 с.

64. РД 13-0273685-01-89. Лесоматериалы круглые. Методы поштучного геометрического измерения объема. Введ. с 01.01.91. - Химки: «ЦНИИМЭ», 1990. - 7 с.

65. РД 13-2001-00. Лесоматериалы круглые. Методы измерения размеров и объема. Контроль качества. Приемка. Рекомендации. Введ. с. 01.09.00. - Химки: «ЦНИИМЭ», 2000. - 41 с.

66. РД 13-2-2-94. Сертификация круглых лесоматериалов. Обеспечение качества и безконфликтной приемки при заключении договора на поставку. Химки г «ЦНИИМЭ», 1996. - 10 с.

67. Серов Б.В., Запольский Б.А., Шехтер Я.С. Автоматизация сортировки и учета в лесопилении. Петрозаводск: Карельское книжное издательство, 1964. — 223 с.

68. Соболев И.В. Управление производством пиломатериалов. М.: Лесн. пром-сть. 1981. — 184 с.

69. Сорочкин. Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей. -Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1990. 365 с.

70. Справочник по лесопилению / Под ред. С.М. Хасдана. -М.: Лесная промышленность, 1980.-424 с.

71. Справочник по лесопилению./ Ю.А. Варфоломеев, И.С. Дружинин, Ю.А; Дьячков и др.; Под ред. А.М. Копейкина. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Экология, 1991. - 496 с.

72. Строков В.А., Кеткович A.A. Оптические методы и средства дефектоскопии/ЦНИИТЭ приборостроения. М.: 1978. - 40 с.

73. Суровцева Л.С. Планирование раскроя пиловочного сырья и реализации пилопродукции на базе персонального компьютера: Учебное пособие. Архангельск: РИО АГТУ, 1997. - 116 с.

74. ТУ 13-2-1-95. Балансы, поставляемые в Финляндию Технические условия. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. - 18 с.

75. ТУ 13-2-2-95. Балансы экспортные, поставляемые в Финляндию железнодорожным транспортом. Технические условия. Химки: «ЦНИИМЭ», 1996. - 22 с.

76. Турушев В.Г. Технологические основы автоматизированного производства пиломатериалов. М: Лесная пром-сть, 1975.-208 с.

77. У. Росс Эшби. Ведение в кибернетику. М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. - 432 с.