Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор научных трудов и существующих технологий получения заготовок 8
1.1 Обзор существующих технологий получения радиальных пиломатериалов, обоснование актуальности темы исследования 8
1.2 Обзор существующих технологий раскроя пиломатериалов на заготовки, способы автоматической идентификации макроскопических элементов древесины
1.3 Задачи исследований 46
Выводы и рекомендации 47
Глава 2. Методические положения проведения исследований ...49
2.1 Основные термины и определения, принятые в исследовании 49
2.2 Выбор способа получения радиальных заготовок 51
2.3 Методика исследований 55
2.4 Общее представление о форматах изображений в операционной системе WINDOWS. Выбор формата изображения 57
2.5 Сбор сведений о сечении пиломатериала 59
2.6 Подготовка изображения к формеудобной для анализа 65
Глава 3. Теоретическое построение анализа цифровых изображений сечений пиломатериалов 69
3.1 Определение угла наклона годичных колец в заданной точке 69
3.2 Построение математической модели наклона годичных колец к пласти по ширине пиломатериала 71
3.3 Анализ математической модели изменения угла наклона годичных колец к пласти по ширине пиломатериала 76
3.4 Составление схемы раскроя пиломатериала 78
Выводы и рекомендации 81
Глава 4. Экспериментальные исследования параметров анализа цифровых изображений годичных слоев сосновых пиломатериалов 83
4.1 Постановка задач, их обоснование 83
4.2 Определение необходимого количества опытов 84
4.3 Определение рациональных размеров скользящего окна фильтра Винера, анализ влияния размеров окна фильтра Винера на точность математической модели 85
4.4 Определение шага расстановки точек измерений по ширине пиломатериала вдоль оси Ох. Выявление влияния размера шага на адекватность модели 90
4.5 Влияние характера расположения годичных колец в торце на точность построения математической модели наклона годичных колец к пласти пиломатериала 99
4.6 Определение рационального уровня значимости теста Стъюдента для выявления грубых измерений 101
4.7 Определение максимально-допустимого значения среднеквадратического отклонения отдельных измерений от теоретической кривой изменения угла наклона годичных колец к пласти по ширине пиломатериала 105
4.8 Сведения о затратах машинного времени, необходимого для работы алгоритма по составлению схемы раскроя пиломатериала на радиальные заготовки 108
Выводы и рекомендации 112
Глава 5. Исследование выхода радиальных заготовок из обрезных и необрезных пиломатериалов сосны. внедрение результатов исследований 114
5.7 Предпосылки экономии материальных ресурсов при внедрении результатов исследования раскроя пиломатериалов на радиальные заготовки при помощи сканирования 114
5.2 Выход радиальных заготовок из пиломатериалов 115
5.3 Сравнение объемного выхода радиальных заготовок для различных технологий производства 118
5.4 Реализация результатов исследований 119
Выводы и рекомендации 127
Общие выводы по диссертации 128
Список литературы 131
- Обзор существующих технологий раскроя пиломатериалов на заготовки, способы автоматической идентификации макроскопических элементов древесины
- Выбор способа получения радиальных заготовок
- Построение математической модели наклона годичных колец к пласти по ширине пиломатериала
- Определение рациональных размеров скользящего окна фильтра Винера, анализ влияния размеров окна фильтра Винера на точность математической модели
Введение к работе
Вашему вниманию предлагается диссертация, посвященная вопросам исследования технологии получения радиальных заготовок из пиломатериалов при помощи анализа цифровых изображений сечений пиломатериалов.
Радиальные заготовки используются в производстве клееного щита и бруса для изготовления мебели и столярно-строительных изделий. К достоинствам таких заготовок следует отнести меньшее изменение формы готовых изделий при изменении температуры и относительной влажности окружающего воздуха, по сравнению с заготовками, у которых при их производстве направление годичных колец не учитывалось. Это важно для изделий, в производстве которых применяется склеивание. Современные технологии раскроя сырья исходят из того, что сечение бревна представляет собой круг, а очертание годичного слоя окружность. В практике такие бревна практически не встречаются. Для увеличения точности планирования раскроя сырья следует производить сбор дополнительных сведений о раскраиваемом материале. В диссертационной работе сбор и анализ сведений о расположении годичных колец производится с помощью анализа цифровых изображений.
Гипотеза Наклон годичных колец на торце пиломатериалов можно достоверно определить с помощью анализа цифровых изображений.
Цель диссертации. Увеличение выхода радиальных заготовок при раскрое пиломатериалов на основе объективного метода определения угла наклона годичных колец на торце пиломатериалов с помощью анализа цифровых изображений.
Объектом исследования являются пиломатериалы хвойных пород (сосна). Требования, применяемые к ним, сформулированы в ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия» [1].
6 Предметом исследования является макроскопическое строение древесины сосны. Составление схем раскроя пиломатериалов по результатам анализа цифровых изображений очертания годичных слоев; исследование полезного выхода радиальных заготовок.
Научная новизна работы.
Алгоритм определения и анализа наклона годичных колец на торце пиломатериала;
Способ получения радиальных заготовок на основе анализа цифровых изображений очертания годичных колец на торце.
Достоверность результатов. Опыты, подтверждающие теоретические выводы, проведены на реальных партиях пиломатериалов, отобранных случайным образом на двух деревообрабатывающих предприятиях г. С-Петербурга: ЗАО «Технопарк ЛТА» и ЗАО «Центр деревянных конструкций» (Деревообрабатывающий завод №2). Применены статистические методы обработки опытных данных; получен положительный результат испытаний программы Radial.exe на Братском деревообрабатывающем заводе.
Значимость для теории и практики
Для теории имеют значение:
алгоритм обработки цифровых изображений торцов пиломатериалов с целью определения угла наклона годичных колец к пласти;
алгоритм составления математической модели наклона годичных колец к пласти пиломатериала и ее анализ;
способ составления схем раскроя пиломатериала на радиальные заготовки.
Для практики имеет значение:
- программа раскроя пиломатериалов на радиальные заготовки Ra
dial.exe.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на следующих конференциях:
Конференция молодых ученных и аспирантов «Деревянное домостроение - безопасное доступное жилье» (г. Санкт-Петербург, 1 июня 2006 г.);
Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы конструирования и производства художественных изделий из древесины» (г. Архангельск, 28-30 июня 2006 г.);
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов» (г. Воронеж, 13-15 сентября 2006 г.)
Международная конференция «Первичная обработка древесины: лесопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспективы развития» (г. Санкт-Петербург, 30-31 марта 2007 г.)
Результаты работы реализованы в технологической программе Radial.exe, которая прошла успешные испытания на ЗАО «Братский деревообрабатывающий завод».
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 разделов, выводов и рекомендаций, библиофафического списка из 106 наименований (в том числе на иностранном языке 7) и приложений. Общий объем диссертации 172 с, из них приложений 29 с, 85 рисунков, 14 таблиц.
Обзор существующих технологий раскроя пиломатериалов на заготовки, способы автоматической идентификации макроскопических элементов древесины
Групповой метод раскроя пиломатериалов на заготовки, без предварительной их подсортировки по качеству и удалению дефектных мест, обычно приводит к излишним потерям древесины и снижению выхода. Для получения наилучшего выхода качественных заготовок целесообразно раскраивать пиломатериалы индивидуальным способом. Индивидуальный метод раскроя пиломатериалов позволяет получать более качественные заготовки, но с меньшей производительностью [53]. Увеличить производительность индивидуального метода раскроя заготовок можно благодаря применению современных средств автоматического определения макроскопических элементов древесины.
Различают поперечный, поперечно-продольный, продольно-поперечный и поперечно-продольный поперечный и другие способы раскроя пиломатериалов. В учебной литературе широко описаны достоинства и недостатки каждого способа [14].
Обычно раскрой производится на прямоугольные заготовки. Для некоторых типов изделий это ведет к перерасходу древесины. Типовая схема раскроя пиломатериалов на заготовки оконных блоков включает в себя следующие операции: торцовка досок, продольный раскрой обрезков на заготовки прямоугольного сечения, формирование сечения. При такой технологии раскроя значительная часть древесины уходит в кусковые отходы, а последующая профильная обработка одиночных заготовок на четырехсторонних станках приводит к сниже-нию производительности потока, увеличению объема снимаемого слоя, и соответственно повышению расхода деревообрабатывающего инструмента и энергии. Предлагается новая технология изготовления профильных деталей оконных блоков [15], включающая операцию по раскрою необрезных досок, продольный раскрой отрезков на парные заготовки наклонными параллельными пропилами с последующей их чистовой профильной обработкой и их разделением на чистовые детали. Рассматриваемая технология позволяет увеличить объемный выход брусков обвязки створок на 17.4 %, а обвязки балконных дверей на 10,14 %.
Типовая схема раскроя пиломатериалов и изготовление деталей окон: 1 - торцовка доски на отрезки; 2 - раскрой отрезка на прямоугольные заготовки; 3 - профильная обработка прямоугольных заготовок; 4 - сечение отрезка доски после торцовки; 5 - сечение прямоугольных заготовок; б - рейки-отходы; 7 - базирующая линейка; 8 - профильная заготовка; б. - предлагаемая схема раскроя пиломатериалов и изготовление деталей окон: 1 - торцовка доски на отрезки; 2 - раскрой отрезка на парные центрально-симметричные заготовки; 3 -профильная обработка парных заготовок с одновременным их разделением; 4 - сечение отрезка доски после торцовки; 5 - сечение парных заготовок; 6 - рейки-отходы; 7 - уголковая базирующая линейка; 8 - профильная заготовка; 9 - наклонные пилы; 10 - строгальные валы с разделительными фрезами; в.1 - производство бруска обвязки створки по базовой технологии; в.2 -производство бруска обвязки створки по предлагаемой технологии
Рассмотрим предложения по совершенствованию раскроя пиломатериалов с учетом свойств древесины.
В [16] предложена система сортировки и окончательного торцевания пиломатериалов при помощи анализа цифровых изображений пиломатериала.
Изображения пиломатериала формируются двумя видеокамерами. Компьютер осуществляет обработку изображений и вырабатывает решение по раскрою пиломатериала в соответствии с заданными параметрами качества. Обработка изображения включает продольное разделение пиломатериала на зоны, анализ изображения зон, в соответствии с заданными качественными параметрами качества, выработка решения по раскрою пиломатериала и передачу его к исполнительному механизму.
Выбор способа получения радиальных заготовок
Анализ приведенных источников показывает, что российскими и зарубежными учеными широко разработаны вопросы, связанные с совершенствованием технологии получения радиальных пиломатериалов и заготовок из круглого пиловочника. В имеющихся работах проведены исследования по увеличению как количественных, так и качественных показателей. Рассмотрено влияние основных пороков древесины на выход радиальной пилопродукции.
Другим важным подходом к получению радиальных заготовок являются технологии, основанные на применении склеивания непрямоугольных деревянных заготовок. Применение этих технологий увеличивает выход радиальной пилопродукции, но также требует специализированного оборудования и большую трудоемкость процесса производства.
Не рассмотренным является вопрос получения радиальных заготовок прямоугольного сечения непосредственно из пиломатериалов. Данные заготовки могут быть использованы в производстве столярного мебельного щита и в производстве клееного бруса для изготовления столярно-строительных изделий. В настоящем исследовании рассматривается такая технология, ее особенностью является применение цифровых изображений очертания годичных слоев на торце.
Цель диссертации. Увеличение выхода радиальных заготовок при раскрое пиломатериалов на основе объективного метода определения угла наклона годичных колец на торце пиломатериалов с момощью анализа цифровых изображений. Научной новизной исследований является: 1. Алгоритм определения и анализа наклона годичных колец на торце пиломатериала; 2. Способ получения радиальных заготовок на основе анализа цифровых изображений очертания годичных колец на торце. Областью применения настоящего исследования являются технологические процессы изготовления клееного щита и бруса.
В соответствии с предложенным способом необходимо по результатам измерения наклона годичных слоев на торце определить размер В - расстояние от кромки пиломатериала до первого годичного слоя, у которого угол наклона годичных колец к пласти а 45 . На эту величину следует отодвинуть направляющую линейку (или суппорт пилы) от первой пилы - отпиливаемая ею часть будет распиливается на втором проходе.
Для пиломатериалов имеющих примерно семмитричное расположение годичных колец обработка начинается с вырезки центральной части доски, которая раскраивается на многопильном станке для продольного раскроя.
По толщине заготовки включены припуски на калибрование и усушку, по ширине на продольное фрезерование и усушку. Согласно условиям ГОСТ 24700-99 «Блоки оконные деревянные со стек-лопакетами. Технические условия» бруски створок и коробок должны быть склеены по толщине из двух или трех заготовок предпочтительно радиального распила. Склейка брусков из двух заготовок не рекомендуется. Рекомендуемый угол наклона годичных слоев не более 45, смежные заготовки должны иметь встречный угол наклона волокон [51]. 2.3 Методика исследований MATLAB 7.0.1 - это интерактивная система, в которой основным элементом данных является массив. Это позволяет решать различные задачи, связанные с техническими вычислениями, особенно в которых используются матрицы и вектора, в несколько раз быстрее, чем при написании программ с использованием «скалярных» языков программирования, таких как Си и Фортран [29]. В нашем случае придется работать с изображениями, которые хранятся в памяти компьютера в виде матриц и массивов.
Построение математической модели наклона годичных колец к пласти по ширине пиломатериала
Разработан алгоритм определения угла наклона годичных колец к пласта пиломатериала. Для работы алгоритма необходимо выбрать точку, лежащую в зоне поздней древесины, для которой необходимо найти угол наклона годичных слоев. Исследования п. 2.7 показывают, что помимо поздней зоны древесины, на изображении имеются другие нехарактерные черные точки. Большинство этих точек отфильтровано, но небольшое количество все же осталось. Случайный выбор этих точек ведет к искаженному представлению характера наклона годичных колец. Чтобы этого не случилось, введем специальное требование к выбору точек:
Выбираемая для анализа точка должна быть черной (значение элемента матрицы для нее должно быть ровно - «1»), черные элементы, должны находиться также в некоторой окрестности вокруг нее. Для реализации этого требования ограничимся проверкой условия, чтобы, хотя бы последовательность из трех точек, вокруг выбранной, лежала на одной прямой.
Точки будут выбираться в середине толщины раскраиваемого пиломатериала, с пробным шагом 2 мм. по ширине. Это позволяет нам отказаться от построения трехмерной математической модели с двумя независимыми переменными.
График изменения угла наклона годичных колец по ширине пиломатериала: а - тангентального пиломатериала; б - радиального пиломатериала На рис. 3.3 зеленой линией показан график изменения угла наклона годичных колец по ширине пиломатериала, измеренного по алгоритму п. 3.1. Синей линией показана математическая модель изменения угла наклона годичных колец по ширине пиломатериала, полученная аппроксимацией результатов измерений полиномами второго порядка методом наименьших квадратов. Перед построением математической модели из данных измерений были удалены, не характерные промахи, с помощью критерия Стьюдента [32], уровень значимости был принят q = 0,05.
В уравнениях приняты следующие обозначения: щ; а,2 - значение углов наклона годичных колец, ; п - толщина пиломатериала, мм; т - ширина пиломатериала; ті; гп2 - абсциссы, лежащие на боковых поверхностях сечения пиломатериала, в середине его толщины, мм. Я/, аг, Ь\, Ъ2, с і, С2 - эмпирические коэффициенты.
Математическая модель наклона годичных колец для тангентального пиломатериала (рис. 3.2, 3.3а) представляет собой совокупность, состоящую из двух полиномов. Точкой разрыва является, точка в которой угол наклона годичных колец к пласти составляет 0 (180) .
Анализ математической модели включает в себя следующие элементы: - вычисление значений отклонений отдельных измерений от теоретической кривой; - вычисление математического ожидания и среднеквадратического отклонения отдельных измерений от теоретической кривой ; - проверка нормальности закона распределения отклонений отдельных измерений от теоретической кривой; Оценка адекватности нормального закона распределения опытным данным проводится с помощью теста Лилиефорса.
Определение рациональных размеров скользящего окна фильтра Винера, анализ влияния размеров окна фильтра Винера на точность математической модели
Для проведения проверки математической модели наклона годичных колец к пласта пиломатериала необходимо определить необходимое количество образцов древесины для проведения опытов - поп [32] где t - табличное значение t-критерия Стьюдента; а - среднеквадратическое отклонение выборки; А - разница между математическим ожиданием случайной величины и средним арифметическим выборки.
Исследуемой случайной величиной в исследовании является величина среднеквадратического отклонения отдельных измерений от теоретической кривой. Введем в программу Radial.exe параметры анализа, по которым предположительно можно получить адекватный результат: - размеры скользящего окна фильтра Винера: M = N = 3; - шаг расстановки точек -10 пикселей; - уровень значимости t-критерия Стьюдента -q = О,05; - разница между математическим ожиданием случайной величины и средним арифметическим выборки А =3.
Целью проведения опытов является определение такого значения окна фильтра Винера, при котором отклонения отдельных измерений от теоретической изменения кривой угла наклона годичных колец к пласти и случаев построения неадекватной математической модели отклонения отдельных измерений наклона годичных колец к пласти пиломатериала было как можно меньше.
Входными величинами являются размеры скользящего окна фильтра Винера (MaN). Выходной величиной является - среднеквадратическое отклонение отдельных измерений от теоретической кривой - а. С учетом данных рис. 4.2 примем для исследований следующие размеры окна фильтра Винера: M = N = 3; 5; 7 и проведем серию опытов без фильтра
Опыты показали: для пиломатериалов с чистообработанной поверхностью торца применение фильтра в общем случае не дает результата, который бы позволил бы говорить о том, что фильтр существенно повышает точность построения математической модели наклона годичных колец к торцу пиломатериала (рис. 4.3а). Наибольший эффект применения фильтра выявлен при анализе торцев тангентальных пиломатериалов (с размером окна фильтра Винера - 5) -рис. 4.3 б.
Однако, влияние фильтра на величину среднеквадратического отклонения отдельных измерений от теоретической кривой является незначимым. Далее задаются уровнем значимости q и вычисляют числа степеней свободы по формуле 4.8, для количества опытов п = 41.
Для снижения машинного времени обработки изображения целесообразно уменьшить количество измерений, путем увеличения шага расстановки точек замеров. При увеличении шага t 10 пике, применение фильтра оправдано, из-за снижения случаев построения неадекватного результата из-за невозможности определения точки разрыва аппроксимируемой функции (см. рис. 4.5). Применение фильтра также повышает качество визуализации получаемого программой результата.
