Способ и устройство для оценивания деревянной доски
WAY AND DEVICE FOR WOOD PLANK VALUATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для оценивания деревянной доски, имеющей вытянутое направление, причем способ включает сбор данных, характеризующих ориентацию волокон по поверхности доски.
Предпосылки к созданию изобретения
В документе US-4926350 описаны способ и устройство, согласно которым получают информацию об ориентации волокон с использованием особенности поверхности деревянной доски, состоящей в том, что по поверхности деревянной доски диэлектрическая постоянная в направлении вдоль ее волокон и диэлектрическая постоянная в направлении поперек ее волокон различаются. Когда поверхность деревянной доски вводят между двумя обкладками конденсатора, древесина становится составной частью суммарного конденсатора, емкость которого может быть определена с использованием радиочастотного сигнала. Изменяя ориентацию обкладок конденсатора, можно найти максимум или минимум, характеризующие ориентацию волокон деревянной доски в данном месте деревянной доски.
Эта информация может быть использована для выявления сучков или для оценивания прочности доски.
Одна из проблем, связанных с вышеупомянутым известным техническим решением, состоит в необходимости дополнительного улучшения оценивания состояния доски, например необходимости создания усовершенствованного способа классифицирования по прочности.
Краткое изложение сущности изобретения
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание способа улучшенного оценивания деревянной доски. Эта задача достигается с помощью способа по пункту 1 формулы изобретения и устройства по пункту 11 формулы изобретения.
Более конкретно, способ оценивания деревянной доски, имеющей вытянутое направление, включает сбор данных, характеризующих ориентацию волокон по поверхности доски, и определение вторичного общего модуля упругости, МОЕ, для доски в целом. Исходя из данных об ориентации волокон и общего МОЕ, получают расчетный локальный модуль упругости, МОЕ, в указанном вытянутом направлении для ряда подобластей доски.
Это позволяет оценивать локальный МОЕ, который является относительно достоверным, так как он определяется исходя как из локального угла ориентации волокон, так и вторичного общего критерия. Таким образом, локальный МОЕ корректируют, например, в зависимости от того, далеко или близко от сердцевины древесины вырезана доска из бревна. В результате этого получают более достоверное оценивание.
Кроме того, для определения расчетного локального МОЕ можно определить номинальный локальный МОЕ в вытянутом направлении для каждой из ряда подобластей доски, исходя из данных об ориентации волокон и по меньшей мере одного номинального параметра материала. Основываясь на результатах определения номинального локального МОЕ, для всей деревянной доски можно определить номинальный общий МОЕ в продольном направлении и сравнить его с вторичным общим МОЕ. Номинальный локальный МОЕ можно корректировать в зависимости от результата этого сравнения для получения расчетного локального МОЕ.
Вторичный общий МОЕ можно получить путем воздействия на доску ударом в ее продольном направлении и измерения ее основной резонансной частоты, и данные, характеризующие ориентацию волокон по поверхности доски, можно собрать с использованием лазерного сканера.
Определение номинального локального МОЕ в вытянутом направлении может основываться на том допущении, что волокна в объеме древесины под областью поверхности доски имеют такую же ориентацию, как и в рассматриваемой области поверхности.
Полученный расчетный локальный МОЕ может использоваться для классифицирования доски по прочности посредством введения характеризующего свойства, IP. IP может основываться на вычисленной жесткости при изгибе или осевой жесткости в ряде поперечных сечений вдоль длины доски. Основой для IP может служить, например, минимальная жесткость поперечного сечения при изгибе или осевая жесткость.
Полученный расчетный локальный МОЕ может использоваться для вычисления жесткости при изгибе или осевой жесткости в ряде поперечных сечений вдоль длины доски, что может использоваться также для других целей, отличающихся от классифицирования по прочности.
Настоящее изобретение относится также к устройству для осуществления вышеуказанного способа. Это устройство в основном содержит средства для выполнения соответствующих этапов.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 показана деревянная доска.
На фиг. 2а показан записанный с помощью оптических средств набор данных, характеризующий углы ориентации волокон по поверхности доски по фиг. 1, и на фиг. 2b показана область фиг. 2а в увеличенном масштабе, где видны отдельные углы ориентации волокон.
На фиг. 3 и 4 показаны системы координат, используемые для определения параметров материала, соответственно, в бревне и в доске.
На фиг. 5а и 5b показано, как можно использовать данные об ориентации волокон по поверхности для оценивания жесткости при изгибе в поперечном сечении доски.
На фиг. 6 показан график, поясняющий характер изменения жесткости при изгибе в поперечном сечении вдоль доски.
На фиг 7 показана блок-схема способа согласно изобретению.
На фиг. 8 показана функциональная блок-схема устройства для осуществления способа, предлагаемого согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к оцениванию древесины, такой как деревянные доски, и может быть применено, например, для прогнозирования прочности доски на изгиб, хотя возможны и другие области применения. Такое прогнозирование имеет важное значение с точки зрения экономической выгоды.
На лесопильных заводах изготовляемые деревянные доски, предназначенные для строительства, классифицируют по прочности по различным классам прочности, таким как С16, С18, и т.д., в соответствии с их прогнозируемой прочностью на изгиб, жесткостью и плотностью. Например, С16 подразумевает, что прочность доски 1 на изгиб, см. фиг. 1, равна 16 МПа. Таким образом, класс прочности обозначается числом, которое указывает величину прочности на изгиб, например, когда доска используется в качестве строительной балки.
Лесопильные заводы, таким образом, классифицируют свои изделия по различным классам в соответствии с прогнозным критерием, и чем выше класс, тем выше ценность изделия. В соответствии с нормативными техническими требованиями в прогнозе допускается определенная степень неопределенности, обычно допускается, чтобы 5% изделий, отнесенных к данному классу в результате классифицирования, были ниже стандартного качества, то есть не имели жесткость на изгиб, требуемую по классу, к которому они были отнесены при реальном испытании на прочность.
Один известный способ классифицирования деревянных досок по прочности состоит в изгибании доски по нормали к плоской поверхности (поперек оси, параллельной лицевой поверхности) с небольшим диапазоном прогиба порядка 1 метра. Он показывает, как изменяется жесткость вдоль доски, и может использоваться для получения признака прогнозирования, позволяющего отнести доску к определенному классу. Однако этот критерий не учитывает точную информацию о жесткости в поперечном направлении, которая более значима при использовании в строительстве, чем соответствующая жесткость по нормали к плоской поверхности.
Древесина является очень ортотропным материалом, что означает, что его жесткость в направлении древесных волокон намного выше, чем его жесткость поперек этого направления. Например, величина модуля упругости (модуля Юнга), далее МОЕ, в направлении волокон обыкновенной ели может составлять 10700 МПа, тогда как поперек годичного кольца он может быть равен 710 МПа и вдоль годичного кольца древесины - 430 МПа.
В идеальном случае все волокна в доске должны быть ориентированы в направлении 9, параллельном продольному направлению доски. Однако это имеет место в доске лишь частично и приблизительно. Деревья имеют ветви и, следовательно, доски имеют сучки, и вокруг сучков и в сучках направления волокон существенно отклоняются от продольного направления доски. Кроме того, существуют другие локальные дефекты, и доска в целом может быть распилена в направлении, немного отклоняющемся от направления волокон в используемом лесоматериале. Рост дерева может вызывать появление дополнительных недостатков, например волокон, например закручивание волокон в спираль.
Настоящее изобретение предусматривает оценивание локальной жесткости деревянной доски на основе реального измерения ориентации волокон/текстуры относительно продольного направления доски.
Способы выявления ориентации волокон по поверхности деревянной доски электрическими средствами уже рассмотрены в вышеупомянутом патентном документе US-4926350.
Однако настоящее изобретение предусматривает применение системы WoodEye. Эта система может содержать четыре камеры датчика, а также ряд лазеров, освещающих доску. Доски могут автоматически пропускаться через систему, одновременно с этим генерирующую оптические данные, которые могут быть использованы для определения ориентации волокон по поверхности доски. Для получения этих данных в системе используется так называемый трахеидный эффект. Вследствие этого эффекта круглая точка лазера, освещающая часть доски, станет эллиптической, причем основная ось эллипса будет совпадать с углом ориентации волокон в этой части. Можно использовать и другие известные оптические системы.
Ограничением такой системы является то, что она только регистрирует ориентацию волокон на поверхности доски, и что она не позволяет непосредственно выявить угол погружения, то есть угол между волокном и плоскостью освещаемой поверхности. Специалистам в данной области техники очевидно, что могут быть использованы и другие способы выявления ориентации волокон, позволяющие получить информацию также и об углах погружения и ориентации волокон, заключенных под поверхностью доски. Такая дополнительная информация, возможно, позволила бы повысить точность анализа, но ее получение было бы намного более затратным, и информация, получаемая благодаря использованию вышеупомянутой системы, уже дает очень хорошие результаты. В любом случае, из приведенной выше части описания изобретения очевидно, насколько больше детальной информации о пространственной ориентации волокон во всем объеме доски можно было бы использовать при наличии такой информации.
На фиг. 2а представлен набор записанных с помощью оптических средств данных, характеризующих углы ориентации волокон по поверхности доски по фиг. 1. При этом данные записаны для лицевой поверхности 3 и краевой поверхности 5 согласно фиг. 1. Кроме того, данные записаны для лицевой поверхности 3' и краевой поверхности 5', которые на фиг. 1 не видны.
Фиг. 2b представляет собой изображение в увеличенном масштабе области согласно фиг. 2а, окружающей сучок 11, на котором видны отдельные записанные углы ориентации волокон. При этом записаны углы ϕ для ряда точек 13 по поверхности доски. Как правило, для доски длиной 4,8 метров с размерами 45×145 мм и скарированной при скорости подачи, равной 400 м/мин, выполнена запись приблизительно для 70000 точек. Для некоторых местоположений 15 величина записанного угла ориентации волокон является более или менее случайной переменной, обычно внутри тех сучков, где волокна ориентированы почти перпендикулярно через плоскость поверхности доски.
На фиг. 3 и 4 изображены системы координат, используемые для определения параметров материала. На фиг. 3 показана часть бревна 19 с годичным кольцом 21. Древесное волокно имеет проходящую продольно ось 1 (в идеальной древесине совпадающую с продольным направлением бревна) и координатные оси: ось r, проходящую поперечно, и ось t, проходящую по касательной к годичному кольцу 21 бревна или ветки, частью которой оно является. Таким образом, оси 1, r и t в разных местах бревна имеют разные направления.
Конечный продукт, упоминаемый в данном описании изобретения как деревянная доска, выполненный распилом в виде прямоугольного параллелепипеда 23, изображенного на фиг. 4, вместо этого оценивается в системе координат х, у, z, которая определена плоскостями поверхностей доски, вектором нормали каждой из которых служит одна из координатных осей упомянутой последней системы координат.
Преобразование между двумя системами координат может быть выполнено следующим образом. Предположив, что (l, r, t) и (i, j, k) являются единичными векторами, соответственно, вдоль системы l-r-t и системы x-y-z, можно записать
где
в которой , например, обозначает косинус угла между осями l и х.
Свойства материала древесины, относящиеся к направлениям l-r-t, могут храниться в матрице соответствия  в следующем виде
l
r
t
lr
lt
rt
lr
rl
lt
tl
rt
tr
rl
r
l
lr
tl
t
l
lt
tr
t
r
rt
в которой E, E, E - модули упругости в ортотропных направлениях, G, G G - модули сдвига в соответствующих ортотропных плоскостях, и параметры ν, ν, ν, ν, ν и ν - коэффициенты Пуассона. Соблюдаются соотношения ν=E/E×ν, v=E/E×ν, и ν=E/E×ν, что означает, что  содержит лишь девять независимых параметров материала.
Матрица материала  (относящаяся к системе l-r-t) может использоваться для выражения линейно-упругого определяющего соотношения между напряжениями и натяжения в виде
где компоненты натяжения и напряжения хранятся в  и , соответственно, как и . Возможно преобразование натяжений и напряжений между системой l-r-t и системой x-y-z с использованием матрицы G преобразований в виде
и
соответственно, где матрица преобразований
т
основывается на компонентах А, определенных в уравнении (2). Умножая начиная слева уравнение (4) на G и учитывая уравнения (5-6), получаем, что матрица материала, относящаяся к системе x-y-z, может быть выражена как
-1
x
Особый интерес для дальнейшего анализа представляет то, что , то есть обратная величина компонента, записанного в первой строке и в первом столбце матрицы соответствия С=D, теперь равна E(x,y,z), то есть локальный МОЕ действителен в продольном направлении доски. Зная параметры материала и соотношение между системами координат l-r-t и x-y-z, можно, таким образом, вычислить локальный МОЕ для определенной подобласти, то есть объем элемента доски в этом продольном направлении.
Типичные значения для параметров материала древесины, характерные для ели обыкновенной, указаны в таблице, приведенной ниже. Эти значения находятся в названных ниже номинальных параметрах материала.
Данные об ориентации волокон по поверхности, которые показаны на фиг. 2а, могут использоваться для оценивания жесткости при изгибе в поперечном сечении доски (см. поз. 17 на фиг. 1), как будет описано ниже со ссылкой на фиг. 5а и 5b. Поперечное сечение 17 на фиг. 5а проходит в плоскости y-z, и на фиг. 5b показана соответствующая ей плоская поверхность вдоль длины dx. Направление оси х соответствует продольному направлению 9, показанному на фиг. 1.
Согласно общеизвестной теории расчета балок на изгиб можно определить жесткость при изгибе поперек оси у
х
где Е - локальный МОЕ в направлении х, и  указывает на расстояние до нейтральной оси (жесткость поперек оси z может быть определена аналогично).
х
Как указано выше, локальный МОЕ Е в направлении х можно определить, зная необходимые релевантные параметры и соотношение между системами координат l-r-t и x-y-z. Когда выполняют вычисление жесткости при изгибе исходя из данных, показанных на фиг. 2а-2b, делают некоторые допущения и аппроксимации.
t
r
l
Во-первых, можно сделать допущение, что угол погружения волокон равен нулю, то есть волокна параллельны поверхности, с которой выполняют запись. Во-вторых, можно сделать допущение, что t (направление по касательной к годичному кольцу древесины и перпендикулярное к направлению волокон) лежит в плоскости поверхности, то есть в плоскости ху или в плоскости xz. Это второе допущение может быть сделано ввиду того, что различие между величинами E и E очень мало по сравнению с отличием и того и другого параметра от E. В третьих, выполняется аппроксимация, предполагающая, что ориентация волокон в подобласти доски, то есть в объеме, заключенном под поверхностью доски, параллельна ориентации на поверхности. Таким образом, элемент 25 объема доски, то есть подобласть поперечного сечения вдоль длины dx в направлении х, имеет такой же угол ϕ ориентации волокон, что и такой же угол, зарегистрированный в соответствующем сечении 27 поверхности. Такая подобласть может быть задана для одной записанной точки лазера или для группы точек.
В рассматриваемом случае, см. фиг. 5а, ориентации на коротких краевых поверхностях доски используются как допущения в треугольной (например, с базовыми углами величиной 45°, причем база совпадает с краем) части поперечного сечения, сужающейся от короткой краевой поверхности, и остальная часть поперечного сечения разделена между плоскими поверхностями. Конечно, возможны и другие конфигурации.
Исходя из этих допущений и записанных данных можно определить жесткость при изгибе поперек оси у для ряда поперечных сечений, причем каждое основывается на длине доски, dx, равной, например, 10 мм. Это дает возможность получить выходную графическую зависимость, изображенную на фиг. 6, указывающую на наличие слабого опасного сечения 29 на верхнем конце доски.
Результаты приведенных выше расчетов зависят от того, насколько верны номинальные параметры материала для каждой изготовляемой доски. Несмотря на то что в некоторых случаях они могут быть верны, и несмотря на то, что вычисленные номинальные локальные МОЕ в направлении х могут быть использованы во многих областях применения, для получения достоверных результатов классифицирования деревянных досок по прочности предпочтительно следует выполнять корректировку расчетных данных для введения поправок на колебания величины параметров древесины.
Даже если древесина одной конкретной породы отнесена к какому-либо классу, условия произрастания (почва, вода, солнечный свет и т.д.) могут оказывать влияние на свойства древесины. Более того, на параметры материала может влиять местонахождение доски в бревне: обычно ближе к периферии, вдали от сердцевины, жесткость выше.
Можно измерить общий, средний МОЕ в направлении х для доски в целом путем приложения ударной нагрузки к концу доски (в направлении х) и измерения результирующей резонансной частоты f. Хорошо известно, что:
где р - плотность доски, f - измеренная резонансная частота и L - длина доски. Плотность можно определить или исходя из фактического объема и фактической массы отдельных досок, или исходя из средней плотности, которые определены для определенного содержания влаги для классифицированных по прочности пород древесины.
x
global
Кроме того, основываясь на вышеупомянутых оценках локальных МОЕ, можно вычислить расчетный общий МОЕ, Ê, , в направлении х путем определения среднего расчетного МОЕ по всей длине доски.
x
global
x
global
Сравнивая E,  и Ê, , можно получить соотношение между реальными и расчетными параметрами древесины. На основе этого сравнения можно, таким образом, лучше оценить каждый локальный МОЕ в доске.
x
global
Следует отметить, что E,  можно измерить другими путями. Например, с таким же успехом можно использовать упомянутый вначале выше изгиб по нормали к плоской поверхности. Ввиду того, что общий МОЕ в значительной степени зависит от плотности годичных колец и расстояния от сердцевины, другим возможным вариантом является выполнение анализа изображений на концевых поверхностях, где ясно видны годичные кольца. Этот анализ позволяет определить величину плотности годичных колец и расстояние от сердцевины, которые можно использовать, например, для ввода в таблицу поиска, но которой можно определить общий модуль упругости.
В итоге способ, раскрытый в данном описании изобретения, может быть описан со ссылкой на фиг. 7, и наряду с этим устройство для осуществления этого способа может быть описано со ссылкой на фиг. 8. Устройство может содержать сканер и блоки для выполнения различных вычислений. Эти блоки могут быть реализованы программными средствами или, в большей или меньшей степени, аппаратными средствами.
Вначале, на этапе 31, осуществляют сбор данных, характеризующих ориентацию волокон по поверхности доски. Это выполняют с использованием сканера 41, такого как система WoodEye, хотя, как упомянуто выше, возможны и другие варианты.
Затем, на этапе 33, с помощью блока 43 определения номинального локального МОЕ в направлении х определяют локальные МОЕ для ряда подобластей доски (например, для 25 на фиг. 5а), исходя из данных об ориентации и номинальных параметров материала, поступающих из памяти 45.
После этого выполняют этап 35, в результате которого определяют, исходя из номинальных локальных МОЕ, номинальный общий МОЕ в вытянутом направлении для всей деревянной доски. Это выполняют с помощью блока 47 определения номинального общего МОЕ.
Вторичный общий МОЕ определяют, например, как указано выше, с помощью блока 49 измерения резонансной частоты, и в блоке 51 сравнения выполняют этап 37 сравнения вторичного общего МОЕ с расчетным номинальным общим МОЕ, как правило, обеспечивая получение в виде выходных данных отношение двух величин.
На основе этого сравнения в устройстве 53 оценивания локального МОЕ выполняют этап 39 соответствующей корректировки определенных ранее локальных МОЕ в направлении х.
Расчетные локальные МОЕ являются выходными данными способа. Эти выходные данные могут быть использованы, например, для ввода в блок 55 классифицирования по прочности. Классифицирующий блок может потом вычислить, например, жесткость на изгиб в поперечном сечении (поперек оси у, если предполагается применение в качестве балки) вдоль длины доски, как указано выше. Это обеспечивает получение выходных данных, аналогичных представленным на фиг. 6, но теперь основанных на более точных МОЕ, и минимальная жесткость поперечного сечения (или минимальная средняя жесткость поперечного сечения по короткому расстоянию вдоль доски, порядка нескольких сантиметров) может использоваться в качестве характеризующего свойства, IP, для классифицирования доски по прочности в соответствии с наименьшей расчетной жесткостью при изгибе вдоль длины.
2
Это IP обеспечивает получение исключительно высоких результатов классифицирования по прочности. В реальном испытании, проводимом с использованием 105 досок обыкновенной ели с размерами 45×146×3600 мм, коэффициент R смешанной корреляции между прочностью на изгиб и минимальной жесткостью поперечного сечения (фактически минимальной средней жесткостью поперечного сечения на расстоянии величиной 8 см вдоль доски) был равен 0,68. Для сравнения, класс прочности, основанный на общем МОЕ, определенном только путем измерения наиболее низкой резонансной частоты для каждой доски для одного и того же набора досок, был равен 0,59.
Это означает, что с использованием IP, основанного на минимальной жесткости поперечного сечения при изгибе, как раскрыто в данном описании изобретения, прогнозируемая величина нагрузки, при которой происходит разламывание доски, в среднем значительно меньше отличается от истинной нагрузки, при которой действительно возникает разламывание доски. Поэтому с применением такого способа классифицирования по прочности можно отнести большее количество досок к классам более высокой категории с одновременным обеспечением соответствия нормативным техническим требованиям. Можно также использовать осевую жесткость в поперечном сечении.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами его осуществления и допускает внесение изменений по объему изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
Используемый в данном описании изобретения термин «доска» относится к любому деревянному элементу, вырезанному из бревна и имеющему основное направление его протяженности.