竹材初加工機械研究現狀及發展趨勢

沈馮崢，徐 康，李 琴，袁少飛，張 建，王洪艷，王 戈

竹材初加工機械研究現狀及發展趨勢

沈馮崢1,2，徐 康1，李 琴1，袁少飛1，張 建1，王洪艷1，王 戈3

（1. 浙江省林業科學研究院，浙江省竹類研究重點實驗室，浙江 杭州 310023；2. 浙江農林大學 工程學院，浙江 杭州 311300；3. 國際竹藤中心，北京 100102）

竹材初加工包括鋸竹、剖竹、開片等工序，是竹材加工的重要組成部分。綜述了國內外竹工機械發展歷史，以及竹材初加工機械現狀，介紹了鋸竹機、分選機、剖竹機等竹材初加工機械，分析了當前竹材初加工機械存在的自動化程度低、行業標準偏舊、原料利用率低等問題，并闡述了竹節識別、竹筒分選、自動控制等技術，旨在為竹材初加工生產線的構建提供參考依據。

竹材初加工；竹工機械；現狀；發展趨勢

中國地處世界竹子分布中心產區，竹子有40余屬500余種，面積達673萬hm2，占世界竹子資源的1/3，素有“竹子王國”之美稱[1]。竹子具有生長速度快、成材時間短、力學性能優異等特點，是優良的代木材料[2]。當今我國年產竹材15.39億根，可替代約2 300萬m3的木材量。自二十世紀七十年代以來，我國先后開發出竹編膠合板、竹地板、竹建筑模板、竹集成材、竹材層壓板、竹材刨花板、竹木復合板等產品，廣泛應用于建筑、車輛、包裝、裝飾、家具等領域。竹產品的開發利用充分發揮了我國的竹資源優勢，一定程度緩解了當前我國優質木材資源的供需矛盾，有效推動了我國生態文明建設[3-4]。目前，我國是全球最大的竹制品出口國，2017年竹產業年產值為2 346億元。根據《全國竹產業發展規劃（2013－2020）》，到2020年，我國竹產業總產值將達到3 000億元，竹產業直接就業人數達到1 000多萬人[5]。當前，我國竹材工業的研究主要集中在竹纏繞復合管、竹質結構材等新材料開發等方面，而關于竹材加工機械特別是初加工機械方面的研究相對薄弱[6-7]，但近年來隨著勞動力成本的上升，已引起研究人員以及相關企業的高度重視。相比于木材而言，竹材具有表面結構致密、壁薄、中空、有節等特性，因此初加工包含鋸竹、分選、剖竹、開片、去青去黃去節、初刨、精刨等多道工序，屬于勞動密集型產業，初加工設備自動化水平普遍較低，需要人工輔助以完成各基本單元的制造，存在工人勞動強度大，工作環境差，企業生產成本高等問題。本文綜述了竹材初加工機械的研究現狀、存在問題及發展趨勢，旨在推動竹材初加工機械的發展進程。

1 竹工機械發展史

20世紀30年代，日本將由電機驅動的竹工機械作為定型設備，從而將竹制品加工由手工作業轉入現代化機械加工行列。50 ~ 60年代，因竹材加工是勞動密集型產業，竹材加工與竹工機械生產重心逐漸由日本轉移到勞動力成本相對低廉的我國臺灣地區。70年代，我國臺灣竹制品出口呈穩定增長，與之相關的竹工機械行業亦達到鼎盛時期。80年代初期，隨著臺灣勞基法的實施以及環保意識提升和石油危機等因素的影響，臺灣竹產業漸漸失去其競爭優勢，相關竹工機械生產也慢慢走向沒落。從那以后，竹材加工以及竹工機械生產重心轉移到我國內地[8-9]。由于竹材加工需要較多勞動力，且只有少數企業以及研究院參與竹工機械研發，導致國際上竹工機械十分匱乏，這是竹工機械長期處于半自動化和人工作業的重要因素[8]。

我國內地對竹工機械的研發和應用相對較晚。20世紀70年代前，手工業者只是通過篾刀、手鉆、手鋸進行簡單的竹材初加工。70年代初期，熱壓機生產加工的竹席膠合板逐漸出現于市場。1984年，我國內地首次從臺灣省錦榮機器廠引進兩條衛生筷生產線，分別放置于湖南和福建兩地進行生產加工。在此基礎上，我國科研人員陸續研制出竹地板、竹膠合板、竹筷、竹涼席等產品的生產線和大量配套設備[6]。進入21世紀，我國科研人員通過自主創新以及對其他行業機械設備的借鑒消化吸收，我國內地竹工機械逐漸走向機械化和工業化。目前，竹工機械主要分為竹材初加工設備、竹材人造板加工設備、竹化學加工設備、竹筷類加工設備、竹編涼席成套加工設備、竹材家具加工設備、竹材原態重組材加工設備等[10]。相比于其他的竹材加工設備，竹材初加工包含多道工序，每道工序基本為單機加工，并且需要人工輔助完成作業，自動化、連續化程度較低。

2 竹材初加工機械現狀

竹材初加工主要包括鋸竹、分選、剖竹、開片、去青去黃去節、初刨、精刨等工序[11-12]，其主要生產工藝流程為：竹材→截斷→分選→開條→開片→粗刨→干燥→精刨，對應的竹工機械是鋸竹機、分選機、剖竹機、剖篾機等[7]。目前剖篾、粗刨、精刨設備相對成熟、工效較高，而鋸竹、分選工序仍需依靠人工或人工輔助完成，需要3個工人分工完成放置、鋸斷原竹以及竹材徑級分選作業。鋸竹時，工人通過手工作業將原竹放上鋸斷機上進行鋸斷，勞動強度大。分選時，通過工人視覺識別竹材徑級，一方面工人勞動強度較大，另一方面分選精度受工人工作經驗的限制，因此竹材分選結果可能存在較大差異；此外，當進行長時間作業后分選工人容易產生視覺疲勞，這也會對竹材分選結果造成一定影響。剖竹方面，現有企業生產的竹材徑向剖分設備能夠自動對壁厚相近的竹材進行外徑測量，而后自動選擇適合刀盤進行剖竹，得到符合生產要求的竹條，用于竹制品后續加工。但是多數竹材初加工企業依舊使用半自動化的破竹機，工人通過視覺識別竹筒徑級并手動選擇刀盤，而后手臂托舉竹筒放置于刀盤和運動的推進柄之間進行剖竹，不僅勞動強度大，操作過程中存在安全隱患，且生產精度較低[8]。此外，現有鋸竹機、分選機、剖竹機為單機工作，設備之間無相連性，自動化程度較低。以下重點對鋸竹機、分選機、剖竹機進行介紹。

2.1 鋸竹機

20世紀70年代前，手工業者使用手鋸鋸斷原竹。70年代后，電鋸、油鋸逐漸取代手鋸用于鋸竹作業。經過幾十年的發展，目前生產中主要應用是原竹鋸斷機，其由機架、鋸片、手柄、電動機以及定長導軌組成，如圖1（a）。鋸竹時可根據竹制品生產要求將原竹鋸斷機的定長導軌移動到適合位置固定，而后將原竹推送至定長導軌的擋板處進行鋸斷，得到長度相同的竹筒。不過該設備鋸竹時竹屑容易飛濺傷人，黃學良設計的環保型原竹鋸斷機[13]如圖1（b），較好解決了此問題，其在原竹鋸斷機的基礎上增加了箱體和除塵機構。箱體將鋸片包裹在內，不僅阻擋鋸竹時飛濺的竹屑，同時對操作人員起到一定保護作用。但該設備仍需人工操作，自動化程度低。

為了提高生產效率和降低勞動強度，機械研究人員致力于研發原竹自動定長截斷設備，如梁瑞林研制的竹木加工定長截斷設備[14]如圖1（c）。該設備通過傳送帶上的固定裝置和限位塊實現對原竹的自動定長截斷作業，降低了工人勞動強度。不過設備無法識別并避開竹節進行切割，若切割到竹節會使該處竹筒壁破裂，得到殘次的竹筒，且相比于人工鋸竹，鋸竹速度較慢，不適應于當前中國竹材初加工市場。

圖1 3種鋸竹機

Figure 1 Three types of bamboo cutting machine

2.2 分選機

竹筒分選是根據竹筒徑級以及竹壁厚度進行分選。目前竹材初加工企業大多以人工進行竹筒分選，工人勞動強度大，分選精度低。何治建設計的竹材尺寸自動測量裝置[15]解決了分選精度低的問題。該裝置包括送料機構、提升機構以及測量機構，如圖2。分選時，送料機構先將竹筒逐根送至提升機構，接著提升機構將竹筒提升至竹材夾持架上，竹材夾持架再將竹筒移動到測量位置，此時外徑測量機構和壁厚測量機構同時對竹筒進行測量，而后設備顯示屏上顯示竹筒外徑和壁厚數值，工人根據其數值對竹筒進行分選，提高了竹筒的分選精度。但該設備測量完成后仍需人工對竹材分選，工人勞動強度沒有得到改善。

圖2 竹材尺寸自動測量裝置

Figure 2 Automatic bamboo measuring device

2.3 剖竹機

剖竹機又稱開條機、破竹機，是一種將竹筒劈裂成竹條的設備[16]。幾十年前，一種半自動化的破竹機出現于市場上，逐漸代替手工剖竹應用于實際生產中。如今因價格低廉占據大部分市場。該破竹機主要由推進機構、傳動機構、刀盤組件以及機架組成，如圖3（a）。其工作過程如下：設備處于開機狀態時，推進柄將一直進行直線往復運動；破竹時，工人通過視覺識別竹筒徑級從而選擇適合刀盤放入刀盤座；接著工人將竹筒放置于刀盤和運動的推進柄之間，然后推進柄向前運動直至觸碰到竹筒，而后繼續向前推進直至竹筒完全通過刀盤，此時完成破竹作業。整個破竹過程工人需以手臂托舉完成對竹筒的支撐，不僅工人勞動強度大，操作過程中存在安全隱患，且生產精度較低。

在當今招工難、用工貴的新形勢下，“機器換人”已經是竹材初加工企業進一步發展的趨勢[17]。剖竹機作為竹材初加工的主要生產機械之一，近幾年許多企業投身于自動剖竹機的研發。其中浙江安吉吉泰機械有限公司、廣東省廣寧縣亞達實業有限公司、廣眾竹業機械廠等研制的自動分選剖竹機已在生產上進行應用。其生產的剖竹機大同小異，下面以浙江安吉吉泰機械有限公司研制的剖竹設備[18]進行介紹。該剖竹設備主要由上料組件、測量組件、夾持組件、加壓組件、刀盤組件、輸出組件以及機架組成，如圖3（b）。剖竹時，人工將壁厚相近的竹筒放于上料組件，接著上料組件將竹筒送至測量處，然后測量組件對竹筒進行外徑測量進而自動選擇合適的刀盤進行剖竹，得到符合生產要求的竹條，自動化程度高。

圖3 2種剖竹機

Figure 3 Two types of bamboo splitting machine

3 存在問題

目前，我國是竹工機械生產大國，但我國竹材初加工設備仍存在自動化程度低、行業標準偏舊、原料利用率低等問題。

3.1 自動化程度低

現有竹工機械已涉及到絕大多數竹材初加工工序，如截斷、分選、剖竹等。而每道工序基本為單機加工，未能形成一條完整生產線，自動化程度低。定長截斷過程中，設備無法自動識別并避開竹節進行作業，進而得到殘次的竹筒。若進行自動化生產會導致原竹廢料率高。竹筒分選方面，通過對所拍攝的竹筒截面照片進行圖像處理可得到竹筒的內徑和壁厚數值。不過該方法處理速度慢，從而影響竹筒分選速度。若進行分選、剖竹聯機作業，竹筒分選速度慢于剖竹速度，使得剖竹機時常處于待機狀態，影響生產效率。若對竹筒壁厚和外徑進行接觸式測量，測量速度也較慢，無法完全達到后續加工速度。這些竹材初加工的技術難點阻礙其生產線的構建。

3.2 行業標準偏舊

我國內地竹工機械起步較晚，但發展快速，因此竹工機械標準化工作同步開展。由于當時竹工機械技術上的落后，南京林業大學竹材工程中心起草并編輯的《LYT 1316－1999 竹材加工機械型號編制方法》只將竹工機械分為8類44組264個[19]。進入21世紀，通過我國科研工作者的不斷努力和自主創新，竹工機械更新換代快，原有林業行業標準已經不能完全適用當今竹工機械的需求[6,19-20]。其中關于竹材初加工機械的能耗、環保、安全性等方面的標準缺乏，導致當前設備能耗大，污染重，且存在安全隱患。在競爭日益激烈的市場經濟條件下，竹工機械標準化是我國竹工機械走向國際市場的重要條件之一。但目前我國竹工機械缺少有效的國家標準且企業標準參差不齊，進而造成企業之間無序或惡意競爭的局面，影響了我國竹工機械的發展，從而也影響到竹材初加工機械的發展。

3.3 原料利用率低

長期以來我國對對竹工機械的研發相對薄弱，目前使用的大部分竹工機械是由木工機械改造而成[21]。而竹材具有表面結構致密、壁薄、中空、有節、易開裂等特性，與木材差異較大。因此由木工機械改造而成的竹工機械對竹材加工適應性差，加工精度低，導致竹材利用率低，從而造成竹資源的浪費。

4 發展趨勢

近年來，隨著勞動力成本的上升，以機械化單機作業為主的竹材初加工機械遭遇發展瓶頸，自動化和連續化生產設備的研發和應用成為新的研究熱點和發展趨勢，構建原竹截斷－分選－剖竹自動化連續化生產線，解決識別竹節、竹筒分選速度慢以及設備之間自動聯機等技術難題，是實現竹材初加工自動化連續化生產的當務之急。從技術角度分析，智能化機器視覺技術是準確識別竹節、測量竹筒壁厚和內外徑、實現原竹截斷－分選－剖竹自動化連續化生產的最佳方案，但目前智能化機器視覺相關設備價格昂貴，因此從經濟角度和市場角度分析，不適合當前我國竹工機械市場。未來隨著機器視覺技術進步和設備價格下降，智能化機器視覺技術有望應用于竹材初加工生產線。近期可通過以下技術解決技術難題，構建竹材初加工自動化連續化生產線。

4.1 竹節識別技術

手工鋸竹時，工人依靠工作經驗適時鋸掉竹節，得到長度適合的竹筒。而現有鋸竹裝置無法識別并避開竹節進行自動化作業。觀察竹材可知，竹節相對于竹筒壁有一定凸起，因此可采用接觸式方法識別竹節。接觸式竹節識別機構主要由保護罩、接觸板和線性編碼器組成，線性編碼器固定于保護罩內部，線性編碼器桿頭固定于接觸板上，且接觸板初始位置與保護罩底面同高。識別竹節時，保護罩向下運動直至觸碰竹筒壁；若接觸位置位于非竹節處，接觸板與保護罩的相對位置保持不變，線性編碼器的脈沖電信號保持不變；若接觸位置位于竹節處，竹節推動接觸板向上運動，接觸板與保護障的相對位置的變化使得線性編碼器桿頭位置發生改變，從而引起線性編碼器的脈沖電信號改變。根據線性編碼器的脈沖電信號是否改變來判斷接觸處有無竹節。其中竹節識別過程示意圖如圖4。

1－接觸板；2－保護罩；3－線性編碼器；4－竹材；5－竹節。

Figure 4 Identification of bamboo node

4.2 竹筒分選技術

當前的一些設備能夠進行竹筒壁厚和外徑的自動測量，但速度較慢，因此提高分選速度是研發重點。可將上述竹材尺寸自動測量裝置[15]壁厚測量機構中的兩個執行末端改為測量桿進行竹筒壁厚測量，并以氣缸的伸縮運動作為測量桿的動力源。其中減少執行末端的數量可提高控制系統的運算速度，且氣缸能快速響應控制系統的指令，進而提高測量速度，從而提高竹筒分選速度。

4.3 自動控制技術

工業上自動化生產線的控制系統基本以單片機、工控機、PLC三種作為系統控制器。因竹材初加工生產線系統涉及到大量開關量，且需使用維護簡單，所以選擇PLC作為其系統控制器。根據竹材初加工的生產要求，將傳感器、限位開關安裝于生產線上，且合理添加PLC功能擴展模塊，并對輸入/輸出端口進行分配，控制各設備運行以實現運輸、鋸竹、分選、剖竹等自動化、連續化作業。工作時，安裝于生產線上的傳感器、限位開關將信號反饋至PLC的輸入模塊，接著CPU單元從輸入模塊讀取數據，而后CPU單元根據數據的變化將輸出信號傳輸至輸出模塊，最后輸出模塊將信號轉換后控制各設備的執行機構運動，從而控制竹材初加工生產線進行輸送、鋸竹、分選、剖竹等作業。為了了解生產過程和執行機構的動態變化，可將PLC和HMI（人機界面）共同組成竹材初加工生產線的控制系統。HMI通過RS-232串口和PLC進行通信，其中HMI的顯示單元實時顯示竹材初加工生產線的工作狀況以實現對其進行實時監控；若生產過程中出現故障，HMI產生警報，通知操作人員處理，從而減少故障對生產線的影響。

[1] 李延軍，許斌，張齊生，等. 我國竹材加工產業現狀與對策分析[J]. 林業工程學報，2016，1（01）：2－7.

[2] 盧燕華. “竹老大”——毛竹[J]. 廣西林業，2015（08）：37－38.

[3] 楊陽. 中國企業境外森林資源直接投資戰略與區域選擇研究[D]. 哈爾濱：東北林業大學，2016.

[4] 劉星雨，傅萬四，周建波. 我國竹工機械區域布局及未來走勢分析[J]. 木材加工機械，2012，23（01）：22－25.

[5] 國家林業局. 全國竹產業發展規劃（2013—2020）[R]. 2013．

[6] 周建波，傅萬四. 我國竹工機械發展現狀及未來趨勢[J]. 木材加工機械，2008（03）：44－47.

[7] 傅萬四，周建波，朱志強. 我國竹工機械技術特點、發展現狀及未來趨勢[C]//第三屆中國林業學術大會論文集. 福州：中國林業學術大會，2013：17－22.

[8] 龍倩倩. 剖竹加工工藝分析及其數控加工機床的設計[D]. 哈爾濱：東北林業大學，2014.

[9] 馬程浩，傅萬四，周建波，等. 竹材破竹技術設備發展現狀及未來趨勢[J]. 木材加工機械，2016，27（05）：56－59.

[10] 歐雪琴. 竹產品加工機械發展狀況及對策[J]. 木工機床，2017（03）：24－26.

[11] 周建波，傅萬四，白崇彪. 竹材加工共性技術設備發展及研究[J]. 木材加工機械，2012，23（03）：47－50.

[12] 王豐. 福建省竹材加工現狀及發展思路[J]. 木工機床，2017（02）：32－34.

[13] 黃學良. 一種環保型原竹鋸斷機：ZL201620872648[P]. 2017－01－11.

[14] 梁瑞林. 一種竹木加工定長截斷裝置：ZL201721019073.0[P]. 2018－04－27.

[15] 何治建. 竹材尺寸自動測量裝置：ZL201620463113.X[P]. 2016－09－28.

[16] 余穎. 竹材加工方法分析[J]. 林業機械與木工設備，2007（08）：47－48.

[17] 尉小成. 淺談如何做好“機器換人”[J]. 中國集體經濟，2014（11）：55－57.

[18] 劉占明，王海平，劉再銀. 剖竹設備：ZL201720032362.8[P]. 2017－09－12.

[19]國家林業局.竹材加工機械型號編制方法：LY/T 1316－1999[S]．北京：中國標準出版社，1999．

[20] 龔正，袁少飛，張建，等. 重組竹材生產設備現狀及發展趨勢[J]. 林業機械與木工設備，2018，46（09）：4－9，15.

[21] 周建波，張彬，傅萬四，等. 我國縣域竹材加工機械發展現狀與對策——以福建省政和縣為例[J]. 林業機械與木工設備，2015，43（06）：4－7.

History and Development of Primary Processing Machinery for Bamboo

SHEN Feng-zheng1,2，XU Kang1，LI Qin1，YUAN Shao-fei1，ZAHNG Jian1，WANG Hong-yan1，WANG Ge3

(1. Key Lab of Bamboo Research of Zhejiang, Zhejiang Academy of Forestry, Hangzhou 310023, China; 2. School of Engineering, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China; 3. International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China）

Presentations were made on history at home and abroad of processing machinery for bamboo as well as on current situation of primary processing machinery such as cutting machine, measuring and splitting machine in China. Analysis was carried out on challenges like low automation degree, industry standards out of date, low utilization rate of raw materials. Recommendations were offered like identification of bamboo node, measuring of and automatic control for better development of bamboo primary processing production line.

primary processing of bamboo; bamboo machinery; current situation; development trend

TS64

A

1001-3776（2019）06-0105-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2019.06.017

2019-03-29；

2019-09-05

國家重點研發計劃課題“竹重組材單元材料初加工連續化加工關鍵技術研究”（2017YFD060080103）

沈馮崢，碩士研究生，從事林業機械研究；E-mail:1254660472@qq.com。

李琴，研究員，碩士，從事竹木材加工利用研究；E-mail:673343742@qq.com。