РОБОТ – друг лесоруба

15.10.2018

Роботизированные системы управления технологическим оборудованием применяются во многих отраслях, их применение значительно снижает трудозатраты производства и себестоимость, повышают точность выполнения операций и увеличивают безопасность. В первую очередь их внедряют в сложные механизмы, выполняющие высокоточные операции по алгоритму.

СОХРАНЯЙ ДИСТАНЦИЮ!
Современные лесозаготовительные машины представляют собой сложные электрогидравлические механизмы. Для улучшения технических характеристик машин в основном совершенствуются силовые установки, технологическое оборудование. В последнее время машины оснастили компьютерами для оптимизации раскряжевки, диагностики машин и т. п. Однако такая модернизация ведет к усложнению труда, увеличению скорости переключения между определенными операциями и режимами работы, приводит к возрастанию интеллектуальной нагрузки оператора. В связи с этим при создании новых и модернизации существующих лесозаготовительных машин возникает типичная задача уменьшения нагрузки на человека для человеко-машинных систем, а также уменьшения количества принятий решений для типовых задач. Многие выполняемые лесозаготовительными машинами операции не требуют выборных решений оператора, выполняются по одному алгоритму и требуют точности и внимательности, а значит, могут выполняться автоматизировано или даже роботизировано.

На сегодняшний день имеются разработки по дистанционному управлению лесозаготвительными машинами

В зарубежных компаниях, производящих лесозаготовительные машины, таких как Ponsse, John Deere и др., сделаны опытные образцы и в последние годы проходят испытания. Преимуществом таких разработок является снижение трудовых затрат, повышение безопасности работ. В качестве недостатков можно отметить сложность разработок и управления, снижение производительности. В России также имеются несколько запатентованных способов, но до опытного образца еще не дошли.

Также все более распространено лазерное сканирование древостоя для определения его местоположения, таксационных характеристик и дефектов. На базе таких разработок создаются мобильные роботы для целей лесного хозяйства.

ЧТО ИМЕЕМ?
Наиболее распространенная на сегодняшний день современная лесозаготовительная машина – валочно-сучкорезно-раскряжевочная (харвестер). Харвестер состоит из базовой машины и технологического оборудования, которое, в свою очередь, включает манипулятор и харвестерную головку.

В лесных машинах применяются следующие типы манипуляторов:

  • шарнирно-рычажные, имеющие шарнирно-соединенную стрелу и рукоять;

  • телескопические, имеющие телескопические выдвижные звенья стрелы (рукоять как элемент конструкции отсутствует);

  • комбинированные – шарнирно-рычажный манипулятор с телескопически выдвижными звеньями стрелы;

  • параллельные – шарнирно-рычажные или комбинированные манипуляторы, у которых рукоять с помощью гидроцилиндра и механизма стабилизации движется прямолинейно по отношению к поверхности земли и обеспечивает легкую наводку на дерево.

Харвестерная головка является сложным устройством, позволяющим выполнять различные технологические операции по захвату свободно стоящего дерева, срезанию и направленной его валке, удалению сучьев и раскряжевке ствола дерева на сортименты определенной длины. Головка объединяет основные компоновочные единицы: подающий или простаскивающий, сучкорезный, пильный блоки, измерительные устройства для определения длины, диаметра и объема сортимента, гидравлическую и электрическую систему, микропроссесорные блоки управления.

Технологический процесс работы харвестера складывается из переездов по лесосеке, спиливания, обрезки сучьев, раскряжевки хлыстов на сортименты и их пакетирования. Совершив переезд, машина останавливается таким образом, чтобы очередная группа деревьев находилась в пределах рабочей зоны манипулятора. Следующей операцией является наводка захватно-срезающего устройства (харвестерной головки) на дерево, которая осуществляется непосредственно оператором с помощью управляющих джойстиков и системы управления харвестером. Движениями стрелы, рукояти и колонны манипулятора харвестерную головку наводят на ствол дерева так, чтобы пильный механизм располагался у комля дерева. Затем производят захват ствола сучкорезными ножами и протаскивающими вальцами, его натяг вверх движением стрелы и спиливание. После этого ствол дерева опрокидывается и одновременно перемещается к месту раскряжевки. При перемещении ствола дерева протаскивающими вальцами происходит измерение длины и диаметра ствола с одновременной обрезкой сучьев.

Деятельность оператора харвестера состоит из множества основных и дополнительных операций
Данная информация передается в компьютер машины и с помощью программного обеспечения обрабатывается для наиболее рационального распиливания дерева. При получении нужного по размерно-качественным характеристикам сортимента происходит раскряжевка. Отпиливаемый сортимент укладывается в пачку. Система управления с программным комплексом позволяет опера тору как напрямую управлять отдельными частями машины, так и настраивать комплексы узлов и оборудования.

Деятельность оператора современных валочно-сучкорезно-раскряжевочных машин представляет собой сложный многофункциональный процесс, состоящий из множества основных и дополнительных операций. К основным операциям относят перемещение харвестера на рабочую позицию, подведение харвестерной головки, захват и срезание дерева, протяжку ствола, раскряжевку и укладку сортиментов.

К дополнительным операциям можно отнести действия оператора харвестера для повышения эффективности своей работы или последующей работы машины, такие как поиск дерева, оптимизация маршрута движения харвестера к объекту разработки, оптимизация наведения срезающей головки на дерево и т. д.

В процессе наведения на дерево захват-но-срезающего устройства оператор управляет манипулятором с использованием чувствительных джойстиков. Каждое движение джойстиком приводит в действие исполнительные механизмы манипулятора или харвестерной головки. При этом есть возможность приводить в действие одновременно несколько исполнительных механизмов. Однако совмещение действий требует опыта оператора.

ВЗМАХНУЛ ОН ЛАЗЕРОМ…
Недостатком существующего способа и в целом системы управления валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины является ручное наведение харвестерной головки на дерево, что требует высокой квалификации оператора, постоянной сосредоточенности на движениях и часто приводит к неточности их выполнения, быстрой утомляемости оператора, повреждениям дерева и харвестерной головки, снижению производительности.

Автоматизировать процесс предложили Л. Н. Шобанов, А. И. Шургин при наведении рабочего органа манипулятора лесной машины на объект.

Оператор указывает положение места захвата или спила объекта пятном луча дальномера и одновременно измеряет расстояние до объекта и углы поворота дальномера с дальнейшим подводом рабочего органа к объекту для захвата или спила. При этом оператор может указывать несколько объектов, не ожидая начала операции или окончания текущей, с последующим захватом или спилом всех указанных деревьев. На каждом объекте могут быть указаны по меньшей мере две точки, например, для определения длины сортимента и/или оптимизации раскряжевки или для захвата, причем оператор может указывать на каждом объекте в заданном порядке комель и вершину или точки, близкие к ним.

Недостатком данного способа являются временные задержки при наведении на дерево лазерного дальномера. В результате происходит запаздывание системы управления рабочего органа, что увеличивает время на осуществление технологического цикла и уменьшает производительность работ. Также при наведении дальномера на объект из окна кабины снижается точность наведения луча, а значит, и выполнения операции. Кроме того, оператору приходится делать лишнее действие по наведению лазерного дальномера на объект, что отвлекает его от основных операций, а значит, увеличивается утомляемость и снижается производительность работ.

Таким образом, существующие способы и приспособления для наведения захватно-срезающих устройств на дерево и его захвата не позволяют производить данные операции с высокой точностью и скоростью, минуя ручное управление.

Для точного управления манипулятором нужны
опыт и квалификация
В современных лесозаготовительных машинах управление технологическим оборудованием происходит с использованием мини-рычагов или джойстиков, которыми управляет оператор. С них информация передается на исполнительные механизмы. Движением рычагом, джойстиком или нажатием кнопки приводится в действие исполнительный механизм машины.

В рассматриваемых исследованиях предложена автоматизированная система управления манипулятором лесозаготовительной машины.

НАЖМИ НА КНОПКУ
Предлагаемая система наведения захват-но-срезающего устройства на дерево и его захвата (рис. 1) состоит из захватно-срезающего устройства (1) с исполнительными механизмами (2), гидроманипулятора (3) с исполнительными механизмами (4), компьютера с системой управления лесозаготовительной машиной (5), двух датчиков расстояния (6), датчика касания (7).

Система управления и передача данных с захватно-срезающим устройством.jpg

Рис. 1. Система управления и передача данных с захватно-срезающим устройством:

1 – захватно-срезающее устройство (ЗСУ);
2 – исполнительные механизмы ЗСУ;
3 – гидроманипулятор;
4 – исполнительные механизмы гидроманипулятора;
5 – компьютер с системой управления машиной;
6 – датчики расстояния;
7 – датчик касания

Датчики расстояния (3) (см. рис. 2) устанавливаются на максимально удаленных друг от друга по ширине точках на неподвижных частях корпуса захватно-срезающего устройства (1) таким образом, чтобы их действие было направлено по оси движения захватно-срезающего устройства в сторону захватов (5). Датчики расстояния (3) определяют местоположение дерева (2) относительно захватно-срезающего устройства (1) на расстоянии не менее, чем 1–2,5 м.

Принцип определения местоположения дерева.jpg

Рис. 2. Принцип определения местоположения дерева:

1 – захватно-срезающее устройство;
2 – дерево;
3 – датчик расстояния;
4 – датчик касания;
5 – захваты

Принцип действия заключается в следующем (рис. 1). Оператор устанавливает лесную машину в положение, наиболее удобное для проведения запланированных технологических операций, и переводит ее в соответствующий режим. С помощью системы управления машины (5) оператор подводит захватно-срезающее устройство (1) к дереву на расстояние до 1–2,5 м и направляет его на дерево по оси направления захватно-срезающего устройства с погрешностью α=±200. Нажатием кнопки запуска системы оператор включает систему наведения захватно-срезающего устройства на дерево и его захвата. Датчики расстояния (6) определяют местоположение дерева относительно захватно- срезающего устройства. Информация с датчиков подается на компьютер лесозаготовительной машины (5). Информация может передаваться различными способами, включая проводные и беспроводные технологии. При появлении данных о расстоянии до объекта с двух датчиков, расположенных под разными углами к дереву, программное обеспечение компьютера определяет местоположение дерева относительно захватно-срезающего устройства, и компьютер управляет исполнительными механизмами манипулятора (4) лесозаготовительной машины. Гидродвигатели наводят захватно-срезающее устройство (1) на дерево. При соприкосновении дерева с датчиком касания (7), установленным на захватно-срезающем устройстве (1), информация передается на компьютер (5), который, управляя исполнительными механизмами захватно-срезающего устройства (2), захватывает дерево. После этого управление захватно-срезающим устройством переходит в ручной режим. При необходимости экстренного отключения системы автоматического наведения захватно-срезающего устройства оператор повторно нажимает на кнопку запуска системы.

На табл. 1 представлены порядок действий системы наведения захватно-срезающего устройства на дерево и его захвата, а также элементы, отвечающие за выполнение действий.

Таблица 1. Порядок действий системы наведения захватно-срезающего устройства на дерево и его захвата, а также элементы, отвечающие за выполнение действий.jpg

При внедрении данной системы повысится точность и скорость наведения захватно-срезающего устройства на дерево, что позволит снизить утомляемость оператора, повысить производительность лесной машины, минимизировать повреждения деревьев и захват-но-срезающего устройства за счет частичной автоматизации процесса с последующей компьютерной обработкой полученных данных наведения и автоматической передачей управляющих сигналов на исполнительные механизмы манипулятора и захватно-срезающее устройство машины.

По данной разработке создана действующая модель. Она испытана на адекватность и работоспособность.

Александр Мохирев
к. т. н., доцент
Лесосибирского филиала СибГУ имени академика М. Ф. Решетнева


Актуальные темы свежего номера
Бизнес и профессия
Лес и закон
Лес и закон