房友盼，劉 英，徐兆軍，於亞斌，王均東

(1.南京林業(yè)大學 機電學院，江蘇 南京 210037)

(2.江蘇江佳機械有限公司，江蘇 鹽城 224247)

機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料的回收再用與優(yōu)選加工研究

房友盼1，劉 英1，徐兆軍1，於亞斌1，王均東2

(1.南京林業(yè)大學 機電學院，江蘇 南京 210037)

(2.江蘇江佳機械有限公司，江蘇 鹽城 224247)

機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料在有效壽命內(nèi)被廢棄的現(xiàn)象屢見不鮮。為了提高機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料的利用率，將數(shù)字圖像處理技術(shù)與ANSYS有限元分析技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)了包裝箱的無損檢測與結(jié)構(gòu)分析。針對缺陷木材，研究了面向缺陷的木材排樣問題的最優(yōu)解。結(jié)果表明，排樣軟件可基本實現(xiàn)木材鋸切優(yōu)選加工。

木質(zhì)包裝材料；無損檢測；優(yōu)選加工

我國是一個人口眾多、森林資源相當匱乏的國家。一方面，人均資源的嚴重短缺制約著我國木材產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；另一方面，大量的包裝廢棄木材被遺棄，急待再次開發(fā)利用。因此，開展廢棄機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料的回收利用在木材工業(yè)中潛力巨大，是實現(xiàn)木材資源循環(huán)利用、緩解木材供需矛盾的重要手段，具有廣闊的市場前景，也是響應國家建設節(jié)約型社會號召的必行之策[1]。

木材作為包裝材料具有悠久的歷史和重要的作用。其優(yōu)點是：強度高,抗機械損傷能力強，堆垛載荷承載水平高，緩沖性能好，取材廣泛,制作容易，易于回收等[1]，尤其適合于機電產(chǎn)品類商品的包裝儲運。隨著我國機械制造業(yè)的飛速發(fā)展，包裝木材的需求也不斷增加，木材資源將更為緊缺。因此，開展廢棄包裝木材的回收利用迫在眉睫。

1 木材無損檢測

木材無損檢測是一項非破壞性的新興檢測技術(shù)，是在不損壞木材原有結(jié)構(gòu)前提下的一種有效的檢測方法，能準確、快速地判斷出木材的各種信息，是實現(xiàn)木材缺陷檢測自動化的一種高效率、智能化的方法[2]。它可以檢測木材缺陷的大小、形狀、位置，以及缺陷所屬類別。目前木材無損檢測的方法多種多樣，主要有超聲波檢測、CT檢測、機械應力檢測、機器視覺檢測等[2]。本文采用的是機器視覺檢測方法，經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)已廣泛應用于木材表面無損檢測領(lǐng)域。

木材表面缺陷圖形采集及處理系統(tǒng)如圖1所示，主要由照明系統(tǒng)、CCD攝像機、圖像采集卡、計算機圖像處理等模塊組成。在木材缺陷檢測系統(tǒng)中，光源等照明部件是至關(guān)重要的組成部分，可以增加系統(tǒng)的可靠性、提高精度、減少噪聲，最終達到提高成像質(zhì)量的目的。木材缺陷檢測系統(tǒng)的照明系統(tǒng)設計應該遵循照明度均勻和減少反射的原則。采用高清CCD攝像頭直接拍攝試樣，傳送給圖像采集卡，再由計算機對成像圖像進行預處理。這種方法的優(yōu)點是成像快，缺點是對光照要求較高，需要在均勻光照下進行。

根據(jù)機器視覺技術(shù)，將CCD攝像機作為圖像輸入設備，圖像信號由其傳送至計算機，通過A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，儲存于圖像處理器中。由于圖像處理器中的原始圖像在采集和傳輸過程中不可避免地會受到各種噪聲信號的干擾，成像質(zhì)量較低，導致人眼識別準確度不高，因此需要通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對采集到的機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料的原始圖像進行灰度值變換、圖像平滑等預處理[3]，減少噪聲，提高對比度，以便于后續(xù)處理。

圖像的后續(xù)處理過程首先是圖像分割，這是機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料表面缺陷分析的第一步，也是由圖像處理過渡到圖像分析的關(guān)鍵步驟，只有在準確的圖像分割的基礎上才能實現(xiàn)對缺陷目標的特征提取和參數(shù)測量。圖像分割的方法多種多樣，比如灰度等級閾值法、區(qū)域生長法、邊緣檢測法等，究竟哪種方法更適合于機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料缺陷分析圖像的分割，目前尚無準確的結(jié)論[4]。由于天然木材固有的紋理特征，分割得到的圖像處理結(jié)果可能殘留一些非預期的噪聲，導致分割效果不理想，因此必須經(jīng)過數(shù)學形態(tài)學等處理才能獲得較為理想的分割圖像。數(shù)學形態(tài)學的基本思想是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去量度和提取圖像中的對應形狀,以達到對圖像分析和識別的目的。MATLAB等軟件內(nèi)置的圖像處理工具箱具有強大的運算功能，通過使用形態(tài)學腐蝕和膨脹、開啟和閉合的運算可實現(xiàn)機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料表面缺陷分割圖像的后處理，去除噪聲的干擾，提高缺陷提取的精準度[4]。

綜上所述，本課題數(shù)字圖像處理部分的主要內(nèi)容包括木材表面缺陷圖像采集、圖像預處理、圖像分割、缺陷特征提取、缺陷類型識別等。

2 包裝材料的結(jié)構(gòu)分析

機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料，其力學性能決定了所包裝產(chǎn)品在運輸過程中的完好性，因而對其進行力學性能的研究非常必要。木材所具有的特殊結(jié)構(gòu)，如多孔性、層次性、各向異性等特性及生物特性使得木材與其他材料如金屬材料等相比具有獨特性[5]。借助ANSYS有限元分析軟件可實現(xiàn)對包裝箱材料的力學性能分析。

應用ANSYS軟件對機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料進行模擬分析時，一般的分析流程如圖2所示。其中前處理模塊包括定義分析文件名、分析類型、單元、材料參數(shù),建立模型以及進行網(wǎng)格劃分等過程；求解計算模塊包括選擇分析類型、定義載荷和求解；后處理模塊包括讀取數(shù)據(jù)和查看分析結(jié)果[6]。

ANSYS是一款計算機輔助分析軟件，分析對象為簡單的模型時可直接在軟件中建模，但是對于復雜的結(jié)構(gòu)，其建模難度較大，最好由其他三維軟件建模后導入到ANSYS軟件中。對于機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝箱，可在SolidWorks或Pro/E等三維建模繪圖軟件中完成模型的繪制，然后轉(zhuǎn)換為相應的格式直接導入ANSYS中。對于機電產(chǎn)品包裝箱結(jié)構(gòu)，應在三維建模軟件環(huán)境中完成模型的搭建，再導入ANSYS軟件中運行，通過求解模塊，對包裝箱結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)和動態(tài)分析(主要是振動、沖擊等模態(tài))，并通過后處理模塊查看計算結(jié)果。木材作為一種非均質(zhì)、各向異性的天然高分子材料，在使用ANSYS軟件進行有限元分析時，可根據(jù)不同需求選擇不同的模型定義方法。一般情況下，可選擇正交各向異性材料雙線性等向強化模型來定義[7]。

對包裝箱進行靜態(tài)分析是因為其在工作過程中主要承載著機電產(chǎn)品對底板的壓力作用，同時在運輸過程中，會受到外力沖擊及自身的慣性載荷(如重力、離心力等)的作用[8]。靜態(tài)分析的過程具體為：在ANSYS軟件中對有限元模型施加載荷，設定邊界條件并求解，所求得的結(jié)果文件中包含了基本數(shù)據(jù)(節(jié)點位移)和導出數(shù)據(jù)(節(jié)點單元應力、節(jié)點單元應變、單元集中力等)。

包裝箱作為機電產(chǎn)品運輸過程中的承載物，其必然要受到?jīng)_擊、振動等作用，因此會使包裝箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移變動、發(fā)生扭曲變形等[8]。在運輸過程中，包裝箱總是受到變化的載荷作用，動載荷較大或與箱體產(chǎn)生共振時，將會直接影響包裝箱的性能，甚至對內(nèi)裝物造成擠壓以及損壞，因此有必要對包裝箱結(jié)構(gòu)振動的固有頻率和振型進行研究。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得。模態(tài)分析就是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)。在對包裝箱整體結(jié)構(gòu)模型進行靜力學分析后，再對其進行模態(tài)分析，探索包裝箱固有頻率對其主要結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的影響，從而可以避開固有頻率或盡可能地減小對固有頻率上的激勵，消除過度的振動和噪聲。使用ANSYS軟件，可以使振動模態(tài)動態(tài)化，從而提供一個清晰的動態(tài)圖像來描述結(jié)構(gòu)在受到激勵時的表現(xiàn)。

3 機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料回收再利用的流程

機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料回收再利用的具體流程如圖3所示。

在對廢棄的機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料進行圖像采集的基礎上，經(jīng)過圖像處理、特征提取，識別木材中的節(jié)子、蟲眼、腐朽、裂紋等缺陷，結(jié)合包裝箱實際使用情況，建立有限元模型，對包裝箱部分木材進行力學性能分析，判斷該材料能否回收再利用(只有滿足力學性能的廢棄材料方可回收利用)，以節(jié)省原材料，實現(xiàn)木材資源的可持續(xù)利用。對于帶有缺陷且經(jīng)過有限元分析后確定無法整塊利用的木材，采用自主開發(fā)的木材優(yōu)選加工智能排樣軟件，求得帶缺陷木材排樣問題的最優(yōu)解，既可以最大限度地利用木材，又能大幅度提高木材優(yōu)選鋸切加工的自動化水平。

4 應用實例分析

某汽輪機產(chǎn)品使用的包裝箱結(jié)構(gòu)如圖4所示，其底板的兩端固定在兩根縱梁(滑木)上，起著直接承載內(nèi)裝物質(zhì)量的作用。選取其底板作為實驗對象，尺寸為8 000mm×4 000mm。通過機器視覺無損檢測方法對底板進行表面缺陷圖像采集、圖像預處理、圖像分割、缺陷特征提取、缺陷類型識別，獲得了缺陷的位置及尺寸信息：缺陷的左上角與右下角的坐標分別為(4 000,1 200)，(4 020,1 030)，缺陷近似視為圖5中所示的深色小方塊。在三維軟件中對帶有缺陷的整體包裝箱結(jié)構(gòu)進行建模，然后導入ANSYS軟件中分別進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，結(jié)果顯示帶有缺陷的底板無法滿足此包裝箱的使用需求，因此對其進行分割，將缺陷切除，“以小代大”重新利用。在面向缺陷的木材鋸切優(yōu)選加工智能排樣軟件中，輸入底板的外形尺寸、缺陷左上角與右下角的坐標以及期望獲得的可重復利用的小塊木材的尺寸900mm×600mm，點擊calculate按鈕，即可得到有效利用的木材數(shù)量，此結(jié)果為排樣最優(yōu)解。再點擊drawing按鈕，界面上便可顯示最優(yōu)排樣的示意圖,如圖5所示。

5 結(jié)束語

為實現(xiàn)機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料的無損檢測及評估，先利用機器視覺技術(shù)采集機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝材料缺陷(節(jié)子、腐朽、蟲眼、斷裂等)的數(shù)字圖像，完成圖像預處理、圖像分割、特征提取、缺陷類型識別等；再利用三維建模軟件和有限元分析軟件ANSYS，建立基于實際使用情況的包裝箱三維數(shù)字化實體模型，實現(xiàn)計算機對機電產(chǎn)品包裝箱受靜載荷和運輸過程中的振動等工況的仿真模擬，得到仿真后的相關(guān)參數(shù)和計算結(jié)果，由此來推斷木材的力學性能；最后根據(jù)機器視覺無損檢測方法獲得的木材缺陷信息，將經(jīng)有限元分析后確定無法完整利用的大塊木材，采用自主開發(fā)的木材優(yōu)選加工智能排樣軟件，優(yōu)選切割成小塊后再重新利用，大幅度提高了木材利用率和自動化加工水平。

[1] 蘇世偉, 聶影, 楊紅強. 關(guān)于機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木發(fā)展的思考[J]. 林業(yè)經(jīng)濟, 2011(11):50-53.

[2] 劉妍, 張厚江. 木質(zhì)材料力學性能無損檢測方法的研究現(xiàn)狀與趨勢[J]. 森林工程, 2010, 26(4):46-49.

[3] 金路,王靜秋. 基于形態(tài)學算法分割鐵譜圖像研究[J]. 機械制造與自動化,2011,18(3):10-13.

[4] 鄒麗暉,白雪冰. 圖像分割技術(shù)在木材表面缺陷識別中的應用[J]. 森林工程,2007,23(1):27-29.

[5] Liu Y, Gong M, Li L, et al. Width effect on the modulus of elasticity of hardwood lumber measured by non-destructive evaluation techniques [J].Construction and Building Materials,2014,50(15): 276-280.

[6] 楊創(chuàng)戰(zhàn),劉杰,穆慧勇,等. 基于ANSYS的純彎曲梁正應力仿真分析[J]. 機械制造與自動化,2014,21(1):109-110.

[7] 劉斌,楊燕,唐于維一，等. 淺談ANSYS軟件對木材行業(yè)中的材料力學特征分析[J]. 木工機床,2014(2):12-14.

[8] 張毅杰,孔令瓊,施杰,等. 基于ANSYS的散料運輸車底架的靜態(tài)及模態(tài)分析[J]. 機械制造與自動化,2013,20(5):86-89.

Research on recycling and optimization processing of wood-based packaging materials of mechanical and electrical products

FANG Youpan1,LIU Ying1,XU Zhaojun1, YU Yabin1, WANG Jundong2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing Forestry University, Jiangsu Nanjing, 210037, China)

(2.Jiangjia Machinery Co., Ltd., Jiangsu Yancheng, 224247, China)

The wood-based packing material for mechanical and electrical products in the effective life time is very common. In order to improve the utilization rate of wood-based packing material for mechanical and electrical products, it realizes nondestructive testing and structural analysis of packing boxes with the organic combination of machine vision technology and finite element analysis software ANSYS. Aiming at wood with defects, it studies optimal solution, shows that layout software can basically realize the optimization machining of wood cutting process.

wood-based packaging materials; nondestructive detection; optimizztion processing

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.013

2015-03-03

江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2013006-01)；國家林業(yè)局948項目(2014-4-48)

房友盼(1991—)，女，江蘇徐州人，南京林業(yè)大學碩士研究生，主要研究方向為木材圖像識別及優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設計。

S781.1；TP391.9

A

2095-509X(2015)04-0053-04