Индивидуальный исследовательский проект по робототехнике "Комплексные решения для лесной промышленности" содержит характеристику всех механизмов и инструментов, применяющихся в лесной промышленности, от топора и до современной техники, а также представляет разработку нового, универсального механизма для лесозаготовительного предприятия.

Подробнее о проекте:

Творческая работа учащегося 1 класса о создании специализированной многофункциональной техники для лесной промышленности из лего направлена на получение школьником общего представления о спецтехнике, применяющейся в лесозаготовке и деревообработке, ее видах, типах и разновидностях. В работе даются определения харвестера, первой в мире валочно-пакетирующей машины манипуляторного типа ЛП-2, а также рассказывается о принципах работы деревообрабатывающих станков

Готовая творческая работа по робототехнике на тему "Комплексные решения для лесной промышленности" демонстрирует этапы работы автора над сборкой универсальной модели техники для лесной промышленности. Конструирование было осуществлено с использованием конструктора лего, также была написана программа механизма для полученной модели. Все этапы работы проиллюстрированы автором.

Оглавление

Введение
1. От топора до харвестера.
2. Первый в мире валочно-пакетирующей машине манипуляторного типа ЛП-2 («Дятел-2»).
3. Технологический процесс лесозаготовительного предприятия.
4. Деревообработка.
5. Выбор техники для конструирования.
6. Модели техники для лесной промышленности.
7. Механизмы полученных моделей.
Заключение
Литература

Отрасти промышленности, связанные с заготовкой, обработкой и переработкой древесного сырья, объединяются в группу с общим названием — лесная промышленность, её называют также лесным комплексом. Нефть часто называют «чёрным золотом», газ – «голубым». Лес без всяких преувеличений можно назвать «зелёным золотом» России. Лес даёт человеку универсальное сырьё – древесину, которая применяется во всех отраслях промышленности.

Лесной комплекс играет важную роль в социально-экономическом развитии страны, поскольку он обеспечивает базовые условия жизнедеятельности общества и существенно влияет на экономический рост государств, а также внешнюю торговлю стран мира. От состояния и уровня развития лесного комплекса непосредственно зависит ресурсное обеспечение роста других важнейших отраслей экономики, прежде всего строительства, и потребностей населения в широком спектре товаров.

Россия – крупнейшая лесопромышленная страна мира, в которой сложился мощный лесохимический комплекс, включающий заготовку, механическую обработку и химическую переработку древесины. Россия богата лесами: они занимают более 45% ее территории. В нашей стране сосредоточена пятая часть мировых запасов древесины.

Ей принадлежит первое место по лесопокрытой площади, составляющей более 750 млн. га и превосходящей лесопокрытую площадь таких крупных лесных стран мира, как Канада, США, Швеция, Норвегия и Финляндия вместе взятые. Таким образом, лесная промышленность является одной из наиболее интересных для изучения ввиду своей сложности, многосторонности, распространённости по всему миру и необходимости её продуктов для экономики любых стран.

Поэтому мы решили, изучить весь процесс лесозаготовки и деревообработки. Сконструировать технику от строительства дороги для лесозаготовки до станка деревообработки.

Цель: разработка автоматизированных моделей из конструкторов Lego WeDo и HUNA технику лесной промышленности (модели). В соответствии с целью были сформулированы следующие

Задачи:

• Изучить:

1. историю лесной промышленности (от топора до харвестора).
2. весь технологический процесс лесозаготовки и деревообработки (комплексное решение для лесной промышленности);
3. виды техники, которую используют в лесной промышленности;

• Составить план работы над проектом;
• Сконструировать и запрограммировать роботов, используя конструкторы
• Провести эксперименты и доработать модели в соответствии с выявленными проблемами конструкции;
• Обработать результаты исследования, сделать выводы и подготовить презентационный материал.
• Представить результат своей работы.

Для решения поставленных задач использовался комплекс методов: изучение и анализ литературы по проблеме исследования, в том числе из сети Интернет, сбор информационного материала, его анализ; моделирование, конструирование моделей разводных мостов, программирование; обобщение, сравнение, эксперимент; формулирование выводов по результатам исследования.

Объектом исследования (проекта) является техника для лесной промышленности.

Предмет исследования: механизмы лесной техники

План работы над проектом:

1. Найти информацию: про разные виды техники для лесной промышленности, про историю развития лесной промышленности;
2. В программе: LEGO Digital Designer с конструировать будущие модели;
3. Сконструировать модели из конструкторов;
4. Написать программу;
5. Продемонстрировать модели в готовом виде.

Как и любой другой промышленный процесс, за свою историю лесозаготовка сменила не один десяток орудий производства, постоянно совершенствуясь и наращивая мощности. И это не удивительно, ведь развитие цивилизации неразрывно связано с применением древесины.Так изначально дерево использовалось лишь в качестве топлива, впоследствии став и важным строительным материалом и сырья для изготовления многих окружающих нас вещей.

Первым орудием труда древнего лесоруба можно считать прообраз топора – заостренный камень, который первобытные люди использовали на манер современного многофункционального швейцарского ножа: это был одновременно и топор, и нож, и кирка. Привязать же камень к деревянной рукоятке неизвестному изобретателю пришло в голову примерно 35-12 тыс. лет назад.

Такой топор, являющийся древнейшим двусоставным орудием, уже давал возможность заметно повысить производительность труда – срубить им небольшое дерево занимало всего 25 минут.Конструкция топора видоизменялась и эволюционировала с каждым новым открытием и новой технологией, и именно этот инструмент долгое время оставался основным орудием лесоруба.

При этом запуск первого массового производства топоров датирован только 30-ми годами XIX века – мануфактура братьев-американцев Коллинз производила инструменты по инновационной на тот момент технологии, когда вес клинка был равен весу топорища, что положительно сказывалось на эргономике. Издревле основными орудиями лесорубов были топоры.

Пилы распространялись медленно, так как для работы требовалось три человека: двое пилят, а третий тростью направляет готовый упасть ствол. Пила чаще использовалась как дополняющее топор орудие. Так продолжалось вплоть до XX века – до появления первых электрических и бензомоторных цепных пил. Важную роль в развитии этого направления сыграли и российские изобретатели – ученый и инженер Д.И. Журавский первым предложил использовать в качестве пилы диск с зубьями, который приводился в движение ручным приводом через коническую передачу.

Общей идеей было техническим путем заставить пилы быстро двигаться, и желательно без помощи человека. Так появилась первая паровая машина, а после, в начале XX века, в лесозаготовку, как и в другие сферы жизни, пришли электричество и двигатели. В 1936 году механик из Архангельска Н.Ф. Харламов разработал одну из первых простейших электропил – на раме крепился электромотор, на удлиненном валу которого был расположен конический фрикционный каток, соприкасавшийся с пильным диском и приводивший последний в движение.

В 40-х годах в Свердловском лесотехническом институте разработали более совершенное устройство – лучковую пилу, у которой вместо режущего полотна была бесконечная натянутая на шкивы лента, приводимая в движение электромотором. Однако основой современных механических пил стала режущая цепь, изобретенная американцем Брауном еще в 1858 году, но дождавшаяся своего часа лишь спустя несколько десятилетий.

Первые зарубежные модели моторных пил в СССР завезли в 30-х годах, после их изучения были созданы опытные образцы бензомоторных пил «Пионер», МП-300 и серии электропил «Большевик», а после Великой отечественной войны начался выпуск новой модели электропилы ВАКОПП, которая была вдвое легче своих предшественниц и начала широко применяться в лесной промышленности.

Но лавры настоящей технической революции принадлежат пиле ЦНИИМЭ-К5, которая при еще более компактных размерах имела электродвигатель повышенной частоты тока (200 Гц) – вместо 3 тыс. оборотов в минуту пилы ВАКОПП вал электродвигателя ЦНИИМЭ-К5 развивал скорость в 12 тыс. Примерно тогда же, в 1949 году, в СССР началось серийное производство знаменитой ручной бензопилы «Дружба», которая десятилетиями сохраняла свою популярность. По сравнению со своими аналогами, она имела новый глушитель, улучшенную систему зажигания, одноручейный съемный стартер и более прочные узлы.

Безусловно, развитие технологий лесозаготовки значительно облегчило работу лесоруба. С прогрессом в области электроники эта профессия и вовсе изменилась до неузнаваемости. Последняя на данный момент важная веха в становлении промышленной валки леса – появление в 80-90-х годах XX века многофункциональных умных машин, харвестеров и форвардеров.

Харвестер работает «в паре» с форвардером — тягачом-погрузчиком, созданным для погрузки и транспортировки древесины к погрузочным пунктам. При этом каждая машина выполняет свои функции: харвестер умеет валить деревья, обрезать сучья, осуществлять раскряжевку и складирование сортиментов; форвардер занимается подсортировкой, сбором сортимента и его транспортировкой.

Умные «напарники<», заменяющие бригаду из нескольких десятков лесорубов, работающих «ручным» способом, обеспечивают высокую производительность лесозаготовки. Всего один комплекс, состоящий из харвестера и форвардера может заменить до 80 человек, работающих на лесозаготовке по традиционной технологии. При этом объёмы обработанной древесины несоизмеримы с ручным трудом.

При традиционной заготовке леса бригада из 7-8 человек заготавливают 7-8 тысяч кубометров леса в год, а применение связки харвестер + форвардер дает возможность заготавливать до 60-ти и более тысяч кубов. Производительность на одного человека возрастает почти в 8 раз.

История отечественного машиностроения, особенно в части разработки и производства лесных машин, полна интересных фактов, которые любопытны не только узким специалистам. Даже среди отечественных специалистов лесного комплекса распространено мнение о том, что первый в мире концепт манипуляторной валочно-пакетирующей машины (ВПМ) был разработан фирмой «Дрот» (Drott-40LC) на экскаваторной базе в начале 70-х годов прошлого века.

На самом деле это убеждение ошибочно. И первый в мире специализированный трелевочный трактор, и первая в мире ВПМ манипуляторного типа были разработаны в СССР. Разработкой этой ВПМ занимались в Латвийском научно-исследовательском институте лесохозяйственных проблем (ЛатНИИЛХП). У истоков создания машины стоял В. Ф. Кушляев, под его руководством в 1964 году была создана ВПМ «Дятел-1», которая предназначалась для рубок ухода за лесом. Первоначально в качестве базы использовался сельскохозяйственный колесный трактор Т-28 Владимирского тракторного завода.

По результатам испытаний первого экспериментального образца были разработаны лесотехнические требования на машину «Дятел-1», в 1969 году утвержденные Гослесхозом СССР. В качестве базы опытного образца был использован уже более мощный трактор «Беларусь» МТЗ-52. Опытный образец машины «Дятел-1» в 1966 году прошел заводские и ведомственные испытания, а в 1967–1969 – госиспытания. В 1968 году заводом «Ригалесмаш» была изготовлена опытная партия машины «Дятел-1», которая прошла производственную проверку в различных регионах СССР.

Конструктивные усовершенствования машины производились вплоть до 1971 года. В 1969–1970 годах были изготовлены два образца «Дятел-1» – на базах промышленной модификации трактора Липецкого завода Т-50 АП и специального лесохозяйственного Т-5Л этого же завода. В результате доработок производительность машины была доведена до 15–20 м3 в смену.

Были у машины и недостатки:

• Масса технологического оборудования составляла около 1/3 от общей массы машины.
• Наличие второй кабины создавало большие неудобства при работе оператора: он был вынужден в течение смены многократно переходить из одной кабины в другую.
• Было невозможно низко срезать деревья при глубоком снеге. 4. Машина была недостаточно проходима и маневренна из-за большого давления на грунт. 5. Малая устойчивость ВПМ, из-за которой необходима была установка аутригеров.

Лесовозный транспорт в технологическом процессе лесозаготовительного предприятия играет основную роль, являясь связующим звеном между лесосекой и нижним складом.

Технологический процесс перевозки состоит из трёх основных этапов. На первом этапе происходит рубка, подготовка и перевозка срубленного леса с лесосеки до верхнего склада. Второй этап заключается в транспортировании леса с верхнего склада до лесопилки, где он подвергается механической обработке. Заключительным этапом является доставка обработанного груза до склада конечного потребителя.

Лесозаготовка — заготовка лесоматериалов. Заготовка леса подразумевает валку деревьев в лесу, с последующей разработкой древесины (хлыстов) по сортиментам (брёвнам, без сучьев, определённой длины).

Лесозаготовка (или заготовка леса) осуществляется на заранее выделенной площади, которую называют лесосека. Валка деревьев и обрезка сучьев при первых двух технологиях производятся бензопилами и валочно-пакетирующими машинами (ВПМ), а трелевка — трелевочными тракторами (скиддерами)

Техника, применяемая при хлыстовой технологии заготовки и трелёвки: а — валочно-пакетирующая машина (ВПМ); б — трелевочный трактор (скиддер)

Перевозка леса осуществляется на специализированном автомобильном транспорте — лесовозах. Короткие (до 3 м) стволы перевозят на грузовиках с бортовыми прицепами. Перевозка круглого леса связана с целым рядом сложностей: техника должна обладать повышенной проходимостью, так как лес приходится вывозить из самых разных мест, в том числе и труднодоступных; в случае неверного крепления, лес во время транспортировки может разбросать по дороге; невозможность загрузки подвижного состава в обратном направлении.

Транспортирование пиломатериалов с лесообрабатывающей фабрики до склада потребителя. Пиломатериалы — это материалы из древесины, полученные путем распиливания бревен вдоль волокон. Пиломатериалы обычно производят на лесопильных предприятиях, где для этого применяются специальные станки и оборудование: ленточнопильные, круглопильные или лесопильные рамы и др. К пиломатериалам относятся доска, брусок, брус, шпала, шпон.

Перед проведением операций по погрузке пиломатериалы укладывают в штабеля. Штабель должен состоять из пиломатериалов одной породы и толщины. Подштабельное основание должно быть прочным, жестким, а верх его — горизонтальным. Длина основания должна равняться длине штабеля. Штабель необходимо выкладывать правильной геометрической формы — в виде параллелепипеда. Боковые и торцовые поверхности должны быть строго вертикальны. Для сохранения груза устанавливаются прокладки. В зависимости от габаритов и массы штабеля, выбирается погрузочно-разгрузочное средство. Для ПРР пиломатериалов используются автопогрузчики, краны, экскаваторы и манипуляторы.

Перевозка пиломатериалов может осуществляться как специализированным транспортом (лесовозами), так и неспециализированным.

Транспортирование отходов лесной промышленности. Отходы могут образовываться при вырубке леса, использовании круглого леса, первичной или вторичной обработке. Это могут обрезки древесины, кора, горбыль, стружки, опилки, дроблёнка, древесная мука и пыль. Причем все эти виды отходов древесины могут быть использованы вторично.

Существует 3 способа погрузки лесных отходов на автомобильный транспорт: Первый способ — загрузка из щепорубильной машины. Переработанная щепа поступает в бункер, из которого под действием силы тяжести грузится в подвижной состав; Второй способ — использование пылесосов. Его используют только при погрузки свежих лесных отходов в сухом виде;

Третий способ — применение ковшовых погрузчиков. Перевозка лесных отходов производится на специализированном автомобильном транспорте — щеповозах. Щеповоз — это особый вид транспорта для перевозки отходов лесной промышленности.

Щеповозы оснащены гидравлической открывающейся верхней накидкой для быстрой загрузки груза.

Щеповозы могут быть оснащены системой гидравлической боковой или задней загрузки и системой с подвижным полом.

Виды ПРР и ПС для перевозки отходов лесной промышленности: а) — ковшовый погрузчик; б) щеповоз

Деревообработкой издавна занимались на Руси. В настоящее время деревообработкой занимаются как в промышленных масштабах, так и в частных небольших мастерских. Ассортимент деревянных изделий и деталей из древесины обширен, а агрегаты, с помощью которых изготавливают различного вида деревянные изделия, отличаются в зависимости от своего типа, конфигурации, а также назначения.

Деревообрабатывающее оборудование можно использовать для столярных работ, изготовления мебели, лесопиления, заготовки пиломатериалов. Деревообрабатывающий сектор лесной промышленности России в настоящее время активно развивается. Распиловка древесины входит в число наиболее востребованных строительных материалов.

Значительная часть распиленной древесины уходит также на внешние рынки. Сегодня масштабное производство в секторе деревообработки представлено также фанерной продукцией, которая используется как для внутреннего рынка, так и для поставок на экспорт. Востребованы на строительном рынке также такие плиты, как ДСП, ДВП и МДФ.

Последние пять лет, активно развивается производство плит ОСП. Следует упомянуть о сравнительно новом материале деревообрабатывающего сектора – пеллеты, которые получаются путем прессования отходов лесопиления.

Деревообрабатывающие станки используются как в промышленных производствах, так и в частных мастерских. Такие станки подходят как для дома, так и эксплуатации в условиях производства.

В зависимости от назначения выпускаемой продукции деревообрабатывающие станки подразделяют на пильные; строгальные; токарные; сверлильные и фрезерные. К станкам повышенной точности относятся станки рейсмусовые и шипорезные, к станкам особой точности - станки-автоматы с числовым программным управлением.

Пильные деревообрабатывающие станки. Основное назначение таких станков - распил бревен. Также такие станки целесообразно использовать для придания определенной формы плоским изделиям. В число пильных деревообрабатывающих станков входит такое оборудование, как пилорамы, круглопильные устройства, а также различного вида ленточные станки (ручные или автоматические). Различают круглопильные и ленточнопильные деревообрабатывающие станки.

Строгальные деревообрабатывающие станки. Данные агрегаты для снятия верхних слоев древесины. В результате данной обработки изменяют толщину материала, а также формируют определенную поверхность в зависимости от назначения изделия. К данной группе устройств относят различные подтипы строгальных агрегатов, такие, как рейсмусовые односторонние и двусторонние, специальные, а также фуговальные.

Токарные деревообрабатывающие станки. Принцип действия токарных деревообрабатывающих станков основан на последовательном круговом снятии слоев древесины с заготовки. В результате использования токарных деревообрабатывающих станков формируют из прямых деревянных изделий тела вращения. В домашних условиях наиболее востребованы токарные деревообрабатывающие станки с ручным управлением. Более дорогостоящие устройства токарные деревообрабатывающие станки, которые применяются в промышленном производстве, имеют «числовое программное управление» и функционируют по заранее разработанной программе.

Сверлильные деревообрабатывающие станки. Данные станки применяются для создания глухих или сквозных отверстий в деревянных заготовках. Наиболее часто такие станки применяются для работы с древесными материалами высокой твердости, а также, если требуется глубокое сверление. Важно отметить, что применение сверлильных деревообрабатывающих станков позволяет выполнить обработку с высокой точностью.

Предприятиями выпускаются модели вертикально и горизонтально-сверлильные, а также радиально-сверлильные и специальные. Данные агрегаты снабжены механизмом, который обеспечивает контроль биения, а также они имеют дополнительную осевую стабилизацию. Наличие такого механизма значительно повышает точность обработки деревянной заготовки.

Фрезерные деревообрабатывающие станки. Использование таких станков позволяет выполнять элементы сложной формы. С помощью фрезерных деревообрабатывающих станков, возможно, выполнять декоративные деревянные изделия. Разновидности фрезерных деревообрабатывающих станков: вертикально, горизонтально, а также универсально-фрезерные.

Сегодня крупные производства используют модели фрезерных деревообрабатывающих станков с копировальными устройствами и с числовым программным управлением. Применение таких дополнительных устройств значительно упрощает процесс фрезерования сложных поверхностей. Распространены виды продольно-фрезерные и фрезерные деревообрабатывающие станки.

После изучения технологического процесса лесной промышленности. Мы выбрали: харвестер, форвардер, погрузчик и деревообрабатывающий станок.

Перед тем, что бы приступить к моделированию и конструированию. Мы подробно изучили, как работают выбранная техника. Какие механизмы используют.

Для того чтобы создать наши модели – роботы, мы изучили все детали и особенности механизмов. Постепенно шаг за шагом мы перешли к созданию самих моделей.

Какие детали потребовались для нашей работы:

Были использованы следующие конструкторы: LegoWedo 1.0, LegoWedo 2.0, детали MINDSTORMS EV3, HUNA
Электронные компоненты: аккумуляторные батареи смартхаб, мотор, датчик расстояния и наклона;
Детали: пластины (разных размеров), балки с шипами (разных размеров), кубики (разных размеров), черепицу, ступицы (шкифы), зубчатое колесо, зубчатое червячное колесо, кулачки, втулки, оси (разных размеров), штифты, зубчатые рейки, коробку передач.

Вот, что у нас получилось:

• форвардер:

• харвестер:

• погрузчик

• деревообрабатывающий станок

Что бы наша техника работала, мы использовали: зубчатую, червячную и ременную передачи, транспортерная лента.

Цель нашего проекта достигнута, задачи в ходе работы выполнены полностью. В процессе нашего проекта мы не только закрепили блок «Механизмы на службе производства», показали наши умения, стали лучше разбираться, как работают механизмы, но и написали инструкции к нашим моделям.

Этот проект можно использовать на занятиях робототехники в качестве закрепление или изучение различных механических передач (в данном случае для закрепления зубчатых передач, ременной и червячную). Выучить новые название деталей. Изучить разные зубчатые колеса, как работают кулачки, как работает червячок. А также разобраться, как работает лесная промышленность.

1. Салминен Э.О. Транспорт леса: В 2 т. Т. 1. Сухопутный транспорт: учебник для студентов вузов / Э.О.Салминен, В.К. Кузьянов, Г.Ф. Грехов и др. – М.: Издательский центр «Академия», 2009.-368 с.
2. Овчинников М.М., Полищук В.П., Григорьев Г.В. Транспорт леса. В 2 т.: учебник для вузов. -М.: Академия, 2009. – 208 с.
3. Ф.В. Пошарников. Технология и техника в лесной промышленности: в 2-х частях. - Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн.акад., 1998. - Ч.1: Лесосечные и лесоскладские работы. - 176с.
4. Ф.В. Пошарников. Технология и техника в лесной промышленности: в 2-х частях. - Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн.акад., 1998Ч.2: Транспорт леса и лесовосстановительные работы. - 180с.