基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置的制作方法

本实用新型涉及生物质材料的加工技术领域，尤其涉及一种新型的绿色切割加工装置，具体地说是一种基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置。

背景技术：

毛竹是我国种植面积最广、利用价值最大的竹种，其采伐周期短、产量高，在人造板、建筑、家具、医药卫生等行业具有广阔的应用前景，是代替木材、缓解我国木材供需矛盾的重要可再生资源。毛竹竹筒沿径向从外至内分别为竹青，竹肉和竹黄。其中，竹青部分维管束组织致密、硬度大，难以软化、喷涂和胶合，在竹材人造板等成形工艺中首先需将之切除。

毛竹去竹青是实现毛竹进一步加工利用的基础工序，现阶段对竹青常采用手工剥离或者机械切削剥离，竹青去除效率低、加工表面粗糙。对毛竹竹筒去竹青加工关键需解决的问题是如何提高加工效率、保证加工表面质量以及如何克服毛竹竹筒自身的弯曲、非规则圆柱的外形结构等。

现有技术对竹青去除主要通过钢丝刷手工刮削剥离或者采用刨削加工，前者人工成本高、刮削效率较低，后者一般适用于竹条。此外，也有利用车削、磨削、浮动切削等方式去除竹青，切削加工往往导致刀具/磨料磨损或堵塞严重，加工表面粗糙等缺点，特别是，切削加工所采用的参数往往不能过大，过大的切削参数易引起轴向脆裂。文献(刘红征,王新洲,李延军.竹筒无裂纹展平生产技术[j].林产工业,2018,v.45；no.273(05):41-45)和文献（cn201610804312.7、一种竹筒去竹青竹黄的加工方法）报道了用于竹筒无裂纹展平生产的浮动切削去青方法，所采用的组合浮动刀具可实现加工速率5-10m/min的竹青材料切除，该浮动切削加工大大提高了传统切削加工的工作效率，克服了毛竹弯曲和非规整外形对加工的影响，但存在着表层竹纤维撕裂严重，加工表面粗糙及刀具损耗量大等不足。此外，还有文献(徐兆军.激光处理竹青表面的研究[j].木材加工机械,2017(05):16-18.)研究利用激光去除竹青，其效率低成本高，如当激光移动速度0.15m/min时，切削竹青的厚度为45μm，尚难达到大规模工业应用要求。文献（cn201820432532.6、自适应型竹青去除器）报道的自适应型竹青去除器，该装置也属于机械切削加工，同样存在着加工效率有限和加工表面粗糙等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置；该去竹青装置利用水射流的高性能切割特性，能够提高竹筒去竹青的加工效率并解决毛竹竹筒的弯曲和非规则圆柱特性影响去青皮加工精准性和稳定性的难题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置，其特征在于：该去竹青装置包括水射流发生单元、定位支撑单元、夹持旋转推进单元；其中：水射流发生单元，用于形成切割竹青的水射流，水射流的喷射方向相切于竹青的内壁侧且靠近竹肉外壁侧的圆柱面；定位支撑单元，用于支撑定位竹筒并提供竹筒行进的通道；夹持旋转推进单元，用于夹持定位竹筒的端部并沿竹筒的轴向旋转推进竹筒行进，使得水射流能够持续切割竹青。

所述的定位支撑单元包括构成竹筒行进通道的弧形底座和拱形架，所述的弧形底座用于支撑竹筒且弧形底座的半径r大于被切割的竹筒的半径r；所述的拱形架上设有能够给竹筒施加径向作用力并用于定位竹筒的定位压紧机构。

所述的定位压紧机构包括位于竹筒上部的第一定位压紧机构、左侧的第二定位压紧机构和右侧的第三定位压紧机构，上述定位压紧机构能够根据控制信号收缩或伸展；所述的定位压紧机构上设置有弹性元件，该弹性元件使得定位压紧机构能够适应竹筒的表面形变。

所述的定位支撑单元还包括用于为竹筒提供支承力的竹筒支撑机构，竹筒支撑机构设置在水射流的前侧以防止竹筒在靠近水射流的切割区域时产生过大径向跳动；所述的竹筒支撑机构上设置有弹性元件，该弹性元件能够在毛竹竹节通过时产生相当于毛竹竹节高度的变形量。

所述的夹持旋转推进单元包括夹持单元、旋转单元和推进单元；其中：夹持单元，用于从竹筒的内腔固定支撑竹筒以便于竹筒的稳定旋转行进；旋转单元，用于连接夹持单元并带动夹持单元在旋转过程中行进；推进单元，用于连接旋转单元并推动旋转单元沿竹筒的轴向行进。

所述的夹持单元包括压爪、弹性伸缩调节机构和压爪轴，弹性伸缩调节机构沿压爪轴的周向设置且弹性伸缩调节机构的前端设置压爪，压爪压住竹筒的腔体内壁并施加向外的径向力；所述弹性伸缩调节机构能够根据控制信号收缩或伸展。

所述的旋转单元包括旋转轴和驱动旋转轴旋转的旋转轴电机，该旋转轴的一端安装在旋转轴电机的输出端、另一端通过万向节与夹持单元中的压爪轴相连接。

所述的推进单元包括丝杠电机和丝杠，旋转单元中的旋转轴电机的底部设置有能够与丝杠构成丝杠螺母推进机构的丝杠螺母，丝杠电机用于驱动丝杠的旋转。

所述的水射流发生单元包括用于供水的水箱、水泵、增压器、储能罐、水射流控制器和喷嘴以及砂罐和磨料阀，水泵用于抽吸水箱中的水并输出至能够实现稳压功能的储能罐，储能罐通过管路与水射流控制器相连通以提供压强稳定的水流且水射流控制器通过带有压力表的管道与增压器相连接以实现增压；装有切割用磨料的砂罐通过磨料阀控制磨料添加量；水射流控制器向喷嘴提供具有一定压力的水、砂罐向喷嘴提供切割用磨料，使得喷嘴喷出具有一定压力的水射流用于切割竹青。

所述的喷嘴设置在定位支撑单元中的弧形底座的进口侧并提供工作压力为50mpa-300mpa的水射流；且所述水箱和水泵之间设有过滤机构。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型的去竹青装置利用水射流的高性能切割特性，可实现的进给速率大于30m/min，能够大幅提高竹筒去竹青的加工效率；同时，由于水射流加工形成的切面光滑无毛刺，可极大地降低毛竹去竹青加工后表面的粗糙度；此外装置中设置了圆弧定位构造，以竹筒和弧形底座的弧形凹面、定位压紧机构前端的定位辊辊面的接触点作为基准，不用考虑竹筒外形不规则造成的旋转偏心，将水射流切割范围限定在竹青范围内，解决了毛竹竹筒的弯曲和非规则圆柱特性影响去青皮加工精准性和稳定性的难题；同时水射流的加工介质为纯水和磨料，绿色无污染，满足新形势下绿色制造和环境保护需求。

附图说明

附图1为本实用新型的去竹青装置的水射流单元和定位支撑单元组合结构示意图；

附图2为本实用新型的去竹青装置的定位支撑单元和夹持旋转推进单元组合结构示意图；

附图3为本实用新型的去竹青装置的弧形底座和毛竹结合状态示意图。

其中：101—水箱；102—过滤机构；103—水泵；104—砂罐；105—增压器；106—储能罐；107—水射流控制器；108—磨料阀；109—喷嘴；110—水射流；200—竹筒；201—竹青；202—毛竹竹节；203—竹肉；301—弧形底座；302—拱形架；303—第一定位压紧机构；304—第二定位压紧机构；305—第三定位压紧机构；306—竹筒支撑机构；401—压爪；402—压爪轴；403—弹性伸缩调节机构；404—旋转轴；405—旋转轴电机；406—丝杠；407—丝杠电机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1-3所示：一种基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置，该去竹青装置包括水射流发生单元、定位支撑单元、夹持旋转推进单元；其中：水射流发生单元，用于形成切割竹青201的水射流110，水射流110的喷射方向相切于竹青201的内壁侧且靠近竹肉203外壁侧的圆柱面；定位支撑单元，用于支撑定位竹筒200并提供竹筒200行进的通道；夹持旋转推进单元，用于夹持定位竹筒200的端部并沿竹筒200的轴向旋转推进竹筒200行进，使得水射流110能够持续切割竹青201。

如图1-3所示，定位支撑单元包括构成竹筒200行进通道的弧形底座301和拱形架302，弧形底座301用于支撑竹筒200且弧形底座301的半径r大于被切割的竹筒200的半径r1；在拱形架302上设有能够给竹筒200施加径向作用力并用于定位竹筒200的定位压紧机构。各定位压紧机构能够根据控制信号收缩或伸展且在定位压紧机构上设置有弹性元件，该弹性元件使得定位压紧机构能够适应竹筒200的表面形变；上述定位压紧机构包括位于竹筒200上部的第一定位压紧机构303、左侧的第二定位压紧机构304和右侧的第三定位压紧机构305，且每个定位压紧机构的定位压紧前端为定位辊，辊面和竹筒200的表面形成柔性的线性接触以进行压紧、定位。上述的定位支撑单元还包括用于为竹筒200提供支承力的竹筒支撑机构306，竹筒支撑机构306设置在水射流110的前侧以防止竹筒200在靠近水射流110的切割区域时产生过大径向跳动；在竹筒支撑机构306上设置有弹性元件，该弹性元件能够在毛竹竹节202通过时产生相当于毛竹竹节202高度的变形量。

如图2所示，夹持旋转推进单元包括夹持单元、旋转单元和推进单元；其中：夹持单元，用于从竹筒200的内腔固定支撑竹筒200以便于竹筒200的稳定旋转行进；旋转单元，用于连接夹持单元并带动夹持单元在旋转过程中行进；推进单元，用于连接旋转单元并推动旋转单元沿竹筒200的轴向行进。具体来说，夹持单元包括压爪401、弹性伸缩调节机构403和压爪轴402，弹性伸缩调节机构403沿压爪轴402的周向设置且弹性伸缩调节机构403的前端设置压爪401，压爪401压住竹筒200的腔体内壁并施加向外的径向力，弹性伸缩调节机构403能够根据控制信号收缩或伸展；旋转单元包括旋转轴404和驱动旋转轴404旋转的旋转轴电机405，该旋转轴404的一端安装在旋转轴电机405的输出端、另一端通过万向节与夹持单元中的压爪轴402相连接；推进单元包括丝杠电机407和丝杠406，旋转单元中的旋转轴电机405的底部设置有能够与丝杠406构成丝杠螺母推进机构的丝杠螺母，丝杠电机407用于驱动丝杠406的旋转。

如图1-2所示，水射流发生单元包括用于供水的水箱101、过滤机构102、水泵103、增压器105、储能罐106、水射流控制器107和喷嘴109以及砂罐104和磨料阀108，过滤机构102用于对水箱101的供水进行过滤，水泵103用于抽吸水箱101中的水并输出至能够实现稳压功能的储能罐106，储能罐106通过管路与水射流控制器107相连通以提供压强稳定的水流且水射流控制器107通过带有压力表的管道与增压器105相连接以实现增压；装有切割用磨料的砂罐104通过磨料阀108控制磨料添加量；水射流控制器107向喷嘴109提供具有一定压力的水、砂罐104向喷嘴109提供切割用磨料，使得喷嘴109喷出具有一定压力的水射流110用于切割竹青201，喷嘴109设置在定位支撑单元中的弧形底座301的进口侧并提供工作压力为50mpa-300mpa的水射流110。

实施例一

如图1-3所示，基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置，该去竹青装置包括水射流发生单元、定位支撑单元、夹持旋转推进单元。

水射流发生单元，用于形成切割竹青201的水射流110，水射流110的喷射方向相切于竹青201的内壁侧且靠近竹肉203外壁侧的圆柱面；水射流发生单元包括水箱101、过滤机构102、水泵103、砂罐104，增压器105、储能罐106、水射流控制器107、磨料阀108、喷嘴109，水箱101中的水通过过滤机构102过滤、由水泵103抽吸、通过储能罐106实现稳压、通过增压器105实现增压并由水射流控制器107供应给喷嘴109，经喷嘴109喷出后形成水射流110，砂罐104中装有切割用磨料并通过磨料阀108控制磨料添加量，水射流控制器107控制水射流110形成压力，水射流110工作压力为50mpa-300mpa。

定位支撑单元，用于支撑定位竹筒200并提供竹筒200行进的通道；定位支撑单元包括弧形底座301、拱形架302、第一定位压紧机构303、第二定位压紧机构304、第三定位压紧机构305、竹筒支撑机构306，弧形底座301上设有一段用于定位竹筒200外表面的弧面，其圆弧半径r大于被切割的竹筒200的半径r1；射流发生单元中的喷嘴109安装在弧形底座301的一侧，其喷射方向相切于竹青201内壁侧且靠近竹肉203外壁侧的圆柱面，拱形架302安装于弧形底座301上，供竹筒200穿过，拱形架302的内腔顶部装有第一定位压紧机构303、左侧装有第二定位压紧机构304、右侧装有第三定位压紧机构305、后侧装有竹筒支撑机构306，第一定位压紧机构303、第二定位压紧机构304和第三定位压紧机构305给竹筒200施加径向作用力，竹筒支撑机构306为竹筒200提供支承力，并防止竹筒200在靠近射流切割区域产生过大径向跳动。

夹持旋转推进单元，用于夹持定位竹筒200的端部并沿竹筒200的轴向旋转推进竹筒200行进，使得水射流110能够持续切割竹青201；夹持旋转推进单元包括压爪401、压爪轴402、弹性伸缩调节机构403、旋转轴404、旋转轴电机405、丝杠406、丝杠电机407，压爪401安装于弹性伸缩调节机构403的前端，弹性伸缩调节机构403安装于压爪轴402且压爪轴402的圆周方向均布2-3个弹性伸缩调节机构403，压爪轴402通过万向节连接旋转轴电机405驱动的旋转轴404，旋转轴电机405的底部设有丝杠螺母，可在丝杠406的带动下沿直线运动，丝杠406由丝杠电机407驱动。为实现竹筒200的轴向运动，除了图2所示的旋转轴电机405通过丝杠406结合丝杠电机407实现外，旋转轴电机405也可结合齿轮齿条结构、或者链轮链条结构、带轮带条结构等实现直线运动。

上述的第一定位压紧机构303、第二定位压紧机构304、第三定位压紧机构305和弹性伸缩调节机构403能够根据控制信号收缩或伸展，其典型的实现方法可通过气缸伸缩实现，除此方案之外，可通过电机带动丝杠，或者电机带动齿轮而齿轮代替齿条等方案实现。防止上述机构的刚性施力，其对竹筒200施加的径向作用力可通过弹簧元件调节，典型如弹簧；在竹筒支撑机构306上亦设置有弹性元件，在毛竹竹节202通过时可产生相当于毛竹竹节202高度的变形量。

如图1、图2所示，基于水射流的毛竹竹筒高效去竹青装置的应用原理描述如下：利用水射流发生装置形成压力50mpa以上的水射流110，水射流110的喷射方向相切于靠近竹肉203的竹青201的内侧面，在射流110喷射的同时，竹筒200以角速度ω旋转的同时，以速度v沿着轴向进给；为实现旋转运动，设置有旋转轴电机405，旋转轴电机405带动压爪轴402、压爪轴402上安装弹性伸缩调节机构403、弹性伸缩调节机构403上安装压爪401；压爪401用于从内部夹持竹筒200并传递旋转扭矩；弹性伸缩调节机构403在接受到夹持信号后可伸出，带动压爪401压紧竹筒200，当加工结束需要松开竹筒200时，可通过收缩动作带动压爪401松开竹筒200；为实现竹筒200放入水平移动，旋转轴电机405通过丝杠螺母结构连接到丝杠406上，丝杠406在丝杠电机407的带动下，可实现竹筒200的轴向运动。压爪轴402和旋转轴404之间通过万向节连接，可补偿旋转连接过程中，竹筒200由于不规则而导致的跳动。

如图3所示，考虑到竹筒200为非规则的圆柱形，因此设置弧形底座301，弧形底座301上的圆弧半径大于被加工的竹筒200的半径，保证竹筒200与弧形底座301相接触的点为竹筒200的最低点，因而可降低非规则圆柱状的竹筒200对切割带来的影响，保证切割厚度s（即竹青201的层厚）相对稳定。

本实用新型的去竹青装置利用水射流的高性能切割特性，可实现的进给速率大于30m/min，能够大幅提高竹筒去竹青的加工效率；同时，由于水射流加工形成的切面光滑无毛刺，可极大地降低毛竹去竹青加工后表面的粗糙度；此外装置中设置了圆弧定位构造，以竹筒200和弧形底座301的弧形凹面、定位压紧机构前端的定位辊辊面的接触点作为基准，不用考虑竹筒外形不规则造成的旋转偏心，将水射流切割范围限定在竹青范围内，解决了毛竹竹筒的弯曲和非规则圆柱特性影响去青皮加工精准性和稳定性的难题；同时水射流的加工介质为纯水和磨料，绿色无污染，满足新形势下绿色制造和环境保护需求。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。