基于PLC的自動(dòng)破竹機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

， ， 馬程浩， 傅萬四， 張 彬， 閆 薇

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091； 2.國(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京 100029； 3.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

研究與設(shè)計(jì)

基于PLC的自動(dòng)破竹機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周建波1，2，袁東2*， 馬程浩2，3， 傅萬四2， 張 彬2， 閆 薇2

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091； 2.國(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京 100029； 3.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

竹工機(jī)械的自動(dòng)化己經(jīng)引起了人們的高度重視，現(xiàn)有的破竹機(jī)普遍存在自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等問題。介紹了一種基于PLC控制的自動(dòng)破竹機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)竹材自動(dòng)上料、直徑識(shí)別、自動(dòng)換刀、破竹等功能，從而可實(shí)現(xiàn)竹材的自動(dòng)連續(xù)破竹，大大節(jié)省了人力物力，保證了操作人員的人身安全。

自動(dòng)破竹機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

Abstract：The automation of bamboo machinery has attracted people’s attention.The existing bamboo splitting equipment has such disadvantages of low degree of automation，high labor intensity and poor safety.A PLC control-based automatic bamboo splitting equipment control system is introduced and this system can realize automatic bamboo feeding，diameter identification，automatic tool change and bamboo splitting，thereby realizing continuous bamboo splitting，significantly saving manpower and material resources and ensuring the personal safety of operators.

Keywords：automatic bamboo splitting equipment；PLC；control system；design

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也得到廣泛重視和關(guān)注。竹材具有竹節(jié)和中空等特殊構(gòu)造，有易生蟲、霉變和干裂等特性，與木材特性差異較大，因此無論加工工藝還是加工機(jī)械，竹材和木材都有很大區(qū)別。由于技術(shù)和成本等因素的限制，現(xiàn)有的竹工機(jī)械大多是簡(jiǎn)單地從木工機(jī)械直接改造而來。目前，在破竹機(jī)工作環(huán)節(jié)中主要還是依靠工人目測(cè)選擇刀具，并手持竹筒段放在破竹機(jī)的刀口處進(jìn)行沖壓破竹，存在嚴(yán)重的安全隱患，而且根據(jù)目測(cè)竹筒的直徑來選擇竹筒刀具，存在目測(cè)不準(zhǔn)確造成浪費(fèi)的問題。為了解決這些問題，自動(dòng)破竹機(jī)的開發(fā)勢(shì)在必行[1-2]。

本文介紹了一種基于PLC的自動(dòng)破竹機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自動(dòng)上料、直徑識(shí)別、自動(dòng)換刀和破竹四部分，有效地節(jié)省了人力物力，保證了工作人員的人身安全。

1 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一種以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動(dòng)控制裝置。其一般以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能，既能控制開關(guān)量，也能控制模擬量。近年來PLC技術(shù)發(fā)展迅速，每年都會(huì)推出很多新產(chǎn)品。PLC實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，PLC系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。通用型 PLC 的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其是一種通用的可編程邏輯控制器，主要由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O模塊及電源組成。

圖1 通用型 PLC 的硬件基本結(jié)構(gòu)

該自動(dòng)破竹機(jī)采用了PLC控制系統(tǒng)，利用PLC的順序控制對(duì)破竹機(jī)破竹的各個(gè)步驟進(jìn)行精確操作，從而實(shí)現(xiàn)破竹機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)[3-4]。

2 控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)概述

自動(dòng)破竹機(jī)主要由自動(dòng)上料、直徑檢測(cè)和自動(dòng)換刀，以及竹段對(duì)心系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制系統(tǒng)主要分為竹筒上料、刀片選擇、竹筒對(duì)心及竹材切割幾部分，竹筒上料是指竹材運(yùn)輸?shù)街付ǖ那懈钗恢茫儆傻镀x擇系統(tǒng)指定刀盤上所需的刀片型號(hào)，最后由對(duì)心系統(tǒng)將竹材的中心和刀片的中心對(duì)準(zhǔn)并進(jìn)行切割。控制系統(tǒng)主要工作流程如圖3所示。

圖2 自動(dòng)破竹機(jī)結(jié)構(gòu)1.刀盤；2.刀架；3.交流伺服電機(jī)；4.減速機(jī)；5.傳動(dòng)軸1； 6.軸承支架；7.大帶輪；8.刀座；9.帶輪軸承座；10.帶輪軸； 11.竹管1；12.電機(jī)；13.導(dǎo)軌支撐座1；14.竹管2； 15.輸送帶輥?zhàn)樱?6.輸送帶；17.傳動(dòng)軸2；18.支撐底座； 19.整體吊架；20.支撐座；21.整體支架；22.滑塊； 23.直線導(dǎo)軌1；24.無指氣缸1；25.鋁支撐底座； 26.直線導(dǎo)軌2；27.無指氣缸2；28.氣缸滑塊； 29.提升氣缸固定座；30.夾具固定座；31.手指推桿； 32.手指氣缸；33.手指板；34.壓輥?zhàn)?5.無動(dòng)力壓輥； 36.支撐導(dǎo)軌；37.托竹座；38.大滾輪；39.滾輪；40.運(yùn)動(dòng)臺(tái)； 41.旋轉(zhuǎn)軸；42.軸承座；43.緊定板；44.緊定螺桿； 45.導(dǎo)軌支撐座2

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

破竹機(jī)自動(dòng)切換刀盤裝置的刀架上可安裝4把刀盤，每個(gè)刀盤中可安裝6～9片刀片?？蛇M(jìn)行加工的毛竹內(nèi)徑范圍為60～90 mm。抓取裝置可抓取的毛竹質(zhì)量為2～2.5 kg，長(zhǎng)度為1 000～1 500 mm，基本能夠滿足一般竹材的加工需要。

2.2 自動(dòng)上料系統(tǒng)

竹筒上料由階梯型傳送帶完成。利用PLC控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停頓，將竹材送入切割臺(tái)。梯形傳送帶與其他傳送裝置相比具有簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)，與機(jī)械手臂相比，它可以利用更加簡(jiǎn)單的控制程序?qū)⒅癫膫魉偷街付ǖ奈恢?，能?duì)物品進(jìn)行運(yùn)送，速度可根據(jù)兩物品之間的距離自動(dòng)調(diào)整，以防止傳送的物品之間發(fā)生碰撞；能夠?qū)崿F(xiàn)故障報(bào)警、狀態(tài)指示、傳送帶帶負(fù)載軟啟動(dòng)等；能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)狀態(tài)切換，方便維護(hù)。該系統(tǒng)主要運(yùn)用了PLC、傳感器、繼電器、變頻器等器件，利用PLC良好的自動(dòng)控制性能，實(shí)現(xiàn)了流水線傳送帶傳送過程的無人控制。竹筒上料控制流程如圖4所示。

圖4 竹筒上料控制流程

2.3 直徑檢測(cè)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)

直徑檢測(cè)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)破竹機(jī)控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，由于不同竹材的直徑不同或使用目的不同，竹材往往需要被加工成不同的尺寸。一般的加工方法為人工操作，即工作人員目測(cè)竹材，估算出其直徑，再轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤切割竹材[5]。這種方法不僅浪費(fèi)人力物力，容易產(chǎn)生誤差，更重要的是操作人員的人身安全存在極大的隱患。

本系統(tǒng)為了解決這個(gè)問題，采取了自動(dòng)測(cè)量竹材直徑并選擇刀具的控制方式。切割時(shí)竹材固定抓取截面如圖5所示。

圖5 切割時(shí)竹材固定抓取截面

從圖5可以看出，竹材抓取工具和竹材存在4個(gè)接觸點(diǎn)，利用抓取工具上的傳感器即可得到這4個(gè)接觸點(diǎn)的空間位置。由于竹材的橫截面并不是規(guī)則的圓形，需要使用擬合圓方法得到這個(gè)擬合圓的直徑，將其作為參數(shù)與刀盤上的四個(gè)刀具直徑對(duì)比來得到合適的切割刀具[6]。

為了得到擬合圓，首先應(yīng)進(jìn)行接觸點(diǎn)的平面擬合。任何空間的平面方程都可表示為：

ax+by+cz-1=0

(1)

將4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值帶入式(1)即可得到：

A·X-L=0

(2)

這樣根據(jù)最小二乘法則VTPV=min可知，擬合平面法向量的方向系數(shù)為：

X′=(ATA)-1ATL

(3)

而各個(gè)點(diǎn)P(xi，yi，zi)的平整度為：

(4)

將四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)擬合到同一個(gè)平面后即可進(jìn)行平面圓的擬合，在空間圓中任意兩點(diǎn)連線都可以得到一條弦，通過這條弦的直線方程可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的中垂面方程，以測(cè)量點(diǎn)N(N>3)為例，可以得到N-1條線性不相關(guān)的弦，從而得出N-1個(gè)線性不相關(guān)的中垂面方程。根據(jù)空間圓的特性，擬合平面和所有空間平面相交有且只有一個(gè)交點(diǎn)，這個(gè)交點(diǎn)即為平面圓的圓心。最后，將擬合的空間平面作為限制條件，中垂面作為觀測(cè)方程，利用帶有限制條件的間接平差作為基本函數(shù)模型推導(dǎo)出平面圓圓心的計(jì)算方程，再根據(jù)點(diǎn)到圓心的代數(shù)距離方程計(jì)算出平面圓的直徑。

2.4 竹段對(duì)心系統(tǒng)

自動(dòng)對(duì)心元件是指定位、夾緊同時(shí)實(shí)現(xiàn)的元件，多用于以中心線、對(duì)稱面為工序基準(zhǔn)的場(chǎng)合。其可分為兩種類型：① 按定位夾緊元件的等速移動(dòng)或等速轉(zhuǎn)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)定心、對(duì)中夾緊；②按定位夾緊元件的均勻彈性變形原理實(shí)現(xiàn)定心、對(duì)中夾緊。

竹材的完整性和抓取工具的夾緊力有密不可分的關(guān)系，確定夾緊力大小的原則是夾緊時(shí)不得破壞竹材的準(zhǔn)確定位，竹材在夾緊后變形和受壓表面的損傷不允許超過技術(shù)條件所允許的范圍。夾緊力直接影響竹材的加工可靠性、夾緊變形、定位準(zhǔn)確性和加工精度。在實(shí)際加工過程中，影響夾緊力的因素很多，計(jì)算也非常復(fù)雜。嚴(yán)格意義上說，夾緊力應(yīng)該是一個(gè)粗略的估算值。根據(jù)靜力平衡原理，抓取工具上的力傳感器起著至關(guān)重要的作用。

空間圓擬合完畢后，可以簡(jiǎn)單地找到竹筒橫截面擬合圓的空間坐標(biāo)，采用夾緊元件的等速移動(dòng)原理即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)心夾緊動(dòng)作。利用切割臺(tái)的抓取工具和位置傳感器，可對(duì)準(zhǔn)所抓竹材的中心和刀片中心。對(duì)準(zhǔn)完成后抓取工具的壓力傳感器達(dá)到閾值，最后由切割臺(tái)與抓取工具共同將竹材送入加工區(qū)，完成竹材的自動(dòng)切割[7]。

至此自動(dòng)破竹機(jī)的工作流程全部完成，由PLC控制的自動(dòng)破竹機(jī)控制系統(tǒng)完成了最為困難的刀片選擇工作，節(jié)省了人力物力，保證了工作人員的人身安全。

3 小結(jié)

針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的半自動(dòng)破竹機(jī)工作效率低、存在安全隱患等問題，提出了自動(dòng)破竹機(jī)的控制方案，利用順序控制中廣泛應(yīng)用的PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了竹材自動(dòng)上料、直徑識(shí)別、自動(dòng)換刀、破竹等功能，從而實(shí)現(xiàn)了竹材自動(dòng)連續(xù)破竹，大大節(jié)省了人力物力，降低了由于人工目測(cè)換刀帶來的誤差，保證了工作人員的人身安全。

[1] 趙仁杰.竹材人造板工藝學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2002.

[2] 張齊生.中國(guó)竹材工業(yè)化利用[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1999.

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[4] 孫燕良，張厚江，翟艷鳳，等.基于PLC氣動(dòng)機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)[J].森林工程，2011，27(3)：45-50.

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

DesignofAutomaticBambooSplittingMachineControlSystemBasedonPLC

ZHOUJian-bo1，2，YUANDong2*，MACheng-hao2，3，F(xiàn)UWan-si2，ZHANGBin2，YANWei2

(1.Institute of New Forest Technology，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China； 2.Beijing Forestry Machinery Research Institute of the State Forestry Administration，Beijing 100029，China； 3.School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021，China)

2017-05-05

中央級(jí)公益性科研院所基金項(xiàng)目“自動(dòng)定級(jí)破竹系統(tǒng)研發(fā)”(CAFINT2015C16)

周建波(1983-)，男，四川廣安人，副研究員，主要從事竹材加工技術(shù)及機(jī)械的研究，E-mail：zhoujianbol@126.com。

*通訊作者：袁 東(1959-)，男，北京人，研究員，主要從事林業(yè)機(jī)械的研究，Email：yd84897291@126.com。

TS642

A

2095-2953(2017)10-0007-04