多規(guī)格木板自動碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李海蕓，邱榮斌，林輝煌，董楸煌，葉大鵬

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

我國是木材原木進(jìn)口大國，也是各種木材加工產(chǎn)品的消費(fèi)大國和出口大國[1]。為了節(jié)約能耗和提高加工效率，目前多采用多片鋸對原木進(jìn)行初加工得到木板材；而原木初加工得到的木板材還需要進(jìn)一步的分揀，并將木板和隔條垂直交搭碼垛成垛堆，進(jìn)行干燥處理，以防止木板產(chǎn)生腐朽、蟲害、變形和開裂等缺陷問題，改善木板材的物理和力學(xué)性能[2-3]。而當(dāng)前很多木材加工企業(yè)的木板碼垛全都是由人工完成，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，機(jī)械化、自動化程度低，效率低下。

近年來，隨著勞動成本的增加，同時為了將人類從繁重的體力勞動中解放出來，在工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都采用自動化或半自動化的碼垛裝備對產(chǎn)品進(jìn)行碼垛，國內(nèi)外學(xué)者和技術(shù)人員也對碼垛機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)展開大量研究，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[4-5]。但是目前很多碼垛裝備都是針對尺寸較大、表面光滑的產(chǎn)品，可以方便的采用吸盤或特制的抓持機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓持目標(biāo)，并由運(yùn)動靈活的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行移動搬運(yùn)。但是對于結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)長、表面粗糙和碼垛工作量大的粗加工木板，設(shè)計抓持機(jī)構(gòu)困難，由機(jī)械臂結(jié)構(gòu)碼垛機(jī)器人進(jìn)行移動搬運(yùn)，運(yùn)動空間要求大，容易產(chǎn)生運(yùn)動奇異或干涉，且機(jī)械臂空行程運(yùn)動多，操作復(fù)雜，碼垛效率低，且設(shè)備使用、維護(hù)成本和能耗都較高[6]。

本文設(shè)計的一種錯位雙鏈木板循環(huán)輸送結(jié)構(gòu)，可以方便的將木板輸送放置于碼垛叉架之上，而后通過同步雙氣缸實現(xiàn)單層木板的規(guī)整，同時利用絲桿傳動控制叉架伸縮以穩(wěn)定的放置規(guī)整好的每層木板。為了實現(xiàn)對上述多種傳動的協(xié)調(diào)控制，采用分模塊設(shè)計思路，利用激光傳感器、行程開關(guān)等多傳感器融合信息作為控制輸入，基于PLC及擴(kuò)展接口，設(shè)計控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對木板高效、準(zhǔn)確的碼垛。

1 碼垛機(jī)系統(tǒng)自動化控制方案

1.1 碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

多規(guī)格木板自動碼垛機(jī)主要由雙鏈同步循環(huán)送料模塊和隔條輸送模塊等組成，如圖1所示。兩個對稱的隔條輸送模塊通過雙鏈條把隔條自動放置在叉架凹槽內(nèi)，而后通過絲桿傳動將兩個叉架及隔條同步伸出。雙鏈同步循環(huán)送料模塊上的每一對挑肩依次挑起候料區(qū)的一塊木板，輸送并放置于伸出的叉架隔條之上，同時木板壓下觸點電氣開關(guān)，叉架上部的兩個氣缸同步伸出將木板平行推送到叉架的端部，以騰出叉架上的空間放置下一對挑肩輸送過來的木板。由于雙鏈同步循環(huán)送料模塊的兩條傳送鏈按一定的尺寸錯位安裝，可以保證木板從候料區(qū)輸送放置于叉架之上的過程中，始終保持水平。當(dāng)輸送到叉架之上的木板數(shù)量達(dá)到設(shè)定數(shù)量時，兩個叉架同步縮回，將碼垛完成的一層木板及隔條放置于碼垛好的材堆頂層，從而完成一層木板的碼垛。

圖1 多規(guī)格木板自動碼垛機(jī)Fig.1 Assembly diagram of multi-specification automatic wood board palletizer

當(dāng)碼垛機(jī)碼完一層木板后，隔條輸送模塊及兩個氣缸提升相應(yīng)的高度，進(jìn)入下一層木板的自動循環(huán)碼垛，直至碼垛好的木板層數(shù)達(dá)到設(shè)定的值后，暫停碼垛。通過調(diào)整兩個對稱放置的雙鏈同步循環(huán)送料模塊和隔條輸送模塊的距離，以及叉架提升高度參數(shù)設(shè)定值，可使該碼垛機(jī)適用于不同長度和厚度規(guī)格的木板碼垛。

1.2 控制系統(tǒng)方案

木板自動碼垛機(jī)控制系統(tǒng)主要以PLC控制器及擴(kuò)展模塊為核心，控制5對步進(jìn)電機(jī)，包括隔條輸送模塊移動電機(jī)、隔條雙鏈輸送電機(jī)、叉架伸縮絲桿傳動電機(jī)、叉架提升電機(jī)和木板輸送錯位雙鏈輸送電機(jī)[7-8]。輸入端由2個限位觸點開關(guān)和7個激光傳感器構(gòu)成，整個控制系統(tǒng)上位機(jī)采用觸摸屏對碼垛機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、啟閉控制和監(jiān)測。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of control system

系統(tǒng)硬件采用分模塊進(jìn)行設(shè)計[9]，以方便系統(tǒng)調(diào)試和性能測試，包括隔條輸送模塊、木板輸送堆垛模塊、叉架伸縮模塊和叉架提升裝置模塊。PLC控制器采用西門子224XP外加三個EM253擴(kuò)展模塊構(gòu)成，通過擴(kuò)展擁有5個高速脈沖控制口，可滿足木板碼垛機(jī)控制系統(tǒng)使用要求。PLC系統(tǒng)的I/O地址分配，如表1所示[10]。

表1 PLC外部I/O地址分配Table 1 External I/O address assignment of PLC

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的控制程序采用模塊化設(shè)計方案，根據(jù)不同的功能模塊設(shè)計相應(yīng)的子程序：隔條輸送子程序、木板輸送堆垛子程序、叉架伸縮子程序和叉架提升子程序，各控制子程序的功能如下：

1）隔條輸送子程序：控制隔條輸送模塊移動靠近和離開碼垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)，并通過傾斜的雙鏈條把隔條傳送于隔條存儲器內(nèi)，并將存儲器內(nèi)隔條依次推送到叉架凹槽內(nèi)。

2）叉架伸縮子程序：木板碼垛前控制凹槽內(nèi)放有隔條的叉架伸出，碼完一層木板后，控制叉架縮回以推放新的隔條到叉架凹槽內(nèi)，同時將已碼放整齊的一層木板碼垛于下層木板之上。

3）木板輸送堆垛子程序：控制錯位雙鏈循環(huán)送料模塊將待碼垛的木板單塊依次循環(huán)輸送放置于伸出的叉架之上，并由兩個氣缸推移叉架上的木板，以將叉架上單層木板碼放整齊。

4）叉架提升子程序：木板碼放一層之后，控制叉架提升相應(yīng)的高度，以開始下一層木板的碼放。

碼垛機(jī)控制系統(tǒng)通過各個模塊子程序的協(xié)調(diào)控制，可以連續(xù)循環(huán)完成木板的碼垛控制，通過設(shè)定相應(yīng)的初始化參數(shù)值，可應(yīng)用于不同碼垛尺寸要求，控制系統(tǒng)的PLC程序流程圖如圖3所示[11-14]。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計

人機(jī)界面采用維控7寸LEVI700E（方殼型）真彩觸摸屏，主要由啟停控制按鈕、狀態(tài)監(jiān)控顯示界面和工作參數(shù)輸入界面等組成，如圖4所示。啟?？刂瓢粹o可以控制碼垛機(jī)開始、停止、初始化和急停等操作，狀態(tài)監(jiān)控顯示界面可以監(jiān)測碼垛機(jī)運(yùn)行過程中碼垛速度、碼垛層數(shù)和備用隔條狀態(tài)等狀態(tài)參數(shù)，工作參數(shù)輸入界面可以方便的設(shè)置碼垛機(jī)的碼垛層數(shù)和單層木板的數(shù)量等，以適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的碼垛需求。

3 試驗與分析

為了驗證所設(shè)計的木板自動碼垛機(jī)功能的可行性和性能的穩(wěn)定性，設(shè)置6組不同的碼垛參數(shù)，如表2所示，分別進(jìn)行均由1人組成的人工碼垛組和自動碼垛組試驗，試驗用杉木板材尺寸為1 200 mm×50 mm×10 mm，圖5為木板全自動碼垛運(yùn)行中的碼垛機(jī)。

每組各進(jìn)行多次試驗取平均值進(jìn)行分析，如圖6所示。人工碼垛組：隨著堆垛層數(shù)及每層碼垛模板數(shù)的增加，平均碼垛速率由較快逐漸以較大的幅度下滑而后低于機(jī)器組，碼垛的平整度較差，隔條位置不固定。

自動碼垛組：第2組和第1組進(jìn)行對比可知，每層木板數(shù)減半之后，碼垛效率明顯降低，主要是由于叉架伸縮過程，耗時較多，該過程沒有碼垛，嚴(yán)重影響碼垛機(jī)的工作效率，這說明采用絲桿傳動控制叉架的伸縮，效率較低，需要進(jìn)一步改進(jìn)，同時也為碼垛過程垛堆尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置提供了一定的依據(jù)。第3組和第2組對比可知，其碼垛平均速度接近，主要是由于叉架伸縮次數(shù)較多，耗時較多，但是高層鋸材的錯位雙鏈輸送行程較底層鋸材短，故在一定程度上提升了平均的碼垛速度，彌補(bǔ)了叉架伸縮耗時對碼垛效率的影響。隨著材堆規(guī)格的加大，自動碼垛速度趨于穩(wěn)定且持續(xù)性明顯優(yōu)于人工碼垛。碼垛機(jī)運(yùn)行過程未出現(xiàn)故障，碼垛過程中木板未曾損壞和掉落，輸送平穩(wěn)，每層木板平整，隔條位置固定，鋪放有序；材堆中木板與隔條垂直交搭整齊，各層隔條在高度上自上而下地保持在一條垂直線上，各層木板通風(fēng)性好；垛堆平整，整個碼垛機(jī)工作過程平穩(wěn)，噪聲低。雖然設(shè)置不同的碼垛機(jī)工作參數(shù)值，其平均速度有一定的差別，但是相比于人工的碼垛速度而言，其持續(xù)工作的效率相對較高。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 System program flow

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human-machine interaction interface

表2 不同試驗組的碼垛參數(shù)值Table 2 Palletizing parameter values of different test groups

圖5 試驗運(yùn)行中的木板碼垛機(jī)Fig.5 Wood plank palletizer in test operation

圖6 不同參數(shù)條件下人工碼垛與自動碼垛速率對比Fig.6 Comparison of the rate of artificial palletizing and automatic palletizing under different parameters conditions

4 結(jié)論與討論

本研究采用模塊化設(shè)計思路，對木板碼垛機(jī)多驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過多傳感器獲取樣機(jī)工作狀態(tài)信息，作為控制系統(tǒng)的輸入，同時通過PLC程序流程的合理設(shè)計，可實現(xiàn)對多驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和監(jiān)測。通過人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，使碼垛機(jī)適用于多規(guī)格的木板碼垛。經(jīng)過該機(jī)處理后的木板垛堆垛形緊密、整齊，其碼垛品質(zhì)優(yōu)于人工對照組，在一定程度上節(jié)省勞動力。

該設(shè)計也存在不足之處，如報警控制部分尚不夠完善，整體擴(kuò)展模塊的選配和接線配線思路，以及整體程序的可升級方案等都有很大的升級空間。對木板碼垛的速率受限于氣缸、隔條投放的時間等，有必要在本研究的基礎(chǔ)上探索更加有效的解決途徑。