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

研究與設(shè)計(jì)

斜排式無動力板材單側(cè)對齊儲料裝置的研制與優(yōu)化分析

林超然，邱榮斌，林長山，葉大鵬，董楸煌*

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

針對現(xiàn)有抬升式堆垛機(jī)堆垛前需進(jìn)行板材整理和候料的需求，研制出一種支持多規(guī)格板材無動力單側(cè)對齊儲料裝置，該裝置可實(shí)時(shí)檢測儲料區(qū)板材容量，進(jìn)而對進(jìn)料裝置與堆垛機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行反饋控制。介紹了該裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，通過對運(yùn)動板材進(jìn)行運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析并利用LINGO軟件進(jìn)行求解，得出導(dǎo)軌傾角參數(shù)的適用區(qū)間與最優(yōu)值。通過ADAMS軟件的動力學(xué)仿真分析及實(shí)體樣機(jī)的多組測試試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。

單邊對整；反饋控制；動力學(xué)分析；優(yōu)化分析；ADAMS

我國是全球最大的木制品生產(chǎn)基地和最主要的木制品加工出口國。在國外高端木工機(jī)械產(chǎn)品逐漸向數(shù)控化、精密化發(fā)展的形勢下，國內(nèi)企業(yè)對木工機(jī)械的自動化程度要求也逐漸提高。抬升式堆垛是目前常用的板材堆垛方式之一，堆垛時(shí)板材的進(jìn)料方式通常為人工半人工進(jìn)料，堆垛生產(chǎn)線的整體工作效率低。為了適應(yīng)抬升式板材堆垛機(jī)的進(jìn)料需求及提高板材堆垛生產(chǎn)線的工作效率，板材儲料裝置應(yīng)滿足以下功能要求：① 實(shí)現(xiàn)板材對齊排列；② 實(shí)現(xiàn)板材停靠端的有效?？块L度可調(diào)；③對儲料區(qū)板材容量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)儲料裝置與堆垛機(jī)的反饋控制，確保堆垛系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

為了滿足抬升式堆垛機(jī)板材自動進(jìn)料的功能需求，課題組結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，研制出一款斜排式無動力板材單側(cè)對齊儲料裝置，極大地提高了堆垛生產(chǎn)線的工作效率，具有良好的推廣與應(yīng)用前景[1-2]。

1 單側(cè)對齊儲料裝置的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

該斜排式無動力板材單側(cè)對齊儲料裝置由斜排式滾輪、可調(diào)式?？考?、側(cè)邊擋板、前后端傳感器組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單側(cè)對齊儲料裝置整體結(jié)構(gòu)1.前端傳感器；2.側(cè)邊擋板；3.斜排式滾輪；4.后端傳感器；5.可調(diào)式停靠架

1.2 工作原理

為了使周期性間歇供給的板材整齊逐塊地進(jìn)入堆垛工序，設(shè)計(jì)了板材單側(cè)對齊儲料裝置。當(dāng)上一工序的板材沿寬度方向進(jìn)入該裝置時(shí)，板材在自身重力分力及斜排式滾子的滾動摩擦力共同作用下，實(shí)現(xiàn)板材向下運(yùn)動的同時(shí)向右靠邊運(yùn)動，直至板材完成全部靠邊停放的動作。當(dāng)后傳感器接收到瞬時(shí)或持續(xù)的反饋信號，堆垛機(jī)開始工作，反之堆垛機(jī)停止工作；當(dāng)前傳感器接收到持續(xù)的反饋信號時(shí)，則前一工序停止向該儲料裝置輸送板材，反之則繼續(xù)向該裝置輸送板材，以保證該裝置中始終停放有適量板材。裝置底部為可調(diào)有效停靠長度的?？考?，其經(jīng)過初始化設(shè)置可確保堆垛機(jī)挑肩工作時(shí)不同規(guī)格批次的板材每次均只能挑起一塊，同時(shí)防止挑翻板材[3-4]。

2 單側(cè)對齊儲料裝置的控制流程設(shè)計(jì)

本裝置采用西門子S7200 PLC作為主控系統(tǒng)，通過前、后傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測對裝置中的板材容量狀態(tài)進(jìn)行反饋控制，為保證裝置內(nèi)始終擁有適當(dāng)?shù)陌宀拇鎯α浚瑢⑦M(jìn)料裝置與堆垛裝置進(jìn)行了合理有效地銜接[5]。單側(cè)對齊儲料裝置控制流程如圖2所示。

圖2 單側(cè)對齊儲料裝置控制流程

3 單側(cè)對齊儲料裝置的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析

以杉木板材為實(shí)驗(yàn)對象，取板材與滾輪之間的滾動摩擦力為其滑動摩擦力的1/50，且滑動摩擦系數(shù)值為0.55。對單塊板材在儲料裝置上的運(yùn)動過程進(jìn)行分析，由于板材初速度和儲料裝置滑軌傾斜角度的可變性，板材存在三種不同的運(yùn)動形式，如圖3所示。以導(dǎo)軌斜面為研究平面對單根板材進(jìn)行受力分析，如圖4所示[6-7]。板材在接觸底部停靠架之前必須完成向右側(cè)靠齊，因此可列出板材的位移關(guān)系式為：

(1)

(2)

式中：Sx為板材質(zhì)心沿x軸方向的位移(mm)，Sy為板材質(zhì)心沿y軸方向的位移(mm)；μ為板材與滾子之間的滑動摩擦系數(shù)；θ為板材運(yùn)動方向與水平面的夾角；θ1表示導(dǎo)軌方向與y軸的夾角；Vx為板材沿x軸方向運(yùn)動的初速度(m/s)；Vy為板材沿y軸方向運(yùn)動的初速度(m/s)；t為板材運(yùn)動時(shí)間(s)；a為該儲料裝置沿x軸方向的尺寸(mm)；b為該儲料裝置沿y軸方向的尺寸(mm)；c為板材的長度尺寸(mm)。在本次分析中，取Vx=0.5 m/s，Vy=0.8 m/s，a=2 000 mm，b=3 000 mm，c=1 200 mm。

圖3 板材運(yùn)動示意圖

圖4 板材受力分析

通過LINGO對θ與θ1進(jìn)行極值求解，得各變量取值，見表1～表4。

表1 θ取極小值時(shí)各變量取值

變量變量值變化量θ0.0000000.000000t3.0926130.000000θ11.2542520.000000

表2 θ取極大值時(shí)各變量取值

變量變量值變化量θ11.244840.000000t1.3911910.000000θ190.000000.000000

表3 θ1取極小值時(shí)各變量取值

變量變量值變化量θ10.0000000.000000t2.4828940.000000θ1.2542520.000000

表4 θ1取極大值時(shí)各變量取值

變量變量值變化量θ190.000000.000000t2.7302240.000000θ1.2542520.000000

通過優(yōu)化方法對該裝置進(jìn)行參數(shù)確定，將傾角θ與θ1作為該優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量，完成單側(cè)對齊動作所用時(shí)間作為目標(biāo)函數(shù)，通過LINGO軟件對該優(yōu)化問題進(jìn)行求解，當(dāng)t取極小值時(shí)各變量取值見表5。

表5 t取極小值時(shí)各變量取值

變量變量值變化量t1.1725410.000000θ9.2434740.000000θ179.874790.000000

將所得結(jié)果保留三位有效數(shù)字，并將各變量取值列表，見表6。

表6 斜排式無動力單側(cè)對齊儲料裝置參數(shù)極值

變量極值 θ/°θ1/°t/sθ=θmin01.253.09θ=θmax11.24901.39θ1=θ1min1.2502.48θ1=θ1max1.25902.73t=tmin9.2479.871.17

綜合以上信息，θ的取值范圍為(0，11.24°)，θ1的取值范圍為(0，90°)，最優(yōu)參數(shù)取值為θ=9.24°，θ1=79.87°，此時(shí)t=1.17 s。

4 試驗(yàn)分析

4.1試驗(yàn)方法

4.1.1 ADAMS仿真試驗(yàn)

設(shè)該無動力單側(cè)對齊儲料裝置的長b、寬a和初速度Vx、Vy不變，并取θ=9.24°、θ1=79.87°，然后通過ADAMS軟件來分析該最優(yōu)參數(shù)情況下板材質(zhì)心在x軸、y軸方向的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系，繪制運(yùn)動曲線。判斷該運(yùn)動曲線是否滿足式(1)和式(2)，并觀察板材完成x軸方向靠邊動作與y軸方向?？縿幼鞯挠脮r(shí)情況，以驗(yàn)證該裝置在上述最優(yōu)參數(shù)情況下單側(cè)靠邊功能的可實(shí)現(xiàn)性及性能的優(yōu)化程度，從軟件仿真試驗(yàn)層面來驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性[8-10]。

4.1.2 實(shí)體樣機(jī)測試試驗(yàn)

實(shí)體樣機(jī)由型材搭建，便于拆裝和傾角調(diào)節(jié)。本次試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)樣機(jī)傾角θ與θ1分別測得當(dāng)θ=0、θ1=1.25°，θ=1.25°、θ1=0，θ=9.24°、θ1=79.87°時(shí)裝置完成單側(cè)對齊動作的用時(shí)情況。傾角參數(shù)可調(diào)實(shí)體樣機(jī)如圖5所示。

圖5 傾角參數(shù)可調(diào)實(shí)體樣機(jī)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 ADAMS仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

參數(shù)取最優(yōu)值時(shí)板材的位移情況如圖6所示，圖中實(shí)線為板材質(zhì)心沿x軸方向的位移與時(shí)間的關(guān)系曲線；虛線為板材質(zhì)心沿y軸方向位移與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在該最優(yōu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，板材沿x軸方向的運(yùn)動時(shí)間小于等于板材沿y軸方向的運(yùn)動時(shí)間，表明板材在停止運(yùn)動之前均已完成向右靠邊動作，滿足該裝置的使用要求；板材沿y軸方向的運(yùn)動時(shí)間為1.17 s，為完成全部動作的最短時(shí)間。

圖6 參數(shù)取最優(yōu)值時(shí)板材的位移

4.2.2 實(shí)體樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)體樣機(jī)測試試驗(yàn)用時(shí)見表7。

表7 實(shí)體樣機(jī)測試試驗(yàn)用時(shí)

時(shí)間情況參數(shù)情況 理論時(shí)間/s實(shí)測時(shí)間/s誤差率/%θ=0,θ1=1.25°3.093.012.66θ=1.25°,θ1=02.482.542.24θ=9.24,θ1=79.8°1.171.213.25

通過對實(shí)體樣機(jī)傾角θ與θ1的調(diào)節(jié)，得到三組傾角參數(shù)情況下完成動作的實(shí)測時(shí)間。其中每組實(shí)測時(shí)間均為在該傾角參數(shù)情況下重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次所測結(jié)果的平均值。通過計(jì)算，得到三種傾角情況下的最大誤差率為3.25%，表明理論分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果具有統(tǒng)一性，同時(shí)也驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

(1)本單側(cè)對齊儲料裝置由斜排式滾輪、可調(diào)式?？考?、側(cè)邊擋板、前后傳感器及基于S7200PLC控制器的控制系統(tǒng)等部分組成。通過合理設(shè)置斜排式導(dǎo)軌的傾斜角度，實(shí)現(xiàn)了板材的無動力單側(cè)對齊儲料。底部停靠架的可調(diào)式設(shè)計(jì)可使裝置適應(yīng)多種不同規(guī)格板材的儲料，且可有效地防止板材的翻倒。通過PLC與前后傳感模塊的協(xié)同反饋控制來對板材數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保了裝置內(nèi)板材數(shù)量始終處于許可范圍內(nèi)。

(2)通過對板材的動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)分析，根據(jù)板材質(zhì)心在正交方向上的位移關(guān)系列出相關(guān)關(guān)系式，利用LINGO軟件求出在特定尺寸與初始速度條件下傾斜角度θ、θ1的極值與最優(yōu)值。

(3)通過基于ADAMS軟件的板材運(yùn)動仿真分析，繪出最優(yōu)傾角參數(shù)情況下板材質(zhì)心沿兩坐標(biāo)軸方向上的位移-時(shí)間曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明該最優(yōu)傾角參數(shù)能夠滿足裝置的功能要求。通過對實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行傾角參數(shù)調(diào)節(jié)，測得多組傾角參數(shù)情況下完成全部動作的用時(shí)情況，將其與理論時(shí)間對比并計(jì)算出誤差率，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。

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DevelopmentandOptimizationAnalysisofOblique-typePower-freeUnilateralPlateAlignmentDevices

LINChao-ran，QIURong-bin，LINChang-shan，YEDa-peng，DONGQiu-huang*

(College of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou Fujian 350002，China)

In view of the demand for plate arrangement and material awaiting before stacking by existing lifting-type stacking equipment，a power-free unilateral plate alignment device supporting plate of multiple sizes is developed.This device can realize real-time inspection of panel capacity in the material storage area，thereby conducting feedback control of feeding device and stacker operation.The mechanical structure of this device and the design and realization methods of its feedback control are introduced.Through the kinematic and dynamic analysis of the moving plate and the use of LINGO software for solution，the applicable interval and the optimal value of the inclination angle of the guide rail are obtained.Through the dynamic simulation analysis of ADAMS software and the multi-group testing of physical prototypes，the correctness of the theoretical analysis results is verified.

unilateral alignment；feedback control；dynamic analysis；optimization analysis；ADAMS

S777

A

2095-2953(2017)11-0027-04

2017-07-27

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“板材自動分檢整理系統(tǒng)研發(fā)”(201610389024)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“多規(guī)格木板智能碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)”(201610389018)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目“現(xiàn)代農(nóng)林裝備及自動化創(chuàng)新平臺”(612014017)；福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)林特色機(jī)電類大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與學(xué)科競賽指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(111416041)

林超然(1995-)男，福建莆田人，在讀本科生，機(jī)械制造及其自動化專業(yè)，E-mail：827948216@qq.com。

*通訊作者：董楸煌(1985-)，男，福建泉州人，講師，博士，主要從事空間機(jī)器人系統(tǒng)動力學(xué)與控制的研究，E-mail：dongqiuhuang@163.com。

(責(zé)任編輯 張雅芳)