牛 銘，王 春，趙 銳，高 鵬

（大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連116028）

我國是木材原木進(jìn)出口大國，也是各種木材加工產(chǎn)品的消費和出口大國[1]。為了節(jié)約能耗和提高加工效率，目前采用鋸切機(jī)械設(shè)備對原木材加工得到木板材，加工得到的木板材需要進(jìn)一步分揀，碼垛成垛堆，進(jìn)行干燥處理，以防止木板產(chǎn)生變形、腐朽和開裂等問題[2-3]。目前，大多數(shù)木材加工企業(yè)的木板碼垛全都是由人工完成，費時費力，機(jī)械自動化程度低，工作效率低下。近年來，隨著科技迅速發(fā)展，為了將人類從繁重的體力勞動中解放出來，在工、農(nóng)等領(lǐng)域都采用的全自動或半自動的碼垛裝備對產(chǎn)品進(jìn)行碼垛。與此同時，國外的一些著名學(xué)者和技術(shù)研究員對碼垛工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)展開大量研究，并且都實現(xiàn)了產(chǎn)品的應(yīng)用化，取得顯著的效果。目前，大多數(shù)碼垛裝置都是針對于大尺寸、表面光滑的工件，末端采用普通吸盤或者特制的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是針對尺寸狹長、表面粗糙的木材，設(shè)計夾持結(jié)構(gòu)相對困難。日本已生產(chǎn)的搬運碼垛機(jī)器人最大工作直徑為2.5 m，最大搬運重量可達(dá)300 kg，最高移動速度達(dá)0.2 m/s，重復(fù)定位精度±0.5 mm 范圍內(nèi)，但是這種碼垛裝置所占空間比較大，裝置本身昂貴，維護(hù)不便，不適合在木工行業(yè)中大面積推廣；美國潤滑油制造商JTM 公司專門設(shè)計了一種真空吸附式末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器由23個直徑為75 mm 的真空吸頭組成，一次可吸重達(dá)100 kg 箱體[4]，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，不滿足本設(shè)備使用要求。為解決上述問題，該文設(shè)計了一套木板自動碼垛機(jī)裝置，實現(xiàn)自動化碼垛和節(jié)省人工成本、提高工作效率的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動木板碼垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由龍門框架，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，水平、豎直運動機(jī)構(gòu)，升降臺，掃條、擋板機(jī)構(gòu)，滑軌，同步帶，雙鏈條傳動等結(jié)構(gòu)組成。龍門框架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度高不易變形，空間大的優(yōu)點。水平運動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動，采用同步帶輪傳動方式使機(jī)構(gòu)沿著滑軌進(jìn)行水平運動。豎直運動機(jī)構(gòu)也由伺服電機(jī)驅(qū)動，通過控制凸輪的轉(zhuǎn)動位置，來控制末端執(zhí)行器上下運動的極限位置。末端執(zhí)行器由三腳架與真空吸盤組成，真空吸盤固定在三腳架上。掃條、擋板機(jī)構(gòu)集于一體，采用雙鏈條傳動由異步電機(jī)驅(qū)動，掃條機(jī)構(gòu)固定在鏈條上，跟隨鏈條運動，從開始位置運動直到碰觸擋板機(jī)構(gòu)后，掃條機(jī)構(gòu)返回原位，擋板機(jī)構(gòu)在氣缸推動下恢復(fù)初始狀態(tài)。

通過Solidworks 建立的三維模型如圖1所示。

1.2 真空吸附回路設(shè)計

自動木板碼垛機(jī)需要一個完整真空吸附系統(tǒng)，包括真空吸附氣路、氣路控制元件以及執(zhí)行件真空吸盤。

圖1 自動木板碼垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical structure drawing of automatic wood stacker

在設(shè)計真空回路時需要滿足以下功能需求：

（1）具備氣體過濾干燥元器件，保證真空吸附系統(tǒng)內(nèi)潔凈度，減少雜質(zhì)污染對真空吸附精度的不良影響；

（2）由于氣源輸入氣體壓力較大，存在一定的壓力波動，所以在氣體進(jìn)入氣路之前，需要合適的減壓閥進(jìn)行減壓，保證輸出氣體壓力穩(wěn)定；

（3）吸盤有吸附和釋放的過程，在完成吸附后，需要通過部分正壓氣體解除負(fù)壓狀態(tài)，便于施放木板。因此需要真空電磁閥控制吸附與釋放兩種狀態(tài)；

（4）工作過程中，需要實時對吸盤內(nèi)部真空進(jìn)行監(jiān)測，便于壓強(qiáng)的調(diào)整，所以需要配備真空監(jiān)測器裝置。

針對以上需要，確定真空吸附回路的設(shè)計方案，如圖2所示。

圖2 真空吸附回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum adsorption circuit

真空鼓風(fēng)機(jī)作為真空產(chǎn)生源，壓縮空氣經(jīng)過干燥、過濾和減壓穩(wěn)定后，將氣體儲存在氣罐中可以給真空回路提供穩(wěn)定的真空度。工作時，真空電磁閥打開，真空吸盤內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，對木板進(jìn)行吸附，待真空吸盤到達(dá)指定位置后，通過PLC 程序控制電磁閥關(guān)閉，真空吸盤內(nèi)部負(fù)壓減小直到消失，吸盤釋放木板。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件選型

通過分析整個工作流程，可知碼垛機(jī)工作過程比較復(fù)雜，它既有倒垛、拆垛以及真空吸盤的配合的順序動作，同時又設(shè)有計數(shù)、液壓升降臺上升與下降的精準(zhǔn)配合的要求。如果使用傳統(tǒng)的繼電器控制，無疑控制電路復(fù)雜，控制精度不高。由于可編邏輯控制器（PLC）是專門為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計的專業(yè)控制器，具有很強(qiáng)的邏輯運算、順序控制、定時、技術(shù)等指令[5]，并可以通過限位開關(guān)、傳感器、按鈕開關(guān)以及繼電器等作為輸入信號，以電磁閥、線圈、伺服電機(jī)等作為輸出信號，進(jìn)行控制各類機(jī)械生產(chǎn)過程。所以，本裝置的控制系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 Smart PLC 作為控制中心，根據(jù)現(xiàn)場輸入輸出點個數(shù)，選用ST60 CPU，共有36 輸入/24 輸出點，完全滿足控制點要求。為方便調(diào)試和PLC 程序內(nèi)參數(shù)的修改需要使用到人機(jī)界面HMI，故采用同系列的Smart 700 IE V3 觸摸屏。

2.2 I/O 分配

PLC 主機(jī)I/O 地址分配。表1所示。

表1 I/O 點地址分配Tab.1 I/O point address assignment

2.3 主要PLC 程序

編寫自動控制程序之前，根據(jù)技術(shù)要求和工藝流程，繪制控制流程，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體流程圖Fig.3 Control system block diagram

碼垛控制系統(tǒng)程序采用模塊化方案，根據(jù)不同功能模塊設(shè)計出相對應(yīng)的子程序[6]，主要包括：PLC初始化程序、伺服運行程序、自動碼垛程序、手動操作程序、自動碼垛初始化程序。各子程序功能如下：

（1）PLC 初始化程序：程序啟動SM0.1 接通，主程序各個輔助繼電器點標(biāo)志位與所有輸出點復(fù)位，初始化完成。

（2）伺服運行程序：采用運動控制向?qū)K對伺服運動控制，通過設(shè)置運動參數(shù)生成向?qū)ё映绦蚪M件[7]，AXIS0_CTRL 子程序初始化位置模塊，每次掃描程序時都要進(jìn)行掃描，向?qū)С绦蚪M件的AXIS0_GOTO 子程序轉(zhuǎn)到移動，AXIS0_RSEEK 子程序查找參考點位置，如圖4所示。主程序先對運動向?qū)傻腁XIS0_CTRL 組件進(jìn)行調(diào)用，完成運動軸的使能定義，找AXIS0_RSEEK 子程序的調(diào)用信號由控制器找原點完成標(biāo)志位觸發(fā)，開始調(diào)用尋原點子程序待所有運動軸完成找原點后，開機(jī)初始化完成，開始調(diào)用AXIS0_GOTO 子程序，通過HMI 輸入各軸的位置與速度參數(shù)進(jìn)行控制。

（3）自動碼垛程序：手動確認(rèn)上料完成，如果碼垛來料到位傳感器未被碰觸，則碼垛來料液壓臺上升，如果到液壓臺上限則下降等再次上料，當(dāng)Z 軸到達(dá)取料位置隨后真空吸盤開始工作，完成吸附木板的命令，Z 軸回歸原位，X 軸快速到達(dá)指定位置，Z軸下降同時吸盤的真空閥關(guān)閉，將木板到放置在干料臺上，然后X、Z 軸復(fù)位，等待下一次工作。

（4）手動操作程序：主要是便于調(diào)試、維修。

（5）自動碼垛初始化程序：開機(jī)后，先讓Z 軸找原點位置，若Z 軸已經(jīng)在原點位置，則讓Z 軸升到待機(jī)位，當(dāng)Z 軸到達(dá)待機(jī)位，X 軸尋找原點位置，原料液壓平臺下降到下極限，干料液壓平臺上升到上極限，完成碼垛初始化。

碼垛機(jī)控制系統(tǒng)通過各模塊的子程序協(xié)調(diào)控制，可以連續(xù)完成碼垛工作，通過HMI 界面輸入相應(yīng)的參數(shù)，可以完成對不同位置的木料的抓取和放置。

圖4 伺服運行程序Fig.4 Servo running program

2.4 人機(jī)界面設(shè)計

人機(jī)界面采用西門子的Smart 700IE V3 系列觸摸屏，由于人機(jī)界面HMI 與PLC 屬于同一系列的產(chǎn)品，兩者都可以采用以太網(wǎng)（TCP/IP）通訊[8]，在通訊之前，首先在PLC 的編程軟件STEP7 的系統(tǒng)塊中設(shè)定以太網(wǎng)端口的IP 地址，然后在人機(jī)界面的編程軟件連接選項中選擇需要連接的PLC 型號和設(shè)定本地的IP 地址，完成通訊工作。

根據(jù)工作流程，人機(jī)界面主要包括主界面、自動/手動界面和參數(shù)輸入界面，如圖5所示，主界面為開機(jī)界面，手動界面包括真空閥的點動按鈕、吹氣閥點動按鈕、真空風(fēng)機(jī)開啟按鈕、液壓臺升降按鈕等操作指令，自動界面包括裝置啟動按鈕、真空閥禁止按鈕、監(jiān)視當(dāng)前層數(shù)與設(shè)定目標(biāo)層數(shù)、初始化等狀態(tài)參數(shù)。參數(shù)輸入界面可以設(shè)定碼垛機(jī)X、Z軸運動的速度與位置的參數(shù)，并可以監(jiān)視碼垛速度大小與位置關(guān)系，根據(jù)現(xiàn)場工作要求，方便輸入X、Z軸取料、放料的位置與運行速度的參數(shù)，從而可以適應(yīng)不同的現(xiàn)場環(huán)境并提高碼垛效率。

人機(jī)界面的使用很大程度減少的外部按鈕的使用，可以幫助操作者更簡單、更準(zhǔn)確、更迅速的操作機(jī)械裝置，也能使裝置發(fā)揮最大效益并延長使用壽命。

圖5 人機(jī)界面Fig.5 Human machine interface

3 試驗

為了驗證木板自動碼垛機(jī)功能的可行性與性能的可靠性[9]，通過生產(chǎn)、裝配和現(xiàn)場調(diào)試碼垛機(jī)，該裝置達(dá)到預(yù)期效果，工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快。如圖6為試驗中的木板碼垛機(jī)，分別對不同規(guī)格的木板進(jìn)行試驗，第一組木板尺寸2000 mm*200 mm*10 mm，每塊木板重達(dá)1 kg，每組放置20 塊木板，總重約20 kg，設(shè)完成碼垛任務(wù)層數(shù)為10 層，時間總用時約30 s，裝置運行穩(wěn)定，吸盤吸附木板牢固。第二組木板尺寸2500 mm*300 mm*10 mm，每塊木板重達(dá)1.5 kg，每組放置15 塊木板，總重約22.5 kg，同樣達(dá)到預(yù)期效果。試驗結(jié)果表明，較之前的人工碼垛，在速度、精度上表現(xiàn)突出，實現(xiàn)自動化控制，節(jié)省人力成本，極大的提高工作效率。

圖6 試驗中的木板碼垛機(jī)Fig.6 Wood palletizing machine under test

4 結(jié)語

本文是為了解決木工行業(yè)的人工碼垛存在效率低、費時費力等問題，設(shè)計出一套自動化裝置，本裝置具有以下特點： 機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用龍門式框架，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度高，不易變形；控制系統(tǒng)上，提出了以PLC 為核心的控制系統(tǒng)方案；PLC、人機(jī)界面的實時通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與處理，對生產(chǎn)進(jìn)行實時監(jiān)控，提高操作的便捷性與生產(chǎn)的安全性。

經(jīng)實際生產(chǎn)證明，木板自動碼垛機(jī)在工作過程中性能穩(wěn)定，經(jīng)該機(jī)處理后的木板碼堆垛緊密、整齊，碼垛品質(zhì)要高于人工碼垛，對于企業(yè)降低人工成本、 提高效率與自動化程度具有重大現(xiàn)實意義。此外，碼垛機(jī)的部分結(jié)構(gòu)有待于優(yōu)化，減輕裝置重量，節(jié)省制造成本。