牛 銘，王 春，趙 銳，高 鵬

（大連交通大學 機械工程學院，大連116028）

我國是木材原木進出口大國，也是各種木材加工產品的消費和出口大國[1]。為了節約能耗和提高加工效率，目前采用鋸切機械設備對原木材加工得到木板材，加工得到的木板材需要進一步分揀，碼垛成垛堆，進行干燥處理，以防止木板產生變形、腐朽和開裂等問題[2-3]。目前，大多數木材加工企業的木板碼垛全都是由人工完成，費時費力，機械自動化程度低，工作效率低下。近年來，隨著科技迅速發展，為了將人類從繁重的體力勞動中解放出來，在工、農等領域都采用的全自動或半自動的碼垛裝備對產品進行碼垛。與此同時，國外的一些著名學者和技術研究員對碼垛工業機器人等相關技術展開大量研究，并且都實現了產品的應用化，取得顯著的效果。目前，大多數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行機構，但是針對尺寸狹長、表面粗糙的木材，設計夾持結構相對困難。日本已生產的搬運碼垛機器人最大工作直徑為2.5 m，最大搬運重量可達300 kg，最高移動速度達0.2 m/s，重復定位精度±0.5 mm 范圍內，但是這種碼垛裝置所占空間比較大，裝置本身昂貴，維護不便，不適合在木工行業中大面積推廣；美國潤滑油制造商JTM 公司專門設計了一種真空吸附式末端執行器，該執行器由23個直徑為75 mm 的真空吸頭組成，一次可吸重達100 kg 箱體[4]，其結構復雜，價格昂貴，不滿足本設備使用要求。為解決上述問題，該文設計了一套木板自動碼垛機裝置，實現自動化碼垛和節省人工成本、提高工作效率的目的。

1 總體結構設計

1.1 機械結構

自動木板碼垛機的機械結構主要由龍門框架，末端執行機構，水平、豎直運動機構，升降臺，掃條、擋板機構，滑軌，同步帶，雙鏈條傳動等結構組成。龍門框架結構，具有結構穩定，強度高不易變形，空間大的優點。水平運動機構由伺服電機驅動，采用同步帶輪傳動方式使機構沿著滑軌進行水平運動。豎直運動機構也由伺服電機驅動，通過控制凸輪的轉動位置，來控制末端執行器上下運動的極限位置。末端執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、擋板機構集于一體，采用雙鏈條傳動由異步電機驅動，掃條機構固定在鏈條上，跟隨鏈條運動，從開始位置運動直到碰觸擋板機構后，掃條機構返回原位，擋板機構在氣缸推動下恢復初始狀態。

通過Solidworks 建立的三維模型如圖1所示。

1.2 真空吸附回路設計

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

圖1 自動木板碼垛機的機械結構圖Fig.1 Mechanical structure drawing of automatic wood stacker

在設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，保證真空吸附系統內潔凈度，減少雜質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，所以在氣體進入氣路之前，需要合適的減壓閥進行減壓，保證輸出氣體壓力穩定；

（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壓狀態，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；

（4）工作過程中，需要實時對吸盤內部真空進行監測，便于壓強的調整，所以需要配備真空監測器裝置。

針對以上需要，確定真空吸附回路的設計方案，如圖2所示。

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

真空鼓風機作為真空產生源，壓縮空氣經過干燥、過濾和減壓穩定后，將氣體儲存在氣罐中可以給真空回路提供穩定的真空度。工作時，真空電磁閥打開，真空吸盤內部產生負壓，對木板進行吸附，待真空吸盤到達指定位置后，通過PLC 程序控制電磁閥關閉，真空吸盤內部負壓減小直到消失，吸盤釋放木板。

2 控制系統設計

2.1 硬件選型

通過分析整個工作流程，可知碼垛機工作過程比較復雜，它既有倒垛、拆垛以及真空吸盤的配合的順序動作，同時又設有計數、液壓升降臺上升與下降的精準配合的要求。如果使用傳統的繼電器控制，無疑控制電路復雜，控制精度不高。由于可編邏輯控制器（PLC）是專門為工業生產設計的專業控制器，具有很強的邏輯運算、順序控制、定時、技術等指令[5]，并可以通過限位開關、傳感器、按鈕開關以及繼電器等作為輸入信號，以電磁閥、線圈、伺服電機等作為輸出信號，進行控制各類機械生產過程。所以，本裝置的控制系統選用西門子公司生產的S7-200 Smart PLC 作為控制中心，根據現場輸入輸出點個數，選用ST60 CPU，共有36 輸入/24 輸出點，完全滿足控制點要求。為方便調試和PLC 程序內參數的修改需要使用到人機界面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，根據技術要求和工藝流程，繪制控制流程，如圖3所示。

圖3 控制系統總體流程圖Fig.3 Control system block diagram

碼垛控制系統程序采用模塊化方案，根據不同功能模塊設計出相對應的子程序[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志位與所有輸出點復位，初始化完成。

（2）伺服運行程序：采用運動控制向導模塊對伺服運動控制，通過設置運動參數生成向導子程序組件[7]，AXIS0_CTRL 子程序初始化位置模塊，每次掃描程序時都要進行掃描，向導程序組件的AXIS0_GOTO 子程序轉到移動，AXIS0_RSEEK 子程序查找參考點位置，如圖4所示。主程序先對運動向導生成的AXIS0_CTRL 組件進行調用，完成運動軸的使能定義，找AXIS0_RSEEK 子程序的調用信號由控制器找原點完成標志位觸發，開始調用尋原點子程序待所有運動軸完成找原點后，開機初始化完成，開始調用AXIS0_GOTO 子程序，通過HMI 輸入各軸的位置與速度參數進行控制。

（3）自動碼垛程序：手動確認上料完成，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Z 軸到達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 軸快速到達指定位置，Z軸下降同時吸盤的真空閥關閉，將木板到放置在干料臺上，然后X、Z 軸復位，等待下一次工作。

（4）手動操作程序：主要是便于調試、維修。

（5）自動碼垛初始化程序：開機后，先讓Z 軸找原點位置，若Z 軸已經在原點位置，則讓Z 軸升到待機位，當Z 軸到達待機位，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。

碼垛機控制系統通過各模塊的子程序協調控制，可以連續完成碼垛工作，通過HMI 界面輸入相應的參數，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 人機界面設計

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

根據工作流程，人機界面主要包括主界面、自動/手動界面和參數輸入界面，如圖5所示，主界面為開機界面，手動界面包括真空閥的點動按鈕、吹氣閥點動按鈕、真空風機開啟按鈕、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、監視當前層數與設定目標層數、初始化等狀態參數。參數輸入界面可以設定碼垛機X、Z軸運動的速度與位置的參數，并可以監視碼垛速度大小與位置關系，根據現場工作要求，方便輸入X、Z軸取料、放料的位置與運行速度的參數，從而可以適應不同的現場環境并提高碼垛效率。

人機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、更準確、更迅速的操作機械裝置，也能使裝置發揮最大效益并延長使用壽命。

圖5 人機界面Fig.5 Human machine interface

3 試驗

為了驗證木板自動碼垛機功能的可行性與性能的可靠性[9]，通過生產、裝配和現場調試碼垛機，該裝置達到預期效果，工作穩定、響應速度快。如圖6為試驗中的木板碼垛機，分別對不同規格的木板進行試驗，第一組木板尺寸2000 mm*200 mm*10 mm，每塊木板重達1 kg，每組放置20 塊木板，總重約20 kg，設完成碼垛任務層數為10 層，時間總用時約30 s，裝置運行穩定，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1.5 kg，每組放置15 塊木板，總重約22.5 kg，同樣達到預期效果。試驗結果表明，較之前的人工碼垛，在速度、精度上表現突出，實現自動化控制，節省人力成本，極大的提高工作效率。

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

4 結語

本文是為了解決木工行業的人工碼垛存在效率低、費時費力等問題，設計出一套自動化裝置，本裝置具有以下特點： 機械結構上采用龍門式框架，結構穩定，強度高，不易變形；控制系統上，提出了以PLC 為核心的控制系統方案；PLC、人機界面的實時通訊進行數據交換與處理，對生產進行實時監控，提高操作的便捷性與生產的安全性。

經實際生產證明，木板自動碼垛機在工作過程中性能穩定，經該機處理后的木板碼堆垛緊密、整齊，碼垛品質要高于人工碼垛，對于企業降低人工成本、 提高效率與自動化程度具有重大現實意義。此外，碼垛機的部分結構有待于優化，減輕裝置重量，節省制造成本。