任長(zhǎng)清，婁月軒，楊春梅，繆 騫，鄧英健，蔣 婷

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

自從我國(guó)實(shí)行天然林停伐減產(chǎn)政策，木材供需之間的矛盾日益明顯[1-3]，大徑級(jí)木材資源緊缺，小徑木在各類市場(chǎng)中備受關(guān)注[4]，木材資源的利用對(duì)象主體從天然林轉(zhuǎn)移到了人工林中的小徑木。小徑木是一種先進(jìn)生物質(zhì)材料，來(lái)源廣泛且死節(jié)數(shù)量少，具有較好的應(yīng)用前景[5]。雖然不適合直接作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用，但可以通過(guò)將小徑木鋸切成板材進(jìn)行利用[6-7]。

然而，現(xiàn)有的小徑木生產(chǎn)線中的縱剖鋸切過(guò)程需要人工運(yùn)送，效率低、出錯(cuò)率高、成本高[8-10]。為改善這種情況，本文介紹自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的加工工藝和結(jié)構(gòu)，結(jié)合工藝制定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)控制系統(tǒng)的需求完成硬件選擇，并對(duì)軟件和觸摸屏界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)及其工藝

1.1 工藝流程

鋸切的加工對(duì)象是小徑木原木。由于小徑木存在大頭和小頭，鋸切出來(lái)的板材可能是不完全的。若鋸切不完全則板材的長(zhǎng)度小于原木長(zhǎng)度，如圖1 所示。由于生產(chǎn)中需要統(tǒng)一長(zhǎng)度的板材，故需要將完全鋸切的板材和不完全鋸切的板材分開(kāi)。

圖1 鋸切完全的板材和鋸切不完全的板材

自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的工藝流程如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的工藝流程

1.2 結(jié)構(gòu)介紹

小徑木圓鋸機(jī)自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的結(jié)構(gòu)

圓鋸機(jī)位于圖3 中的標(biāo)記位置。進(jìn)出料臺(tái)和圓鋸機(jī)共同組成了小徑木板材鋸切生產(chǎn)線，但圓鋸機(jī)的控制不在本文的研究范圍內(nèi)。其中：上料機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和托架機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成自動(dòng)進(jìn)料；落料機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和分料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成自動(dòng)出料。

上料機(jī)構(gòu)通過(guò)鏈傳動(dòng)將小徑木提升至翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪和齒條帶動(dòng)小徑木進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，滾動(dòng)到圓鋸機(jī)。這時(shí)托架機(jī)構(gòu)伸出，輔助定位并限制小徑木的滾動(dòng)；圓鋸機(jī)加工時(shí)，托架縮回以避免干涉。落料機(jī)構(gòu)用于收集并運(yùn)輸圓鋸機(jī)加工出來(lái)的板材。檢測(cè)機(jī)構(gòu)有紅外檢測(cè)裝置，當(dāng)紅外線被遮擋時(shí)，認(rèn)為板材足夠長(zhǎng)。若板材足夠長(zhǎng)，分料機(jī)構(gòu)的側(cè)擋板伸出，傳輸輥轉(zhuǎn)動(dòng)，將板材縱向運(yùn)輸出去；若板材不夠長(zhǎng)，側(cè)擋板縮回，氣缸伸出，將板材橫向推出。

2 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)具有用途廣泛、工作穩(wěn)定可靠、便于維修和調(diào)試等特性[11-16]。小徑木圓鋸機(jī)自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：

1）能夠按照?qǐng)A鋸機(jī)原有的生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行加工和運(yùn)輸。

2）方便對(duì)原木進(jìn)料和板材出料的收集和整理，并實(shí)現(xiàn)板材的分料。

3）安全、可靠性好，整個(gè)進(jìn)出料臺(tái)的工作狀態(tài)被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，遇到緊急情況時(shí)可以進(jìn)行急停，最大程度地保證安全生產(chǎn)。

3 控制系統(tǒng)的硬件選擇

根據(jù)前文所述的加工工藝要求，執(zhí)行元件選擇如下：Y100L-2 型三相異步電機(jī)電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)，用于上料機(jī)構(gòu)的水平鏈傳動(dòng)；Y80L-2 型三相異步電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)，用于上料機(jī)構(gòu)的提升鏈傳動(dòng)；FL86BYG156 型步進(jìn)電機(jī)1 臺(tái)，用于落料機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)；SM110152A 型步進(jìn)電機(jī)1 臺(tái)，用于分料機(jī)構(gòu)傳輸輥轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行的板材縱向傳動(dòng)；SM86158A型步進(jìn)電機(jī)1 臺(tái)，用于檢測(cè)機(jī)構(gòu)傳輸輥轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行的板材縱向傳動(dòng)；SE-50×100-LB 型 ATRTAC 標(biāo)準(zhǔn)氣缸 1 個(gè)，用于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的齒輪齒條進(jìn)行工件的翻轉(zhuǎn)；SE-50×125 型ATRTAC 標(biāo)準(zhǔn)氣缸2 個(gè)，用于托架機(jī)構(gòu)的伸縮；MAR40×50-S-F 型ATRTAC 迷你氣缸2 個(gè)，用于分料機(jī)構(gòu)側(cè)擋板的伸縮；MA20×100-S-U 型 ATRTAC 標(biāo)準(zhǔn)氣缸 1 個(gè)，用于檢測(cè)機(jī)構(gòu)中擋料板的上下運(yùn)動(dòng)；PB-20-200-R-0 型ATRTAC 標(biāo)準(zhǔn)氣缸1 個(gè)，用于分料機(jī)構(gòu)的橫向分料。具體如表1 所示。

4 控制系統(tǒng)的軟件程序

4.1 控制系統(tǒng)PLC 的I/O 端子分配

自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的可編程邏輯控制器需要有充足的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，以滿足運(yùn)算和控制要求，同時(shí)盡量降低成本。本次需要設(shè)計(jì)的主要控制系統(tǒng)中需要12 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入、6 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出。故選用型號(hào)為DVP-32EH00T3 的小型PLC。PLC 接線圖如圖4 所示。

控制系統(tǒng)的I/O 端子分配如表2 所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件清單

表2 控制系統(tǒng)的I/O 端子分配表

圖4 控制系統(tǒng)PLC 的I/O 端子外部接線

4.2 控制系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)

整機(jī)啟動(dòng)后，按下啟動(dòng)按鈕，加工開(kāi)始。小徑木經(jīng)上料機(jī)構(gòu)至翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，后觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)1，翻轉(zhuǎn)氣缸1 伸出，通過(guò)齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)托架氣缸2 縮回，托架伸出，進(jìn)行小徑木的輔助定位。待圓鋸機(jī)啟動(dòng)后，觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)2，托架氣缸2 伸出，托架收回。隨后圓鋸機(jī)開(kāi)始加工。

加工一次后板材落在落料機(jī)構(gòu)上，鋸片移動(dòng)到行程最大位置觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)3，落料機(jī)構(gòu)的86 步進(jìn)電機(jī)1 啟動(dòng)使板材在設(shè)定的速度下輸送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)。第一塊板材輸送到檢測(cè)機(jī)構(gòu)后觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)4，86 步進(jìn)電機(jī)1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)2 啟動(dòng)，傳輸輥帶動(dòng)板材做縱向移動(dòng)。板材一旦碰到擋板器后，觸發(fā)壓力傳感器，步進(jìn)電機(jī)2 停止運(yùn)轉(zhuǎn)。檢測(cè)機(jī)構(gòu)上方有紅外檢測(cè)裝置。若板材觸碰到擋板器后不能將紅外檢測(cè)線覆蓋，則認(rèn)為板材不夠長(zhǎng)；若板材觸碰到擋板器后能夠?qū)⒓t外檢測(cè)線覆蓋，則認(rèn)為板材足夠長(zhǎng)。

完成板材長(zhǎng)度的檢測(cè)后，檢測(cè)機(jī)構(gòu)中擋板器的氣缸4 縮回，帶動(dòng)擋板器向下移動(dòng)。擋板器觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)5，步進(jìn)電機(jī)2 啟動(dòng)帶動(dòng)傳輸輥，使板材輸送至分料機(jī)構(gòu)。如果板材不夠長(zhǎng)，則分料機(jī)構(gòu)的氣缸5 伸出，將板材從分料機(jī)構(gòu)橫向推出；如果板材足夠長(zhǎng)，則分料機(jī)構(gòu)的側(cè)擋板氣缸6 伸出，分料機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)3 啟動(dòng)帶動(dòng)傳輸輥，使板材縱向輸送出去。此時(shí)完成了一塊板材的分料。

整個(gè)自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的控制流程如圖5 所示。

4.3 控制系統(tǒng)觸摸屏的設(shè)計(jì)

為了方便用戶操控整機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)面板操作平臺(tái)，通過(guò)面板上的顯示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)與機(jī)器進(jìn)行信息傳遞。為應(yīng)對(duì)機(jī)器突然出現(xiàn)故障，觸摸屏操作面板安裝有急停按鈕、整機(jī)啟動(dòng)和上料啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。如圖6 所示，觸摸屏主界面實(shí)時(shí)顯示機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，主界面顯示狀態(tài)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)顯示、氣缸定位及夾緊狀態(tài)顯示。

圖5 控制流程

圖6 自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的觸摸屏主界面

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的自動(dòng)進(jìn)出料臺(tái)的PLC 控制系統(tǒng)滿足生產(chǎn)加工的要求，提高了小徑木圓鋸機(jī)的自動(dòng)化程度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，擁有較為廣闊的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為楊春梅。