李海芸，邱荣斌，林辉煌，董楸煌，叶大鹏

（福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002）

我国是木材原木进口大国，也是各种木材加工产品的消费大国和出口大国[1]。为了节约能耗和提高加工效率，目前多采用多片锯对原木进行初加工得到木板材；而原木初加工得到的木板材还需要进一步的分拣，并将木板和隔条垂直交搭码垛成垛堆，进行干燥处理，以防止木板产生腐朽、虫害、变形和开裂等缺陷问题，改善木板材的物理和力学性能[2-3]。而当前很多木材加工企业的木板码垛全都是由人工完成，生产环境恶劣，机械化、自动化程度低，效率低下。

近年来，随着劳动成本的增加，同时为了将人类从繁重的体力劳动中解放出来，在工、农业等领域都采用自动化或半自动化的码垛装备对产品进行码垛，国内外学者和技术人员也对码垛机器人等相关技术展开大量研究，并实现了产业化应用[4-5]。但是目前很多码垛装备都是针对尺寸较大、表面光滑的产品，可以方便的采用吸盘或特制的抓持机构进行抓持目标，并由运动灵活的机械臂结构进行移动搬运。但是对于结构尺寸细长、表面粗糙和码垛工作量大的粗加工木板，设计抓持机构困难，由机械臂结构码垛机器人进行移动搬运，运动空间要求大，容易产生运动奇异或干涉，且机械臂空行程运动多，操作复杂，码垛效率低，且设备使用、维护成本和能耗都较高[6]。

本文设计的一种错位双链木板循环输送结构，可以方便的将木板输送放置于码垛叉架之上，而后通过同步双气缸实现单层木板的规整，同时利用丝杆传动控制叉架伸缩以稳定的放置规整好的每层木板。为了实现对上述多种传动的协调控制，采用分模块设计思路，利用激光传感器、行程开关等多传感器融合信息作为控制输入，基于PLC及扩展接口，设计控制系统，实现对木板高效、准确的码垛。

1 码垛机系统自动化控制方案

1.1 码垛机结构及工作原理

多规格木板自动码垛机主要由双链同步循环送料模块和隔条输送模块等组成，如图1所示。两个对称的隔条输送模块通过双链条把隔条自动放置在叉架凹槽内，而后通过丝杆传动将两个叉架及隔条同步伸出。双链同步循环送料模块上的每一对挑肩依次挑起候料区的一块木板，输送并放置于伸出的叉架隔条之上，同时木板压下触点电气开关，叉架上部的两个气缸同步伸出将木板平行推送到叉架的端部，以腾出叉架上的空间放置下一对挑肩输送过来的木板。由于双链同步循环送料模块的两条传送链按一定的尺寸错位安装，可以保证木板从候料区输送放置于叉架之上的过程中，始终保持水平。当输送到叉架之上的木板数量达到设定数量时，两个叉架同步缩回，将码垛完成的一层木板及隔条放置于码垛好的材堆顶层，从而完成一层木板的码垛。

图1 多规格木板自动码垛机Fig.1 Assembly diagram of multi-specification automatic wood board palletizer

当码垛机码完一层木板后，隔条输送模块及两个气缸提升相应的高度，进入下一层木板的自动循环码垛，直至码垛好的木板层数达到设定的值后，暂停码垛。通过调整两个对称放置的双链同步循环送料模块和隔条输送模块的距离，以及叉架提升高度参数设定值，可使该码垛机适用于不同长度和厚度规格的木板码垛。

1.2 控制系统方案

木板自动码垛机控制系统主要以PLC控制器及扩展模块为核心，控制5对步进电机，包括隔条输送模块移动电机、隔条双链输送电机、叉架伸缩丝杆传动电机、叉架提升电机和木板输送错位双链输送电机[7-8]。输入端由2个限位触点开关和7个激光传感器构成，整个控制系统上位机采用触摸屏对码垛机进行参数设定、启闭控制和监测。整个控制系统的结构图，如图2所示。

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

图2 控制系统总体框图Fig.2 Overall block diagram of control system

系统硬件采用分模块进行设计[9]，以方便系统调试和性能测试，包括隔条输送模块、木板输送堆垛模块、叉架伸缩模块和叉架提升装置模块。PLC控制器采用西门子224XP外加三个EM253扩展模块构成，通过扩展拥有5个高速脉冲控制口，可满足木板码垛机控制系统使用要求。PLC系统的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 控制系统软件设计

码垛机控制系统的控制程序采用模块化设计方案，根据不同的功能模块设计相应的子程序：隔条输送子程序、木板输送堆垛子程序、叉架伸缩子程序和叉架提升子程序，各控制子程序的功能如下：

1）隔条输送子程序：控制隔条输送模块移动靠近和离开码垛机主体结构，并通过倾斜的双链条把隔条传送于隔条存储器内，并将存储器内隔条依次推送到叉架凹槽内。

2）叉架伸缩子程序：木板码垛前控制凹槽内放有隔条的叉架伸出，码完一层木板后，控制叉架缩回以推放新的隔条到叉架凹槽内，同时将已码放整齐的一层木板码垛于下层木板之上。

3）木板输送堆垛子程序：控制错位双链循环送料模块将待码垛的木板单块依次循环输送放置于伸出的叉架之上，并由两个气缸推移叉架上的木板，以将叉架上单层木板码放整齐。

4）叉架提升子程序：木板码放一层之后，控制叉架提升相应的高度，以开始下一层木板的码放。

码垛机控制系统通过各个模块子程序的协调控制，可以连续循环完成木板的码垛控制，通过设定相应的初始化参数值，可应用于不同码垛尺寸要求，控制系统的PLC程序流程图如图3所示[11-14]。

2.3 人机界面设计

人机界面采用维控7寸LEVI700E（方壳型）真彩触摸屏，主要由启停控制按钮、状态监控显示界面和工作参数输入界面等组成，如图4所示。启停控制按钮可以控制码垛机开始、停止、初始化和急停等操作，状态监控显示界面可以监测码垛机运行过程中码垛速度、码垛层数和备用隔条状态等状态参数，工作参数输入界面可以方便的设置码垛机的码垛层数和单层木板的数量等，以适应不同尺寸规格的码垛需求。

3 试验与分析

为了验证所设计的木板自动码垛机功能的可行性和性能的稳定性，设置6组不同的码垛参数，如表2所示，分别进行均由1人组成的人工码垛组和自动码垛组试验，试验用杉木板材尺寸为1 200 mm×50 mm×10 mm，图5为木板全自动码垛运行中的码垛机。

每组各进行多次试验取平均值进行分析，如图6所示。人工码垛组：随着堆垛层数及每层码垛模板数的增加，平均码垛速率由较快逐渐以较大的幅度下滑而后低于机器组，码垛的平整度较差，隔条位置不固定。

自动码垛组：第2组和第1组进行对比可知，每层木板数减半之后，码垛效率明显降低，主要是由于叉架伸缩过程，耗时较多，该过程没有码垛，严重影响码垛机的工作效率，这说明采用丝杆传动控制叉架的伸缩，效率较低，需要进一步改进，同时也为码垛过程垛堆尺寸参数的优化设置提供了一定的依据。第3组和第2组对比可知，其码垛平均速度接近，主要是由于叉架伸缩次数较多，耗时较多，但是高层锯材的错位双链输送行程较底层锯材短，故在一定程度上提升了平均的码垛速度，弥补了叉架伸缩耗时对码垛效率的影响。随着材堆规格的加大，自动码垛速度趋于稳定且持续性明显优于人工码垛。码垛机运行过程未出现故障，码垛过程中木板未曾损坏和掉落，输送平稳，每层木板平整，隔条位置固定，铺放有序；材堆中木板与隔条垂直交搭整齐，各层隔条在高度上自上而下地保持在一条垂直线上，各层木板通风性好；垛堆平整，整个码垛机工作过程平稳，噪声低。虽然设置不同的码垛机工作参数值，其平均速度有一定的差别，但是相比于人工的码垛速度而言，其持续工作的效率相对较高。

图3 系统程序流程图Fig.3 System program flow

图4 人机交互界面Fig.4 Human-machine interaction interface

表2 不同试验组的码垛参数值Table 2 Palletizing parameter values of different test groups

图5 试验运行中的木板码垛机Fig.5 Wood plank palletizer in test operation

图6 不同参数条件下人工码垛与自动码垛速率对比Fig.6 Comparison of the rate of artificial palletizing and automatic palletizing under different parameters conditions

4 结论与讨论

本研究采用模块化设计思路，对木板码垛机多驱动控制系统进行设计，通过多传感器获取样机工作状态信息，作为控制系统的输入，同时通过PLC程序流程的合理设计，可实现对多驱动系统的协调控制和监测。通过人机交互界面进行参数的设定，使码垛机适用于多规格的木板码垛。经过该机处理后的木板垛堆垛形紧密、整齐，其码垛品质优于人工对照组，在一定程度上节省劳动力。

该设计也存在不足之处，如报警控制部分尚不够完善，整体扩展模块的选配和接线配线思路，以及整体程序的可升级方案等都有很大的升级空间。对木板码垛的速率受限于气缸、隔条投放的时间等，有必要在本研究的基础上探索更加有效的解决途径。