斜排式无动力板材单侧对齐储料装置的研制与优化分析

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(福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002)

研究与设计

斜排式无动力板材单侧对齐储料装置的研制与优化分析

林超然，邱荣斌，林长山，叶大鹏，董楸煌*

(福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002)

针对现有抬升式堆垛机堆垛前需进行板材整理和候料的需求，研制出一种支持多规格板材无动力单侧对齐储料装置，该装置可实时检测储料区板材容量，进而对进料装置与堆垛机的运行进行反馈控制。介绍了该装置的机械结构与反馈控制系统的设计与实现方法，通过对运动板材进行运动学及动力学分析并利用LINGO软件进行求解，得出导轨倾角参数的适用区间与最优值。通过ADAMS软件的动力学仿真分析及实体样机的多组测试试验，验证了理论分析结果的正确性。

单边对整；反馈控制；动力学分析；优化分析；ADAMS

我国是全球最大的木制品生产基地和最主要的木制品加工出口国。在国外高端木工机械产品逐渐向数控化、精密化发展的形势下，国内企业对木工机械的自动化程度要求也逐渐提高。抬升式堆垛是目前常用的板材堆垛方式之一，堆垛时板材的进料方式通常为人工半人工进料，堆垛生产线的整体工作效率低。为了适应抬升式板材堆垛机的进料需求及提高板材堆垛生产线的工作效率，板材储料装置应满足以下功能要求：① 实现板材对齐排列；② 实现板材停靠端的有效停靠长度可调；③对储料区板材容量进行实时监测以实现储料装置与堆垛机的反馈控制，确保堆垛系统高效稳定运行。

为了满足抬升式堆垛机板材自动进料的功能需求，课题组结合现有技术，研制出一款斜排式无动力板材单侧对齐储料装置，极大地提高了堆垛生产线的工作效率，具有良好的推广与应用前景[1-2]。

1 单侧对齐储料装置的总体结构与工作原理

1.1总体结构

该斜排式无动力板材单侧对齐储料装置由斜排式滚轮、可调式停靠架、侧边挡板、前后端传感器组成，其整体结构如图1所示。

图1 单侧对齐储料装置整体结构1.前端传感器；2.侧边挡板；3.斜排式滚轮；4.后端传感器；5.可调式停靠架

1.2 工作原理

为了使周期性间歇供给的板材整齐逐块地进入堆垛工序，设计了板材单侧对齐储料装置。当上一工序的板材沿宽度方向进入该装置时，板材在自身重力分力及斜排式滚子的滚动摩擦力共同作用下，实现板材向下运动的同时向右靠边运动，直至板材完成全部靠边停放的动作。当后传感器接收到瞬时或持续的反馈信号，堆垛机开始工作，反之堆垛机停止工作；当前传感器接收到持续的反馈信号时，则前一工序停止向该储料装置输送板材，反之则继续向该装置输送板材，以保证该装置中始终停放有适量板材。装置底部为可调有效停靠长度的停靠架，其经过初始化设置可确保堆垛机挑肩工作时不同规格批次的板材每次均只能挑起一块，同时防止挑翻板材[3-4]。

2 单侧对齐储料装置的控制流程设计

本装置采用西门子S7200 PLC作为主控系统，通过前、后传感器的实时监测对装置中的板材容量状态进行反馈控制，为保证装置内始终拥有适当的板材存储量，将进料装置与堆垛装置进行了合理有效地衔接[5]。单侧对齐储料装置控制流程如图2所示。

图2 单侧对齐储料装置控制流程

3 单侧对齐储料装置的运动学及动力学分析

以杉木板材为实验对象，取板材与滚轮之间的滚动摩擦力为其滑动摩擦力的1/50，且滑动摩擦系数值为0.55。对单块板材在储料装置上的运动过程进行分析，由于板材初速度和储料装置滑轨倾斜角度的可变性，板材存在三种不同的运动形式，如图3所示。以导轨斜面为研究平面对单根板材进行受力分析，如图4所示[6-7]。板材在接触底部停靠架之前必须完成向右侧靠齐，因此可列出板材的位移关系式为：

(1)

(2)

式中：Sx为板材质心沿x轴方向的位移(mm)，Sy为板材质心沿y轴方向的位移(mm)；μ为板材与滚子之间的滑动摩擦系数；θ为板材运动方向与水平面的夹角；θ1表示导轨方向与y轴的夹角；Vx为板材沿x轴方向运动的初速度(m/s)；Vy为板材沿y轴方向运动的初速度(m/s)；t为板材运动时间(s)；a为该储料装置沿x轴方向的尺寸(mm)；b为该储料装置沿y轴方向的尺寸(mm)；c为板材的长度尺寸(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。

图3 板材运动示意图

图4 板材受力分析

通过LINGO对θ与θ1进行极值求解，得各变量取值，见表1～表4。

表1 θ取极小值时各变量取值

变量变量值变化量θ0.0000000.000000t3.0926130.000000θ11.2542520.000000

表2 θ取极大值时各变量取值

变量变量值变化量θ11.244840.000000t1.3911910.000000θ190.000000.000000

表3 θ1取极小值时各变量取值

变量变量值变化量θ10.0000000.000000t2.4828940.000000θ1.2542520.000000

表4 θ1取极大值时各变量取值

变量变量值变化量θ190.000000.000000t2.7302240.000000θ1.2542520.000000

通过优化方法对该装置进行参数确定，将倾角θ与θ1作为该优化问题的设计变量，完成单侧对齐动作所用时间作为目标函数，通过LINGO软件对该优化问题进行求解，当t取极小值时各变量取值见表5。

表5 t取极小值时各变量取值

变量变量值变化量t1.1725410.000000θ9.2434740.000000θ179.874790.000000

将所得结果保留三位有效数字，并将各变量取值列表，见表6。

表6 斜排式无动力单侧对齐储料装置参数极值

变量极值 θ/°θ1/°t/sθ=θmin01.253.09θ=θmax11.24901.39θ1=θ1min1.2502.48θ1=θ1max1.25902.73t=tmin9.2479.871.17

综合以上信息，θ的取值范围为(0，11.24°)，θ1的取值范围为(0，90°)，最优参数取值为θ=9.24°，θ1=79.87°，此时t=1.17 s。

4 试验分析

4.1试验方法

4.1.1 ADAMS仿真试验

设该无动力单侧对齐储料装置的长b、宽a和初速度Vx、Vy不变，并取θ=9.24°、θ1=79.87°，然后通过ADAMS软件来分析该最优参数情况下板材质心在x轴、y轴方向的位移随时间变化的关系，绘制运动曲线。判断该运动曲线是否满足式(1)和式(2)，并观察板材完成x轴方向靠边动作与y轴方向停靠动作的用时情况，以验证该装置在上述最优参数情况下单侧靠边功能的可实现性及性能的优化程度，从软件仿真试验层面来验证理论分析结果的正确性[8-10]。

4.1.2 实体样机测试试验

实体样机由型材搭建，便于拆装和倾角调节。本次试验通过调节样机倾角θ与θ1分别测得当θ=0、θ1=1.25°，θ=1.25°、θ1=0，θ=9.24°、θ1=79.87°时装置完成单侧对齐动作的用时情况。倾角参数可调实体样机如图5所示。

图5 倾角参数可调实体样机

4.2 试验结果分析

4.2.1 ADAMS仿真试验结果分析

参数取最优值时板材的位移情况如图6所示，图中实线为板材质心沿x轴方向的位移与时间的关系曲线；虚线为板材质心沿y轴方向位移与时间的关系曲线。从图中可以看出，在该最优参数实验环境中，板材沿x轴方向的运动时间小于等于板材沿y轴方向的运动时间，表明板材在停止运动之前均已完成向右靠边动作，满足该装置的使用要求；板材沿y轴方向的运动时间为1.17 s，为完成全部动作的最短时间。

图6 参数取最优值时板材的位移

4.2.2 实体样机试验结果分析

实体样机测试试验用时见表7。

表7 实体样机测试试验用时

时间情况参数情况 理论时间/s实测时间/s误差率/%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

通过对实体样机倾角θ与θ1的调节，得到三组倾角参数情况下完成动作的实测时间。其中每组实测时间均为在该倾角参数情况下重复实验5次所测结果的平均值。通过计算，得到三种倾角情况下的最大误差率为3.25%，表明理论分析结果与实测结果具有统一性，同时也验证了理论分析结果的正确性。

5 结论

(1)本单侧对齐储料装置由斜排式滚轮、可调式停靠架、侧边挡板、前后传感器及基于S7200PLC控制器的控制系统等部分组成。通过合理设置斜排式导轨的倾斜角度，实现了板材的无动力单侧对齐储料。底部停靠架的可调式设计可使装置适应多种不同规格板材的储料，且可有效地防止板材的翻倒。通过PLC与前后传感模块的协同反馈控制来对板材数量进行实时监测，确保了装置内板材数量始终处于许可范围内。

(2)通过对板材的动力学及运动学分析，根据板材质心在正交方向上的位移关系列出相关关系式，利用LINGO软件求出在特定尺寸与初始速度条件下倾斜角度θ、θ1的极值与最优值。

(3)通过基于ADAMS软件的板材运动仿真分析，绘出最优倾角参数情况下板材质心沿两坐标轴方向上的位移-时间曲线，试验结果表明该最优倾角参数能够满足装置的功能要求。通过对实物样机进行倾角参数调节，测得多组倾角参数情况下完成全部动作的用时情况，将其与理论时间对比并计算出误差率，验证了理论分析结果的正确性。

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DevelopmentandOptimizationAnalysisofOblique-typePower-freeUnilateralPlateAlignmentDevices

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

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 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

国家级大学生创新创业训练计划项目“板材自动分检整理系统研发”(201610389024)；国家级大学生创新创业训练计划项目“多规格木板智能码垛机器人设计”(201610389018)；福建农林大学高水平建设重点项目“现代农林装备及自动化创新平台”(612014017)；福建农林大学农林特色机电类大学生创新能力培养与学科竞赛指导团队项目(111416041)

林超然(1995-)男，福建莆田人，在读本科生，机械制造及其自动化专业，E-mail：827948216@qq.com。

*通讯作者：董楸煌(1985-)，男，福建泉州人，讲师，博士，主要从事空间机器人系统动力学与控制的研究，E-mail：dongqiuhuang@163.com。

(责任编辑 张雅芳)