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(福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

研究與設(shè)計

斜排式無動力板材單側(cè)對齊儲料裝置的研制與優(yōu)化分析

林超然，邱榮斌，林長山，葉大鵬，董楸煌*

(福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

針對現(xiàn)有抬升式堆垛機堆垛前需進行板材整理和候料的需求，研制出一種支持多規(guī)格板材無動力單側(cè)對齊儲料裝置，該裝置可實時檢測儲料區(qū)板材容量，進而對進料裝置與堆垛機的運行進行反饋控制。介紹了該裝置的機械結(jié)構(gòu)與反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，通過對運動板材進行運動學(xué)及動力學(xué)分析并利用LINGO軟件進行求解，得出導(dǎo)軌傾角參數(shù)的適用區(qū)間與最優(yōu)值。通過ADAMS軟件的動力學(xué)仿真分析及實體樣機的多組測試試驗，驗證了理論分析結(jié)果的正確性。

單邊對整；反饋控制；動力學(xué)分析；優(yōu)化分析；ADAMS

我國是全球最大的木制品生產(chǎn)基地和最主要的木制品加工出口國。在國外高端木工機械產(chǎn)品逐漸向數(shù)控化、精密化發(fā)展的形勢下，國內(nèi)企業(yè)對木工機械的自動化程度要求也逐漸提高。抬升式堆垛是目前常用的板材堆垛方式之一，堆垛時板材的進料方式通常為人工半人工進料，堆垛生產(chǎn)線的整體工作效率低。為了適應(yīng)抬升式板材堆垛機的進料需求及提高板材堆垛生產(chǎn)線的工作效率，板材儲料裝置應(yīng)滿足以下功能要求：① 實現(xiàn)板材對齊排列；② 實現(xiàn)板材停靠端的有效?？块L度可調(diào)；③對儲料區(qū)板材容量進行實時監(jiān)測以實現(xiàn)儲料裝置與堆垛機的反饋控制，確保堆垛系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。

為了滿足抬升式堆垛機板材自動進料的功能需求，課題組結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，研制出一款斜排式無動力板材單側(cè)對齊儲料裝置，極大地提高了堆垛生產(chǎn)線的工作效率，具有良好的推廣與應(yīng)用前景[1-2]。

1 單側(cè)對齊儲料裝置的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

該斜排式無動力板材單側(cè)對齊儲料裝置由斜排式滾輪、可調(diào)式?？考?、側(cè)邊擋板、前后端傳感器組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單側(cè)對齊儲料裝置整體結(jié)構(gòu)1.前端傳感器；2.側(cè)邊擋板；3.斜排式滾輪；4.后端傳感器；5.可調(diào)式?？考?/p>

1.2 工作原理

為了使周期性間歇供給的板材整齊逐塊地進入堆垛工序，設(shè)計了板材單側(cè)對齊儲料裝置。當上一工序的板材沿寬度方向進入該裝置時，板材在自身重力分力及斜排式滾子的滾動摩擦力共同作用下，實現(xiàn)板材向下運動的同時向右靠邊運動，直至板材完成全部靠邊停放的動作。當后傳感器接收到瞬時或持續(xù)的反饋信號，堆垛機開始工作，反之堆垛機停止工作；當前傳感器接收到持續(xù)的反饋信號時，則前一工序停止向該儲料裝置輸送板材，反之則繼續(xù)向該裝置輸送板材，以保證該裝置中始終停放有適量板材。裝置底部為可調(diào)有效?？块L度的停靠架，其經(jīng)過初始化設(shè)置可確保堆垛機挑肩工作時不同規(guī)格批次的板材每次均只能挑起一塊，同時防止挑翻板材[3-4]。

2 單側(cè)對齊儲料裝置的控制流程設(shè)計

本裝置采用西門子S7200 PLC作為主控系統(tǒng)，通過前、后傳感器的實時監(jiān)測對裝置中的板材容量狀態(tài)進行反饋控制，為保證裝置內(nèi)始終擁有適當?shù)陌宀拇鎯α?，將進料裝置與堆垛裝置進行了合理有效地銜接[5]。單側(cè)對齊儲料裝置控制流程如圖2所示。

圖2 單側(cè)對齊儲料裝置控制流程

3 單側(cè)對齊儲料裝置的運動學(xué)及動力學(xué)分析

以杉木板材為實驗對象，取板材與滾輪之間的滾動摩擦力為其滑動摩擦力的1/50，且滑動摩擦系數(shù)值為0.55。對單塊板材在儲料裝置上的運動過程進行分析，由于板材初速度和儲料裝置滑軌傾斜角度的可變性，板材存在三種不同的運動形式，如圖3所示。以導(dǎo)軌斜面為研究平面對單根板材進行受力分析，如圖4所示[6-7]。板材在接觸底部停靠架之前必須完成向右側(cè)靠齊，因此可列出板材的位移關(guān)系式為：

(1)

(2)

式中：Sx為板材質(zhì)心沿x軸方向的位移(mm)，Sy為板材質(zhì)心沿y軸方向的位移(mm)；μ為板材與滾子之間的滑動摩擦系數(shù)；θ為板材運動方向與水平面的夾角；θ1表示導(dǎo)軌方向與y軸的夾角；Vx為板材沿x軸方向運動的初速度(m/s)；Vy為板材沿y軸方向運動的初速度(m/s)；t為板材運動時間(s)；a為該儲料裝置沿x軸方向的尺寸(mm)；b為該儲料裝置沿y軸方向的尺寸(mm)；c為板材的長度尺寸(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。

圖3 板材運動示意圖

圖4 板材受力分析

通過LINGO對θ與θ1進行極值求解，得各變量取值，見表1～表4。

表1 θ取極小值時各變量取值

變量變量值變化量θ0.0000000.000000t3.0926130.000000θ11.2542520.000000

表2 θ取極大值時各變量取值

變量變量值變化量θ11.244840.000000t1.3911910.000000θ190.000000.000000

表3 θ1取極小值時各變量取值

變量變量值變化量θ10.0000000.000000t2.4828940.000000θ1.2542520.000000

表4 θ1取極大值時各變量取值

變量變量值變化量θ190.000000.000000t2.7302240.000000θ1.2542520.000000

通過優(yōu)化方法對該裝置進行參數(shù)確定，將傾角θ與θ1作為該優(yōu)化問題的設(shè)計變量，完成單側(cè)對齊動作所用時間作為目標函數(shù)，通過LINGO軟件對該優(yōu)化問題進行求解，當t取極小值時各變量取值見表5。

表5 t取極小值時各變量取值

變量變量值變化量t1.1725410.000000θ9.2434740.000000θ179.874790.000000

將所得結(jié)果保留三位有效數(shù)字，并將各變量取值列表，見表6。

表6 斜排式無動力單側(cè)對齊儲料裝置參數(shù)極值

變量極值 θ/°θ1/°t/sθ=θmin01.253.09θ=θmax11.24901.39θ1=θ1min1.2502.48θ1=θ1max1.25902.73t=tmin9.2479.871.17

綜合以上信息，θ的取值范圍為(0，11.24°)，θ1的取值范圍為(0，90°)，最優(yōu)參數(shù)取值為θ=9.24°，θ1=79.87°，此時t=1.17 s。

4 試驗分析

4.1試驗方法

4.1.1 ADAMS仿真試驗

設(shè)該無動力單側(cè)對齊儲料裝置的長b、寬a和初速度Vx、Vy不變，并取θ=9.24°、θ1=79.87°，然后通過ADAMS軟件來分析該最優(yōu)參數(shù)情況下板材質(zhì)心在x軸、y軸方向的位移隨時間變化的關(guān)系，繪制運動曲線。判斷該運動曲線是否滿足式(1)和式(2)，并觀察板材完成x軸方向靠邊動作與y軸方向?？縿幼鞯挠脮r情況，以驗證該裝置在上述最優(yōu)參數(shù)情況下單側(cè)靠邊功能的可實現(xiàn)性及性能的優(yōu)化程度，從軟件仿真試驗層面來驗證理論分析結(jié)果的正確性[8-10]。

4.1.2 實體樣機測試試驗

實體樣機由型材搭建，便于拆裝和傾角調(diào)節(jié)。本次試驗通過調(diào)節(jié)樣機傾角θ與θ1分別測得當θ=0、θ1=1.25°，θ=1.25°、θ1=0，θ=9.24°、θ1=79.87°時裝置完成單側(cè)對齊動作的用時情況。傾角參數(shù)可調(diào)實體樣機如圖5所示。

圖5 傾角參數(shù)可調(diào)實體樣機

4.2 試驗結(jié)果分析

4.2.1 ADAMS仿真試驗結(jié)果分析

參數(shù)取最優(yōu)值時板材的位移情況如圖6所示，圖中實線為板材質(zhì)心沿x軸方向的位移與時間的關(guān)系曲線；虛線為板材質(zhì)心沿y軸方向位移與時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在該最優(yōu)參數(shù)實驗環(huán)境中，板材沿x軸方向的運動時間小于等于板材沿y軸方向的運動時間，表明板材在停止運動之前均已完成向右靠邊動作，滿足該裝置的使用要求；板材沿y軸方向的運動時間為1.17 s，為完成全部動作的最短時間。

圖6 參數(shù)取最優(yōu)值時板材的位移

4.2.2 實體樣機試驗結(jié)果分析

實體樣機測試試驗用時見表7。

表7 實體樣機測試試驗用時

時間情況參數(shù)情況 理論時間/s實測時間/s誤差率/%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

通過對實體樣機傾角θ與θ1的調(diào)節(jié)，得到三組傾角參數(shù)情況下完成動作的實測時間。其中每組實測時間均為在該傾角參數(shù)情況下重復(fù)實驗5次所測結(jié)果的平均值。通過計算，得到三種傾角情況下的最大誤差率為3.25%，表明理論分析結(jié)果與實測結(jié)果具有統(tǒng)一性，同時也驗證了理論分析結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

(1)本單側(cè)對齊儲料裝置由斜排式滾輪、可調(diào)式?？考?、側(cè)邊擋板、前后傳感器及基于S7200PLC控制器的控制系統(tǒng)等部分組成。通過合理設(shè)置斜排式導(dǎo)軌的傾斜角度，實現(xiàn)了板材的無動力單側(cè)對齊儲料。底部停靠架的可調(diào)式設(shè)計可使裝置適應(yīng)多種不同規(guī)格板材的儲料，且可有效地防止板材的翻倒。通過PLC與前后傳感模塊的協(xié)同反饋控制來對板材數(shù)量進行實時監(jiān)測，確保了裝置內(nèi)板材數(shù)量始終處于許可范圍內(nèi)。

(2)通過對板材的動力學(xué)及運動學(xué)分析，根據(jù)板材質(zhì)心在正交方向上的位移關(guān)系列出相關(guān)關(guān)系式，利用LINGO軟件求出在特定尺寸與初始速度條件下傾斜角度θ、θ1的極值與最優(yōu)值。

(3)通過基于ADAMS軟件的板材運動仿真分析，繪出最優(yōu)傾角參數(shù)情況下板材質(zhì)心沿兩坐標軸方向上的位移-時間曲線，試驗結(jié)果表明該最優(yōu)傾角參數(shù)能夠滿足裝置的功能要求。通過對實物樣機進行傾角參數(shù)調(diào)節(jié)，測得多組傾角參數(shù)情況下完成全部動作的用時情況，將其與理論時間對比并計算出誤差率，驗證了理論分析結(jié)果的正確性。

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DevelopmentandOptimizationAnalysisofOblique-typePower-freeUnilateralPlateAlignmentDevices

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

(College of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 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

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“板材自動分檢整理系統(tǒng)研發(fā)”(201610389024)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“多規(guī)格木板智能碼垛機器人設(shè)計”(201610389018)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平建設(shè)重點項目“現(xiàn)代農(nóng)林裝備及自動化創(chuàng)新平臺”(612014017)；福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)林特色機電類大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與學(xué)科競賽指導(dǎo)團隊項目(111416041)

林超然(1995-)男，福建莆田人，在讀本科生，機械制造及其自動化專業(yè)，E-mail：827948216@qq.com。

*通訊作者：董楸煌(1985-)，男，福建泉州人，講師，博士，主要從事空間機器人系統(tǒng)動力學(xué)與控制的研究，E-mail：dongqiuhuang@163.com。

(責任編輯 張雅芳)