基于PLC 的小径木圆锯机进出料台控制系统研究

任长清，娄月轩，杨春梅，缪 骞，邓英健，蒋 婷

（东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引 言

自从我国实行天然林停伐减产政策，木材供需之间的矛盾日益明显[1-3]，大径级木材资源紧缺，小径木在各类市场中备受关注[4]，木材资源的利用对象主体从天然林转移到了人工林中的小径木。小径木是一种先进生物质材料，来源广泛且死节数量少，具有较好的应用前景[5]。虽然不适合直接作为结构构件使用，但可以通过将小径木锯切成板材进行利用[6-7]。

然而，现有的小径木生产线中的纵剖锯切过程需要人工运送，效率低、出错率高、成本高[8-10]。为改善这种情况，本文介绍自动进出料台的加工工艺和结构，结合工艺制定控制系统的设计要求。根据控制系统的需求完成硬件选择，并对软件和触摸屏界面进行设计。

1 自动进出料台及其工艺

1.1 工艺流程

锯切的加工对象是小径木原木。由于小径木存在大头和小头，锯切出来的板材可能是不完全的。若锯切不完全则板材的长度小于原木长度，如图1 所示。由于生产中需要统一长度的板材，故需要将完全锯切的板材和不完全锯切的板材分开。

图1 锯切完全的板材和锯切不完全的板材

自动进出料台的工艺流程如图2 所示。

图2 自动进出料台的工艺流程

1.2 结构介绍

小径木圆锯机自动进出料台的结构如图3 所示。

图3 自动进出料台的结构

圆锯机位于图3 中的标记位置。进出料台和圆锯机共同组成了小径木板材锯切生产线，但圆锯机的控制不在本文的研究范围内。其中：上料机构、翻转机构和托架机构负责完成自动进料；落料机构、检测机构和分料机构负责完成自动出料。

上料机构通过链传动将小径木提升至翻转机构。翻转机构通过齿轮和齿条带动小径木进行翻转，滚动到圆锯机。这时托架机构伸出，辅助定位并限制小径木的滚动；圆锯机加工时，托架缩回以避免干涉。落料机构用于收集并运输圆锯机加工出来的板材。检测机构有红外检测装置，当红外线被遮挡时，认为板材足够长。若板材足够长，分料机构的侧挡板伸出，传输辊转动，将板材纵向运输出去；若板材不够长，侧挡板缩回，气缸伸出，将板材横向推出。

2 控制系统的方案设计

PLC 控制系统具有用途广泛、工作稳定可靠、便于维修和调试等特性[11-16]。小径木圆锯机自动进出料台控制系统的设计要求如下：

1）能够按照圆锯机原有的生产节奏进行加工和运输。

2）方便对原木进料和板材出料的收集和整理，并实现板材的分料。

3）安全、可靠性好，整个进出料台的工作状态被实时监测，遇到紧急情况时可以进行急停，最大程度地保证安全生产。

3 控制系统的硬件选择

根据前文所述的加工工艺要求，执行元件选择如下：Y100L-2 型三相异步电机电动机1 台，用于上料机构的水平链传动；Y80L-2 型三相异步电动机1 台，用于上料机构的提升链传动；FL86BYG156 型步进电机1 台，用于落料机构的传动；SM110152A 型步进电机1 台，用于分料机构传输辊转动进行的板材纵向传动；SM86158A型步进电机1 台，用于检测机构传输辊转动进行的板材纵向传动；SE-50×100-LB 型 ATRTAC 标准气缸 1 个，用于翻转机构的齿轮齿条进行工件的翻转；SE-50×125 型ATRTAC 标准气缸2 个，用于托架机构的伸缩；MAR40×50-S-F 型ATRTAC 迷你气缸2 个，用于分料机构侧挡板的伸缩；MA20×100-S-U 型 ATRTAC 标准气缸 1 个，用于检测机构中挡料板的上下运动；PB-20-200-R-0 型ATRTAC 标准气缸1 个，用于分料机构的横向分料。具体如表1 所示。

4 控制系统的软件程序

4.1 控制系统PLC 的I/O 端子分配

自动进出料台的可编程逻辑控制器需要有充足的输入输出点数，以满足运算和控制要求，同时尽量降低成本。本次需要设计的主要控制系统中需要12 个开关量输入、6 个开关量输出。故选用型号为DVP-32EH00T3 的小型PLC。PLC 接线图如图4 所示。

控制系统的I/O 端子分配如表2 所示。

表1 控制系统硬件清单

表2 控制系统的I/O 端子分配表

图4 控制系统PLC 的I/O 端子外部接线

4.2 控制系统PLC 程序设计

整机启动后，按下启动按钮，加工开始。小径木经上料机构至翻转机构，后触发行程开关1，翻转气缸1 伸出，通过齿条带动齿轮转动，同时托架气缸2 缩回，托架伸出，进行小径木的辅助定位。待圆锯机启动后，触发行程开关2，托架气缸2 伸出，托架收回。随后圆锯机开始加工。

加工一次后板材落在落料机构上，锯片移动到行程最大位置触发行程开关3，落料机构的86 步进电机1 启动使板材在设定的速度下输送至检测机构。第一块板材输送到检测机构后触发行程开关4，86 步进电机1 停止转动，检测机构步进电机2 启动，传输辊带动板材做纵向移动。板材一旦碰到挡板器后，触发压力传感器，步进电机2 停止运转。检测机构上方有红外检测装置。若板材触碰到挡板器后不能将红外检测线覆盖，则认为板材不够长；若板材触碰到挡板器后能够将红外检测线覆盖，则认为板材足够长。

完成板材长度的检测后，检测机构中挡板器的气缸4 缩回，带动挡板器向下移动。挡板器触发行程开关5，步进电机2 启动带动传输辊，使板材输送至分料机构。如果板材不够长，则分料机构的气缸5 伸出，将板材从分料机构横向推出；如果板材足够长，则分料机构的侧挡板气缸6 伸出，分料机构步进电机3 启动带动传输辊，使板材纵向输送出去。此时完成了一块板材的分料。

整个自动进出料台的控制流程如图5 所示。

4.3 控制系统触摸屏的设计

为了方便用户操控整机，设计一个面板操作平台，通过面板上的显示系统、操作系统以及辅助系统与机器进行信息传递。为应对机器突然出现故障，触摸屏操作面板安装有急停按钮、整机启动和上料启动开关。如图6 所示，触摸屏主界面实时显示机器的运行状态，主界面显示状态包括驱动电机显示、气缸定位及夹紧状态显示。

图5 控制流程

图6 自动进出料台的触摸屏主界面

5 结 语

本文提出的自动进出料台的PLC 控制系统满足生产加工的要求，提高了小径木圆锯机的自动化程度，降低了劳动强度，拥有较为广阔的应用前景。

注：本文通讯作者为杨春梅。