基于PLC智能鋪設(shè)地磚機(jī)的機(jī)械手設(shè)計(jì)

溫杰 史春笑 毛厚昌 譚澤德 歐健威 洪越

摘要：通過運(yùn)用工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于PLC的自動(dòng)鋪設(shè)地磚機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)是通過PLC對(duì)信號(hào)采集、處理以及輸出進(jìn)行集中控制，保證系統(tǒng)能安全平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)，通過觸摸屏與PLC的通信，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)，使智能鋪設(shè)地磚機(jī)的機(jī)械手在不同的運(yùn)行模式下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PLC；機(jī)械手；控制系統(tǒng)

一、背景分析

鋪設(shè)地磚是建筑行業(yè)中比較常見的一道工序。目前，地磚都是由工人手工鋪設(shè)而成，其工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著鋪設(shè)時(shí)間的增加，工人很容易出現(xiàn)工作能力減弱、錯(cuò)誤率增加的狀況，這直接影響了地磚鋪設(shè)的質(zhì)量以及鋪設(shè)的平整度。此外，長(zhǎng)時(shí)間彎腰作業(yè)不利于工人的身體健康，很容易出現(xiàn)腰椎方面的疾病。因此，迫切需要研制出利用機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)鋪設(shè)地磚的機(jī)器人，采用自動(dòng)化設(shè)備代替人力鋪設(shè)地磚，這能從根本上降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鋪設(shè)地磚的質(zhì)量和效率，也能解決建筑行業(yè)人手不足的問題。

二、智能鋪設(shè)地磚機(jī)機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)

1.地磚機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.機(jī)械手外部支架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用規(guī)格為寬38mm、厚25mm的304不銹鋼管焊接成系統(tǒng)支架，外加輪子、軸承、軸芯、齒輪、鏈條、步進(jìn)電機(jī)、推桿電機(jī)等組成系統(tǒng)的外框架。系統(tǒng)支架平面圖如圖2所示，其中a為支架底面，b為支架頂面。

3.機(jī)械手設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是通過控制面板上的按鈕、觸摸屏以及各種限位開關(guān)來控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所需功能。

滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌構(gòu)成機(jī)械手移動(dòng)的主體支架及軌道，機(jī)械手被設(shè)計(jì)成三軸的形式，即X、Y、Z軸，如圖3所示。滾珠絲杠上的螺母及螺帽和Z軸的直線導(dǎo)軌上的滑塊或X軸直線導(dǎo)軌上的滑塊或Y軸直線導(dǎo)軌上的滑塊被一片鋁片連接起來形成一個(gè)承載平臺(tái)，三軸機(jī)械手的動(dòng)力來源是由分別裝在三個(gè)軸的端部的步進(jìn)電機(jī)來完成，如圖4所示。

限位開關(guān)決定機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)的極限位置。使用接觸式限位開關(guān)分別安裝在機(jī)械手三軸的兩端，并在與其相對(duì)的運(yùn)動(dòng)的極限位置處安裝擋塊。當(dāng)機(jī)械設(shè)備上行程開關(guān)的機(jī)械觸頭碰到擋塊時(shí)，就會(huì)切斷控制電路，機(jī)械設(shè)備會(huì)根據(jù)控制器的命令停止運(yùn)行或者改變運(yùn)行方向。

4.機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以三菱FX3U PLC為核心控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采集、處理及輸出等一系列控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂移動(dòng)定位，機(jī)械手吸取地磚等功能。

三、機(jī)械自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

1.機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O分配

本設(shè)計(jì)的輸入輸出接口分配如表1所示。

2.機(jī)械手自動(dòng)模式程序

狀態(tài)轉(zhuǎn)移跳轉(zhuǎn)到S20狀態(tài)步，PLC輸出一系列的脈沖信號(hào)，Z軸電機(jī)得電，機(jī)械臂下降，直到碰到取料限位，取料限位開關(guān)閉合，對(duì)Y012（電磁閥）置1，真空發(fā)生器產(chǎn)生吸力，吸住地磚，等待5s延時(shí)。圖5為機(jī)械臂下降取料程序。

延時(shí)時(shí)間到，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，輸出一系列脈沖信號(hào)，Z軸電機(jī)得電，機(jī)械臂上升，直到碰到Z軸上限位，Z軸電機(jī)斷電。機(jī)械臂上升程序如圖6所示。

上升結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，輸出81 400個(gè)脈沖信號(hào)，Y軸電機(jī)得電，機(jī)械臂前移81.4cm；當(dāng)81 400個(gè)脈沖發(fā)送完畢，M8029（當(dāng)DSW指令等操作完成時(shí)）輔助繼電器觸頭閉合，狀態(tài)轉(zhuǎn)移下一步，輸出80 800個(gè)脈沖信號(hào)，X軸電機(jī)得電，機(jī)械臂右移80.8cm；當(dāng)80 800個(gè)脈沖發(fā)送完畢，M8029輔助繼電器觸頭閉合。如圖7所示。

右移結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，輸出9200個(gè)脈沖信號(hào)，Z軸電機(jī)得電，機(jī)械臂下降，M8029輔助繼電器觸頭閉合，振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，地磚振動(dòng)，等待8s延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，振動(dòng)電機(jī)停止，復(fù)位空氣閥，松開地磚，等待6s延時(shí)。圖8為Z軸下降并振動(dòng)程序。

延時(shí)時(shí)間到，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，輸出一系列脈沖信號(hào)、方向信號(hào)，Z軸電機(jī)得電，機(jī)械臂上升，直到碰到Z軸上限位限位開關(guān)，Z軸電機(jī)斷電；狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，輸出一系列脈沖信號(hào)、方向信號(hào)，X軸電機(jī)得電，機(jī)械臂左移，直到碰到X軸原位限位開關(guān)，X軸電機(jī)斷電；狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步，輸出一系列脈沖信號(hào)，Y軸電機(jī)得電，機(jī)械臂下移，直到碰到Y(jié)軸原位限位開關(guān)，Y軸電機(jī)斷電，機(jī)械臂已經(jīng)回到原位，表示第一塊地磚已經(jīng)鋪設(shè)完成。等待2s延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，開始下一個(gè)周期的循環(huán)。圖9為機(jī)械臂回取料區(qū)程序。

四、結(jié)語

本課題通過對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、仿真調(diào)試三方面的結(jié)合，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。但是由于技術(shù)及條件限制等多方面原因，設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人尚不完美，還存在很多不足。例如支架尺寸與支架移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因缺少機(jī)械方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)出的機(jī)器人還不能很好地在建筑環(huán)境下工作，因選材不夠?qū)I(yè)，導(dǎo)致現(xiàn)在設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人比較笨重，不方便搬運(yùn)。不過，該機(jī)器人可以進(jìn)行二次開發(fā)，增加所需的功能，例如自動(dòng)下水泥漿、自動(dòng)磨平鋪設(shè)區(qū)域下的水泥漿等。

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