樂高像素畫自動拼組系統設計

陳志亮

（佛山市三水區工業中等專業學校，廣東佛山，440600）

1 緒論

■1.1 概述

全球最大的樂高旗艦店坐落于倫敦的萊斯特廣場（Leicester Square），在這里，顧客可以開虛擬世界濾鏡大同小異、千篇一律的自拍，誕生了樂高像素畫，通過Mosaic Maker能制作 “看得見，摸得著” 的自拍照。通過店中一臺樂高像素照相亭 Mosaic Maker。

在開始玩之前，首先要到柜臺支付999元，隨后只需要如使用一般證件照相亭一樣，按提示使用就好了。一會兒之后，照相亭就會吐出一張你的樂高像素肖像圖片，以及一盒用于拼出肖像的樂高積木。

盒子里一共裝有4502 塊的樂高積木。但事實上，拼出一副完整的肖像只需要2304塊積木。剩下的，就是對著照片，一個個地將樂高積木拼上板子上了。這拼好大概需要花費 5～8 小時！

■1.2 設計的目的和意義

很多玩家對于自己設計制作積木馬賽克畫很有興趣，特別是想自己DIY一幅，家里又有一面不小的墻，來使用做一幅尺寸比較大的顆粒畫，效果應該會很好。

佛山特意創作的馬賽克畫—“祖廟”。 “祖廟”這一作品共使用大約70,000個樂高顆粒打造，成品高達近3米，極具有嶺南特色的建筑群和震撼人心的祖廟醒獅表演被生動還原。耗費（未含設計及人工成本）3.5萬元，耗時220小時。

高昂的設計（人工）費用和重復繁瑣的拼組過程讓人望而卻步。對于當今的現代生活，節奏飛速，想自己親手制作手工藝品，實在沒多少機會騰出點時間，花錢買別人的時間也能解決問題，只是除了貴其他都是優點。

而本系統正是為了解決以上問題為出發點來設計的。通過PLC對零件分揀、排序后，使用工業機器人對零件進行碼垛（拼裝），實現廉價的樂高像素畫的個性定制和成品自動化生產（代拼）服務。

■1.3 生產線的工作原理

（1）通過studio，把照片生成像素畫，及獲取到各種顏色顆粒的數量及順序的數據信息；

（2）把第一步中獲取到的信息輸入到PLC的程序當中；（這一步可通過專用的軟件直接通訊來改變數據寄存器D的值。）

（3）通過PLC把顆粒分揀出來；

（4）工業機器人把分揀好的顆粒，進行碼垛作業。

■1.4 功能及控制要求

啟動（初始狀態）：設備在運行前應檢查:負責分揀、排序的氣缸的活塞桿是否處于縮回狀態。如不符合初始位置要求，設備不能啟動。

分揀、排序：當按下啟動按鈕SB1，HL1運行指示燈亮，設備將按以下動作順序運行:進由程序控制進行分揀工件，驅動氣缸1或2, 活塞桿伸出運送到出料斜槽I或II。斜槽底端出料口的光電傳感器接收到工件到達信號后，通過IO通訊使工業機器人到該位置進行夾取。

碼垛：當氣缸將工件推入出料斜槽，斜槽底端光電傳感器接收到工件到達信號即工業機器人夾取位置上存在工件時，工業機器人以1000的速度進行軌跡移動，取、放時的速度調整為200，取起、放置后應停留0.5s，回到HOME點（工業機器人夾取點往Z軸正方向偏移20），等待下一個工件到達后，再以從左往右、從上到下對放置點的坐標，運行X軸和Y軸的移動，循環運行，直到把設定數量的工件完全碼垛完畢。

2 系統結構

■2.1 PLC

根據設計要求:完成分揀和排序的工作，PLC系統需要輸入點9個，輸出點6個，根據其控制要求及I/O點，對此系統進行分析以及市場價格的考慮，我們將選用三菱的FX3U-48MR來控制本系統。

■2.2 氣缸活塞桿

氣缸的兩端都設有進排氣筒口，無桿側端進氣時，推動活塞伸出運動；反之，從桿側端進氣時，推動活塞縮回運動。其具有結構簡單，輸出穩定等優點。

■2.3 傳感器

歐姆龍E3X-NA11/E3X-NA41光纖傳感器：光源(發光波長)：紅色4元素發光二極管(625nm)；電源電壓：DC12～24V土10%波動(p-p) 10%以下；功耗/電流消耗：960mW以下(電流消耗40mA以下)；響應時間：動作、復位:各200gus以下＊1。

■2.4 工業機器人

兼顧考慮到，生產物料重量很輕和成品規格不算大這兩點，本設計選用ABB迄今最小的多用途機器人IRB 120僅重25kg,荷重3kg(垂直腕為4kg),工作范圍達580mm，已經獲得了IPA機構“ISO 5級潔凈室(100級)”的達標認證，能夠在嚴苛的潔凈室環境中充分發揮優勢。是具有低投資、高產出優勢的經濟可靠之選。

圖1 像素畫自動拼組系統（PLC部分）電氣控制原理圖

3 軟件設計

■3.1 導出零件相關參數

（1）選擇圖片，使用studio軟件生成像素畫圖片；（2）導出需要的材料數量；（3）導出材料拼組的顏色及順序信息。

圖2 studio.io物料拼組順序數據界面圖

■3.2 使用PLC分揀排序

設計程序：通過上一步studio軟件導出的數據，壺頸式的物料槽中加入對應數量的黑、白兩種物料，然后通過編程對兩類物料分揀排序。編寫的程序如下：

（1）第一部分，編寫啟動和停止標志，及其相關實現控制要求的軟元件（圖3）。

圖3

（2）第二部分，編寫核心程序，實現PLC控制要求的主要內容（圖4）。

圖4

（3）第三部分，實現完成拼組后的自動停機（圖5）。

圖5

■3.3 工業機器人碼垛作業

經PLC對物料進行分揀機排序后，物料將順著出料斜槽被推到待夾取的位置上，邊沿上配置的光電傳感器將會通過IO讓工業機器人上電、啟動，開始拼組（碼垛）作業。實現此功能的程序如下：

4 系統調試

■4.1 仿真調試

先使用ABB的robotstudio軟件建立工作站及所需部件，對編寫的程序進行虛擬的調試，驗證出其正確性，再把程序通過U盤拉到示教器上，進而通過硬件二次調試。

■4.2 實物調試

（1）機器人啟動；

（2）機器人吸取工件；

（3）機器人搬運工件；

（4）機器人放置工件；

（5）機器人繼續對下一個工件進行碼垛。

5 結論

本文研究樂高像素畫自動拼組系統設計，能按控制要求實現相應的功能。整個設計過程需要完成的任務主要有：（1）完成物料的數據采集。（2）完成PLC分揀機排序控制部分的選擇及組裝，包括PLC本體、氣缸活塞桿、傳感器、裝料及出料斜槽等。（3）完成PLC控制部分的程序編寫，實現分揀和排序要求。（4）完成PLC與機器人的IO通訊設置，讓完成PLC控制流程的工件，進入到下一階段的工序。（5）完成機器人碼垛作業的位置記錄，編寫機器人工作的程序。（6）完成機器人及PLC同時調試時參數的調整，是兩者的工作頻率協調起來，完善調試效果。

綜上所述，本設計能實現基本功能要求，以常人完成2304個零件的像素畫所需為5個小時換算，本系統完成同樣任務僅需72分鐘，僅為人手耗時的1/4左右。并且長時間生產環境下，自動控制對比人手，準確率更有保障。

但設計過程中存在不足之處：傳輸到寄存器D中的數據，需要專門設計的軟件得以實現數據采集的直接傳輸。所以，在此設計上改掉不足，本系統將更符合實際使用。