一種木地板自動鋪設裝置的設計

岳 浩 劉國浩

（聊城大學東昌學院，山東聊城 252000）

0 引言

如今買房后家庭裝修免不了要鋪地板，因為木地板具有減少噪聲、穩定耐用、溫暖柔和、有彈性等優點，并且綠色環保、節約資源，客廳、臥室等主要活動或居住場所，無論從習慣還是健康等方面考慮，都會選擇鋪設木地板。現階段，在房屋裝修時，大多是采用人工方式，工人勞動強度大，所需施工周期長，并且存在一定的健康風險，尤其是在裝修面積比較大的房屋時，更是大大增加了工人的患病率。在了解市場需求后設計了一種木地板自動鋪設裝置，該裝置具有高效率、高精度的優點，既能有效降低工人的勞動強度，又能減少裝修成本。

1 木地板自動鋪設裝置的工作原理

木地板自動鋪設裝置包括底座四個移動的車輪、絲杠步進電機、舵機、推板、機械手臂、儲板箱、滑軌、擋塊、吸附裝置、PLC觸摸屏等。

本文研究的木地板自動鋪設裝置結構組成如圖1所示，其工作原理如下：首先選好所要鋪設的實木木地板，然后放到儲板箱中，再把木地板自動鋪設裝置放到起始位置。打開PLC觸控面板，確定好路線，然后PLC控制面板會給驅動系統發送指令，使舵機轉動從而使底座的動力輪帶動木地板自動鋪設裝置保持與木地板平行水平前進，同時儲板箱中的絲杠步進電機運動，使推板推動一塊木地板滑下，停在擋塊的位置，這時機械臂會移動到木地板上，吸附裝置吸緊木地板，通過機械臂上的紅外定位裝置定位到上一個木地板的邊緣，機械臂上的步進電機運動，使機械臂連接上一個木地板繼續鋪設。在接近墻壁時，木地板自動鋪設裝置上有距離傳感器測定木地板鋪設裝置到墻壁的距離，當測定距離小于放置到儲板箱里的木地板的長度時，木地板鋪設裝置會停止鋪設，同時動力輪上的舵機反轉使木地板鋪設裝置倒退一段距離，轉向輪運動使木地板鋪設裝置轉向，從而避免撞向墻壁，然后木地板鋪設裝置向與鋪設方向垂直的方向移動一個木地板的寬度，再回到初始位置繼續進行作業。木地板自動鋪設裝置利用紅外定位裝置、機械臂、距離傳感器和PLC控制系統配合來完成木地板的定位、鋪設、緊固等工作。

2 木地板自動鋪設裝置的關鍵部件設計

2.1 線路及氣泵管的連接

根據木地板自動鋪設裝置的工作原理，再結合實際的工作需求，要想使機械臂靈活，要求機械手臂必須有足夠的動力和吸附力。在拼裝木地板自動鋪設裝置時，根據其要求選取步進電機和吸附裝置。在鋪設過程中，氣泵管和線路的連接和長度是需要考慮的問題，線路敷設和氣泵管連接的合理性是安全施工的一個重要保證。根據木地板自動鋪設裝置的高度和機械臂的伸縮長度，確定機械臂上的電線和氣泵管的長度不超過2 m。

2.2 儲板箱的設計

根據市場上已有木地板的大小，設計的儲板箱尺寸為600 mm×200 mm×280 mm，可以放置多種類型、大小為150 mm×450 mm左右的木地板。在木地板自動鋪設裝置啟動前，在儲板箱內斜放木地板12個。在木地板自動鋪設裝置啟動后，推板上的步進電機轉動帶動絲杠轉動，從而使推板向前運動，使其推動木板滑動從儲板箱出口滑出，通過滑軌滑動到擋塊的位置停下，等待機械臂的吸附。

2.3 機械臂的設計

在現代化機械產品結構設計中，高精密、輕量化、穩定性是十分重要的設計需求。機械臂作為工程機械設施的關鍵部件，改善其動態特性，滿足個性化需求，能有效提高工程機械的質量、工作效率及安全性。機械臂由兩部分組成，即大、小兩個臂部，大臂長度為420 mm，小臂長度為280 mm，由步進電機、齒輪、光杠和聯軸器組成。

步進電機常常用于驅動執行機構按指定的方向和設定的角度轉動或者完成既定的線位移，響應速度快，定位精確，廣泛應用于機器人驅動、現代測量、機械加工、激光加工、自動焊接等領域的自動控制系統，所以在機械臂的設計過程中選用步進電機作為動力元件。

在機械產品結構中，齒輪傳動是機械傳動中應用最廣的一種傳動形式，因此齒輪作為機械范疇內極為核心的元部件，在機械設計與機械設施作業階段普遍使用，它的傳動比較準確，效率高，結構緊湊，工作可靠，壽命長，所以選用齒輪傳動來帶動機械臂的運作。機械臂主要完成的任務是吸附擋塊處的木板，然后由機械臂上的步進電機帶動齒輪旋轉，從而使機械臂實現上下運動和定位，進而把吸附的木板放置到地面上，在放置到地面之前會有紅外定位裝置實現木板的定位，從而使木板準確地放置到指定位置。機械臂結構如圖2所示。

2.4 底座結構

底座四個車輪包括兩個固定的動力輪和兩個控制方向的轉向輪，主要用于木地板自動鋪設裝置的固定、前后移動以及左右轉向。木地板自動鋪設裝置通過動力輪中舵機的正反轉提供前進或后退的動力，實現前進或后退兩個方向的運動，且轉向輪上的舵機帶動齒輪轉動，使齒條發生移動，從而使裝置發生轉向。底座架上安裝有氣泵，同時有型鋼將氣泵固定在指定位置。

3 控制系統

選擇西門子S7-1200作為控制系統，因為在位置控制方面，PLC技術的應用可以確保位置的精準性與工作效率，大大降低位置偏差發生的概率。而且與傳統控制技術相比較，PLC技術具有可靠性高、實用性強、編程簡單、學習難度低等優點。編程軟件用的是博圖軟件，通過編程軟件編寫控制程序，Q0.0、Q0.1為步進電機的輸出連接，通過控制步進電機的運動來控制機械臂前后以及上下運動；Q0.2、Q0.3控制兩個電氣閥，通過控制電氣閥的開關來控制機械臂吸附木地板與放下木地板；通過總線控制4個舵機來控制動力輪的前后運動、轉向輪的左右轉向和推板的運動。I0.0接通的是距離傳感器，根據設定的數值，在達到預定距離后距離傳感器會發送信號給I0.0，進而通過PLC控制系統來控制木地板自動鋪設裝置的轉向；I0.1接通的是紅外定位裝置，在鋪設過程中，木地板到達指定位置后，紅外定位裝置會給PLC發送信號，使PLC控制機械臂把木地板放下。控制系統通信示意圖如圖3所示。

同時通過編程軟件設計出HMI觸控面板，圖4為控制系統主界面，有啟動、停止和手動等按鈕。當按下啟動按鈕時，木地板自動鋪設裝置自動運行；按下停止按鈕時，裝置停止；按下手動按鈕時，進入手動控制界面，如圖5所示，其功能設置包括木地板自動鋪設裝置的直行和轉向，機械臂的水平和垂直移動，吸附裝置的吸附和釋放。

4 木地板自動鋪設裝置的三維設計

本文結合選用的舵機、步進電機和氣泵的相關參數以及相關結構的設計參數，使用UG NX12.0三維建模軟件，先把各個部位的零件繪制出來，再通過該軟件的裝配模塊，添加裝配約束關系，使各零部件裝配到一起，從而構建出木地板自動鋪設裝置的三維模型，結果如圖6所示。

5 結語

木地板自動鋪設裝置的機械臂伸直后長度為700 mm，可實現高度在70 cm內的作業。當一塊木地板鋪設完成之后，木地板自動鋪設裝置會向前移動到下一個位置再鋪設下一塊木地板，在移動過程中，推板會推動木地板從儲板箱推出，使其進入滑軌，從滑軌滑到擋塊的位置，然后機械臂會吸附木地板，當木地板自動鋪設裝置移動完成之后，機械臂會把木地板連接上一個木地板繼續鋪裝。機械臂上添加了紅外裝置實現木地板的定位，可使木地板鋪裝在指定位置，實現精準鋪設。本文設計的木地板自動鋪設裝置能夠用于室內作業，采用機械臂抓取與定位放置木地板，實現木地板的自動鋪裝，且人工與機械結合，提高了施工效率，大大減少了工人的勞動作業時間，同時也降低了工人的勞動強度和患病率。