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

        2018-11-01 03:50:18溫杰史春笑毛厚昌譚澤德歐健威洪越
        發(fā)明與創(chuàng)新 2018年25期
        關(guān)鍵詞:限位機(jī)械手延時(shí)

        溫杰 史春笑 毛厚昌 譚澤德 歐健威 洪越

        華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程學(xué)院 廣東 廣州 510900

        一、背景分析

        鋪設(shè)地磚是建筑行業(yè)中比較常見(jiàn)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(wèn)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。

        圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

        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。

        圖2 支架平面設(shè)計(jì)圖

        3.機(jī)械手設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)是通過(guò)控制面板上的按鈕、觸摸屏以及各種限位開(kāi)關(guān)來(lái)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(lái)形成一個(gè)承載平臺(tái),三軸機(jī)械手的動(dòng)力來(lái)源是由分別裝在三個(gè)軸的端部的步進(jìn)電機(jī)來(lái)完成,如圖4所示。

        圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

        圖4 機(jī)械手平臺(tái)結(jié)構(gòu)

        限位開(kāi)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(kāi)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(kāi)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FX3UPLC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。

        序號(hào)1 2 3 4 5 6 7輸入口X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006端口說(shuō)明起動(dòng)暫停停止Y軸原位X軸原位X軸左限位X軸右限位輸出口Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006端口說(shuō)明脈沖信號(hào)方向信號(hào)脫機(jī)信號(hào)X軸電機(jī)Y軸電機(jī)Z軸電機(jī)控制振動(dòng)電機(jī)

        表1 I/O口分配

        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(kāi)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。

        圖5 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。

        圖6 機(jī)械臂上升程序

        上升結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步,輸出81400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80800個(gè)脈沖信號(hào),X軸電機(jī)得電,機(jī)械臂右移80.8cm;當(dāng)80800個(gè)脈沖發(fā)送完畢,M8029輔助繼電器觸頭閉合。如圖7所示。

        圖7 Y軸前移81.4cm后X軸右移80.8cm

        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(kāi)地磚,等待6s延時(shí)。圖8為Z軸下降并振動(dòng)程序。

        圖8 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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

        圖9 機(jī)械臂回取料區(qū)程序

        四、結(jié)語(yǔ)

        本課題通過(guò)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(lái)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(lái)的機(jī)器人比較笨重,不方便搬運(yùn)。不過(guò),該機(jī)器人可以進(jìn)行二次開(kāi)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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