史春笑 毛厚昌 譚澤德 歐健威 葛宏翔

摘 要：設(shè)計(jì)一款智能鋪設(shè)地磚機(jī)器人。該機(jī)器人以GOT1050觸摸屏為上位機(jī)，以三菱 FX3U型PLC為控制器，通過(guò)控制相關(guān)電機(jī)和真空吸盤(pán)工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪設(shè)地磚功能。該機(jī)器人具有手動(dòng)、單循環(huán)、連續(xù)、回原點(diǎn)等操作模式，功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;觸摸屏;PLC;電機(jī);地磚

Abstract：An intelligent tile laying robot was design. The robot uses GOT1050 touch screen as the upper computer， Mitsubishi FX3U PLC as the controller. It realizes the function of automatically laying floor tiles by controlling the relevant motors and vacuum suction cups. The robot has manual， single cycle， continuous， returning to the origin and other operation modes. It has complete functions and strong practicability.

Key words：robot;touch screen;PLC;electric machinery;floor tile

0 引言

目前，在建筑行業(yè)中普遍采用人工手動(dòng)鋪設(shè)地磚，這種鋪設(shè)方式工作效率低，且隨著地磚的尺寸逐漸增大，人工鋪貼的勞動(dòng)強(qiáng)度也越來(lái)越大，影響工人身體健康[1]，而且不能保持穩(wěn)定的鋪設(shè)質(zhì)量。因此，研制自動(dòng)鋪設(shè)地磚機(jī)器人，解決人工鋪設(shè)地磚時(shí)存在的一系列問(wèn)題，對(duì)提高鋪設(shè)質(zhì)量和效率至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能鋪設(shè)地磚機(jī)器人控制系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件部分主要由PLC、傳感器、主令電器、步進(jìn)電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)、推桿電機(jī)、真空吸盤(pán)等組成;軟件部分主要包括主程序、連續(xù)運(yùn)行程序、單周期運(yùn)行程序等;上位機(jī)由觸摸屏和軟件GT Designer2兩部分組成。系統(tǒng)原理框圖[2]，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

2.2 移動(dòng)支架設(shè)計(jì)

支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人的支架結(jié)構(gòu)按照能鋪設(shè)長(zhǎng)×寬分別為30 mm×30 mm和40 mm×40 mm兩種不同規(guī)格尺寸的地磚進(jìn)行設(shè)計(jì)。因要完成在一個(gè)區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)兩行三列地磚的工作，所以支架底面最小的有效空間為長(zhǎng)120 cm、寬80 cm，再加上地磚的取料區(qū)、電氣控制柜的安裝區(qū)及要預(yù)留的空間，最終該支架的有效空間尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)130 cm、寬135 cm、高35 cm，鋪設(shè)區(qū)域長(zhǎng)130 cm、寬90 cm，取料區(qū)長(zhǎng)45 cm、寬45 cm，安裝電氣控制柜的區(qū)域長(zhǎng)85 cm、寬45 cm。

支架轉(zhuǎn)移定位的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)該機(jī)器人鋪完一個(gè)區(qū)域的地磚后，能自動(dòng)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行鋪設(shè)。根據(jù)該機(jī)器人的工作環(huán)境及支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)支架向右邊轉(zhuǎn)移，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在支架的右邊。該模塊由輪子、軸承、軸芯、齒輪、鏈條、步進(jìn)電機(jī)等組成。

2.3 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械臂采用三根滾珠絲杠作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別作用在X軸、Y軸和Z軸，使機(jī)械手在一定區(qū)域內(nèi)能進(jìn)行精準(zhǔn)定位。其主要由行程開(kāi)關(guān)、兩組X軸移動(dòng)平臺(tái)、一組Y軸移動(dòng)平臺(tái)、一組Z軸移動(dòng)平臺(tái)和3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)組成。行程開(kāi)關(guān)分別安裝在XYZ三軸滾珠絲杠有效行程的兩端，并各預(yù)留一段行程空間，主要用于故障時(shí)保護(hù)滾珠絲杠及整個(gè)工作平臺(tái)[3-4]。

機(jī)械臂定位的實(shí)現(xiàn)。由PLC控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，由絲杠把旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其步數(shù)乘以絲杠的導(dǎo)程就得到了機(jī)械臂移動(dòng)的距離，最終完成機(jī)械臂精準(zhǔn)定位的目的。設(shè)計(jì)時(shí)采用適合的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，按照程序?qū)懞玫拿}沖規(guī)律控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通斷。

2.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)

機(jī)械手結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人使用真空吸盤(pán)機(jī)械手，主要起到吸持、傳遞、脫開(kāi)地磚及聯(lián)合振動(dòng)機(jī)對(duì)地磚進(jìn)行夯實(shí)的作用。該機(jī)械手由空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥聯(lián)件、電磁閥、真空發(fā)生器、真空吸盤(pán)、氣管、行程開(kāi)關(guān)及振動(dòng)機(jī)等組成[5]。在設(shè)計(jì)中為了配合真空吸盤(pán)的使用，選取能產(chǎn)生0.7～0.8 MPa氣源的空氣壓縮機(jī)。真空吸盤(pán)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

機(jī)械手功能實(shí)現(xiàn)。為了使機(jī)械手穩(wěn)固地吸取地磚，并聯(lián)安裝兩個(gè)真空吸盤(pán)，且在吸盤(pán)上面裝有振動(dòng)機(jī)作為夯實(shí)地磚的動(dòng)力源[6]。在兩個(gè)吸盤(pán)之間的間隙中安裝一個(gè)與吸盤(pán)同一個(gè)水平面的行程開(kāi)關(guān)，目的是使機(jī)械手在取料區(qū)能更方便的吸取地磚，而不需要在取料區(qū)設(shè)計(jì)傳送帶把地磚傳送到固定的位置。

2.5 支架調(diào)整模塊設(shè)計(jì)

支架水平度檢測(cè)。采用激光對(duì)射傳感器檢測(cè)支架水平調(diào)整信號(hào)，它分為發(fā)射器和接收器兩個(gè)部分，發(fā)射器和接收器在同一直線(xiàn)上，且彼此分開(kāi)，當(dāng)發(fā)射器所產(chǎn)生光線(xiàn)被阻擋住的時(shí)候，接收器就不能接受到該光線(xiàn)[7]。將3組發(fā)射器都安放在支架右上角，分別射向安裝在支架左上角的接收器（1）、左下角的接收器（2）和右下角的接收器（3），且它們都安裝在同一水平面上，此時(shí)接收器接收到信號(hào)，輸出低電平0。當(dāng)支架向一邊傾斜時(shí)，接收器和發(fā)射器不在同一水平面上，接收器接收不到信號(hào)，輸出高電平1。

支架水平度調(diào)整。當(dāng)支架從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)域后，要對(duì)支架進(jìn)行水平度的調(diào)整。設(shè)計(jì)時(shí)采用中間繼電器（K8、K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15）驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)支架水平度的調(diào)整。

2.6 控制面板設(shè)計(jì)

為方便操控機(jī)械手，設(shè)計(jì)控制面板，如圖4所示。

2.7 系統(tǒng)電氣接線(xiàn)圖

智能鋪設(shè)地磚機(jī)器人的電氣接線(xiàn)圖見(jiàn)附錄所示。

2.8 機(jī)器人實(shí)物圖

鋪設(shè)地磚機(jī)器人實(shí)物圖，如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是智能鋪設(shè)地磚機(jī)器人的核心，本設(shè)計(jì)采用三菱PLC較常見(jiàn)的編程軟件GX Developer進(jìn)行編程。本文主要介紹機(jī)器人的自動(dòng)模式程序設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

機(jī)器人具有手動(dòng)操作、返回原位操作、自動(dòng)操作三種操作模式，在自動(dòng)操作模式下又設(shè)計(jì)了單循環(huán)操作和連續(xù)操作。采用選擇性分支設(shè)計(jì)步進(jìn)梯形圖，通過(guò)條件設(shè)定，實(shí)現(xiàn)4種操作模式的選擇。系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)系統(tǒng)程序的主體，包括系統(tǒng)起動(dòng)、暫停、停止以及切換到各模式的程序。主程序中使用狀態(tài)初始化指令I(lǐng)ST可以簡(jiǎn)化程序，IST指令設(shè)定了3種操作方式，分別用S0、S1、S2作為這3種操作方式的初始狀態(tài)步。S0：手動(dòng)操作方式;S1：返回原位操作方式;S2：自動(dòng)操作方式，上述三種方式的輸入控制信號(hào)由X20～X27共8點(diǎn)輸入信號(hào)設(shè)定[8]。

3.3 連續(xù)運(yùn)行與單循環(huán)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)模式包括連續(xù)、單循環(huán)兩種運(yùn)行模式。連續(xù)模式是指完整地鋪設(shè)完一個(gè)工作區(qū)域的地磚后轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工作區(qū)域繼續(xù)鋪設(shè)，可連續(xù)鋪設(shè)若干個(gè)工作區(qū)域;單循環(huán)模式是指完整地鋪設(shè)完一個(gè)工作區(qū)域的地磚后停止工作，等待命令。連續(xù)與單循環(huán)工作流程，如圖7所示。

4 觸摸屏設(shè)計(jì)

采用三菱GOT1050觸摸屏作為人機(jī)界面，利用軟件GT Designer2設(shè)計(jì)觸摸屏界面。

4.1 建立工程

通過(guò)新建工程向?qū)В焖偻瓿晒こ淘O(shè)置。選擇GOT類(lèi)型為GT10**-Q（320x240），橫向放置，256色。選擇GOT連接機(jī)器，制造商選三菱電機(jī)，機(jī)種選MELSEC-FX，選標(biāo)準(zhǔn)I/F（標(biāo)準(zhǔn) RS-422），選擇“MELSEC-FX”的通訊驅(qū)動(dòng)程序，默認(rèn)選擇MELSEC-FX驅(qū)動(dòng)，最后確定各項(xiàng)選擇是否正確，完成建立工程。

4.2 設(shè)計(jì)界面

界面設(shè)計(jì)包括主界面、手動(dòng)、回原位、單循環(huán)、連續(xù)等5個(gè)界面設(shè)計(jì)，后4個(gè)界面對(duì)應(yīng)著各自的操作模式，界面之間可以切換。每個(gè)按鈕都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的軟元件觸頭，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC的控制。主界面和連續(xù)界面，如圖8所示。

主界面中手動(dòng)、回原位、單循環(huán)、連續(xù)四個(gè)按鈕是用來(lái)選擇與四種操作模式對(duì)應(yīng)的程序;連續(xù)界面中30×30、40×40按鈕是用來(lái)選擇鋪設(shè)不同規(guī)格地磚的程序，開(kāi)始和主菜單按鈕是分別用來(lái)啟動(dòng)鋪設(shè)相應(yīng)規(guī)格地磚的程序和返回主界面。

4.3 定義變量

在觸摸屏設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)設(shè)定參數(shù)代替實(shí)體按鈕，可節(jié)省PLC I/O口，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件布線(xiàn)。變量定義如下：X20-系統(tǒng)手動(dòng)模式選擇按鈕，X21-系統(tǒng)返回原位模式選擇按鈕，X23-系統(tǒng)單循環(huán)模式選擇按鈕，X24-系統(tǒng)連續(xù)模式選擇按鈕，X25-系統(tǒng)手動(dòng)模式下回原位按鈕，X31-系統(tǒng)手動(dòng)模式下方向信號(hào)輸入，X32-系統(tǒng)手動(dòng)模式下脫機(jī)信號(hào)輸入，X33-系統(tǒng)手動(dòng)模式控制X軸電機(jī)的中間繼電器輸入，X34-系統(tǒng)手動(dòng)模式控制Y軸電機(jī)的中間繼電器輸入，X35-系統(tǒng)手動(dòng)模式控制Z軸電機(jī)的中間繼電器輸入，X36-系統(tǒng)手動(dòng)模式控制電磁閥輸入，X37-系統(tǒng)手動(dòng)模式控制振動(dòng)機(jī)輸入。

4.4 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)包括按鈕設(shè)置和畫(huà)面切換。通過(guò)對(duì)按鈕的圖像變化突出按鈕狀態(tài);通過(guò)設(shè)置不同的功能，切換不同的畫(huà)面。

5 總結(jié)

智能鋪設(shè)地磚機(jī)器人通過(guò)運(yùn)用PLC技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)及電氣技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)，使用GX Developer軟件進(jìn)行編程，基于GT Designer2軟件設(shè)計(jì)觸摸屏界面，為鋪設(shè)地磚機(jī)器人完成手動(dòng)、單循環(huán)、連續(xù)、回原點(diǎn)操作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高了地磚鋪設(shè)質(zhì)量和效率。

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（收稿日期：2019.09.23）