陳志亮

（佛山市三水區(qū)工業(yè)中等專業(yè)學(xué)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(tái)樂高像素照相亭 Mosaic Maker。

在開始玩之前，首先要到柜臺(tái)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(huì)兒之后，照相亭就會(huì)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(shí)上，拼出一副完整的肖像只需要2304塊積木。剩下的，就是對(duì)著照片，一個(gè)個(gè)地將樂高積木拼上板子上了。這拼好大概需要花費(fèi) 5～8 小時(shí)！

■1.2 設(shè)計(jì)的目的和意義

很多玩家對(duì)于自己設(shè)計(jì)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(yīng)該會(huì)很好。

佛山特意創(chuàng)作的馬賽克畫—“祖廟”。 “祖廟”這一作品共使用大約70,000個(gè)樂高顆粒打造，成品高達(dá)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(dòng)還原。耗費(fèi)（未含設(shè)計(jì)及人工成本）3.5萬元，耗時(shí)220小時(shí)。

高昂的設(shè)計(jì)（人工）費(fèi)用和重復(fù)繁瑣的拼組過程讓人望而卻步。對(duì)于當(dāng)今的現(xiàn)代生活，節(jié)奏飛速，想自己親手制作手工藝品，實(shí)在沒多少機(jī)會(huì)騰出點(diǎn)時(shí)間，花錢買別人的時(shí)間也能解決問題，只是除了貴其他都是優(yōu)點(diǎn)。

而本系統(tǒng)正是為了解決以上問題為出發(fā)點(diǎn)來設(shè)計(jì)的。通過PLC對(duì)零件分揀、排序后，使用工業(yè)機(jī)器人對(duì)零件進(jìn)行碼垛（拼裝），實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的樂高像素畫的個(gè)性定制和成品自動(dòng)化生產(chǎn)（代拼）服務(wù)。

■1.3 生產(chǎn)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(shù)量及順序的數(shù)據(jù)信息；

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

（3）通過PLC把顆粒分揀出來；

（4）工業(yè)機(jī)器人把分揀好的顆粒，進(jìn)行碼垛作業(yè)。

■1.4 功能及控制要求

啟動(dòng)（初始狀態(tài)）：設(shè)備在運(yùn)行前應(yīng)檢查:負(fù)責(zé)分揀、排序的氣缸的活塞桿是否處于縮回狀態(tài)。如不符合初始位置要求，設(shè)備不能啟動(dòng)。

分揀、排序：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB1，HL1運(yùn)行指示燈亮，設(shè)備將按以下動(dòng)作順序運(yùn)行:進(jìn)由程序控制進(jìn)行分揀工件，驅(qū)動(dòng)氣缸1或2, 活塞桿伸出運(yùn)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(dá)信號(hào)后，通過IO通訊使工業(yè)機(jī)器人到該位置進(jìn)行夾取。

碼垛：當(dāng)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(dá)信號(hào)即工業(yè)機(jī)器人夾取位置上存在工件時(shí)，工業(yè)機(jī)器人以1000的速度進(jìn)行軌跡移動(dòng)，取、放時(shí)的速度調(diào)整為200，取起、放置后應(yīng)停留0.5s，回到HOME點(diǎn)（工業(yè)機(jī)器人夾取點(diǎn)往Z軸正方向偏移20），等待下一個(gè)工件到達(dá)后，再以從左往右、從上到下對(duì)放置點(diǎn)的坐標(biāo)，運(yùn)行X軸和Y軸的移動(dòng)，循環(huán)運(yùn)行，直到把設(shè)定數(shù)量的工件完全碼垛完畢。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

■2.1 PLC

根據(jù)設(shè)計(jì)要求:完成分揀和排序的工作，PLC系統(tǒng)需要輸入點(diǎn)9個(gè)，輸出點(diǎn)6個(gè)，根據(jù)其控制要求及I/O點(diǎn)，對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行分析以及市場價(jià)格的考慮，我們將選用三菱的FX3U-48MR來控制本系統(tǒng)。

■2.2 氣缸活塞桿

氣缸的兩端都設(shè)有進(jìn)排氣筒口，無桿側(cè)端進(jìn)氣時(shí)，推動(dòng)活塞伸出運(yùn)動(dòng)；反之，從桿側(cè)端進(jìn)氣時(shí)，推動(dòng)活塞縮回運(yùn)動(dòng)。其具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

■2.3 傳感器

歐姆龍E3X-NA11/E3X-NA41光纖傳感器：光源(發(fā)光波長)：紅色4元素發(fā)光二極管(625nm)；電源電壓：DC12～24V土10%波動(dòng)(p-p) 10%以下；功耗/電流消耗：960mW以下(電流消耗40mA以下)；響應(yīng)時(shí)間：動(dòng)作、復(fù)位:各200gus以下＊1。

■2.4 工業(yè)機(jī)器人

兼顧考慮到，生產(chǎn)物料重量很輕和成品規(guī)格不算大這兩點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用ABB迄今最小的多用途機(jī)器人IRB 120僅重25kg,荷重3kg(垂直腕為4kg),工作范圍達(dá)580mm，已經(jīng)獲得了IPA機(jī)構(gòu)“ISO 5級(jí)潔凈室(100級(jí))”的達(dá)標(biāo)認(rèn)證，能夠在嚴(yán)苛的潔凈室環(huán)境中充分發(fā)揮優(yōu)勢。是具有低投資、高產(chǎn)出優(yōu)勢的經(jīng)濟(jì)可靠之選。

圖1 像素畫自動(dòng)拼組系統(tǒng)（PLC部分）電氣控制原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 導(dǎo)出零件相關(guān)參數(shù)

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

圖2 studio.io物料拼組順序數(shù)據(jù)界面圖

■3.2 使用PLC分揀排序

設(shè)計(jì)程序：通過上一步studio軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，壺頸式的物料槽中加入對(duì)應(yīng)數(shù)量的黑、白兩種物料，然后通過編程對(duì)兩類物料分揀排序。編寫的程序如下：

（1）第一部分，編寫啟動(dòng)和停止標(biāo)志，及其相關(guān)實(shí)現(xiàn)控制要求的軟元件（圖3）。

圖3

（2）第二部分，編寫核心程序，實(shí)現(xiàn)PLC控制要求的主要內(nèi)容（圖4）。

圖4

（3）第三部分，實(shí)現(xiàn)完成拼組后的自動(dòng)停機(jī)（圖5）。

圖5

■3.3 工業(yè)機(jī)器人碼垛作業(yè)

經(jīng)PLC對(duì)物料進(jìn)行分揀機(jī)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(huì)通過IO讓工業(yè)機(jī)器人上電、啟動(dòng)，開始拼組（碼垛）作業(yè)。實(shí)現(xiàn)此功能的程序如下：

PROC main()

MoveAbsJ jpos10NoEOffs, v1000, z50, XIPANWObj:=Workobject_1;

WHILE Do1=1 DO

FOR x FROM 0 TO 15 DO

FOR y FROM 0 TO 15 DO

maduo Offs(p10,0,0,0), Offs(p20,x ＊ 8,y ＊ 8,0);

ENDFOR

ENDFOR

ENDPROC

PROC maduo(robtargetxi,robtarget fang)

MoveJ xi, v1000, fine, XIPANWObj:=Workobj ect_1;

MoveLOffs(xi,0,0,80), v1000, fine, XIPANWObj:=Workobject_1;

MoveLOffs(xi,0,0,0), v200, fine, XIPANWObj:=Workobject_1;

Set DO10_0;

WaitTime 0.5;

MoveLOffs(fang,0,0,80), v1000, fine, XIPANWObj:=Workobject_3;

MoveLOffs(fang,0,0,0), v200, fine, XIPANWObj:=Workobject_3;

Reset DO10_0;

WaitTime 0.5;

MoveLOffs(fang,0,0,0), v200, fine, XIPANWObj:=Workobject_3;

ENDPROC

ENDMODULE

4 系統(tǒng)調(diào)試

■4.1 仿真調(diào)試

先使用ABB的robotstudio軟件建立工作站及所需部件，對(duì)編寫的程序進(jìn)行虛擬的調(diào)試，驗(yàn)證出其正確性，再把程序通過U盤拉到示教器上，進(jìn)而通過硬件二次調(diào)試。

■4.2 實(shí)物調(diào)試

（1）機(jī)器人啟動(dòng)；

（2）機(jī)器人吸取工件；

（3）機(jī)器人搬運(yùn)工件；

（4）機(jī)器人放置工件；

（5）機(jī)器人繼續(xù)對(duì)下一個(gè)工件進(jìn)行碼垛。

5 結(jié)論

本文研究樂高像素畫自動(dòng)拼組系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能按控制要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。整個(gè)設(shè)計(jì)過程需要完成的任務(wù)主要有：（1）完成物料的數(shù)據(jù)采集。（2）完成PLC分揀機(jī)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(shí)現(xiàn)分揀和排序要求。（4）完成PLC與機(jī)器人的IO通訊設(shè)置，讓完成PLC控制流程的工件，進(jìn)入到下一階段的工序。（5）完成機(jī)器人碼垛作業(yè)的位置記錄，編寫機(jī)器人工作的程序。（6）完成機(jī)器人及PLC同時(shí)調(diào)試時(shí)參數(shù)的調(diào)整，是兩者的工作頻率協(xié)調(diào)起來，完善調(diào)試效果。

綜上所述，本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)基本功能要求，以常人完成2304個(gè)零件的像素畫所需為5個(gè)小時(shí)換算，本系統(tǒng)完成同樣任務(wù)僅需72分鐘，僅為人手耗時(shí)的1/4左右。并且長時(shí)間生產(chǎn)環(huán)境下，自動(dòng)控制對(duì)比人手，準(zhǔn)確率更有保障。

但設(shè)計(jì)過程中存在不足之處：傳輸?shù)郊拇嫫鱀中的數(shù)據(jù)，需要專門設(shè)計(jì)的軟件得以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的直接傳輸。所以，在此設(shè)計(jì)上改掉不足，本系統(tǒng)將更符合實(shí)際使用。