基于PLC智能鋪設地磚機的機械手設計

溫杰 史春笑 毛厚昌 譚澤德 歐健威 洪越

摘要：通過運用工業自動化控制技術，設計出基于PLC的自動鋪設地磚機的基本結構。本設計是通過PLC對信號采集、處理以及輸出進行集中控制，保證系統能安全平穩運行。同時，通過觸摸屏與PLC的通信，實現步進電機對機械手的驅動，使智能鋪設地磚機的機械手在不同的運行模式下都能穩定運行。

關鍵詞：步進電機；PLC；機械手；控制系統

一、背景分析

鋪設地磚是建筑行業中比較常見的一道工序。目前，地磚都是由工人手工鋪設而成，其工作效率低、勞動強度大。隨著鋪設時間的增加，工人很容易出現工作能力減弱、錯誤率增加的狀況，這直接影響了地磚鋪設的質量以及鋪設的平整度。此外，長時間彎腰作業不利于工人的身體健康，很容易出現腰椎方面的疾病。因此，迫切需要研制出利用機械手進行自動鋪設地磚的機器人，采用自動化設備代替人力鋪設地磚，這能從根本上降低工人的勞動強度，提高鋪設地磚的質量和效率，也能解決建筑行業人手不足的問題。

二、智能鋪設地磚機機械手硬件設計

1.地磚機總體方案設計

本系統的總體設計框圖如圖1所示。

2.機械手外部支架設計

本設計選用規格為寬38mm、厚25mm的304不銹鋼管焊接成系統支架，外加輪子、軸承、軸芯、齒輪、鏈條、步進電機、推桿電機等組成系統的外框架。系統支架平面圖如圖2所示，其中a為支架底面，b為支架頂面。

3.機械手設計

本設計是通過控制面板上的按鈕、觸摸屏以及各種限位開關來控制步進驅動器和相應的步進電機運行，從而實現機械手所需功能。

滾珠絲杠和直線導軌構成機械手移動的主體支架及軌道，機械手被設計成三軸的形式，即X、Y、Z軸，如圖3所示。滾珠絲杠上的螺母及螺帽和Z軸的直線導軌上的滑塊或X軸直線導軌上的滑塊或Y軸直線導軌上的滑塊被一片鋁片連接起來形成一個承載平臺，三軸機械手的動力來源是由分別裝在三個軸的端部的步進電機來完成，如圖4所示。

限位開關決定機械設備運動的極限位置。使用接觸式限位開關分別安裝在機械手三軸的兩端，并在與其相對的運動的極限位置處安裝擋塊。當機械設備上行程開關的機械觸頭碰到擋塊時，就會切斷控制電路，機械設備會根據控制器的命令停止運行或者改變運行方向。

4.機械手控制系統設計

本系統以三菱FX3U PLC為核心控制器，可實現對信號采集、處理及輸出等一系列控制，實現機械臂移動定位，機械手吸取地磚等功能。

三、機械自動控制程序設計

1.機械手控制系統I/O分配

本設計的輸入輸出接口分配如表1所示。

2.機械手自動模式程序

狀態轉移跳轉到S20狀態步，PLC輸出一系列的脈沖信號，Z軸電機得電，機械臂下降，直到碰到取料限位，取料限位開關閉合，對Y012（電磁閥）置1，真空發生器產生吸力，吸住地磚，等待5s延時。圖5為機械臂下降取料程序。

延時時間到，狀態轉移到下一步，輸出一系列脈沖信號，Z軸電機得電，機械臂上升，直到碰到Z軸上限位，Z軸電機斷電。機械臂上升程序如圖6所示。

上升結束狀態轉移到下一步，輸出81 400個脈沖信號，Y軸電機得電，機械臂前移81.4cm；當81 400個脈沖發送完畢，M8029（當DSW指令等操作完成時）輔助繼電器觸頭閉合，狀態轉移下一步，輸出80 800個脈沖信號，X軸電機得電，機械臂右移80.8cm；當80 800個脈沖發送完畢，M8029輔助繼電器觸頭閉合。如圖7所示。

右移結束狀態轉移到下一步，輸出9200個脈沖信號，Z軸電機得電，機械臂下降，M8029輔助繼電器觸頭閉合，振動電機啟動，地磚振動，等待8s延時，延時時間到，振動電機停止，復位空氣閥，松開地磚，等待6s延時。圖8為Z軸下降并振動程序。

延時時間到，狀態轉移到下一步，輸出一系列脈沖信號、方向信號，Z軸電機得電，機械臂上升，直到碰到Z軸上限位限位開關，Z軸電機斷電；狀態轉移到下一步，輸出一系列脈沖信號、方向信號，X軸電機得電，機械臂左移，直到碰到X軸原位限位開關，X軸電機斷電；狀態轉移到下一步，輸出一系列脈沖信號，Y軸電機得電，機械臂下移，直到碰到Y軸原位限位開關，Y軸電機斷電，機械臂已經回到原位，表示第一塊地磚已經鋪設完成。等待2s延時，延時時間到，開始下一個周期的循環。圖9為機械臂回取料區程序。

四、結語

本課題通過對系統硬件設計、軟件編程、仿真調試三方面的結合，設計達到了預期的效果。但是由于技術及條件限制等多方面原因，設計出來的機器人尚不完美，還存在很多不足。例如支架尺寸與支架移動機構的設計，因缺少機械方面的知識，設計出的機器人還不能很好地在建筑環境下工作，因選材不夠專業，導致現在設計出來的機器人比較笨重，不方便搬運。不過，該機器人可以進行二次開發，增加所需的功能，例如自動下水泥漿、自動磨平鋪設區域下的水泥漿等。

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