樂高像素畫自動拼組系統(tǒng)設(shè)計

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。通過店中一臺樂高像素照相亭 Mosaic Maker。

在開始玩之前，首先要到柜臺支付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。一會兒之后，照相亭就會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。但事實上，拼出一副完整的肖像只需要2304塊積木。剩下的，就是對著照片，一個個地將樂高積木拼上板子上了。這拼好大概需要花費 5～8 小時！

■1.2 設(shè)計的目的和意義

很多玩家對于自己設(shè)計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個樂高顆粒打造，成品高達近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還原。耗費（未含設(shè)計及人工成本）3.5萬元，耗時220小時。

高昂的設(shè)計（人工）費用和重復(fù)繁瑣的拼組過程讓人望而卻步。對于當(dāng)今的現(xiàn)代生活，節(jié)奏飛速，想自己親手制作手工藝品，實在沒多少機會騰出點時間，花錢買別人的時間也能解決問題，只是除了貴其他都是優(yōu)點。

而本系統(tǒng)正是為了解決以上問題為出發(fā)點來設(shè)計的。通過PLC對零件分揀、排序后，使用工業(yè)機器人對零件進行碼垛（拼裝），實現(xiàn)廉價的樂高像素畫的個性定制和成品自動化生產(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)機器人把分揀好的顆粒，進行碼垛作業(yè)。

■1.4 功能及控制要求

啟動（初始狀態(tài)）：設(shè)備在運行前應(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。

分揀、排序：當(dāng)按下啟動按鈕SB1，HL1運行指示燈亮，設(shè)備將按以下動作順序運行:進由程序控制進行分揀工件，驅(qū)動氣缸1或2, 活塞桿伸出運送到出料斜槽I或II。斜槽底端出料口的光電傳感器接收到工件到達信號后，通過IO通訊使工業(yè)機器人到該位置進行夾取。

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信號即工業(yè)機器人夾取位置上存在工件時，工業(yè)機器人以1000的速度進行軌跡移動，取、放時的速度調(diào)整為200，取起、放置后應(yīng)停留0.5s，回到HOME點（工業(yè)機器人夾取點往Z軸正方向偏移20），等待下一個工件到達后，再以從左往右、從上到下對放置點的坐標(biāo)，運行X軸和Y軸的移動，循環(huán)運行，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)計要求:完成分揀和排序的工作，PLC系統(tǒng)需要輸入點9個，輸出點6個，根據(jù)其控制要求及I/O點，對此系統(tǒng)進行分析以及市場價格的考慮，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)有進排氣筒口，無桿側(cè)端進氣時，推動活塞伸出運動；反之，從桿側(cè)端進氣時，推動活塞縮回運動。其具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。

■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(p-p) 10%以下；功耗/電流消耗：960mW以下(電流消耗40mA以下)；響應(yīng)時間：動作、復(fù)位:各200gus以下＊1。

■2.4 工業(yè)機器人

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，本設(shè)計選用ABB迄今最小的多用途機器人IRB 120僅重25kg,荷重3kg(垂直腕為4kg),工作范圍達580mm，已經(jīng)獲得了IPA機構(gòu)“ISO 5級潔凈室(100級)”的達標(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)濟可靠之選。

圖1 像素畫自動拼組系統(tǒng)（PLC部分）電氣控制原理圖

3 軟件設(shè)計

■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應(yīng)數(shù)量的黑、白兩種物料，然后通過編程對兩類物料分揀排序。編寫的程序如下：

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

圖3

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

圖4

（3）第三部分，實現(xiàn)完成拼組后的自動停機（圖5）。

圖5

■3.3 工業(yè)機器人碼垛作業(yè)

經(jīng)PLC對物料進行分揀機排序后，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通過IO讓工業(yè)機器人上電、啟動，開始拼組（碼垛）作業(yè)。實現(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，對編寫的程序進行虛擬的調(diào)試，驗證出其正確性，再把程序通過U盤拉到示教器上，進而通過硬件二次調(diào)試。

■4.2 實物調(diào)試

（1）機器人啟動；

（2）機器人吸取工件；

（3）機器人搬運工件；

（4）機器人放置工件；

（5）機器人繼續(xù)對下一個工件進行碼垛。

5 結(jié)論

本文研究樂高像素畫自動拼組系統(tǒng)設(shè)計，能按控制要求實現(xiàn)相應(yīng)的功能。整個設(shè)計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，實現(xiàn)分揀和排序要求。（4）完成PLC與機器人的IO通訊設(shè)置，讓完成PLC控制流程的工件，進入到下一階段的工序。（5）完成機器人碼垛作業(yè)的位置記錄，編寫機器人工作的程序。（6）完成機器人及PLC同時調(diào)試時參數(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)計能實現(xiàn)基本功能要求，以常人完成2304個零件的像素畫所需為5個小時換算，本系統(tǒng)完成同樣任務(wù)僅需72分鐘，僅為人手耗時的1/4左右。并且長時間生產(chǎn)環(huán)境下，自動控制對比人手，準(zhǔn)確率更有保障。

但設(shè)計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)計的軟件得以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的直接傳輸。所以，在此設(shè)計上改掉不足，本系統(tǒng)將更符合實際使用。