一種木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的設(shè)計(jì)

岳 浩 劉國浩

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東聊城 252000）

0 引言

如今買房后家庭裝修免不了要鋪地板，因?yàn)槟镜匕寰哂袦p少噪聲、穩(wěn)定耐用、溫暖柔和、有彈性等優(yōu)點(diǎn)，并且綠色環(huán)保、節(jié)約資源，客廳、臥室等主要活動(dòng)或居住場所，無論從習(xí)慣還是健康等方面考慮，都會(huì)選擇鋪設(shè)木地板?，F(xiàn)階段，在房屋裝修時(shí)，大多是采用人工方式，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，所需施工周期長，并且存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在裝修面積比較大的房屋時(shí)，更是大大增加了工人的患病率。在了解市場需求后設(shè)計(jì)了一種木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置，該裝置具有高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn)，既能有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能減少裝修成本。

1 木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的工作原理

木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置包括底座四個(gè)移動(dòng)的車輪、絲杠步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、推板、機(jī)械手臂、儲(chǔ)板箱、滑軌、擋塊、吸附裝置、PLC觸摸屏等。

本文研究的木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其工作原理如下：首先選好所要鋪設(shè)的實(shí)木木地板，然后放到儲(chǔ)板箱中，再把木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置放到起始位置。打開PLC觸控面板，確定好路線，然后PLC控制面板會(huì)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送指令，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而使底座的動(dòng)力輪帶動(dòng)木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置保持與木地板平行水平前進(jìn)，同時(shí)儲(chǔ)板箱中的絲杠步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使推板推動(dòng)一塊木地板滑下，停在擋塊的位置，這時(shí)機(jī)械臂會(huì)移動(dòng)到木地板上，吸附裝置吸緊木地板，通過機(jī)械臂上的紅外定位裝置定位到上一個(gè)木地板的邊緣，機(jī)械臂上的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械臂連接上一個(gè)木地板繼續(xù)鋪設(shè)。在接近墻壁時(shí)，木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置上有距離傳感器測定木地板鋪設(shè)裝置到墻壁的距離，當(dāng)測定距離小于放置到儲(chǔ)板箱里的木地板的長度時(shí)，木地板鋪設(shè)裝置會(huì)停止鋪設(shè)，同時(shí)動(dòng)力輪上的舵機(jī)反轉(zhuǎn)使木地板鋪設(shè)裝置倒退一段距離，轉(zhuǎn)向輪運(yùn)動(dòng)使木地板鋪設(shè)裝置轉(zhuǎn)向，從而避免撞向墻壁，然后木地板鋪設(shè)裝置向與鋪設(shè)方向垂直的方向移動(dòng)一個(gè)木地板的寬度，再回到初始位置繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置利用紅外定位裝置、機(jī)械臂、距離傳感器和PLC控制系統(tǒng)配合來完成木地板的定位、鋪設(shè)、緊固等工作。

2 木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 線路及氣泵管的連接

根據(jù)木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的工作原理，再結(jié)合實(shí)際的工作需求，要想使機(jī)械臂靈活，要求機(jī)械手臂必須有足夠的動(dòng)力和吸附力。在拼裝木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置時(shí)，根據(jù)其要求選取步進(jìn)電機(jī)和吸附裝置。在鋪設(shè)過程中，氣泵管和線路的連接和長度是需要考慮的問題，線路敷設(shè)和氣泵管連接的合理性是安全施工的一個(gè)重要保證。根據(jù)木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的高度和機(jī)械臂的伸縮長度，確定機(jī)械臂上的電線和氣泵管的長度不超過2 m。

2.2 儲(chǔ)板箱的設(shè)計(jì)

根據(jù)市場上已有木地板的大小，設(shè)計(jì)的儲(chǔ)板箱尺寸為600 mm×200 mm×280 mm，可以放置多種類型、大小為150 mm×450 mm左右的木地板。在木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置啟動(dòng)前，在儲(chǔ)板箱內(nèi)斜放木地板12個(gè)。在木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置啟動(dòng)后，推板上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使推板向前運(yùn)動(dòng)，使其推動(dòng)木板滑動(dòng)從儲(chǔ)板箱出口滑出，通過滑軌滑動(dòng)到擋塊的位置停下，等待機(jī)械臂的吸附。

2.3 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代化機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高精密、輕量化、穩(wěn)定性是十分重要的設(shè)計(jì)需求。機(jī)械臂作為工程機(jī)械設(shè)施的關(guān)鍵部件，改善其動(dòng)態(tài)特性，滿足個(gè)性化需求，能有效提高工程機(jī)械的質(zhì)量、工作效率及安全性。機(jī)械臂由兩部分組成，即大、小兩個(gè)臂部，大臂長度為420 mm，小臂長度為280 mm，由步進(jìn)電機(jī)、齒輪、光杠和聯(lián)軸器組成。

步進(jìn)電機(jī)常常用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指定的方向和設(shè)定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)或者完成既定的線位移，響應(yīng)速度快，定位精確，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、現(xiàn)代測量、機(jī)械加工、激光加工、自動(dòng)焊接等領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，所以在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力元件。

在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣的一種傳動(dòng)形式，因此齒輪作為機(jī)械范疇內(nèi)極為核心的元部件，在機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)施作業(yè)階段普遍使用，它的傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長，所以選用齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)作。機(jī)械臂主要完成的任務(wù)是吸附擋塊處的木板，然后由機(jī)械臂上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)和定位，進(jìn)而把吸附的木板放置到地面上，在放置到地面之前會(huì)有紅外定位裝置實(shí)現(xiàn)木板的定位，從而使木板準(zhǔn)確地放置到指定位置。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4 底座結(jié)構(gòu)

底座四個(gè)車輪包括兩個(gè)固定的動(dòng)力輪和兩個(gè)控制方向的轉(zhuǎn)向輪，主要用于木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的固定、前后移動(dòng)以及左右轉(zhuǎn)向。木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置通過動(dòng)力輪中舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)提供前進(jìn)或后退的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)向輪上的舵機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒條發(fā)生移動(dòng)，從而使裝置發(fā)生轉(zhuǎn)向。底座架上安裝有氣泵，同時(shí)有型鋼將氣泵固定在指定位置。

3 控制系統(tǒng)

選擇西門子S7-1200作為控制系統(tǒng)，因?yàn)樵谖恢每刂品矫?，PLC技術(shù)的應(yīng)用可以確保位置的精準(zhǔn)性與工作效率，大大降低位置偏差發(fā)生的概率。而且與傳統(tǒng)控制技術(shù)相比較，PLC技術(shù)具有可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、編程簡單、學(xué)習(xí)難度低等優(yōu)點(diǎn)。編程軟件用的是博圖軟件，通過編程軟件編寫控制程序，Q0.0、Q0.1為步進(jìn)電機(jī)的輸出連接，通過控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)械臂前后以及上下運(yùn)動(dòng)；Q0.2、Q0.3控制兩個(gè)電氣閥，通過控制電氣閥的開關(guān)來控制機(jī)械臂吸附木地板與放下木地板；通過總線控制4個(gè)舵機(jī)來控制動(dòng)力輪的前后運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向輪的左右轉(zhuǎn)向和推板的運(yùn)動(dòng)。I0.0接通的是距離傳感器，根據(jù)設(shè)定的數(shù)值，在達(dá)到預(yù)定距離后距離傳感器會(huì)發(fā)送信號給I0.0，進(jìn)而通過PLC控制系統(tǒng)來控制木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的轉(zhuǎn)向；I0.1接通的是紅外定位裝置，在鋪設(shè)過程中，木地板到達(dá)指定位置后，紅外定位裝置會(huì)給PLC發(fā)送信號，使PLC控制機(jī)械臂把木地板放下。控制系統(tǒng)通信示意圖如圖3所示。

同時(shí)通過編程軟件設(shè)計(jì)出HMI觸控面板，圖4為控制系統(tǒng)主界面，有啟動(dòng)、停止和手動(dòng)等按鈕。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置自動(dòng)運(yùn)行；按下停止按鈕時(shí)，裝置停止；按下手動(dòng)按鈕時(shí)，進(jìn)入手動(dòng)控制界面，如圖5所示，其功能設(shè)置包括木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的直行和轉(zhuǎn)向，機(jī)械臂的水平和垂直移動(dòng)，吸附裝置的吸附和釋放。

4 木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的三維設(shè)計(jì)

本文結(jié)合選用的舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和氣泵的相關(guān)參數(shù)以及相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，使用UG NX12.0三維建模軟件，先把各個(gè)部位的零件繪制出來，再通過該軟件的裝配模塊，添加裝配約束關(guān)系，使各零部件裝配到一起，從而構(gòu)建出木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的三維模型，結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)語

木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置的機(jī)械臂伸直后長度為700 mm，可實(shí)現(xiàn)高度在70 cm內(nèi)的作業(yè)。當(dāng)一塊木地板鋪設(shè)完成之后，木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置會(huì)向前移動(dòng)到下一個(gè)位置再鋪設(shè)下一塊木地板，在移動(dòng)過程中，推板會(huì)推動(dòng)木地板從儲(chǔ)板箱推出，使其進(jìn)入滑軌，從滑軌滑到擋塊的位置，然后機(jī)械臂會(huì)吸附木地板，當(dāng)木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置移動(dòng)完成之后，機(jī)械臂會(huì)把木地板連接上一個(gè)木地板繼續(xù)鋪裝。機(jī)械臂上添加了紅外裝置實(shí)現(xiàn)木地板的定位，可使木地板鋪裝在指定位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)鋪設(shè)。本文設(shè)計(jì)的木地板自動(dòng)鋪設(shè)裝置能夠用于室內(nèi)作業(yè)，采用機(jī)械臂抓取與定位放置木地板，實(shí)現(xiàn)木地板的自動(dòng)鋪裝，且人工與機(jī)械結(jié)合，提高了施工效率，大大減少了工人的勞動(dòng)作業(yè)時(shí)間，同時(shí)也降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和患病率。