王永翔，吳志鵬，黎勉

(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510090)

藝術(shù)馬賽克是由底層膠網(wǎng)和各種顏色的馬賽克片料組成不同圖案的建材。隨著精神文化生活的需求越來(lái)越高，藝術(shù)馬賽克以其絢麗、花樣多變，正受到建筑裝飾人士的青睞，有著巨大的市場(chǎng)潛力。然而，要完成這樣一張藝術(shù)馬賽克的生產(chǎn)，首先需要將各種顏色的馬賽克片料翻轉(zhuǎn)到正面向上，再根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖案，按各個(gè)位置所需的顏色，把相應(yīng)顏色的馬賽克片料在模具上逐個(gè)排好，校驗(yàn)無(wú)誤后再和膠網(wǎng)粘合成一定規(guī)格大小，然后再烘干而成。目前國(guó)內(nèi)大部分藝術(shù)馬賽克生產(chǎn)企業(yè)，均采用人工排版、手工操作，工人在工作過(guò)程中不斷重復(fù)這些單調(diào)、枯燥乏味的動(dòng)作，易使人產(chǎn)生厭倦情緒，效率低、出錯(cuò)率高。近年來(lái)的用工荒，對(duì)這種不需要技術(shù)的簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)，越來(lái)越難招到工人。因此，企業(yè)急需解決藝術(shù)馬賽克的自動(dòng)排版問(wèn)題，迫切需要使用機(jī)器代替人工，用自動(dòng)化裝配代替手工勞作。

1 自動(dòng)排版原理

藝術(shù)馬賽克是先在無(wú)色透明的玻璃片底面貼上不同顏色的底片，形成各種顏色的馬賽克片料，再由若干種顏色的片料按一定的規(guī)律粘貼組合成300 ×300(或其他規(guī)格)并具有一定圖案的一片。因此，藝術(shù)馬賽克自動(dòng)排版生產(chǎn)線(xiàn)的工作要由多組機(jī)構(gòu)共同協(xié)作才能完成。如圖1 所示，一條藝術(shù)馬賽克自動(dòng)排版生產(chǎn)線(xiàn)包含上料機(jī)構(gòu)、正反識(shí)別和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、抓取以及模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)等，在計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、控制下完成全過(guò)程。藝術(shù)馬賽克自動(dòng)排版生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)排版原理是將每一種顏色的片料分別指定一個(gè)代碼，模具上的每一個(gè)小格根據(jù)該位置對(duì)應(yīng)的顏色進(jìn)行編碼，且模具上每一格的編碼都與對(duì)應(yīng)顏色的片料的代碼相同，通過(guò)抓取機(jī)構(gòu)與模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合，將馬賽克片料粘貼到模具上代碼與馬賽克片料顏色代碼相同的位置上。根據(jù)各顏色片料粘貼前是否進(jìn)行排列，又可以將排版方式分為機(jī)械手選擇型和片料排列型兩種形式。

圖1 自動(dòng)排版裝置原理示意圖

1.1 機(jī)械手選擇型

每種顏色的片料經(jīng)翻轉(zhuǎn)整列后，停止在出料口，等待機(jī)械手移動(dòng)到相應(yīng)位置取料，再移動(dòng)到模具指定位置粘貼。

1.2 片料排列型

每種顏色的片料經(jīng)翻轉(zhuǎn)整列后，停止在出料口，各顏色出料口由PLC 統(tǒng)一進(jìn)行控制，使各顏色的片料按圖案要求出料，并排列于待粘貼片料隊(duì)列中，等待機(jī)械手取料粘貼。

1.3 系統(tǒng)的組成與分析

藝術(shù)馬賽克排版工序流程如圖2 所示，由四部分組成:

(1)上料系統(tǒng):將馬賽克片料送上自動(dòng)裝配線(xiàn)。

(2)正反面識(shí)別系統(tǒng):根據(jù)馬賽克片料正反面的反射率不同進(jìn)行正反面判別。

(3)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng):根據(jù)判別結(jié)果使所有馬賽克片料同一面向上。

(4)排版系統(tǒng):將不同顏色的馬賽克片料按指定圖案順序排好。

圖2 藝術(shù)馬賽克生產(chǎn)工序流程圖

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及選擇

2.1 上料機(jī)構(gòu)

振動(dòng)式上料器是市面上最常用的上料器之一，但是，由于藝術(shù)馬賽克片料的基本材質(zhì)是脆硬的玻璃，振動(dòng)容易把片料的邊角損壞，故不宜選用振動(dòng)式上料器。

圖3 上料機(jī)構(gòu)示意圖

升降式上料裝置如圖3 所示，由料斗、傳動(dòng)皮帶、隔條、擋板、出料管組成。料斗的大小可根據(jù)希望儲(chǔ)料的多少進(jìn)行設(shè)計(jì)，上料速度可通過(guò)控制傳動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)。隔條與皮帶的運(yùn)動(dòng)方向傾斜一定的角度，使馬賽克片在傳送帶上提升的同時(shí)，在重力作用下沿著隔條向左移動(dòng)，由于擋板僅在出料管處開(kāi)有缺口，使其只能在缺口處順著出料管流向正反判別機(jī)構(gòu)。該上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、上料效率高。

2.2 正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機(jī)構(gòu)

藝術(shù)馬賽克是在無(wú)色透明的玻璃片底面貼上不同顏色的底片，因此，正面光滑反光率高，反面粗糙反光率低，故可選用漫反射型光電傳感器進(jìn)行正反面判別。

2.2.1 方案一

如圖4 所示，馬賽克片料經(jīng)上料機(jī)構(gòu)的出料管進(jìn)入整列輪，通過(guò)控制整列輪每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和中斷時(shí)間，即可控制傳送帶上的片料保持均勻的間隔，以方便后續(xù)的正反檢測(cè)與翻轉(zhuǎn)工作。馬賽克片料由傳送帶運(yùn)輸至限位導(dǎo)軌末端時(shí)，光電傳感器對(duì)片料正反面進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)傳感器輸出大于設(shè)定閾值X 時(shí)，檢測(cè)面為正面，由噴嘴A 動(dòng)作，將片料吹倒;當(dāng)傳感器輸出小于設(shè)定閾值Y 時(shí)，檢測(cè)面為反面，由噴嘴B 動(dòng)作，將片料吹倒。至此，所有片料都被翻轉(zhuǎn)為正面朝上。這種方式要占用較多的空間，且片料采用豎直傳送，穩(wěn)定性差，可靠性不太理想。

圖4 方案一的正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機(jī)構(gòu)示意圖

2.2.2 方案二

如圖5 所示，正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機(jī)構(gòu)由漫反射傳感器、托板、氣缸、翻轉(zhuǎn)弧、匯集槽、導(dǎo)向框組成。馬賽克片料經(jīng)上料機(jī)構(gòu)的出料管滑下并進(jìn)入導(dǎo)向框內(nèi)，經(jīng)過(guò)漫反射傳感器所對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，把該片馬賽克片是正面向右還是反面向右的信息傳遞到計(jì)算機(jī)。托板上分別開(kāi)了左右兩個(gè)下料口9 和4，假定正面向左，則計(jì)算機(jī)令氣缸活塞右移，使導(dǎo)向框中的馬賽克片從托板的右下料口沿翻轉(zhuǎn)弧滑下，使馬賽克片正面向上，進(jìn)入?yún)R集槽;若正面向右，則計(jì)算機(jī)令氣缸活塞左移，使導(dǎo)向框中的馬賽克片從托板的左下料口沿翻轉(zhuǎn)弧滑下，使馬賽克片正面向上，進(jìn)入?yún)R集槽。顯然方案二的機(jī)構(gòu)更加緊湊可靠。

圖5 方案二的正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 排序送料機(jī)構(gòu)

排序送料機(jī)構(gòu)也有多種方案可供選擇。

方案一采用把排版與抓取合在一起的機(jī)械手選擇型，如圖6 所示，將翻轉(zhuǎn)好的各種顏色的馬賽克片送入合流導(dǎo)軌，合流導(dǎo)軌將散亂的片料整合為一列，導(dǎo)軌末端的擋板將片料擋住，當(dāng)片料積累到一定數(shù)量時(shí)，機(jī)械臂才允許動(dòng)作。機(jī)械臂每次動(dòng)作過(guò)程:機(jī)械臂下降至指定高度，吸盤(pán)接通負(fù)壓，將片料吸起，機(jī)械臂上升，接著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)械臂下降，吸盤(pán)接通正壓，將片料放下，然后再升起，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°回到初始位置。若機(jī)械臂兩端均有吸盤(pán)，可使每次的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作同時(shí)完成吸起與放下動(dòng)作，效率提高一倍。但需要不同顏色的片料時(shí)，機(jī)械臂要將吸料端移動(dòng)至該顏色的指定位置，同時(shí)，模具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要把模具放上一顏色片料的對(duì)應(yīng)位置移到機(jī)械臂放料端，控制關(guān)系比較復(fù)雜，且轉(zhuǎn)角控制誤差對(duì)位置精度影響較大(見(jiàn)圖7)。另外，其排版方式選用的是機(jī)械手選擇型，由于藝術(shù)馬賽克包含的片料顏色較多，機(jī)械手需在不同顏色出料口之間頻繁移動(dòng)，模具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也要作與之適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，降低了排版效率。

圖6 機(jī)械手選擇型排序送料示意圖

圖7 水平旋轉(zhuǎn)與豎直旋轉(zhuǎn)對(duì)定位精度的影響

方案二采用排版與抓取相對(duì)獨(dú)立的片料排序型工作方式，排序送料機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖8)由光電開(kāi)關(guān)、擋板、氣缸、傳送帶、限位開(kāi)關(guān)組成。抓取機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖9)由負(fù)壓吸盤(pán)、機(jī)械臂、曲柄、電機(jī)組成。模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖10)由電機(jī)和滾珠絲杠導(dǎo)軌組成。進(jìn)入?yún)R集槽的馬賽克片在擋板處停留，當(dāng)計(jì)算機(jī)根據(jù)排版要求需要該顏色的馬賽克片時(shí)，且光電開(kāi)關(guān)3 檢測(cè)到匯集槽有料、光電開(kāi)關(guān)2 檢測(cè)到傳送帶在該位置沒(méi)料時(shí)，氣缸活塞動(dòng)作，推出一片馬賽克片然后退回，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的傳送帶把馬賽克片快速送到限位開(kāi)關(guān)的位置(即把每一行的馬賽克片料按顏色順序排好)，等待抓取機(jī)構(gòu)抓取。各種顏色的馬賽克片排序機(jī)構(gòu)中的氣缸何時(shí)動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)根據(jù)圖案顏色先后順序所確定的邏輯關(guān)系進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)控制模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)，把模具將要放片的位置(格子)準(zhǔn)確移到抓取機(jī)構(gòu)的放料位置下方。裝在抓取機(jī)構(gòu)機(jī)械臂下的負(fù)壓吸盤(pán)把吸料位置處的馬賽克片吸起，抓取機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)180°，把機(jī)械臂下的馬賽克片移到左邊的放料位置，把負(fù)壓吸盤(pán)上的馬賽克片放到模具的格子上，然后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)曲柄順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)180°，把機(jī)械臂移到右邊的吸料位置，準(zhǔn)備吸下一片馬賽克片。同時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)把模具下一個(gè)放片位置(格子)移到抓取機(jī)構(gòu)的放料位置下方。由于采用了片料先在輸送帶上排序、機(jī)械手只需在固定的抓取位置與放料位置作簡(jiǎn)單的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)也只需作簡(jiǎn)單的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，使得排版效率較方案一有大幅度提高。而且，方案二所需組件更少，控制簡(jiǎn)單，抓取機(jī)械臂在豎直面運(yùn)動(dòng)，設(shè)備所占水平空間更小，轉(zhuǎn)角控制誤差對(duì)位置精度影響較小。圖7 為機(jī)械手作水平和豎直兩種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式，同一控制精度下水平面內(nèi)的定位精度對(duì)比?？梢?jiàn):控制偏差角同為α 時(shí)，水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在水平面內(nèi)產(chǎn)生的位置偏差X，遠(yuǎn)大于豎直回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在水平面內(nèi)產(chǎn)生的位置偏差Y。此外，采用豎直回轉(zhuǎn)還可以共用一套模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)多個(gè)模具和共用一套抓取驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)多個(gè)機(jī)械臂同時(shí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)多塊馬賽克同時(shí)排版，在經(jīng)濟(jì)性與可靠性上都更具優(yōu)勢(shì)。整機(jī)工作原理見(jiàn)圖1。

圖8 片料排序型排序送料示意圖

圖9 抓取機(jī)構(gòu)示意圖

圖10 模具移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)采用PLC 作為主控元件，上料機(jī)的上料速度一旦調(diào)整好后一般不需要經(jīng)常調(diào)整，故各上料機(jī)電機(jī)速度采用獨(dú)立手動(dòng)調(diào)整控制。另外，傳送帶的速度調(diào)整好后也不需要經(jīng)常調(diào)整，故對(duì)應(yīng)電機(jī)速度也采用獨(dú)立手動(dòng)調(diào)整控制，但各電機(jī)的啟動(dòng)和停止由PLC 集中控制。

各種顏色正反翻轉(zhuǎn)和匯集沒(méi)有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，故可同時(shí)并行進(jìn)行。但排序必須根據(jù)預(yù)存圖案對(duì)應(yīng)位置的顏色代碼i 使第i 種顏色的顏色選中標(biāo)志置位，只有選中的那組排序送料機(jī)構(gòu)才動(dòng)作。若以D100 存放當(dāng)前顏色代碼，當(dāng)選中第i 種顏色，則D100 寄存器第i 位二進(jìn)制位被置1，這樣就很容易判別當(dāng)前選中哪一種顏色?？删幊炭刂破鞯牧鞒虉D見(jiàn)圖11。正反判別及翻轉(zhuǎn)和排序及送料程序有N 組，其邏輯動(dòng)作相同，故僅畫(huà)出其中一組。

圖11 PLC 軟件控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

藝術(shù)馬賽克在建筑裝飾行業(yè)有著巨大的市場(chǎng)潛力。然而，我國(guó)的藝術(shù)馬賽克生產(chǎn)企業(yè)目前絕大部分都是采用人工進(jìn)行排版，效率低、錯(cuò)誤率高。文中設(shè)計(jì)的馬賽克自動(dòng)排版生產(chǎn)線(xiàn)，特別是集識(shí)別、翻轉(zhuǎn)與匯集為一體的機(jī)構(gòu)，巧妙地解決了藝術(shù)馬賽克自動(dòng)上料、使出料面一致、正反面識(shí)別翻轉(zhuǎn)和匯集占用空間大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排版。在此基礎(chǔ)上還編制了馬賽克的排版工藝流程和控制方案。對(duì)降低企業(yè)生產(chǎn)對(duì)人力的依賴(lài)程度，促進(jìn)整個(gè)藝術(shù)馬賽克行業(yè)的發(fā)展有積極的意義。

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