Устройство для производства мозаики

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к созданию мозаики, в частности к устройству автоматического размещения множества плиток (чипов мозаики) на основе дизайна при выкладке мозаичного панно.
Уровень техники
Из уровня техники известна машина для изготовления мозаичных полов за счет монтажа небольших блоков мрамора или других материалов на ткань, которая служит держателем и транспортировка данной ткани с установленными блоками на пол, причем ткань удаляется после установки блоков на место (см. [1] патент Великобритании № 190614363, опубл. 04.04.1907). Небольшие блоки скользят в лифт из приемника, скорость подачи которого регулируется регулируемым горизонтальным распашным затвором, и передаются на наклонный лоток, который поддерживается в постоянном колебании рычагом, работающим эксцентриком на своем нижнем конце. Затем они проходят через ряд наклонных желобов в лоток, где их можно осмотреть и отрегулировать вокруг изогнутой направляющей, и направить лицевой стороной вниз на лист бумаги или другую ткань, покрытую клеем. Ткань с нанесенными блоками переносится на проволочном ремне, проходящем по шкивам, приводимым в движение от главного вала, через трубчатую печь и по поворотному направляющему фартуку на барабан, на которой наматывается ткань. Специальные рисунки могут быть получены путем подачи блоков в лотки, расположенные один над другим, причем каждый лоток принимает блоки одного цвета. Недостатками данного аналога являются низкая производительность, большие габариты установки, ограничение на форму чипов, отсутствие возможности задания изображения в цифровом виде, долгая подготовка к производству/переналадке.
Из уровня техники известен способ и устройство для получения мозаики по заданному изображению (см. [2] заявку США № 2007250197, МПК G06F 19/00, опубл. 25.10.2007), содержащие сканирование изображения в компьютеризированную форму, маркировку указателей на изображении и генерирование описания мозаики из изображения, при этом пользователь может редактировать и вносить изменения в описание мозаики. Устройство генерирует мозаику, содержащую множество плиток, из компьютерного файла, и содержит вычислительную платформу, выполняющую процесс для генерации описания мозаики из компьютеризированного файла; а также укладочную машину для укладки множества плиток на поверхность в соответствии с описанием мозаики, в результате чего машина размещения захватывает плитки, причем каждая плитка берется из набора заранее определенных местоположений и размещает каждую плитку в местоположении на слое, как указано в описании мозаики. Недостатками данного аналога являются низкая производительность, меньшее возможное количество цветов, ограничение формы чипов квадратной формой.
Из уровня техники известен многоуровневый податчик мозаики (см. [4] патент РФ на полезную модель № 169291, МПК В07С 1/02, опубл. 14.03.2017), выполненный в виде ячеек размерами, точно соответствующими размерам чипов мозаики, ячейки податчика имеют небольшой допуск по размеру относительно чипа мозаики, и чипы мозаики свободно перемещаются внутри ячеек, каждая ячейка податчика на входе имеет пазы и места крепления для установки трубок, подающих чипы мозаики, трубки, подающие чипы мозаики, устанавливают под углом, достаточным для самостоятельного движения чипов мозаики под весом собственной тяжести, с целью захвата чипа мозаики каждая ячейка податчика заканчивается передним бортом, перегородками по бокам, основанием снизу и имеет открытое пространство сверху, которое по размерам соответствует размеру чипа мозаики, каждая ячейка податчика имеет свой номер или обозначение, ячейки располагаются горизонтально на одном уровне, создавая, таким образом, уровень податчика, отличающийся тем, что любой уровень податчика имеет места крепления и может быть закреплен над другим уровнем податчика друг над другом в любой последовательности, образуя многоуровневый податчик мозаики. Недостатками данного аналога являются большие габариты, низкая производительность, так как отсутствует механизм подачи ячейки под рабочий орган.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ и устройство для изготовления мозаики (см. [3] ЕР2201527, МПК B44C 3/12; G06T 11/00, опубл. 30.06.2010). Способ для построения мозаики содержащий: программный процессор для проектирования шаблона из изображения, причем этот шаблон разбирается на множество подизображений, причем каждое из множества подизображений связано по меньшей мере с одной плиткой; графический интерфейс пользователя; операционный менеджер для определения материалов, количества материалов и местоположения в шаблоне для каждой из, по меньшей мере, одной плитки; сортировщик для сортировки хотя бы одной плитки; инспекционная станция для проведения проверки контроля качества для каждой из, по меньшей мере, одной плитки; буфер для буферизации каждого из, по меньшей мере, одного фрагмента в соответствии с командой от операционного менеджера; и механический механизм для выбора и размещения каждого из, по меньшей мере, одного элемента мозаичного изображения в заранее определенной позиции, как определено программным процессором. Недостатками данного аналога являются ограничение по используемой форме чипа, низкая производительность, большие габариты. При этом в заявленной полезной модели используется роборука и линейная подача (гравитационный диспенсер) плиток.
Сущность полезной модели
Задачей заявленной полезной модели является автоматизация процесса сборки мозаичных панно из чипов известного набора форм (в материалах заявки под словом «чипы» следует понимать чипы мозаики или тайлы), за счет заявленного устройства, выкладывающего мозаичное панно по фрагментам, используя мозаичные чипы, хранящиеся в картриджах в определенном порядке (т.е. порядок определен заранее), на матрицу в соответствии с входным изображением.
Техническим результатом является увеличение производительности устройства.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет устройства для производства мозаики, содержащего раму с жестко закрепленным на ней блоком электроники, податчик чипов, стол для выкладки мозаики из чипов и исполнительный механизм выкладки чипов в мозаику, при этом податчик чипов выполнен в виде барабана с картриджами для хранения чипов и закреплен в нижней части рамы с возможностью вращения, стол закреплен над барабаном не перекрывая область взятия чипов из картриджей барабана, исполнительный механизм выкладки выполнен в виде дельта-робота, состоящего из линейных направляющих закрепленных на раме, на которых установлены каретки с возможностью перемещения по линейным направляющим за счет актуаторов посредством ременной передачи, каждая каретка двумя сферическими шарнирами соединена со стержнями, которые, с свою очередь, соединены, каждый через сферический шарнир, с рабочим органом, при этом рабочий орган выполнен в виде пневматической присоски с возможностью вращения за счет актуатора, а пневматическая присоска подключена к пневмосистеме.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 - вид изометрический робота.
Фигура 2 - картридж барабана.
Фигура 3 - упоры ячейки картриджа в нормальном положении.
Фигура 4 - упоры ячейки картриджа со сдвинутым для взятия чипом.
Фигура 5 - структурная схема устройства
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - управляющий сигнал оператора (входное изображение); 2 - панель оператора; 3 - вычислительный модуль; 4 - база данных; 5 - клапан; 6 - рабочий орган; 7 - модуль числового программного управления ЧПУ; 8 - дельта-робот (манипулятор); 9 - барабан; 10 - временная механическая связь; 11 - эжектор; 12 - картридж; 13 - магистраль высокого давления; 14 - привод линейного перемещения робота; 15 - каретка робота; 16 - шарнир робота; 17 - стержни робота; 18 - ремень передачи; 19 - линейная направляющая робота; 20 - привод поворотной оси робота; 21 - присоска (инструмент); 22 - блок электроники; 23 - стол; 24 - салазки; 25 - рама; 26 - упор ячейки картриджа; 27 - направляющая ячейки картриджа; 28 - толкатель ячейки картриджа; 29 - пружина ячейки картриджа; 30 - шахта картриджа; 31 - чип; 32 - пневмосистема.
Осуществление полезной модели
Заявленное устройство для производства мозаики включает в себя раму (25) с жестко закрепленным на ней блоком электроники (22), податчик чипов, стол (23) для выкладки мозаики из чипов (31) и исполнительный механизм выкладки чипов в мозаику.
Блок электроники (22) включает в себя панель оператора (2), вычислительный модуль (3), модуль ЧПУ (7).
Панель оператора (2) предназначена для управления устройством. Она напрямую взаимодействует с вычислительным модулем (3). При помощи нее оператор производит задание параметров режима разбивки входного изображения (1) и работы дельта-робота (8), выполняет сервисные действия и производит настройку заполнения барабана (9), а также загружает входное изображение (1).
Вычислительный модуль (3) представляет из себя ЭВМ и производит разбивку входного изображения (1). Под разбивкой изображения подразумевается построение на основе него программы выкладки, пригодной для исполнения на модуле ЧПУ (7). Данная программа формируется на основе указанных параметров дельта-робота (8), а также настроек заполнения барабана (9). Настройки заполнения хранятся в базе данных (4), расположенной в памяти вычислительного модуля, и включают в себя информацию о наличии в ячейках барабана (9) картриджей (12) определенных типов, а также наличие в ячейках картриджей чипов (31) определенного цвета и формы. Сформированная программа передается на модуль ЧПУ (7). Под картриджами определенного типа следует понимать картриджи под разные формы тайлов (треугольные, квадратные, гексагональные и тд.). При появлении новой формы тайлов может быть разработан новый картридж по принципу предыдущих.
Модуль ЧПУ (7) на основе микроконтроллера, по программе выкладки, формирует управляющее воздействие для актуаторов дельта-робота (8), а также для барабана подачи (9) и клапанов (5) пневмосистемы (32) с целью сборки фрагмента панно.
Дельта-робот (8) состоит из линейных направляющих (19) закрепленных на раме (25), по которым, посредством ременной передачи (18), двигаются каретки (15) за счет актуаторов. Каретки (15) установлены на линейных направляющих (19). Каждая каретка (15) двумя сферическими шарнирами (16) соединена со стержнями (17), которые, в свою очередь, соединены, каждый через сферический шарнир, с рабочим органом (6). Актуаторами кареток линейных направляющих (19) являются приводы линейного перемещния (14). Шаговые двигатели формируют линейные перемещения рабочего органа (6) с закрепленным инструментом по трем осям координат. В рабочий орган установлен привод поворотной оси робота (20), управляющий вращательной степенью инструмента. Инструментом является пневматическая присоска (21), подключенная к пневмосистеме (32), предназначенная для взятия мозаичных чипов из ячеек картриджей (12) барабана (9), установленного внизу устройства, и выкладки их на стол (23), закрепленный выше барабана (9), ближе к одной из сторон устройства.
Податчик чипов выполнен в виде барабана (9) выступающего в качестве механизма хранения и подачи чипов (31). Барабан (9) закреплен в нижней части рамы с возможностью вращения. Он обладает одной вращательной степенью свободы, необходимой ему для поворота нужной стороной в область взятия чипов. В качестве актуатора используется шаговый двигатель, также управляемый воздействием от блока ЧПУ в соответствии с программой. Барабан (9) имеет несколько слотов под картриджи (12), размещенных по концентрической окружности. Слоты позволяют быстро заменить картридж.
Использование барабана (9) со сменными картриджами (12) является существенным техническим признаком. Поворотный барабан позволяет увеличить быстродействие и увеличить количество одновременно загруженных типов чипов. Это позволяет в одной выкладке использовать чипы разных форм и размеров. Расположение барабана также относится к техническим признакам. Такая схема размещения (под рабочей зоной робота) позволяет уменьшить габариты системы в сравнении с аналогами. Быстросменная конструкция картриджей позволяет быстро произвести переналадку под другие формы чипов, а также произвести загрузку станка.
Картриджи (12) барабана (6) представляют собой механизм, состоящий из нескольких шахт (30) для чипов (31). Каждая шахта (30) снабжена толкателем (28), который приводится в действие пружинами (29). Толкатель (28) перемещает чипы (31) к верхней поверхности картриджа (12) до упора (26). Для взятия чипа (31) требуется сместить или повернуть чип (31) в сторону от упора (26), затем поднять вверх. Такая конструкция позволяет автоматически подавать чипы (31) в заранее известную позицию.
Конструкция шахты картриджа является важным технологическим признаком, поскольку использование упоров и толкателей позволяет обеспечить безотказную подачу чипа, пресечь непреднамеренное выпадение чипа из шахты, а также позволяет легко адаптировать картридж под любые требуемые формы чипов.
Пневматическая система (32) представляет из себя клапан (5), магистраль высокого давления (13) и эжектор (11). Присоска (21) рабочего органа (6) подключена к клапану (5) через эжектор (11). Управление клапаном (5) производится с блока ЧПУ (7) в соответствии с программой.
Стол (23) для выкладки имеет исполнение с ячейками под чипы (31). Стол (23) устанавливается на салазках (24). В процессе выкладки (т.е. работы устройства) стол (23) неподвижен, по окончании выкладки стол (23) возможно быстро извлечь и сменить на другой.
Важным техническим признаком является автоматизированное построение программы выкладки на основе изображения и параметров, заданных оператором. Это значительно упрощает и ускоряет рабочий процесс.
Использование базы данных для хранения настроек заполнения барабана также является техническим признаком.
Существенным техническим признаком является использование дельта-робота (8) с линейными направляющими, поскольку подобная схема лучше подходит для решения pick-and-place задачи, подтипом которой является решаемая задача.
Основными отличительными признаком устройства от перечисленных аналогов является кинематическая схема “дельта” и механизм подачи чипов, позволяющий работать не только с квадратными и прямоугольными чипами, но и чипами иной формы. Техническим результатом системы является увеличение производительности. Результат достигается за счет размещения поворотного барабана с чипами под рабочей зоной робота, что уменьшает требуемый путь перекладки каждого чипа, и за счет использования дельта-робота с низкой инерциальной массой, что позволяет увеличить скорость перемещения.
Процесс работы устройства представляет из себя следующую последовательность действий.
При помощи панели оператора (2) оператор производит задание параметров режима разбивки входного изображения и работы дельта-робота, производит настройку заполнения барабана (9) картриджами (12) и картриджей чипами (31). Если данные были заданы ранее, они подгружаются из памяти и, при необходимости, оператор может их скорректировать. Далее оператор загружает входное изображение. Вычислительный модуль (3) производит разбивку входного изображения. Под разбивкой изображения подразумевается построение на основе него программы выкладки, пригодной для исполнения на модуле ЧПУ (7). Данная программа формируется на основе указанных параметров дельта-робота, а также настроек заполнения барабана. Настройки заполнения хранятся в базе данных (4), расположенной в памяти вычислительного узла (3), и включают в себя информацию о наличии в ячейках барабана (9) картриджей (12) определенных типов, а также наличие в шахтах (30) картриджей (12) чипов (31) определенного цвета и формы. Сформированная программа передается на модуль ЧПУ (7). Модуль ЧПУ (7) по программе выкладки, формирует управляющее воздействие для актуаторов дельта-робота (8), а также для барабана подачи (9) и клапана (5) пневмосистемы с целью сборки фрагмента панно. Сам процесс сборки фрагмента панно представляет из себя последовательность взятия чипов (31) из шахт (30) картриджей (12) барабана (9) и выкладки их в определенное место на столе (23). Каждую отдельную операцию взятия-выкладки чипа (31) можно декомпозировать следующим образом. Барабан (9) выставляется в нужную позицию (шахта (30) с чипом (31) нужной формы и цвета должна находиться в области взятия. Дельта-робот (8) подводит рабочий орган (6) в позицию над точкой взятия. Открывается клапан (5) и присоска (21) вакуумируется. Рабочий орган (6) опускается и происходит захват чипа (31) в шахте. Формируется временная механическая связь (10). Присоска (21) поворачивается на угол либо смещается в сторону от упора, после чего поднимается дельта-роботом (8). Присоска (21) далее поворачивается на требуемый угол, под которым нужно будет выложить данный чип (31) на стол (23). Параллельно с этим поворотом происходит перемещение рабочего органа (6) дельта-роботом (8) в точку выкладки. Когда присоска (21) находится над точкой выкладки и в требуемом угловом положении, дельта-робот (8) опускает рабочий орган (6) с чипом (31) ниже, к точке стола (23), и закрывает клапан (5). Временная механическая связь (10) разрывается. Далее дельта-робот (8) отводит рабочий орган (6) вверх, а чип (31) остается на столе. Данная операция повторяется до тех пор, пока данный фрагмент панно не будет закончен. После завершения данного фрагмента стол (23) меняется на новый и происходит выкладка последующих фрагментов до полного завершения.
Увеличение скорости выкладки мозаики достигается совокупным действием технических признаков. Дельта-робот обладает малой инерцией, что позволяет увеличить скорость движения манипулятора по сравнению с роботами с последовательной (роборука) или портальной кинематическими схемами. Увеличение скорости перемещения чипов напрямую увеличивает скорость выкладки мозаики. Также увеличение скорости выкладки достигается за счет более близкого расположения точек взятия чипов к столу для выкладки. Такое расположение возможно благодаря установке барабана с картриджами под рабочей областью робота, а не сбоку. Вращение барабана позволяет подвозить точки взятия тайлов в оптимальную позицию параллельно с осуществлением перемещения чипа, что увеличивает производительность. Быстросъемная конструкция картриджей уменьшает время простоя при смене материала, что увеличивает среднюю скорость производства. Быстросъемная конструкция стола уменьшает время простоя при смене переходе к выкладке следующего сегмента, увеличивая среднюю скорость производства. Задание программы ЧПУ с помощью изображения уменьшает время подготовки к производству, что также увеличивает среднюю скорость производства.