修國基，王宇華

（1.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，佛山 528200 2.佛山科學技術(shù)學院 機電工程系，佛山 528000）

機械與設(shè)備

瓷磚分揀設(shè)備設(shè)計研究

修國基1，王宇華2

（1.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，佛山 528200 2.佛山科學技術(shù)學院 機電工程系，佛山 528000）

目前，陶瓷自動分揀的研究和開發(fā)還比較落后，瓷磚的機械化分揀使用率較低，但隨著我國陶瓷墻地磚產(chǎn)量的高速增長，陶瓷自動分揀設(shè)備已遠遠跟不上陶瓷產(chǎn)量增長的需求。另外，由于瓷磚具有脆硬、表面光滑、尺寸大等特點，因此，對陶瓷自動分揀系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性和可靠性也提出了非常高的要求。本文介紹一種瓷磚分揀設(shè)備以替代人工分揀作業(yè)，解決了國內(nèi)現(xiàn)有瓷磚生產(chǎn)線揀磚工序由人工完成、生產(chǎn)效率低下、存在安全隱患等問題。系統(tǒng)以自主技術(shù)為核心，由輸送機、光電傳感器、PLC控制器、氣動驅(qū)動器、電控柜協(xié)同工作，光機電氣一體化，多機聯(lián)動，實現(xiàn)瓷磚生產(chǎn)的全自動分揀。

瓷磚；瓷磚分揀設(shè)備；生產(chǎn)線；輸送機

1 引言

瓷磚是建材行業(yè)中重要產(chǎn)品之一，是現(xiàn)代建筑裝修中不可或缺的材料。中國號稱世界加工生產(chǎn)的大本營，是建材生產(chǎn)與消費的第一大國。隨著居住條件的改善、人民生活水平的提高、新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化進程的加快，國內(nèi)對建筑陶瓷的需求量還會進一步增加?；谖覈?jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，未來幾年我國瓷磚市場將繼續(xù)保持穩(wěn)步增長趨勢，這將直接拉動對建筑陶瓷機械的需求。另外，隨著招工的困難和人工成本的上升，自動化生產(chǎn)成為陶瓷企業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，因此對機械裝備的需求愈來愈大[1]。

本文首先對瓷磚分揀設(shè)備的原理方式及工作特點進行了對比及分析，提出了分揀系統(tǒng)的設(shè)計方案；然后對瓷磚分揀設(shè)備進行了三維實體建模和虛擬裝配，并建立了系統(tǒng)的仿真分析模型。通過對模型的分析確定了機構(gòu)的最佳設(shè)計方案和重要部件的最佳結(jié)構(gòu)及尺寸，也驗證了設(shè)計的合理性和可行性。

2 瓷磚分揀設(shè)備的工作原理與總體設(shè)計

瓷磚分揀設(shè)備是陶瓷機械領(lǐng)域面向陶瓷墻地磚分揀的自動化機械。在國內(nèi)是近幾年才開發(fā)出來的產(chǎn)品。該設(shè)備線能完成陶瓷墻地磚的自動分級、揀磚、碼垛等工序[2]。整個系統(tǒng)釆用PLC控制及觸摸屏人機界面，實時監(jiān)控每個工序的運行動作。

本文介紹一種針對國內(nèi)瓷磚生產(chǎn)企業(yè)實際狀況，自主研發(fā)的瓷磚生產(chǎn)線瓷磚分揀設(shè)備。該設(shè)備由機械和電控兩部分組成，可現(xiàn)實600 mm×600 mm、800 mm×800 mm、1000 mm×1000 mm規(guī)格的拋光磚、仿古磚及窯爐磚坯的自動化無人分揀工作。

2.1 瓷磚分揀設(shè)備設(shè)計要求

瓷磚分揀設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 瓷磚分揀設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)

2.2 瓷磚分揀設(shè)備的方案設(shè)計

首先，原理方式的選擇決定了瓷磚分揀設(shè)備的效率、穩(wěn)定性及成本，故合理選擇瓷磚分揀設(shè)備各個模塊的原理非常重要[3]。根據(jù)設(shè)計要求，可以初步確定瓷磚分揀設(shè)備在分揀時需完成對中提升、夾磚、翻轉(zhuǎn)、堆放瓷磚幾個工序。主要的原理方式有如下幾種：對中提升機構(gòu)原理方式、夾磚機構(gòu)原理方式、護磚機構(gòu)原理方式等。

2.2.1 對中提升方式的確定

對中提升瓷磚之前，瓷磚是運動在瓷磚輸送帶上的。故對中提升機構(gòu)需完成兩個動作，分別為瓷磚的對中夾取和提升。常用方式有：第一種為機械式夾取提升，此種方式結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，穩(wěn)定性差，難以滿足瓷磚分揀設(shè)備連貫性要求。第二種為氣缸提升式，此種方式結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，穩(wěn)定性高，故障率低，能夠滿足瓷磚分揀設(shè)備的高效性要求。本文設(shè)計采用氣缸提升式設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2.2 夾磚方式的確定

夾磚機構(gòu)原理方式的確定涉及兩個關(guān)鍵的問題：一是瓷磚屬于扁平易碎件，如何能夠夾緊瓷磚保證其在翻轉(zhuǎn)過程中不會滑落；二是左、右夾磚機構(gòu)在瓷磚翻轉(zhuǎn)過程中要保證運動同步。目前，采用的夾磚機構(gòu)有以下兩種：第一種是轉(zhuǎn)臂式夾磚機構(gòu)，該機構(gòu)使用氣缸進行夾磚，左、右伺服電機通過同步帶實現(xiàn)瓷磚的旋轉(zhuǎn)，伺服電機和減速機實現(xiàn)夾磚臂翻轉(zhuǎn)進行放磚。該機構(gòu)同步精度高，整機設(shè)計較緊湊，但減速機在使用過程中易磨損，維護成本高，對不同規(guī)格的瓷磚適用性不強。第二種是可翻轉(zhuǎn)夾爪式機構(gòu)，該機構(gòu)使用氣缸和電磁閥達到同步翻轉(zhuǎn)瓷磚，可翻轉(zhuǎn)夾爪機構(gòu)在導軌上來回滑動進行放磚。該機構(gòu)同步精度高，動作協(xié)調(diào)，維護成本低，對不同規(guī)格的瓷磚適用性強，但整機結(jié)構(gòu)較大。通過對以上兩種方案優(yōu)缺點分析，再結(jié)合設(shè)計要求，本設(shè)計夾磚機構(gòu)采用可翻轉(zhuǎn)夾爪式機構(gòu)。

圖1 對中提升機構(gòu)示意圖

2.2.3 護磚方式的確定

夾磚機構(gòu)夾磚后在導軌上滑動，為了避免出現(xiàn)刮花瓷磚的現(xiàn)象，夾磚機構(gòu)在將磚放在磚架上時，夾取的瓷磚要與磚架上的瓷磚留出一定的間隙[4]。在夾磚機構(gòu)放磚前，由護磚機構(gòu)將瓷磚與磚架上的瓷磚貼合在一起。常見方式有：第一種是單氣缸中位護磚機構(gòu)，該方式護磚機構(gòu)使用一個氣缸，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但護磚效果差，可能造成瓷磚在磚架上堆放傾斜。第二種護磚機構(gòu)是雙氣缸兩側(cè)護磚機構(gòu)，該機構(gòu)使用兩個氣缸同時護磚，有效地解決了第一種護磚機構(gòu)的弊端，但其結(jié)構(gòu)較第一種方式復雜。綜合考慮兩種護磚方式的優(yōu)缺點，本設(shè)計采用雙氣缸兩側(cè)護磚機構(gòu)。

2.3 瓷磚分揀設(shè)備的工作原理

瓷磚分揀設(shè)備的工作過程就是通過對中提升機構(gòu)頂起輸送帶上的瓷磚，夾磚機構(gòu)夾取瓷磚，在導軌上滑動并翻轉(zhuǎn)瓷磚，令到瓷磚變成立起狀態(tài)，將瓷磚送達至磚架上，再由護磚機構(gòu)將其與磚架上的瓷磚貼合在一起。

該系統(tǒng)主要由機械和電控兩部分組成。包括輸送帶、對中提升機構(gòu)、夾磚機構(gòu)、護磚機構(gòu)和磚架進給機構(gòu)。本設(shè)計依靠佛山陶瓷機械的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，結(jié)合設(shè)計需要，創(chuàng)造了高效、穩(wěn)定的揀磚生產(chǎn)線，解決了拋光磚、仿古磚成品及窯爐磚坯繁重的人工揀磚問題，大大降低了人員的勞動強度和提高了生產(chǎn)效率。

2.4 瓷磚分揀設(shè)備的總體設(shè)計

本文確定了瓷磚分揀設(shè)備各個子模塊的工作原理方式后，接下來需要綜合起來考慮，并根據(jù)所選擇的原理方式確定瓷磚分揀設(shè)備的整體工作流程，保證整體工作最優(yōu)，具體工作流程如圖2所示。由圖2可知，其分為氣缸提升式對中提升、可翻轉(zhuǎn)夾爪式夾磚機構(gòu)、雙氣缸兩側(cè)護磚機構(gòu)和磚架進給機構(gòu)。

圖2 瓷磚分揀設(shè)備工作流程

然后再根據(jù)瓷磚分揀設(shè)備整體工作流程確定其總體結(jié)構(gòu)分為:線架、對中提升機構(gòu)、左右夾磚機構(gòu)、框架、磚架進給機構(gòu)、護磚機構(gòu)、電柜及電控箱。瓷磚分揀設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 瓷磚分揀設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

瓷磚分揀設(shè)備動力部分采用異步交流電機加蝸輪蝸桿減速器和氣壓傳動，異步交流電機成木低廉，完全滿足要求；蝸輪蝸桿減速器體積小，減速比大；氣壓傳動具有干凈清潔、動作迅速、維護方便、成本低廉等特點。瓷磚輸送系統(tǒng)采用同歩帶傳輸，傳動精確，帶較為柔軟對瓷磚有緩沖保護作用并且與瓷磚附著摩擦力大，不易打滑。傳感器件則采用光電傳感器、接近開關(guān)和行程開關(guān)。

3 瓷磚分揀設(shè)備主要結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)確定

3.1 瓷磚分揀設(shè)備對中提升機構(gòu)的設(shè)計

對中提升機構(gòu)主要由對中組件、滑座、導柱、導柱套、支座、導向套、氣缸組成，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。本機構(gòu)對中部分采用雙軸氣缸，提升部分采用普通標準氣缸加導桿的做法，避免了長時間使用，造成氣缸受力偏易卡死的缺點。兩邊的對中氣缸是通過同一闊門控制的，保證動作同步性。當光電傳感器檢測到有瓷磚到來時，同時拉動支架，完成瓷的對中。然后普通標準氣缸提升對中提升機構(gòu)，方便夾磚機構(gòu)夾取瓷磚。

與電傳動相比，氣壓傳動沒有過載損壞的風險，還具有緩沖功能，但運動速度受到氣壓變化的影響，行程精度低。作為直線運動驅(qū)動器的氣缸，因結(jié)構(gòu)簡單。種類繁多，可滿足各種不同需求而得到了廣泛的應(yīng)用。直線氣缸一般可按以下程序選用：

1） 按要求的最大驅(qū)動力選缸徑

式中：D——氣缸缸徑，(mm)；

F——最大驅(qū)動力，(N)；

P——氣壓，(MPa)，不計損耗；

n——安全系數(shù)，氣缸水平使用n=0.7；

垂直使用n=0.5。

2）按要求的最大位移確定氣缸行程

根據(jù)被驅(qū)動零部件要求的最大位移，按大于或等于的原則，上靠到就近的標準行程。

通過公式計算選?。簩χ袣飧仔吞枮?TN-20×50；提升氣缸型號為：ESDA-50×110。

3.2 瓷磚分揀設(shè)備線架的設(shè)計

線架的設(shè)計主要是對傳動方式的選型設(shè)計，同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)形膠帶和具有相應(yīng)齒的帶輪所組成。轉(zhuǎn)動時，帶的凸齒與帶輪齒槽相嚙合，來傳遞運動和動力。與其他傳動相比，同步帶傳動具有如下優(yōu)點:

（1）工作時無滑動，有準確的傳動比；

（2）傳動效率高，節(jié)能效果好；

（3）傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊；

（4）維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低；

（5）惡劣環(huán)境條件下能正常工作。

由于同步帶具有以上特點，所以在瓷磚分揀設(shè)備的線架和框架上都應(yīng)用了同步帶，它們的功能分別是輸送瓷磚磚和帶動夾磚機構(gòu)。線架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 線架結(jié)構(gòu)圖

4 瓷磚分揀設(shè)備的設(shè)計研究

4.1 瓷磚分揀設(shè)備的設(shè)計思路及方法

對于產(chǎn)品的建模來說，很多建模技術(shù)的硏究首先都是從零件建模開始的，然后再對建模技術(shù)進行融合和拓寬，得到裝配體建模的方法[5]。

三維建模方式有很多，常用的有:線框建模、表面建模、實體建模和參數(shù)化建模。其中，實體建模是目前應(yīng)用最多的建模方式，也是本文采用的建模方式。而基于特征造型是實體造型的一個新的發(fā)展，它能很好地表達產(chǎn)品的完整功能和生產(chǎn)管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù)。

使用基于特征的零件實體建模過程如圖5所示。

圖5 特征建模過程

裝配是指通過零件進行組織、定位的一個過程。SolidWorks裝配體建模有兩種方式：一種是自下而上(Bottom-up)的方式，即先通過特征工具進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、切除、放樣、抽殼、陣列、鏡像等操作完成零件建模，設(shè)定零件材料、密度、彈性模量等物理屬性。然后通過零件之間的同心、重合、平行、距離、對稱等裝配約束將零件組裝成裝配體；另一種是自上而下(Top-down)的方式，在裝配體環(huán)境下的建模，先將樣機整機布局設(shè)計好，然后根據(jù)布局尺寸以及兩個或多個零件間的尺寸關(guān)系和約束關(guān)系設(shè)計相關(guān)的零件，零件設(shè)計方法一樣采用特征建模。這兩種方式如圖6所示。

圖6 裝配體設(shè)計方法

4.2 瓷磚分揀設(shè)備對中提升機構(gòu)的設(shè)計建模

4.2.1 對中提升機構(gòu)三維設(shè)計

對中提升部分建模方式為采取自下而上由零件到裝配體的建模方式，首先，建立對中氣缸TN-20×50、提升氣缸ESDA-50×90等標準件的三維模型；然后，建立支架、夾輪固定板、滑座、導柱及導柱套等重要工作件三維模型；接著，建立對中氣缸安裝板、氣缸限位塊、墊板、夾輪、限位支板、限位電眼支架等次要工作件三維模型；最后，再建立支座安裝板、導向套安裝板、氣缸墊板等結(jié)構(gòu)固定件和連接件三維模型；最后對零件進行虛擬裝配，并補充裝配連接件三維模型。零件建模順序清單如表2所示。

1） 主要工作標準件的三維建模

零件的具體建模過程就不詳細敘述了,設(shè)計好的三維模型如圖7所示。

2）主要工作件的三維建模

圖7 主要工作標準件三維建模

表2 對中提升機構(gòu)零件建模順序表

建立的三維模型如圖8所示。

圖8 主要工作件三維建模

次要工作件、結(jié)構(gòu)固定件及連接件的建模與主要工作件的建模方式是一樣的，就不在此詳細敘述。

4.2.2 對中提升機構(gòu)的虛擬裝配

首先在建模軟件中建立一個裝配體文件,然后導入零件便可以開始虛擬裝配了。一般情況下使用裝配菜單里的標準配合就可以了，如果裝配體中兩個零件或子裝配體有對稱、寬度及線性耦合要求是才會用到，高級配合，另外絲杠副、凸輪副、齒輪副等也會用到機械配合。對中提升機構(gòu)的裝配圖如圖9所示。

圖9 對中提升機構(gòu)裝配圖

4.3 主要機構(gòu)三維模型及總裝圖

主要部件三維模型如圖10所示。

瓷磚分揀設(shè)備總裝圖如圖11所示。

5 結(jié)語

本文針對陶瓷的機械化分揀需求以及國產(chǎn)設(shè)備效率和穩(wěn)定性方面存在的問題，開展了瓷磚分揀設(shè)備的設(shè)計開發(fā)研究，主要工作成果如下:

（1）提出了瓷磚分揀設(shè)備設(shè)計方案，采用先進三維CAD設(shè)計技術(shù)，為瓷磚分揀設(shè)備的設(shè)計提供一套高效、可行、低成本的設(shè)計方法。

（2）提出了氣缸提升式對中提升機構(gòu)原理方式、可翻轉(zhuǎn)夾爪式夾磚機構(gòu)原理方式及雙氣缸兩側(cè)護磚機構(gòu)原理方式，有效地解決了瓷磚分揀停頓、效率低下的缺點。

（3）獨立完成了瓷磚分揀設(shè)備整機結(jié)構(gòu)設(shè)計，共有線架、對中提升機構(gòu)、左右夾磚機構(gòu)、框架、磚架進給機構(gòu)、護磚機構(gòu)、電柜及電控箱等七個部分。

（4）建立瓷磚分揀設(shè)備整機三維實體模型，并進行了整機的虛擬裝配。

圖10 主要部件三維模型

圖11 瓷磚分揀設(shè)備總裝圖

[1]張帕清.中國陶瓷機械的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].佛山陶瓷,2006,(11):40-44.

[2]孫宜華,姜元春.陶瓷墻地磚生產(chǎn)線自動化揀磚系統(tǒng)的研制[J].中國陶瓷，2011,47（4）41-42.

[3]李俊清.瓷磚自動包裝線裹包系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].廣東：廣東工業(yè)大學,2012.

[4]葉大繁，林銘章.一種高效接力式揀磚方法及揀磚機[P].中國專利：201210105937.6，[7]2012.

[5]陳超祥，葉修梓.SolidWorks高級教程簡編[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

Design of Ceramic Tile Sorting Equipment XIU1Guo-ji，WANG2Yu-hua

（1.FAW-Volkswagen，F(xiàn)oshan Branch，Production，F(xiàn)oshan 528200，China;
2.Department of Mechatronics Engineering，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan 528000，China.)

As large amounts of ceramic tiles being required and development of current tile sorting equipments being out-dated,the usage of tile sorting machines was dramatically under the industry demand,in which resulting the production to be in an increasing dilemma.Besides, due to the advanced techniques including high hardness of ceramic,smooth surface roughness and large size of systems,ceramic sorting machines were strictly required to operate in high stability and reliability.This thesis generally introduced one type of automatic ceramic tile sorting equipment which was used to replace actual operation of ceramic-sorting by human that leading to low-efficiency and improved the safety of operation.Specifically,it consisted of a conveyor,photoelectric sensors,PLC controllers,pneumatic drives and electrical cabinets in the whole system,automatically outputting as programmed.

Tile;Ceramic tile sorting equipment;Production line;Conveyor

修國基，男，1984年生，碩士研究生，一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，主要負責車間電氣和機械設(shè)備管理工作。