修國基　王宇華

摘 要：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。

關(guān)鍵詞：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。基于我國經(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。

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(fù)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(dǎo)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)。

2.2.3護磚方式的確定

夾磚機構(gòu)夾磚后在導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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)。

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。

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(dǎo)柱、導(dǎo)柱套、支座、導(dǎo)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(dǎo)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

D≥

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袣飧仔吞枮椋篢N-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。

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。

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。

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(dǎo)柱及導(dǎo)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(dǎo)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

建立的三維模型如圖8所示。

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(dǎo)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。

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。

參考文獻

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[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.