蓋曉慧，邢 進，曹建猛，趙華文，孫寶旭

(1.濱州學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 濱州 256600； 2.濱州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濱州 256600)

0 引 言

隨著我國人民生活水平與工業(yè)化程度的提高，逐漸推動建筑產(chǎn)業(yè)的自動化。通過使用小型簡單易操作的機器來降低生產(chǎn)成本，是現(xiàn)階段建筑行業(yè)的發(fā)展方向之一。經(jīng)過市場調(diào)差，國內(nèi)沒有類似鋪瓦機的出現(xiàn)，證明該機器具有較大的發(fā)展?jié)摿?，此外，伴隨著勞動力成本的增加，小型機械產(chǎn)品開始普及。通過對鋪瓦過程的研究，該過程主要分為瓦片的拿取、放置與有序排列，若將這些工序由一臺機器連續(xù)完成，則能達到節(jié)約勞動力和提高工作效率的目的。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，筆者設(shè)計一款自動鋪瓦機，該機器通過將繁重復(fù)雜的人工鋪瓦轉(zhuǎn)變?yōu)檫b控器操縱機器完成，實現(xiàn)鋪瓦作業(yè)自動機械化，達到降低成本與節(jié)約資源的目的。

1 整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計理念

機器的整體尺寸根據(jù)實際需要設(shè)計，在考慮鋪瓦機在屋頂?shù)钠椒€(wěn)運動以及瓦片的有序排列，構(gòu)思并設(shè)計自動鋪瓦機的整體結(jié)構(gòu)，以確保鋪瓦過程不同工序由1臺機器連續(xù)完成。圖1為自動鋪瓦機的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 自動鋪瓦機結(jié)構(gòu)示意圖1.置瓦機構(gòu) 2.角度調(diào)節(jié)機構(gòu) 3.機架 4.搬運機構(gòu) 5.排瓦機構(gòu)

主要有機架、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、搬運機構(gòu)、排瓦機構(gòu)組成。首先，由絲桿帶動機械手運動至瓦片堆放，推桿電機帶動機械手張開并下降，當?shù)竭_合適位置時，機械手閉合抓住瓦片并上升。機械手沿支撐桿將瓦片運送到排瓦機構(gòu)的鋪瓦盒上端，搬運功能結(jié)束。

機械手調(diào)整角度將瓦片放至下端鋪瓦盒，實現(xiàn)置瓦功能。鋪瓦盒沿絲桿與光桿組成的導(dǎo)軌移動，先將瓦片運送至屋檐處，鋪瓦盒下端電機與后端電機通過齒輪齒條嚙合分別將下底板抽出并將后擋板升起一定高度，以便隨著鋪瓦盒向屋脊運動，達到每次只落一個瓦片并實現(xiàn)有序排列的目的。通過鋪瓦盒的上升，實現(xiàn)瓦片鋪設(shè)的目的。當瓦片全部落下時，鋪瓦盒運動至起始位置，繼續(xù)新一輪工作周期。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 角度調(diào)節(jié)機構(gòu)

見圖2所示，角度調(diào)節(jié)機構(gòu)由U型管，后輪調(diào)節(jié)架，螺栓組成。U型管與絲桿跟光桿組成的導(dǎo)軌相連接，2，3，4為螺栓孔，通過調(diào)節(jié)螺栓孔的位置可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的高度。通過對兩側(cè)結(jié)構(gòu)的人工微調(diào)使輪子所在連桿與屋面平行，從而使機器可沿著屋面做橫向移動。設(shè)計以三角支架為基礎(chǔ)進行調(diào)節(jié)，從而保證輪子的均勻受力，達到增加機器的穩(wěn)固性，使操作更靈活的目的，以滿足不同斜度屋面的鋪瓦要求。

圖2 角度調(diào)節(jié)機構(gòu)以及U型管細節(jié)示意圖1.U型管 2.螺栓孔1 3.螺栓孔2 4.螺栓孔3

2.2 瓦片搬運機構(gòu)

見圖3所示，瓦片搬運機構(gòu)主要有機械手，滑塊，光滑軌道組成，1、3、4、5、7可沿著2,6組成的導(dǎo)軌橫向移動。機械手5安裝在4滑塊上，在惰性電極7的帶動下，機械手5沿絲桿滑動，從而將瓦片由一側(cè)置瓦盒運輸至另一側(cè)鋪瓦盒，實現(xiàn)瓦片的單相往復(fù)搬運功能。

圖3瓦片搬運機構(gòu)1.支撐桿 2.橫向絲桿 3.支架 4.滑塊 5.機械手 6.橫向光桿 7.惰性電極

2.3 排瓦機構(gòu)

排瓦機構(gòu)由鋪瓦盒主體，鋪瓦盒擋板，齒輪齒條組成。如圖4所示，齒輪與電機通過聯(lián)軸器連接，齒條固定在擋板上，電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動。瓦塊分離機構(gòu)的工作過程為，置瓦盒沿絲桿1光桿2組成的軌道沿屋面移動。電機3帶動齒輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪4齒條7嚙合，將后擋板升起一定的高度。將下底板抽出，以保證每次只下落一塊瓦片。在瓦片下落的同時，鋪瓦盒沿著屋頂向上運動，實現(xiàn)瓦片排列功能。

圖4 排瓦機構(gòu)1.絲桿 2.光桿 3.下底板電機 4.齒輪 5.后擋板 6.置瓦盒下底板 7.齒條 8.滑塊

3 樣機制作與實驗

3.1 硬件測試

首先是驅(qū)動前的檢查。檢查螺絲是否有松動，電機是否運轉(zhuǎn)正常，是否存在雜音，將運動機構(gòu)調(diào)至最佳狀態(tài)。然后啟動電機檢查傳送帶是否正常運轉(zhuǎn)，是否與機構(gòu)其他部分發(fā)生摩擦，將傳送帶傳送速度和傳送狀態(tài)調(diào)至最佳。檢查夾取機構(gòu)，測試能否正常運轉(zhuǎn)，能否正常進行夾取和升降，檢查各個部分固定絲是否有松動，保證每部分都能正常運轉(zhuǎn)，不發(fā)生松動。然后調(diào)試傳動絲杠，檢查其是否能正常轉(zhuǎn)動，是否會出現(xiàn)卡住或傳動失靈等故障，檢查聯(lián)軸器是否發(fā)生松動，調(diào)至絲杠能平穩(wěn)傳動為最佳。最后打開繼電器主板，給予適當信號，檢查繼電器主板能否給予正確反應(yīng)，檢查線路是否發(fā)生松動，以及電瓶電量是否充足。

3.2 功 能

根據(jù)屋頂斜度不同，通過對角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)，使此機械在屋頂平穩(wěn)運行。先打開電源開關(guān)，機械手舵機進行復(fù)位；通過遙控器控制絲桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械手的左右移動，通過推桿帶動機械手的下降；通過遙控器控制機械手夾取瓦片，機械手移動至鋪瓦盒上方，通過舵機調(diào)節(jié)角度，將瓦片放入鋪瓦盒。由電機帶動絲桿將鋪瓦盒沿屋頂下降至屋頂最下端，通過齒輪齒條傳動，將底板抽出，瓦片落在屋頂斜面。通過齒輪齒條傳動，控制推瓦板的高度，實現(xiàn)每次推動一塊瓦片，最終實現(xiàn)鋪瓦功能。樣機如圖5所示。

圖5 自動鋪瓦機樣機 圖6 應(yīng)力分析圖

3.3 有限元分析計算

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬。通過對不同材料下的支撐桿受力分析，確定適宜的工作狀態(tài)。

圖6為支撐桿在滿載情況下的應(yīng)力圖。經(jīng)觀察，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在中間部分，且支撐桿該位置的最大應(yīng)力不超過許可范圍，滿足瓦片搬運的應(yīng)力要求。

圖7為支撐桿在滿載情況下的位移圖。靜態(tài)算例可以幫助避免材料因高應(yīng)力而失效。經(jīng)觀察，支撐桿的靜態(tài)位移在許可范圍內(nèi)，滿足瓦片搬運的靜態(tài)位移要求。

圖7 位移分析圖 圖8 應(yīng)變分析圖

圖8為支撐桿在滿載情況下的應(yīng)變圖。對支撐桿的應(yīng)力及應(yīng)變進行分析，通過對結(jié)果的觀察，發(fā)現(xiàn)中間位置的應(yīng)變較大，但是處于許可范圍，符合強度要求。綜上所述，經(jīng)對應(yīng)力，位移跟應(yīng)變?nèi)N圖解的觀察，可得出該材料符合疲勞強度要求與彎曲變形設(shè)計。

4 結(jié) 語

經(jīng)過多次試驗與實際操作，確定此機械采用STM32F103VET6單片機為控制核心，并搭配角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、搬運機構(gòu)、排瓦機構(gòu)組成的設(shè)計方案。此機械以機電一體化為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器探測定位，將搬瓦、運瓦、排瓦三過程有機結(jié)合。通過對瓦片的拿取，放置與有序排列，實現(xiàn)了鋪瓦工作的自動機械化，解決人工鋪瓦效率低，危險系數(shù)高的問題；本機械將柴油動力優(yōu)化為電動力，對環(huán)境保護有重要意義，有較大的市場推廣價值。