瓷磚分揀設備設計研究

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)以自主技術為核心，由輸送機、光電傳感器、PLC控制器、氣動驅動器、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。

關鍵詞：瓷磚；瓷磚分揀設備；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)的設計方案；然后對瓷磚分揀設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的最佳設計方案和重要部件的最佳結構及尺寸，也驗證了設計的合理性和可行性。

2 瓷磚分揀設備的工作原理與總體設計

瓷磚分揀設備是陶瓷機械領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)線瓷磚分揀設備。該設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 瓷磚分揀設備設計要求

瓷磚分揀設備主要設計參數(shù)如表1所示。

2.2 瓷磚分揀設備的方案設計

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

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，此種方式結構設計復雜，穩(wěn)定性差，難以滿足瓷磚分揀設備連貫性要求。第二種為氣缸提升式，此種方式結構設計簡單，穩(wěn)定性高，故障率低，能夠滿足瓷磚分揀設備的高效性要求。本文設計采用氣缸提升式設計，其結構如圖1所示。

2.2.2夾磚方式的確定

夾磚機構原理方式的確定涉及兩個關鍵的問題：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過程中不會滑落；二是左、右夾磚機構在瓷磚翻轉過程中要保證運動同步。目前，采用的夾磚機構有以下兩種：第一種是轉臂式夾磚機構，該機構使用氣缸進行夾磚，左、右伺服電機通過同步帶實現(xiàn)瓷磚的旋轉，伺服電機和減速機實現(xiàn)夾磚臂翻轉進行放磚。該機構同步精度高，整機設計較緊湊，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。第二種是可翻轉夾爪式機構，該機構使用氣缸和電磁閥達到同步翻轉瓷磚，可翻轉夾爪機構在導軌上來回滑動進行放磚。該機構同步精度高，動作協(xié)調(diào)，維護成本低，對不同規(guī)格的瓷磚適用性強，但整機結構較大。通過對以上兩種方案優(yōu)缺點分析，再結合設計要求，本設計夾磚機構采用可翻轉夾爪式機構。

2.2.3護磚方式的確定

夾磚機構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]。在夾磚機構放磚前，由護磚機構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，該方式護磚機構使用一個氣缸，結構簡單，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。第二種護磚機構是雙氣缸兩側護磚機構，該機構使用兩個氣缸同時護磚，有效地解決了第一種護磚機構的弊端，但其結構較第一種方式復雜。綜合考慮兩種護磚方式的優(yōu)缺點，本設計采用雙氣缸兩側護磚機構。

2.3 瓷磚分揀設備的工作原理

瓷磚分揀設備的工作過程就是通過對中提升機構頂起輸送帶上的瓷磚，夾磚機構夾取瓷磚，在導軌上滑動并翻轉瓷磚，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、夾磚機構、護磚機構和磚架進給機構。本設計依靠佛山陶瓷機械的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，結合設計需要，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 瓷磚分揀設備的總體設計

本文確定了瓷磚分揀設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、可翻轉夾爪式夾磚機構、雙氣缸兩側護磚機構和磚架進給機構。

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

瓷磚分揀設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、接近開關和行程開關。

3 瓷磚分揀設備主要結構設計與參數(shù)確定

3.1 瓷磚分揀設備對中提升機構的設計

對中提升機構主要由對中組件、滑座、導柱、導柱套、支座、導向套、氣缸組成，結構簡單，工作可靠。本機構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，方便夾磚機構夾取瓷磚。

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。作為直線運動驅動器的氣缸，因結構簡單。種類繁多，可滿足各種不同需求而得到了廣泛的應用。直線氣缸一般可按以下程序選用：

1） 按要求的最大驅動力選缸徑

D≥

式中：D ——氣缸缸徑，（mm）；

F——最大驅動力，（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 瓷磚分揀設備線架的設計

線架的設計主要是對傳動方式的選型設計， 同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設有等間距齒的封閉環(huán)形膠帶和具有相應齒的帶輪所組成。轉動時，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，結構緊湊；

（4） 維護保養(yǎng)方便，運轉費用低；

（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，所以在瓷磚分揀設備的線架和框架上都應用了同步帶，它們的功能分別是輸送瓷磚磚和帶動夾磚機構。線架結構如圖4所示。

4 瓷磚分揀設備的設計研究

4.1 瓷磚分揀設備的設計思路及方法

對于產(chǎn)品的建模來說，很多建模技術的硏究首先都是從零件建模開始的，然后再對建模技術進行融合和拓寬，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。

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、掃描、切除、放樣、抽殼、陣列、鏡像等操作完成零件建模，設定零件材料、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系和約束關系設計相關的零件，零件設計方法一樣采用特征建模。這兩種方式如圖6所示。

4.2 瓷磚分揀設備對中提升機構的設計建模

4.2.1對中提升機構三維設計

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、氣缸墊板等結構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、結構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。對中提升機構的裝配圖如圖9所示。

4.3 主要機構三維模型及總裝圖

主要部件三維模型如圖10所示。

瓷磚分揀設備總裝圖如圖11所示。

5 結語

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

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

（2） 提出了氣缸提升式對中提升機構原理方式、可翻轉夾爪式夾磚機構原理方式及雙氣缸兩側護磚機構原理方式，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備整機結構設計，共有線架、對中提升機構、左右夾磚機構、框架、磚架進給機構、護磚機構、電柜及電控箱等七個部分。

（4） 建立瓷磚分揀設備整機三維實體模型，并進行了整機的虛擬裝配。

參考文獻

[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.

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[3] 李俊清.瓷磚自動包裝線裹包系統(tǒng)的設計與開發(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.