修國(guó)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(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,佛山 528000)
機(jī)械與設(shè)備
瓷磚分揀設(shè)備設(shè)計(jì)研究
修國(guó)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(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,佛山 528000)
目前,陶瓷自動(dòng)分揀的研究和開發(fā)還比較落后,瓷磚的機(jī)械化分揀使用率較低,但隨著我國(guó)陶瓷墻地磚產(chǎn)量的高速增長(zhǎng),陶瓷自動(dòng)分揀設(shè)備已遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上陶瓷產(chǎn)量增長(zhǎng)的需求。另外,由于瓷磚具有脆硬、表面光滑、尺寸大等特點(diǎn),因此,對(duì)陶瓷自動(dòng)分揀系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)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(guó)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(jī)、光電傳感器、PLC控制器、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、電控柜協(xié)同工作,光機(jī)電氣一體化,多機(jī)聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)瓷磚生產(chǎn)的全自動(dòng)分揀。
瓷磚;瓷磚分揀設(shè)備;生產(chǎn)線;輸送機(jī)
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(guó)號(hào)稱世界加工生產(chǎn)的大本營(yíng),是建材生產(chǎn)與消費(fèi)的第一大國(guó)。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(jìn)程的加快,國(guó)內(nèi)對(duì)建筑陶瓷的需求量還會(huì)進(jìn)一步增加。基于我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,未來幾年我國(guó)瓷磚市場(chǎng)將繼續(xù)保持穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì),這將直接拉動(dòng)對(duì)建筑陶瓷機(jī)械的需求。另外,隨著招工的困難和人工成本的上升,自動(dòng)化生產(chǎn)成為陶瓷企業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì),因此對(duì)機(jī)械裝備的需求愈來愈大[1]。
本文首先對(duì)瓷磚分揀設(shè)備的原理方式及工作特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比及分析,提出了分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;然后對(duì)瓷磚分揀設(shè)備進(jìn)行了三維實(shí)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(duì)模型的分析確定了機(jī)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)方案和重要部件的最佳結(jié)構(gòu)及尺寸,也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。
瓷磚分揀設(shè)備是陶瓷機(jī)械領(lǐng)域面向陶瓷墻地磚分揀的自動(dòng)化機(jī)械。在國(guó)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(dòng)分級(jí)、揀磚、碼垛等工序[2]。整個(gè)系統(tǒng)釆用PLC控制及觸摸屏人機(jī)界面,實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)工序的運(yùn)行動(dòng)作。
本文介紹一種針對(duì)國(guó)內(nèi)瓷磚生產(chǎn)企業(yè)實(shí)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(jī)械和電控兩部分組成,可現(xiàn)實(shí)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(dòng)化無人分揀工作。
2.1 瓷磚分揀設(shè)備設(shè)計(jì)要求
瓷磚分揀設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 瓷磚分揀設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)
2.2 瓷磚分揀設(shè)備的方案設(shè)計(jì)
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(gè)模塊的原理非常重要[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,可以初步確定瓷磚分揀設(shè)備在分揀時(shí)需完成對(duì)中提升、夾磚、翻轉(zhuǎn)、堆放瓷磚幾個(gè)工序。主要的原理方式有如下幾種:對(duì)中提升機(jī)構(gòu)原理方式、夾磚機(jī)構(gòu)原理方式、護(hù)磚機(jī)構(gòu)原理方式等。
2.2.1 對(duì)中提升方式的確定
對(duì)中提升瓷磚之前,瓷磚是運(yùn)動(dòng)在瓷磚輸送帶上的。故對(duì)中提升機(jī)構(gòu)需完成兩個(gè)動(dòng)作,分別為瓷磚的對(duì)中夾取和提升。常用方式有:第一種為機(jī)械式夾取提升,此種方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)簡(jiǎn)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(jì)采用氣缸提升式設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2.2 夾磚方式的確定
夾磚機(jī)構(gòu)原理方式的確定涉及兩個(gè)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(huì)滑落;二是左、右夾磚機(jī)構(gòu)在瓷磚翻轉(zhuǎn)過程中要保證運(yùn)動(dòng)同步。目前,采用的夾磚機(jī)構(gòu)有以下兩種:第一種是轉(zhuǎn)臂式夾磚機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)使用氣缸進(jìn)行夾磚,左、右伺服電機(jī)通過同步帶實(shí)現(xiàn)瓷磚的旋轉(zhuǎn),伺服電機(jī)和減速機(jī)實(shí)現(xiàn)夾磚臂翻轉(zhuǎn)進(jìn)行放磚。該機(jī)構(gòu)同步精度高,整機(jī)設(shè)計(jì)較緊湊,但減速機(jī)在使用過程中易磨損,維護(hù)成本高,對(duì)不同規(guī)格的瓷磚適用性不強(qiáng)。第二種是可翻轉(zhuǎn)夾爪式機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)使用氣缸和電磁閥達(dá)到同步翻轉(zhuǎn)瓷磚,可翻轉(zhuǎn)夾爪機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上來回滑動(dòng)進(jìn)行放磚。該機(jī)構(gòu)同步精度高,動(dòng)作協(xié)調(diào),維護(hù)成本低,對(duì)不同規(guī)格的瓷磚適用性強(qiáng),但整機(jī)結(jié)構(gòu)較大。通過對(duì)以上兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析,再結(jié)合設(shè)計(jì)要求,本設(shè)計(jì)夾磚機(jī)構(gòu)采用可翻轉(zhuǎn)夾爪式機(jī)構(gòu)。

圖1 對(duì)中提升機(jī)構(gòu)示意圖
2.2.3 護(hù)磚方式的確定
夾磚機(jī)構(gòu)夾磚后在導(dǎo)軌上滑動(dòng),為了避免出現(xiàn)刮花瓷磚的現(xiàn)象,夾磚機(jī)構(gòu)在將磚放在磚架上時(shí),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(jī)構(gòu)放磚前,由護(hù)磚機(jī)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(hù)磚機(jī)構(gòu),該方式護(hù)磚機(jī)構(gòu)使用一個(gè)氣缸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,但護(hù)磚效果差,可能造成瓷磚在磚架上堆放傾斜。第二種護(hù)磚機(jī)構(gòu)是雙氣缸兩側(cè)護(hù)磚機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)使用兩個(gè)氣缸同時(shí)護(hù)磚,有效地解決了第一種護(hù)磚機(jī)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(hù)磚方式的優(yōu)缺點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用雙氣缸兩側(cè)護(hù)磚機(jī)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(duì)中提升機(jī)構(gòu)頂起輸送帶上的瓷磚,夾磚機(jī)構(gòu)夾取瓷磚,在導(dǎo)軌上滑動(dòng)并翻轉(zhuǎn)瓷磚,令到瓷磚變成立起狀態(tài),將瓷磚送達(dá)至磚架上,再由護(hù)磚機(jī)構(gòu)將其與磚架上的瓷磚貼合在一起。
該系統(tǒng)主要由機(jī)械和電控兩部分組成。包括輸送帶、對(duì)中提升機(jī)構(gòu)、夾磚機(jī)構(gòu)、護(hù)磚機(jī)構(gòu)和磚架進(jìn)給機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)依靠佛山陶瓷機(jī)械的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),結(jié)合設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)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(jì)
本文確定了瓷磚分揀設(shè)備各個(gè)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(duì)中提升、可翻轉(zhuǎn)夾爪式夾磚機(jī)構(gòu)、雙氣缸兩側(cè)護(hù)磚機(jī)構(gòu)和磚架進(jìn)給機(jī)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(duì)中提升機(jī)構(gòu)、左右夾磚機(jī)構(gòu)、框架、磚架進(jìn)給機(jī)構(gòu)、護(hù)磚機(jī)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(dòng)力部分采用異步交流電機(jī)加蝸輪蝸桿減速器和氣壓傳動(dòng),異步交流電機(jī)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(dòng)具有干凈清潔、動(dòng)作迅速、維護(hù)方便、成本低廉等特點(diǎn)。瓷磚輸送系統(tǒng)采用同歩帶傳輸,傳動(dòng)精確,帶較為柔軟對(duì)瓷磚有緩沖保護(hù)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)。
3.1 瓷磚分揀設(shè)備對(duì)中提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
對(duì)中提升機(jī)構(gòu)主要由對(duì)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(jiǎn)單,工作可靠。本機(jī)構(gòu)對(duì)中部分采用雙軸氣缸,提升部分采用普通標(biāo)準(zhǔn)氣缸加導(dǎo)桿的做法,避免了長(zhǎng)時(shí)間使用,造成氣缸受力偏易卡死的缺點(diǎn)。兩邊的對(duì)中氣缸是通過同一闊門控制的,保證動(dòng)作同步性。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到有瓷磚到來時(shí),同時(shí)拉動(dòng)支架,完成瓷的對(duì)中。然后普通標(biāo)準(zhǔn)氣缸提升對(duì)中提升機(jī)構(gòu),方便夾磚機(jī)構(gòu)夾取瓷磚。
與電傳動(dòng)相比,氣壓傳動(dòng)沒有過載損壞的風(fēng)險(xiǎn),還具有緩沖功能,但運(yùn)動(dòng)速度受到氣壓變化的影響,行程精度低。作為直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的氣缸,因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)力選缸徑

式中:D——?dú)飧赘讖剑?mm);
F——最大驅(qū)動(dòng)力,(N);
P——?dú)鈮海?MPa),不計(jì)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)行程。
通過公式計(jì)算選取:對(duì)中氣缸型號(hào)為:TN-20×50;提升氣缸型號(hào)為:ESDA-50×110。
3.2 瓷磚分揀設(shè)備線架的設(shè)計(jì)
線架的設(shè)計(jì)主要是對(duì)傳動(dòng)方式的選型設(shè)計(jì),同步帶傳動(dòng)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(dòng)時(shí),帶的凸齒與帶輪齒槽相嚙合,來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。與其他傳動(dòng)相比,同步帶傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)工作時(shí)無滑動(dòng),有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比;
(2)傳動(dòng)效率高,節(jié)能效果好;
(3)傳動(dòng)比范圍大,結(jié)構(gòu)緊湊;
(4)維護(hù)保養(yǎng)方便,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)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(diǎn),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(dòng)夾磚機(jī)構(gòu)。線架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 線架結(jié)構(gòu)圖
4.1 瓷磚分揀設(shè)備的設(shè)計(jì)思路及方法
對(duì)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(duì)建模技術(shù)進(jìn)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(shí)體建模和參數(shù)化建模。其中,實(shí)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(shí)體造型的一個(gè)新的發(fā)展,它能很好地表達(dá)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(shí)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(jìn)行組織、定位的一個(gè)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(jìn)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(duì)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(jī)整機(jī)布局設(shè)計(jì)好,然后根據(jù)布局尺寸以及兩個(gè)或多個(gè)零件間的尺寸關(guān)系和約束關(guān)系設(shè)計(jì)相關(guān)的零件,零件設(shè)計(jì)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(jì)方法
4.2 瓷磚分揀設(shè)備對(duì)中提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)建模
4.2.1 對(duì)中提升機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)
對(duì)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(duì)中氣缸TN-20×50、提升氣缸ESDA-50×90等標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配,并補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)件的三維建模
零件的具體建模過程就不詳細(xì)敘述了,設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)件三維建模

表2 對(duì)中提升機(jī)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(xì)敘述。
4.2.2 對(duì)中提升機(jī)構(gòu)的虛擬裝配
首先在建模軟件中建立一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)配合就可以了,如果裝配體中兩個(gè)零件或子裝配體有對(duì)稱、寬度及線性耦合要求是才會(huì)用到,高級(jí)配合,另外絲杠副、凸輪副、齒輪副等也會(huì)用到機(jī)械配合。對(duì)中提升機(jī)構(gòu)的裝配圖如圖9所示。

圖9 對(duì)中提升機(jī)構(gòu)裝配圖
4.3 主要機(jī)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。
本文針對(duì)陶瓷的機(jī)械化分揀需求以及國(guó)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(jì)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(jì)方案,采用先進(jìn)三維CAD設(shè)計(jì)技術(shù),為瓷磚分揀設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一套高效、可行、低成本的設(shè)計(jì)方法。
(2)提出了氣缸提升式對(duì)中提升機(jī)構(gòu)原理方式、可翻轉(zhuǎn)夾爪式夾磚機(jī)構(gòu)原理方式及雙氣缸兩側(cè)護(hù)磚機(jī)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(diǎn)。
(3)獨(dú)立完成了瓷磚分揀設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),共有線架、對(duì)中提升機(jī)構(gòu)、左右夾磚機(jī)構(gòu)、框架、磚架進(jìn)給機(jī)構(gòu)、護(hù)磚機(jī)構(gòu)、電柜及電控箱等七個(gè)部分。
(4)建立瓷磚分揀設(shè)備整機(jī)三維實(shí)體模型,并進(jìn)行了整機(jī)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(guó)陶瓷機(jī)械的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[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(dòng)化揀磚系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)陶瓷,2011,47(4)41-42.
[3]李俊清.瓷磚自動(dòng)包裝線裹包系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].廣東:廣東工業(yè)大學(xué),2012.
[4]葉大繁,林銘章.一種高效接力式揀磚方法及揀磚機(jī)[P].中國(guó)專利:201210105937.6,[7]2012.
[5]陳超祥,葉修梓.SolidWorks高級(jí)教程簡(jiǎn)編[M].北京:機(jī)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(guó)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(fù)責(zé)車間電氣和機(jī)械設(shè)備管理工作。