多軌道馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)設(shè)計(jì)方案的缺陷分析及改進(jìn)措施*

官 峰，羅啟榮

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528000；2.廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州 510165）

0 引言

馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)（后文簡(jiǎn)稱鋪貼機(jī)）的研究開(kāi)發(fā)一直是建陶機(jī)械關(guān)注的議題。以“馬賽克”為關(guān)鍵詞在中國(guó)專利網(wǎng)上可檢索數(shù)十條專利信息，最早的記錄始于1991年。最近幾年呈現(xiàn)密集性報(bào)道，如文獻(xiàn)[1]～[12]都是近幾年的研究開(kāi)發(fā)成果。從現(xiàn)有專利和學(xué)術(shù)論文所報(bào)道的內(nèi)容來(lái)看，目前鋪貼機(jī)的主體設(shè)計(jì)大體可以分為兩類：一是基于機(jī)械手加吸盤抓取顆粒的，二是基于送料裝置加多軌道落料的。例如，文獻(xiàn)[1]、[8]、[10]報(bào)道的屬于第一類，文獻(xiàn)[2]、[3]、[4]、[6]、[7]報(bào)道的屬于第二類，而文獻(xiàn)[5]、[9]則屬于二者混合型。

第一類鋪貼機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，加之機(jī)器人或機(jī)械手的高成本，在國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)成功應(yīng)用的報(bào)道。第二類鋪機(jī)在自控部分的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，多利用螺旋送料盤送料及軌道或者滑道落料，成本較低；基于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性大。鑒于這樣的考慮，筆者重點(diǎn)關(guān)注了第二類鋪貼機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。通過(guò)分析現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的技術(shù)設(shè)計(jì)，筆者發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)存在一些需要商榷的地方。本文給出相關(guān)的分析和探討。

1 問(wèn)題的提出

文獻(xiàn)[2]、[6]是比較典型的多滑道落料的設(shè)計(jì)。但是筆者發(fā)現(xiàn)這些文獻(xiàn)大多建立在直觀想象的基礎(chǔ)上，缺乏對(duì)落料過(guò)程的分析。例如這些都宣稱采用多滑道以提高鋪貼效率。文獻(xiàn)[6]還給出了三維設(shè)計(jì)模型，如圖1所示。所有文獻(xiàn)均沒(méi)有給出送料口附近的詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明。事實(shí)上，這樣的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。文獻(xiàn)[11]分析了圖2設(shè)計(jì)的不足。這里進(jìn)一步分析其他幾種情況。

在螺旋送料裝置的出口銜接一個(gè)一分多的滑道，可簡(jiǎn)化為圖2所示的幾種情況模型。圖2中，平口布局(a)是指落料滑道中軌道的上部邊緣分布在一條線段上呈平口，倒V布局(b)是落料滑道中軌道的上部邊緣沿中心線對(duì)稱分布在兩條斜線段上呈現(xiàn)倒寫(xiě)V字型，凸弧布局(c)是落料滑道中軌道的上部邊緣沿分布在一個(gè)開(kāi)口向下的圓弧上。

圖2 多軌道可能的布局示意圖

需要指出的是，鑒于馬賽克顆粒從進(jìn)料口落入多滑道后呈隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大致服從布朗運(yùn)動(dòng)規(guī)律，藉以重力和摩擦力的作用，其他情況的多滑道設(shè)計(jì)如V形布局或凹弧布局很難有顆粒落入兩側(cè)的軌道。因此，圖2的幾種布局是合理的可選布局。以下說(shuō)明，即便是這樣，圖2的布局也是無(wú)法使得每個(gè)軌道都能夠等概率地落入馬賽克顆粒。

先取圖2(a)分析。根據(jù)文獻(xiàn)[2]、[6]的設(shè)想，顆粒從送料口落入滑道后，在重力的作用下沿滑道下滑，隨機(jī)進(jìn)入其中一個(gè)軌道后繼續(xù)下滑。事實(shí)上，根據(jù)能量原理，在僅有重力作功的條件下，顆粒會(huì)沿著重力方向滑落。考慮到滑道十分光滑，其摩擦力忽略不計(jì)，可以推斷，大量的顆粒會(huì)集中在中心線附近軌道而少有顆粒移動(dòng)向靠近兩側(cè)的軌道。因此，該設(shè)計(jì)方案不可取。

再取圖2(b)分析。此種結(jié)構(gòu)似有對(duì)圖2(a)的改進(jìn)。姑且不考慮倒V底部的位置（太高或者太低都會(huì)影響落料），理論上可以作這樣的設(shè)想，當(dāng)顆粒滑落到中心線兩側(cè)的軌道附近時(shí)，或者落進(jìn)軌道繼續(xù)滑行，或者與軌道邊緣發(fā)生碰撞彈出后繼續(xù)下落到別的軌道。此種設(shè)想對(duì)于單個(gè)顆粒滑落時(shí)，或許能夠成立。當(dāng)多個(gè)顆粒連續(xù)不斷從送料口下落時(shí)，“軌道邊緣發(fā)生碰撞彈出后繼續(xù)下落”的幾率陡然下降。從而，多個(gè)顆粒聚集在中心線附近軌道的現(xiàn)象仍然無(wú)法避免。同樣，該設(shè)計(jì)方案不可取。

圖2(c)的結(jié)構(gòu)與圖2(b)的結(jié)構(gòu)基本一樣，這里不贅述。這里再指出圖2(a)、2(b)、2(c)三種情況的通病：它們都沒(méi)有考慮到顆粒在滑落過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)。假如正方形馬賽克顆粒的邊長(zhǎng)為s，那么它的對(duì)角線長(zhǎng)度為 2s。此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)直接的技術(shù)問(wèn)題：軌道的寬度取多大合適？取2s+δ的話，顆粒在軌道中會(huì)出現(xiàn)多種姿態(tài)的滑落。圖3給出了其中兩種極限狀態(tài)：邊平行于軌道邊以及邊與軌道呈45°角。顯而易見(jiàn)，只有平行下落的情況才可能保證顆粒在后續(xù)移動(dòng)中能落入胎膜上指定的格子。其他情況均屬臆想。

圖3 顆粒下落的兩種極限情況

2 系統(tǒng)改進(jìn)

鑒于前小節(jié)分析多軌道馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)存在的問(wèn)題，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院王興波教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了研究改進(jìn)工作。采用單軌道＋2軸CNC運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的鋪貼方法可解決前述軌道方面的諸問(wèn)題。其原理圖如圖4所示。

圖4 單軌道＋2軸CNC數(shù)控平臺(tái)

系統(tǒng)的工作原理是這樣的。螺旋送料盤將顆粒送入軌道，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)識(shí)別出顆粒的顏色后，按照實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的鋪貼圖案控制2軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將對(duì)應(yīng)格子移動(dòng)到軌道出口，控制器放行入選顆粒后，顆粒沿軌道滑行到格子位置。經(jīng)其他后置處理實(shí)現(xiàn)鋪貼。系統(tǒng)的更多技術(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，這里不贅述。值得說(shuō)明的是，2017年4月，課題組經(jīng)過(guò)艱苦努力成功制作一臺(tái)自動(dòng)鋪貼樣機(jī)，如圖5。

3 結(jié)論與展望

馬賽克自動(dòng)鋪貼設(shè)備是一個(gè)融合光機(jī)電一體化的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，既有應(yīng)用價(jià)值又有學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。筆者有幸參與了相關(guān)的研究，收益非淺。本文分析和研究的問(wèn)題，都是在課題組專家教授的指導(dǎo)下取得的，筆者深表謝意。同時(shí)需要指出，本文所介紹的僅僅是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)到技術(shù)問(wèn)題及其解決方案的一小部分，還有諸多問(wèn)題如圖像識(shí)別、計(jì)數(shù)控制等，都是需要進(jìn)一步完善的。筆者希望拋磚引玉，得到更多好的結(jié)果。