一種多功能鋪磚機設計研究

喬逸飛，王 力，焦立煒，周徐孝，朱皓輝，牛子銘

(南京理工大學紫金學院 機械工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

鋪設瓷磚是室內外裝修過程中一項重要工作，當前鋪磚工藝主要還是以人工為主,工序多,費時費力，對工人技術水平要求較高,而且人工鋪磚存在空鼓率高、水平定位不準、垂直平整度誤差大、刷漿慢等諸多問題[1]，嚴重影響了鋪磚效率和質量。基于以上問題，設計一種能夠替代人工的鋪磚設備具有一定的研究意義和工程應用價值。

目前，針對鋪磚設備有諸多學者做了設計研究。許玉彬等提出了“地面自動鋪磚機”設計方案，包括固定軌道、活動軌道、撒灰機構、鋪磚機構及壓實機構[2]。2010年荷蘭發明“老虎石”鋪路機，利用磚塊自身重力將磚塊碼放在一起，工作時需要人工將磚塊裝進裝料槽，但“老虎石”體積巨大，且鋪設磚塊種類單一。程明等提出一種“智能鋪磚機”，利用傳感器進行三維定位，再用機械臂進行鋪磚作業[3]。在室內鋪磚機方面，花勇等設計了一種分體式自動鋪磚機的控制系統，實現了精確、高效、連續化的鋪磚作業[4]。雖然市面上出現了人工鋪磚的輔助設備[5]，但只能實現瓷磚的放置，鋪磚設備仍存在自動化程度低、功能分散、鋪磚效率低等問題。因此，本文在已有設備的基礎上提出一種集水泥鋪設、儲磚、運磚和壓實等功能于一體的多功能鋪磚機設計方案，為鋪磚設備提供一種新的設計思路。

1 鋪磚機總體方案及工作原理

鋪磚機總體方案采用“前鋪、后儲、中放磚”的設計思想，整機結構如圖1所示。水泥輸送裝置7用于儲存及鋪設水泥，儲磚裝置2用于存儲磚塊，瓷磚輸送裝置6用于向地面放置磚塊。“前鋪”即水泥輸送裝置7，使用時將水泥由進料口8注入箱體內，隨后由箱體內部的輸送裝置將水泥鋪設至地面。輸送裝置參考螺桿物料輸送系統設計思路，實現水泥的輸送，由電機作為動力源，皮帶輪傳輸動力，可較為精準地將水泥輸送到地面，同時可通過改變螺桿的技術參數控制水泥輸出量。水泥輸出口后方安裝有刮板10，由滑槽和螺栓進行固定，可通過調節刮板高低以滿足不同水泥鋪設厚度的需求。“后儲”即儲磚裝置2，采用抽屜式設計思想，為隨時補充磚塊提供了便利，同時磚塊的承載平面使用重載滑軌保證結構強度。“中放磚”即瓷磚輸送裝置6，采用吸盤抓取磚塊，四個吸盤分別置于四角，保證磚塊的穩定性和平衡性。同時，瓷磚輸送裝置水平方向移動由同步帶4驅動，在減輕重量的同時提高了瓷磚輸送裝置移動精度，豎直方向移動采用伸縮套筒5，并由電動推桿驅動，保證了精度，相比其他驅動方式更安全。

1-車架；2-儲磚裝置；3-同步帶輪；4-同步帶；5-伸縮套筒；6-瓷磚輸送裝置；7-水泥輸送裝置；8-進料口；9-前輪；10-可調節刮板；11-蓄電池；12-主動輪

工作時，位于車體前部的水泥輸送裝置開始工作，將水泥輸送至地面，并用刮板刮平，隨后瓷磚輸送裝置從儲磚裝置吸取磚塊并從車身中部放置至地面，并壓實磚塊，從而完成一次作業。整機采用電力驅動，蓄電池11安裝在儲磚裝置下方，可從車側邊或后方進行更換。

2 關鍵零部件設計

2.1 水泥輸送裝置

水泥輸送裝置外部設有注入口、電動機和支撐架，如圖2所示。水泥由注入口進入箱體內，電動機作為動力源帶動螺桿完成水泥輸送。箱體上蓋為卡口式設計，便于內部維護。水泥輸送裝置內部由兩部分組成，即上部的傳動倉和下部的水泥倉，如圖3所示。兩部分通過隔板隔開，一定程度上防止了傳動部分被水泥污染的可能。箱體內有等間距排列的螺桿，螺桿由皮帶傳輸動力,三維模型如圖4所示。此裝置通過一套螺桿機構完成水泥的輸送，能夠較好地控制輸送量，同時在一定程度上防止了水泥的凝結，在輸送至地面后由刮板刮平，有利于下一步瓷磚的放置。

1-支撐架;2-箱體;3-水泥注入口;4-蓋板;5-上蓋;6-電動機;7-皮帶輪;8-減速器

圖2 水泥輸送裝置外觀

1-螺桿;2-左帶輪;3-主動帶輪;4-主動軸;5-從動桿;6-右帶輪;7-隔板

圖3 水泥輸送裝置內部

圖4 水泥輸送裝置三維模型

2.2 瓷磚輸送裝置

瓷磚的鋪設由吸盤式瓷磚輸送裝置完成，采用氣泵搭配吸盤的形式，在吸取磚塊時使其受力更加均勻、穩定，如圖5所示。該裝置的移動分為兩部分，水平方向為同步帶機構，豎直方向則使用伸縮套筒機構，運行更加平穩、可靠；伸縮臂采用電推桿驅動，可控性較高、更安全。在限位開關和傳感器的輔助下，一定程度上保證了瓷磚鋪設的精度。

2.3 儲磚裝置

在鋪磚過程中需及時補充瓷磚，所以在設備后部設計了儲磚裝置，如圖6所示。儲磚裝置運用抽屜式結構，兩側均設計有鉸接拉桿和滑軌，便于加裝磚塊，三維模型如圖7所示。同時底板可以在滑軌內水平滑動，拉桿與助力桿支撐負載，通過固定件限制底板的位置，防止滑動過界。進行瓷磚補充作業時，將瓷磚置于底板上，放置完畢后將儲磚裝置回推到位，以便于瓷磚輸送裝置吸取瓷磚。

3 方案驗證

3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[6]。根據3D打印技術采用的工藝和原材料的情況，目前常見的打印技術有SLS、SLA、LOM、FDM等[7];可以使用的打印耗材有尼龍粉末、金屬粉末、PLA、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF等。利用3D打印完成的整機模型效果圖如圖8所示，打印各項參數如表1所示。

1-導氣管;2-吸盤;3-吸盤板;4-伸縮臂;5-同步帶輪;6-電動機;7-同步帶;8-固定架;9-云臺;10-滑軌

圖5 瓷磚輸送裝置

1-連接件;2-拉桿;3-助力桿;4-滾輪;5-底板;6-限位件;7-滑軌

圖6 儲磚裝置

圖7 儲磚裝置三維模型 圖8 整機3D打印效果

表1 整機3D打印各項參數

使用3D打印技術完成整機縮小版模型，經組裝后整機結構穩定，驗證了整機結構合理及設計方案可行。

4 結語

針對當前鋪磚工藝存在自動化程度低、功能分散、鋪磚效率低等問題，提出一種集水泥鋪設、儲磚、運磚和壓實等功能于一體的多功能鋪磚機設計方案，通過SolidWorks軟件完成了整機的零件建模及裝配，從理論上實現了鋪磚工藝所需的基本功能(水泥鋪設、磚塊的放置和存儲等)，實現了鋪磚機的多功能設計目的。同時利用3D打印技術完成整機的理論樣機制作，驗證了方案的可行性，為類似鋪磚設備的設計提供了一個可行的方案和參考，為鋪磚機的多功能設計指明了一個方向。