自動鋪瓦機的設計分析*

蓋曉慧，邢 進，曹建猛，趙華文，孫寶旭

(1.濱州學院 機電工程學院，山東 濱州 256600； 2.濱州市公路事業發展中心，山東 濱州 256600)

0 引 言

隨著我國人民生活水平與工業化程度的提高，逐漸推動建筑產業的自動化。通過使用小型簡單易操作的機器來降低生產成本，是現階段建筑行業的發展方向之一。經過市場調差，國內沒有類似鋪瓦機的出現，證明該機器具有較大的發展潛力，此外，伴隨著勞動力成本的增加，小型機械產品開始普及。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完成，則能達到節約勞動力和提高工作效率的目的。為了克服現有技術的不足，筆者設計一款自動鋪瓦機，該機器通過將繁重復雜的人工鋪瓦轉變為遙控器操縱機器完成，實現鋪瓦作業自動機械化，達到降低成本與節約資源的目的。

1 整體結構及設計理念

機器的整體尺寸根據實際需要設計，在考慮鋪瓦機在屋頂的平穩運動以及瓦片的有序排列，構思并設計自動鋪瓦機的整體結構，以確保鋪瓦過程不同工序由1臺機器連續完成。圖1為自動鋪瓦機的整體結構示意圖。

圖1 自動鋪瓦機結構示意圖1.置瓦機構 2.角度調節機構 3.機架 4.搬運機構 5.排瓦機構

主要有機架、角度調節機構、搬運機構、排瓦機構組成。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，當到達合適位置時，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的鋪瓦盒上端，搬運功能結束。

機械手調整角度將瓦片放至下端鋪瓦盒，實現置瓦功能。鋪瓦盒沿絲桿與光桿組成的導軌移動，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有序排列的目的。通過鋪瓦盒的上升，實現瓦片鋪設的目的。當瓦片全部落下時，鋪瓦盒運動至起始位置，繼續新一輪工作周期。

2 機械結構設計

2.1 角度調節機構

見圖2所示，角度調節機構由U型管，后輪調節架，螺栓組成。U型管與絲桿跟光桿組成的導軌相連接，2，3，4為螺栓孔，通過調節螺栓孔的位置可調節導軌的高度。通過對兩側結構的人工微調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。設計以三角支架為基礎進行調節，從而保證輪子的均勻受力，達到增加機器的穩固性，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 角度調節機構以及U型管細節示意圖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

見圖3所示，瓦片搬運機構主要有機械手，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，從而將瓦片由一側置瓦盒運輸至另一側鋪瓦盒，實現瓦片的單相往復搬運功能。

圖3瓦片搬運機構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

排瓦機構由鋪瓦盒主體，鋪瓦盒擋板，齒輪齒條組成。如圖4所示，齒輪與電機通過聯軸器連接，齒條固定在擋板上，電機帶動齒輪轉動。瓦塊分離機構的工作過程為，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，實現瓦片排列功能。

圖4 排瓦機構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

首先是驅動前的檢查。檢查螺絲是否有松動，電機是否運轉正常，是否存在雜音，將運動機構調至最佳狀態。然后啟動電機檢查傳送帶是否正常運轉，是否與機構其他部分發生摩擦，將傳送帶傳送速度和傳送狀態調至最佳。檢查夾取機構，測試能否正常運轉，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，不發生松動。然后調試傳動絲杠，檢查其是否能正常轉動，是否會出現卡住或傳動失靈等故障，檢查聯軸器是否發生松動，調至絲杠能平穩傳動為最佳。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，檢查線路是否發生松動，以及電瓶電量是否充足。

3.2 功 能

根據屋頂斜度不同，通過對角度調節機構的調節，使此機械在屋頂平穩運行。先打開電源開關，機械手舵機進行復位；通過遙控器控制絲桿轉動，實現機械手的左右移動，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，通過舵機調節角度，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，實現每次推動一塊瓦片，最終實現鋪瓦功能。樣機如圖5所示。

圖5 自動鋪瓦機樣機 圖6 應力分析圖

3.3 有限元分析計算

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)是指利用數學近似的方法對真實物理系統(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。

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

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

圖7 位移分析圖 圖8 應變分析圖

圖8為支撐桿在滿載情況下的應變圖。對支撐桿的應力及應變進行分析，通過對結果的觀察，發現中間位置的應變較大，但是處于許可范圍，符合強度要求。綜上所述，經對應力，位移跟應變三種圖解的觀察，可得出該材料符合疲勞強度要求與彎曲變形設計。

4 結 語

經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，并搭配角度調節機構、搬運機構、排瓦機構組成的設計方案。此機械以機電一體化為基礎，結合傳感器探測定位，將搬瓦、運瓦、排瓦三過程有機結合。通過對瓦片的拿取，放置與有序排列，實現了鋪瓦工作的自動機械化，解決人工鋪瓦效率低，危險系數高的問題；本機械將柴油動力優化為電動力，對環境保護有重要意義，有較大的市場推廣價值。