瓷砖分拣设备设计研究
修国基 王宇华
摘 要：目前，陶瓷自动分拣的研究和开发还比较落后，瓷砖的机械化分拣使用率较低，但随着我国陶瓷墙地砖产量的高速增长，陶瓷自动分拣设备已远远跟不上陶瓷产量增长的需求。另外，由于瓷砖具有脆硬、表面光滑、尺寸大等特点，因此，对陶瓷自动分拣系统长期运行的稳定性和可靠性也提出了非常高的要求。本文介绍一种瓷砖分拣设备以替代人工分拣作业，解决了国内现有瓷砖生产线拣砖工序由人工完成、生产效率低下、存在安全隐患等问题。系统以自主技术为核心，由输送机、光电传感器、PLC控制器、气动驱动器、电控柜协同工作，光机电气一体化，多机联动，实现瓷砖生产的全自动分拣。
关键词：瓷砖；瓷砖分拣设备；生产线；输送机
1 引言
瓷砖是建材行业中重要产品之一，是现代建筑装修中不可或缺的材料。中国号称世界加工生产的大本营，是建材生产与消费的第一大国。随着居住条件的改善、人民生活水平的提高、新农村建设和城镇化进程的加快，国内对建筑陶瓷的需求量还会进一步增加。基于我国经济持续快速发展，未来几年我国瓷砖市场将继续保持稳步增长趋势，这将直接拉动对建筑陶瓷机械的需求。另外，随着招工的困难和人工成本的上升，自动化生产成为陶瓷企业的发展态势，因此对机械装备的需求愈来愈大[1]。
本文首先对瓷砖分拣设备的原理方式及工作特点进行了对比及分析，提出了分拣系统的设计方案；然后对瓷砖分拣设备进行了三维实体建模和虚拟装配，并建立了系统的仿真分析模型。通过对模型的分析确定了机构的最佳设计方案和重要部件的最佳结构及尺寸，也验证了设计的合理性和可行性。
2 瓷砖分拣设备的工作原理与总体设计
瓷砖分拣设备是陶瓷机械领域面向陶瓷墙地砖分拣的自动化机械。在国内是近几年才开发出来的产品。该设备线能完成陶瓷墙地砖的自动分级、拣砖、码垛等工序[2]。整个系统釆用PLC控制及触摸屏人机界面，实时监控每个工序的运行动作。
本文介绍一种针对国内瓷砖生产企业实际状况，自主研发的瓷砖生产线瓷砖分拣设备。该设备由机械和电控两部分组成，可现实600 mm×600 mm、800 mm×800 mm、1000 mm×1000 mm规格的抛光砖、仿古砖及窑炉砖坯的自动化无人分拣工作。
2.1 瓷砖分拣设备设计要求
瓷砖分拣设备主要设计参数如表1所示。
2.2 瓷砖分拣设备的方案设计
首先，原理方式的选择决定了瓷砖分拣设备的效率、稳定性及成本，故合理选择瓷砖分拣设备各个模块的原理非常重要[3]。根据设计要求，可以初步确定瓷砖分拣设备在分拣时需完成对中提升、夹砖、翻转、堆放瓷砖几个工序。主要的原理方式有如下几种：对中提升机构原理方式、夹砖机构原理方式、护砖机构原理方式等。
2.2.1对中提升方式的确定
对中提升瓷砖之前，瓷砖是运动在瓷砖输送带上的。故对中提升机构需完成两个动作，分别为瓷砖的对中夹取和提升。常用方式有：第一种为机械式夹取提升，此种方式结构设计复杂，稳定性差，难以满足瓷砖分拣设备连贯性要求。第二种为气缸提升式，此种方式结构设计简单，稳定性高，故障率低，能够满足瓷砖分拣设备的高效性要求。本文设计采用气缸提升式设计，其结构如图1所示。
2.2.2夹砖方式的确定
夹砖机构原理方式的确定涉及两个关键的问题：一是瓷砖属于扁平易碎件，如何能够夹紧瓷砖保证其在翻转过程中不会滑落；二是左、右夹砖机构在瓷砖翻转过程中要保证运动同步。目前，采用的夹砖机构有以下两种：第一种是转臂式夹砖机构，该机构使用气缸进行夹砖，左、右伺服电机通过同步带实现瓷砖的旋转，伺服电机和减速机实现夹砖臂翻转进行放砖。该机构同步精度高，整机设计较紧凑，但减速机在使用过程中易磨损，维护成本高，对不同规格的瓷砖适用性不强。第二种是可翻转夹爪式机构，该机构使用气缸和电磁阀达到同步翻转瓷砖，可翻转夹爪机构在导轨上来回滑动进行放砖。该机构同步精度高，动作协调，维护成本低，对不同规格的瓷砖适用性强，但整机结构较大。通过对以上两种方案优缺点分析，再结合设计要求，本设计夹砖机构采用可翻转夹爪式机构。
2.2.3护砖方式的确定
夹砖机构夹砖后在导轨上滑动，为了避免出现刮花瓷砖的现象，夹砖机构在将砖放在砖架上时，夹取的瓷砖要与砖架上的瓷砖留出一定的间隙[4]。在夹砖机构放砖前，由护砖机构将瓷砖与砖架上的瓷砖贴合在一起。常见方式有：第一种是单气缸中位护砖机构，该方式护砖机构使用一个气缸，结构简单，制造成本低，但护砖效果差，可能造成瓷砖在砖架上堆放倾斜。第二种护砖机构是双气缸两侧护砖机构，该机构使用两个气缸同时护砖，有效地解决了第一种护砖机构的弊端，但其结构较第一种方式复杂。综合考虑两种护砖方式的优缺点，本设计采用双气缸两侧护砖机构。
2.3 瓷砖分拣设备的工作原理
瓷砖分拣设备的工作过程就是通过对中提升机构顶起输送带上的瓷砖，夹砖机构夹取瓷砖，在导轨上滑动并翻转瓷砖，令到瓷砖变成立起状态，将瓷砖送达至砖架上，再由护砖机构将其与砖架上的瓷砖贴合在一起。
该系统主要由机械和电控两部分组成。包括输送带、对中提升机构、夹砖机构、护砖机构和砖架进给机构。本设计依靠佛山陶瓷机械的产业优势，结合设计需要，创造了高效、稳定的拣砖生产线，解决了抛光砖、仿古砖成品及窑炉砖坯繁重的人工拣砖问题，大大降低了人员的劳动强度和提高了生产效率。
2.4 瓷砖分拣设备的总体设计
本文确定了瓷砖分拣设备各个子模块的工作原理方式后，接下来需要综合起来考虑，并根据所选择的原理方式确定瓷砖分拣设备的整体工作流程，保证整体工作最优，具体工作流程如图2所示。由图2可知，其分为气缸提升式对中提升、可翻转夹爪式夹砖机构、双气缸两侧护砖机构和砖架进给机构。
然后再根据瓷砖分拣设备整体工作流程确定其总体结构分为：线架、对中提升机构、左右夹砖机构、框架、砖架进给机构、护砖机构、电柜及电控箱。瓷砖分拣设备总体结构如图3所示。
瓷砖分拣设备动力部分采用异步交流电机加蜗轮蜗杆减速器和气压传动，异步交流电机成木低廉，完全满足要求；蜗轮蜗杆减速器体积小，减速比大；气压传动具有干净清洁、动作迅速、维护方便、成本低廉等特点。瓷砖输送系统采用同歩带传输，传动精确，带较为柔软对瓷砖有缓冲保护作用并且与瓷砖附着摩擦力大，不易打滑。传感器件则采用光电传感器、接近开关和行程开关。
3 瓷砖分拣设备主要结构设计与参数确定
3.1 瓷砖分拣设备对中提升机构的设计
对中提升机构主要由对中组件、滑座、导柱、导柱套、支座、导向套、气缸组成，结构简单，工作可靠。本机构对中部分采用双轴气缸，提升部分采用普通标准气缸加导杆的做法，避免了长时间使用，造成气缸受力偏易卡死的缺点。两边的对中气缸是通过同一阔门控制的，保证动作同步性。当光电传感器检测到有瓷砖到来时，同时拉动支架，完成瓷的对中。然后普通标准气缸提升对中提升机构，方便夹砖机构夹取瓷砖。
与电传动相比，气压传动没有过载损坏的风险，还具有缓冲功能，但运动速度受到气压变化的影响，行程精度低。作为直线运动驱动器的气缸，因结构简单。种类繁多，可满足各种不同需求而得到了广泛的应用。直线气缸一般可按以下程序选用：
1） 按要求的最大驱动力选缸径
D≥
式中：D ——气缸缸径，（mm）；
F——最大驱动力，（N）；
P——气压，（MPa），不计损耗；
n——安全系数，气缸水平使用n=0.7；
垂直使用n=0.5。
2） 按要求的最大位移确定气缸行程
根据被驱动零部件要求的最大位移，按大于或等于的原则，上靠到就近的标准行程。
通过公式计算选取：对中气缸型号为：TN-20×50；提升气缸型号为：ESDA-50×110。
3.2 瓷砖分拣设备线架的设计
线架的设计主要是对传动方式的选型设计， 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和具有相应齿的带轮所组成。转动时，带的凸齿与带轮齿槽相啮合，来传递运动和动力。与其他传动相比，同步带传动具有如下优点：
（1） 工作时无滑动，有准确的传动比；
（2） 传动效率高，节能效果好；
（3） 传动比范围大，结构紧凑；
（4） 维护保养方便，运转费用低；
（5）恶劣环境条件下能正常工作。
由于同步带具有以上特点，所以在瓷砖分拣设备的线架和框架上都应用了同步带，它们的功能分别是输送瓷砖砖和带动夹砖机构。线架结构如图4所示。
4 瓷砖分拣设备的设计研究
4.1 瓷砖分拣设备的设计思路及方法
对于产品的建模来说，很多建模技术的硏究首先都是从零件建模开始的，然后再对建模技术进行融合和拓宽，得到装配体建模的方法[5]。
三维建模方式有很多，常用的有：线框建模、表面建模、实体建模和参数化建模。其中，实体建模是目前应用最多的建模方式，也是本文采用的建模方式。而基于特征造型是实体造型的一个新的发展，它能很好地表达产品的完整功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。
使用基于特征的零件实体建模过程如图5所示。
装配是指通过零件进行组织、定位的一个过程。SolidWorks装配体建模有两种方式：一种是自下而上（Bottom-up）的方式，即先通过特征工具进行拉伸、旋转、扫描、切除、放样、抽壳、阵列、镜像等操作完成零件建模，设定零件材料、密度、弹性模量等物理属性。然后通过零件之间的同心、重合、平行、距离、对称等装配约束将零件组装成装配体；另一种是自上而下（Top-down）的方式，在装配体环境下的建模，先将样机整机布局设计好，然后根据布局尺寸以及两个或多个零件间的尺寸关系和约束关系设计相关的零件，零件设计方法一样采用特征建模。这两种方式如图6所示。
4.2 瓷砖分拣设备对中提升机构的设计建模
4.2.1对中提升机构三维设计
对中提升部分建模方式为采取自下而上由零件到装配体的建模方式，首先，建立对中气缸TN-20×50、提升气缸ESDA-50×90等标准件的三维模型；然后，建立支架、夹轮固定板、滑座、导柱及导柱套等重要工作件三维模型；接着，建立对中气缸安装板、气缸限位块、垫板、夹轮、限位支板、限位电眼支架等次要工作件三维模型；最后，再建立支座安装板、导向套安装板、气缸垫板等结构固定件和连接件三维模型；最后对零件进行虚拟装配，并补充装配连接件三维模型。零件建模顺序清单如表2所示。
1） 主要工作标准件的三维建模
零件的具体建模过程就不详细叙述了，设计好的三维模型如图7所示。
2） 主要工作件的三维建模
建立的三维模型如图8所示。
次要工作件、结构固定件及连接件的建模与主要工作件的建模方式是一样的，就不在此详细叙述。
4.2.2对中提升机构的虚拟装配
首先在建模软件中建立一个装配体文件，然后导入零件便可以开始虚拟装配了。一般情况下使用装配菜单里的标准配合就可以了，如果装配体中两个零件或子装配体有对称、宽度及线性耦合要求是才会用到，高级配合，另外丝杠副、凸轮副、齿轮副等也会用到机械配合。对中提升机构的装配图如图9所示。
4.3 主要机构三维模型及总装图
主要部件三维模型如图10所示。
瓷砖分拣设备总装图如图11所示。
5 结语
本文针对陶瓷的机械化分拣需求以及国产设备效率和稳定性方面存在的问题，开展了瓷砖分拣设备的设计开发研究，主要工作成果如下：
（1） 提出了瓷砖分拣设备设计方案，采用先进三维CAD设计技术，为瓷砖分拣设备的设计提供一套高效、可行、低成本的设计方法。
（2） 提出了气缸提升式对中提升机构原理方式、可翻转夹爪式夹砖机构原理方式及双气缸两侧护砖机构原理方式，有效地解决了瓷砖分拣停顿、效率低下的缺点。
（3） 独立完成了瓷砖分拣设备整机结构设计，共有线架、对中提升机构、左右夹砖机构、框架、砖架进给机构、护砖机构、电柜及电控箱等七个部分。
（4） 建立瓷砖分拣设备整机三维实体模型，并进行了整机的虚拟装配。
参考文献
[1] 张帕清.中国陶瓷机械的现状和发展趋势[J].佛山陶瓷，2006，（11）：40-44.
[2] 孙宜华，姜元春.陶瓷墙地砖生产线自动化拣砖系统的研制[J].中国陶瓷，2011，47（4）41-42.
[3] 李俊清.瓷砖自动包装线裹包系统的设计与开发[D].广东：广东工业大学，2012.
[4] 叶大繁，林铭章.一种高效接力式拣砖方法及拣砖机[P].中国专利：201210105937.6，[7]2012.
[5] 陈超祥，叶修梓.SolidWorks高级教程简编[M].北京：机械工业出版社，2011.
