自動鋪瓷磚機的設計

□ 呂海霆 □ 弓 宸 □ 陳超峰 □ 董淑婧

大連科技學院 機械工程學院 遼寧大連 116052

1 設計背景

為解決建筑行業瓷磚鋪設過程中操作人員體力消耗大、鋪設精度不高且效率低下等問題[1]，筆者設計了自動鋪瓷磚機,并對結構進行優化整合,以達到高質、高效鋪設瓷磚的目的。

2 結構

筆者設計的自動鋪瓷磚機由六個系統組成。

(1) 安置系統。將瓷磚鋪實,使瓷磚與水泥緊密接合,并使鋪設的瓷磚無空鼓現象。

(2) 移動系統。將瓷磚移動至指定位置,要求定位精度盡可能高。

(3) 平衡系統。連接底盤系統和移動系統,使移動系統始終與鋪設平面平行。

(4) 底盤系統。作為機械臂的安裝主體與瓷磚的存放空間,同時完成瓷磚大小的測量。

(5) 自動化控制系統。輸入程序,實現瓷磚的自動化鋪設。

(6) 獨立于車體之外的測量裝置。用于對房間內鋪設的瓷磚進行測量。

自動鋪瓷磚機結構如圖1所示。

3 工作原理

瓷磚鋪設過程中,最重要的問題是如何確定瓷磚的位置,并且保證相鄰瓷磚的位置關系[2]。要使機械臂確認瓷磚的位置和方向,需要在房間空間中建立坐標系。

自動鋪瓷磚機通過各種傳感器,對整個房間進行坐標系定義,進而通過算法,確定出所需要鋪設的瓷磚相對于作為執行機構的機械臂的位置[3]。

自動鋪瓷磚機通過一個獨立于車體之外的測量裝置,對房間進行平面定義,并且確定瓷磚鋪設的最終平面高度,以及瓷磚本身的水平方向。

對于多邊形瓷磚,將某一條邊線作為水平方向,在鋪設的最終位置,使該邊線始終與測量裝置定義的方向平行。通過安置在機械臂中心的測距裝置,測量機械臂與相鄰兩墻壁的距離,即可獲取機械臂中心位置相對于房間墻角的位置。通過底盤上的兩對擋板,可以得到瓷磚各個邊的長度。

對于正多邊形瓷磚,僅需要獲取一組特征尺寸，即可得到其外形。

通過以上方法,得到對房間建立坐標系的全部條件,再通過一些簡單計算,即可得到全部瓷磚的相對位置。得到瓷磚的尺寸特征后,便可以確定瓷磚最終緊密接合的狀態,即相對位置關系。通過瓷磚各個中點所定義的平面、高度及水平方向,可以定義瓷磚所處于的二維平面。通過位于車上的測距裝置,可以確定整個平面的二維坐標原點[4]。

獨立于車外的測量裝置所建立的平面確保了瓷磚在X軸、Y軸方向的旋轉自由度,所確定的最終高度限制了瓷磚Z軸方向的移動,所確定的平面方向限制了瓷磚Z軸方向的旋轉。測量裝置所測量的距離數據與算法所建立的瓷磚接合狀態,確定了每塊瓷磚X軸、Y軸方向的移動限制,至此,每塊瓷磚的六個自由度均被完全確定。同時,測量裝置可以獲取機械臂中心的位置,這樣機械臂的位置也被確定[5]。在機械臂和瓷磚位置全部被確定的情況下,根據機械臂的逆運動學原理,便可以獲得機械臂將瓷磚從初始位置運送到所定義各位置的運動方式。為防止機械臂與墻壁產生碰撞,需要確定機械臂的工作區域，即僅對由墻角與測距裝置所形成的平面內被定義的瓷磚進行鋪設,如圖2所示。

圖2中，a為瓷磚的長度，b為瓷磚的寬度，l為機械臂與墻面在Y軸方向的距離，s為機械臂與墻面在X軸方向的距離。圓弧所覆蓋的中心點為通過控制系統判定,移動系統可以確定移動到的位置。每塊瓷磚鋪設完成后,控制系統會對瓷磚位置進行記錄,避免發生二次鋪設。

測量裝置及底盤系統測量所得的數據,通過控制系統進行相應計算、處理后，成為驅動移動系統移動的坐標數據。移動系統接收到此數據后,開始執行移動作業。當移動作業執行完成后,安置系統啟動,完成最終的壓實工作[6]。

4 安置系統

安置系統主要完成瓷磚吸附、放置、壓緊、鋪實的任務。在實際鋪瓷磚過程中,通常是通過橡膠錘錘擊的方式,使鋪設的瓷磚無空鼓現象。

安置系統的結構如圖3所示。安置系統的核心是一對偏心齒輪機構,電動機驅動其中的一個偏心齒輪軸,可以使系統內的下推板持續進行上下往復運動,從而可以對殼底的四個橡膠錘施加持續的敲擊。橡膠錘的運動距離為1 mm,這樣可以精確控制瓷磚鋪設最終的平整程度[7]。

當安置系統緩慢向下推進時,橡膠錘會與瓷磚緊密接觸。此時快速運動的下推板向下錘擊橡膠錘,所產生的沖擊力傳導至瓷磚表面,從而產生一種近似于用橡膠錘均勻敲打瓷磚的效果,以達到瓷磚與鋪設平面吸附緊密、無空鼓的要求。

5 平衡系統

瓷磚鋪設現場的環境一般較為復雜,常見的鋪設表面往往不是水平的,因此機械臂僅具備四個自由度,無法完成瓷磚平整鋪設的任務。

基于以上分析,需要使機械臂處在一個始終與同一平面平行的平面中進行作業[8-9]。平衡系統的功能便是使機械臂所在的平面始終保持與測量裝置確定的平面平行。

平衡系統的結構如圖4所示,由平臺、一組萬向節、兩個電動推桿、一個彈簧頂桿構成。電動推桿與彈簧頂桿所在的三個點不共線,因此可形成一個可被計算和控制的平面。只要使此平面與測量裝置所確定的平面平行,便可以使移動系統的第一關節垂直于房間內的平面。

6 底盤系統

底盤系統主要分為車體和控制箱兩部分。車體主要用于承載瓷磚。車體中間部分為儲磚空間,采用可變形的擋板結構,可使儲磚空間適應各種尺寸的瓷磚,擴大使用范圍。底盤系統同時還可以測量所存放瓷磚的尺寸大小。

底盤系統外觀如圖5所示。

擋板結構采用連桿與槽銷連接,通過槽銷在槽中的運動帶動與連桿相連的左右擋板運動。左右擋板橫向移動,能放大和縮小儲磚空間。前后擋板移動采用齒輪齒條傳動，能使前后擋板運動速度一致。瓷磚始終被前后擋板定位在中心部分,以便機械臂進行取磚操作[10]。

在車體的底部有四個輪子,靠近推手的部分是兩個萬向輪,可以使車體靈活移動。車體前端部分有兩個較大的承重輪,可以保證車體的穩定性,為機械臂提供穩定的工作環境。

車體的前端為控制箱,控制箱中的自動化控制系統主要用于機械臂控制與傳感器信息處理。

基于處理后的傳感器信息,自動鋪瓷磚機可以判斷自身在房間中所處的位置,機械臂在程序控制下進行鋪磚操作。

7 結束語

筆者設計的自動鋪瓷磚機由安置系統、移動系統、平衡系統共同構成主要執行機構。底盤系統作為主要承載設備，兼具測量裝置的作用,與獨立測量裝置、車上測距裝置共同組成測量系統。

自動鋪瓷磚機的工作模式為，測量系統測量,得到高度、尺寸、距離等信息,發送至控制系統,經由程序計算,輸出驅動信號,傳遞至各電動機,以此完成精確鋪瓷磚。

自動鋪瓷磚機的設計，解決了操作人員體力消耗大、工作效率不高的問題，值得推廣。