多轨道马赛克自动铺贴机设计方案的缺陷分析及改进措施*

官 峰，罗啟荣

（1.佛山科学技术学院机电工程学院，广东佛山 528000；2.广州数控设备有限公司，广东广州 510165）

0 引言

马赛克自动铺贴机（后文简称铺贴机）的研究开发一直是建陶机械关注的议题。以“马赛克”为关键词在中国专利网上可检索数十条专利信息，最早的记录始于1991年。最近几年呈现密集性报道，如文献[1]～[12]都是近几年的研究开发成果。从现有专利和学术论文所报道的内容来看，目前铺贴机的主体设计大体可以分为两类：一是基于机械手加吸盘抓取颗粒的，二是基于送料装置加多轨道落料的。例如，文献[1]、[8]、[10]报道的属于第一类，文献[2]、[3]、[4]、[6]、[7]报道的属于第二类，而文献[5]、[9]则属于二者混合型。

第一类铺贴机系统设计复杂，加之机器人或机械手的高成本，在国内鲜见成功应用的报道。第二类铺机在自控部分的设计相对简单一些，多利用螺旋送料盘送料及轨道或者滑道落料，成本较低；基于现有技术实现的可能性大。鉴于这样的考虑，笔者重点关注了第二类铺贴机的设计开发。通过分析现有文献报道的技术设计，笔者发现一些设计存在一些需要商榷的地方。本文给出相关的分析和探讨。

1 问题的提出

文献[2]、[6]是比较典型的多滑道落料的设计。但是笔者发现这些文献大多建立在直观想象的基础上，缺乏对落料过程的分析。例如这些都宣称采用多滑道以提高铺贴效率。文献[6]还给出了三维设计模型，如图1所示。所有文献均没有给出送料口附近的详细设计说明。事实上，这样的设计存在问题，无法实现预期功能。文献[11]分析了图2设计的不足。这里进一步分析其他几种情况。

在螺旋送料装置的出口衔接一个一分多的滑道，可简化为图2所示的几种情况模型。图2中，平口布局(a)是指落料滑道中轨道的上部边缘分布在一条线段上呈平口，倒V布局(b)是落料滑道中轨道的上部边缘沿中心线对称分布在两条斜线段上呈现倒写V字型，凸弧布局(c)是落料滑道中轨道的上部边缘沿分布在一个开口向下的圆弧上。

图2 多轨道可能的布局示意图

需要指出的是，鉴于马赛克颗粒从进料口落入多滑道后呈随机运动状态，大致服从布朗运动规律，藉以重力和摩擦力的作用，其他情况的多滑道设计如V形布局或凹弧布局很难有颗粒落入两侧的轨道。因此，图2的几种布局是合理的可选布局。以下说明，即便是这样，图2的布局也是无法使得每个轨道都能够等概率地落入马赛克颗粒。

先取图2(a)分析。根据文献[2]、[6]的设想，颗粒从送料口落入滑道后，在重力的作用下沿滑道下滑，随机进入其中一个轨道后继续下滑。事实上，根据能量原理，在仅有重力作功的条件下，颗粒会沿着重力方向滑落。考虑到滑道十分光滑，其摩擦力忽略不计，可以推断，大量的颗粒会集中在中心线附近轨道而少有颗粒移动向靠近两侧的轨道。因此，该设计方案不可取。

再取图2(b)分析。此种结构似有对图2(a)的改进。姑且不考虑倒V底部的位置（太高或者太低都会影响落料），理论上可以作这样的设想，当颗粒滑落到中心线两侧的轨道附近时，或者落进轨道继续滑行，或者与轨道边缘发生碰撞弹出后继续下落到别的轨道。此种设想对于单个颗粒滑落时，或许能够成立。当多个颗粒连续不断从送料口下落时，“轨道边缘发生碰撞弹出后继续下落”的几率陡然下降。从而，多个颗粒聚集在中心线附近轨道的现象仍然无法避免。同样，该设计方案不可取。

图2(c)的结构与图2(b)的结构基本一样，这里不赘述。这里再指出图2(a)、2(b)、2(c)三种情况的通病：它们都没有考虑到颗粒在滑落过程中的旋转。假如正方形马赛克颗粒的边长为s，那么它的对角线长度为 2s。此时出现一个直接的技术问题：轨道的宽度取多大合适？取2s+δ的话，颗粒在轨道中会出现多种姿态的滑落。图3给出了其中两种极限状态：边平行于轨道边以及边与轨道呈45°角。显而易见，只有平行下落的情况才可能保证颗粒在后续移动中能落入胎膜上指定的格子。其他情况均属臆想。

图3 颗粒下落的两种极限情况

2 系统改进

鉴于前小节分析多轨道马赛克自动铺贴机存在的问题，佛山科学技术学院王兴波教授带领团队开展了研究改进工作。采用单轨道＋2轴CNC运动平台的铺贴方法可解决前述轨道方面的诸问题。其原理图如图4所示。

图4 单轨道＋2轴CNC数控平台

系统的工作原理是这样的。螺旋送料盘将颗粒送入轨道，计算机控制系统识别出颗粒的颜色后，按照实现预设的铺贴图案控制2轴运动平台将对应格子移动到轨道出口，控制器放行入选颗粒后，颗粒沿轨道滑行到格子位置。经其他后置处理实现铺贴。系统的更多技术设计见文献[11]，这里不赘述。值得说明的是，2017年4月，课题组经过艰苦努力成功制作一台自动铺贴样机，如图5。

3 结论与展望

马赛克自动铺贴设备是一个融合光机电一体化的复杂机电系统，既有应用价值又有学术研究价值。笔者有幸参与了相关的研究，收益非浅。本文分析和研究的问题，都是在课题组专家教授的指导下取得的，笔者深表谢意。同时需要指出，本文所介绍的仅仅是项目开发过程中设计到技术问题及其解决方案的一小部分，还有诸多问题如图像识别、计数控制等，都是需要进一步完善的。笔者希望抛砖引玉，得到更多好的结果。