多軌道馬賽克自動鋪貼機設計方案的缺陷分析及改進措施*

官 峰，羅啟榮

（1.佛山科學技術學院機電工程學院，廣東佛山 528000；2.廣州數控設備有限公司，廣東廣州 510165）

0 引言

馬賽克自動鋪貼機（后文簡稱鋪貼機）的研究開發一直是建陶機械關注的議題。以“馬賽克”為關鍵詞在中國專利網上可檢索數十條專利信息，最早的記錄始于1991年。最近幾年呈現密集性報道，如文獻[1]～[12]都是近幾年的研究開發成果。從現有專利和學術論文所報道的內容來看，目前鋪貼機的主體設計大體可以分為兩類：一是基于機械手加吸盤抓取顆粒的，二是基于送料裝置加多軌道落料的。例如，文獻[1]、[8]、[10]報道的屬于第一類，文獻[2]、[3]、[4]、[6]、[7]報道的屬于第二類，而文獻[5]、[9]則屬于二者混合型。

第一類鋪貼機系統設計復雜，加之機器人或機械手的高成本，在國內鮮見成功應用的報道。第二類鋪機在自控部分的設計相對簡單一些，多利用螺旋送料盤送料及軌道或者滑道落料，成本較低；基于現有技術實現的可能性大。鑒于這樣的考慮，筆者重點關注了第二類鋪貼機的設計開發。通過分析現有文獻報道的技術設計，筆者發現一些設計存在一些需要商榷的地方。本文給出相關的分析和探討。

1 問題的提出

文獻[2]、[6]是比較典型的多滑道落料的設計。但是筆者發現這些文獻大多建立在直觀想象的基礎上，缺乏對落料過程的分析。例如這些都宣稱采用多滑道以提高鋪貼效率。文獻[6]還給出了三維設計模型，如圖1所示。所有文獻均沒有給出送料口附近的詳細設計說明。事實上，這樣的設計存在問題，無法實現預期功能。文獻[11]分析了圖2設計的不足。這里進一步分析其他幾種情況。

在螺旋送料裝置的出口銜接一個一分多的滑道，可簡化為圖2所示的幾種情況模型。圖2中，平口布局(a)是指落料滑道中軌道的上部邊緣分布在一條線段上呈平口，倒V布局(b)是落料滑道中軌道的上部邊緣沿中心線對稱分布在兩條斜線段上呈現倒寫V字型，凸弧布局(c)是落料滑道中軌道的上部邊緣沿分布在一個開口向下的圓弧上。

圖2 多軌道可能的布局示意圖

需要指出的是，鑒于馬賽克顆粒從進料口落入多滑道后呈隨機運動狀態，大致服從布朗運動規律，藉以重力和摩擦力的作用，其他情況的多滑道設計如V形布局或凹弧布局很難有顆粒落入兩側的軌道。因此，圖2的幾種布局是合理的可選布局。以下說明，即便是這樣，圖2的布局也是無法使得每個軌道都能夠等概率地落入馬賽克顆粒。

先取圖2(a)分析。根據文獻[2]、[6]的設想，顆粒從送料口落入滑道后，在重力的作用下沿滑道下滑，隨機進入其中一個軌道后繼續下滑。事實上，根據能量原理，在僅有重力作功的條件下，顆粒會沿著重力方向滑落?？紤]到滑道十分光滑，其摩擦力忽略不計，可以推斷，大量的顆粒會集中在中心線附近軌道而少有顆粒移動向靠近兩側的軌道。因此，該設計方案不可取。

再取圖2(b)分析。此種結構似有對圖2(a)的改進。姑且不考慮倒V底部的位置（太高或者太低都會影響落料），理論上可以作這樣的設想，當顆?；涞街行木€兩側的軌道附近時，或者落進軌道繼續滑行，或者與軌道邊緣發生碰撞彈出后繼續下落到別的軌道。此種設想對于單個顆?；鋾r，或許能夠成立。當多個顆粒連續不斷從送料口下落時，“軌道邊緣發生碰撞彈出后繼續下落”的幾率陡然下降。從而，多個顆粒聚集在中心線附近軌道的現象仍然無法避免。同樣，該設計方案不可取。

圖2(c)的結構與圖2(b)的結構基本一樣，這里不贅述。這里再指出圖2(a)、2(b)、2(c)三種情況的通?。核鼈兌紱]有考慮到顆粒在滑落過程中的旋轉。假如正方形馬賽克顆粒的邊長為s，那么它的對角線長度為 2s。此時出現一個直接的技術問題：軌道的寬度取多大合適？取2s+δ的話，顆粒在軌道中會出現多種姿態的滑落。圖3給出了其中兩種極限狀態：邊平行于軌道邊以及邊與軌道呈45°角。顯而易見，只有平行下落的情況才可能保證顆粒在后續移動中能落入胎膜上指定的格子。其他情況均屬臆想。

圖3 顆粒下落的兩種極限情況

2 系統改進

鑒于前小節分析多軌道馬賽克自動鋪貼機存在的問題，佛山科學技術學院王興波教授帶領團隊開展了研究改進工作。采用單軌道＋2軸CNC運動平臺的鋪貼方法可解決前述軌道方面的諸問題。其原理圖如圖4所示。

圖4 單軌道＋2軸CNC數控平臺

系統的工作原理是這樣的。螺旋送料盤將顆粒送入軌道，計算機控制系統識別出顆粒的顏色后，按照實現預設的鋪貼圖案控制2軸運動平臺將對應格子移動到軌道出口，控制器放行入選顆粒后，顆粒沿軌道滑行到格子位置。經其他后置處理實現鋪貼。系統的更多技術設計見文獻[11]，這里不贅述。值得說明的是，2017年4月，課題組經過艱苦努力成功制作一臺自動鋪貼樣機，如圖5。

3 結論與展望

馬賽克自動鋪貼設備是一個融合光機電一體化的復雜機電系統，既有應用價值又有學術研究價值。筆者有幸參與了相關的研究，收益非淺。本文分析和研究的問題，都是在課題組專家教授的指導下取得的，筆者深表謝意。同時需要指出，本文所介紹的僅僅是項目開發過程中設計到技術問題及其解決方案的一小部分，還有諸多問題如圖像識別、計數控制等，都是需要進一步完善的。筆者希望拋磚引玉，得到更多好的結果。