乔逸飞，王 力，焦立炜，周徐孝，朱皓辉，牛子铭

(南京理工大学紫金学院 机械工程学院，江苏 南京 210023)

0 引言

铺设瓷砖是室内外装修过程中一项重要工作，当前铺砖工艺主要还是以人工为主,工序多,费时费力，对工人技术水平要求较高,而且人工铺砖存在空鼓率高、水平定位不准、垂直平整度误差大、刷浆慢等诸多问题[1]，严重影响了铺砖效率和质量。基于以上问题，设计一种能够替代人工的铺砖设备具有一定的研究意义和工程应用价值。

目前，针对铺砖设备有诸多学者做了设计研究。许玉彬等提出了“地面自动铺砖机”设计方案，包括固定轨道、活动轨道、撒灰机构、铺砖机构及压实机构[2]。2010年荷兰发明“老虎石”铺路机，利用砖块自身重力将砖块码放在一起，工作时需要人工将砖块装进装料槽，但“老虎石”体积巨大，且铺设砖块种类单一。程明等提出一种“智能铺砖机”，利用传感器进行三维定位，再用机械臂进行铺砖作业[3]。在室内铺砖机方面，花勇等设计了一种分体式自动铺砖机的控制系统，实现了精确、高效、连续化的铺砖作业[4]。虽然市面上出现了人工铺砖的辅助设备[5]，但只能实现瓷砖的放置，铺砖设备仍存在自动化程度低、功能分散、铺砖效率低等问题。因此，本文在已有设备的基础上提出一种集水泥铺设、储砖、运砖和压实等功能于一体的多功能铺砖机设计方案，为铺砖设备提供一种新的设计思路。

1 铺砖机总体方案及工作原理

铺砖机总体方案采用“前铺、后储、中放砖”的设计思想，整机结构如图1所示。水泥输送装置7用于储存及铺设水泥，储砖装置2用于存储砖块，瓷砖输送装置6用于向地面放置砖块。“前铺”即水泥输送装置7，使用时将水泥由进料口8注入箱体内，随后由箱体内部的输送装置将水泥铺设至地面。输送装置参考螺杆物料输送系统设计思路，实现水泥的输送，由电机作为动力源，皮带轮传输动力，可较为精准地将水泥输送到地面，同时可通过改变螺杆的技术参数控制水泥输出量。水泥输出口后方安装有刮板10，由滑槽和螺栓进行固定，可通过调节刮板高低以满足不同水泥铺设厚度的需求。“后储”即储砖装置2，采用抽屉式设计思想，为随时补充砖块提供了便利，同时砖块的承载平面使用重载滑轨保证结构强度。“中放砖”即瓷砖输送装置6，采用吸盘抓取砖块，四个吸盘分别置于四角，保证砖块的稳定性和平衡性。同时，瓷砖输送装置水平方向移动由同步带4驱动，在减轻重量的同时提高了瓷砖输送装置移动精度，竖直方向移动采用伸缩套筒5，并由电动推杆驱动，保证了精度，相比其他驱动方式更安全。

1-车架；2-储砖装置；3-同步带轮；4-同步带；5-伸缩套筒；6-瓷砖输送装置；7-水泥输送装置；8-进料口；9-前轮；10-可调节刮板；11-蓄电池；12-主动轮

工作时，位于车体前部的水泥输送装置开始工作，将水泥输送至地面，并用刮板刮平，随后瓷砖输送装置从储砖装置吸取砖块并从车身中部放置至地面，并压实砖块，从而完成一次作业。整机采用电力驱动，蓄电池11安装在储砖装置下方，可从车侧边或后方进行更换。

2 关键零部件设计

2.1 水泥输送装置

水泥输送装置外部设有注入口、电动机和支撑架，如图2所示。水泥由注入口进入箱体内，电动机作为动力源带动螺杆完成水泥输送。箱体上盖为卡口式设计，便于内部维护。水泥输送装置内部由两部分组成，即上部的传动仓和下部的水泥仓，如图3所示。两部分通过隔板隔开，一定程度上防止了传动部分被水泥污染的可能。箱体内有等间距排列的螺杆，螺杆由皮带传输动力,三维模型如图4所示。此装置通过一套螺杆机构完成水泥的输送，能够较好地控制输送量，同时在一定程度上防止了水泥的凝结，在输送至地面后由刮板刮平，有利于下一步瓷砖的放置。

1-支撑架;2-箱体;3-水泥注入口;4-盖板;5-上盖;6-电动机;7-皮带轮;8-减速器

图2 水泥输送装置外观

1-螺杆;2-左带轮;3-主动带轮;4-主动轴;5-从动杆;6-右带轮;7-隔板

图3 水泥输送装置内部

图4 水泥输送装置三维模型

2.2 瓷砖输送装置

瓷砖的铺设由吸盘式瓷砖输送装置完成，采用气泵搭配吸盘的形式，在吸取砖块时使其受力更加均匀、稳定，如图5所示。该装置的移动分为两部分，水平方向为同步带机构，竖直方向则使用伸缩套筒机构，运行更加平稳、可靠；伸缩臂采用电推杆驱动，可控性较高、更安全。在限位开关和传感器的辅助下，一定程度上保证了瓷砖铺设的精度。

2.3 储砖装置

在铺砖过程中需及时补充瓷砖，所以在设备后部设计了储砖装置，如图6所示。储砖装置运用抽屉式结构，两侧均设计有铰接拉杆和滑轨，便于加装砖块，三维模型如图7所示。同时底板可以在滑轨内水平滑动，拉杆与助力杆支撑负载，通过固定件限制底板的位置，防止滑动过界。进行瓷砖补充作业时，将瓷砖置于底板上，放置完毕后将储砖装置回推到位，以便于瓷砖输送装置吸取瓷砖。

3 方案验证

3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[6]。根据3D打印技术采用的工艺和原材料的情况，目前常见的打印技术有SLS、SLA、LOM、FDM等[7];可以使用的打印耗材有尼龙粉末、金属粉末、PLA、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF等。利用3D打印完成的整机模型效果图如图8所示，打印各项参数如表1所示。

1-导气管;2-吸盘;3-吸盘板;4-伸缩臂;5-同步带轮;6-电动机;7-同步带;8-固定架;9-云台;10-滑轨

图5 瓷砖输送装置

1-连接件;2-拉杆;3-助力杆;4-滚轮;5-底板;6-限位件;7-滑轨

图6 储砖装置

图7 储砖装置三维模型 图8 整机3D打印效果

表1 整机3D打印各项参数

使用3D打印技术完成整机缩小版模型，经组装后整机结构稳定，验证了整机结构合理及设计方案可行。

4 结语

针对当前铺砖工艺存在自动化程度低、功能分散、铺砖效率低等问题，提出一种集水泥铺设、储砖、运砖和压实等功能于一体的多功能铺砖机设计方案，通过SolidWorks软件完成了整机的零件建模及装配，从理论上实现了铺砖工艺所需的基本功能(水泥铺设、砖块的放置和存储等)，实现了铺砖机的多功能设计目的。同时利用3D打印技术完成整机的理论样机制作，验证了方案的可行性，为类似铺砖设备的设计提供了一个可行的方案和参考，为铺砖机的多功能设计指明了一个方向。