淺析工業(yè)自動化在建筑行業(yè)精細(xì)化建造的運用

景亞明 樊偉 楊林場 張祥銳 林得平 張浪

中建七局安裝工程有限公司，中國·河南 鄭州 450000

精細(xì)化建造；自動化設(shè)備；萊洛三角形；86 型底盒；步進電機；銑刀；伺服電機

1 引言

伴隨著工業(yè)自動化的進步，設(shè)備朝著廉價化、平民化的方向發(fā)展。建筑二次結(jié)構(gòu)也從磚砌朝著輕質(zhì)隔墻方向發(fā)展，建設(shè)單位從以往的松散管理到現(xiàn)在的精細(xì)化管理也對精細(xì)化建造提出了較高的要求。在二次結(jié)構(gòu)上預(yù)埋86 底盒的精細(xì)化施工是本作討論的主題。

2 傳統(tǒng)施工工藝缺陷

傳統(tǒng)的施工方法為：在二次砌體上劃線→使用切割設(shè)備切割→剃槽→線管敷設(shè)/底盒安裝→底盒、線管固定→墻面恢復(fù)→墻面抹灰→墻面裝飾→面板安裝。

傳統(tǒng)施工工藝上步驟較多，施工相對復(fù)雜，出現(xiàn)問題概率主要出現(xiàn)在二次砌體上劃線、使用切割設(shè)備切割、剃槽這幾個步驟。最終會影響墻面面板安裝，尤其是成排面板底盒開孔很難保證尺寸完全吻合，在底盒固定和墻面恢復(fù)過程中難免造成高度不一致、歪斜、間距過大/過小等質(zhì)量通病。而且輕質(zhì)隔墻的脆性較大，很容易在剔鑿過程中產(chǎn)生整塊剝落的情形。雖然面板具有一定的調(diào)節(jié)能力，但是一旦超出調(diào)整范圍，最終形成的結(jié)果必然是成排面板安裝高度不一致、歪斜、過大的間距造成面板間縫隙難以處理、過小的間距造成面板不能安裝。修復(fù)費用較高、工期較長、效果較差[1]。

3 萊洛三角形

勒洛三角形（英語：Reuleaux triangle），也譯作萊洛三角形或弧三角形，又被稱為劃粉形[1]或曲邊三角形，是除了圓形以外，最簡單易懂的勒洛多邊形，一個定寬曲線。將一個曲線圖放在兩條平行線中間，使之與這兩平行線相切，則可以做到：無論這個曲線圖如何運動，只要它還是在這兩條平行線內(nèi)，就始終與這兩條平行線相切。這個定義由十九世紀(jì)的德國工程師Franz Reuleaux 命名。運用萊洛三角形幾何中心不穩(wěn)定的特性，在特定的運行軌跡下，萊洛三角形的邊可以在一個帶倒角的正方形內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

利用萊洛三角形的這個特性，可以制造一種銑刀，材質(zhì)優(yōu)先選擇耐磨性較高的材質(zhì)，如5CR15MOV，可以熱處理到HRC59，可滿足絕大多數(shù)混凝土、輕質(zhì)隔墻、空心磚、小紅磚的切削要求。更高的硬度可滿足在墻面銑孔中偶發(fā)遇到鋼筋時的情況，通過物理及機械特性銑出符合要求的底盒尺寸[2]，如圖1所示。

圖1 萊洛三角形

4 步進電機

控制器只要對電機驅(qū)動器發(fā)出脈沖就可以控制電機，脈沖頻率決定電機的運轉(zhuǎn)速度，脈沖個數(shù)決定步進電機軸轉(zhuǎn)動的角度。市面上比較常見的是0.9°的步進電機，步進電機旋轉(zhuǎn)一圈需發(fā)送400 個脈沖信號（360/0.9=400）。使用含減速器的步進電機不僅可以更加將電機轉(zhuǎn)過角度進行細(xì)分，同時也增加步進電機的輸出扭矩。如配合1：72 減速箱，在增大扭矩的同時，將輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)量細(xì)分為28800（400?72=28800）個脈沖。

將步進電機與不同牙距的螺桿配合，可以精確控制滑塊模組位移尺度。市面上常見的螺桿牙距為2mm～20mm 規(guī)格。如使用上述電機配合牙距5mm 的螺桿，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一圈，螺桿上的滑塊移動5mm?？梢岳斫鉃?8800 個脈沖對應(yīng)5mm。即便在電氣進度不足，機械設(shè)備有所卡頓的情況下，丟失數(shù)個甚至數(shù)十個脈沖也不會對最終銑孔位置有較大影響。電氣、機械精度完全滿足施工驗收規(guī)范中兩個相鄰插座高差不得大于0.5mm，相鄰位置不小于20mm，如圖2所示。

圖2 步進電機設(shè)備

5 伺服電機

伺服電機的運作機能類似于步進電機。相較于步進電機，伺服電機具有以下特點。

（1）伺服電機啟動速度更快，步進電機啟動時間在150ms～400ms 之間，伺服電機啟動時間絕大多數(shù)小于10ms。

（2）伺服電機的精度取決于編碼器的分辨率比步進電機的精度更大。

（3）伺服電機震動較小，步進電機在低速工作時容易產(chǎn)生低頻振動。

（4）伺服電機的轉(zhuǎn)矩恒定，步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。

（5）伺服電機具有很強的過載能力，而步進電機幾乎沒有。

但是伺服電機通常價格是步進電機的十幾倍到幾十倍，在工業(yè)上較為精密、重復(fù)精度較高的場合下是不錯的選擇，在建筑行業(yè)上使用成本太高，性能溢出嚴(yán)重。在此選擇步進電機依舊是明智的選擇。

施工中底盒安裝的重要參數(shù)有三個：相較于1 米線的高程；水平間距（距特定線寬度）；墻面深度（一般為86 盒高度）。

本系統(tǒng)分為靜止的設(shè)備框架、滑動設(shè)備模組、電氣設(shè)備模組（交流異步電機、步進電機、控制器）、機械設(shè)備模組（聯(lián)軸器、減速箱、絲桿、滑塊固定裝置）。使用40*4 型材搭建整體設(shè)備框架，步進電機、聯(lián)軸器、絲桿、絲桿滑塊分別固定在框架和滑動設(shè)備模組上。為保證設(shè)備運行的平順、直線度及銑刀電機運行引起的反作用力，應(yīng)在滑動模組的兩側(cè)增加光軸、直線軸承、光軸固定塊。并保證兩光軸與絲桿之間的平行度偏差范圍，防止平行度不足引起的移動困難甚至是設(shè)備損壞。銑刀、電機模塊由于屬于移動部件，考慮到電纜會隨之左右移動，應(yīng)在銑刀、電機模塊上增加鉸鏈裝置，使用柔性、超柔性電纜敷設(shè)在鉸鏈裝置內(nèi)，保證滑動模組上銑刀電機的供電穩(wěn)定性。

帶動銑刀的電機應(yīng)可靠耐用，具有較大的功率及扭矩，此處建議使用交流異步電機帶行星齒輪減速器的方式。一方面保證電機的扭矩足夠，另外一方面交流異步電機價格低廉，且堅固耐用。

銑孔位置取決于相較于1 米線的高程，水平度可以用設(shè)備的可調(diào)節(jié)框架，調(diào)節(jié)型地腳螺栓做到粗調(diào)、微調(diào)相結(jié)合，以達(dá)到準(zhǔn)確定位高度的目的。水平間距的控制使用步進電機、螺桿的電氣、物理特性，發(fā)送脈沖的控制方式加以控制。墻面銑孔深度使用大扭矩交流異步電機驅(qū)動，限位開關(guān)在達(dá)到指定深度后停止銑孔并復(fù)位的方式完成節(jié)拍動作。

如果墻面開孔為多排，可以架設(shè)一組Y 軸，垂直向上的步進電機加絲桿組合，控制圖2步進電機設(shè)備的高度，依舊以1米線為基準(zhǔn)，通過Y軸步進電機控制銑刀設(shè)備模組的高程。

本設(shè)備動作相對簡單，節(jié)拍頻率不高，在考慮成本問題的情況下，選擇單片機控制是不錯的選擇。考慮到現(xiàn)場施工環(huán)境較為惡劣，施工用電情況復(fù)雜，推薦更為穩(wěn)妥的控制方式，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），編程相比單片機編程更為簡單，冗余機制嚴(yán)謹(jǐn)，運行更加穩(wěn)定可靠。配合觸摸屏使用，可以用非常直觀的方式在觸摸屏上設(shè)置運行參數(shù)，加速人機機能。

考慮到銑槽過程中反作用力可能會導(dǎo)致整體設(shè)備相向與墻面傾倒，應(yīng)充分考慮整體設(shè)備的穩(wěn)定性，增加穩(wěn)定模組，保證重心不偏移出設(shè)備底部穩(wěn)定放置的投影面。

在銑孔的設(shè)備前可以架設(shè)噴淋設(shè)備，在銑孔的同時使用水泵、噴頭進行水霧噴淋，有效降低施工現(xiàn)場揚塵，有效提高人員塵肺病、職業(yè)病管控。

一般來說成排面板是單排的、高度是一致的，墻面銑孔深度也是固定的，使用一套步進電機加銑刀即可完成成排面板的開孔工作。而且除校正高度外均為自動進行，不僅大量節(jié)約人力資源，還可以有效提高工作效率，降低返工成本的同時加強現(xiàn)場職業(yè)健康保護工作。