建筑吊頂打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盧宏炎 宋贊贊

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽473009）

在建筑裝修領(lǐng)域中，龍骨吊頂越來越被引起重視。傳統(tǒng)裝修領(lǐng)域吊頂打孔是手持沖擊鉆站在施工架上，靠手臂的力量推進(jìn)打孔。這樣工作效率低，吊孔垂直度低，打孔過程中產(chǎn)生的粉塵對工人身體危害極大，同時(shí)還有容易疲勞，存在安全隱患?，F(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一種打孔機(jī)，把沖擊鉆固定在焊接結(jié)構(gòu)上采用氣缸推進(jìn)打孔，但是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性差、升降采用的是氣缸推動(dòng)，成本過高，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作并且施工工期長。

現(xiàn)場越來越需要一種自動(dòng)化程度高、便捷、高效的打孔機(jī)來輔助完成更好的工作。因此創(chuàng)造出一種高效率、自動(dòng)化程度高、便捷、減少安全隱患的打孔機(jī)械，將會很大程度改變傳統(tǒng)吊頂打孔方式的局面。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

打孔車的結(jié)構(gòu)型式為立式，總體結(jié)構(gòu)見圖 1。電鉆固定在主軸上，升降隨主軸，旋轉(zhuǎn)單獨(dú)完成。主軸升降進(jìn)給和定位由另外電機(jī)控制，這個(gè)電機(jī)不直接承受打孔受力，打孔推力來自于彈簧。通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成升降工作循環(huán)。打孔車底盤裝有萬向輪轂，通過程序控制輸出脈沖的個(gè)數(shù)控制減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)?？刂齐姎庋b置安裝在底盤內(nèi)部。

1.2 多級伸縮桿

手搖式主動(dòng)齒輪與變速齒輪以及齒條嚙合帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，使收縮在內(nèi)部的伸縮桿伸出。當(dāng)搖伸處于所需要的高度后，剎車齒輪會與剎車閥塊閉合，防止打孔過程中伸縮桿下降。伸縮桿的內(nèi)置桿長可以滿足現(xiàn)有所需要的打孔高度。考慮到整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以適應(yīng)不同的工作環(huán)境,兼顧考慮結(jié)構(gòu)的輕便緊湊，選取不同牌號的材料，不同橫截面的幾何形狀，經(jīng)過拉伸強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測試比較，具體見表 1。選定材料牌號為 7A04，橫截面幾何形狀為方管200mm×200mm，如圖2所示，

表1 機(jī)械性能指標(biāo)選取

圖2 多級伸縮桿

1.3 進(jìn)給機(jī)構(gòu)[1-2]

圖3為主軸及進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)圖。主軸可軸向移動(dòng)，它上下裝有滑動(dòng)軸承，軸承裝在軸承座內(nèi)，軸承座固定在機(jī)體上，主軸在滑動(dòng)軸承內(nèi)上下移動(dòng)。整個(gè)主軸（連同固定環(huán)等)被彈簧托住，在彈簧力的作用下始終有上移的趨勢。主軸的軸向限位裝置由殼體、限位螺母、傳動(dòng)絲桿和調(diào)節(jié)控制電機(jī)等零件組成。

圖3 主軸及進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，引起限位螺母上下移動(dòng)（設(shè)定最大行程100 mm），控制固定環(huán)帶動(dòng)主軸上下移動(dòng)。當(dāng)限位螺母向上移動(dòng)時(shí)，主軸在彈簧力作用下始終保持相對穩(wěn)定的力向上，主軸頂端固定有電鉆，主軸向上頂住電鉆工作。在限位塊和固定環(huán)之間設(shè)有接觸開關(guān)和延時(shí)控制繼電器。調(diào)整螺絲，可以推動(dòng)軸承，用以調(diào)整彈簧壓力大小。

2 控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)循跡打孔：通過單片機(jī)中所編寫的程序，控制循跡模塊、步進(jìn)電機(jī)、繼電器、減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡打孔[3]。

循跡模塊的原理：不同的物理表面顏色下紅外線反射的差異特性是紅外線探測法的原理。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。傳感器的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線照射到黑線上被吸收時(shí)，紅外接收管處于關(guān)斷狀態(tài)，紅外線傳感器的指示燈會處于熄滅狀態(tài)，模塊輸出高電平；紅外線照射到白色跑道被反射回時(shí)，紅外接收管接收到信號處于飽和狀態(tài)，此時(shí)傳感器的指示燈會處于點(diǎn)亮狀態(tài)，模塊輸出低電平。從而小車根據(jù)接收到的信號產(chǎn)生的邏輯值自動(dòng)做出相應(yīng)的動(dòng)作，達(dá)到實(shí)現(xiàn)循跡功能的目的，這里所說不同的物理表面顏色就是施工時(shí)在地上鋪設(shè)的黑色打孔軌道路線，然后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡打孔。

如圖4所示，通過控制系統(tǒng)中單片機(jī)寫入的程序，輸出脈沖信號，這時(shí)候驅(qū)動(dòng)器就會接收到脈沖信號進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所要求打孔之間的距離。假如所要求的打孔距離是 500 mm，那么只需要在控制系統(tǒng)電路板面板上輸入所要求的參數(shù)，那么控制系統(tǒng)中單片機(jī)就會輸出相應(yīng)的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)行駛出500 mm的打孔距離，然后停止。這時(shí)候單片機(jī)會輸出一個(gè)脈沖通過繼電器控制上部減速電機(jī)7運(yùn)動(dòng)進(jìn)行打孔，以此類推向下一個(gè)500 mm進(jìn)行打孔。設(shè)備運(yùn)動(dòng)的快慢，通過單片機(jī)寫入的程序控制輸出脈沖的個(gè)數(shù)，控制角位移量輸入到驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的速度和加速度，從而達(dá)到步進(jìn)電機(jī)調(diào)速行駛快慢的目的。自動(dòng)控制程序已編寫完成，在此不一一列出。

圖4 循跡打孔控制系統(tǒng)

3 設(shè)備的調(diào)整和使用

3.1 操作規(guī)程

（1）將設(shè)備運(yùn)行到打孔區(qū)域，首先調(diào)整伸縮桿，初步接近打孔面附近。

（2）為了保證打孔垂直度，底盤四角設(shè)有調(diào)整螺旋，可調(diào)整底盤方位，進(jìn)行修正；

（3）根據(jù)需要的打孔深度，調(diào)試控制升降電機(jī)所達(dá)到的行程；

（4）啟動(dòng)電鉆和升降電機(jī)，主軸上升，開始打孔；

（5）當(dāng)限位塊和固定環(huán)緊密接觸，接觸繼電器控制開始延時(shí)，主軸上升運(yùn)動(dòng)停止轉(zhuǎn)為光刀運(yùn)動(dòng)，光刀時(shí)間一般設(shè)置3秒左右，由時(shí)間繼電器控制。

（6）光刀時(shí)間到后，自動(dòng)進(jìn)行退刀，升降電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制主軸回到初始位置；

注意事項(xiàng)：

（1）根據(jù)打孔墻面硬度大小，適當(dāng)調(diào)整彈簧壓力大小，并調(diào)整升降電機(jī)速度，防止光刀時(shí)刻不準(zhǔn)。

（2）各潤滑部位應(yīng)按時(shí)加注潤滑油，設(shè)備使用完后應(yīng)定期進(jìn)行徹底清洗。

3.2 主要檢查項(xiàng)目及調(diào)整

打孔質(zhì)量[4-5]主要是指打孔位置的精確性和打孔形狀規(guī)則，主軸的進(jìn)給精度直接影響打孔的加工質(zhì)量，因此主要質(zhì)量檢查項(xiàng)目為打孔車主軸圓跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，通常它們的允差小于 5 mm。另外電鉆固定在主軸上部，是以軸肩作為定位基準(zhǔn)，因此要求控制主軸軸肩支承面的端面圓跳動(dòng)。具體檢查方法簡述如下：

（1）主軸的徑向圓跳動(dòng)，采用百分表裝置進(jìn)行檢查，具體方法是將百分表座固定在基體上(圖5(a))，使百分表的測頭垂直接觸主軸的軸頸表面，然后旋轉(zhuǎn)主軸，通過觀察百分表上讀數(shù)變化，即反映主軸徑向圓跳動(dòng)的大小。

（2）主軸的軸向竄動(dòng)，檢查方法見圖 5(b)，將百分表座固定在基體上，在主軸端部的中心固定一小鋼球，將百分表的平測頭輕壓在鋼球上，然后旋轉(zhuǎn)主軸，通過觀察百分表上讀數(shù)變化，即反映主軸軸向竄動(dòng)的大小。

（3）主軸軸肩支承面的端面圓跳動(dòng)，檢查方法見圖 5(c)。用百分表的測頭輕壓在軸肩支承面上(盡量靠近邊緣處)，旋轉(zhuǎn)主軸，通過觀察百分表上讀數(shù)變化，即為該面的端面圓跳動(dòng)的大小。

圖5 主要精度檢查簡圖

4 結(jié)語

將電鉆固定在主軸上，升降隨主軸，主軸升降進(jìn)給和定位由另外電機(jī)控制，電機(jī)不直接承受打孔受力。通過程序控制輸出脈沖的個(gè)數(shù)控制減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成工作循環(huán)。

目前制造了吊頂打孔機(jī)原型樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)了吊頂打孔機(jī)的工作過程，證明該設(shè)計(jì)方案是有效的。該吊頂打孔機(jī)原理可行，不僅解決了傳統(tǒng)人工打孔工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，而且還可以滿足不同高度打孔的需求，打孔質(zhì)量有保證，從而大幅提高了建筑裝飾行業(yè)技術(shù)水平。