建筑幕墻智能注膠裝備流量檢測反饋補(bǔ)償研究與試驗(yàn)

馮智寧

（廣州伯樂智能技術(shù)有限公司，廣州 511300）

0 引言

建筑幕墻在這20多年在商業(yè)建筑大廈應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)膠注膠工藝?yán)?，通過將幕墻框架與玻璃片安裝起來，接著在玻璃與框架的結(jié)合注結(jié)構(gòu)膠，構(gòu)成足夠強(qiáng)度貼合，所以注膠質(zhì)量的穩(wěn)定對幕墻的安全性和建筑大廈的安全是建筑幕墻的最關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)之一。筆者公司研發(fā)的建筑幕墻智能注膠單元[1]，能夠替代人工操作，提升注膠速度，減少節(jié)約材料，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本文目的是研究建筑幕墻智能注膠裝備如何更好地提供注膠質(zhì)量，引入了流量檢測反饋補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。本研究在之前研究的建筑幕墻智能注膠裝備基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化升級，增加附加功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更穩(wěn)定使用。本文研究的流量檢測反饋補(bǔ)償技術(shù)是其中的核心技術(shù)之一。該技術(shù)的研究試驗(yàn)與成功使用，使智能注膠設(shè)備更智能化；用較低的成本，解決了氣動(dòng)膠機(jī)的穩(wěn)定性不足的問題，使注膠質(zhì)量更為穩(wěn)定，同時(shí)提高了效率，節(jié)約了膠材。

1 硬件組成

1.1 流量計(jì)

流量計(jì)的選用是本項(xiàng)目的核心部件。根據(jù)調(diào)研，市面上大致分為接觸式流量計(jì)和非接觸式流量計(jì)。接觸式流量計(jì)主要是流體介質(zhì)流經(jīng)流量計(jì)帶動(dòng)葉片輪轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算單位時(shí)間葉片輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來推算它的流量。非接觸式的有溫度變化感應(yīng)和超聲波感應(yīng)兩種，流體經(jīng)過流量計(jì)，通過外圍溫度變化檢測，根據(jù)流體流動(dòng)帶走熱能多少來推算出流量值。超聲波檢測通過超聲波發(fā)射和反饋接收，檢測流體的流速。

很顯然，這里的流體介質(zhì)是粘稠的膠類，不適合采用接觸式流量計(jì)，膠容易堵塞導(dǎo)致葉片輪轉(zhuǎn)動(dòng)不了，流量計(jì)損壞。若采用非接觸方式，通過穩(wěn)定變化檢測，需要流速快、散熱好的流體，顯然流速只有2 L/min以內(nèi)，流速慢，膠散熱也差，不適合使用。所以選用超聲波感應(yīng)這種流量計(jì)來檢測。

因此選用了國際品牌基恩士的FD-X夾鉗式流量傳感器，如圖1所示。該流量器安裝方便，只需裝夾在管壁外部即可檢測。流量計(jì)精確度高，50 ms響應(yīng)時(shí)間的流量精度是±15 mL，按平均1 000 mL/min的注膠流量計(jì)算，1.5%的精度能滿足注膠檢測反饋補(bǔ)償需求。

圖1 流量計(jì)原理

1.2 注膠機(jī)及其管路

注膠機(jī)這里采用最通用的氣動(dòng)式雙組分注膠機(jī)[2]，對其進(jìn)行自動(dòng)化改造，安裝在智能注膠裝備上，通過擺臂結(jié)構(gòu)，盡量縮短膠管長度，保持與手動(dòng)注膠大致長度，保證出膠的流量基本與原來的手動(dòng)注膠一樣。注膠機(jī)是用壓縮空氣作為動(dòng)力，出膠量受壓縮空氣影響而不穩(wěn)定，流量在膠機(jī)氣泵上抬和下壓過程中，出膠量變化會(huì)比較大，而且使用時(shí)間長后管路的膠會(huì)逐漸凝固導(dǎo)致堵塞，流量也會(huì)慢慢變小。如果沒有流量檢測反饋補(bǔ)償功能，會(huì)引起打膠不穩(wěn)定、有空隙或者過于飽滿溢出等情況。

1.3 流量計(jì)的安裝與調(diào)整

流量計(jì)分為3部分[3]，檢測器、放大器和驅(qū)動(dòng)器。檢測器依靠管夾安裝在靠近出膠末端的管壁上[4]，放大器安裝在檢測器附件，同時(shí)方便調(diào)整設(shè)置參數(shù)。驅(qū)動(dòng)器通過網(wǎng)線連接到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)總線連接。

流量計(jì)安裝完畢后，需要調(diào)整幾項(xiàng)必須調(diào)整的參數(shù)。初始化設(shè)置需要選擇精確模式。（1）管徑：調(diào)整管外徑，實(shí)現(xiàn)精確流量檢測。（2）顯示單位：需要以mL/min顯示及計(jì)算。（3）檢測模式：設(shè)置為瞬時(shí)流量模式。（4）響應(yīng)時(shí)間：設(shè)置為50 ms，相應(yīng)時(shí)間越短，延時(shí)產(chǎn)生的誤差約小。（5）流動(dòng)方向：根據(jù)要求設(shè)置好。（6）密度：通過實(shí)驗(yàn)，校正設(shè)置好膠的密度，確保檢測得出數(shù)據(jù)與實(shí)際流量相符。

2 理論依據(jù)及軟件組成

2.1 反饋補(bǔ)償理論依據(jù)

流量計(jì)測量反饋補(bǔ)償主要理論依據(jù)是根據(jù)注膠需求量和實(shí)際出膠量進(jìn)行對比。注膠過程中瞬時(shí)出膠量增大或減少，膠槍行走速度經(jīng)過公式推算成增大或減少關(guān)系。這里只需根據(jù)檢測的流量結(jié)果，使控制系統(tǒng)[5]實(shí)時(shí)調(diào)整注膠行走軌跡速度即可。另外檢測出膠到灌滿注膠有一個(gè)時(shí)間差，需要增加延時(shí)來調(diào)整注膠軌跡速度。

經(jīng)過核實(shí)，算法的研究和試驗(yàn)，已經(jīng)掌握了補(bǔ)償?shù)姆椒ú⒌贸隽己玫男Ч?/p>

2.2 軟件組成

通過對控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)流量檢測、補(bǔ)償值計(jì)算，膠槍實(shí)時(shí)速度控制功能。軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

（1）數(shù)據(jù)采樣設(shè)定：設(shè)置流量數(shù)據(jù)采樣的方式，過濾無效數(shù)據(jù)，優(yōu)化補(bǔ)償參考的數(shù)據(jù)值。

（2）流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值：通過流量計(jì)檢測出來的實(shí)時(shí)流量。

（3）流量數(shù)據(jù)采樣后平均值：經(jīng)過采樣計(jì)算出來的平均流量，用此值參照來對速度進(jìn)行補(bǔ)償。

（4）速率允許計(jì)算開關(guān)：點(diǎn)擊開關(guān)切換，當(dāng)開關(guān)為“ON”時(shí)，流量實(shí)施補(bǔ)償調(diào)整膠槍移動(dòng)速度功能生效；當(dāng)開關(guān)為“OFF”時(shí)，該功能失效。

（5）流量變化參照標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：這里是設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)參考值，用于對比實(shí)際流量值進(jìn)行補(bǔ)償膠槍移動(dòng)速度，分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。

（6）流量變化與速率變化的延后參數(shù)：因?yàn)榱髁繖z測到注滿膠有一個(gè)過程，這個(gè)過程有時(shí)間差，故需要設(shè)置這里的參數(shù)。

3 補(bǔ)償研究與試驗(yàn)

3.1 參數(shù)化控制

參數(shù)化控制[6]包含位置控制和速度控制。

（1）位置控制

利用視覺及激光燈技術(shù)的智能定位系統(tǒng)檢測的幕墻的每塊玻璃的角點(diǎn)相對于設(shè)備的坐標(biāo)，通過輸入玻璃厚、結(jié)構(gòu)膠高、刮膠板與玻璃距離等參數(shù)計(jì)算出膠槍出膠扣位置與玻璃側(cè)面的偏移量，控制系統(tǒng)自動(dòng)推算出各玻璃邊注膠時(shí)膠槍的起點(diǎn)、終點(diǎn)的位置和姿態(tài)。

（2）速度控制

假設(shè)流量不變，采用與打膠需求量即膠縫容量來控制膠槍行走的速度。膠槍運(yùn)行速度：

式中：F為速度；b為結(jié)構(gòu)膠寬；d為結(jié)構(gòu)膠高；k為常量。

通過注膠試驗(yàn)，速度調(diào)慢些，注膠效果基本均勻飽滿，但是有些余膠溢出。但是實(shí)際上由于膠機(jī)特特性速度控制上根據(jù)流量的變化，行走速度也是變化的，故增加流量控制功能后，實(shí)時(shí)行走速度應(yīng)該為：

式中：A為通過公司核心算法計(jì)算的實(shí)時(shí)變化系數(shù)。

通過增加實(shí)時(shí)變化的A系數(shù)，優(yōu)化好A系數(shù)里面的參數(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)，注膠效果更為理想，溢出膠更少。

3.2 速度補(bǔ)償試驗(yàn)

手動(dòng)注膠機(jī)的動(dòng)力源是壓縮空氣，所以出膠流量不能保持一個(gè)恒定的狀態(tài)，且膠管長期使用逐漸堵塞，流量也會(huì)變小。如果沒有閉環(huán)檢測流量實(shí)時(shí)補(bǔ)償注膠速度，會(huì)導(dǎo)致注膠不滿、不穩(wěn)定或浪費(fèi)等現(xiàn)象。

在設(shè)備上安裝了流量檢測計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，膠槍移動(dòng)速度能夠根據(jù)出膠流量實(shí)時(shí)變化調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

經(jīng)過試驗(yàn)，流量在膠機(jī)氣泵上抬和下壓過程中，出膠量波動(dòng)比較大，上抬是壓力可下跌至50%，下壓壓力可上升至140%。故以此段距離測試效果明顯。通過不斷優(yōu)化軟件各項(xiàng)注膠參數(shù)[7]，調(diào)整算法，達(dá)到理想均勻的注膠效果。

3.3 開關(guān)流量檢測補(bǔ)償自動(dòng)注膠的對比

對40塊幕墻進(jìn)行了開啟和關(guān)掉流量檢測反饋補(bǔ)償功能試驗(yàn)[8]，進(jìn)行如下對比。

（1）沒有流量檢測功能

因?yàn)槟z槍移動(dòng)速度是勻速的，只能調(diào)低膠槍移動(dòng)速度，保證氣泵上抬過程壓力下跌流量降低的那一段距離要注滿膠，導(dǎo)致其他位置的注膠溢膠會(huì)多些。如果調(diào)高膠槍速度，會(huì)導(dǎo)致氣泵上抬過程中那段距離可能出現(xiàn)注膠不滿的現(xiàn)象。

（2）開通流量檢測功能

膠槍移動(dòng)速度能根據(jù)流量變化，氣泵上抬過程壓力下降，膠槍移動(dòng)速度相應(yīng)降低，氣動(dòng)泵下壓過程壓力上升，膠槍移動(dòng)速度相應(yīng)升高。膠槍移動(dòng)速度是根據(jù)出膠流量實(shí)時(shí)變化的，這樣可以調(diào)高注膠速度，也能保證注膠均勻注滿，減少余膠溢出。

測試結(jié)果：開通流量檢測功能對比不開通，節(jié)省膠量10%以上，注膠效率升高10%以上。

4 結(jié)束語

總結(jié)上面流量檢測反饋補(bǔ)償?shù)难芯亢驮囼?yàn)，流量反饋補(bǔ)償?shù)裙δ芙Y(jié)合參數(shù)化控制，能精確計(jì)算注膠用量，驗(yàn)證了流量補(bǔ)償對注膠質(zhì)量、節(jié)省用膠有明顯提高。通過開啟和關(guān)閉關(guān)流量檢測補(bǔ)償功能，對自動(dòng)注膠生產(chǎn)的前后對比，得出結(jié)論：流量反饋補(bǔ)償技術(shù)能提升效率10%以上、節(jié)約用膠10%以上，提高打膠質(zhì)量和解決產(chǎn)品安全性等問題。能夠使設(shè)備進(jìn)一步升級和完善，讓客戶后期對設(shè)備配置提供更多的選擇。