預(yù)制構(gòu)件混凝土布料機(jī)自動(dòng)預(yù)標(biāo)定應(yīng)用

李 冬，李 洋，程洪波，張 珂，吳玉厚

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆建筑方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前建筑業(yè)的發(fā)展需求，預(yù)制混凝土構(gòu)件工廠化生產(chǎn)逐漸成為我國(guó)建筑工業(yè)化發(fā)展的重要趨勢(shì)[1-3]。此生產(chǎn)方式將對(duì)我國(guó)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)也為建筑產(chǎn)業(yè)施工方式的巨變奠定基礎(chǔ)[4]?；炷翝仓尚褪穷A(yù)制混凝土構(gòu)件工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)一般采用多螺旋式混凝土布料機(jī)輔助完成[5-7]。此布料機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于多個(gè)螺旋同時(shí)澆筑混凝土進(jìn)行布料生產(chǎn)，不僅單次布料寬度寬，而且每個(gè)螺旋的出料量可調(diào)，配合布料機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，可通過(guò)高效、高精度的自動(dòng)化混凝土澆筑完成預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)[8-10]。

在預(yù)制混凝土構(gòu)件的澆筑生產(chǎn)過(guò)程中，邊模被擺放到底模托盤上送至布料機(jī)的澆筑區(qū)域內(nèi)。在每個(gè)底模托盤上，邊模圍成的混凝土澆筑區(qū)域位置及數(shù)量是不同的，所以每次更換布料環(huán)節(jié)的底模托盤后，都要重新定位布料機(jī)開始澆筑生產(chǎn)的起始位置，即預(yù)標(biāo)定。只有通過(guò)預(yù)標(biāo)定確定生產(chǎn)起始點(diǎn)位置，才能根據(jù)設(shè)定構(gòu)件尺寸信息和位置數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成托盤上規(guī)定預(yù)制構(gòu)件的澆筑生產(chǎn)。由此可見，布料機(jī)位置的預(yù)標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化混凝土布料的前提和基礎(chǔ)，它不僅限制后續(xù)布料流程的自動(dòng)完成，而且還會(huì)影響澆筑在布料區(qū)域內(nèi)的混凝土分布位置，進(jìn)而影響構(gòu)件重量精度以及人工輔助攤鋪工作量[11-13]。

目前，在預(yù)制構(gòu)件混凝土布料生產(chǎn)前，國(guó)內(nèi)普遍采用手動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)布料機(jī)位置預(yù)標(biāo)定[14-16]。這種人工標(biāo)定主要依靠崗位工人在布料區(qū)域旁觀察布料機(jī)位置，通過(guò)手動(dòng)控制布料大車和小車來(lái)確定布料機(jī)起始澆筑生產(chǎn)位置。此方法需設(shè)置專門操作人員，占用人力成本多，且布料機(jī)定位的精確性依賴人工操作經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于底模托盤標(biāo)注和接近開關(guān)的預(yù)標(biāo)定方法，此方法基于托盤在布料區(qū)域的精確定位，并通過(guò)在托盤表面標(biāo)注和測(cè)量磁性邊模擺放位置的方式實(shí)現(xiàn)布料機(jī)預(yù)標(biāo)定，雖然具有布料系統(tǒng)改動(dòng)小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)限制底模托盤上的邊模擺放位置以及構(gòu)件擺放數(shù)量。

為克服上述方法缺點(diǎn)，筆者以實(shí)現(xiàn)混凝土布料機(jī)自動(dòng)預(yù)標(biāo)定為目標(biāo)，從布料機(jī)澆筑生產(chǎn)工藝出發(fā)，搭建布料機(jī)預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)，奠定布料機(jī)的檢測(cè)和控制基礎(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)布料機(jī)的標(biāo)定方法，并給出了標(biāo)定步驟,再通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證了混凝土布料機(jī)的預(yù)標(biāo)定效果。研究表明:筆者所設(shè)計(jì)的預(yù)標(biāo)定方法能夠自動(dòng)完成布料區(qū)預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的確定，可顯著提高當(dāng)前混凝土布料機(jī)的自動(dòng)化水平和定位效率。

1 混凝土布料預(yù)標(biāo)定問(wèn)題的提出

采用多螺旋式混凝土布料機(jī)澆筑預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程示意圖如圖1所示。

1.布料機(jī)大車；2.布料機(jī)小車；3.布料機(jī)小車行走的導(dǎo)軌；4.布料機(jī)大車行走的導(dǎo)軌；5.布料機(jī)料斗；6.配有螺旋的出料口；7.底模托盤；8.邊模。

由圖1可以看到，混凝土布料機(jī)實(shí)現(xiàn)澆筑生產(chǎn)的主要設(shè)備包括布料機(jī)大車、布料機(jī)小車、出料口及其內(nèi)部配置的螺旋。當(dāng)布料機(jī)開始澆筑生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)布料小車沿X軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，配合多個(gè)出料口螺旋的旋轉(zhuǎn)，完成底模托盤上邊模圍成布料區(qū)域的混凝土澆筑。若布料機(jī)小車一次行走布料無(wú)法完成預(yù)制構(gòu)件的澆筑生產(chǎn)，則布料機(jī)大車沿Y軸方向調(diào)節(jié)布料機(jī)澆筑生產(chǎn)道次，然后由布料機(jī)小車再次沿X軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行澆筑生產(chǎn)。布料機(jī)重復(fù)上述澆筑生產(chǎn)過(guò)程，直至完成所有布料區(qū)域內(nèi)的混凝土澆筑生產(chǎn)，之后通過(guò)更換底模托盤，根據(jù)新的布料區(qū)域分布情況，重復(fù)上述過(guò)程完成接下來(lái)的預(yù)制混凝土構(gòu)件澆筑生產(chǎn)[18-20]。

由上述澆筑生產(chǎn)過(guò)程可知，布料機(jī)自動(dòng)澆筑的順利完成，不僅需要布料機(jī)同時(shí)在大車和小車行走軌道形成的平面內(nèi)以及邊模圍成的布料區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位，還需要使布料機(jī)在這兩個(gè)平行平面內(nèi)的坐標(biāo)同一化。因?yàn)槊看瓮瓿蓸?gòu)件澆筑生產(chǎn)，邊模圍成布料區(qū)域的位置和大小均會(huì)發(fā)生變化，且布料區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，很難在布料區(qū)平面內(nèi)安裝位置傳感器，指導(dǎo)行走軌道平面內(nèi)的布料機(jī)在布料區(qū)域內(nèi)精確定位，所以只能選擇將布料區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)映射到行走軌道平面內(nèi)。若能在自動(dòng)澆筑生產(chǎn)前，確定圖1中點(diǎn)M在行走軌道平面內(nèi)的坐標(biāo)位置，則不僅確定了布料機(jī)澆筑生產(chǎn)的起始位置，而且依據(jù)構(gòu)件尺寸信息還可將布料區(qū)平面坐標(biāo)映射到與其平行的行走軌道平面內(nèi)。澆筑生產(chǎn)前確定的點(diǎn)M即為預(yù)標(biāo)定點(diǎn)。綜上可知，解決預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的確定問(wèn)題，不僅可使布料區(qū)域平面與行走軌道平面的坐標(biāo)同一化，也使混凝土布料機(jī)自動(dòng)澆筑成為可能。

2 混凝土布料機(jī)預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)的搭建

由第1節(jié)可知，預(yù)標(biāo)定點(diǎn)雖然只有一個(gè)點(diǎn)，但此點(diǎn)的確定卻需要布料系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位功能以及坐標(biāo)映射功能，按此需求，對(duì)混凝土布料機(jī)預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行搭建。

2.1 混凝土布料機(jī)定位功能

為了在行走軌道平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)布料機(jī)定位，設(shè)計(jì)布料機(jī)的大車和小車行走驅(qū)動(dòng)裝置均采用伺服驅(qū)動(dòng)裝置，既實(shí)現(xiàn)了布料機(jī)在X軸和Y軸方向上的位置精確檢測(cè)和定位，又可通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置的默契配合使布料機(jī)行走動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)。

采用3臺(tái)SIEMENS公司的伺服電機(jī)作為布料機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且每臺(tái)伺服電機(jī)配1個(gè)該公司的V90伺服驅(qū)動(dòng)器，它們的驅(qū)動(dòng)方式為：布料機(jī)小車由1套伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，布料機(jī)大車采用2套伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)伺服電機(jī)的編碼器選擇絕對(duì)式編碼器，輸出值為布料機(jī)的絕對(duì)位置，即使斷電也不會(huì)影響數(shù)據(jù)，無(wú)需反復(fù)重新調(diào)整零位。上述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可在伺服驅(qū)動(dòng)器環(huán)節(jié)構(gòu)成位置閉環(huán)控制，且控制周期短，能提高布料機(jī)在X軸和Y軸方向的定位精度。

2.2 布料區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)映射功能

為了將布料區(qū)平面內(nèi)坐標(biāo)映射到行走軌道平面內(nèi)，可選用開關(guān)量傳感器，其檢測(cè)方向與布料區(qū)域平面垂直，設(shè)為Z軸方向。此開關(guān)量傳感器選用西克DT35距離傳感器，并將其安裝在布料機(jī)料斗側(cè)面鋼板上。此傳感器分辨率可達(dá)0.1 mm，而且還具有非常短的響應(yīng)時(shí)間，僅為2.5 ms。通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器參數(shù)，可檢測(cè)到底模托盤上的邊模。

將用于實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)映射功能的傳感器與伺服電機(jī)的絕對(duì)值編碼器相結(jié)合，即可將布料區(qū)平面內(nèi)坐標(biāo)映射到行走區(qū)平面內(nèi)。具體方法：布料機(jī)在行走平面內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)布料區(qū)域內(nèi)的邊模處于傳感器正下方時(shí)，傳感器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)記錄下布料機(jī)大車和小車編碼器位置反饋值，即可得布料區(qū)域內(nèi)邊模在行走軌道平面內(nèi)的具體坐標(biāo)值，這樣就實(shí)現(xiàn)了布料區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)映射功能。

3 布料機(jī)預(yù)標(biāo)定方法設(shè)計(jì)

結(jié)合布料區(qū)域特點(diǎn)，給出預(yù)標(biāo)定點(diǎn)確定原理，在此基礎(chǔ)上，完成混凝土布料機(jī)自動(dòng)預(yù)標(biāo)定過(guò)程設(shè)計(jì)。

3.1 自動(dòng)預(yù)標(biāo)定原理

由圖1可知，預(yù)標(biāo)定點(diǎn)M是邊模AA與邊模BB的交點(diǎn)，且2個(gè)邊模夾角成直角。在布料區(qū)域平面內(nèi)，由邊模AA、邊模BB和預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的幾何關(guān)系可知，預(yù)標(biāo)定點(diǎn)M的X軸坐標(biāo)與邊模AA內(nèi)沿的相同；預(yù)標(biāo)定點(diǎn)M的Y軸坐標(biāo)與邊模BB內(nèi)沿的相同。因此，只要分別檢測(cè)到邊模AA內(nèi)沿的X軸坐標(biāo)以及邊模BB內(nèi)沿的Y軸坐標(biāo)，并將它們由布料區(qū)域平面內(nèi)映射到行走軌道平面內(nèi)，即可確定預(yù)標(biāo)定點(diǎn)M在行走軌道平面內(nèi)坐標(biāo)。

3.2 自動(dòng)預(yù)標(biāo)定過(guò)程設(shè)計(jì)

參與布料機(jī)自動(dòng)預(yù)標(biāo)定的主要裝置為布料機(jī)大車和小車的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以在自動(dòng)預(yù)標(biāo)定開始前，需確定它們的狀態(tài)正常。然后，按照自動(dòng)預(yù)標(biāo)定原理，對(duì)照?qǐng)D1設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

步驟1：布料機(jī)移動(dòng)至初始固定位置。此初始位置需要使布料機(jī)位于非布料區(qū)域外，一般為布料區(qū)域一側(cè)邊緣，同時(shí)需要使Z軸方向檢測(cè)的傳感器位于Y軸中點(diǎn)位置，以對(duì)擺放在不同位置的邊模均能檢測(cè)其預(yù)標(biāo)定點(diǎn)。

步驟2：檢測(cè)邊模AA。布料機(jī)小車帶動(dòng)布料機(jī)沿X軸直行，Z軸方向傳感器開始檢測(cè)邊模位置。當(dāng)邊模AA位于Z軸傳感器正下方時(shí)，會(huì)觸發(fā)傳感器，控制器控制布料機(jī)繼續(xù)沿X軸直行，直至Z軸傳感器觸發(fā)信號(hào)消失，此時(shí)檢測(cè)到是邊模AA的內(nèi)沿，并記錄下此時(shí)布料機(jī)的X軸位置坐標(biāo)XJ0。之后控制器控制布料機(jī)繼續(xù)前行一段距離后停止，此時(shí)Z軸傳感器遠(yuǎn)離邊模AA，避免此邊模對(duì)之后的標(biāo)定操作造成干擾。

步驟3：檢測(cè)邊模BB。布料機(jī)大車帶動(dòng)布料機(jī)沿Y軸移動(dòng)，使Z軸傳感器移動(dòng)到邊模BB所在側(cè)布料區(qū)邊緣。然后，令布料機(jī)從邊模BB所在側(cè)布料區(qū)域沿Y軸向邊模DD所在側(cè)布料區(qū)移動(dòng)，直至Z軸傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)又再次消失為止。這說(shuō)明Z軸傳感器檢測(cè)到邊模BB的內(nèi)沿，令布料機(jī)停止運(yùn)行，并記錄此時(shí)布料機(jī)的Y軸位置YJ0。

步驟四：計(jì)算預(yù)標(biāo)定點(diǎn)。基于步驟二和步驟三檢測(cè)的Z軸傳感器坐標(biāo)值(XJ0,YJ0)，同時(shí)結(jié)合其安裝位置，可得布料機(jī)預(yù)標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)M(X0,Y0)，如式(1)和式(2)所示。然后令布料機(jī)移動(dòng)到這兩個(gè)式子的計(jì)算值，完成布料機(jī)自動(dòng)預(yù)標(biāo)定。

X0=XJ0-XJ.

(1)

Y0=YJ0-YJ.

(2)

式中:XJ，YJ分別為Z軸傳感器距離布料機(jī)定位X軸和Y軸位置的距離。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室多螺旋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)搭建，如圖2所示。以此為基礎(chǔ)，采用西門子博圖V15軟件平臺(tái)，按照上節(jié)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)預(yù)標(biāo)定過(guò)程編寫控制程序，并在西門子S7-1500PLC上運(yùn)行此程序，驗(yàn)證筆者提出的自動(dòng)預(yù)標(biāo)定效果。自動(dòng)預(yù)標(biāo)定過(guò)程中，布料機(jī)大車、布料機(jī)小車和邊模坐標(biāo)映射觸發(fā)信號(hào)如圖3所示。

圖2 多螺旋布料機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 自動(dòng)預(yù)標(biāo)定運(yùn)行效果曲線

由圖3(a)～圖3(c)可知，在自動(dòng)預(yù)標(biāo)定啟動(dòng)前，布料機(jī)大車和小車位置沒有發(fā)生變化，即處于靜止?fàn)顟B(tài)。自動(dòng)預(yù)標(biāo)定開始后，立刻設(shè)置布料機(jī)初始位置(300,300)mm，隨后布料機(jī)大車和小車同時(shí)向初始位置移動(dòng)。當(dāng)布料機(jī)大車和小車均到達(dá)初始位置后，設(shè)置布料機(jī)小車目標(biāo)位置為3 000 mm，使布料機(jī)小車帶動(dòng)布料機(jī)沿X軸方向移動(dòng)。在此過(guò)程中，若Z軸傳感器先有觸發(fā)信號(hào)，隨后信號(hào)消失，則檢測(cè)到邊模AA的內(nèi)沿，同時(shí)產(chǎn)生記錄邊模AA的觸發(fā)信號(hào)，如圖3(d)所示。之后，布料機(jī)小車?yán)^續(xù)保持原方向運(yùn)行100 mm后停車，布料機(jī)大車向1 000 mm目標(biāo)位置運(yùn)行。當(dāng)二者均達(dá)到目標(biāo)位置后，令布料機(jī)大車沿Y軸坐標(biāo)減小方向運(yùn)行，目標(biāo)位置為200 mm。在此過(guò)程中，若Z軸傳感器檢測(cè)到邊模BB內(nèi)沿，立刻記錄邊模BB內(nèi)沿Y軸坐標(biāo)，如圖3(d)所示。布料機(jī)大車停車，利用檢測(cè)值按照式(1)和式(2)計(jì)算出預(yù)標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)為(757.95,695.1)mm，并將布料機(jī)邊緣布料口定位到預(yù)標(biāo)定點(diǎn)上方，至此，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)標(biāo)定所有過(guò)程。

為了測(cè)試預(yù)標(biāo)定的重復(fù)定位精度，在相同環(huán)境下連續(xù)進(jìn)行10次預(yù)標(biāo)定操作，測(cè)量布料機(jī)每次到達(dá)預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的X軸向偏差和Y軸向偏差，采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 預(yù)標(biāo)定軸向定位偏差

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，布料機(jī)預(yù)標(biāo)定X軸方向最大位置偏差為13.8 mm，Y軸方向的最大位置偏差為14.3 mm。利用表1中布料機(jī)X軸向和Y軸向的預(yù)標(biāo)定誤差，計(jì)算出每次完成預(yù)標(biāo)定后布料機(jī)的實(shí)際定位點(diǎn)與理論預(yù)標(biāo)定點(diǎn)之間的直線定位偏差，則10次預(yù)標(biāo)定定位偏差曲線圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，布料機(jī)的預(yù)標(biāo)定定位偏差均小于20 mm，最大定位偏差為19.9 mm。從上述實(shí)驗(yàn)效果可以看到，按照筆者設(shè)計(jì)自動(dòng)預(yù)標(biāo)定方法，無(wú)需操作人員參與，可以一次自動(dòng)完成預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的確定，既避免人工定位不準(zhǔn)導(dǎo)致小范圍內(nèi)操作布料機(jī)反復(fù)定位的發(fā)生，同時(shí)也為后期自動(dòng)澆筑生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

圖4 預(yù)標(biāo)定定位偏差曲線

5 結(jié) 論

(1)筆者所設(shè)計(jì)的預(yù)標(biāo)定方法能夠自動(dòng)完成布料區(qū)預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的確定，可顯著提高當(dāng)前混凝土布料機(jī)的自動(dòng)化水平和定位效率。

(2)混凝土布料機(jī)預(yù)標(biāo)定的重復(fù)定位偏差均小于20 mm，具有較高的定位精度，能夠滿足布料機(jī)的澆筑要求。

(3)筆者所設(shè)計(jì)的預(yù)標(biāo)定方法對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改動(dòng)小、易實(shí)現(xiàn)，具有較好的推廣價(jià)值。