模臺(tái)清掃噴涂車的研制

王寒煜

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

國家正在大力推進(jìn)“建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化”，以期根本提升我國建筑行業(yè)技術(shù)水平[1]。在此背景下，需要提高混凝土預(yù)制件生產(chǎn)線的機(jī)械化、智能化及生產(chǎn)效率。在混凝土預(yù)制件生產(chǎn)線上，模臺(tái)是重要的配套設(shè)備之一，可直接影響混凝土預(yù)制件的外觀，當(dāng)養(yǎng)護(hù)完成的構(gòu)件從模臺(tái)上脫模后，模臺(tái)表面上會(huì)附著混凝土屑和塵土，為了保證每一塊預(yù)制件的合格，對于使用過的模臺(tái)重復(fù)使用前必須對模臺(tái)進(jìn)行清掃并噴涂脫模劑，因此模臺(tái)清掃噴涂車是預(yù)制件生產(chǎn)線中重要組成部分，用于保證構(gòu)件的質(zhì)量及混凝土預(yù)制件生產(chǎn)線的順利運(yùn)行。對于傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，清掃噴涂工藝通常由2～3名工人來完成。需要人工使用撬棍拆除模具，反復(fù)拆裝模具容易造成模具變形；模臺(tái)上頑固混凝土需要用鏟子鏟除；模臺(tái)上殘余混凝土需要用掃帚清掃干凈；當(dāng)模臺(tái)清掃干凈后，需要重新安裝模具，安裝過程中需要測量模具安裝尺寸；需要人工使用噴壺噴灑脫模劑，然后使用墩布涂抹均勻，此過程脫模劑用量不易控制；整個(gè)過程人工用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低，制約了疊合板的生產(chǎn)效率?，F(xiàn)有技術(shù)中的模臺(tái)清掃噴涂機(jī)主要通過輥刷和吸塵器清理模臺(tái)上的混凝土屑，然后使用脫模劑噴涂設(shè)備對整個(gè)模臺(tái)面噴涂脫模劑，其缺點(diǎn)是無法完全清理干凈模臺(tái)表面，對于附著力大的混凝土屑很難清理掉，模具外側(cè)噴涂脫模劑造成浪費(fèi)。自動(dòng)化產(chǎn)線上拆裝模具均由機(jī)械手自動(dòng)完成，為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題并適應(yīng)自動(dòng)化產(chǎn)線的總體要求，有必要研發(fā)一種自動(dòng)化程度高、清理模臺(tái)效果好、清掃效率高、節(jié)省脫模劑的模臺(tái)清掃噴涂車。

1 模臺(tái)清掃噴涂車總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備功能介紹

模臺(tái)清掃噴涂車由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)沿生產(chǎn)線軌道上行走，車的前端裝有清掃系統(tǒng)，車的中間平臺(tái)上配有一臺(tái)中高壓除塵設(shè)備，車的后端裝有脫模劑噴涂系統(tǒng)，整車通過滑觸線取電，并設(shè)計(jì)有安全避障雷達(dá)、三色燈、多處急停開關(guān)、防脫軌感應(yīng)器、防撞塊等安全組件。該設(shè)備通過集成機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清掃、吸塵、噴涂脫模劑等功能。

該道路清掃車的主要功能有以下3個(gè)：1）模臺(tái)面清掃功能。利用前滾刷清掃模臺(tái)上混凝土屑和塵土，向前清掃的時(shí)候可以將前方的垃圾掃進(jìn)集料斗里面。通過風(fēng)機(jī)從吸塵口吸拾揚(yáng)塵，使模臺(tái)面清潔。2）鏟除模臺(tái)面頑固混凝土功能。通過氣缸下壓使鏟板緊貼模臺(tái)面，鏟板沿模臺(tái)表面向前推進(jìn)，鏟板可以輕松清除整個(gè)模臺(tái)面上的大塊混凝土殘?jiān)?）噴涂脫模劑功能。通過與MES信息交互，控制系統(tǒng)可快速收到模具信息，控制模具范圍內(nèi)噴頭電磁閥開啟，模具范圍外噴頭電磁閥關(guān)閉，采用高壓無氣噴涂方式，脫模劑被精準(zhǔn)均勻地噴涂在模具范圍內(nèi)，脫模劑噴涂均勻細(xì)膩且節(jié)省脫模劑。

1.2 方案設(shè)計(jì)

該清掃噴涂車由行走系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)、吸塵裝置、噴油系統(tǒng)等組成。行走系統(tǒng)負(fù)責(zé)整車沿軌道的行走工作，清掃系統(tǒng)在設(shè)備的前方，由絲桿升降裝置可以實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，工作時(shí)放下，行走時(shí)提起，滾刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾刷向前旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滾刷對模臺(tái)及模的清掃。高壓風(fēng)機(jī)通過風(fēng)道與吸塵口相連，完成吸灰塵的工作。通過與產(chǎn)線信息交互，獲取模具位置信息，清掃噴涂車與軌道之間設(shè)計(jì)有編碼尺，通過讀取編碼尺可實(shí)時(shí)記錄設(shè)備所處的位置，實(shí)現(xiàn)對模臺(tái)進(jìn)行精準(zhǔn)噴油。

2 主要裝置布置及結(jié)構(gòu)分析

2.1 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)承載整機(jī)質(zhì)量，裝載整車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使整機(jī)沿生產(chǎn)線軌道行駛，滿足整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，結(jié)構(gòu)必須安全可靠、性價(jià)比高，并且設(shè)計(jì)有符合工作裝置安裝要求的安裝接口。行走系統(tǒng)主要由底架、驅(qū)動(dòng)單元、輪軸單元、滑觸線、編碼尺、工作機(jī)構(gòu)的安裝接口等組成。底架是整車及工作裝置的載體。通過行走系統(tǒng)上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪踏面與軌道接觸使行走機(jī)構(gòu)沿軌道運(yùn)行。通過滑觸線給清掃噴涂車供電，通過編碼尺讀頭讀取編碼尺數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋設(shè)備位置，從而便于生產(chǎn)線控制生產(chǎn)節(jié)拍。

底架由兩根側(cè)梁和橫梁裝配組成，側(cè)梁和橫梁是由低合金高強(qiáng)度的鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)。兩根側(cè)梁由鋼板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，經(jīng)熱處理去除殘余應(yīng)力后加工輪軸安裝孔，側(cè)梁上有橫梁安裝座、電控柜安裝座、清掃系統(tǒng)安裝座、滑觸線支架安裝座。橫梁上有驅(qū)動(dòng)單元的安裝座、噴涂系統(tǒng)安裝座和吸塵裝置安裝座等。

2.2 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的主要組成部分為電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)和風(fēng)道[2]。清掃過程中的除塵、吸塵功能都是通過風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的作用來實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能否提供足夠的壓力和風(fēng)量將直接影響清掃效果。

1）風(fēng)機(jī)風(fēng)量的計(jì)算公式為

式中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h；k1為風(fēng)道的漏風(fēng)系數(shù)，取1.1；k2為集塵箱的漏風(fēng)系數(shù)，取1.1；vm為吸塵口入口截面處垃圾啟動(dòng)所需最小風(fēng)速，取22 m/s；A為吸塵口的入口截面大小，取0.04 m2。因此風(fēng)機(jī)實(shí)際所需風(fēng)量為Q=1.1×1.1×3600×22×0.04 =3833 m3/h。

表1 設(shè)備主要參數(shù)表

圖1 清掃噴涂車總體圖

2）風(fēng)機(jī)全壓的計(jì)算公式為：

式中：P為管道壓力損失，Pa；ψ為設(shè)計(jì)裕量，通常取1.2；L為管道長度，分段計(jì)算；d為管道直徑，分段計(jì)算；λ為摩擦阻力因數(shù)；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；ζ為局部阻力系數(shù)，取0.5；ε為絕對粗糙系數(shù)，取0.18 mm；Re為雷諾數(shù)；ν為黏度系數(shù)，取0.000 015 m2/s。代入?yún)?shù)可得P=3000 Pa。

3）電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算。風(fēng)機(jī)是整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力源，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)壓和風(fēng)量等參數(shù)主要是由風(fēng)機(jī)性能決定的，風(fēng)壓和風(fēng)量的大小是影響吸塵、清掃效果的關(guān)鍵因素。因此需要根據(jù)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)壓和風(fēng)量選擇電動(dòng)機(jī)，搭配的電動(dòng)機(jī)所需功率計(jì)算公式為

式中：N為搭配的電動(dòng)機(jī)功率，kW；Q為風(fēng)機(jī)實(shí)際所需的風(fēng)量，m3/h；P為風(fēng)機(jī)實(shí)際所需的全風(fēng)壓，Pa；η為風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率，取0.8；ηm為機(jī)械傳動(dòng)的效率，取0.9；k5為電動(dòng)機(jī)容量安全系數(shù)，取1.5。

因此，電動(dòng)機(jī)功率為7000 W，經(jīng)篩選后，選用市場上較為常見的7500 W的中壓風(fēng)機(jī)。

2.3 清掃系統(tǒng)

清掃系統(tǒng)主要由支撐框架、滾刷裝置、升降裝置、滾刷電動(dòng)機(jī)、鏟板裝置等組成。執(zhí)行清掃作業(yè)時(shí)，滾刷電動(dòng)機(jī)通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾刷旋轉(zhuǎn)，絲桿升降裝置控制滾刷升降，滾刷下降至合適高度與模臺(tái)面接觸，行程開關(guān)反饋到位信息，鏟板氣缸頂出，使鏟板繞銷軸旋轉(zhuǎn)后貼緊模臺(tái)面。通過滾刷升降裝置控制滾刷升降，確保刷毛接觸模臺(tái)后有一定的壓縮量，保證清掃效果的同時(shí)不減少刷毛的使用壽命。高壓風(fēng)機(jī)通過風(fēng)道吸塵口相連，完成吸塵的工作。清掃作業(yè)結(jié)束時(shí)，滾刷停止旋轉(zhuǎn)后升降裝置提升滾刷至極限位置，行程開關(guān)反饋到位信息，鏟板氣缸縮回，使鏟板繞銷軸旋轉(zhuǎn)后升至極限位置。

2.3.1 滾刷裝置

滾刷裝置主要由滾刷箱、滾刷、廢料箱、卸料氣缸、滾刷電動(dòng)機(jī)、軸承座等組成。采用絲桿升降裝置控制整個(gè)滾刷裝置的升降，配合電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾刷高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)執(zhí)行清掃作業(yè)時(shí),調(diào)整絲桿升降裝置可使刷毛與模臺(tái)面接觸并使刷毛產(chǎn)生一定量的壓縮變形，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將刷毛的壓縮變形量控制為15～30 mm時(shí)比較合適，既能使?jié)L刷有一定的清掃力度，而且又能保證刷毛的使用壽命。有研究表明，提高刷毛壓縮量能提高滾掃力[3]，但是刷毛使用壽命會(huì)下降；提高刷毛壓縮量還會(huì)使清掃長度先增加、后減少[4]。因此刷毛的壓縮變形量需要控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。滾刷是清掃噴涂車的核心部件，刷絲直接作用于模臺(tái)面的灰塵，尼龍刷絲以螺旋狀排列，螺旋升角為20°，滾刷旋轉(zhuǎn)時(shí)，灰塵沿滾刷螺旋方向被切削清掃，并且能將灰塵拋出[5]。滾刷上的刷絲采用螺旋式排布，可以使?jié)L刷在執(zhí)行清掃作業(yè)時(shí)既可以實(shí)現(xiàn)模臺(tái)面的清掃，又可以實(shí)現(xiàn)由兩側(cè)向中間的清掃。滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，模臺(tái)上的混凝土殘?jiān)凰⒔z掃入輥刷前方的廢料箱內(nèi)，滾刷箱后面開有吸塵孔，通過吸塵孔吸拾清掃過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵。

滾刷電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式為：

圖2 清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖

式中：P為滾刷電動(dòng)機(jī)功率，kW；k為電動(dòng)機(jī)容量安全系數(shù)，1.5；N為刷絲觸地壓力，N；l為刷絲長度，250 mm；E為刷絲彈性模量，取100 GPa；I為刷絲截面慣性矩，4000 m3/h；f為刷絲與模臺(tái)面摩擦因數(shù)，取0.5；η為刷絲穩(wěn)定性系數(shù)，取2.467；n為同時(shí)觸地刷絲數(shù)量，500；v為滾刷線速度，m/s；vm為清掃前進(jìn)速度，m/s；ηm為機(jī)械傳動(dòng)的效率，取0.9。

研究表明，計(jì)算滾刷線速度時(shí)，取滾刷線速度不小于整機(jī)清掃速度的1.5倍，清掃效果較為理想[6]。

2.3.2 鏟板裝置

構(gòu)件從模臺(tái)上脫模后，模臺(tái)表面上會(huì)附著混凝土殘?jiān)蛪m土，對于附著力大的混凝土殘?jiān)茈y清理掉，模臺(tái)上頑固混凝土需要用鏟板鏟除。

鏟板裝置主要由鏟板、刀片、彈簧、氣缸、鉸軸、側(cè)邊擋板等組成。鏟板與清掃框架的前端鉸接，通過氣缸伸縮，使鏟板繞鉸軸旋轉(zhuǎn)，氣缸活塞桿推出時(shí)，鏟板上的刀片與模臺(tái)接觸，并且設(shè)計(jì)了彈簧使鏟板與模臺(tái)貼合得更好，清掃噴涂機(jī)沿軌道運(yùn)行時(shí)即可鏟除模臺(tái)上的混凝土，鏟板側(cè)邊的擋板防止混凝土殘?jiān)┑侥Ｅ_(tái)兩側(cè)。

2.3.3 升降裝置

升降裝置主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速機(jī)、絲桿、傳動(dòng)軸等組成。電動(dòng)機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與蝸輪蝸桿減速機(jī)輸入軸相連，兩個(gè)蝸輪蝸桿減速機(jī)通過傳動(dòng)軸與聯(lián)軸器相連，保證機(jī)械同步，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)，蝸輪驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絲桿升降，絲桿頭部通過銷軸與輥刷箱鉸接，滾刷箱與滾刷框架之間設(shè)計(jì)有導(dǎo)向輪，從而驅(qū)動(dòng)輥刷箱升降。

2.4 噴涂系統(tǒng)

由高壓泵抽取儲(chǔ)液罐內(nèi)脫模劑，經(jīng)過濾器、穩(wěn)壓閥、控制管路、電磁閥及噴嘴均勻噴出，并且獲取模臺(tái)上模具位置信息，只對模具范圍內(nèi)模臺(tái)面進(jìn)行精準(zhǔn)噴涂作業(yè)的設(shè)備，具備自清洗功能，能自動(dòng)切換到管路清洗模式，自動(dòng)清洗管路，防止管路堵塞。

噴油系統(tǒng)主要由機(jī)架、防風(fēng)罩、泵、油箱、水箱、過濾器、電磁閥、控制管路、控制柜、噴嘴等組成。通過與MES信息交互，獲取模具位置，只對模具范圍內(nèi)模臺(tái)面進(jìn)行精準(zhǔn)噴涂作業(yè)的設(shè)備，具備自清洗功能，能自動(dòng)切換到管路清洗模式，自動(dòng)清洗管路，防止管路堵塞，防風(fēng)罩防止脫模劑飄散，從而防止污染現(xiàn)場環(huán)境。

如圖3所示，當(dāng)噴涂脫模劑時(shí)，PLC控制油箱電磁閥開啟，水箱電磁閥關(guān)閉，泵抽取油箱內(nèi)脫模劑經(jīng)過精密過濾器，過濾掉雜質(zhì)，通過穩(wěn)壓器保持壓力穩(wěn)定，通過流量計(jì)監(jiān)測流量，PLC控制模具范圍內(nèi)噴頭電磁閥開啟，模具范圍外噴頭電磁閥關(guān)閉；當(dāng)管道需要清洗時(shí)，PLC控制油箱電磁閥關(guān)閉，水箱電磁閥開啟，泵抽取水箱內(nèi)清水經(jīng)過精密過濾器、穩(wěn)壓器、控制管路等實(shí)現(xiàn)對管路的清洗，所有噴頭電磁閥關(guān)閉，清洗電磁閥開啟，管路內(nèi)清洗后的廢水流入廢液收集池內(nèi)。

圖3 噴涂系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)語

該模臺(tái)清掃噴涂車集成了多種功能，既能清掃模臺(tái)，在清掃的同時(shí)吸拾揚(yáng)塵，解決了大塊混凝土清掃不徹底的難題，又可以對模臺(tái)精準(zhǔn)噴涂脫模劑，該模臺(tái)清掃噴涂車的工作速度可達(dá)30 m/min，通過與產(chǎn)線MES信息交互，可適應(yīng)產(chǎn)線全自動(dòng)作業(yè)，提高了產(chǎn)線自動(dòng)化程度，減輕了傳統(tǒng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了清掃、噴涂的節(jié)拍時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，減少了脫模劑消耗量，可顯著降低清掃噴涂成本。