蔡?hào)|偉，田金柱，秦方瑋，陳賦秋

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

雄安新區(qū)或一些新型園區(qū)的建設(shè)，往往市政道路還沒(méi)有正式規(guī)劃，需要鋪設(shè)臨時(shí)施工道路進(jìn)行建筑材料及設(shè)備的運(yùn)輸。目前國(guó)內(nèi)工程項(xiàng)目建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)道路，一般采用現(xiàn)澆混凝土路面結(jié)構(gòu)工藝，這種路面養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，且臨時(shí)道路破除后會(huì)造成建筑材料的浪費(fèi)，產(chǎn)生大量建筑垃圾和粉塵污染。因此現(xiàn)在逐步采用裝配式預(yù)制道路來(lái)替代現(xiàn)澆道路，即道路采用工廠預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)混凝土塊拼裝而成，混凝土預(yù)制塊在專(zhuān)業(yè)預(yù)制廠批量生產(chǎn)制造，現(xiàn)場(chǎng)利用起重設(shè)備進(jìn)行預(yù)制塊拼裝。臨時(shí)道路使用完畢后，可實(shí)現(xiàn)用機(jī)械設(shè)備吊裝快速拆除，循環(huán)使用。減少粉塵污染、建筑垃圾，并節(jié)省建筑材料，降低成本，道路建設(shè)綠色環(huán)保。

在現(xiàn)有的裝配式道路敷設(shè)工藝，多采用的是傳統(tǒng)汽車(chē)吊進(jìn)行吊裝，吊裝時(shí)需要人工來(lái)拆裝鋼絲繩。且汽車(chē)吊等起重機(jī)械吊裝混凝土預(yù)制板時(shí)，由于鋼絲繩是柔性的，預(yù)制塊會(huì)來(lái)回晃動(dòng)，給拼裝帶來(lái)了極大難度。往往需要重復(fù)多次，需要多人操作，容易給工人造成機(jī)械傷害。施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，鋪設(shè)效率較低、自動(dòng)化程度低、存在一定不安全因素。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型便捷、自動(dòng)化程度高、機(jī)動(dòng)性好的專(zhuān)用鋪設(shè)裝置。

1 總體特點(diǎn)

新型智能鋪路機(jī)主要由履帶底盤(pán)行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、真空吸盤(pán)吊具、機(jī)械臂等組成，機(jī)械構(gòu)造如下圖1 所示，主要實(shí)現(xiàn)功能包括對(duì)混凝土預(yù)制塊的自動(dòng)吸取和拼裝。工作中鋪路機(jī)通過(guò)機(jī)械臂頭部真空吸盤(pán)吊具，將長(zhǎng)6 米寬2 米預(yù)制塊整體吸起，調(diào)整至合適高度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)至指定拼裝位置，與路面預(yù)制塊進(jìn)行拼裝。拼裝過(guò)程利用機(jī)器視覺(jué)傳感器，進(jìn)行自動(dòng)偏差定位分析，自動(dòng)位置糾偏。拼裝完成后自動(dòng)回轉(zhuǎn)至取料位置，重新取料，完成下一預(yù)制塊的拼裝，依次按設(shè)定路線進(jìn)行路面鋪設(shè)。

拼裝對(duì)象是裝配式混凝土預(yù)制板，預(yù)制板尺寸約為2000×6000×260mm(長(zhǎng)×寬×厚)，每塊重量約為8 噸，體積和重量均較大。設(shè)備鋪設(shè)效率約3 分鐘/塊，適用路面寬度4 ～12m，鋪設(shè)精度5mm?；剞D(zhuǎn)角度范圍±180°，行走速度，20m/分鐘。

2 智能鋪路機(jī)路徑規(guī)劃及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 智能鋪路機(jī)總體布置示意圖

智能鋪路機(jī)控制系統(tǒng)采用基于CAN 總線通訊的PLC 主控系統(tǒng)，主要由機(jī)械臂伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別糾偏定位系統(tǒng)、底盤(pán)行走控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等組成，各系統(tǒng)之見(jiàn)通過(guò)canopen通訊。

控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)大臂、小臂的變幅角度，主臂及頭部升降裝置的控制，利用攝像頭識(shí)別路面板的中心與方向，通過(guò)縱橫微調(diào)裝置和頭部回轉(zhuǎn)裝置調(diào)整真空吸吊機(jī)中心與路面板中心重合，并處于同一個(gè)方向。經(jīng)過(guò)鋪路機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制板的精確定位，實(shí)時(shí)調(diào)整吊具位置姿態(tài)，使其安裝預(yù)設(shè)路線準(zhǔn)確鋪設(shè)。通過(guò)設(shè)置在吸盤(pán)上的視覺(jué)傳感器，計(jì)算預(yù)鋪設(shè)預(yù)制板與地面預(yù)制板之間的相對(duì)位置，傳輸至控制系統(tǒng)，通過(guò)頭部吸盤(pán)縱橫移微動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整X、Y 方向的絕對(duì)位置，以及旋轉(zhuǎn)角度，使其螺栓與螺栓孔精確定位。

2.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

鋪路機(jī)機(jī)械臂主要頭部縱橫移機(jī)構(gòu)、升降推桿、頭部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、主回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)、大小臂變幅機(jī)構(gòu)及吊具調(diào)平油缸組成，回轉(zhuǎn)、縱橫移、升降機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，變幅和調(diào)平油缸采用電液比例驅(qū)動(dòng)。變幅油缸及升降推桿內(nèi)均設(shè)有高精度位移傳感器及編碼器，可實(shí)現(xiàn)精確位置控制，提高混凝土預(yù)制板對(duì)位精度，保證螺栓孔的順利精確對(duì)位。伺服電機(jī)配置了高精度絕對(duì)值編碼器，實(shí)現(xiàn)鋪路機(jī)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，控制性能好，提高鋪路機(jī)工作效率。起升機(jī)構(gòu)抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，適應(yīng)頻繁起動(dòng)和瞬間負(fù)載波動(dòng)的鋪設(shè)工況。鋪路機(jī)機(jī)械臂頭部縱橫移裝置和電動(dòng)升降裝置，采用滾珠絲杠，控制精度可達(dá)到0.1mm，真空吸盤(pán)吊具可實(shí)現(xiàn)沿運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系X 軸、Y軸、Z 軸方向精確移動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)拼裝時(shí)預(yù)制塊的精確定位。

智能鋪路機(jī)機(jī)械臂由4 個(gè)自由度，即頭部360 度回轉(zhuǎn)，大小臂變幅、主軸360 度回轉(zhuǎn)、頭部升降組成，屬于4 軸機(jī)器人。機(jī)械臂上設(shè)有光電限位、角度編碼器、超聲波防撞系統(tǒng)等，確保安全運(yùn)行。因此需要在程序上規(guī)劃好機(jī)械臂運(yùn)行軌跡路線，實(shí)現(xiàn)預(yù)制板道路鋪設(shè)過(guò)程自動(dòng)化。

2.2 鋪路機(jī)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算

鋪路機(jī)吸盤(pán)的X、Y、Z 相對(duì)于基座位置主要由變幅油缸行程和回轉(zhuǎn)角度確定，當(dāng)取料和放料位置坐標(biāo)確定時(shí)，吸盤(pán)由取料位置到放料位置的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，變幅油缸的行程和回轉(zhuǎn)角度實(shí)時(shí)變化，在空間和時(shí)間上需要規(guī)劃出一條最優(yōu)路線。因此需要確定出變幅油缸行程與臂架幅度、吸盤(pán)面高度的關(guān)系，如圖2，計(jì)算如下：

圖2 幅度、高度與鉸點(diǎn)示意圖

在工作的時(shí)候需要調(diào)整臂架幅度至R，以及調(diào)整吸吊機(jī)吸盤(pán)底平面高度至H，此時(shí)需要知道兩個(gè)變幅油缸（CD 和EF）的行程是多少。其中H 是電動(dòng)推拉桿完全收縮的時(shí)候，吸盤(pán)底平面至路面的高，L 是擺動(dòng)油缸鉸點(diǎn)A 至吸盤(pán)底平面的高度，故對(duì)H 值的要求可以轉(zhuǎn)換成對(duì)A 點(diǎn)y 坐標(biāo)值的要求（Ay）?？珊?jiǎn)化為如下示意圖（圖3）。

（1）OB 為鋪路機(jī)內(nèi)臂架的兩個(gè)鉸點(diǎn)，OB 長(zhǎng)度為已知，O 坐標(biāo)固定設(shè)定值；（2）BA 為鋪路機(jī)外臂架的兩個(gè)鉸點(diǎn)，BA 長(zhǎng)度為已知，A 坐標(biāo)表示吊具幅度和高度，通過(guò)計(jì)算確定；（3）CD 為鋪路機(jī)內(nèi)臂架變幅油缸的兩個(gè)鉸點(diǎn)，C 坐標(biāo)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，D 相對(duì)于O 點(diǎn)的局部坐標(biāo)為已知固定值；（4）EF 為鋪路機(jī)外臂架變幅油缸的兩個(gè)鉸點(diǎn)，E 坐標(biāo)相對(duì)于O 點(diǎn)的局部坐標(biāo)固定已知，F(xiàn) 相對(duì)于E 點(diǎn)的局部坐標(biāo)為變量，F(xiàn)相對(duì)于B 點(diǎn)的局部坐標(biāo)為固定值；需要求出，當(dāng)A 點(diǎn)坐標(biāo)變動(dòng)，亦即幅度和高度按指定要求變化時(shí)，CD 和EF 長(zhǎng)度如何變化。得知CD 和EF 長(zhǎng)度之后，減去兩個(gè)變幅油缸0 行程時(shí)的長(zhǎng)度，即可得知油缸的行程變化。

計(jì)算思路是，先算出內(nèi)臂架OB 的α 角度，然后通過(guò)各個(gè)已知鉸點(diǎn)坐標(biāo)和算出的α 角度計(jì)算出CD 和EF 長(zhǎng)度，最后推算出2 個(gè)變幅油缸的行程。直接計(jì)算兩個(gè)變幅油缸的行程比較繁瑣，解析式復(fù)雜，故分步進(jìn)行計(jì)算。

（1）角度α 計(jì)算——解析式。

圖3 計(jì)算示意圖

其中：A 為內(nèi)臂架OB 與水平面的夾角；Ax、Ay 為A 鉸點(diǎn)的x、y 坐標(biāo)；Ox、Oy 為O 鉸點(diǎn)的x、y 坐標(biāo)；OB 為內(nèi)臂架OB 兩鉸點(diǎn)間的距離；BA 為外臂架BA 兩鉸點(diǎn)間的距離；OA為鉸點(diǎn)O 和鉸點(diǎn)A 之間的距離。

（2）角度α 的計(jì)算——數(shù)值方法。

其中：fuc（α）為利用牛頓迭代法計(jì)算α 角度值的目標(biāo)函數(shù)；dfuc（α）為fuc 函數(shù)對(duì)自變量α 的導(dǎo)數(shù)函數(shù)。

（3）計(jì)算程序示意。

α=45°//程序設(shè)置角度值，作為數(shù)值算法的初始估算值；

while|fuc(α)|＞0.001//如果大于0.001mm 則程序循環(huán)進(jìn)行；

α=α-fuc(α)/dfuc(α)//程序重新賦值給α 角度值；

returnα//跳出循環(huán)時(shí)，返回α 值；

此時(shí)，返回的α 值為內(nèi)臂架OB 與水平面的夾角值。

（4）計(jì)算CD、EF 值。CD、EF 值為此時(shí)兩個(gè)變幅油缸的兩個(gè)鉸點(diǎn)之間的距離，根據(jù)已計(jì)算出的關(guān)鍵參數(shù)及已知參數(shù)分別計(jì)算出C、D、E、F 全局坐標(biāo)。D 鉸點(diǎn)相對(duì)O 鉸點(diǎn)的局部坐標(biāo)是已知的（ΔDx，ΔDy），可通過(guò)如下轉(zhuǎn)換獲得D點(diǎn)全局坐標(biāo)值：vD=(Ox+Oy·i)+(ΔDx+ΔDy·i)×E^(i·α)，其中i 為虛數(shù)單位，獲得復(fù)數(shù)vD 后取其實(shí)部為Dx，取其虛部為Dy。程序都有對(duì)復(fù)數(shù)操作的內(nèi)置函數(shù)，比如Rz 取實(shí)部，Im 取虛部，arg 獲得向量角度等，E、F 點(diǎn)計(jì)算類(lèi)似D 點(diǎn)，4 點(diǎn)坐標(biāo)算出后，可通過(guò)公式“”計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離。

（5）獲得內(nèi)外臂架油缸行程l1、l2，其中l(wèi)1=EF-外臂架油缸0 行程時(shí)的兩鉸點(diǎn)距離，l2=CD-內(nèi)臂架油缸0 行程時(shí)的兩鉸點(diǎn)距離，從而最終獲得在指定幅度和高度的情況下，兩個(gè)變幅油缸的行程是多少。

3 實(shí)現(xiàn)功能

通過(guò)無(wú)線遙控器手柄及按鈕操作，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制鋪路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟、停，主臂、副臂變幅控制，擺動(dòng)油缸調(diào)平控制，底部回轉(zhuǎn)、吊端回轉(zhuǎn)、吊端升降、吊端縱橫移微調(diào)、真空吸盤(pán)吸合釋放控制等。可通過(guò)遙控器“手動(dòng)/自動(dòng)”選擇開(kāi)關(guān)和位置選擇開(kāi)關(guān)，可使鋪路機(jī)按照上述程序預(yù)設(shè)軌跡路線，自動(dòng)控制鋪路機(jī)變幅油缸行程及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角度，實(shí)現(xiàn)混凝土預(yù)制塊取、放和拼裝過(guò)程的自動(dòng)控制。

3.1 示教模式

當(dāng)遙控器自動(dòng)鋪路選擇開(kāi)關(guān)選擇自動(dòng)時(shí)，首次運(yùn)行時(shí)需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行示教。進(jìn)入示教模式后，先手動(dòng)將鋪路機(jī)吊具移動(dòng)至取料位置，此時(shí)將預(yù)制塊位置選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到0#位置，撥動(dòng)標(biāo)位置標(biāo)零開(kāi)關(guān)（自復(fù)位開(kāi)關(guān)），此時(shí)將預(yù)制塊取料絕對(duì)位置信號(hào)（對(duì)應(yīng)鋪路機(jī)相應(yīng)的回轉(zhuǎn)及變幅角度、吸盤(pán)高度）記憶到PLC 程序里；手動(dòng)操作將鋪路機(jī)吊具移動(dòng)至1#放料位置，撥動(dòng)標(biāo)位置標(biāo)零開(kāi)關(guān)（自復(fù)位開(kāi)關(guān)），此時(shí)將預(yù)制塊放料1#絕對(duì)位置信號(hào)（對(duì)應(yīng)鋪路機(jī)相應(yīng)的回轉(zhuǎn)及變幅角度、吸盤(pán)高度）記憶到PLC 程序里；根據(jù)預(yù)制塊的絕對(duì)寬度尺寸為2m，PLC 程序自動(dòng)計(jì)算預(yù)制塊2#、3#、4#、5#、6#絕對(duì)位置，示教模式結(jié)束。

3.2 鋪設(shè)自動(dòng)運(yùn)行模式

鋪設(shè)作業(yè)自動(dòng)運(yùn)行模式包括取料、放料、自動(dòng)行走工況。

取料工況：當(dāng)遙控器取放料選擇開(kāi)關(guān)選擇自動(dòng)，示教模式結(jié)束后，預(yù)制塊位置選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到0#位置，推動(dòng)主臂手柄左轉(zhuǎn)，鋪路機(jī)將自動(dòng)控制主、副臂架變幅、回轉(zhuǎn)，自動(dòng)控制吊具升降、回轉(zhuǎn)，并自動(dòng)調(diào)平吊具，使吊具吸盤(pán)移至到取料位置，自動(dòng)運(yùn)行的速度根據(jù)手柄推動(dòng)的幅度大小來(lái)調(diào)整，手柄在零位時(shí)，鋪路機(jī)無(wú)動(dòng)作。鋪路機(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，反饋?zhàn)詣?dòng)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)給遙控器，并在遙控器顯示屏上動(dòng)態(tài)顯示；混凝土預(yù)制塊到程序指定位置后，根據(jù)機(jī)器視覺(jué)發(fā)出的定位信號(hào)，自動(dòng)控制真空吸盤(pán)吊具縱橫移微調(diào)，使吊具對(duì)準(zhǔn)預(yù)制塊重心位置，并自動(dòng)控制吸盤(pán)吸合。

放料工況：取料位置吸合成功后，將預(yù)制塊位置選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到1#位置，推動(dòng)主臂手柄右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鋪路機(jī)吊具將自動(dòng)移動(dòng)到程序記憶的1#位置，并自動(dòng)下降吊具到指定高度，到位后自動(dòng)運(yùn)行指示滅，自動(dòng)操作將預(yù)制塊放到1#準(zhǔn)確位置；依次將預(yù)制塊根據(jù)程序設(shè)定的2#、3#、4#、5#、6#位置，鋪路機(jī)將分別自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)位置，放置其余預(yù)制塊。一行預(yù)制塊鋪放完畢后，將旋鈕轉(zhuǎn)至手動(dòng)位置，手動(dòng)操作鋪路機(jī)行走2m，至下一工位，依次循環(huán)。待一行預(yù)制塊鋪設(shè)完畢后，推動(dòng)手柄前進(jìn)（選擇在自動(dòng)位置時(shí)），鋪路機(jī)自動(dòng)將機(jī)構(gòu)動(dòng)作至行走狀態(tài)位置（機(jī)構(gòu)行走狀態(tài)絕對(duì)位置由程序記憶），機(jī)構(gòu)達(dá)到行走狀態(tài)位置后，鋪路機(jī)向前行走，進(jìn)入下一循環(huán)。

可依吊具頭部視覺(jué)傳感器，代替人工判斷預(yù)制塊位置，并將偏差指令傳遞至PLC 程序，程序自動(dòng)微調(diào)調(diào)整偏差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料、自動(dòng)放料。按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)鋪路機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制板的精確定位，實(shí)時(shí)調(diào)整吊具位置姿態(tài)，使其按照裝預(yù)設(shè)路線準(zhǔn)確鋪設(shè)，使鋪設(shè)過(guò)程自動(dòng)化，與傳統(tǒng)汽車(chē)起重機(jī)作業(yè)相比，自動(dòng)化鋪路設(shè)備整個(gè)鋪路過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，對(duì)人員需求量小，且無(wú)工人直接參與鋪路，整個(gè)過(guò)程由技術(shù)人員在監(jiān)控室中完成，安全便捷，提高了勞動(dòng)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。按照正常鋪設(shè)速度，單機(jī)可實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)12m 寬的道路，效率達(dá)每小時(shí)18m，可實(shí)現(xiàn)裝配式道路的快速鋪設(shè)。現(xiàn)雄安新區(qū)建設(shè)已大量推薦采用裝配式道路作為施工臨時(shí)道路，可推廣使用采用智能鋪路機(jī)。