李 冬，李 洋，程洪波，張 珂，吳玉厚

(1.沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

隨著我國經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆建筑方式已經(jīng)不能滿足當前建筑業(yè)的發(fā)展需求，預制混凝土構(gòu)件工廠化生產(chǎn)逐漸成為我國建筑工業(yè)化發(fā)展的重要趨勢[1-3]。此生產(chǎn)方式將對我國預制構(gòu)件生產(chǎn)發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用，同時也為建筑產(chǎn)業(yè)施工方式的巨變奠定基礎(chǔ)[4]。混凝土澆筑成型是預制混凝土構(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輔助完成[5-7]。此布料機的優(yōu)勢在于多個螺旋同時澆筑混凝土進行布料生產(chǎn)，不僅單次布料寬度寬，而且每個螺旋的出料量可調(diào)，配合布料機的行走機構(gòu)，可通過高效、高精度的自動化混凝土澆筑完成預制構(gòu)件生產(chǎn)[8-10]。

在預制混凝土構(gòu)件的澆筑生產(chǎn)過程中，邊模被擺放到底模托盤上送至布料機的澆筑區(qū)域內(nèi)。在每個底模托盤上，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開始澆筑生產(chǎn)的起始位置，即預標定。只有通過預標定確定生產(chǎn)起始點位置，才能根據(jù)設定構(gòu)件尺寸信息和位置數(shù)據(jù)，自動完成托盤上規(guī)定預制構(gòu)件的澆筑生產(chǎn)。由此可見，布料機位置的預標定是實現(xiàn)自動化混凝土布料的前提和基礎(chǔ)，它不僅限制后續(xù)布料流程的自動完成，而且還會影響澆筑在布料區(qū)域內(nèi)的混凝土分布位置，進而影響構(gòu)件重量精度以及人工輔助攤鋪工作量[11-13]。

目前，在預制構(gòu)件混凝土布料生產(chǎn)前，國內(nèi)普遍采用手動控制方式實現(xiàn)布料機位置預標定[14-16]。這種人工標定主要依靠崗位工人在布料區(qū)域旁觀察布料機位置，通過手動控制布料大車和小車來確定布料機起始澆筑生產(chǎn)位置。此方法需設置專門操作人員，占用人力成本多，且布料機定位的精確性依賴人工操作經(jīng)驗。文獻[17]提出了一種基于底模托盤標注和接近開關(guān)的預標定方法，此方法基于托盤在布料區(qū)域的精確定位，并通過在托盤表面標注和測量磁性邊模擺放位置的方式實現(xiàn)布料機預標定，雖然具有布料系統(tǒng)改動小、成本低等優(yōu)點，但會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，筆者以實現(xiàn)混凝土布料機自動預標定為目標，從布料機澆筑生產(chǎn)工藝出發(fā)，搭建布料機預標定系統(tǒng)，奠定布料機的檢測和控制基礎(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，設計布料機的標定方法，并給出了標定步驟,再通過實物驗證了混凝土布料機的預標定效果。研究表明:筆者所設計的預標定方法能夠自動完成布料區(qū)預標定點的確定，可顯著提高當前混凝土布料機的自動化水平和定位效率。

1 混凝土布料預標定問題的提出

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

1.布料機大車；2.布料機小車；3.布料機小車行走的導軌；4.布料機大車行走的導軌；5.布料機料斗；6.配有螺旋的出料口；7.底模托盤；8.邊模。

由圖1可以看到，混凝土布料機實現(xiàn)澆筑生產(chǎn)的主要設備包括布料機大車、布料機小車、出料口及其內(nèi)部配置的螺旋。當布料機開始澆筑生產(chǎn)時，通過布料小車沿X軸方向往復運動，配合多個出料口螺旋的旋轉(zhuǎn)，完成底模托盤上邊模圍成布料區(qū)域的混凝土澆筑。若布料機小車一次行走布料無法完成預制構(gòu)件的澆筑生產(chǎn)，則布料機大車沿Y軸方向調(diào)節(jié)布料機澆筑生產(chǎn)道次，然后由布料機小車再次沿X軸方向運動進行澆筑生產(chǎn)。布料機重復上述澆筑生產(chǎn)過程，直至完成所有布料區(qū)域內(nèi)的混凝土澆筑生產(chǎn)，之后通過更換底模托盤，根據(jù)新的布料區(qū)域分布情況，重復上述過程完成接下來的預制混凝土構(gòu)件澆筑生產(chǎn)[18-20]。

由上述澆筑生產(chǎn)過程可知，布料機自動澆筑的順利完成，不僅需要布料機同時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)實現(xiàn)精確定位，還需要使布料機在這兩個平行平面內(nèi)的坐標同一化。因為每次完成構(gòu)件澆筑生產(chǎn)，邊模圍成布料區(qū)域的位置和大小均會發(fā)生變化，且布料區(qū)域環(huán)境復雜，很難在布料區(qū)平面內(nèi)安裝位置傳感器，指導行走軌道平面內(nèi)的布料機在布料區(qū)域內(nèi)精確定位，所以只能選擇將布料區(qū)域內(nèi)坐標映射到行走軌道平面內(nèi)。若能在自動澆筑生產(chǎn)前，確定圖1中點M在行走軌道平面內(nèi)的坐標位置，則不僅確定了布料機澆筑生產(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M即為預標定點。綜上可知，解決預標定點的確定問題，不僅可使布料區(qū)域平面與行走軌道平面的坐標同一化，也使混凝土布料機自動澆筑成為可能。

2 混凝土布料機預標定系統(tǒng)的搭建

由第1節(jié)可知，預標定點雖然只有一個點，但此點的確定卻需要布料系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位功能以及坐標映射功能，按此需求，對混凝土布料機預標定系統(tǒng)進行搭建。

2.1 混凝土布料機定位功能

為了在行走軌道平面內(nèi)實現(xiàn)布料機定位，設計布料機的大車和小車行走驅(qū)動裝置均采用伺服驅(qū)動裝置，既實現(xiàn)了布料機在X軸和Y軸方向上的位置精確檢測和定位，又可通過伺服驅(qū)動裝置和檢測裝置的默契配合使布料機行走動態(tài)性能達到最優(yōu)。

采用3臺SIEMENS公司的伺服電機作為布料機行走機構(gòu)驅(qū)動電機，且每臺伺服電機配1個該公司的V90伺服驅(qū)動器，它們的驅(qū)動方式為：布料機小車由1套伺服電機和驅(qū)動器來驅(qū)動，布料機大車采用2套伺服電機和驅(qū)動器進行同步驅(qū)動。每臺伺服電機的編碼器選擇絕對式編碼器，輸出值為布料機的絕對位置，即使斷電也不會影響數(shù)據(jù)，無需反復重新調(diào)整零位。上述伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可在伺服驅(qū)動器環(huán)節(jié)構(gòu)成位置閉環(huán)控制，且控制周期短，能提高布料機在X軸和Y軸方向的定位精度。

2.2 布料區(qū)坐標點映射功能

為了將布料區(qū)平面內(nèi)坐標映射到行走軌道平面內(nèi)，可選用開關(guān)量傳感器，其檢測方向與布料區(qū)域平面垂直，設為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料斗側(cè)面鋼板上。此傳感器分辨率可達0.1 mm，而且還具有非常短的響應時間，僅為2.5 ms。通過調(diào)節(jié)傳感器參數(shù)，可檢測到底模托盤上的邊模。

將用于實現(xiàn)坐標映射功能的傳感器與伺服電機的絕對值編碼器相結(jié)合，即可將布料區(qū)平面內(nèi)坐標映射到行走區(qū)平面內(nèi)。具體方法：布料機在行走平面內(nèi)運行，當布料區(qū)域內(nèi)的邊模處于傳感器正下方時，傳感器發(fā)出觸發(fā)信號，同時記錄下布料機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)的具體坐標值，這樣就實現(xiàn)了布料區(qū)坐標點映射功能。

3 布料機預標定方法設計

結(jié)合布料區(qū)域特點，給出預標定點確定原理，在此基礎(chǔ)上，完成混凝土布料機自動預標定過程設計。

3.1 自動預標定原理

由圖1可知，預標定點M是邊模AA與邊模BB的交點，且2個邊模夾角成直角。在布料區(qū)域平面內(nèi)，由邊模AA、邊模BB和預標定點的幾何關(guān)系可知，預標定點M的X軸坐標與邊模AA內(nèi)沿的相同；預標定點M的Y軸坐標與邊模BB內(nèi)沿的相同。因此，只要分別檢測到邊模AA內(nèi)沿的X軸坐標以及邊模BB內(nèi)沿的Y軸坐標，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)，即可確定預標定點M在行走軌道平面內(nèi)坐標。

3.2 自動預標定過程設計

參與布料機自動預標定的主要裝置為布料機大車和小車的伺服驅(qū)動電機，所以在自動預標定開始前，需確定它們的狀態(tài)正常。然后，按照自動預標定原理，對照圖1設計其實現(xiàn)過程：

步驟1：布料機移動至初始固定位置。此初始位置需要使布料機位于非布料區(qū)域外，一般為布料區(qū)域一側(cè)邊緣，同時需要使Z軸方向檢測的傳感器位于Y軸中點位置，以對擺放在不同位置的邊模均能檢測其預標定點。

步驟2：檢測邊模AA。布料機小車帶動布料機沿X軸直行，Z軸方向傳感器開始檢測邊模位置。當邊模AA位于Z軸傳感器正下方時，會觸發(fā)傳感器，控制器控制布料機繼續(xù)沿X軸直行，直至Z軸傳感器觸發(fā)信號消失，此時檢測到是邊模AA的內(nèi)沿，并記錄下此時布料機的X軸位置坐標XJ0。之后控制器控制布料機繼續(xù)前行一段距離后停止，此時Z軸傳感器遠離邊模AA，避免此邊模對之后的標定操作造成干擾。

步驟3：檢測邊模BB。布料機大車帶動布料機沿Y軸移動，使Z軸傳感器移動到邊模BB所在側(cè)布料區(qū)邊緣。然后，令布料機從邊模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，直至Z軸傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號又再次消失為止。這說明Z軸傳感器檢測到邊模BB的內(nèi)沿，令布料機停止運行，并記錄此時布料機的Y軸位置YJ0。

步驟四：計算預標定點?；诓襟E二和步驟三檢測的Z軸傳感器坐標值(XJ0,YJ0)，同時結(jié)合其安裝位置，可得布料機預標定點坐標M(X0,Y0)，如式(1)和式(2)所示。然后令布料機移動到這兩個式子的計算值，完成布料機自動預標定。

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定位X軸和Y軸位置的距離。

4 實驗驗證

在實驗室多螺旋實驗平臺上完成預標定系統(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，按照上節(jié)所設計的自動預標定過程編寫控制程序，并在西門子S7-1500PLC上運行此程序，驗證筆者提出的自動預標定效果。自動預標定過程中，布料機大車、布料機小車和邊模坐標映射觸發(fā)信號如圖3所示。

圖2 多螺旋布料機實驗平臺

圖3 自動預標定運行效果曲線

由圖3(a)～圖3(c)可知，在自動預標定啟動前，布料機大車和小車位置沒有發(fā)生變化，即處于靜止狀態(tài)。自動預標定開始后，立刻設置布料機初始位置(300,300)mm，隨后布料機大車和小車同時向初始位置移動。當布料機大車和小車均到達初始位置后，設置布料機小車目標位置為3 000 mm，使布料機小車帶動布料機沿X軸方向移動。在此過程中，若Z軸傳感器先有觸發(fā)信號，隨后信號消失，則檢測到邊模AA的內(nèi)沿，同時產(chǎn)生記錄邊模AA的觸發(fā)信號，如圖3(d)所示。之后，布料機小車繼續(xù)保持原方向運行100 mm后停車，布料機大車向1 000 mm目標位置運行。當二者均達到目標位置后，令布料機大車沿Y軸坐標減小方向運行，目標位置為200 mm。在此過程中，若Z軸傳感器檢測到邊模BB內(nèi)沿，立刻記錄邊模BB內(nèi)沿Y軸坐標，如圖3(d)所示。布料機大車停車，利用檢測值按照式(1)和式(2)計算出預標定點坐標為(757.95,695.1)mm，并將布料機邊緣布料口定位到預標定點上方，至此，自動實現(xiàn)了預標定所有過程。

為了測試預標定的重復定位精度，在相同環(huán)境下連續(xù)進行10次預標定操作，測量布料機每次到達預標定點的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 預標定軸向定位偏差

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，布料機預標定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X軸向和Y軸向的預標定誤差，計算出每次完成預標定后布料機的實際定位點與理論預標定點之間的直線定位偏差，則10次預標定定位偏差曲線圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，布料機的預標定定位偏差均小于20 mm，最大定位偏差為19.9 mm。從上述實驗效果可以看到，按照筆者設計自動預標定方法，無需操作人員參與，可以一次自動完成預標定點的確定，既避免人工定位不準導致小范圍內(nèi)操作布料機反復定位的發(fā)生，同時也為后期自動澆筑生產(chǎn)流程實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

圖4 預標定定位偏差曲線

5 結(jié) 論

(1)筆者所設計的預標定方法能夠自動完成布料區(qū)預標定點的確定，可顯著提高當前混凝土布料機的自動化水平和定位效率。

(2)混凝土布料機預標定的重復定位偏差均小于20 mm，具有較高的定位精度，能夠滿足布料機的澆筑要求。

(3)筆者所設計的預標定方法對現(xiàn)有設備改動小、易實現(xiàn)，具有較好的推廣價值。