激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

徐俠

[摘? ? 要]以激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)為研究對象，文章對激光整平機(jī)進(jìn)行了簡單的介紹，闡述分析了激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)架構(gòu)同時(shí)，提出了一些激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定的參考。

[關(guān)鍵詞]激光整平機(jī);機(jī)身;自動調(diào)平升降系統(tǒng);設(shè)計(jì)

[中圖分類號]TU74 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

Design and Analysis of Automatic Leveling and Lifting

system for Laser Leveling Machine Body

Xu Xia

[Abstract]This paper takes the design of automatic leveling and lifting system of laser leveling machine body as the research object. Firstly， it briefly introduces the laser leveling machine， then expounds and analyzes the architecture of automatic leveling and lifting system of laser leveling machine body， and finally puts forward some design points of automatic leveling and lifting system of laser leveling machine body， hoping to provide some reference for relevant research.

[Keywords]laser leveling machine; fuselage; automatic leveling and lifting system; design

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)廠房、大型商場等建筑數(shù)量也在不斷增加，上述建筑均涉及大面積水泥混凝土地面，需要加強(qiáng)對地面質(zhì)量，如強(qiáng)度、平整度、水平度等控制，才能保證相應(yīng)建筑建設(shè)質(zhì)量。而激光整平機(jī)便是為提升混凝土地面的平整度、水平度而生的一種設(shè)備，加強(qiáng)對該設(shè)備機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，對該設(shè)備作用價(jià)值充分發(fā)揮有著重要的意義。

1 激光整平機(jī)概述

激光整平機(jī)是一種用于混凝土快速整平的一種設(shè)備。在混凝土鋪筑施工中，一些建筑物本身對混凝土的平整度有著較高要求。在傳統(tǒng)施工模式下，主要依靠人工方式進(jìn)行混凝土地面整平。其不僅效率低下，而且很容易受各種因素影響，不利于提升整平效果。而激光整平機(jī)的出現(xiàn)，則有效解決了這一問題。該設(shè)備主要利用刮板，將高出的平面部分混凝土推走，并進(jìn)行初步刮平。同時(shí)，利用液壓驅(qū)動的振動器，完成水泥的振搗壓實(shí)，借助整平板，完成水泥混凝土地面的找平工作。整個(gè)過程一氣呵成，不需要人為控制，而是由“激光控制系統(tǒng)+計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”完成自動化控制。因此，整體機(jī)整平的效率更高且不會出現(xiàn)整平人為失誤問題，可以有效保障整平效果。不僅省時(shí)省力，還能節(jié)省約35 %的人工，因此該項(xiàng)機(jī)器設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。

2 激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)架構(gòu)

激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)架構(gòu)組成并不復(fù)雜，主要包括4個(gè)部分：①系統(tǒng)操作控制部分，該部分主要負(fù)責(zé)控制整平機(jī)機(jī)身的上升或者下降兩種狀態(tài);②液壓執(zhí)行回路部分，該部分則是由壓力繼電器、電磁閥以及液壓缸組成，主要負(fù)責(zé)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行控制;③傳感器部分，主要負(fù)責(zé)信息的傳遞。④控制器部分，主要負(fù)責(zé)整平機(jī)運(yùn)行控制。當(dāng)前多數(shù)整平機(jī)應(yīng)用的控制器為飛思卡爾控制器，主控芯片為16位PLC，整個(gè)控制器組成模塊內(nèi)容眾多，如電源模塊、傾角傳感器模塊、模擬量輸入模塊等。

激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，通過操縱按鈕，發(fā)射控制信號，信號在被壓力繼電器接收后，會對液壓支腿狀態(tài)進(jìn)行判斷，并結(jié)合相應(yīng)結(jié)果，將信號傳輸至主控芯片。與此同時(shí)，傾角傳感器會對機(jī)身實(shí)際姿態(tài)進(jìn)行測量，然后將相應(yīng)信號傳輸至主控芯片，最后由主控芯片以接收到的信號為依據(jù)，在相應(yīng)算法的幫助下，獲得輸出信號，并由電磁閥進(jìn)行信號接收，并完成對液流方向的控制，而液壓缸則會做出相應(yīng)的動作，從而實(shí)現(xiàn)整平機(jī)機(jī)身的自動調(diào)平與升降工作。

3 激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 液壓執(zhí)行回路設(shè)計(jì)

激光整平機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，為確保整平功能正常發(fā)揮，須維持機(jī)身穩(wěn)定性。為達(dá)到這一目的，需要采用液壓支腿方式來實(shí)現(xiàn)。液壓支腿有4個(gè)支腿，由此進(jìn)行機(jī)身支撐，有著更好的穩(wěn)定性，不容易出現(xiàn)側(cè)翻。但上述這種支撐方式設(shè)計(jì)也有一定弊端，當(dāng)機(jī)身需要自動調(diào)平時(shí)，4個(gè)支腿動作控制難度更大，尤其是在控制其中3個(gè)支腿，完成機(jī)身位置控制后，受第4個(gè)支腿動作影響，容易損害機(jī)身結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，在4個(gè)支腿結(jié)構(gòu)中，其中兩個(gè)支腿處于并聯(lián)狀態(tài)，更有利于發(fā)揮其穩(wěn)定性優(yōu)勢，相應(yīng)控制難度也更低。

在液壓執(zhí)行回路設(shè)計(jì)時(shí)，如圖1所示，4個(gè)液壓缸具體安裝點(diǎn)在a、b、c、d位置處。左側(cè)支腿液壓缸，具有獨(dú)立控制功能，主要控制兩個(gè)自由度，即圖中的1和2。右側(cè)支腿液壓缸則是并聯(lián)控制，主要控制c、d兩點(diǎn)中點(diǎn)自由度，即圖中的點(diǎn)3。關(guān)于支腿狀態(tài)的檢測，主要由壓力繼電器負(fù)責(zé)。在油壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，會向控制器發(fā)送開關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)支腿狀態(tài)控制。為保障支腿伸出后的穩(wěn)定性，將由雙向液壓鎖將支腿鎖住。針對液壓液流流動方向控制，則由電磁換向閥負(fù)責(zé)，促使液壓缸能夠正確做出相應(yīng)動作。

3.2 傾角傳感器模塊設(shè)計(jì)

傾角傳感器的主要功能是進(jìn)行水平傾角變化量的測量，針對該模塊的設(shè)計(jì)，采用牛頓第二定律作為設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。即在測量系統(tǒng)加速度時(shí)，若已經(jīng)了解初速度大小，便能在積分幫助下，完成線速度計(jì)算，最終以此為依據(jù)得出直線位移量。在傾角傳感器模塊設(shè)計(jì)中，傳感單元采用由飛思卡爾傳感器，該傳感器具體型號為MMA7361。其本身功能十分強(qiáng)大，既可以自由選擇量程，也可以自由選擇靈敏度。當(dāng)量程選擇為±1.5 g時(shí)，靈敏度最高，能夠達(dá)到800m V/g;當(dāng)選擇量程較大時(shí)，如±6 g，靈敏度也能自動做出相應(yīng)調(diào)整，具體的明敏度數(shù)值為206 mV/g。不僅如此，該傳感器在功耗設(shè)計(jì)上也比較低，整體較為輕量，規(guī)格為3 mm×5 mm×1.0 mm。傳感器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，能夠以物體運(yùn)動和方向?yàn)橐罁?jù)，實(shí)現(xiàn)輸出信號電壓值的自由調(diào)整，即物體在沿著某一方向進(jìn)行運(yùn)動時(shí)，輸出電壓便會以運(yùn)動方向?yàn)橐罁?jù)，合理設(shè)置靈敏度，并實(shí)現(xiàn)針輸出電壓的調(diào)整，最終完成傾角檢測。在MMA7361傳感器中，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.3 V，因此在電源管理模塊之中，電壓輸出也要設(shè)置為3.3 V。同時(shí)，在實(shí)際進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，還可以采用MIC5205-3.3BM5芯片，滿足傳感器運(yùn)行電壓需求。

3.3 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

（1）科學(xué)合理地選擇主控芯片型號。在整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平時(shí)，主控信號會實(shí)時(shí)接收機(jī)身傾角信號，隨后還需要進(jìn)行復(fù)雜精密計(jì)算，才能滿足實(shí)際控制要求。基于此，在主控芯片選擇上，必須保證其具有非常高的性能。筆者在本次設(shè)計(jì)選擇中，采用了飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位PLC，該芯片產(chǎn)品屬于MC9S12XS系列產(chǎn)品，不僅有著非常豐富的資源，而且本身集成的模塊功能也比較豐富，如具有計(jì)數(shù)器功能、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能、脈寬調(diào)制功能等。

（2）電源模塊設(shè)計(jì)。在激光整平機(jī)設(shè)計(jì)中，采用了電瓶進(jìn)行電力供應(yīng)，供電電壓為12 V。為保障整體電源供電運(yùn)行的穩(wěn)定性，本次電源模塊設(shè)計(jì)采用了型號為MAX16126電源管理芯片。該芯片功能十分強(qiáng)大，性能也比較優(yōu)良，如電壓保護(hù)范圍為30～90 V。當(dāng)遇到故障問題時(shí)，能夠自動快速切斷電源，直接隔離負(fù)載，保護(hù)機(jī)器安全;能夠自由進(jìn)行欠壓/過壓門限的調(diào)整等。因此即使遇到極端輸入電壓的情況，同樣能夠給予電源良好的保護(hù)。

（3）在本次電路設(shè)計(jì)中，采用了5 V電路，精準(zhǔn)穩(wěn)壓電路電壓為4.5 V。具體來說，在控制器硬件電路中，針對其他集成芯片的運(yùn)行，在實(shí)際進(jìn)行電壓配置時(shí)，統(tǒng)一采用了5 V電壓標(biāo)準(zhǔn)。為保障電壓輸出穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)采用了型號為LM2596S-5.0穩(wěn)壓集成芯片，實(shí)現(xiàn)了輸入電壓轉(zhuǎn)化。該芯片輸入電壓能夠自由調(diào)整，最高能夠達(dá)到37 V，固定輸出電壓維為5 V。不僅如此固定輸出電壓還能夠經(jīng)過低壓精密分流器進(jìn)行調(diào)整，能夠得到4.5 V精準(zhǔn)電壓。這一電壓能夠支持單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。在電路設(shè)計(jì)方面，還進(jìn)行了5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路設(shè)計(jì)，主要目的是為傾角傳感器運(yùn)行提供穩(wěn)定的電壓。

（4）信號輸入電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在實(shí)際進(jìn)行信號輸入時(shí)，主要包括兩種情況：①開關(guān)量信號輸入;②模擬量的信號輸入。開關(guān)量信號輸入共有5路信號輸入內(nèi)容，除了上升與下降兩個(gè)按鈕信號以外，還有3個(gè)壓力繼電器信號。模擬量的信號輸入共有兩路信號輸入內(nèi)容，即兩個(gè)傾角信號輸入。在開關(guān)量輸入信號電力設(shè)計(jì)方面，先使其經(jīng)分壓、濾波、穩(wěn)壓管保護(hù)后，再經(jīng)反相器的控制，輸入CPU中，有利于提高整體的驅(qū)動能力，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠穩(wěn)定性。針對模擬量輸入信號的電力設(shè)計(jì)，先對其進(jìn)行濾波處理，再經(jīng)過同相跟隨器，最后輸入CPU之中。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在實(shí)際進(jìn)行工作時(shí)，主要包括兩大功能：自動調(diào)平功能和升降功能。其具體來說，軟件功能包括檢查支腿狀態(tài)的著地情況;自動進(jìn)行機(jī)身的調(diào)平;自動實(shí)現(xiàn)機(jī)身的升降;保持機(jī)身位置穩(wěn)定性。系統(tǒng)在實(shí)際工作運(yùn)行時(shí)，還會遇到一些不可控的情況，如在實(shí)際進(jìn)行升降調(diào)整時(shí)，受地基過于松軟的情況影響，致使支腿著地不夠充分，從而影響上述功能作用價(jià)值的發(fā)揮。因此，經(jīng)過詳細(xì)分析，確定軟件在功能設(shè)計(jì)方面，需要實(shí)現(xiàn)自動調(diào)平功能、平動升降功能、位置保持等功能。此外，針對一些特殊情況，也需能夠從容應(yīng)對，穩(wěn)定發(fā)揮出系統(tǒng)功能價(jià)值。

（2）程序?qū)崿F(xiàn)。為了能夠順利實(shí)現(xiàn)軟件功能程序，本次采用了基于狀態(tài)機(jī)的程序編程方法。狀態(tài)機(jī)，簡單來說是在某一對象的生命周期內(nèi)，能夠描述其所經(jīng)歷的各種狀態(tài)，同時(shí)針對不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，也能夠進(jìn)行描述的一種模型。狀態(tài)機(jī)實(shí)際包含的狀態(tài)比較有限，在某一時(shí)刻，狀態(tài)機(jī)只能處于某一狀態(tài)之中，不能同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)條件被觸發(fā)時(shí)，狀態(tài)機(jī)會改變自己的狀態(tài)，即從當(dāng)前狀態(tài)遷移到下一個(gè)狀態(tài)，然后執(zhí)行對應(yīng)狀態(tài)的動作。基于此，可以利用狀態(tài)機(jī)這一特點(diǎn)，準(zhǔn)確把握系統(tǒng)控制邏輯，并且在遭遇一些極端情況時(shí)，依然能夠確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)平。系統(tǒng)在輸入信號方面主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：上升按鈕信號（可采用“UP”表示）、下降按鈕信號（可采用“DOWN”表示）、壓力繼電器信號（共有3個(gè)，可分別采用“P1”“P2”“P3”來表示）、傾角信號（可以采用α、β來表示）。同時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)置P=P1&P2&P3，傾斜誤差范圍δ。例如：在實(shí)際進(jìn)行上升時(shí)，過程為例，在按下上升按鈕發(fā)出上升信號后，此時(shí)U=1&D=0，系統(tǒng)會接受相應(yīng)信號信息，并進(jìn)入上升狀態(tài)。

在這一過程中，需要先檢查支腿，確保其充分著地。在檢查通過后，3個(gè)壓力繼電器均會存在相應(yīng)的信號，即P=1。在系統(tǒng)完成上升后，然后系統(tǒng)會進(jìn)行狀態(tài)遷移，從上升遷移至調(diào)平狀態(tài);在完成自動調(diào)平后，如果依然存在上升按鈕信號，即U=1&|α|+|β|≤δ。此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)還會進(jìn)行遷移，轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼由仙隣顟B(tài)。在此期間，如果高度與工作要求相符合，相關(guān)操作人員會將上升按鈕松開，此時(shí)執(zhí)行的邏輯流程為U=0&|α|+|β≤δ），此后上升信號會停止發(fā)送，系統(tǒng)完成狀態(tài)遷移，轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢帽３譅顟B(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)在上升調(diào)平狀態(tài)的過程中，如果某個(gè)支腿壓力繼電器沒有信號輸出，即邏輯程序?yàn)镻=0，系統(tǒng)則會直接進(jìn)行狀態(tài)遷移返回，重新對支腿充分著的狀態(tài)進(jìn)行檢查。只有保證3個(gè)油壓繼電器均有信號，即滿足P=1的邏輯條件，才會重新改變狀態(tài)，將狀態(tài)調(diào)整為上升調(diào)平狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于平動上升狀態(tài)的過程中，如果機(jī)身呈現(xiàn)嚴(yán)重的傾斜且明顯超出了誤差范圍，此時(shí)的邏輯程序表示為U=1&|α|+|β|>δ，則系統(tǒng)會進(jìn)行狀態(tài)遷移，返回最初的自動調(diào)平狀態(tài)，待完成調(diào)平后才會重新進(jìn)入平動上升狀態(tài)。

4 結(jié)束語

激光整平機(jī)機(jī)身自動調(diào)平升降系統(tǒng)是一個(gè)功能較為復(fù)雜的系統(tǒng)，針對該項(xiàng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮諸多內(nèi)容，如系統(tǒng)的整體架構(gòu)、系統(tǒng)的功能特點(diǎn)等。在此基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合實(shí)際，注重加強(qiáng)系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)要點(diǎn)的落實(shí)，如軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)、控制器硬件電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)等，才能更好地保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦海鵬，張帥，黃歡，等，基于STM32的混凝土激光整平機(jī)水平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，現(xiàn)代電子技術(shù)，2020（3）：150-153.