激光整平機機身自動調平升降系統設計分析

徐俠

[摘? ? 要]以激光整平機機身自動調平升降系統設計為研究對象，文章對激光整平機進行了簡單的介紹，闡述分析了激光整平機機身自動調平升降系統架構同時，提出了一些激光整平機機身自動調平升降系統設計要點，希望能夠為相關研究提供一定的參考。

[關鍵詞]激光整平機;機身;自動調平升降系統;設計

[中圖分類號]TU74 [文獻標志碼]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

隨著城市化進程的不斷加快和現代工業的迅猛發展，現代工業廠房、大型商場等建筑數量也在不斷增加，上述建筑均涉及大面積水泥混凝土地面，需要加強對地面質量，如強度、平整度、水平度等控制，才能保證相應建筑建設質量。而激光整平機便是為提升混凝土地面的平整度、水平度而生的一種設備，加強對該設備機身自動調平升降系統的設計分析，對該設備作用價值充分發揮有著重要的意義。

1 激光整平機概述

激光整平機是一種用于混凝土快速整平的一種設備。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。在傳統施工模式下，主要依靠人工方式進行混凝土地面整平。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。而激光整平機的出現，則有效解決了這一問題。該設備主要利用刮板，將高出的平面部分混凝土推走，并進行初步刮平。同時，利用液壓驅動的振動器，完成水泥的振搗壓實，借助整平板，完成水泥混凝土地面的找平工作。整個過程一氣呵成，不需要人為控制，而是由“激光控制系統+計算機控制系統”完成自動化控制。因此，整體機整平的效率更高且不會出現整平人為失誤問題，可以有效保障整平效果。不僅省時省力，還能節省約35 %的人工，因此該項機器設備在實際生產過程中得到了廣泛應用。

2 激光整平機機身自動調平升降系統架構

激光整平機機身自動調平升降系統架構組成并不復雜，主要包括4個部分：①系統操作控制部分，該部分主要負責控制整平機機身的上升或者下降兩種狀態;②液壓執行回路部分，該部分則是由壓力繼電器、電磁閥以及液壓缸組成，主要負責液壓系統的運行控制;③傳感器部分，主要負責信息的傳遞。④控制器部分，主要負責整平機運行控制。當前多數整平機應用的控制器為飛思卡爾控制器，主控芯片為16位PLC，整個控制器組成模塊內容眾多，如電源模塊、傾角傳感器模塊、模擬量輸入模塊等。

激光整平機機身自動調平升降系統在實際運行時，通過操縱按鈕，發射控制信號，信號在被壓力繼電器接收后，會對液壓支腿狀態進行判斷，并結合相應結果，將信號傳輸至主控芯片。與此同時，傾角傳感器會對機身實際姿態進行測量，然后將相應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，在相應算法的幫助下，獲得輸出信號，并由電磁閥進行信號接收，并完成對液流方向的控制，而液壓缸則會做出相應的動作，從而實現整平機機身的自動調平與升降工作。

3 激光整平機機身自動調平升降系統設計要點

3.1 液壓執行回路設計

激光整平機在實際工作時，為確保整平功能正常發揮，須維持機身穩定性。為達到這一目的，需要采用液壓支腿方式來實現。液壓支腿有4個支腿，由此進行機身支撐，有著更好的穩定性，不容易出現側翻。但上述這種支撐方式設計也有一定弊端，當機身需要自動調平時，4個支腿動作控制難度更大，尤其是在控制其中3個支腿，完成機身位置控制后，受第4個支腿動作影響，容易損害機身結構。與此同時，在4個支腿結構中，其中兩個支腿處于并聯狀態，更有利于發揮其穩定性優勢，相應控制難度也更低。

在液壓執行回路設計時，如圖1所示，4個液壓缸具體安裝點在a、b、c、d位置處。左側支腿液壓缸，具有獨立控制功能，主要控制兩個自由度，即圖中的1和2。右側支腿液壓缸則是并聯控制，主要控制c、d兩點中點自由度，即圖中的點3。關于支腿狀態的檢測，主要由壓力繼電器負責。在油壓達到預先設定值后，會向控制器發送開關信號，實現支腿狀態控制。為保障支腿伸出后的穩定性，將由雙向液壓鎖將支腿鎖住。針對液壓液流流動方向控制，則由電磁換向閥負責，促使液壓缸能夠正確做出相應動作。

3.2 傾角傳感器模塊設計

傾角傳感器的主要功能是進行水平傾角變化量的測量，針對該模塊的設計，采用牛頓第二定律作為設計理論基礎。即在測量系統加速度時，若已經了解初速度大小，便能在積分幫助下，完成線速度計算，最終以此為依據得出直線位移量。在傾角傳感器模塊設計中，傳感單元采用由飛思卡爾傳感器，該傳感器具體型號為MMA7361。其本身功能十分強大，既可以自由選擇量程，也可以自由選擇靈敏度。當量程選擇為±1.5 g時，靈敏度最高，能夠達到800m V/g;當選擇量程較大時，如±6 g，靈敏度也能自動做出相應調整，具體的明敏度數值為206 mV/g。不僅如此，該傳感器在功耗設計上也比較低，整體較為輕量，規格為3 mm×5 mm×1.0 mm。傳感器在實際運行時，能夠以物體運動和方向為依據，實現輸出信號電壓值的自由調整，即物體在沿著某一方向進行運動時，輸出電壓便會以運動方向為依據，合理設置靈敏度，并實現針輸出電壓的調整，最終完成傾角檢測。在MMA7361傳感器中，標準工作電壓為3.3 V，因此在電源管理模塊之中，電壓輸出也要設置為3.3 V。同時，在實際進行模塊設計時，還可以采用MIC5205-3.3BM5芯片，滿足傳感器運行電壓需求。

3.3 控制器硬件電路設計

（1）科學合理地選擇主控芯片型號。在整平機機身自動調平時，主控信號會實時接收機身傾角信號，隨后還需要進行復雜精密計算，才能滿足實際控制要求。基于此，在主控芯片選擇上，必須保證其具有非常高的性能。筆者在本次設計選擇中，采用了飛思卡爾公司生產的16位PLC，該芯片產品屬于MC9S12XS系列產品，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，如具有計數器功能、模數轉換功能、脈寬調制功能等。

（2）電源模塊設計。在激光整平機設計中，采用了電瓶進行電力供應，供電電壓為12 V。為保障整體電源供電運行的穩定性，本次電源模塊設計采用了型號為MAX16126電源管理芯片。該芯片功能十分強大，性能也比較優良，如電壓保護范圍為30～90 V。當遇到故障問題時，能夠自動快速切斷電源，直接隔離負載，保護機器安全;能夠自由進行欠壓/過壓門限的調整等。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。

（3）在本次電路設計中，采用了5 V電路，精準穩壓電路電壓為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行，在實際進行電壓配置時，統一采用了5 V電壓標準。為保障電壓輸出穩定性，本次設計采用了型號為LM2596S-5.0穩壓集成芯片，實現了輸入電壓轉化。該芯片輸入電壓能夠自由調整，最高能夠達到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過低壓精密分流器進行調整，能夠得到4.5 V精準電壓。這一電壓能夠支持單片機內部模數轉換器運行。在電路設計方面，還進行了5 V轉3.3 V電路設計，主要目的是為傾角傳感器運行提供穩定的電壓。

（4）信號輸入電路設計。系統在實際進行信號輸入時，主要包括兩種情況：①開關量信號輸入;②模擬量的信號輸入。開關量信號輸入共有5路信號輸入內容，除了上升與下降兩個按鈕信號以外，還有3個壓力繼電器信號。模擬量的信號輸入共有兩路信號輸入內容，即兩個傾角信號輸入。在開關量輸入信號電力設計方面，先使其經分壓、濾波、穩壓管保護后，再經反相器的控制，輸入CPU中，有利于提高整體的驅動能力，保障系統運行的可靠穩定性。針對模擬量輸入信號的電力設計，先對其進行濾波處理，再經過同相跟隨器，最后輸入CPU之中。

3.4 軟件設計

（1）軟件功能設計。系統在實際進行工作時，主要包括兩大功能：自動調平功能和升降功能。其具體來說，軟件功能包括檢查支腿狀態的著地情況;自動進行機身的調平;自動實現機身的升降;保持機身位置穩定性。系統在實際工作運行時，還會遇到一些不可控的情況，如在實際進行升降調整時，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值的發揮。因此，經過詳細分析，確定軟件在功能設計方面，需要實現自動調平功能、平動升降功能、位置保持等功能。此外，針對一些特殊情況，也需能夠從容應對，穩定發揮出系統功能價值。

（2）程序實現。為了能夠順利實現軟件功能程序，本次采用了基于狀態機的程序編程方法。狀態機，簡單來說是在某一對象的生命周期內，能夠描述其所經歷的各種狀態，同時針對不同狀態間的轉換，也能夠進行描述的一種模型。狀態機實際包含的狀態比較有限，在某一時刻，狀態機只能處于某一狀態之中，不能同時處于多個狀態。當某個條件被觸發時，狀態機會改變自己的狀態，即從當前狀態遷移到下一個狀態，然后執行對應狀態的動作。基于此，可以利用狀態機這一特點，準確把握系統控制邏輯，并且在遭遇一些極端情況時，依然能夠確保系統實現自動調平。系統在輸入信號方面主要包括以下幾點內容：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，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，系統進行如下設置P=P1&P2&P3，傾斜誤差范圍δ。例如：在實際進行上升時，過程為例，在按下上升按鈕發出上升信號后，此時U=1&D=0，系統會接受相應信號信息，并進入上升狀態。

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個壓力繼電器均會存在相應的信號，即P=1。在系統完成上升后，然后系統會進行狀態遷移，從上升遷移至調平狀態;在完成自動調平后，如果依然存在上升按鈕信號，即U=1&|α|+|β|≤δ。此時系統狀態還會進行遷移，轉變為平動上升狀態。在此期間，如果高度與工作要求相符合，相關操作人員會將上升按鈕松開，此時執行的邏輯流程為U=0&|α|+|β≤δ），此后上升信號會停止發送，系統完成狀態遷移，轉變為位置保持狀態。

當系統在上升調平狀態的過程中，如果某個支腿壓力繼電器沒有信號輸出，即邏輯程序為P=0，系統則會直接進行狀態遷移返回，重新對支腿充分著的狀態進行檢查。只有保證3個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，將狀態調整為上升調平狀態。當系統處于平動上升狀態的過程中，如果機身呈現嚴重的傾斜且明顯超出了誤差范圍，此時的邏輯程序表示為U=1&|α|+|β|>δ，則系統會進行狀態遷移，返回最初的自動調平狀態，待完成調平后才會重新進入平動上升狀態。

4 結束語

激光整平機機身自動調平升降系統是一個功能較為復雜的系統，針對該項系統的設計，需要考慮諸多內容，如系統的整體架構、系統的功能特點等。在此基礎上，還需要結合實際，注重加強系統不同設計要點的落實，如軟件設計要點、控制器硬件電路設計要點等，才能更好地保證系統功能穩定發揮。

參考文獻

[1] 秦海鵬，張帥，黃歡，等，基于STM32的混凝土激光整平機水平控制系統設計[J]，現代電子技術，2020（3）：150-153.