建筑吊頂打孔機的結構設計

盧宏炎 宋贊贊

（河南工業職業技術學院 河南南陽473009）

在建筑裝修領域中，龍骨吊頂越來越被引起重視。傳統裝修領域吊頂打孔是手持沖擊鉆站在施工架上，靠手臂的力量推進打孔。這樣工作效率低，吊孔垂直度低，打孔過程中產生的粉塵對工人身體危害極大，同時還有容易疲勞，存在安全隱患。現在市場上出現了一種打孔機，把沖擊鉆固定在焊接結構上采用氣缸推進打孔，但是結構簡單、穩定性差、升降采用的是氣缸推動，成本過高，沒有實現自動化操作并且施工工期長。

現場越來越需要一種自動化程度高、便捷、高效的打孔機來輔助完成更好的工作。因此創造出一種高效率、自動化程度高、便捷、減少安全隱患的打孔機械，將會很大程度改變傳統吊頂打孔方式的局面。

1 方案設計

1.1 總體結構

打孔車的結構型式為立式，總體結構見圖 1。電鉆固定在主軸上，升降隨主軸，旋轉單獨完成。主軸升降進給和定位由另外電機控制，這個電機不直接承受打孔受力，打孔推力來自于彈簧。通過控制電機正反轉來實現自動完成升降工作循環。打孔車底盤裝有萬向輪轂，通過程序控制輸出脈沖的個數控制減速電機運動。控制電氣裝置安裝在底盤內部。

1.2 多級伸縮桿

手搖式主動齒輪與變速齒輪以及齒條嚙合帶動聯動鏈條運動，使收縮在內部的伸縮桿伸出。當搖伸處于所需要的高度后，剎車齒輪會與剎車閥塊閉合，防止打孔過程中伸縮桿下降。伸縮桿的內置桿長可以滿足現有所需要的打孔高度。考慮到整體結構強度以適應不同的工作環境,兼顧考慮結構的輕便緊湊，選取不同牌號的材料，不同橫截面的幾何形狀，經過拉伸強度，剪切強度，彎曲強度，扭轉強度的理論設計和實驗測試比較，具體見表 1。選定材料牌號為 7A04，橫截面幾何形狀為方管200mm×200mm，如圖2所示，

表1 機械性能指標選取

圖2 多級伸縮桿

1.3 進給機構[1-2]

圖3為主軸及進給裝置的結構圖。主軸可軸向移動，它上下裝有滑動軸承，軸承裝在軸承座內，軸承座固定在機體上，主軸在滑動軸承內上下移動。整個主軸（連同固定環等)被彈簧托住，在彈簧力的作用下始終有上移的趨勢。主軸的軸向限位裝置由殼體、限位螺母、傳動絲桿和調節控制電機等零件組成。

圖3 主軸及進給裝置的結構圖

電機帶動絲桿旋轉，引起限位螺母上下移動（設定最大行程100 mm），控制固定環帶動主軸上下移動。當限位螺母向上移動時，主軸在彈簧力作用下始終保持相對穩定的力向上，主軸頂端固定有電鉆，主軸向上頂住電鉆工作。在限位塊和固定環之間設有接觸開關和延時控制繼電器。調整螺絲，可以推動軸承，用以調整彈簧壓力大小。

2 控制設計

自動循跡打孔：通過單片機中所編寫的程序，控制循跡模塊、步進電機、繼電器、減速電機來實現自動循跡打孔[3]。

循跡模塊的原理：不同的物理表面顏色下紅外線反射的差異特性是紅外線探測法的原理。在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發生漫發射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。傳感器的紅外發射管發射紅外線照射到黑線上被吸收時，紅外接收管處于關斷狀態，紅外線傳感器的指示燈會處于熄滅狀態，模塊輸出高電平；紅外線照射到白色跑道被反射回時，紅外接收管接收到信號處于飽和狀態，此時傳感器的指示燈會處于點亮狀態，模塊輸出低電平。從而小車根據接收到的信號產生的邏輯值自動做出相應的動作，達到實現循跡功能的目的，這里所說不同的物理表面顏色就是施工時在地上鋪設的黑色打孔軌道路線，然后實現自動循跡打孔。

如圖4所示，通過控制系統中單片機寫入的程序，輸出脈沖信號，這時候驅動器就會接收到脈沖信號進行環形分配、功率放大控制步進電機帶動負載進行運動，實現所要求打孔之間的距離。假如所要求的打孔距離是 500 mm，那么只需要在控制系統電路板面板上輸入所要求的參數，那么控制系統中單片機就會輸出相應的脈沖，控制步進電機行駛出500 mm的打孔距離，然后停止。這時候單片機會輸出一個脈沖通過繼電器控制上部減速電機7運動進行打孔，以此類推向下一個500 mm進行打孔。設備運動的快慢，通過單片機寫入的程序控制輸出脈沖的個數，控制角位移量輸入到驅動器控制步進電機運動，通過控制脈沖頻率來控制步進電機的速度和加速度，從而達到步進電機調速行駛快慢的目的。自動控制程序已編寫完成，在此不一一列出。

圖4 循跡打孔控制系統

3 設備的調整和使用

3.1 操作規程

（1）將設備運行到打孔區域，首先調整伸縮桿，初步接近打孔面附近。

（2）為了保證打孔垂直度，底盤四角設有調整螺旋，可調整底盤方位，進行修正；

（3）根據需要的打孔深度，調試控制升降電機所達到的行程；

（4）啟動電鉆和升降電機，主軸上升，開始打孔；

（5）當限位塊和固定環緊密接觸，接觸繼電器控制開始延時，主軸上升運動停止轉為光刀運動，光刀時間一般設置3秒左右，由時間繼電器控制。

（6）光刀時間到后，自動進行退刀，升降電機反轉，控制主軸回到初始位置；

注意事項：

（1）根據打孔墻面硬度大小，適當調整彈簧壓力大小，并調整升降電機速度，防止光刀時刻不準。

（2）各潤滑部位應按時加注潤滑油，設備使用完后應定期進行徹底清洗。

3.2 主要檢查項目及調整

打孔質量[4-5]主要是指打孔位置的精確性和打孔形狀規則，主軸的進給精度直接影響打孔的加工質量，因此主要質量檢查項目為打孔車主軸圓跳動和軸向竄動，通常它們的允差小于 5 mm。另外電鉆固定在主軸上部，是以軸肩作為定位基準，因此要求控制主軸軸肩支承面的端面圓跳動。具體檢查方法簡述如下：

（1）主軸的徑向圓跳動，采用百分表裝置進行檢查，具體方法是將百分表座固定在基體上(圖5(a))，使百分表的測頭垂直接觸主軸的軸頸表面，然后旋轉主軸，通過觀察百分表上讀數變化，即反映主軸徑向圓跳動的大小。

（2）主軸的軸向竄動，檢查方法見圖 5(b)，將百分表座固定在基體上，在主軸端部的中心固定一小鋼球，將百分表的平測頭輕壓在鋼球上，然后旋轉主軸，通過觀察百分表上讀數變化，即反映主軸軸向竄動的大小。

（3）主軸軸肩支承面的端面圓跳動，檢查方法見圖 5(c)。用百分表的測頭輕壓在軸肩支承面上(盡量靠近邊緣處)，旋轉主軸，通過觀察百分表上讀數變化，即為該面的端面圓跳動的大小。

圖5 主要精度檢查簡圖

4 結語

將電鉆固定在主軸上，升降隨主軸，主軸升降進給和定位由另外電機控制，電機不直接承受打孔受力。通過程序控制輸出脈沖的個數控制減速電機運動，實現自動完成工作循環。

目前制造了吊頂打孔機原型樣機，實驗了吊頂打孔機的工作過程，證明該設計方案是有效的。該吊頂打孔機原理可行，不僅解決了傳統人工打孔工作效率低，勞動強度大的問題，而且還可以滿足不同高度打孔的需求，打孔質量有保證，從而大幅提高了建筑裝飾行業技術水平。