PC 生產(chǎn)線自動布料機(jī)研究

姚傳富

（安徽富煌建筑科技有限公司，阜陽 236000）

混凝土預(yù)制件（Precast Concrete，PC）生產(chǎn)線是構(gòu)件工廠用于實(shí)現(xiàn)PC 構(gòu)件支模、布筋、澆筑、振搗、預(yù)養(yǎng)和養(yǎng)護(hù)作業(yè)的流水線[1]。目前，由于布料機(jī)不具備精確布料功能，構(gòu)件工廠一般采用手動按鈕控制布料，影響了生產(chǎn)效率。對布料裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)PC 生產(chǎn)線自動精確布料，是裝配式建筑產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)人員必須面對的課題。文章對一種自動布料機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)剖析，以期為行業(yè)發(fā)展提供助力。

1 布料機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

PC 生產(chǎn)線模臺通常采用雙排滾輪支撐、電動摩擦輪驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)不同工位之間的流動。經(jīng)過模臺清理、支模、布筋、預(yù)埋工序后，模臺移動到布料振搗工位靜停等待布料。為實(shí)現(xiàn)均勻布料，布料機(jī)必須具備沿生產(chǎn)線流水方向縱向、橫向的運(yùn)動功能。由于板類和梁柱類構(gòu)件高度差別較大，布料機(jī)還應(yīng)安裝高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以保證布料高度合理。要儲存構(gòu)件澆筑所需混凝土漿料，需要設(shè)置一個(gè)容積較大的料斗。要把漿料均勻布放到模具中，具備定量布料功能的布料裝置必不可少。布料裝置是整個(gè)布料機(jī)的核心機(jī)構(gòu)。布料結(jié)束后，需要清洗料斗，防止?jié){料黏結(jié)料斗內(nèi)壁影響正常工作。另外，對上述功能的控制需要配備電氣控制系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)移動精確布料，一臺PC 生產(chǎn)線自動布料機(jī)一般由行走機(jī)構(gòu)（包括大車行走機(jī)構(gòu)和小車行走機(jī)構(gòu)）、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、混凝土料斗、布料裝置、清洗裝置和電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 自動布料機(jī)

1.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)由立柱、橫梁、大車行走機(jī)構(gòu)和小車行走機(jī)構(gòu)組成。立柱和橫梁一般采用HW 系列型鋼制作，4 根立柱沿生產(chǎn)線運(yùn)行方向布置在模臺兩側(cè)，兩端對應(yīng)的立柱上各架設(shè)一根橫梁，橫梁上設(shè)有直線運(yùn)動導(dǎo)軌和齒條。大車架由伺服電機(jī)帶動齒輪驅(qū)動，通過直線導(dǎo)軌副在橫梁上左右移動，實(shí)現(xiàn)大車架沿模臺寬度方向的橫向運(yùn)動。大車架的縱向橫梁上同樣布設(shè)直線運(yùn)動導(dǎo)軌和齒條，用于小車架的運(yùn)行導(dǎo)向和驅(qū)動，小車架在伺服電機(jī)的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)沿模臺長度方向的縱向運(yùn)動。布料機(jī)主機(jī)布置在小車架上，通過控制大小車架的運(yùn)行方向和位置，配合布料口的開閉時(shí)點(diǎn)控制，可以實(shí)現(xiàn)均勻布料。

1.2 高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

布料機(jī)工作時(shí)，布料口距模具上邊緣垂直距離一般保持在500 mm 左右，過高會造成漿料飛濺或離析，過低可能發(fā)生機(jī)械碰撞，因此布料機(jī)必須具備料口高度調(diào)節(jié)功能。單獨(dú)調(diào)整布料口高度機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，一般將料斗固定在料斗架上進(jìn)行整體提升。高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由調(diào)整電機(jī)、傳動桿、變速箱、梯形螺桿以及梯形螺母組成。驅(qū)動電機(jī)固定在小車架上，電機(jī)啟動后通過傳動桿將動力傳遞給變速箱，變速箱輸出軸為梯形螺桿，料斗架上焊接固定梯形螺母，螺桿轉(zhuǎn)動時(shí)即可通過梯形螺母帶動料斗架整體升降。

1.3 混凝土料斗

混凝土料斗用來儲存混凝土漿料，是布料裝置和振動電機(jī)的固定架。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，料斗采用厚度8 mm 以上鋼板焊接成箱型結(jié)構(gòu)，在料斗的下端內(nèi)側(cè)采用螺栓固定高強(qiáng)度耐磨襯板，防止?jié){料攪拌和布料過程中長期摩擦導(dǎo)致料斗壁變薄。料斗底部設(shè)置T 形落料槽，通過氣缸控制插板組開閉實(shí)現(xiàn)布料[2]。

1.4 布料裝置

布料裝置（見圖2）是布料機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)定量布料的關(guān)鍵。布料機(jī)構(gòu)通過料斗兩側(cè)的軸承座和變速箱固定。漿料在料斗中一般呈中間高兩端低的準(zhǔn)正態(tài)分布，需要通過攪拌螺旋將漿料向兩端輸送，使得漿料沿料斗長度方向均勻分布。同時(shí)，通過攪拌防止混凝土出現(xiàn)離析或凝固，提高混凝土流動性，便于漿料下落進(jìn)入布料區(qū)。為使堆積在料斗中間的漿料向兩端運(yùn)動，需要把攪拌螺旋沿料斗長度方向在中間位置設(shè)計(jì)成兩段，左段螺旋右旋，右段螺旋左旋。攪拌電機(jī)通過變速箱帶動攪拌軸旋轉(zhuǎn)，攪拌螺旋將漿料向兩端推送。

圖2 布料裝置圖

通過攪拌軸實(shí)現(xiàn)均勻分布的漿料，沿?cái)嚢栎S和料斗壁之間的間隙向下沉落進(jìn)入下方布料區(qū)。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)布料，布料裝置必須具備計(jì)量功能。由于布料裝置在料斗內(nèi)部，通過體積控制較容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量。布料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成星型輪，與料斗壁傾斜段之間設(shè)置8～10 mm 間隙。星型輪轉(zhuǎn)動過程中與料斗傾斜度段形成相對密閉的空間體積L，星型輪每轉(zhuǎn)動一圈將體積為4L的混凝土漿料強(qiáng)制送入落料區(qū)。星型輪采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過控制星型輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)定量布料。漿料進(jìn)入落料區(qū)后，通過控制落料氣缸的開閉時(shí)間、位置和數(shù)量，配合布料機(jī)與模臺的相對運(yùn)動，可以將混凝土準(zhǔn)確布放到模具中[3]。

1.5 清洗裝置

每個(gè)工作班結(jié)束后，必須立即沖洗料斗內(nèi)壁。清洗裝置由噴水管和振動器組成，高壓水流加上振動作用可以去除絕大部分黏附混凝土。構(gòu)件澆筑過程中，若混凝土坍落度過小，落料不暢，需要開啟振動器幫助下料。

2 布料控制系統(tǒng)

布料控制系統(tǒng)是PC 自動布料機(jī)的大腦。要想實(shí)現(xiàn)自動布料，首先要解決怎么布的問題，這就需要將構(gòu)件信息輸入控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主機(jī)具備圖紙識別功能，用戶直接將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）圖紙輸入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將識別的構(gòu)件形狀、方量、缺口位置等信息通過編碼器匯編成機(jī)器語言，控制布料裝置的開閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)布料量和布料位置的有效控制。自動控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 自動控制系統(tǒng)架構(gòu)

CAD 圖紙輸入識別技術(shù)解決了構(gòu)件信息的獲取問題，對特定的構(gòu)件建立起一個(gè)系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)模型。但是，混凝土漿料必須布放在模腔內(nèi)才能夠成型，還需要設(shè)立一個(gè)系統(tǒng)能夠識別的模具安裝原點(diǎn)位置。PC 生產(chǎn)線模臺運(yùn)行到布料振搗工位時(shí)，光電傳感器發(fā)出信號，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制器控制驅(qū)動電機(jī)斷電，將模臺停駐在布料工位指定位置。在模臺上同樣設(shè)置一個(gè)布模的原點(diǎn)，一般設(shè)在操作者所在位置的左前方。無論生產(chǎn)什么構(gòu)件，布模時(shí)都必須以布模原點(diǎn)作為起始點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)位也是布料機(jī)布料作業(yè)的起始點(diǎn)和復(fù)位回歸點(diǎn)。

布料作業(yè)開始時(shí)，布料機(jī)在PLC 系統(tǒng)的控制下，根據(jù)識別的構(gòu)件信息模型，通過計(jì)算大車架和小車架步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)控制布料機(jī)相對布料原點(diǎn)的位置，通過控制高度調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)整布料口高度，以適應(yīng)不同的構(gòu)件高度，通過計(jì)算布料電機(jī)和布料星型輪轉(zhuǎn)數(shù)控制布料量。在此過程中，攪拌電機(jī)低速轉(zhuǎn)動，改善混凝土漿料狀態(tài)的同時(shí)把漿料不斷向料斗兩端輸送，保證星型輪計(jì)量區(qū)始終被漿料充滿，通過電磁閥組控制落料氣缸和落料插板開閉時(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)混凝土漿料在模腔內(nèi)精確布料[4]。單個(gè)構(gòu)件布料結(jié)束后，布料機(jī)回到布料原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)布料作業(yè)循環(huán)。布料控制系統(tǒng)具備復(fù)位功能，復(fù)位后布料機(jī)自動回到布料原點(diǎn)位置。

3 布料機(jī)發(fā)展趨勢

在當(dāng)今人工智能（Artificial Intelligence，AI）時(shí)代，布料機(jī)從機(jī)械化、自動化向信息化、智能化、智慧化方向發(fā)展是必然趨勢。隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的不斷成熟和全面應(yīng)用，裝配式建筑構(gòu)件拆分和構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠通過BIM 軟件實(shí)現(xiàn)，今后可以將BIM 模型直接導(dǎo)入布料機(jī)控制系統(tǒng)，省去CAD 圖紙輸入系統(tǒng)后所需的識別編譯過程，簡化控制系統(tǒng)。對于布料量的控制，可以在料斗上加裝質(zhì)量傳感器，系統(tǒng)自動解算布料體積[5]。隨著機(jī)器三維視覺技術(shù)的快速發(fā)展，將來可在布料機(jī)上安裝三維高速數(shù)字相機(jī)，實(shí)時(shí)觀測模具位置和布料狀態(tài)。布料機(jī)根據(jù)識別和采集到的布料狀態(tài)進(jìn)行布料過程的自主管理，無須設(shè)定布料和支模原點(diǎn)。若遇停電等突發(fā)情況導(dǎo)致澆筑過程中斷，重新啟動后系統(tǒng)將無須復(fù)位，直接從中斷位置開始繼續(xù)澆筑，大幅提高布料機(jī)的運(yùn)行效率。

4 結(jié)語

隨著我國裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)PC裝備生產(chǎn)企業(yè)對自動布料機(jī)進(jìn)行了深入研究。由于建筑美學(xué)和功能要求的不斷提高，裝配式建筑很難實(shí)現(xiàn)模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致PC 構(gòu)件種類繁多、形狀各異，實(shí)現(xiàn)自動布料功能仍然面臨很大挑戰(zhàn)。隨著BIM 和AI 技術(shù)的迅猛發(fā)展，相信在未來一定能夠研發(fā)出具備全類別構(gòu)件自動布料功能的布料機(jī)。