單根立，張栩俊，蔣立坤，劉遙臻

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

公路瀝青路面是一種無接縫的連續(xù)式路面，是中國(guó)當(dāng)前較為普遍的路面結(jié)構(gòu)。瀝青路面具有行車平穩(wěn)、舒適、耐磨、振動(dòng)小、噪聲低、養(yǎng)護(hù)維修方便等很多優(yōu)點(diǎn)，在各類公路和城市道路，尤其是高等級(jí)公路中得以廣泛應(yīng)用[1-3]。中國(guó)高速公路的通車?yán)锍桃呀咏?.6萬km，在已通車的高速公路中，瀝青路面占80%以上。目前中國(guó)瀝青砼面層施工大多采用先攤鋪瀝青砼面層，再安裝路緣石的方式，這種方式攤鋪的瀝青砼面層寬度均比設(shè)計(jì)寬度大10～20 mm，安裝路緣石時(shí)再切除多余的瀝青砼面層，既費(fèi)事、費(fèi)時(shí)又增加成本，切下來的瀝青還會(huì)造成材料浪費(fèi)和環(huán)境污染。

瀝青混凝土路面邊模結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，是在瀝青砼面層攤鋪之前，預(yù)先鋪設(shè)在路邊兩端的設(shè)備。它在路的兩邊形成邊界，可以使攤鋪的瀝青邊緣直接成型，從而省去多余的邊部切割作業(yè)。相鄰2個(gè)邊模之間必須相互連接，其示意圖見圖2，并通過2個(gè)釘子固定在地面。

目前瀝青混凝土邊模一般是人工安裝，1 min安裝1條邊模，存在安裝速度慢、安裝順直度差、質(zhì)量低、與瀝青混凝土路面的機(jī)械化施工不配套等缺點(diǎn)[4-6]。而瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)可以進(jìn)行自動(dòng)邊模鋪設(shè)，并保證相鄰2個(gè)邊模掛鉤連接，且用釘子固定安裝在地面，能確保安裝順直度，大幅度地加快瀝青路面的施工速度，縮短施工工期，并且節(jié)約成本和保護(hù)環(huán)境。

1-直體長(zhǎng)條塊；2-底板；3-立板；4-掛鉤；5-外包板；6-弧形槽孔；7-輔助定位卡；8-小立板；A-內(nèi)側(cè)面；B-底面圖1 瀝青混凝土邊模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of asphalt concrete side mode

圖2 瀝青混凝土邊模連接示意圖Fig.2 Connection diagram of asphalt concrete side mode

1 總體結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)主要由車體系統(tǒng)、掛鉤系統(tǒng)、射釘系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成。車體系統(tǒng)主要是由車架、電機(jī)、減速器、電磁離合器、方向軸[7-8]、步進(jìn)電機(jī)、圖像傳感器組成；射釘系統(tǒng)由三坐標(biāo)工作平臺(tái)、執(zhí)行氣缸、射釘槍、定位模塊構(gòu)成；掛鉤系統(tǒng)主要由邊模料倉(cāng)、滑道、各氣缸等組成；PLC控制系統(tǒng)主要由PLC、氣動(dòng)電磁換向閥、光電傳感器組成。其總體結(jié)構(gòu)見圖3。

1-圖像傳感器；2-減震彈簧；3-方向軸；4-步進(jìn)電機(jī)；5-車架；6-電機(jī)；7-減速器；8-電磁離合器；9-PLC；10-X1方向氣缸；11-X2方向氣缸；12-Z方向氣缸；13-Y方向氣缸；14-射釘槍；15-邊模壓緊氣缸1；16-靠模氣缸；17-滑道；18-剎車塊；19-邊模壓緊氣缸2；20-掛鉤壓下氣缸；21-頂起氣缸；22-出料氣缸；23-料倉(cāng)；24-掛鉤氣缸圖3 瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall structure of side mode paving machine

2 工作原理

2.1車體系統(tǒng)工作原理

啟動(dòng)按鈕，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，鋪裝車由前面的圖像傳感器采集并識(shí)別地面畫好的白線并沿線行駛。走到預(yù)定位置，光電傳感器發(fā)出信號(hào)使電磁離合器脫開電機(jī)，且剎車塊伸出，壓緊車輪，鋪裝機(jī)停止行走，掛鉤和射釘系統(tǒng)同時(shí)開始工作。當(dāng)掛鉤和射釘系統(tǒng)工作完一個(gè)周期后，發(fā)出信號(hào)使PLC控制電磁離合器吸合，剎車松開，電機(jī)帶動(dòng)鋪裝機(jī)再次行走。

2.2掛鉤系統(tǒng)工作原理

開機(jī)之前，需預(yù)鋪設(shè)5條邊模。當(dāng)鋪裝機(jī)行走到一定位置停止后，掛鉤系統(tǒng)開始工作。首先邊模壓緊氣缸2伸出，壓緊在滑道上與料倉(cāng)相鄰的邊模，然后出料氣缸伸出，從料倉(cāng)中推出一個(gè)邊模，頂起氣缸伸出，把剛推出的邊模頂起一定高度，隨后掛鉤氣缸伸出，推動(dòng)邊模到前述被壓緊的邊模掛鉤上方，頂起氣缸縮回，邊模由于重力作用而落下，此時(shí)2個(gè)邊模通過掛鉤連接在一起。為了防止2個(gè)邊模連接不實(shí)，掛鉤壓下氣缸伸出，確保2個(gè)邊模連接緊，這時(shí)2個(gè)邊模通過掛鉤完全連接在一起。掛鉤壓下氣缸縮回，出料氣缸縮回，下一個(gè)邊模等待落下，邊模壓緊氣缸縮回，掛鉤系統(tǒng)的一個(gè)周期結(jié)束。

2.3射釘系統(tǒng)工作原理

射釘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4，其主要用于完成兩邊模連接處的射釘作業(yè)，在射釘槍上有定位模塊，可以使得射釘槍準(zhǔn)確地定位在兩邊模連接孔處，并進(jìn)行射釘。

1-架體；2-Z方向氣缸；3-X方向?qū)蜉S；4-X方向氣缸；5-射釘槍架1；6-射釘槍架2；7-導(dǎo)向軸；8-扳機(jī)；9-模具氣缸；10-射釘槍；11-模具；12-X1方向架子；13-軸承架；14-X2方向氣缸；15-導(dǎo)軌；16-Y方向氣缸；17-扳機(jī)氣缸圖4 射釘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Nail system structure diagram

首先2個(gè)靠模氣缸伸出，將邊模推在滑道一邊，然后2個(gè)邊模壓緊氣缸伸出，從上方把邊模壓緊，從而使得需要完成射釘作業(yè)的邊模位置完全固定。定位模塊氣缸Z向伸出帶動(dòng)模塊向下行走，直到定位模塊壓住2個(gè)連接著的邊模底板，X1方向氣缸推動(dòng)模塊移動(dòng)，直到定位模塊的邊頂住小立板，Y方向氣缸推動(dòng)模塊移動(dòng)直到定位模塊的邊頂住輔助定位卡。這時(shí)模塊的一個(gè)釘孔與邊模釘孔完全重合，Z方向氣缸帶動(dòng)射釘槍向下運(yùn)動(dòng)，直到槍頭壓住模塊，扳機(jī)氣缸縮回扣動(dòng)扳機(jī)，射釘槍打下一個(gè)釘，扳機(jī)氣缸伸出。Z方向氣缸帶動(dòng)射釘槍縮回，X2氣缸帶動(dòng)射釘槍移動(dòng)至第2個(gè)釘孔，扳機(jī)氣缸再次縮回，射釘槍打下第2個(gè)釘，然后返回原位置，這時(shí)邊模被固定在路面上。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

3.1自動(dòng)尋跡系統(tǒng)

1-地面標(biāo)線;2-鏡頭光軸;3-等效透鏡中線;4-CCD傳感器;5-電路板;6-插座;7-標(biāo)線的像;8-鏡頭;9-光心;10-地面圖5 測(cè)量系統(tǒng)光路圖Fig.5 Optical path diagram of the measuring system

為了使鋪裝機(jī)跟蹤預(yù)定路線，必須設(shè)置標(biāo)線監(jiān)測(cè)裝置和方向控制機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)線進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)鋪裝機(jī)的行走方向偏離標(biāo)線的時(shí)候能夠自動(dòng)調(diào)整行進(jìn)方向。以車輪位置為控制目標(biāo)，通過閉環(huán)PID自動(dòng)控制完成跟蹤標(biāo)記行走的任務(wù)。應(yīng)用線陣CCD(charge coupled device，電荷耦合器件)圖像傳感器[9-14]，配以圖5所示的光路構(gòu)成標(biāo)線檢測(cè)環(huán)節(jié)，由單片機(jī)比較車輪位置與標(biāo)線的誤差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)以后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)方向控制環(huán)節(jié)調(diào)整運(yùn)行方向，使車輪沿著標(biāo)線行駛，完成自動(dòng)尋跡系統(tǒng)的任務(wù)。選用TCD1206線陣CCD傳感器配合圖5所示的光路，在單片機(jī)P89V51RD2的控制下構(gòu)成標(biāo)線檢測(cè)環(huán)節(jié)。單片機(jī)P89V51RD2同時(shí)還控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)檢測(cè)到的偏差大小和方向，控制電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間和方向，完成自動(dòng)尋跡工作。

為了避免環(huán)境對(duì)CCD圖像傳感器的影響，選用可調(diào)光圈鏡頭，光圈的調(diào)整根據(jù)工作環(huán)境的照度確定。圖像傳感器放置在標(biāo)線的正上方，由于白色與地面的顏色形成亮度差，地面在傳感器上的成像是“黑色”區(qū)域，對(duì)應(yīng)點(diǎn)讀出的數(shù)據(jù)為“0”，標(biāo)線背景圖像是“白色”區(qū)域，對(duì)應(yīng)讀出的數(shù)據(jù)為“1”。

每只TCD1206線陣CCD傳感器有效像素為2 160點(diǎn)，每點(diǎn)尺寸14 μm，總長(zhǎng)度2 160×14 μm=30.24 mm。因此，測(cè)量光路物距與相距之比設(shè)定為1∶10，測(cè)量的分辨率為0.14 mm，也就是CCD傳感器上的每一個(gè)像素點(diǎn)代表標(biāo)線上的0.14 mm長(zhǎng)度。所以測(cè)量范圍在2 160×0.14=302.4 mm以內(nèi),即標(biāo)線應(yīng)該在鏡頭光軸左右150 mm以內(nèi)，可以進(jìn)入傳感器的測(cè)量區(qū)域，超出這個(gè)區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生尋跡失敗問題。當(dāng)鋪裝車進(jìn)入標(biāo)線區(qū)，傳感器位于標(biāo)線正上方時(shí)自動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)尋跡狀態(tài)。單片機(jī)設(shè)定采樣周期為10 ms，根據(jù)偏移誤差控制和矯正鋪裝機(jī)的偏移。

3.2邊模出倉(cāng)系統(tǒng)

瀝青混凝土路面邊模以10個(gè)為1組從下往上疊著放在邊模料倉(cāng)中。邊模料倉(cāng)下方留出空間，保證邊模被氣缸順利推出，邊模料倉(cāng)是由鋼板條焊接而成，邊模料倉(cāng)直接安插在底座上。當(dāng)一個(gè)料倉(cāng)中的10條邊模鋪設(shè)完畢后可很容易地更換料倉(cāng)，從而實(shí)現(xiàn)無間隔鋪裝。

邊模在料倉(cāng)機(jī)構(gòu)中被推出時(shí)需要出倉(cāng)機(jī)構(gòu)的輔助，出倉(cāng)機(jī)構(gòu)整體由軌道、壓塊、滾輪、氣缸和滑動(dòng)輪組成[15-17]。其中滑動(dòng)輪(由軸承代替)放置在導(dǎo)軌上帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，能夠保證滑動(dòng)的流暢性和穩(wěn)定性。滾輪(由軸承代替)固定在壓塊的前端，能夠保證在出倉(cāng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)邊模時(shí)，滾輪接觸邊模，而且在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)中邊模能夠與滾輪呈現(xiàn)滑動(dòng)關(guān)系，從而減少摩擦力。

頂起氣缸通過螺紋連接固定在底座上，通過氣缸的推動(dòng)作用和連桿結(jié)構(gòu)，從而使連桿的頂端作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中當(dāng)氣缸伸出至最大時(shí)，連桿應(yīng)該保證與地面垂直，從而保證將邊模頂起固定的高度。邊模壓緊氣缸和掛鉤壓下氣缸都固定在滑道的正上方，氣缸伸出即可固定邊模。

當(dāng)出料氣缸推出一個(gè)邊模并縮回之后，在料倉(cāng)中的邊模就會(huì)隨著重力的作用而落下，為下一次的出倉(cāng)做好準(zhǔn)備。邊模掛鉤完成后，需要從底座撤離，為下一個(gè)掛鉤動(dòng)作做準(zhǔn)備。在撤離過程中，由于掛鉤處的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個(gè)滑道必須與地面保持10°左右，才能保證邊模離開底座時(shí)不會(huì)脫鉤，而且滑道的出口處與地面的距離需要保證在3 mm內(nèi)。在邊?；龌篮髴?yīng)該保證邊模仍然呈直線滑動(dòng)，因此滑道后面布置兩塊平板。

在滑道的尾部安裝了1個(gè)光電傳感器，用于感應(yīng)并控制鋪裝機(jī)何時(shí)停止。在鋪裝機(jī)開始行走時(shí)，光電傳感器一直貼于滑道上邊模的邊緣。直至鋪裝機(jī)行走了一條邊模的長(zhǎng)度時(shí)，光電傳感器正好位于2個(gè)邊模連接的縫隙處，從而獲得信號(hào)并傳給PLC控制系統(tǒng)，使PLC控制電磁離合器脫開，且讓剎車氣缸伸出，使剎車塊頂住車輪，使鋪裝機(jī)的位置固定，保證邊模出倉(cāng)及射釘能順利完成。

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要用來檢測(cè)傳感器信號(hào)，控制氣動(dòng)電磁換向閥換向，控制電磁離合器以及實(shí)現(xiàn)各氣缸的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)邊模的安裝。控制流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of the control system

5 結(jié) 語

瀝青混凝土路面邊模鋪裝機(jī)采用了自動(dòng)尋跡系統(tǒng)，可自動(dòng)識(shí)別標(biāo)線并沿著標(biāo)線行走，并且自動(dòng)鋪設(shè)安裝邊模。邊模鋪裝速度可達(dá)每分鐘4條，克服了人工安裝邊模速度慢、順直度差等缺點(diǎn)，并能與瀝青攤鋪機(jī)配合使用，加快瀝青混凝土路面邊模鋪裝的速度，提高邊模的鋪裝質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] TAN Yiqiu，CHEN Fengchen，LIU Hao, et al. New approach for calculating permanent deformation in asphalt pavement[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2010，17 (5)：711-715.

[2] SHI Chunxiang，GUO Zhongyin. Mechanical properties of asphalt pavement structure in highway tunnel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University (Science)，2008，13(2)：206-210.

[3] XU Ke，ZHANG Xiaoning. Research on segregation evaluation methods of asphalt pavement based on air voids distribution[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2007，14(4)：548-551.

[4] 李 冰.瀝青混凝土路面施工工藝及機(jī)群協(xié)同作業(yè)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

LI Bing. Asphalt Concrete Pavement Construction Technique and Ground Machinery Coordination Working[D]. Xi′an：Chang′an University，2004.

[5] 劉建蘭.瀝青路面施工專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2003.

LIU Jianlan. The Design and Implementation of Asphalt Pavement Constructing Expert System[D]. Xi′an：Chang′an University，2003.

[6] 石懷榮，胡 娟.叉車減震墊檢測(cè)機(jī)構(gòu)動(dòng)力力學(xué)性能優(yōu)化的設(shè)計(jì)研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(4)：26-29.

SHI Huairong，HU Juan. Optimization design of dynamic performance of forklift shock pad feeler mechanism[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology，2011，32(4)：26-29.

[7] 孫宏兵.現(xiàn)代汽車電控技術(shù)與檢測(cè)探析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2011(10)：24-25.

SUN Hongbing. Modern automotive electronic control technology and test analysis[J]. Autombile Technology，2011(10)：24-25.

[8] 程開富.CCD圖像傳感器的市場(chǎng)與發(fā)展[J].國(guó)外電子元器件，2000(7)：2-7.

CHENG Kaifu. The market analysis and development of CCD image sensor[J]. International Electronic Elements，2000(7)：2-7.

[9] 唐心亮，劉克智，王林鋒.一種高性能全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(1)：52-57.

TANG Xinliang，LIU Kezhi，WANG Linfeng. Design of high-performance fully differential operational amplifier[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology，2012，33(1)：52-57.

[10] 李 勝.基于CCD圖像傳感器的高速圖像采集與傳輸系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

LI Sheng. The Research of Image Sensor of High-speed Image Acquisition and Transmission System Based on CCD[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2012.

[11] 王 慧，余 靜.光電傳感技術(shù)中CCD圖像傳感器的研究[J].科技廣場(chǎng)，2008(7)：226-228.

WANG Hui, YU Jing. The research of the CCD image sensor in photoelectric sensor technology[J].Science Mosaic，2008(7)：226-228.

[12] 徐富新, 申冬玲, 吳承德，等.線陣CCD圖像傳感器的數(shù)據(jù)采集及其電路設(shè)計(jì)[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(2)：51-55.

XU Fuxin, SHEN Dongling, WU Chengde, et al. Data acquisition and circuit design of linear array CCD image sensor[J]. Journal of Natural Science of Hunan Normal University，2007，30(2):51-55.

[13] 楊曉林，尹殊勇.氣動(dòng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2004(4)：19-20.

YANG Xiaolin, YIN Shuyong. The application of pneumatic technology in industrial production[J]. Research & Application of Building Materials，2004(4)：19-20.

[14] 龔肖新.壓入裝置繼電器控制氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2007(6)：32-33.

GONG Xiaoxin. The design of press-in equipment’s pneumatic system controlled by relay[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2007(6)：32-33.

[15] 沈 蟬，路 波，惠偉安.氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[J].流體傳動(dòng)與控制，2011(4)：7-10.

SHEN Chan, LU Bo, HUI Weian. The development and innovation of pneumatic technology[J].Fluid Power Transmission and Control，2011(4)：7-10.

[16] MUNTASER M. Pneumatic, PLC controlled, automotive gear shifting mechanism [J]. Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2010，2(3)：245.

[17] 趙中敏，張秋云，楊 廣.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床電器，2007(2)：37-40.

ZHAO Zhongmin，ZHANG Qiuyun, YANG Guang. The design of PLC control system[J]. Machine Tool Electric Apparatus，2007(2)：37-40.