李志平，趙洪華，陳綿鵬

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

0 引言

裝配式建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，不僅推動了建筑材料制造業(yè)施工現(xiàn)場裝配的完善和發(fā)展，同時也促進(jìn)了建筑材料制造業(yè)逐步從人工操作生產(chǎn)占主體轉(zhuǎn)向自動化生產(chǎn)為主體[1-3]。輕質(zhì)擠壓墻板作為常用墻板的一種，其應(yīng)用不僅可以提高建筑物的質(zhì)量，并且在使用的過程中裝配方便，可以極大提高建筑物的施工效率，因此其應(yīng)用量日趨增加[4]。在我國墻板生產(chǎn)這一工業(yè)領(lǐng)域中，還存在自動化水平低、工人工作環(huán)境較差等現(xiàn)象，傳統(tǒng)意義上的多工序人工操作已經(jīng)很難跟上生產(chǎn)發(fā)展的步伐[5]，并且勞動力成本隨著社會的發(fā)展也逐漸提高，這些客觀因素促進(jìn)了墻板生產(chǎn)向自動化方向前進(jìn)與發(fā)展，因此進(jìn)行墻板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研發(fā)具有十分重大的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對傳統(tǒng)澆筑墻板生產(chǎn)不能連續(xù)作業(yè)、勞動強(qiáng)度大、環(huán)境差、效率低等缺點，本文設(shè)計完成的基于PLC控制的自動化生產(chǎn)線可以實現(xiàn)墻板的自動化連續(xù)生產(chǎn)，工作人員只需要進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)設(shè)值設(shè)定，生產(chǎn)線就可以自行完成墻板的生產(chǎn)制造，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且極大改善了勞動環(huán)境、降低了勞動強(qiáng)度。

本文設(shè)計完成的生產(chǎn)線整體系統(tǒng)如圖1所示，通過供料系統(tǒng)和供模系統(tǒng)完成物料和模板的供應(yīng)，在成型系統(tǒng)通過擠壓成型生產(chǎn)出墻板的胚體，經(jīng)過切割系統(tǒng)完成墻板的定長切割，再經(jīng)分離后送至碼垛位進(jìn)行碼垛貯藏處理。

圖1 生產(chǎn)線總體構(gòu)成

2 供料、供模系統(tǒng)設(shè)計

供料、供模系統(tǒng)可以看作是墻板生產(chǎn)的準(zhǔn)備階段，供料系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將各種原料按照一定比例進(jìn)行混合攪拌形成墻板成型所需的物料，然后將物料輸送至成型系統(tǒng)，供料系統(tǒng)可以利用攪拌站來實現(xiàn)，當(dāng)前許多攪拌站可以集稱量、運(yùn)送、貯存、控制于一體，實現(xiàn)原料的準(zhǔn)確配比和攪拌，并且隨著垂直下料計量等技術(shù)的應(yīng)用，攪拌站的生產(chǎn)效率等已達(dá)到很高的水準(zhǔn)[6-7]，因此完全滿足生產(chǎn)線中供料系統(tǒng)的要求。

供模系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將模板送至傳送裝置，再由傳送裝置將模板送至成型系統(tǒng)。其工作可以通過直角坐標(biāo)機(jī)械手來實現(xiàn)，目前直角坐標(biāo)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)十分完善，可以實現(xiàn)規(guī)定時間內(nèi)點到點的準(zhǔn)確移動[8-9]，模板的放置過程可以通過直角坐標(biāo)機(jī)械手很好地完成。

3 成型、切割系統(tǒng)設(shè)計

3.1 成型系統(tǒng)設(shè)計

成型系統(tǒng)的成型過程主要通過擠壓成型機(jī)來實現(xiàn)，其工作示意圖如圖2所示，模板到位后供料系統(tǒng)開始對成型機(jī)進(jìn)行供料，物料落在模板上，通過螺旋推進(jìn)裝置的推進(jìn)作用完成物料的前進(jìn)和擠壓，通過振動裝置的振動作用實現(xiàn)物料的均勻分布以保證墻板各部分的密實度，最終完成墻坯生產(chǎn)。

圖2 成型系統(tǒng)工作示意圖

成型系統(tǒng)的控制設(shè)計如圖3所示，供模系統(tǒng)進(jìn)行模板放置后模板經(jīng)輥子傳動裝置送往成型機(jī)，當(dāng)模板到達(dá)指定位置時觸發(fā)接近開關(guān)，PLC通過驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)控制供料系統(tǒng)的倉門打開，使物料進(jìn)入成型機(jī)中，倉門開啟到極限位置觸發(fā)接近開關(guān)，倉門停止移動，同時PLC通過變頻器驅(qū)動電機(jī)帶動螺旋推進(jìn)裝置進(jìn)行推進(jìn)動作，完成對物料的推進(jìn)和擠壓，通過變頻器驅(qū)動電機(jī)帶動振動裝置進(jìn)行振動動作，完成對物料的勻稱分布和各部分密實度調(diào)節(jié)。

3.2 切割系統(tǒng)設(shè)計

切割系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成墻坯的定長切割，墻坯生產(chǎn)出來后計米輪進(jìn)行長度測量，測量長度達(dá)到預(yù)設(shè)值后啟動切割裝置進(jìn)行切割，切割系統(tǒng)主要由切割小車、夾坯氣缸、夾模氣缸、切割推進(jìn)氣缸、切割電機(jī)、切割裝置組成。切割裝置位于墻坯上方，切割小車的導(dǎo)軌位于墻坯兩側(cè)，要進(jìn)行切割動作時，切割小車帶動整體裝置沿墻坯運(yùn)動方向移動，兩者保持相對靜止，夾坯氣缸和夾模氣缸分別負(fù)責(zé)將墻坯和模板進(jìn)行夾緊，切割電機(jī)帶動切割裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)動，切割推進(jìn)氣缸推動切割裝置完成切割動作，切割完成后小車返回原位。

完成一次切割動作的過程如圖4所示。

圖3 成型系統(tǒng)控制設(shè)計

圖4 單次切割流程圖

3.3 成型、切割系統(tǒng)同步控制設(shè)計

墻板在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，成型過程以及切割過程是分開實現(xiàn)的，在許多半自動化的生產(chǎn)線中對成型、切割兩個過程進(jìn)行了簡單的拼接，但是兩者工作的契合度仍有較大的提升空間。本文采用同步控制器實現(xiàn)兩者的同步控制，其控制過程如圖5所示。

圖5 同步控制設(shè)計

同步控制器由編碼器的反饋作用可以得到電機(jī)實際的速度與位置，通過與設(shè)定值的比較，經(jīng)過一系列內(nèi)部計算，對電機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，最終準(zhǔn)確實現(xiàn)兩者同步運(yùn)動[10]。

3.4 墻板分離控制設(shè)計

墻板切割完成后的運(yùn)送過程中還是緊密相鄰的，這不利于后續(xù)的碼垛等操作，因此在切割完成后設(shè)計如圖6所示的墻板分離裝置，利用各傳動段的速度不同實現(xiàn)墻板的分離。

圖6 墻板分離設(shè)計

在墻板分離的過程中，在第n個墻板的碼垛過程結(jié)束前，第n+1個墻板是不能到達(dá)碼垛位置的，即第n個墻板從臨界傳動段2直至碼垛結(jié)束的時間要小于第n+1個墻板運(yùn)動至臨界碼垛位置的時間：

其中：

L表示切割后墻板的長度；

L2表示傳動段2的長度；

L3表示傳動段3的長度；

v1表示傳動段1的速度；

v2表示傳動段2的速度；

v3表示傳動段3的速度；

T表示單個墻板碼垛的時間。

將式1進(jìn)行化簡可以得到：

墻板的分離是通過傳動段2的加速作用來實現(xiàn)的，因此 v2要大于 v1和 v3：

綜合式（2）、（3）、（4）可以得到各個傳動段的速度之間的關(guān)系，其中T、L都是可以提前確定的，通過PLC-變頻器-電機(jī)的控制思路實現(xiàn)對各傳送段速度的控制即可實現(xiàn)墻板分離裝置動作的完成。

4 結(jié)束語

以基于PLC的墻板生產(chǎn)、切割系統(tǒng)為核心，配合已有的攪拌站系統(tǒng)、直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)實現(xiàn)物料和模板的提供以及后續(xù)成品的碼垛堆放，最終構(gòu)成的生產(chǎn)線可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，極大提高墻板生產(chǎn)的效率。