瀝青混凝土路面邊模鋪裝機的設計

單根立，張栩俊，蔣立坤，劉遙臻

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

公路瀝青路面是一種無接縫的連續式路面，是中國當前較為普遍的路面結構。瀝青路面具有行車平穩、舒適、耐磨、振動小、噪聲低、養護維修方便等很多優點，在各類公路和城市道路，尤其是高等級公路中得以廣泛應用[1-3]。中國高速公路的通車里程已接近9.6萬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計寬度大10～20 mm，安裝路緣石時再切除多余的瀝青砼面層，既費事、費時又增加成本，切下來的瀝青還會造成材料浪費和環境污染。

瀝青混凝土路面邊模結構示意圖見圖1，是在瀝青砼面層攤鋪之前，預先鋪設在路邊兩端的設備。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。相鄰2個邊模之間必須相互連接，其示意圖見圖2，并通過2個釘子固定在地面。

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、質量低、與瀝青混凝土路面的機械化施工不配套等缺點[4-6]。而瀝青混凝土路面邊模鋪裝機可以進行自動邊模鋪設，并保證相鄰2個邊模掛鉤連接，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，并且節約成本和保護環境。

1-直體長條塊；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-內側面；B-底面圖1 瀝青混凝土邊模結構示意圖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 總體結構

瀝青混凝土路面邊模鋪裝機主要由車體系統、掛鉤系統、射釘系統、PLC控制系統構成。車體系統主要是由車架、電機、減速器、電磁離合器、方向軸[7-8]、步進電機、圖像傳感器組成；射釘系統由三坐標工作平臺、執行氣缸、射釘槍、定位模塊構成；掛鉤系統主要由邊模料倉、滑道、各氣缸等組成；PLC控制系統主要由PLC、氣動電磁換向閥、光電傳感器組成。其總體結構見圖3。

1-圖像傳感器；2-減震彈簧；3-方向軸；4-步進電機；5-車架；6-電機；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；24-掛鉤氣缸圖3 瀝青混凝土路面邊模鋪裝機總體結構圖Fig.3 Overall structure of side mode paving machine

2 工作原理

2.1車體系統工作原理

啟動按鈕，電機開始運轉，鋪裝車由前面的圖像傳感器采集并識別地面畫好的白線并沿線行駛。走到預定位置，光電傳感器發出信號使電磁離合器脫開電機，且剎車塊伸出，壓緊車輪，鋪裝機停止行走，掛鉤和射釘系統同時開始工作。當掛鉤和射釘系統工作完一個周期后，發出信號使PLC控制電磁離合器吸合，剎車松開，電機帶動鋪裝機再次行走。

2.2掛鉤系統工作原理

開機之前，需預鋪設5條邊模。當鋪裝機行走到一定位置停止后，掛鉤系統開始工作。首先邊模壓緊氣缸2伸出，壓緊在滑道上與料倉相鄰的邊模，然后出料氣缸伸出，從料倉中推出一個邊模，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2個邊模通過掛鉤連接在一起。為了防止2個邊模連接不實，掛鉤壓下氣缸伸出，確保2個邊模連接緊，這時2個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，下一個邊模等待落下，邊模壓緊氣缸縮回，掛鉤系統的一個周期結束。

2.3射釘系統工作原理

射釘系統結構圖見圖4，其主要用于完成兩邊模連接處的射釘作業，在射釘槍上有定位模塊，可以使得射釘槍準確地定位在兩邊模連接孔處，并進行射釘。

1-架體；2-Z方向氣缸；3-X方向導向軸；4-X方向氣缸；5-射釘槍架1；6-射釘槍架2；7-導向軸；8-扳機；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-導軌；16-Y方向氣缸；17-扳機氣缸圖4 射釘系統結構圖Fig.4 Nail system structure diagram

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

3 關鍵結構系統

3.1自動尋跡系統

1-地面標線;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-標線的像;8-鏡頭;9-光心;10-地面圖5 測量系統光路圖Fig.5 Optical path diagram of the measuring system

為了使鋪裝機跟蹤預定路線，必須設置標線監測裝置和方向控制機構對標線進行實時測量，當鋪裝機的行走方向偏離標線的時候能夠自動調整行進方向。以車輪位置為控制目標，通過閉環PID自動控制完成跟蹤標記行走的任務。應用線陣CCD(charge coupled device，電荷耦合器件)圖像傳感器[9-14]，配以圖5所示的光路構成標線檢測環節，由單片機比較車輪位置與標線的誤差，經PID調節以后驅動電機，帶動方向控制環節調整運行方向，使車輪沿著標線行駛，完成自動尋跡系統的任務。選用TCD1206線陣CCD傳感器配合圖5所示的光路，在單片機P89V51RD2的控制下構成標線檢測環節。單片機P89V51RD2同時還控制步進電機的轉動，根據檢測到的偏差大小和方向，控制電機運行的時間和方向，完成自動尋跡工作。

為了避免環境對CCD圖像傳感器的影響，選用可調光圈鏡頭，光圈的調整根據工作環境的照度確定。圖像傳感器放置在標線的正上方，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”區域，對應點讀出的數據為“0”，標線背景圖像是“白色”區域，對應讀出的數據為“1”。

每只TCD1206線陣CCD傳感器有效像素為2 160點，每點尺寸14 μm，總長度2 160×14 μm=30.24 mm。因此，測量光路物距與相距之比設定為1∶10，測量的分辨率為0.14 mm，也就是CCD傳感器上的每一個像素點代表標線上的0.14 mm長度。所以測量范圍在2 160×0.14=302.4 mm以內,即標線應該在鏡頭光軸左右150 mm以內，可以進入傳感器的測量區域，超出這個區域將會發生尋跡失敗問題。當鋪裝車進入標線區，傳感器位于標線正上方時自動進入閉環尋跡狀態。單片機設定采樣周期為10 ms，根據偏移誤差控制和矯正鋪裝機的偏移。

3.2邊模出倉系統

瀝青混凝土路面邊模以10個為1組從下往上疊著放在邊模料倉中。邊模料倉下方留出空間，保證邊模被氣缸順利推出，邊模料倉是由鋼板條焊接而成，邊模料倉直接安插在底座上。當一個料倉中的10條邊模鋪設完畢后可很容易地更換料倉，從而實現無間隔鋪裝。

邊模在料倉機構中被推出時需要出倉機構的輔助，出倉機構整體由軌道、壓塊、滾輪、氣缸和滑動輪組成[15-17]。其中滑動輪(由軸承代替)放置在導軌上帶動整個機構的運動，能夠保證滑動的流暢性和穩定性。滾輪(由軸承代替)固定在壓塊的前端，能夠保證在出倉機構推動邊模時，滾輪接觸邊模，而且在后續的運動中邊模能夠與滾輪呈現滑動關系，從而減少摩擦力。

頂起氣缸通過螺紋連接固定在底座上，通過氣缸的推動作用和連桿結構，從而使連桿的頂端作往復運動，在往復運動中當氣缸伸出至最大時，連桿應該保證與地面垂直，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。

當出料氣缸推出一個邊模并縮回之后，在料倉中的邊模就會隨著重力的作用而落下，為下一次的出倉做好準備。邊模掛鉤完成后，需要從底座撤離，為下一個掛鉤動作做準備。在撤離過程中，由于掛鉤處的特殊結構，導致整個滑道必須與地面保持10°左右，才能保證邊模離開底座時不會脫鉤，而且滑道的出口處與地面的距離需要保證在3 mm內。在邊模滑出滑道后應該保證邊模仍然呈直線滑動，因此滑道后面布置兩塊平板。

在滑道的尾部安裝了1個光電傳感器，用于感應并控制鋪裝機何時停止。在鋪裝機開始行走時，光電傳感器一直貼于滑道上邊模的邊緣。直至鋪裝機行走了一條邊模的長度時，光電傳感器正好位于2個邊模連接的縫隙處，從而獲得信號并傳給PLC控制系統，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，使鋪裝機的位置固定，保證邊模出倉及射釘能順利完成。

4 PLC控制系統

PLC控制系統主要用來檢測傳感器信號，控制氣動電磁換向閥換向，控制電磁離合器以及實現各氣缸的伸縮，從而實現邊模的安裝。控制流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統流程圖Fig.6 Flow chart of the control system

5 結 語

瀝青混凝土路面邊模鋪裝機采用了自動尋跡系統，可自動識別標線并沿著標線行走，并且自動鋪設安裝邊模。邊模鋪裝速度可達每分鐘4條，克服了人工安裝邊模速度慢、順直度差等缺點，并能與瀝青攤鋪機配合使用，加快瀝青混凝土路面邊模鋪裝的速度，提高邊模的鋪裝質量。

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