混凝土空腔構件自動檢測裝置的研制

吳 曉，郭全明，陳 超，何呂濤

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430200；2.武漢洛特福動力技術有限公司，武漢 430058）

混凝土空腔構件自動檢測裝置的研制

吳 曉1，郭全明1，陳 超1，何呂濤2

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430200；2.武漢洛特福動力技術有限公司，武漢 430058）

混凝土空腔構件具有自重輕、使用靈活、成本低、施工效率高等一系列優點，在國內外得到了廣泛的應用。市場的發展對產品質量提出了更高要求，產品的標準化也將成為發展趨勢，因此，高效率的產品質量檢測技術以及檢測裝備也成為研究熱點。研制了一套混凝土空腔構件的自動檢測裝置，對產品的重量、外形尺寸、上表面平面度、抗壓能力進行測量。對照設計出的三維模型，闡述了關鍵部分的結構和工作原理。按照設計圖紙，制造了樣機，并對裝置的性能進行調試驗證。該檢測裝置可以對不同規格產品進行自動檢測，提高了檢測效率和檢測精度。

混凝土空腔構件；自動檢測；三維模型；樣機

0 引言

混凝土空腔構件，是一種底面由鋼筋混凝土板、上表面和四周側壁由其他硬質材料制成的空心腔體，具備質量輕、薄壁、強度高等優點，適用于大跨度結構的一種新型樓蓋體系[1]，廣泛運用于建筑行業。在實際生產中，對這種空腔構件的質量、外形尺寸、平面度、抗壓能力等性能指標提出了具體的要求。當前某企業在生產中采用手工測量，檢測難度大，測量精度和測量效率低，人力成本高。為此，研制了一套對混凝土空腔構件相關質量指標進行自動檢測和標定裝置。先按照技術要求設置好參數，遵循設定的程序進行檢測，待產品檢測完成之后，在觸摸屏上顯示檢測結果，同時生成檢測報告文件。裝置可實現多種規格的產品檢測，大大提高了檢測效率。

1 檢測裝置總體方案設計

混凝土空腔構件產品的外形尺寸較大，檢測項較多，很難將所有指標集中到一個工位上檢測。先針對工件的具體檢測項設計出機械結構，然后將所有機械結構按照檢測流程集中到一套裝置上。檢測裝置采用SolidWorks三維設計軟件進行參數化實體建模設計，在設計過程中，可直接修改特征模型或關系來實現同種零件不同參數的設計[2]。SolidWorks軟件技術的使用極大地提高了機械零部件的質量標準，并且簡化了機械零部件的生產工藝[3]。此外，利用該軟件可以對產品進行三維可視化裝配，實現產品裝配工藝過程的參數化模擬仿真[4]。

空腔構件自動檢測裝置三維模型設計如圖1所示。整個檢測裝置包括：撓度檢測部分、尺寸檢測部分、位置校準部分、機架、檢測平臺部分、工件輸送部分和稱重部分。其中，工件輸送部分、檢測平臺部分和撓度檢測部分是整個機械結構的核心組成部分。

圖1 空腔構件自動檢測裝置總裝配圖

檢測裝置的工作流程，如圖2所示。將待測工件放置到工件輸送部分上指定位置，安裝在正下方的傳感器檢測到工件后，啟動檢測裝置，工件輸送部分升起，異步電機正轉，輸送鏈開始向前輸送工件至稱重部分所在位置后停止。輸送支撐板下降，工件落在四個壓力傳感器上，此時測量工件的重量。測量完成后，輸送支撐板升起，工件繼續向前輸送至尺寸檢測部分正下方，測量工件的高度，并計算上表面平面度。完成之后，工件被繼續輸送到檢測平臺位置。停止輸送，輸送支撐板下降，待測工件落在檢測平臺上。此時，檢測平臺升起滾筒，通過兩側的位置校準部分對工件進行定位。定位完成之后，檢測平臺的滾筒下降，開始對工件進行撓度測試或破壞性檢測。完成該項測量之后，輸送支撐板升起，輸送鏈反向輸送工件，工件到達尺寸檢測工位后，尺寸檢測部分開始對工件的長度和寬度進行測量。測量完成之后，將工件繼續輸送至卸料位置。到達卸料位置后，輸送鏈條停止輸送，輸送支撐板下降，操作者取走工件。如此，完成一個檢測周期。

圖2 工作流程圖

2 核心部分機械結構設計

2.1 工件輸送部分

工件輸送部分的結構如圖3所示，其功能是將工件輸送到檢測位置，待檢測完成后，再將其送回到初始位置。該部分的主要結構包括：鏈條軌道、異步電機、支撐板連接板、軸承座、主軸、輸送支撐板、連接板安裝板、導柱、氣缸和氣缸安裝板。根據最大工件的尺寸，設計輸送支撐板的長度為2.4m。每對輸送支撐板之間由支撐板連接板固定在一起。每對輸送支撐板之間均固定有鏈條軌道，用于減少輸送鏈的磨損。此外，鏈條導軌可以減少高頻振動的幅度, 從而顯著地減少噪聲水平[5]。考慮到工件的重量，輸送鏈選用小節距的雙排鏈[6]。軸承座固定在輸送支撐板上，用來安裝主軸。異步電機通過鏈條將動力傳遞到主軸，實現工件的輸送動作。異步電機選用200W單相交流電機，額定轉速1350r/min，減速比為25。在異步電機的輸出軸端頭安裝有2000線的增量式光電編碼器，采用光電編碼器作為位置反饋[7]。電機安裝在輸送支撐板上，電機固定支座上設計有兩個用于張緊的螺栓，通過調整異步電機的安裝位置來調整驅動鏈條的松緊程度。在每組輸送支撐板上也設計有張緊裝置，調節張緊輪的位置對鏈條的松邊進行張緊，保證輸送鏈傳動機構正常工作[8]。氣缸的活塞桿固定在連接板安裝板上。當氣缸升起或縮回的時候，利用導柱和導套來導向，四對輸送支撐板實現升起或縮回。

圖3 工件輸送部分結構示意圖

2.2 檢測平臺部分

檢測平臺的結構如圖4所示，用于放置工件，并承受檢測載荷，主要結構包括：滾筒、檢測平臺板、立柱、機架、軸承座、軸承座固定板、氣缸安裝板和氣缸。當被測工件輸送到檢測平臺后，三個氣缸的活塞桿升起，軸承座固定板上升，使得滾筒表面略高出檢測平臺板的上表面，工件即可在滾筒上移動，位置校準部分對被測工件的位置進行校正。當被測工件的位置確認之后，氣缸活塞桿縮回，滾筒下降，工件落到檢測平臺板上。接下來即對工件進行撓度檢測。

圖4 檢測平臺部分結構示意圖

2.3 撓度檢測部分

空腔構件的抗壓能力的檢測是通過檢測其上表面撓度或對其進行破壞性檢測來實現。撓度檢測部分和破壞性檢測部分采用同一結構，如圖5所示，主要包括：電機絲桿導軌機構、氣缸、機架橫梁、位置傳感器、導柱和測壓板。四個小氣缸和一個位于中心的大氣缸，用于對被測工件上表面施加載荷。位置傳感器固定在電機絲桿導軌機構的滑塊上，電機轉動帶動滑塊移動，從而實現對導柱高度的測量。撓度檢測的原理：所需出力的氣缸在低壓狀態時，氣缸的活塞桿伸出，測壓板與被測工件上表面接觸，此時利用位置傳感器測量一次導柱的高度值；然后調整氣壓值至所規定值，再次利用位置傳感器測量一次導柱的高度值。兩次的高度差值作為工件在規定載荷下的撓度值。

圖5 撓度檢測部分結構示意圖

2.4 其余部分結構設計

尺寸檢測部分主要由步進電機、同步帶、同步帶輪、導軌、滑塊、氣缸安裝板、雙軸氣缸、激光傳感器等組成。激光傳感器固定在雙軸氣缸上，用來調整探測距離。同步帶傳動是通過帶齒和輪齒的嚙合傳動動力和運動的，具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優點[9]。當步進電機轉動時，同步帶拖動滑塊在導軌上往復運動，激光傳感器測量數據。

位置校準部分位于檢測平臺兩側。左側的機構是采用氣缸直接推動工件，右側的機構是將兩個氣缸固定在一個含有絲桿副的結構上，對不同規格的工件進行測量時可以通過絲桿調整位置參數，再利用氣缸推動工件。

稱重裝置由四個壓力傳感器組成，位于工件輸送的路徑上，當工件輸送到稱重位置時，輸送部件下降，工件落在壓力傳感器的緩沖墊塊上，對工件進行稱重計算，完成之后，輸送部件上升，繼續輸送到下一工位。

3 樣機制作與調試

按照設計圖紙制造出相關零部件，并進行組裝調整，整個裝置樣機如圖6所示。按下裝置的開機按鈕，打開空氣壓縮機，將氣壓調整到規定值，調整好位置校準部分，檢查各部分結構和元器件是否處于正常狀態。將待測工件放置到指定位置，通過觸摸屏進行直接人機交互操作。設置完各項參數之后，點擊“自動模式”，裝置首先對各部分功能進行自檢。自檢完成，裝置各部分功能處于良好的狀態后，點擊“啟動”，裝置即按照設定的程序對工件開始檢測，觸摸屏測試界面如圖7所示。

圖6 樣機示意圖

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圖7 觸摸屏測試界面

4 結束語

針對混凝土空腔構件的質量指標，研制了一套自動化檢測裝置。通過樣機的調試，驗證了整個裝置結構設計的合理性。對于同種規格的產品，只需對裝置調整一次，便可連續性、批量地進行檢測。此外，解決了在實際生產過程中依靠人工檢測的問題，提高了檢測效率。檢測裝置的結構布局容易改進并推廣使用，對于空腔類產品的檢測具有很大的實用價值。

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WU Xiao1, GUO Quan-ming1, CHEN Chao1, HE Lyu-tao2

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2017-02-25

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吳曉（1972 -），男，湖北紅安人，教授，博士，研究方向為機械設計與制造、微塑性加工技術。