PC 生產線自動布料機研究

姚傳富

（安徽富煌建筑科技有限公司，阜陽 236000）

混凝土預制件（Precast Concrete，PC）生產線是構件工廠用于實現PC 構件支模、布筋、澆筑、振搗、預養和養護作業的流水線[1]。目前，由于布料機不具備精確布料功能，構件工廠一般采用手動按鈕控制布料，影響了生產效率。對布料裝置和控制系統進行深入研究，實現PC 生產線自動精確布料，是裝配式建筑產業工程技術人員必須面對的課題。文章對一種自動布料機構及控制系統進行詳細剖析，以期為行業發展提供助力。

1 布料機機械結構

PC 生產線模臺通常采用雙排滾輪支撐、電動摩擦輪驅動，實現不同工位之間的流動。經過模臺清理、支模、布筋、預埋工序后，模臺移動到布料振搗工位靜停等待布料。為實現均勻布料，布料機必須具備沿生產線流水方向縱向、橫向的運動功能。由于板類和梁柱類構件高度差別較大，布料機還應安裝高度調節機構，以保證布料高度合理。要儲存構件澆筑所需混凝土漿料，需要設置一個容積較大的料斗。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。布料裝置是整個布料機的核心機構。布料結束后，需要清洗料斗，防止漿料黏結料斗內壁影響正常工作。另外，對上述功能的控制需要配備電氣控制系統。

為實現移動精確布料，一臺PC 生產線自動布料機一般由行走機構（包括大車行走機構和小車行走機構）、高度調節機構、混凝土料斗、布料裝置、清洗裝置和電氣控制系統等組成，如圖1 所示。

圖1 自動布料機

1.1 行走機構

行走機構由立柱、橫梁、大車行走機構和小車行走機構組成。立柱和橫梁一般采用HW 系列型鋼制作，4 根立柱沿生產線運行方向布置在模臺兩側，兩端對應的立柱上各架設一根橫梁，橫梁上設有直線運動導軌和齒條。大車架由伺服電機帶動齒輪驅動，通過直線導軌副在橫梁上左右移動，實現大車架沿模臺寬度方向的橫向運動。大車架的縱向橫梁上同樣布設直線運動導軌和齒條，用于小車架的運行導向和驅動，小車架在伺服電機的驅動下實現沿模臺長度方向的縱向運動。布料機主機布置在小車架上，通過控制大小車架的運行方向和位置，配合布料口的開閉時點控制，可以實現均勻布料。

1.2 高度調節機構

布料機工作時，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，過低可能發生機械碰撞，因此布料機必須具備料口高度調節功能。單獨調整布料口高度機構非常復雜，一般將料斗固定在料斗架上進行整體提升。高度調節機構由調整電機、傳動桿、變速箱、梯形螺桿以及梯形螺母組成。驅動電機固定在小車架上，電機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，螺桿轉動時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的固定架。為保證結構強度，料斗采用厚度8 mm 以上鋼板焊接成箱型結構，在料斗的下端內側采用螺栓固定高強度耐磨襯板，防止漿料攪拌和布料過程中長期摩擦導致料斗壁變薄。料斗底部設置T 形落料槽，通過氣缸控制插板組開閉實現布料[2]。

1.4 布料裝置

布料裝置（見圖2）是布料機的核心機構，是實現定量布料的關鍵。布料機構通過料斗兩側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正態分布，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，通過攪拌防止混凝土出現離析或凝固，提高混凝土流動性，便于漿料下落進入布料區。為使堆積在料斗中間的漿料向兩端運動，需要把攪拌螺旋沿料斗長度方向在中間位置設計成兩段，左段螺旋右旋，右段螺旋左旋。攪拌電機通過變速箱帶動攪拌軸旋轉，攪拌螺旋將漿料向兩端推送。

圖2 布料裝置圖

通過攪拌軸實現均勻分布的漿料，沿攪拌軸和料斗壁之間的間隙向下沉落進入下方布料區。為實現精準布料，布料裝置必須具備計量功能。由于布料裝置在料斗內部，通過體積控制較容易實現準確計量。布料機構設計成星型輪，與料斗壁傾斜段之間設置8～10 mm 間隙。星型輪轉動過程中與料斗傾斜度段形成相對密閉的空間體積L，星型輪每轉動一圈將體積為4L的混凝土漿料強制送入落料區。星型輪采用步進電機驅動，通過控制星型輪的轉動圈數，即可實現定量布料。漿料進入落料區后，通過控制落料氣缸的開閉時間、位置和數量，配合布料機與模臺的相對運動，可以將混凝土準確布放到模具中[3]。

1.5 清洗裝置

每個工作班結束后，必須立即沖洗料斗內壁。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

布料控制系統是PC 自動布料機的大腦。要想實現自動布料，首先要解決怎么布的問題，這就需要將構件信息輸入控制系統。控制系統主機具備圖紙識別功能，用戶直接將計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）圖紙輸入控制系統，系統將識別的構件形狀、方量、缺口位置等信息通過編碼器匯編成機器語言，控制布料裝置的開閉時間，實現布料量和布料位置的有效控制。自動控制系統架構如圖3 所示。

圖3 自動控制系統架構

CAD 圖紙輸入識別技術解決了構件信息的獲取問題，對特定的構件建立起一個系統能夠識別的數據模型。但是，混凝土漿料必須布放在模腔內才能夠成型，還需要設立一個系統能夠識別的模具安裝原點位置。PC 生產線模臺運行到布料振搗工位時，光電傳感器發出信號，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制器控制驅動電機斷電，將模臺停駐在布料工位指定位置。在模臺上同樣設置一個布模的原點，一般設在操作者所在位置的左前方。無論生產什么構件，布模時都必須以布模原點作為起始點，這個點位也是布料機布料作業的起始點和復位回歸點。

布料作業開始時，布料機在PLC 系統的控制下，根據識別的構件信息模型，通過計算大車架和小車架步進電機轉數控制布料機相對布料原點的位置，通過控制高度調節電機轉向調整布料口高度，以適應不同的構件高度，通過計算布料電機和布料星型輪轉數控制布料量。在此過程中，攪拌電機低速轉動，改善混凝土漿料狀態的同時把漿料不斷向料斗兩端輸送，保證星型輪計量區始終被漿料充滿，通過電磁閥組控制落料氣缸和落料插板開閉時點，實現混凝土漿料在模腔內精確布料[4]。單個構件布料結束后，布料機回到布料原點，實現一個布料作業循環。布料控制系統具備復位功能，復位后布料機自動回到布料原點位置。

3 布料機發展趨勢

在當今人工智能（Artificial Intelligence，AI）時代，布料機從機械化、自動化向信息化、智能化、智慧化方向發展是必然趨勢。隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術的不斷成熟和全面應用，裝配式建筑構件拆分和構件詳圖設計已經能夠通過BIM 軟件實現，今后可以將BIM 模型直接導入布料機控制系統，省去CAD 圖紙輸入系統后所需的識別編譯過程，簡化控制系統。對于布料量的控制，可以在料斗上加裝質量傳感器，系統自動解算布料體積[5]。隨著機器三維視覺技術的快速發展，將來可在布料機上安裝三維高速數字相機，實時觀測模具位置和布料狀態。布料機根據識別和采集到的布料狀態進行布料過程的自主管理，無須設定布料和支模原點。若遇停電等突發情況導致澆筑過程中斷，重新啟動后系統將無須復位，直接從中斷位置開始繼續澆筑，大幅提高布料機的運行效率。

4 結語

隨著我國裝配式建筑產業的不斷發展，國內PC裝備生產企業對自動布料機進行了深入研究。由于建筑美學和功能要求的不斷提高，裝配式建筑很難實現模數化、標準化設計，導致PC 構件種類繁多、形狀各異，實現自動布料功能仍然面臨很大挑戰。隨著BIM 和AI 技術的迅猛發展，相信在未來一定能夠研發出具備全類別構件自動布料功能的布料機。