用于桥面板预制生产的新型排振机研究和设计

2021-08-24拾松

机电产品开发与创新 2021年4期

拾松

（上海电气研砼（徐州）重工科技有限公司，江苏徐州 221000）

0 引言

当前国家大力推广装配式建筑，且技术发展愈加成熟，因而装配式桥梁也越发普及，但是生产设备的自动化程度仍然不高，主要工序仍是人工操作，不仅费时费力，且预制件质量水平因人而异，很难做到标准化生产。在桥面板的预制生产工序中，振捣工序尤为重要，直接影响到桥面板的最终质量，过振将引起混凝土分层离析，振捣不足则无法排出气泡，导致混凝土强度下降，本文设计的这种全自动排振机，不但提高了生产效率，而且使得振捣标准化成为可能。

1 机械结构

如图1 所示，排振机由主框架、行走模块、升降排振模块构成。桥面板模台由自动牵引车拖动，按照固定步进距离从排振机下通过，排振机在步进停止间隙完成每一分区的振捣工序。

图1 排振机结构图和侧视图

行走模块主要由行走框架、变频电机、齿轮齿条组成，带动所有升降排振模块相对于桥面板模台水平移动，从而在一定范围内改变振捣棒相对于桥面板模台内钢筋间隙的插入位置，这样配合桥面板模台的步进距离，可以方便适应不同型号桥面板不同距离的钢筋间隙，这种灵活的设计便于日后的调试，也考虑到了甲方可能提出的新要求。

升降排振模块共有4 套，每套都包含1 套升降模块和1 套排振模块。升降模块主要由同步双伺服电缸，升降支架构成，而排振模块安装在升降支架上。排振模块由16根高频振捣棒组成。当行走模块配合桥面板模台运动，使得桥面板钢筋间隙位于振捣棒下方时候，升降模块带动排振模块下降，以快插慢提的工作方式完成对桥面板预制件的振捣。

2 电控设计

本项目设计的排振机电控系统也参照机械设计，分为了行走、升降、排振三模块控制相应的机械模块，共用一台西门子高端PLC 进行逻辑控制，方便程序调试及后期可能出现的电控增删。在实际工作中，首先将一整块桥面板预制件划分为多个振捣区域，将振捣区域数据通过触摸屏输入排振机PLC，在手动调整完毕排振机振捣棒间距后，开始自动排振，排振机PLC 与牵引车PLC 进行数据交换，等待自动牵引车将桥面板模台停在准确排振位置，随后按照程序设计的升降速度、插入深度、振捣频率、振捣次数及振捣时长，完成当前区域的振捣工序，然后命令牵引车步进，开始进行下一区域的振捣工序，如此重复，直至完成整个桥面板的振捣工序，从而加强了振捣工序的质量控制，保证了桥面板预制件的最终质量。

2.1 行走模块电控设计

为便于排振机振捣棒更精准的对准由牵引车拖动的桥面板模台内的钢筋间隙，排振机可以水平在一定范围内移动，由于桥面板钢筋间隙最小只有50mm，而振捣棒直径约30mm，所以排振机行走模块在执行行走动作时误差不能超过10mm，并且考虑日后钢筋设计间隙可能会改为更小数值，所以排振机行走误差控制在2mm，利用变频器控制电机慢速行驶，并结合齿轮齿条预防可能发生的排振机行走轮打滑故障，再利用编码器实时反馈当前行走准确位置给PLC 进行运动控制，实践证明如此电控方式满足精度要求。

2.2 升降模块电控设计

在设计升降模块时，考虑到低惯量伺服电机虽然有着更佳的动态性能，但是双轴同步提升下降运动的设计要点一方面是平稳性，所以选择了SIMOTICS 高惯量伺服电机，使用西门子SINAMICS V90 伺服驱动，二者组成了性能优越，易于使用的伺服系统；另一方面是同步性，所以选择了CPU1515-2PN 高端CPU 作为排振机的主CPU，通过高端CPU 的同步运动功能提高同步性，而且通过PN 通讯可以方便的与V90 伺服驱动进行数据交换，PLC 与众多伺服驱动之间只需要1 根屏蔽网线连接，省去了脉冲串PTO 方式控制伺服驱动的大量硬接线，极大的减少了布线工作量和后期维护难度。

为确保伺服电缸的电气精度足够且不会在控制系统断电后丢失当前位置，伺服电机编码器选用20 位+12 位多圈绝对值编码器；同时因电缸做垂直升降运动，所以伺服电机必须搭配抱闸附件，确保静止状态下轴的稳定性。

2.3 触摸屏设计

为了方便操作工对设备运行状况进行监控，操控及修改参数，排振机选用威纶通MT8102IE 触摸屏作为人机界面，此款触摸屏支持以太网通讯，只需接入排振机的主交换机端口，便可以与CPU1515-2PN 进行数据交换。

2.4 程序设计

排振机操作程序可以在手动操作、部件联动、全自动之间进行切换，手动操作模式下可以控制各个运动元件单独动作，一般是用于调试或者排除故障；部件联动模式下，几个相关联的运动元件一起协作完成部分复杂动作；全自动模式下，排振机自动与模台牵引车协作完成排振工序。

启动全自动排振后，根据数据库信息，排振机水平移动至配合此种型号模台的排振位置，随后排振机PLC 命令牵引车拖动桥面板模台至排振位置1 号位，桥面板模台就位后，排振机根据数据库中记录的1 号区域振捣时长、振捣频率等信息，完成1 号区域的振捣工序，然后命令牵引车拖动桥面板至排振位置2 号位，开始进行2 号区域的振捣工序，如此循环，直至完成整块桥面板的振捣工序后，命令牵引车将桥面板运输至预养窑进行养护。