沥青混凝土路面边模铺装机的设计

单根立，张栩俊，蒋立坤，刘遥臻

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

公路沥青路面是一种无接缝的连续式路面，是中国当前较为普遍的路面结构。沥青路面具有行车平稳、舒适、耐磨、振动小、噪声低、养护维修方便等很多优点，在各类公路和城市道路，尤其是高等级公路中得以广泛应用[1-3]。中国高速公路的通车里程已接近9.6万km，在已通车的高速公路中，沥青路面占80%以上。目前中国沥青砼面层施工大多采用先摊铺沥青砼面层，再安装路缘石的方式，这种方式摊铺的沥青砼面层宽度均比设计宽度大10～20 mm，安装路缘石时再切除多余的沥青砼面层，既费事、费时又增加成本，切下来的沥青还会造成材料浪费和环境污染。

沥青混凝土路面边模结构示意图见图1，是在沥青砼面层摊铺之前，预先铺设在路边两端的设备。它在路的两边形成边界，可以使摊铺的沥青边缘直接成型，从而省去多余的边部切割作业。相邻2个边模之间必须相互连接，其示意图见图2，并通过2个钉子固定在地面。

目前沥青混凝土边模一般是人工安装，1 min安装1条边模，存在安装速度慢、安装顺直度差、质量低、与沥青混凝土路面的机械化施工不配套等缺点[4-6]。而沥青混凝土路面边模铺装机可以进行自动边模铺设，并保证相邻2个边模挂钩连接，且用钉子固定安装在地面，能确保安装顺直度，大幅度地加快沥青路面的施工速度，缩短施工工期，并且节约成本和保护环境。

1-直体长条块；2-底板；3-立板；4-挂钩；5-外包板；6-弧形槽孔；7-辅助定位卡；8-小立板；A-内侧面；B-底面图1 沥青混凝土边模结构示意图Fig.1 Structure diagram of asphalt concrete side mode

图2 沥青混凝土边模连接示意图Fig.2 Connection diagram of asphalt concrete side mode

1 总体结构

沥青混凝土路面边模铺装机主要由车体系统、挂钩系统、射钉系统、PLC控制系统构成。车体系统主要是由车架、电机、减速器、电磁离合器、方向轴[7-8]、步进电机、图像传感器组成；射钉系统由三坐标工作平台、执行气缸、射钉枪、定位模块构成；挂钩系统主要由边模料仓、滑道、各气缸等组成；PLC控制系统主要由PLC、气动电磁换向阀、光电传感器组成。其总体结构见图3。

1-图像传感器；2-减震弹簧；3-方向轴；4-步进电机；5-车架；6-电机；7-减速器；8-电磁离合器；9-PLC；10-X1方向气缸；11-X2方向气缸；12-Z方向气缸；13-Y方向气缸；14-射钉枪；15-边模压紧气缸1；16-靠模气缸；17-滑道；18-刹车块；19-边模压紧气缸2；20-挂钩压下气缸；21-顶起气缸；22-出料气缸；23-料仓；24-挂钩气缸图3 沥青混凝土路面边模铺装机总体结构图Fig.3 Overall structure of side mode paving machine

2 工作原理

2.1车体系统工作原理

启动按钮，电机开始运转，铺装车由前面的图像传感器采集并识别地面画好的白线并沿线行驶。走到预定位置，光电传感器发出信号使电磁离合器脱开电机，且刹车块伸出，压紧车轮，铺装机停止行走，挂钩和射钉系统同时开始工作。当挂钩和射钉系统工作完一个周期后，发出信号使PLC控制电磁离合器吸合，刹车松开，电机带动铺装机再次行走。

2.2挂钩系统工作原理

开机之前，需预铺设5条边模。当铺装机行走到一定位置停止后，挂钩系统开始工作。首先边模压紧气缸2伸出，压紧在滑道上与料仓相邻的边模，然后出料气缸伸出，从料仓中推出一个边模，顶起气缸伸出，把刚推出的边模顶起一定高度，随后挂钩气缸伸出，推动边模到前述被压紧的边模挂钩上方，顶起气缸缩回，边模由于重力作用而落下，此时2个边模通过挂钩连接在一起。为了防止2个边模连接不实，挂钩压下气缸伸出，确保2个边模连接紧，这时2个边模通过挂钩完全连接在一起。挂钩压下气缸缩回，出料气缸缩回，下一个边模等待落下，边模压紧气缸缩回，挂钩系统的一个周期结束。

2.3射钉系统工作原理

射钉系统结构图见图4，其主要用于完成两边模连接处的射钉作业，在射钉枪上有定位模块，可以使得射钉枪准确地定位在两边模连接孔处，并进行射钉。

1-架体；2-Z方向气缸；3-X方向导向轴；4-X方向气缸；5-射钉枪架1；6-射钉枪架2；7-导向轴；8-扳机；9-模具气缸；10-射钉枪；11-模具；12-X1方向架子；13-轴承架；14-X2方向气缸；15-导轨；16-Y方向气缸；17-扳机气缸图4 射钉系统结构图Fig.4 Nail system structure diagram

首先2个靠模气缸伸出，将边模推在滑道一边，然后2个边模压紧气缸伸出，从上方把边模压紧，从而使得需要完成射钉作业的边模位置完全固定。定位模块气缸Z向伸出带动模块向下行走，直到定位模块压住2个连接着的边模底板，X1方向气缸推动模块移动，直到定位模块的边顶住小立板，Y方向气缸推动模块移动直到定位模块的边顶住辅助定位卡。这时模块的一个钉孔与边模钉孔完全重合，Z方向气缸带动射钉枪向下运动，直到枪头压住模块，扳机气缸缩回扣动扳机，射钉枪打下一个钉，扳机气缸伸出。Z方向气缸带动射钉枪缩回，X2气缸带动射钉枪移动至第2个钉孔，扳机气缸再次缩回，射钉枪打下第2个钉，然后返回原位置，这时边模被固定在路面上。

3 关键结构系统

3.1自动寻迹系统

1-地面标线;2-镜头光轴;3-等效透镜中线;4-CCD传感器;5-电路板;6-插座;7-标线的像;8-镜头;9-光心;10-地面图5 测量系统光路图Fig.5 Optical path diagram of the measuring system

为了使铺装机跟踪预定路线，必须设置标线监测装置和方向控制机构对标线进行实时测量，当铺装机的行走方向偏离标线的时候能够自动调整行进方向。以车轮位置为控制目标，通过闭环PID自动控制完成跟踪标记行走的任务。应用线阵CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)图像传感器[9-14]，配以图5所示的光路构成标线检测环节，由单片机比较车轮位置与标线的误差，经PID调节以后驱动电机，带动方向控制环节调整运行方向，使车轮沿着标线行驶，完成自动寻迹系统的任务。选用TCD1206线阵CCD传感器配合图5所示的光路，在单片机P89V51RD2的控制下构成标线检测环节。单片机P89V51RD2同时还控制步进电机的转动，根据检测到的偏差大小和方向，控制电机运行的时间和方向，完成自动寻迹工作。

为了避免环境对CCD图像传感器的影响，选用可调光圈镜头，光圈的调整根据工作环境的照度确定。图像传感器放置在标线的正上方，由于白色与地面的颜色形成亮度差，地面在传感器上的成像是“黑色”区域，对应点读出的数据为“0”，标线背景图像是“白色”区域，对应读出的数据为“1”。

每只TCD1206线阵CCD传感器有效像素为2 160点，每点尺寸14 μm，总长度2 160×14 μm=30.24 mm。因此，测量光路物距与相距之比设定为1∶10，测量的分辨率为0.14 mm，也就是CCD传感器上的每一个像素点代表标线上的0.14 mm长度。所以测量范围在2 160×0.14=302.4 mm以内,即标线应该在镜头光轴左右150 mm以内，可以进入传感器的测量区域，超出这个区域将会发生寻迹失败问题。当铺装车进入标线区，传感器位于标线正上方时自动进入闭环寻迹状态。单片机设定采样周期为10 ms，根据偏移误差控制和矫正铺装机的偏移。

3.2边模出仓系统

沥青混凝土路面边模以10个为1组从下往上叠着放在边模料仓中。边模料仓下方留出空间，保证边模被气缸顺利推出，边模料仓是由钢板条焊接而成，边模料仓直接安插在底座上。当一个料仓中的10条边模铺设完毕后可很容易地更换料仓，从而实现无间隔铺装。

边模在料仓机构中被推出时需要出仓机构的辅助，出仓机构整体由轨道、压块、滚轮、气缸和滑动轮组成[15-17]。其中滑动轮(由轴承代替)放置在导轨上带动整个机构的运动，能够保证滑动的流畅性和稳定性。滚轮(由轴承代替)固定在压块的前端，能够保证在出仓机构推动边模时，滚轮接触边模，而且在后续的运动中边模能够与滚轮呈现滑动关系，从而减少摩擦力。

顶起气缸通过螺纹连接固定在底座上，通过气缸的推动作用和连杆结构，从而使连杆的顶端作往复运动，在往复运动中当气缸伸出至最大时，连杆应该保证与地面垂直，从而保证将边模顶起固定的高度。边模压紧气缸和挂钩压下气缸都固定在滑道的正上方，气缸伸出即可固定边模。

当出料气缸推出一个边模并缩回之后，在料仓中的边模就会随着重力的作用而落下，为下一次的出仓做好准备。边模挂钩完成后，需要从底座撤离，为下一个挂钩动作做准备。在撤离过程中，由于挂钩处的特殊结构，导致整个滑道必须与地面保持10°左右，才能保证边模离开底座时不会脱钩，而且滑道的出口处与地面的距离需要保证在3 mm内。在边模滑出滑道后应该保证边模仍然呈直线滑动，因此滑道后面布置两块平板。

在滑道的尾部安装了1个光电传感器，用于感应并控制铺装机何时停止。在铺装机开始行走时，光电传感器一直贴于滑道上边模的边缘。直至铺装机行走了一条边模的长度时，光电传感器正好位于2个边模连接的缝隙处，从而获得信号并传给PLC控制系统，使PLC控制电磁离合器脱开，且让刹车气缸伸出，使刹车块顶住车轮，使铺装机的位置固定，保证边模出仓及射钉能顺利完成。

4 PLC控制系统

PLC控制系统主要用来检测传感器信号，控制气动电磁换向阀换向，控制电磁离合器以及实现各气缸的伸缩，从而实现边模的安装。控制流程图如图6所示。

图6 控制系统流程图Fig.6 Flow chart of the control system

5 结 语

沥青混凝土路面边模铺装机采用了自动寻迹系统，可自动识别标线并沿着标线行走，并且自动铺设安装边模。边模铺装速度可达每分钟4条，克服了人工安装边模速度慢、顺直度差等缺点，并能与沥青摊铺机配合使用，加快沥青混凝土路面边模铺装的速度，提高边模的铺装质量。

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