Автоматизация опалубочных работ в монолитном строительстве

При возведении высотных монолитных зданий и сооружения при помощи переставных и скользящих опалубок требуется осуществление контроля за состоянием и положением формовочного оборудования, а также проведение работ, обеспечивающих их геометрию. Задачи автоматизации контроля подъема опалубок и принципы построения аппаратуры определяются видом используемой опалубки и формой возводимого сооружения. Наиболее эффективным является применение в системах автоматизации лазерных приборов вертикального проектирования, задающих с помощью лазерного луча вертикальные оси и передающих координаты в вертикальной плоскости. Лазерный прибор ЛЗ устанавливается у основания сооружения, а фотоизмерительное устройство ИСД крепится к рабочему полу опалубки. Смещение и поворот опалубки относительно оси определяются по расположению луча на фотоприемнике.  

В процессе подъема опалубки необходимо поддерживать горизонтальность рабочего поля и вертикальность ее подъема. Эти задачи позволяет эффективно решать САУ подъемом скользящих опалубок (рис.3.13). Система состоит из двух подсистем: автоматического контроля положения центра опалубки и автоматического управления положением подъемных домкратов. Информация с ИСД поступает на пульт управления ПУ и в систему управления подъемом опалубки, которая формирует управляющие воздействия на блоки управления подъемными домкратами. Эти блоки на основании постоянно поступающей информации с датчиков перемещения ВР и датчиков уровня ВД формируют сигналы управления подъемом опалубки, которые через маг­нитную станцию МС регулируют положение подъемных домкратов ДМ, располагая их в одной горизонтальной плоскости. Датчики уровня включены в гидравлическую систему, куда входят нивели­ровочное устройство и блок стабилизации уровня.

Для возведения объектов высотой свыше 80 метров: дымовые трубы, башни телецентров, смотровые башни и др. сооружения, целесообразно мехатронный скользящий комплекс реализовывать на основе подъёмной платформы с радиальными балками, которая опирается на мачты (колонны) и перемещается по вертикали подъёмными домкратами (рис.3.14). Мачты платформы имеют направляющие стойки, по которым перемещается опорная колонна платформы.

В качестве подъёмных механизмов используются электромеханические домкраты с асинхронными двигателями. Для регулирования скоростей и синхронизации движений, асинхронные двигатели домкратов подключается через блоки частотного регулирования (рис.3.15).

Подъёмные электромеханические домкраты снабжаются электромагнитными фиксаторами ФЭМ, обеспечивающие программное или дистанционное управление перехватыванием и подтягиванием домкрата. Кроме того, подъёмные домкраты оснащаются концевыми выключателями GS.

Рис.3.14

Для управления домкратами, каждый из них снабжается датчиком перемещения, который должен иметь предел измерения 1,5-2,0 м и точность не ниже 0,1%. Управление двигателями подъёмных домкратов реализуется с обратной связью по скорости, которая замыкается на уровне локального блока управления домкратами. Обратная связь по положению замыкается на верхнем уровне управления. В качестве задания с управляющей ЭВМ выдаются аналоговые сигналы, уровень которых соответствует требуемой скорости подъёма. Управление подъёмной платформой с опалубкой позволяет устранять, возникающие в ходе возведения объекта, отклонения и закручивания.

Опалубочные рамы со щитами опалубки подвешиваются к платформе с помощью механизмов радиального перемещения (МРП), которые устанавливаются и перемещаются вдоль радиальных балок платформы (рис. 3.16). Скорость перемещения щитов опалубки определяется скоростью подъёма опалубки.

Средняя скорость механизма составляет 3,0-4,0мм/с. Привод МПР реализуется на основе асинхронного двигателя и релейного позиционного регулятора. Мощность двигателей МПР составляет 200—300 Вт. Учитывая большое число механизмов в составе коплекса, при выборе датчика предпочтение следует отдавать более дешёвым аналоговым преобразователям. При нелинейности характеристик датчиков 0,1% что поможно получить точность оценки перемещения щитов опалубки ±0,5мм. Скорость перемещения щитов опалубки с помощью МРП выбирается с учётом скорости подъёма платформы с опалубкой и составляет 3,0-4,0 мм/с, в зависимости от угла наклона возводимых объектов. Управление МРП осуществляется локальной подсистемой с обратной связью по положению (рис 3.16), которая реализуется в виде блока управления МРП. К блоку подключается двигатель, датчик перемещения и концевые выключатели GS. В состав блока управления МРП включаются предварительный усилитель (УП), регулятор, модуль логики и блокировок и тиристорный пускатель. Коэффициент усиления УП рассчитывается на основе требуемой чувствительности: , где - напряжение срабатывания позиционного регулятора, - коэффициент передачи датчика перемещения, - чувствительность механизма.

Особенностью мехатронного скользящего комплекса, предназначенного для возведении монолитных объектов большого диаметра высотой 60 - 100 м, является использование вместо подъемных колонн одно-стержневых домкратов. Эти домкраты размещаются на металлических стержнях по всему периметру стен объекта, на которые опирается несущая платформа комплекса (рис.3.17). Для мехатронных комплексов предпочтение следует отдавать электромеханическим домкратам с асинхронными двигателями мощностью 250-350Вт. Домкраты снабжаются цанговыми захватами и концевыми выключателями. Учитывая возможное проскальзывание домкратов и просадку стержней, уровни расположения домкратов контролируются гидростатической системой нивелирования с датчиками давления. 

Каждый подъёмный домкрат снабжается блоком управления с позиционным регулятором и корректирующим устройством (рис.3.18) В блок управления поступает информация с датчиков уровня, концевых выключателей и системы управления комплексом. Причём напряжение с датчиков уровня пропорционально не абсолютному значению положения домкрата, а его отклонению
относительно центра платформы МСК.

Учитывая совместное расположение подъёмных одностержневых домкратов, и механизмов МРП и требование синхронизации управления ими, следует объединить блоки управления этим механизмом комплекса. Это упростит разводку блоков и сигналов управляющей ЭВМ. Объединенный блок управления включает канал управления подъёмным домкратом и канал управления механизмом радиального перемещения (рис.3.19).

От управляющей ЭВМ, на него поступают 3 управляющих сигнала: аналоговый сигнал , устанавливающий уровень подъёма домкрата; аналоговый сигнал , определяющий положение МРП в конце подъёма и дискретный сигнал синхронизирующий их работу. Учитывая попарное размещение этих механизмов и объединения их локальной СУ в один блок, можно число управляющих сигналов от ЭВМ сократить до одного. В этом случае схемно внутри блока управления устанавливают требуемое соотношение перемещения по вертикали и радиусу.

3.5. Автоматизация и роботизация монтажных работ

В настоящее время накоплен определенный опыт механизации и автоматизации монтажных работ. На строительных площадках используются башенные краны с программным и дистанционным управлениями. Для частичной автоматизации монтажных работ применяются башенные краны с радиоуправлением и возможностью задания программного движения. Указанное усовершенствование позволяет управлять ходом монтажа непосредственно с места установки панели. При этом один пульт управления располагается у такелажника, выполняющего зацеп панели, а другой у монтажника. Функция программного управления используется для задания и автоматической отработки отдельных повторяющихся участков траекторий движения сборных элементов.

Анализ показал, что типовые конструкции кранов не позволяют производить точное позиционирование стеновых панелей в автоматическом режиме из-за наличия гибкого подвеса и деформаций элементов крана, что послужило основанием для разработки новых конструкций манипуляторов на базе башенного крана. Для построения монтажных РТК представляют интерес краны, снабженные ориентирующим устройством, связанным со стрелой пространственной канатной подвеской. Ее применение позволяет избавиться от крутильных колебаний, возникающих в обычной системе (рис.3.20). Пространственная подвеска с канатами, натянутыми силой веса подвешенного груза, воспринимает полную пространственную систему нагрузок как жесткая связь.

Эффективность выполнения монтажных работ значительно повышается при внедрении кранов-манипуляторов или использовании монтажных РТК, включающего башенный кран и позиционирующий робот. Использование на монтажных работах средств робототехники обеспечивает существенное расширение функциональных возможностей. Наибольший интерес для массового жилищного строительства представляют роботизированные монтажные комплексы, предназначенные для возведения крупнопанельных зданий. Основу таких комплексов составляет башенный кран и специальный позиционирующий робот. Рассмотрим ряд практических рекомендаций по реализации таких РМК.

Анализ показал, что в процессе выбора конструкции роботизированного комплекса необходимо учитывать, что «жесткая» кинематическая схема необходима лишь для произведения ориентирования и точного позиционирования элемента. Выполнения транспортной операции такая схема не требует, так как она приведет к излишней инерционной нагрузке крана-манипулятора и соответствующему увеличению его металлоемкости. Это привело к еще одному интересному техническому решению, совместному использованию башенных кранов и позиционирующих роботов. результате такого вывода предложено при монтаже тяжелых и крупногабаритных элементов использовать башенные краны (рис.3.21). При этом монтажный робот должен иметь согласованное с краном управление, которое выполняется одним оператором с портативного пульта. При этом для обмена информацией между системой управления и пультом оператора используется ин­фракрас­ный или радиоканал связи. Аппаратура управления роботом и станция управления краном объединяются модулем синхронизации, обеспечивающим прием команд управления и синхронизацию работы оборудования при их исполнении.

Выполненный анализ роботизации строительно-монтажных работ показал, что в связи со спецификой и разнообразием монтажных операций, сложностью их выполнения, значительными габаритами и массой монтируемых конструкций, необходимы специализированные средства робототехники. Среди них можно выделить три основных направления:

- создание специализированных монтажных роботов;

- создание кранов-манипуляторов с программным управлением;

- разработка роботов для позиционирования строительных конструкций в процессе их монтажа.

Используя результаты анализа технологии выполнения монтажных операций, накопленный опыт их автоматизации и роботизации, сформулируем основные принципы построения роботизированного монтажного комплекса (РМК) для возведения крупнопанельных зданий. Монтаж каркаса крупнопанельного дома включает ряд разнотипных операций: захват панели, транспортировку ее в зону установки, пространственную ориентацию и позиционирование, установку в проектное положение, фиксацию и крепление панели по окончанию установки. Для многоэтажных объектов автоматизация выполнения всего комплекса монтажных операций возможна на основе построения роботизированного технологического комплекса, реализующего принцип раздельно-синхронного выполнения операций. Сущность принципа заключается в том, что часть монтажных операций выполняется раздельно специализированным оборудованием, а другая часть при их совместном синхронном взаимодействии. Учитывая значительные габариты и вес монтируемых панелей, перемещение зон выполнения операций, большую протяженность траекторий движения, предложено в качестве основы построения РМК использовать башенный кран и монтажный робот, размещаемый в зоне установки, с разграничением функций при совместном взаимодействии с монтируемой стеновой панелью в процессе ее установки в проектное положение (рис.3.22). Функции между краном и монтажным роботом распределены следующим образом. Кран доставляет панель к месту монтажа и удерживает ее в процессе установки и ориентирования, а позиционирующий робот выполняет пространственное ориентирование панели
перед установкой.

Взаимодействие крана и робота в зоне установки панели организуется таким образом, что кран не препятствует свободному перемещению и повороту плиты, а робот обеспечивает позиционирование и ориентацию без значительных нагрузок на манипуляционную систему. Такое построение комплекса позволяет автоматизировать операции транспортировки, ориентирования и установки панели.

Основу исполнительной системы комплекса составляют кран, удерживающий панель с помощью автоматизированной траверсы, и позиционирующий робот, расположенный на передвижной платформе, обеспечивающей его перемещение к месту монтажа (рис.3.23). Башенный кран оснащен специальной автоматизированной траверсой и системой программного управления.

На основе управляющих векторов и текущего положения обобщенных координат  и обобщенных скоростей  система управления крана вырабатывает управляющие силы и моменты . Монтажный робот снабжен 2-мя манипуляторами и подвижной платформой и системой программного управления (СПУ) с элементами адаптации. Системы управления крана и робота обеспечивают контроль и защиту исполнительных механизмов от аварийных и ненормальных режимов работы. Важной составляющей комплекса является информационно-измерительная система (ИИС), в функции которой входит контроль положения и ориентации монтируемой панели, а также привязка платформы робота к проектным осям возводимого объекта. Основу ИИС составляют лазерные задатчики и фотоматричные преобразователи, размещаемые на траверсе и на захватных устройствах манипуляторов. ИИС формирует вектор состояния комплекса , на основе которого устройство синхронизации и управления (УСУ) верхнего уровня осуществляет планирование движений механизмов комплекса.

Управление комплексом осуществляется многоуровневой системой управления, обеспечивающей планирование движений, синхронизацию работы оборудования, управление комплексом в интерактивном режиме. Кроме того, система управления выполняет отображение хода установки и прогнозирование внештатных ситуаций. Устройство синхронизации и управления верхнего уровня на основе планирующих алгоритмов формирует управляющие вектора для управления робота и  для управления краном. Формирование векторов осуществляется с учетом ветровой нагрузки и упругих деформаций. Учитывая необходимость синхронизации работы механизмов комплекса, планирование движений крана и робота выполняется на основе моделирования хода установочного процесса. Используемые для этого модели комплекса строятся на основе распределения функций, выполняемых краном и монтажным роботом. В процессе позиционирования и установки панели к крану не предъявляются высоких требований к динамическим характеристикам, в то время как робот должен обеспечить высокую точность позиционирования. Поэтому для управления краном можно использовать кинематические алгоритмы, базирующиеся на спланированной траектории движения . _r.