激光整平机机身自动调平升降系统设计分析

徐侠

[摘    要]以激光整平机机身自动调平升降系统设计为研究对象，文章对激光整平机进行了简单的介绍，阐述分析了激光整平机机身自动调平升降系统架构同时，提出了一些激光整平机机身自动调平升降系统设计要点，希望能够为相关研究提供一定的参考。

[关键词]激光整平机;机身;自动调平升降系统;设计

[中图分类号]TU74 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）10–00–02

Design and Analysis of Automatic Leveling and Lifting

system for Laser Leveling Machine Body

Xu Xia

[Abstract]This paper takes the design of automatic leveling and lifting system of laser leveling machine body as the research object. Firstly， it briefly introduces the laser leveling machine， then expounds and analyzes the architecture of automatic leveling and lifting system of laser leveling machine body， and finally puts forward some design points of automatic leveling and lifting system of laser leveling machine body， hoping to provide some reference for relevant research.

[Keywords]laser leveling machine; fuselage; automatic leveling and lifting system; design

隨着城市化进程的不断加快和现代工业的迅猛发展，现代工业厂房、大型商场等建筑数量也在不断增加，上述建筑均涉及大面积水泥混凝土地面，需要加强对地面质量，如强度、平整度、水平度等控制，才能保证相应建筑建设质量。而激光整平机便是为提升混凝土地面的平整度、水平度而生的一种设备，加强对该设备机身自动调平升降系统的设计分析，对该设备作用价值充分发挥有着重要的意义。

1 激光整平机概述

激光整平机是一种用于混凝土快速整平的一种设备。在混凝土铺筑施工中，一些建筑物本身对混凝土的平整度有着较高要求。在传统施工模式下，主要依靠人工方式进行混凝土地面整平。其不仅效率低下，而且很容易受各种因素影响，不利于提升整平效果。而激光整平机的出现，则有效解决了这一问题。该设备主要利用刮板，将高出的平面部分混凝土推走，并进行初步刮平。同时，利用液压驱动的振动器，完成水泥的振捣压实，借助整平板，完成水泥混凝土地面的找平工作。整个过程一气呵成，不需要人为控制，而是由“激光控制系统+计算机控制系统”完成自动化控制。因此，整体机整平的效率更高且不会出现整平人为失误问题，可以有效保障整平效果。不仅省时省力，还能节省约35 %的人工，因此该项机器设备在实际生产过程中得到了广泛应用。

2 激光整平机机身自动调平升降系统架构

激光整平机机身自动调平升降系统架构组成并不复杂，主要包括4个部分：①系统操作控制部分，该部分主要负责控制整平机机身的上升或者下降两种状态;②液压执行回路部分，该部分则是由压力继电器、电磁阀以及液压缸组成，主要负责液压系统的运行控制;③传感器部分，主要负责信息的传递。④控制器部分，主要负责整平机运行控制。当前多数整平机应用的控制器为飞思卡尔控制器，主控芯片为16位PLC，整个控制器组成模块内容众多，如电源模块、倾角传感器模块、模拟量输入模块等。

激光整平机机身自动调平升降系统在实际运行时，通过操纵按钮，发射控制信号，信号在被压力继电器接收后，会对液压支腿状态进行判断，并结合相应结果，将信号传输至主控芯片。与此同时，倾角传感器会对机身实际姿态进行测量，然后将相应信号传输至主控芯片，最后由主控芯片以接收到的信号为依据，在相应算法的帮助下，获得输出信号，并由电磁阀进行信号接收，并完成对液流方向的控制，而液压缸则会做出相应的动作，从而实现整平机机身的自动调平与升降工作。

3 激光整平机机身自动调平升降系统设计要点

3.1 液压执行回路设计

激光整平机在实际工作时，为确保整平功能正常发挥，须维持机身稳定性。为达到这一目的，需要采用液压支腿方式来实现。液压支腿有4个支腿，由此进行机身支撑，有着更好的稳定性，不容易出现侧翻。但上述这种支撑方式设计也有一定弊端，当机身需要自动调平时，4个支腿动作控制难度更大，尤其是在控制其中3个支腿，完成机身位置控制后，受第4个支腿动作影响，容易损害机身结构。与此同时，在4个支腿结构中，其中两个支腿处于并联状态，更有利于发挥其稳定性优势，相应控制难度也更低。

在液压执行回路设计时，如图1所示，4个液压缸具体安装点在a、b、c、d位置处。左侧支腿液压缸，具有独立控制功能，主要控制两个自由度，即图中的1和2。右侧支腿液压缸则是并联控制，主要控制c、d两点中点自由度，即图中的点3。关于支腿状态的检测，主要由压力继电器负责。在油压达到预先设定值后，会向控制器发送开关信号，实现支腿状态控制。为保障支腿伸出后的稳定性，将由双向液压锁将支腿锁住。针对液压液流流动方向控制，则由电磁换向阀负责，促使液压缸能够正确做出相应动作。

3.2 倾角传感器模块设计

倾角传感器的主要功能是进行水平倾角变化量的测量，针对该模块的设计，采用牛顿第二定律作为设计理论基础。即在测量系统加速度时，若已经了解初速度大小，便能在积分帮助下，完成线速度计算，最终以此为依据得出直线位移量。在倾角传感器模块设计中，传感单元采用由飞思卡尔传感器，该传感器具体型号为MMA7361。其本身功能十分强大，既可以自由选择量程，也可以自由选择灵敏度。当量程选择为±1.5 g时，灵敏度最高，能够达到800m V/g;当选择量程较大时，如±6 g，灵敏度也能自动做出相应调整，具体的明敏度数值为206 mV/g。不仅如此，该传感器在功耗设计上也比较低，整体较为轻量，规格为3 mm×5 mm×1.0 mm。传感器在实际运行时，能够以物体运动和方向为依据，实现输出信号电压值的自由调整，即物体在沿着某一方向进行运动时，输出电压便会以运动方向为依据，合理设置灵敏度，并实现针输出电压的调整，最终完成倾角检测。在MMA7361传感器中，标准工作电压为3.3 V，因此在电源管理模块之中，电压输出也要设置为3.3 V。同时，在实际进行模块设计时，还可以采用MIC5205-3.3BM5芯片，满足传感器运行电压需求。

3.3 控制器硬件电路设计

（1）科学合理地选择主控芯片型号。在整平机机身自动调平时，主控信号会实时接收机身倾角信号，随后还需要进行复杂精密计算，才能满足实际控制要求。基于此，在主控芯片选择上，必须保证其具有非常高的性能。笔者在本次设计选择中，采用了飞思卡尔公司生产的16位PLC，该芯片产品属于MC9S12XS系列产品，不仅有着非常丰富的资源，而且本身集成的模块功能也比较丰富，如具有计数器功能、模数转换功能、脉宽调制功能等。

（2）电源模块设计。在激光整平机设计中，采用了电瓶进行电力供应，供电电压为12 V。为保障整体电源供电运行的稳定性，本次电源模块设计采用了型号为MAX16126电源管理芯片。该芯片功能十分强大，性能也比较优良，如电压保护范围为30～90 V。当遇到故障问题时，能够自动快速切断电源，直接隔离负载，保护机器安全;能够自由进行欠压/过压门限的调整等。因此即使遇到极端输入电压的情况，同样能够给予电源良好的保护。

（3）在本次电路设计中，采用了5 V电路，精准稳压电路电压为4.5 V。具体来说，在控制器硬件电路中，针对其他集成芯片的运行，在实际进行电压配置时，统一采用了5 V电压标准。为保障电压输出稳定性，本次设计采用了型号为LM2596S-5.0稳压集成芯片，实现了输入电压转化。该芯片输入电压能够自由调整，最高能够达到37 V，固定输出电压维为5 V。不仅如此固定输出电压还能够经过低压精密分流器进行调整，能够得到4.5 V精准电压。这一电压能够支持单片机内部模数转换器运行。在电路设计方面，还进行了5 V转3.3 V电路设计，主要目的是为倾角传感器运行提供稳定的电压。

（4）信号输入电路设计。系统在实际进行信号输入时，主要包括两种情况：①开关量信号输入;②模拟量的信号输入。开关量信号输入共有5路信号输入内容，除了上升与下降两个按钮信号以外，还有3个压力继电器信号。模拟量的信号输入共有两路信号输入内容，即两个倾角信号输入。在开关量输入信号电力设计方面，先使其经分压、滤波、稳压管保护后，再经反相器的控制，输入CPU中，有利于提高整体的驱动能力，保障系统运行的可靠稳定性。针对模拟量输入信号的电力设计，先对其进行滤波处理，再经过同相跟随器，最后输入CPU之中。

3.4 软件设计

（1）软件功能设计。系统在实际进行工作时，主要包括两大功能：自动调平功能和升降功能。其具体来说，软件功能包括检查支腿状态的着地情况;自动进行机身的调平;自动实现机身的升降;保持机身位置稳定性。系统在实际工作运行时，还会遇到一些不可控的情况，如在实际进行升降调整时，受地基过于松软的情况影响，致使支腿着地不够充分，从而影响上述功能作用价值的发挥。因此，经过详细分析，确定软件在功能设计方面，需要实现自动调平功能、平动升降功能、位置保持等功能。此外，针对一些特殊情况，也需能够从容应对，稳定发挥出系统功能价值。

（2）程序实现。为了能够顺利实现软件功能程序，本次采用了基于状态机的程序编程方法。状态机，简单来说是在某一对象的生命周期内，能够描述其所经历的各种状态，同时针对不同状态间的转换，也能够进行描述的一种模型。状态机实际包含的状态比较有限，在某一时刻，状态机只能处于某一状态之中，不能同时处于多个状态。当某个条件被触发时，状态机会改变自己的状态，即从当前状态迁移到下一个状态，然后执行对应状态的动作。基于此，可以利用状态机这一特点，准确把握系统控制逻辑，并且在遭遇一些极端情况时，依然能够确保系统实现自动调平。系统在输入信号方面主要包括以下几点内容：上升按钮信号（可采用“UP”表示）、下降按钮信号（可采用“DOWN”表示）、压力继电器信号（共有3个，可分别采用“P1”“P2”“P3”来表示）、倾角信号（可以采用α、β来表示）。同时，系统进行如下设置P=P1&P2&P3，倾斜误差范围δ。例如：在实际进行上升时，过程为例，在按下上升按钮发出上升信号后，此时U=1&D=0，系统会接受相应信号信息，并进入上升状态。

在这一过程中，需要先检查支腿，确保其充分着地。在检查通过后，3个压力继电器均会存在相应的信号，即P=1。在系统完成上升后，然后系统会进行状态迁移，从上升迁移至调平状态;在完成自动调平后，如果依然存在上升按钮信号，即U=1&|α|+|β|≤δ。此时系统状态还会进行迁移，转变为平动上升状态。在此期间，如果高度与工作要求相符合，相关操作人员会将上升按钮松开，此时执行的逻辑流程为U=0&|α|+|β≤δ），此后上升信號会停止发送，系统完成状态迁移，转变为位置保持状态。

当系统在上升调平状态的过程中，如果某个支腿压力继电器没有信号输出，即逻辑程序为P=0，系统则会直接进行状态迁移返回，重新对支腿充分着的状态进行检查。只有保证3个油压继电器均有信号，即满足P=1的逻辑条件，才会重新改变状态，将状态调整为上升调平状态。当系统处于平动上升状态的过程中，如果机身呈现严重的倾斜且明显超出了误差范围，此时的逻辑程序表示为U=1&|α|+|β|>δ，则系统会进行状态迁移，返回最初的自动调平状态，待完成调平后才会重新进入平动上升状态。

4 结束语

激光整平机机身自动调平升降系统是一个功能较为复杂的系统，针对该项系统的设计，需要考虑诸多内容，如系统的整体架构、系统的功能特点等。在此基础上，还需要结合实际，注重加强系统不同设计要点的落实，如软件设计要点、控制器硬件电路设计要点等，才能更好地保证系统功能稳定发挥。

参考文献

[1] 秦海鹏，张帅，黄欢，等，基于STM32的混凝土激光整平机水平控制系统设计[J]，现代电子技术，2020（3）：150-153.