好记性不如烂笔头，手巧不如家什妙，工匠靠手艺更要靠工具。

  以市政次干道12米宽度为例，长春市路网比较发达，道路间距较小，主次干道间距一般不超过500米，中间还有区间道。在道路施工期间，为尽快完成施工，施工组织设计可以按路段两端路口同时开工的方式进行。以500米距离典型路段为例，该路段道路面积6000m2，预计每班铺装预制块1000 m2，现场分两个班组作业，日铺装道路基层面积2000m2，3天完成路段预制块拼装，灌注砂浆1天，面层摊铺1天，共5天完成土基以上各层铺装施工。

预制块拼装过程由于单个预制块重量大无法使用人力搬运，因此必须使用机械。根据设想的预制块拼装效率要求单个班组白天有效作业时间10~12小时内，平均拼装效率应满足2~4块/分，最高达到240块/小时(4块/分)的能力。

专门设计的拼装机构方案研究，首先需要分解预制块拼装过程的动作，然后根据预制块运动轨迹研究如何运用机械机构实现这样的动作。

预制块拼装动作分解

由于预制块的特殊外形结构，在拼装过程中仅凭吊具沿着纵轴（道路纵断方向）或横轴（道路横断方向）直线运动不能完成预制块组合，需要X、Y、Z三个方向同时推送预制块，向前、向左又向下移动预制块，才能顺利可靠地完成组合动作。

实现快速拼装，必须系统的分析拼装全过程，从预制块装车、运输、卸车、吊具夹持预制块、移动到预定位置、对齐拼装、松开夹具、返回等各个环节都要保持相同节奏，并以吊具作业节拍来协调其它工序的作业时序。在预制块制造、运输、安装三阶段中，制造在工厂、安装在现场、运输连接两端。制造可以通过多点布厂满足预制块预制的批量要求，运输可以多车多方向连续作业，只有安装阶段受现场有限空间约束，不可能无限的通过增加设备来提高拼装速度。因此拼装阶段是系统中最薄弱环节，需要系统深入的开展研究。

在安装阶段将预制块拼装过程划分为：拼装、送料、集料三个部分。

拼装——任务：接收送料机构送来的预制块，高效的将预制块按顺序组装到预制块组行列中，保持预制块位置正确、间距适当。动作:1、夹具自身定位；2、识别预制块；3、抓取预制块；4、转移预制块；5、拼装组合；6松开夹具；7、移动到下一个工位；

送料——任务：接收集料机构送来的预制块，准确及时输送预制块到预拼装位置。动作：1、根据拼装夹具位置判断输送方向及位置；2、判断预拼装位置是否有预制块空缺；3、判断收集机构来料预制块方向是否需要调整到与预拼装要求一致。

集料——任务：接收自卸卡车卸下的预制块，并有序的输送给送料机构。动作：1、横滚轮组将预制块向前输送；2、立滚轮组收拢预制块向出口集中并顺序排列；3、根据送料机构需要适时推出预制块。

7.1拼装机构研究7.1.1预制块抓取方式选择

拼装过程分解为提起预制块、移动对齐、下落拼装三个阶段，从提起预制块开始逐个阶段展开分析与研究。

首先进行预制块提起工具的选择：

1、托底

经过考察制砖厂，发现制砖厂及立缘石的运输都是采用集中堆垛码垛成一定体积，然后放置在底板上，使用叉车装车，极为方便。因此首先选择的场内运输工具是叉车，这就需要在预制块或底板上设置叉车插齿能够深入的插槽。由于预制块单块体积重量都足够大，不容易集中运输搬运，单块运输比较可行，因此要在预制块底部两侧设置插槽，叉车插齿的尺寸为高100px,宽300px,长3000px,如果使用插齿的全部宽度则对于预制块有限的底面积而言显得有些局促，对强度和稳定性有不利影响。因此经过对预制块在底部托举强度的分析，采用插齿一半的宽度设置为插槽宽度，既能满足叉车运输托举预制块强度要求，还能减少对预制块底面的削弱，从而保证预制块稳定性和强度。

   该插槽在预制块组装时用砂浆灌满，形成预制块底部的圈梁，预制块都坐落在网格式的圈梁上，有利于减弱不均匀沉降的影响。

经过对预制块组装过程叉车运动轨迹的模拟，发现叉车转弯半径大，小半径运动困难，虽然托举预制块装车比较方便，但是对于操作要求精准的组装预制块作业就会很麻烦，不得不花费更多的距离和时间调整位置，而这个过程会显著降低工作效率，因此叉车并非最佳工具。但是，假如能将叉车改造成机械手，由于其动作空间位置可控，因此具备自动化拼装的可能。

在预制块研制阶段，生产厂家使用叉车进行预制块的运输，每次可以最多以叠加方式运输3块，能够满足日产30块X 2轮的小规模生产需要。

2、侧夹

解决了预制块装车的工具问题，借鉴路面砖的运输方法使用吊具在侧面夹持。

    预制块是否具备使用夹持方式的条件，从预制块结构特征分析完全可以。路面砖码垛成的立方体侧面成垂直状态都可以使用夹持方式，而预制块不论嵌挤度如何变化，总有一对侧面成阴斜面（俯视图看不到的斜面）因此更有利于使用夹具在侧面夹持作业。预制块侧面设有供砂浆灌注和夹具作业的竖槽正好满足这两种功能。

      但是，夹持方式仍然有缺陷，夹具分开动作形成扇面轨迹，因此预制块之间的缝隙要留有足够容纳夹具作业的空间，否则夹具分开困难，甚至卡在预制块之间取不出来。而为夹具作业方便留有过于宽大的缝隙，对预制块组装后的板体性有不利影响，特别是在预制块嵌挤度较小的情况下，不利影响更加明显。因此希望夹具作业空间尽量减小，恰到取出夹具即可。毕竟给夹具预留操作空间，要改变预制块表面形状，对模具设计、浇筑工艺、砂浆灌注都会产生影响。

实际生产中采用剪刀式夹具作为吊具使用，在预制块制造阶段，不涉及预制块拼装情况下，能够完成预制块吊起作业。由于混凝土件表面较光滑，为防止操作时打滑，在夹具端部焊接钢筋，操作时使钢筋置于预制块横槽内，使夹持更加安全可靠。但是由于预制块拼装要求间隙小约50px，焊接钢筋的夹具在预制块间隙内不容易脱离，因此这种改造并不适合预制块拼装作业。焊接钢筋的夹具不论在预制块阴斜面或阳斜面夹持都十分可靠，没有焊接钢筋的夹具只能在预制块阳斜面夹持作业，另外夹具端部的夹板是根据预制块嵌挤度不同设计的，只能适应相同嵌挤度的预制块，通用性差。

假如将夹具改造成由液压控制，使其具备自动控制的条件，即可实现自动拼装预制块作业。

砖机吊具

研制专用预制块拼装机械。自动化程度最高、效率最高、研制时间内最长。

   建筑预制块专用吊具：依靠吊车钢索起吊，剪刀形夹具夹持预制块底部吊起，能吊起较重预制块，作业环境适应性强。不具备夹持力调整功能，夹具结构尺寸大，夹具松开需要空间较大。操作需要人工配合。

液压夹具

依靠液压或气动力驱动夹具动作，夹具动作可靠，夹持力可调，适合较轻的预制块吊起作业，具备自动控制条件。现场需要配备液压站，动力站，夹具采购费高、维护费贵。

3、顶吸

已经找到预制块装车与组装的工具，但是并不完美。那么，必须另辟蹊径。经过调查找到吸石机产品，一个从石块顶部通过负压作用吸附并吊起物体的机器，大理石、玻璃等许多材料都可以使用吸石机。

吸石机在动力的分为电动式、柴油机动力两种类型。吸引力从数百公斤到数十吨不等，在装载吊具中造价较高，一吨重工件，吸石机采购价在1.7万（电动）~3万元（柴油机）不等。顶吸动作可控，吊具位置在预制块上表面，与相邻预制块及工具在空间上不发生干涉，有利于拼装作业。

     吸石机依靠负压作业，工件顶面应比较平整，光滑，经过咨询，现代吸石机都经过技术改造，设置多个吸盘能够克服工件表面平整度低的问题，可以满足石块及混凝土件搬运的需要。但是道路基层所用的混凝土预制块上表面为使其与沥青混凝土结合，都经过表面粗糙处理，比如凿毛或拉毛处理，这样的表面不满足吸石机工作条件。实验过程并未使用吸顶方式吊起预制块。

7.1.2借用既有机械拼装

为了提高预制块拼装效率，将预制块提起、移动对齐及拼装三个阶段合并成一台机械，提出利用现有设备改造及全新研发专用设备两个方案。

参考工程机械最常见的挖沟机及吊车叉车等通用机械进行对比分析。

1、 挖掘机：

运动自由度大，可以完成提升、下降、向前、退后、左转、右转的动作。甚至能够完成在下降的同时提供向前移动、向左转动的复合运动轨迹，而这种运动轨迹是预制块拼装所特别需要的运动模式，可能完全由挖掘机司机自己完成预制块拼装作业，使用人力最少，自动化程度高。不足之处在于挖沟机的臂长有限，半径8米长是个极限数据，加长到12米需要另附改装费，造价高、租用费贵（采购费60~80万元）。而且挖斗需要改装，使其具备摆头能力便于使用。由于挖掘机传动系统属于刚性体系，因此具备改造成自动控制操作模式的潜力。虽然挖掘机（或经过改造）可以完成起、移、拼三个工序的作业，但是司机操作复杂，所有动作都需要依靠司机搬动手柄来操作机械，动作精细、频率高、易疲劳。

2、 吊车：

使用12~16吨级别的吊车可以很好的适应预制块拼装作业需要。由于吊车的吊具用钢丝绳悬挂，吊具能够在水平面内灵活方便的自由转动甚至小距离平移，不经过任何改装即可作业。不足之处在于行走不如挖掘机灵活，只能在吊臂操作半径内作业，拼装作业需要人工配合，移动吊车需要使用人工辅助作业，不便于频繁移动位置，也不利于改造成自动控制操作模式。司机作业负荷相对挖掘机降低，需要人工配合、效率较低。

3、机械手

工业机器人，夹具动作精准可靠，节省人力，操作可以自动编程，适合固定位置重复作业，快速作业，不能起吊较重预制块或效率明显降低。采购及维护费贵，一般起吊0.2T~1.2T物件，重复作业频率5次/分，机械手，采购价格约60~80万元。由于道路施工不能固定场地，需要将机械手安放在特殊设计的移动平台上作业，还要考虑动力源（一般是电源、空气压缩机）配套问题，费用还要增加。设备复杂，成本高，研制时间长。一旦炎只能成功，作业效率可能明显提高。

科研团队中的每一个人都在为项目努力工作，他们来自不同的专业、不同的单位、不同的经历、不同的爱好、不同的个性，这样的组合才能形成互补、才能更有利于干大事。只在一个专业深深的挖掘科研课题，已经越来越难，多专业协作才能达到目的。特别是面对产业化更是如此。