趙興棟，趙 琛，侯榮飛

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

目前，我國(guó)的墻壁主體粉刷基本全部是由人工來(lái)完成，不僅費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，粉刷質(zhì)量也不易得到保證。在精裝修工期中，墻體粉刷和裝修占定額工期的50%，因此提高效率和質(zhì)量是縮短工期、保證施工質(zhì)量的有效措施。同時(shí)，在粉刷對(duì)人體有害的涂料時(shí)，許多防護(hù)措施并不能保證人體的健康和安全。如何將粉刷者從繁重的粉刷任務(wù)中解脫出來(lái)，遠(yuǎn)離有害的粉刷物質(zhì)成為當(dāng)下需要解決的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)制造的墻壁粉刷機(jī)可以使得目前的粉刷狀況得到明顯的改善。

1 項(xiàng)目實(shí)施方案

1.1 實(shí)施方案

該項(xiàng)目主要由機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分、控制驅(qū)動(dòng)部分和電源模塊3大部分組成。

1.2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分

機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分主要包括機(jī)械臂、安裝底盤、麥克納姆輪、直流電機(jī)及聯(lián)軸器、推桿電機(jī)。本項(xiàng)目使用一組麥克納姆輪來(lái)實(shí)現(xiàn)不同方向的組合運(yùn)動(dòng)。另外，根據(jù)項(xiàng)目的研究目標(biāo)，本項(xiàng)目粉刷機(jī)需要在2個(gè)墻體的弧線形轉(zhuǎn)角處進(jìn)行均勻的粉刷。因此，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)底盤以上的整個(gè)機(jī)械臂增加一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

1.2.1 麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)部分

麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)部分由麥克納姆輪、聯(lián)軸器、高減速比直流電機(jī)組成。麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)受STC89C52型單片機(jī)控制并由藍(lán)牙APP實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互。

1.2.1.1 麥克納姆輪的選型

項(xiàng)目選用一組直徑162 mm的麥克納姆輪，左旋和右旋的輪胎各2只。單個(gè)麥克納姆輪承重能力為15～20 kg。

1.2.1.2 直流電機(jī)的選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，粉刷機(jī)單向移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為200～300 cm/min。計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為3.93～5.89 r/min。

1.2.1.3 運(yùn)動(dòng)底盤設(shè)計(jì)

采用普通鋁材質(zhì)地的圓盤，尺寸：直徑d＝1 000 mm，厚度B1＝7 mm。計(jì)算底盤質(zhì)量m1＝14.84 kg。

1.2.2 四軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部分

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部分由回轉(zhuǎn)齒輪、臂架、推桿電機(jī)、粉刷頭組成?；剞D(zhuǎn)齒輪帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，推桿電機(jī)推動(dòng)三支臂架做繞鉸合點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，粉刷頭由墻壁刷和低速直流電機(jī)組成。

1.2.2.1 機(jī)械臂臂架選型

臂架選用3支75 mm×75 mm×1 500 mm，65 mm×65 mm×1 200 mm，75 mm×75 mm×1 000 mm的鋁方管，壁厚2.5 mm。根據(jù)普通鋁板的密度ρ＝2.7×103kg/m3，粗略計(jì)算總重：m2=ρ×v＝6.91 kg（不計(jì)銷連接處的材料損失）。

1.2.2.2 推桿電機(jī)和粉刷頭電機(jī)選型

電動(dòng)機(jī)根據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的選型如表1所示。

表1 推桿電機(jī)數(shù)據(jù)

選擇2個(gè)推桿電機(jī)，工作行程分別為300 mm和550 mm（當(dāng)S＜300 mm時(shí)，L＝100 mm；S＞300 mm時(shí)，L＝148 mm；安裝距離指推桿全部收回后，頭、尾兩端固定點(diǎn)的距離）。

1.3 控制驅(qū)動(dòng)部分

使用最小單片機(jī)系統(tǒng)，控制芯片選用STC89C52單片機(jī)芯片。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的模塊采用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，包括大電流驅(qū)動(dòng)板1個(gè)和小電流驅(qū)動(dòng)板3個(gè)。

1.3.1 高減速比直流電機(jī)的控制

采用小電流的L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，完成底盤、回轉(zhuǎn)齒輪以及粉刷頭的運(yùn)動(dòng)。單個(gè)L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的單橋驅(qū)動(dòng)最大電流為2A，邏輯電壓為5 V，邏輯電流范圍0～35 mA，驅(qū)動(dòng)電壓范圍5～35 V，最大功率25 W。

1.3.2 推桿電機(jī)的控制

采用大電流的L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，完成電動(dòng)推桿的推、拉運(yùn)動(dòng)。單個(gè)L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的單橋驅(qū)動(dòng)最大電流為7A，邏輯電壓可接5 V或3.3 V，邏輯電流范圍0～40 mA，驅(qū)動(dòng)電壓范圍6.5～27 V，最大功率160 W?？紤]到推桿電機(jī)負(fù)重較大，啟動(dòng)電流較高（4/A），反復(fù)啟動(dòng)會(huì)燒毀小電流的L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，因此采用大電流的驅(qū)動(dòng)板。

1.4 電源模塊

1.4.1 邏輯電壓電源

采用額定電壓4.8 V、容量1 800 mAh的可充電普通電池，可持續(xù)提供單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板持續(xù)工作35 h以上，滿足工作時(shí)間要求。

1.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源

選用額定電壓12 V、容量7Ah的鉛酸蓄電池。

1.4.3 電源功率核算

6個(gè)高減速比直流電機(jī)和2個(gè)電動(dòng)推桿，按照額定功率估算電流約為I總＝3.98A。考慮到底盤運(yùn)動(dòng)電機(jī)實(shí)際工作負(fù)載接近于空載，支持臂架回轉(zhuǎn)的電機(jī)只在圓弧形墻壁結(jié)合處工作，支持臂架運(yùn)動(dòng)的推桿電機(jī)只在改變粉刷高度時(shí)才工作，將改變粉刷高度的工作時(shí)間估計(jì)為粉刷時(shí)間的50%，使用加權(quán)的方法重新估算工作時(shí)的持續(xù)電流約為I總＝0.90A。由此可知，使用7 Ah的蓄電池可以持續(xù)工作將近7.8 h。因此，所選的蓄電池具有足夠長(zhǎng)的工作續(xù)航時(shí)間。

2 結(jié)束語(yǔ)

投入半自動(dòng)化的墻壁粉刷機(jī)將大大提高墻壁的粉刷效率，減輕工人們的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)；在進(jìn)行有害涂料粉刷時(shí)，可以有效維護(hù)作業(yè)工人的身體健康。同時(shí)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的進(jìn)一步加快，樓房會(huì)持續(xù)增多，房屋的粉刷工作也會(huì)進(jìn)一步增多，結(jié)合粉刷機(jī)的各種優(yōu)點(diǎn)看來(lái)，室內(nèi)粉刷機(jī)具有較好的發(fā)展前景。

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