李少磊，王揚(yáng)威，吳 哲，張鉑軒

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑是一種將充氣膜與鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)完美融合的新型建筑形式，廣泛應(yīng)用于倉儲(chǔ)領(lǐng)域，其與以往的倉儲(chǔ)建筑相比建造工期短、穩(wěn)定性強(qiáng)、保溫隔熱效果好，但是建造過程中的混凝土噴射施工是由升降機(jī)上的工人手持噴槍逐層噴射混凝土完成的，工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重制約了氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的建造速度和質(zhì)量。

為解決這個(gè)問題，國內(nèi)外開始嘗試使用混凝土噴涂系統(tǒng)來替代人工作業(yè)。冶金部馬鞍山礦山研究院研制了CPG-I型噴射混凝土機(jī)械手，該設(shè)備包括機(jī)械臂和車體2部分。機(jī)械臂由噴頭、回轉(zhuǎn)部分、伸縮部分、起落大臂和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。噴頭部分采用2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與1個(gè)移動(dòng)副串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，噴頭控制噴嘴隨著受噴面輪廓和傾角變化實(shí)現(xiàn)俯仰、左右偏擺以及畫圓軌跡，保證噴嘴始終垂直于受噴面[1]。南京軍區(qū)工程兵部設(shè)計(jì)的PS10型混凝土噴射機(jī)械手包括噴頭機(jī)構(gòu)、大小臂回轉(zhuǎn)裝置、縱向移動(dòng)裝置、車體等，噴頭機(jī)構(gòu)采用3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)結(jié)構(gòu)，噴嘴可繞噴頭軸旋轉(zhuǎn)、俯仰、擺動(dòng)[2]。北京科技大學(xué)在芬蘭SB500型濕噴機(jī)機(jī)械手的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了PJI型混凝土噴射機(jī)械手，由噴頭裝置、伸縮機(jī)構(gòu)、平移折疊機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，噴頭采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)線性擺弧式運(yùn)動(dòng)及劃圓式運(yùn)動(dòng)[3]。湖南大學(xué)設(shè)計(jì)的KC-30型混凝土濕噴機(jī)由機(jī)械臂、臺(tái)車構(gòu)成，機(jī)械臂分為臂架與噴頭，噴頭采用3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴頭旋轉(zhuǎn)與噴頭擺動(dòng)[4]。安百拓公司的MEYCO型混凝土噴射機(jī)包括大臂伸縮臂、小臂伸縮臂、噴頭機(jī)構(gòu)、臺(tái)車等。噴頭采用3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴槍頭回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰[5]。目前，混凝土噴涂裝置的噴頭機(jī)構(gòu)大都采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對壁面形貌的靈活響應(yīng)，以保證噴涂厚度均勻，但實(shí)際應(yīng)用中為了減輕機(jī)械臂負(fù)載，噴頭串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量輕量化，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)剛度差、絕對定位精度不高[6]，影響噴涂質(zhì)量。

本文針對現(xiàn)有混凝土噴涂裝置存在剛度不足的問題，設(shè)計(jì)了一種基于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的串并混聯(lián)混凝土噴涂裝置，充分利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的“對偶互補(bǔ)”關(guān)系[7]，使噴涂裝置在滿足噴涂范圍的同時(shí)，具有更好的剛度和穩(wěn)定性。

1 混凝土噴涂裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑壁面包括直立面和頂面等。對直立面進(jìn)行噴涂時(shí)，機(jī)械吊臂上工人手持噴槍回轉(zhuǎn)噴涂，噴槍與回轉(zhuǎn)軸線間最大夾角約為25°，機(jī)械吊臂帶動(dòng)工人沿建筑壁面水平移動(dòng)；對頂面進(jìn)行噴涂時(shí)，為保持噴槍與壁面垂直，噴槍應(yīng)隨建筑頂壁面上揚(yáng)，當(dāng)噴涂到穹頂中心時(shí)，噴槍上揚(yáng)角度可達(dá)90°，由于頂面的混凝土厚度低于直立面，噴槍只需上下擺動(dòng)噴涂，擺動(dòng)最大角度約為15°。上下擺動(dòng)噴涂與回轉(zhuǎn)噴涂以及隨著水平位置移動(dòng)噴槍的噴涂軌跡如圖1所示。

圖1 噴槍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及軌跡

根據(jù)氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的建筑工藝，混凝土噴涂裝置應(yīng)滿足的基本功能需求為噴槍可實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)和劃圓回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，噴槍運(yùn)動(dòng)軸線從水平位置向上擺動(dòng)最大角度90°，向下擺動(dòng)最大角度15°，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)噴槍與回轉(zhuǎn)軸線最大夾角為25°。為滿足大角度位置變化和噴涂軌跡的要求，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)的混聯(lián)構(gòu)型混凝土噴涂裝置，如圖2所示。3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上平臺(tái)、下平臺(tái)與3條支鏈構(gòu)成，每一條支鏈由1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副Ri、1個(gè)移動(dòng)副Pi以及1個(gè)球面副Si構(gòu)成，其中i=1，2，3，與并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)的同軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)Ri，其中i=4，5。3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3個(gè)自由度用于實(shí)現(xiàn)噴槍噴涂過程中的規(guī)律性上下擺動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。串聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)用于調(diào)整噴槍與壁面法向方向的夾角。

圖2 混凝土噴涂裝置構(gòu)型

2 串并混聯(lián)四自由度混凝土噴涂裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為機(jī)構(gòu)建立坐標(biāo)系，3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺(tái)建立下平臺(tái)坐標(biāo)系O1（X1，Y1，Z1），坐標(biāo)原點(diǎn)O1為下平臺(tái)形心，X1軸方向由O1指向R1，Z1軸方向垂直于下平臺(tái)平面向上，Y1軸方向根據(jù)右手定則確定。同理，在上平臺(tái)建立上平臺(tái)坐標(biāo)系O2（X2，Y2，Z2），坐標(biāo)原點(diǎn)O2為上平臺(tái)形心，X2軸方向由O2指向S1，Z2軸方向垂直于上平臺(tái)平面向上，Y2軸方向根據(jù)右手定則確定。由文獻(xiàn)[8]可知，3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在3個(gè)自由度，分別為上平臺(tái)繞X2軸、Y2軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及沿著Z1軸的移動(dòng)。

3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺(tái)外接圓半徑為r，球面副在上平臺(tái)坐標(biāo)系的位置矢量為si，并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺(tái)外接圓半徑為R，轉(zhuǎn)動(dòng)副在下平臺(tái)坐標(biāo)系的位置矢量為Ri，上平臺(tái)坐標(biāo)系相對于下平臺(tái)坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣為T，上平臺(tái)球面副Si在下平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置矢量為Si=T×si+H（i=1，2，3）。

3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)3條支鏈長度Li可由球面副Si與轉(zhuǎn)動(dòng)副Ri之間的距離表示，即Li=|Si-Ri|（i=1，2，3）。

通過以上2個(gè)方程，可求出3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各支鏈長度，即Li=|T×si+H-Ri|（i=1，2，3）。

噴涂頂面時(shí)，由于關(guān)節(jié)、桿長限制，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍無法滿足噴涂需求，此時(shí)先由轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)至噴槍與壁面垂直，再由并聯(lián)機(jī)構(gòu)完成上下擺動(dòng)噴涂。rup為噴槍與壁面垂直時(shí)所上揚(yáng)的角度，下平臺(tái)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度λ=rup。

3 混凝土噴涂裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 混凝土噴涂裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)構(gòu)型設(shè)計(jì)，混凝土噴涂裝置的結(jié)構(gòu)包括3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、夾持器，減速器、電機(jī)。3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)水平放置，在其下平臺(tái)兩端設(shè)置轉(zhuǎn)軸，平臺(tái)上的支架通過轉(zhuǎn)軸支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)，一端轉(zhuǎn)軸連接減速器與電機(jī)。當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角無法滿足向上擺動(dòng)工作角度時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)向上擺動(dòng)，彌補(bǔ)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度不足的問題，如圖3所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上、下平臺(tái)均設(shè)置夾持器，上平臺(tái)夾持器夾住噴槍，下平臺(tái)夾持器夾住管道。并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用電動(dòng)缸作為機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，電動(dòng)缸底座為耳軸結(jié)構(gòu)，通過法蘭固定于下平臺(tái)。球鉸結(jié)構(gòu)簡單，但抗拉強(qiáng)度低，活動(dòng)范圍??；虎克鉸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但抗拉強(qiáng)度高，活動(dòng)范圍大，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的球面副采用虎克鉸與轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)。電動(dòng)缸前端設(shè)置虎克鉸與轉(zhuǎn)軸，通過軸承座固定于上平臺(tái)。氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑通常體積巨大，混凝土噴涂裝置整體所在的平臺(tái)安置于機(jī)械吊臂，機(jī)械吊臂移動(dòng)噴涂裝置到適當(dāng)位置完成混凝土噴涂作業(yè)。

圖3 混凝土噴涂裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用需求，3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺(tái)直徑為400 mm，下平臺(tái)直徑為600 mm，上、下平臺(tái)形心距離為600 mm。

3.2 混凝土噴涂裝置ADAMS仿真分析

通過ADAMS對虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證自由度并分析驅(qū)動(dòng)力。ADAMS中虛擬樣機(jī)建模復(fù)雜，因此在SOLIDWORKS中完成建模并導(dǎo)入ADAMS。在ADAMS中為模型添加運(yùn)動(dòng)副與約束，驗(yàn)證模型后查看自由度數(shù)為四。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)有3個(gè)自由度，設(shè)置3條支鏈為驅(qū)動(dòng)副，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解出桿長數(shù)據(jù)，以桿長數(shù)據(jù)計(jì)算出的桿長位移量作為3條支鏈的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，將驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)保存為文本格式并導(dǎo)入ADAMS。使用樣條函數(shù)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)完成仿真。噴槍上下擺動(dòng)過程中，3條支鏈的驅(qū)動(dòng)力變化如圖4所示。噴槍回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，3條支鏈的驅(qū)動(dòng)力變化如圖5所示。根據(jù)仿真結(jié)果，3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)中電動(dòng)缸的推力應(yīng)不低于100 N。

圖4 噴槍上下擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)力

圖5 噴槍回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力

4 結(jié)論

首先，根據(jù)氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑建造過程中混凝土噴涂的工作需求，完成了混凝土噴涂裝置的構(gòu)型設(shè)計(jì)。混凝土噴涂裝置采用轉(zhuǎn)軸與3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)的串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)，充分利用串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的“對偶互補(bǔ)”關(guān)系，使得混凝土噴涂裝置在具有足夠運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)，具有較好的剛度和穩(wěn)定性。其次，完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程推導(dǎo)。使用SOLLDWORKS軟件完成混凝土噴涂裝置的結(jié)構(gòu)建模，在ADAMS軟件中驗(yàn)證機(jī)構(gòu)自由度。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求出桿長數(shù)據(jù)，并以樣條函數(shù)輸入ADAMS模型的3條支鏈作為驅(qū)動(dòng)，求解工作狀態(tài)中并聯(lián)機(jī)構(gòu)3個(gè)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力變化。