劉璐

（中國建筑第二工程局有限公司工程研究院，北京 100071）

1 引言

隨著機械施工自動化水平和機械水平的不斷提高，建筑施工逐漸引入自動化機械設(shè)備，借助機械設(shè)備展開作業(yè)。 在內(nèi)墻抹平粉刷作業(yè)中長期依賴人工勞動， 造成內(nèi)墻墻面抹平效率低，抹平質(zhì)量參差不齊，不僅影響建筑工程竣工日期，還影響內(nèi)墻施工質(zhì)量和美觀度，因此，升級抹平粉刷機械化設(shè)備對于提高內(nèi)墻抹平粉刷質(zhì)量十分關(guān)鍵。

2 內(nèi)墻抹平粉刷機器人的功能需求

面對墻面粉刷抹平等施工工序要求， 內(nèi)墻抹平機器人應(yīng)滿足以下功能需求。

1）需要嚴格控制機器人制造成本，方便機器人維修和維護，務(wù)必保證其經(jīng)濟性優(yōu)勢。

2）具有較高的自動化水平，研發(fā)機器人是為了降低人工操作的勞動強度，減少人工成本，并提高作業(yè)效率，機器人應(yīng)具備較高的自動化水平[1]。

3）嚴格控制機器人的體積，內(nèi)墻磨平機器人應(yīng)方便于出入各個空間、門窗，因此，需要其體積適宜，不應(yīng)過于龐大，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件緊湊，方便移動操作。

4）具備良好的抹墻工藝水平，能按照施工標準和要求完成抹平作業(yè)，保證墻面光滑程度、厚度均勻，達到質(zhì)量標準。

3 內(nèi)墻抹平粉刷機器人的設(shè)計方案

本研究設(shè)計中墻抹平粉刷機器人， 主要結(jié)構(gòu)包括抹灰機構(gòu)、傳動系統(tǒng)及提升系統(tǒng)，具備自動化、機械化磨平粉刷功能，具體設(shè)計方案如下。

3.1 抹灰結(jié)構(gòu)

3.1.1 料斗設(shè)計

料斗要南溝盛裝合適量的砂漿， 最大限度地減少灰漿浪費。同時應(yīng)滿足可自由翻轉(zhuǎn)料斗，可在不同高度抹灰抹平。當料斗接觸橫梁時，可下壓料斗翻轉(zhuǎn)，上升抹灰板完成抹平操作。料斗設(shè)計形狀如圖1 所示。可保證料斗勻速上升過程中接觸橫梁位置，避免過大的沖擊，保證料斗穩(wěn)定性。 料斗圍繞轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)90°并將砂漿倒入目標位置。 傾角角度決定下料流暢度及抹灰效果， 要保證不受外力作用的砂漿能順利下滑至目標位置，將傾角設(shè)定為26°以滿足傾倒效果。 為避免人工填料需求，料斗體積滿足一次抹灰到位的需求， 設(shè)計料斗橫截面50 970 mm3，一次取料可完成長3 m、厚7~17 mm 的墻體抹灰作業(yè)。

圖1 料斗設(shè)計形狀

3.1.2 氣動桿

傳統(tǒng)機械聯(lián)動穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且易出現(xiàn)機械故障。為保證料斗翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)，采取氣動桿方式進行料斗翻轉(zhuǎn)。 為滿足抹平作業(yè)，要求氣動桿長285 mm，壓縮長度要求205 mm，行程80 mm。 料斗翻轉(zhuǎn)主要依賴氣動桿，其受力情況復(fù)雜，因此，當料斗裝滿砂漿時，氣動桿應(yīng)具備足夠強大的壓力，避免發(fā)生翻倒或不穩(wěn)定情況。 抹灰機構(gòu)在頂部時，料斗受橫梁壓力翻轉(zhuǎn)向下，氣動而阻力不影響料斗翻轉(zhuǎn)，保證料斗穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)[2]。 假設(shè)在理想狀態(tài)下，料斗翻轉(zhuǎn)整個過程重量未發(fā)生變化，料斗傾翻過程中形成力矩，由氣動桿提供支撐力保證工位不變。 氣動桿支撐力力矩應(yīng)超過料斗和砂漿的重量和。 初始設(shè)定氣動桿支撐力為1 000 N，料斗盛滿灰漿后產(chǎn)生部分荷載，料斗在擺動作用下可自動復(fù)原。 這種擺動作用受氣動桿支撐力矩和料斗重力力矩之間的差值決定。 要保證支撐力力矩超過重力翻轉(zhuǎn)力矩，料斗擺動角度不超過6°，即可自動復(fù)位。

3.1.3 刮膩板設(shè)計

刮膩板是保證刮膩子和抹平作業(yè)的重要操作部位，其主要由電機、連桿、轉(zhuǎn)動桿等構(gòu)成。 電擊輸出軸連接轉(zhuǎn)動桿，活動鉸鏈連接轉(zhuǎn)動桿兩端，制動電機通過斷電制動方式，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 操作時通過電機啟動運轉(zhuǎn)，調(diào)整刮膩子厚度，刮板和墻面形成固定夾角，調(diào)整夾角后沿夾角穩(wěn)定上升達到一定高度后通電逆時針轉(zhuǎn)動刮板穩(wěn)定下降，對墻面完成刮膩子作業(yè)。

圖2 刮膩板結(jié)構(gòu)

根據(jù)刮膩板結(jié)構(gòu)可知，活動部件為3 個，結(jié)構(gòu)自由度為1，圖3 所示為工作狀態(tài)下的刮膩板。

圖3 刮膩板結(jié)構(gòu)受力情況

式中，θ 為墻面和刮板的夾角；s 為b、h、R 形成的截面面積。 在提升狀態(tài)下，刮板下端和墻面的距離是刮膩子的厚度。 如圖3（a）所示，刮板工作狀態(tài)下截面b、h、R 形成了三角形，截面體積V 為：

一般情況下膩子密度ρ 約為0.6~0.8 kg/m2，R=20 cm，刮膩板長度L=1 m，ρ=0.8×103kg/m3，g=9.8 N/kg。

通過對刮膩子板的運動分析，可得到：

式中，F(xiàn) 為刮板對膩子料支撐力；N 為墻對膩子料的作用力；f1為刮膩板的摩擦力；f2為墻面和刮膩板之間摩擦力；m 為刮膩板質(zhì)量；g 為重力加速度。 當墻面和膩子料之間摩擦力達到最大值時，可滿足最佳施工效果，刮膩板和墻面之間的夾角=24°時，摩擦力可達到最大值。 因此，設(shè)定刮膩板和墻面形成24°夾角，以保證刮膩子作業(yè)的最佳質(zhì)量。

3.1.4 其他結(jié)構(gòu)

其他結(jié)構(gòu)也直接影響抹灰效果和流暢度， 需多次試驗驗證料斗角度和傾角。 抹灰機器人屬于建筑機械設(shè)備，常面臨復(fù)雜的作業(yè)工況， 為保證達到良好的作業(yè)效果， 可增加振動電機，振動電機能保證下料的流暢度，為墻面抹平作業(yè)質(zhì)量提供保障。 選擇30 Hz 的振動電機，為保證抹灰板復(fù)位，可以增加彈簧設(shè)施，在抹灰板翻轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生力，料斗一旦消除抹灰板上壓力，在彈簧拉力的影響下抹灰板可自動復(fù)位[3]。

3.2 傳動系統(tǒng)

由于抹灰機器人主要進行直線運動， 傳動系統(tǒng)可選擇齒輪傳動、帶傳動及鏈傳動。 為方便與選擇最合適的傳動系統(tǒng)，本文對比3 種傳動方式。

最重要的傳動方式為齒輪傳動方式，齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)高效率傳動， 零部件壽命更長， 傳動效率也能達到99%，且其傳動精度標準更高，能實現(xiàn)大荷載傳動，但也存在成本高、磨損率大等問題。

帶傳動也是常見的傳動方式，同樣可以承受大荷載傳動，達到高精度傳動標準，同時具備過載保護性能，其能感受零部件的約束，帶傳動的距離有一定限制，一旦超過設(shè)定距離將影響傳動穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生傳動帶振動，引起傳動帶變形。

鏈傳動屬于撓性傳動，主要傳動結(jié)構(gòu)包括鏈輪和鏈條，相較于帶傳動結(jié)構(gòu)，鏈傳動結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)打滑問題，傳動距離更精準，制作成本較低。 但鏈傳動只能進行平行距離傳動，一旦發(fā)生瞬時傳動，鏈條易發(fā)生磨損導(dǎo)致頻繁跳齒。

基于上述分析，本設(shè)計方案選擇鏈傳動方案，由電機提供輸出電能，在小鏈輪的轉(zhuǎn)動作用下將動力船導(dǎo)致大鏈輪上，大鏈輪、摩擦輪以及傳動齒輪均為同一個傳動軸，在傳動齒輪的作用下，轉(zhuǎn)矩被傳遞至摩擦輪上，實現(xiàn)摩擦力提升系統(tǒng)。 在電機選擇上，由于料斗砂漿可達75 kg，橫梁壓力為760 N，氣動桿支撐力達到1 000 N，因此，電機至少應(yīng)選擇206 W。 本文使用功率為500 W，轉(zhuǎn)速為43 r/min，提升力4 166 N 的電機。 傳動齒輪模數(shù)為2，齒數(shù)為46，選擇45 鋼材料的齒輪，要求精度達到七級。 由于電機轉(zhuǎn)速為43 r/min，大小鏈輪齒數(shù)分別為25和17，摩擦輪轉(zhuǎn)速為29.24 r/min。 本設(shè)計方案可最大程度減少齒面接觸的疲勞損傷，減少齒根彎曲疲勞損傷，從而延長零部件的使用壽命，減少故障發(fā)生。

3.3 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)主要采用兩種設(shè)計：通過卷筒的帶動作用，借助鋼絲繩提升抹灰機構(gòu)；借助于齒輪齒條提升抹灰機構(gòu)。 第一種方案使用的鋼絲繩具備一定柔韌性，但易發(fā)生纏繞故障,提升過程中易出現(xiàn)晃動不穩(wěn)定的問題，影響抹灰效果。 目前主要采用齒輪齒條的方案，使提升過程更穩(wěn)定，但增加了設(shè)備成本和重量。 因此，本文提出摩擦輪方案作為提升系統(tǒng)。 摩擦提升方案主要借助抹灰機構(gòu)自重實現(xiàn)提升， 即使提升輪停止仍然可以保證抹灰機構(gòu)靜止，避免墜落事故。 提升系統(tǒng)尤其要關(guān)注抹灰機構(gòu)的安全性，即使在空載狀態(tài)下仍保持抹灰機構(gòu)穩(wěn)定。 由于摩擦提升方案需借助摩擦力實現(xiàn)， 不可避免地會出現(xiàn)摩擦損傷，為保證摩擦輪壓力均勻，需要選擇弧面壓輪。 弧面結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，其壓力分布主要受接觸面材料影響，金屬材料接觸面壓力分布表現(xiàn)為正弦曲線特征，因此，計算得出接觸面壓力為6 410 N。

計算后要進行提升力試驗， 在料斗負載狀態(tài)下測試摩擦輪的提升力，測時摩擦力為0.951 W，重力大于摩擦力，無法實現(xiàn)提升。 當摩擦力達1.395 W 時，重力超過摩擦力，由于兩側(cè)未能保證受力均勻，仍然無法實現(xiàn)提升運動。 在負載狀態(tài)下進行雙摩擦輪提升實驗，當摩擦力達1.902 W 時，可以實現(xiàn)提升運動；當摩擦力達2.790 W 時，可保證摩擦輪穩(wěn)定提升運動。本設(shè)計方案選擇空心圓管作為部件，可以觀察到受力情況。 在提升系統(tǒng)運行過程中，圓管受到摩擦輪的壓力，當摩擦輪壓力過大時， 圓管發(fā)生凹陷， 形成凹陷后會影響提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 在正常運轉(zhuǎn)過程中，摩擦輪壓力并不會造成圓管凹陷，只有在摩擦輪壓力達42.3 kN 時，圓管表面才會形成凹陷。因此，系統(tǒng)作業(yè)過程中應(yīng)避免超負荷運作， 料斗荷載應(yīng)控制在設(shè)定重量之內(nèi)，超負荷運作將影響提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成圓管凹陷，影響提升系統(tǒng)部件的使用壽命。

4 結(jié)語

房屋墻面抹平粉刷作業(yè)是建筑工程中的重要環(huán)節(jié)， 由于操作面積大、工程量大，需要大量人工作業(yè)，且人工勞動強度高，存在高空作業(yè)風險。 墻面抹平粉刷作業(yè)自動化水平低，未充分利用機械設(shè)備展開作業(yè)，作業(yè)工期較長。 本文設(shè)計墻面抹灰機器人， 通過提升系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)將墻面砂漿傳送至目標位置，使用刮膩板和抹灰板完成墻面抹平粉刷作業(yè)，部件角度設(shè)計保證墻面平整度和美觀度， 并大幅提高墻面抹平作業(yè)效率，提高內(nèi)墻施工的自動化水平。 本文提出的設(shè)計方案具有較高的可行性，可滿足建筑工程對內(nèi)墻墻面施工的質(zhì)量要求，且能全面提高作業(yè)效率，具有借鑒作用。