一種串并混聯四自由度混凝土噴涂裝置設計

李少磊，王揚威，吳 哲，張鉑軒

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

氣膜鋼筋混凝土結構建筑是一種將充氣膜與鋼筋混凝土薄殼結構完美融合的新型建筑形式，廣泛應用于倉儲領域，其與以往的倉儲建筑相比建造工期短、穩定性強、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上的工人手持噴槍逐層噴射混凝土完成的，工作環境惡劣、勞動強度大，嚴重制約了氣膜鋼筋混凝土結構建筑的建造速度和質量。

為解決這個問題，國內外開始嘗試使用混凝土噴涂系統來替代人工作業。冶金部馬鞍山礦山研究院研制了CPG-I型噴射混凝土機械手，該設備包括機械臂和車體2部分。機械臂由噴頭、回轉部分、伸縮部分、起落大臂和翻轉機構組成。噴頭部分采用2個轉動副與1個移動副串聯的結構，噴頭控制噴嘴隨著受噴面輪廓和傾角變化實現俯仰、左右偏擺以及畫圓軌跡，保證噴嘴始終垂直于受噴面[1]。南京軍區工程兵部設計的PS10型混凝土噴射機械手包括噴頭機構、大小臂回轉裝置、縱向移動裝置、車體等，噴頭機構采用3個轉動副串聯結構，噴嘴可繞噴頭軸旋轉、俯仰、擺動[2]。北京科技大學在芬蘭SB500型濕噴機機械手的基礎上，設計了PJI型混凝土噴射機械手，由噴頭裝置、伸縮機構、平移折疊機構、舉升機構、大臂回轉機構等構成，噴頭采用串聯結構，可實現線性擺弧式運動及劃圓式運動[3]。湖南大學設計的KC-30型混凝土濕噴機由機械臂、臺車構成，機械臂分為臂架與噴頭，噴頭采用3個轉動副串聯的結構，實現噴頭旋轉與噴頭擺動[4]。安百拓公司的MEYCO型混凝土噴射機包括大臂伸縮臂、小臂伸縮臂、噴頭機構、臺車等。噴頭采用3個轉動副串聯結構，實現噴槍頭回轉運動與俯仰[5]。目前，混凝土噴涂裝置的噴頭機構大都采用串聯機構，實現對壁面形貌的靈活響應，以保證噴涂厚度均勻，但實際應用中為了減輕機械臂負載，噴頭串聯機構設計盡量輕量化，導致機構剛度差、絕對定位精度不高[6]，影響噴涂質量。

本文針對現有混凝土噴涂裝置存在剛度不足的問題，設計了一種基于3-RPS并聯機構的串并混聯混凝土噴涂裝置，充分利用并聯機構與串聯機構的“對偶互補”關系[7]，使噴涂裝置在滿足噴涂范圍的同時，具有更好的剛度和穩定性。

1 混凝土噴涂裝置構型設計

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

圖1 噴槍運動狀態及軌跡

根據氣膜鋼筋混凝土結構建筑的建筑工藝，混凝土噴涂裝置應滿足的基本功能需求為噴槍可實現上下擺動和劃圓回轉運動，噴槍運動軸線從水平位置向上擺動最大角度90°，向下擺動最大角度15°，回轉運動噴槍與回轉軸線最大夾角為25°。為滿足大角度位置變化和噴涂軌跡的要求，設計了一種轉動關節與3-RPS并聯機構串聯的混聯構型混凝土噴涂裝置，如圖2所示。3-RPS并聯機構由上平臺、下平臺與3條支鏈構成，每一條支鏈由1個轉動副Ri、1個移動副Pi以及1個球面副Si構成，其中i=1，2，3，與并聯機構串聯的同軸轉動關節Ri，其中i=4，5。3-RPS并聯機構的3個自由度用于實現噴槍噴涂過程中的規律性上下擺動與回轉運動。串聯的轉動關節用于調整噴槍與壁面法向方向的夾角。

圖2 混凝土噴涂裝置構型

2 串并混聯四自由度混凝土噴涂裝置運動學分析

為機構建立坐標系，3-RPS并聯機構下平臺建立下平臺坐標系O1（X1，Y1，Z1），坐標原點O1為下平臺形心，X1軸方向由O1指向R1，Z1軸方向垂直于下平臺平面向上，Y1軸方向根據右手定則確定。同理，在上平臺建立上平臺坐標系O2（X2，Y2，Z2），坐標原點O2為上平臺形心，X2軸方向由O2指向S1，Z2軸方向垂直于上平臺平面向上，Y2軸方向根據右手定則確定。由文獻[8]可知，3-RPS并聯機構存在3個自由度，分別為上平臺繞X2軸、Y2軸轉動以及沿著Z1軸的移動。

3-RPS并聯機構上平臺外接圓半徑為r，球面副在上平臺坐標系的位置矢量為si，并聯機構下平臺外接圓半徑為R，轉動副在下平臺坐標系的位置矢量為Ri，上平臺坐標系相對于下平臺坐標系的姿態變換矩陣為T，上平臺球面副Si在下平臺坐標系中的位置矢量為Si=T×si+H（i=1，2，3）。

3-RPS并聯機構3條支鏈長度Li可由球面副Si與轉動副Ri之間的距離表示，即Li=|Si-Ri|（i=1，2，3）。

通過以上2個方程，可求出3-RPS并聯機構的各支鏈長度，即Li=|T×si+H-Ri|（i=1，2，3）。

噴涂頂面時，由于關節、桿長限制，并聯機構的運動范圍無法滿足噴涂需求，此時先由轉軸轉動并聯機構至噴槍與壁面垂直，再由并聯機構完成上下擺動噴涂。rup為噴槍與壁面垂直時所上揚的角度，下平臺轉軸的轉動角度λ=rup。

3 混凝土噴涂裝置結構設計與分析

3.1 混凝土噴涂裝置結構設計

根據構型設計，混凝土噴涂裝置的結構包括3-RPS并聯機構、轉軸、夾持器，減速器、電機。3-RPS并聯機構水平放置，在其下平臺兩端設置轉軸，平臺上的支架通過轉軸支撐并聯機構，一端轉軸連接減速器與電機。當并聯機構轉角無法滿足向上擺動工作角度時，電機帶動并聯機構向上擺動，彌補并聯機構運動角度不足的問題，如圖3所示。并聯機構的上、下平臺均設置夾持器，上平臺夾持器夾住噴槍，下平臺夾持器夾住管道。并聯機構使用電動缸作為機構的驅動部件，電動缸底座為耳軸結構，通過法蘭固定于下平臺。球鉸結構簡單，但抗拉強度低，活動范圍小；虎克鉸結構復雜，但抗拉強度高，活動范圍大，因此并聯機構中的球面副采用虎克鉸與轉軸的結構。電動缸前端設置虎克鉸與轉軸，通過軸承座固定于上平臺。氣膜鋼筋混凝土結構建筑通常體積巨大，混凝土噴涂裝置整體所在的平臺安置于機械吊臂，機械吊臂移動噴涂裝置到適當位置完成混凝土噴涂作業。

圖3 混凝土噴涂裝置結構

根據應用需求，3-RPS并聯機構上平臺直徑為400 mm，下平臺直徑為600 mm，上、下平臺形心距離為600 mm。

3.2 混凝土噴涂裝置ADAMS仿真分析

通過ADAMS對虛擬樣機進行仿真，驗證自由度并分析驅動力。ADAMS中虛擬樣機建模復雜，因此在SOLIDWORKS中完成建模并導入ADAMS。在ADAMS中為模型添加運動副與約束，驗證模型后查看自由度數為四。

并聯機構有3個自由度，設置3條支鏈為驅動副，利用運動學方程求解出桿長數據，以桿長數據計算出的桿長位移量作為3條支鏈的驅動數據，將驅動數據保存為文本格式并導入ADAMS。使用樣條函數將數據導入驅動完成仿真。噴槍上下擺動過程中，3條支鏈的驅動力變化如圖4所示。噴槍回轉運動時，3條支鏈的驅動力變化如圖5所示。根據仿真結果，3-RPS并聯機構中電動缸的推力應不低于100 N。

圖4 噴槍上下擺動驅動力

圖5 噴槍回轉運動驅動力

4 結論

首先，根據氣膜鋼筋混凝土結構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型設計。混凝土噴涂裝置采用轉軸與3-RPS并聯機構串聯的串并混聯結構，充分利用串聯機構與并聯機構的“對偶互補”關系，使得混凝土噴涂裝置在具有足夠運動范圍時，具有較好的剛度和穩定性。其次，完成了運動學方程推導。使用SOLLDWORKS軟件完成混凝土噴涂裝置的結構建模，在ADAMS軟件中驗證機構自由度。利用運動學方程求出桿長數據，并以樣條函數輸入ADAMS模型的3條支鏈作為驅動，求解工作狀態中并聯機構3個驅動的驅動力變化。