內墻抹平粉刷機器人設計分析

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備，借助機械設備展開作業。 在內墻抹平粉刷作業中長期依賴人工勞動， 造成內墻墻面抹平效率低，抹平質量參差不齊，不僅影響建筑工程竣工日期，還影響內墻施工質量和美觀度，因此，升級抹平粉刷機械化設備對于提高內墻抹平粉刷質量十分關鍵。

2 內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， 內墻抹平機器人應滿足以下功能需求。

1）需要嚴格控制機器人制造成本，方便機器人維修和維護，務必保證其經濟性優勢。

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

3）嚴格控制機器人的體積，內墻磨平機器人應方便于出入各個空間、門窗，因此，需要其體積適宜，不應過于龐大，保證內部結構部件緊湊，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，保證墻面光滑程度、厚度均勻，達到質量標準。

3 內墻抹平粉刷機器人的設計方案

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

3.1 抹灰結構

3.1.1 料斗設計

料斗要南溝盛裝合適量的砂漿， 最大限度地減少灰漿浪費。同時應滿足可自由翻轉料斗，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，上升抹灰板完成抹平操作。料斗設計形狀如圖1 所示?？杀ＷC料斗勻速上升過程中接觸橫梁位置，避免過大的沖擊，保證料斗穩定性。 料斗圍繞轉軸翻轉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。

圖1 料斗設計形狀

3.1.2 氣動桿

傳統機械聯動穩定性差，結構復雜，且易出現機械故障。為保證料斗翻轉平穩，采取氣動桿方式進行料斗翻轉。 為滿足抹平作業，要求氣動桿長285 mm，壓縮長度要求205 mm，行程80 mm。 料斗翻轉主要依賴氣動桿，其受力情況復雜，因此，當料斗裝滿砂漿時，氣動桿應具備足夠強大的壓力，避免發生翻倒或不穩定情況。 抹灰機構在頂部時，料斗受橫梁壓力翻轉向下，氣動而阻力不影響料斗翻轉，保證料斗穩定翻轉[2]。 假設在理想狀態下，料斗翻轉整個過程重量未發生變化，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超過料斗和砂漿的重量和。 初始設定氣動桿支撐力為1 000 N，料斗盛滿灰漿后產生部分荷載，料斗在擺動作用下可自動復原。 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力矩，料斗擺動角度不超過6°，即可自動復位。

3.1.3 刮膩板設計

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

圖2 刮膩板結構

根據刮膩板結構可知，活動部件為3 個，結構自由度為1，圖3 所示為工作狀態下的刮膩板。

圖3 刮膩板結構受力情況

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 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，設定刮膩板和墻面形成24°夾角，以保證刮膩子作業的最佳質量。

3.1.4 其他結構

其他結構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備，常面臨復雜的作業工況， 為保證達到良好的作業效果， 可增加振動電機，振動電機能保證下料的流暢度，為墻面抹平作業質量提供保障。 選擇30 Hz 的振動電機，為保證抹灰板復位，可以增加彈簧設施，在抹灰板翻轉狀態下產生力，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位[3]。

3.2 傳動系統

由于抹灰機器人主要進行直線運動， 傳動系統可選擇齒輪傳動、帶傳動及鏈傳動。 為方便與選擇最合適的傳動系統，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，齒輪傳動結構緊湊，可以實現高效率傳動， 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，一旦超過設定距離將影響傳動穩定性，甚至產生傳動帶振動，引起傳動帶變形。

鏈傳動屬于撓性傳動，主要傳動結構包括鏈輪和鏈條，相較于帶傳動結構，鏈傳動結構不易出現打滑問題，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，一旦發生瞬時傳動，鏈條易發生磨損導致頻繁跳齒。

基于上述分析，本設計方案選擇鏈傳動方案，由電機提供輸出電能，在小鏈輪的轉動作用下將動力船導致大鏈輪上，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，轉矩被傳遞至摩擦輪上，實現摩擦力提升系統。 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，電機至少應選擇206 W。 本文使用功率為500 W，轉速為43 r/min，提升力4 166 N 的電機。 傳動齒輪模數為2，齒數為46，選擇45 鋼材料的齒輪，要求精度達到七級。 由于電機轉速為43 r/min，大小鏈輪齒數分別為25和17，摩擦輪轉速為29.24 r/min。 本設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，減少故障發生。

3.3 提升系統

提升系統主要采用兩種設計：通過卷筒的帶動作用，借助鋼絲繩提升抹灰機構；借助于齒輪齒條提升抹灰機構。 第一種方案使用的鋼絲繩具備一定柔韌性，但易發生纏繞故障,提升過程中易出現晃動不穩定的問題，影響抹灰效果。 目前主要采用齒輪齒條的方案，使提升過程更穩定，但增加了設備成本和重量。 因此，本文提出摩擦輪方案作為提升系統。 摩擦提升方案主要借助抹灰機構自重實現提升， 即使提升輪停止仍然可以保證抹灰機構靜止，避免墜落事故。 提升系統尤其要關注抹灰機構的安全性，即使在空載狀態下仍保持抹灰機構穩定。 由于摩擦提升方案需借助摩擦力實現， 不可避免地會出現摩擦損傷，為保證摩擦輪壓力均勻，需要選擇弧面壓輪。 弧面結構受力較為復雜，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，無法實現提升。 當摩擦力達1.395 W 時，重力超過摩擦力，由于兩側未能保證受力均勻，仍然無法實現提升運動。 在負載狀態下進行雙摩擦輪提升實驗，當摩擦力達1.902 W 時，可以實現提升運動；當摩擦力達2.790 W 時，可保證摩擦輪穩定提升運動。本設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， 圓管發生凹陷， 形成凹陷后會影響提升系統的穩定性。 在正常運轉過程中，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，系統作業過程中應避免超負荷運作， 料斗荷載應控制在設定重量之內，超負荷運作將影響提升系統的穩定性，造成圓管凹陷，影響提升系統部件的使用壽命。

4 結語

房屋墻面抹平粉刷作業是建筑工程中的重要環節， 由于操作面積大、工程量大，需要大量人工作業，且人工勞動強度高，存在高空作業風險。 墻面抹平粉刷作業自動化水平低，未充分利用機械設備展開作業，作業工期較長。 本文設計墻面抹灰機器人， 通過提升系統和傳動系統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，部件角度設計保證墻面平整度和美觀度， 并大幅提高墻面抹平作業效率，提高內墻施工的自動化水平。 本文提出的設計方案具有較高的可行性，可滿足建筑工程對內墻墻面施工的質量要求，且能全面提高作業效率，具有借鑒作用。