内墙抹平粉刷机器人设计分析

刘璐

（中国建筑第二工程局有限公司工程研究院，北京 100071）

1 引言

随着机械施工自动化水平和机械水平的不断提高，建筑施工逐渐引入自动化机械设备，借助机械设备展开作业。 在内墙抹平粉刷作业中长期依赖人工劳动， 造成内墙墙面抹平效率低，抹平质量参差不齐，不仅影响建筑工程竣工日期，还影响内墙施工质量和美观度，因此，升级抹平粉刷机械化设备对于提高内墙抹平粉刷质量十分关键。

2 内墙抹平粉刷机器人的功能需求

面对墙面粉刷抹平等施工工序要求， 内墙抹平机器人应满足以下功能需求。

1）需要严格控制机器人制造成本，方便机器人维修和维护，务必保证其经济性优势。

2）具有较高的自动化水平，研发机器人是为了降低人工操作的劳动强度，减少人工成本，并提高作业效率，机器人应具备较高的自动化水平[1]。

3）严格控制机器人的体积，内墙磨平机器人应方便于出入各个空间、门窗，因此，需要其体积适宜，不应过于庞大，保证内部结构部件紧凑，方便移动操作。

4）具备良好的抹墙工艺水平，能按照施工标准和要求完成抹平作业，保证墙面光滑程度、厚度均匀，达到质量标准。

3 内墙抹平粉刷机器人的设计方案

本研究设计中墙抹平粉刷机器人， 主要结构包括抹灰机构、传动系统及提升系统，具备自动化、机械化磨平粉刷功能，具体设计方案如下。

3.1 抹灰结构

3.1.1 料斗设计

料斗要南沟盛装合适量的砂浆， 最大限度地减少灰浆浪费。同时应满足可自由翻转料斗，可在不同高度抹灰抹平。当料斗接触横梁时，可下压料斗翻转，上升抹灰板完成抹平操作。料斗设计形状如图1 所示。可保证料斗匀速上升过程中接触横梁位置，避免过大的冲击，保证料斗稳定性。 料斗围绕转轴翻转90°并将砂浆倒入目标位置。 倾角角度决定下料流畅度及抹灰效果， 要保证不受外力作用的砂浆能顺利下滑至目标位置，将倾角设定为26°以满足倾倒效果。 为避免人工填料需求，料斗体积满足一次抹灰到位的需求， 设计料斗横截面50 970 mm3，一次取料可完成长3 m、厚7~17 mm 的墙体抹灰作业。

图1 料斗设计形状

3.1.2 气动杆

传统机械联动稳定性差，结构复杂，且易出现机械故障。为保证料斗翻转平稳，采取气动杆方式进行料斗翻转。 为满足抹平作业，要求气动杆长285 mm，压缩长度要求205 mm，行程80 mm。 料斗翻转主要依赖气动杆，其受力情况复杂，因此，当料斗装满砂浆时，气动杆应具备足够强大的压力，避免发生翻倒或不稳定情况。 抹灰机构在顶部时，料斗受横梁压力翻转向下，气动而阻力不影响料斗翻转，保证料斗稳定翻转[2]。 假设在理想状态下，料斗翻转整个过程重量未发生变化，料斗倾翻过程中形成力矩，由气动杆提供支撑力保证工位不变。 气动杆支撑力力矩应超过料斗和砂浆的重量和。 初始设定气动杆支撑力为1 000 N，料斗盛满灰浆后产生部分荷载，料斗在摆动作用下可自动复原。 这种摆动作用受气动杆支撑力矩和料斗重力力矩之间的差值决定。 要保证支撑力力矩超过重力翻转力矩，料斗摆动角度不超过6°，即可自动复位。

3.1.3 刮腻板设计

刮腻板是保证刮腻子和抹平作业的重要操作部位，其主要由电机、连杆、转动杆等构成。 电击输出轴连接转动杆，活动铰链连接转动杆两端，制动电机通过断电制动方式，其结构如图2 所示。 操作时通过电机启动运转，调整刮腻子厚度，刮板和墙面形成固定夹角，调整夹角后沿夹角稳定上升达到一定高度后通电逆时针转动刮板稳定下降，对墙面完成刮腻子作业。

图2 刮腻板结构

根据刮腻板结构可知，活动部件为3 个，结构自由度为1，图3 所示为工作状态下的刮腻板。

图3 刮腻板结构受力情况

式中，θ 为墙面和刮板的夹角；s 为b、h、R 形成的截面面积。 在提升状态下，刮板下端和墙面的距离是刮腻子的厚度。 如图3（a）所示，刮板工作状态下截面b、h、R 形成了三角形，截面体积V 为：

一般情况下腻子密度ρ 约为0.6~0.8 kg/m2，R=20 cm，刮腻板长度L=1 m，ρ=0.8×103kg/m3，g=9.8 N/kg。

通过对刮腻子板的运动分析，可得到：

式中，F 为刮板对腻子料支撑力；N 为墙对腻子料的作用力；f1为刮腻板的摩擦力；f2为墙面和刮腻板之间摩擦力；m 为刮腻板质量；g 为重力加速度。 当墙面和腻子料之间摩擦力达到最大值时，可满足最佳施工效果，刮腻板和墙面之间的夹角=24°时，摩擦力可达到最大值。 因此，设定刮腻板和墙面形成24°夹角，以保证刮腻子作业的最佳质量。

3.1.4 其他结构

其他结构也直接影响抹灰效果和流畅度， 需多次试验验证料斗角度和倾角。 抹灰机器人属于建筑机械设备，常面临复杂的作业工况， 为保证达到良好的作业效果， 可增加振动电机，振动电机能保证下料的流畅度，为墙面抹平作业质量提供保障。 选择30 Hz 的振动电机，为保证抹灰板复位，可以增加弹簧设施，在抹灰板翻转状态下产生力，料斗一旦消除抹灰板上压力，在弹簧拉力的影响下抹灰板可自动复位[3]。

3.2 传动系统

由于抹灰机器人主要进行直线运动， 传动系统可选择齿轮传动、带传动及链传动。 为方便与选择最合适的传动系统，本文对比3 种传动方式。

最重要的传动方式为齿轮传动方式，齿轮传动结构紧凑，可以实现高效率传动， 零部件寿命更长， 传动效率也能达到99%，且其传动精度标准更高，能实现大荷载传动，但也存在成本高、磨损率大等问题。

带传动也是常见的传动方式，同样可以承受大荷载传动，达到高精度传动标准，同时具备过载保护性能，其能感受零部件的约束，带传动的距离有一定限制，一旦超过设定距离将影响传动稳定性，甚至产生传动带振动，引起传动带变形。

链传动属于挠性传动，主要传动结构包括链轮和链条，相较于带传动结构，链传动结构不易出现打滑问题，传动距离更精准，制作成本较低。 但链传动只能进行平行距离传动，一旦发生瞬时传动，链条易发生磨损导致频繁跳齿。

基于上述分析，本设计方案选择链传动方案，由电机提供输出电能，在小链轮的转动作用下将动力船导致大链轮上，大链轮、摩擦轮以及传动齿轮均为同一个传动轴，在传动齿轮的作用下，转矩被传递至摩擦轮上，实现摩擦力提升系统。 在电机选择上，由于料斗砂浆可达75 kg，横梁压力为760 N，气动杆支撑力达到1 000 N，因此，电机至少应选择206 W。 本文使用功率为500 W，转速为43 r/min，提升力4 166 N 的电机。 传动齿轮模数为2，齿数为46，选择45 钢材料的齿轮，要求精度达到七级。 由于电机转速为43 r/min，大小链轮齿数分别为25和17，摩擦轮转速为29.24 r/min。 本设计方案可最大程度减少齿面接触的疲劳损伤，减少齿根弯曲疲劳损伤，从而延长零部件的使用寿命，减少故障发生。

3.3 提升系统

提升系统主要采用两种设计：通过卷筒的带动作用，借助钢丝绳提升抹灰机构；借助于齿轮齿条提升抹灰机构。 第一种方案使用的钢丝绳具备一定柔韧性，但易发生缠绕故障,提升过程中易出现晃动不稳定的问题，影响抹灰效果。 目前主要采用齿轮齿条的方案，使提升过程更稳定，但增加了设备成本和重量。 因此，本文提出摩擦轮方案作为提升系统。 摩擦提升方案主要借助抹灰机构自重实现提升， 即使提升轮停止仍然可以保证抹灰机构静止，避免坠落事故。 提升系统尤其要关注抹灰机构的安全性，即使在空载状态下仍保持抹灰机构稳定。 由于摩擦提升方案需借助摩擦力实现， 不可避免地会出现摩擦损伤，为保证摩擦轮压力均匀，需要选择弧面压轮。 弧面结构受力较为复杂，其压力分布主要受接触面材料影响，金属材料接触面压力分布表现为正弦曲线特征，因此，计算得出接触面压力为6 410 N。

计算后要进行提升力试验， 在料斗负载状态下测试摩擦轮的提升力，测时摩擦力为0.951 W，重力大于摩擦力，无法实现提升。 当摩擦力达1.395 W 时，重力超过摩擦力，由于两侧未能保证受力均匀，仍然无法实现提升运动。 在负载状态下进行双摩擦轮提升实验，当摩擦力达1.902 W 时，可以实现提升运动；当摩擦力达2.790 W 时，可保证摩擦轮稳定提升运动。本设计方案选择空心圆管作为部件，可以观察到受力情况。 在提升系统运行过程中，圆管受到摩擦轮的压力，当摩擦轮压力过大时， 圆管发生凹陷， 形成凹陷后会影响提升系统的稳定性。 在正常运转过程中，摩擦轮压力并不会造成圆管凹陷，只有在摩擦轮压力达42.3 kN 时，圆管表面才会形成凹陷。因此，系统作业过程中应避免超负荷运作， 料斗荷载应控制在设定重量之内，超负荷运作将影响提升系统的稳定性，造成圆管凹陷，影响提升系统部件的使用寿命。

4 结语

房屋墙面抹平粉刷作业是建筑工程中的重要环节， 由于操作面积大、工程量大，需要大量人工作业，且人工劳动强度高，存在高空作业风险。 墙面抹平粉刷作业自动化水平低，未充分利用机械设备展开作业，作业工期较长。 本文设计墙面抹灰机器人， 通过提升系统和传动系统将墙面砂浆传送至目标位置，使用刮腻板和抹灰板完成墙面抹平粉刷作业，部件角度设计保证墙面平整度和美观度， 并大幅提高墙面抹平作业效率，提高内墙施工的自动化水平。 本文提出的设计方案具有较高的可行性，可满足建筑工程对内墙墙面施工的质量要求，且能全面提高作业效率，具有借鉴作用。