抹灰机摆动喷涂机构创新设计与分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.182

抹灰机摆动喷涂机构创新设计与分析

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LI Xinge^,^,¹, LIAO Hongyu¹, ZHOU Min^,²^,³, CHEN Mengmeng²^,³, XIE Liangxi²^,³

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收稿日期: 2023-06-26 修回日期: 2023-07-31

基金资助:

国家自然科学基金资助项目. 51975431

Received: 2023-06-26 Revised: 2023-07-31

作者简介 About authors

李新革（1986—），男，湖北长阳人，高级工程师，学士，从事建筑施工技术研究，E-mail:1010096468@qq.com,https://orcid.org/0009-0006-7457-5095 , E-mail：1010096468@qq.com

周敏（1976—），女，江西吉安人，教授，博士，从事智能制造、工业工程管理研究，E-mail:zhoumin@wust.edu.cn , E-mail：zhoumin@wust.edu.cn

摘要

针对上一代建筑墙面砂浆抹灰机的喷涂模块结构复杂、运行不稳定及施工效率低等问题，创新设计了一种结构简单、性能稳定的摆动喷涂机构。通过直线导轨滑块与丝杆、滑台的联动作用，实现砂浆喷涂摆臂的摆动。利用SolidWorks软件创建了摆动喷涂机构的三维模型，并对喷涂机构进行运动学分析；采用机械系统的动力学自动分析（automated dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）软件对喷涂机构进行运动仿真，得到了砂浆喷涂摆臂的运动学特性以及砂浆轨迹；制作出摆动喷涂机构样机并安装在抹灰机上，进行砂浆喷涂现场实验。实验结果表明：摆动喷涂机构设计合理，其结构简单、运行稳定、施工效率高；喷涂出的砂浆连续且均匀，其轨迹基本趋近于一条直线，砂浆喷涂施工质量较高。采用摆动喷涂机构喷涂的建筑墙面砂浆抹灰机具有较好的应用前景。

关键词： 摆动喷涂机构 ; 运动学分析 ; 仿真分析 ; 砂浆轨迹

Abstract

A simple structure and stable performance swing spraying mechanism was innovatively designed to address the complex structure, unstable operation, and low construction efficiency of the spraying module of the previous generation of building wall mortar plastering machines. The swing of the mortar spraying swing arm was achieved through the linkage between the linear guide rail slider and the screw and slide table. A 3D model of the oscillating spraying mechanism was created using SolidWorks. The dynamic automatic analysis of the mechanical system using ADAMS (automated dynamic analysis of mechanical systems) software was used to simulate the motion of the spraying mechanism. The kinematic characteristics and trajectory of the mortar spraying swing arm were obtained. A prototype of a swing spraying mechanism was made and installed on a plastering machine for on-site mortar spraying experiments. The experimental results showed that the swing spraying mechanism was designed reasonably, with a simple structure, stable operation, and high construction efficiency. The sprayed mortar was continuous and uniform, and the trajectory tended to be close to a straight line. The quality of mortar spraying construction was relatively high. The construction wall mortar plastering machine using the swing spraying mechanism has good application prospects.

Keywords： swinging spraying mechanism ; kinematic analysis ; simulation analysis ; mortar trajectory

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本文引用格式

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目前建筑施工领域旧式的作业方式已与社会发展需求不相适应。脱离传统建筑施工方式、实现自动化生产已是智能建造背景下所面临的重要课题。在建筑施工中，墙面的抹灰作业工期长、自动化程度低，占用了大量的时间及人力资源^[1-2]。因此，研发一款建筑墙面砂浆抹灰机非常必要。

建筑机械领域的专家学者针对建筑墙面砂浆抹灰机的结构及抹灰机械缺陷的改进已进行了较多的研究。刘延俊等^[3]设计了一种半自动抹灰机，初步实现了人工操作向机械自动化施工的转变；冯爱华等^[4]设计了一种室内墙壁抹灰机，运用差动轮系工作原理进行抹灰机构创新设计，不仅实现了螺旋输送供料、离心甩灰，而且实现了从砂浆抹平到压实的自动化施工过程；刘维忠等^[5]设计了一种全新的智能墙体抹灰机，它不仅具备自动抹灰的功能，而且还可以通过全电子操作实现智能化；杨振宇等^[6]设计了一种新型的抹灰机，将传统的灰浆喷涂升级到更加高效的直接抹灰，大大提升了墙面施工的效率；孟宪举等^[7]提出了一种新型的抹灰装置，将抹灰、抹平和压实有机结合，利用机械部件的协同作用，实现了多种功能的完美结合；王莹等^[8]设计并开发出一种全自动抹灰机，它能够完美地完成墙壁和阴角的抹灰工作。

作者持续开展建筑墙面砂浆抹灰机的研究，所研发的抹灰机^[9-11]能基本满足企业的建筑墙面施工需求，但抹灰机喷涂模块仍存在一些缺陷，如：喷涂模块结构复杂；喷涂模块与砂浆管的连接部分设计不够合理，致使建筑墙面喷涂施工时机构运行不稳定，砂浆管易发生抖动；喷涂模块的工作行程限制了施工距离，致使砂浆喷涂施工效率低。因此，为了使抹灰机更好地适应施工环境，实现建筑企业的智能化施工，提高墙面的抹灰质量，作者创新设计了一种抹灰机摆动喷涂机构，并对其喷涂路径进行了优化。

1 抹灰机摆动喷涂机构设计

作者研发的建筑墙面砂浆抹灰机的结构如图1所示。抹灰机主要由底部移动小车模块、控制模块、驱动模块、用于升降的纵移模块和进行墙面抹灰施工的摆动喷涂模块构成。

图1

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图1 建筑墙面砂浆抹灰机的结构

Fig.1 Structure of building wall mortar plastering machine

摆动喷涂机构模拟工人摆动砂浆管对墙面进行往复喷涂施工的动作，通过各个构件之间的联动作用实现往复喷涂。摆动喷涂机构的三维模型如图2所示。转盘9和转盘10模拟工人喷涂时手部关节的动作，其通过与丝杆4、滑台11、直线导轨5、滑块6的协同作用，实现摆臂摆动；滑块6通过转盘10与滑台11连接；摆臂7与转盘9均设置有连接孔，以此实现两者固定连接，且摆臂7上表面设置有与砂浆软管及砂浆喷头连接的卡箍；直线导轨5安装于摆臂7下表面，以实现直线传动。在进行墙面喷涂施工时：电机2驱动丝杆4转动，滑台11随着丝杆4的转动作往复运动，滑块6随着滑台11的运动开始沿直线导轨5滑动；摆臂7绕转盘9转动；当滑台11进行往复直线运动时，摆臂7进行往复摆动，以此实现对墙面的往复喷涂。

图2

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图2 抹灰机摆动喷涂机构的三维模型

1—底座；2—电机；3—联轴器；4—丝杆；5—直线导轨；

6—滑块；7—摆臂；8—卡箍；9，10—转盘；11—滑台

Fig.2 Three-dimensional model of swinging spraying mechanism of plastering machine

2 抹灰机摆动喷涂机构运动学分析与仿真

2.1　摆动喷涂机构运动学分析

对摆动喷涂机构进行运动学分析时，不考虑力的作用，分别对摆臂的位置、速度、角速度和角加速度进行分析，根据分析结果来验证喷涂机构是否符合设计要求。摆动喷涂机构简图如图3所示。在图3中，滑块1为滑台，与丝杆构成螺旋副，滑块2与杆AB构成滑动副；杆AB为连杆，其长度为 $L_{3}$ ；点B与点C的距离为 $L_{2}$ ，点A与点C的距离为 $L_{1}$ ， $L_{1}$ 为定值；∠ABC= $θ$ 。

图3

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图3 抹灰机摆动喷涂机构的简图

Fig.3 Schematic diagram of swinging spraying mechanism of plastering machine

则：

L_{3} s i n θ = L_{1}

(1)

L_{3} c o s θ = L_{2}

(2)

对式(1)和式(3)求一次导数，得到速度方程式为：

[\begin{matrix} s i n θ & L_{3} c o s θ \\ c o s θ & - L_{3} s i n θ \end{matrix}] [\begin{matrix} {\dot{L}}_{3} \\ ω \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 \\ {\dot{L}}_{2} \end{matrix}]

(3)

对式(1)和式(3)求二次导数，得到加速度方程式为：

[\begin{matrix} s i n θ & L_{3} c o s θ \\ c o s θ & - L_{3} s i n θ \end{matrix}] [\begin{matrix} {\ddot{L}}_{3} \\ α \end{matrix}] = - [\begin{matrix} c o s θ & {\dot{L}}_{3} c o s θ - L_{3} s i n θ \\ - s i n θ & - {\dot{L}}_{3} s i n θ - L_{3} c o s θ \end{matrix}] [\begin{matrix} {\dot{L}}_{3} \\ ω \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ {\ddot{L}}_{2} \end{matrix}]

(4)

采用摆动喷涂机构对墙面喷涂时，为了实现砂浆的均匀喷涂，将机构的原动件——丝杆设置为匀速旋转运动。假设喷出的砂浆均可喷涂到墙面，则砂浆在墙面沿水平方向作匀速移动，沿竖直方向作自由落体运动。

2.2　摆动喷涂机构运动仿真

2.2.1　仿真模型构建

为了求证摆动喷涂机构设计是否合理，对其进行运动仿真，分析机构中各构件的运动情况及在砂浆喷涂施工过程中是否发生干涉现象，并求解关键构件的角速度和角加速度，为摆动喷涂机构的设计和优化提供依据和参考^[12]。摆动喷涂机构的工作过程采用机械系统的动力学自动分析（automated dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）软件进行仿真。由于仿真时只考虑构件的质心、质量，对喷涂机构的几何形状不予考虑，因此仿真时对摆动喷涂机构的结构进行简化^[13-15]。

1）丝杆与滑台之间设置为螺旋副；转盘与滑台、喷涂摆臂下侧的滑块之间都设置为旋转副；滑块与直线导轨之间设置为移动副；喷涂摆臂与支撑底座之间设置为旋转副。

2）丝杆的有效行程为300 mm，在丝杆与滑台之间的移动副上设置驱动，单个周期内的驱动函数为：IF(time-2.5:-40.0*time, -100, IF(time-7.5:40.0*(time-2.5)-100, 100, -40.0*(time-7.5)+100))。

3）设置各构件为刚体。

根据摆动喷涂机构运动特点，根据上述运动副及工作行程等参数设定，在SolidWorks软件中建立的机构模型并保存为Parasolid(*.x_t)的输出格式，添加至ADAMS软件中，并添加材料属性、运动副和驱动函数等^[16-17]，最后设置仿真时间和步长，进行求解。

2.2.2　仿真结果分析

在ADAMS软件中，对摆动喷涂机构的运动进行1个周期的仿真。仿真时初始位置为丝杆中点，分析砂浆喷涂摆臂的摆动角度、X向和Y向的位移、角速度和角加速度的变化，求解得到的仿真结果如图4至图7所示。

图4

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图4 砂浆喷涂摆臂摆动角度的变化曲线

Fig.4 Variation curve of swing angle of mortar spraying swing arm

图5

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图5 砂浆喷涂摆臂摆动位移的变化曲线

Fig.5 Variation curve of swing displacement of mortar spraying swing arm swing

图6

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图6 砂浆喷涂摆臂摆动角速度的变化曲线

Fig.6 Variation curve of swing angular velocity of mortar spraying swing arm

图7

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图7 砂浆喷涂摆臂摆动角加速度的变化曲线

Fig.7 Variation curve of swing angular acceleration of mortar spraying swing arm

由图4可知，砂浆喷涂摆臂摆动角度变化均匀。由图6、7可知：摆臂摆动的角速度最大约为10 (°)/s，角加速度最大约为1.12 (°)/s²，往返行程中摆臂摆动至同一位置时，角速度大小一致，方向相反；角加速度曲线出现尖点，表明当喷涂机构运行至行程始末两端时会受到冲击，因此需在始末两端设置加减速控制程序。

3 砂浆轨迹分析与仿真

由上文分析可知，砂浆在墙面沿水平方向作匀速移动，沿竖直方向作自由落体运动。如图3所示，假设滑台的运动速度为 $v_{1}$ ，摆臂的摆动中心距墙面的垂直距离为 $L_{4}$ ，距离丝杆所在轴线的垂直距离为 $L_{1}$ ，丝杆行程为L，则根据相似三角形原理，砂浆在墙面水平方向的喷涂长度为 $L_{1}$ L/L₄，水平方向的喷涂速度为 $L_{1} v_{1}$ / $L_{4}$ 。设喷涂时间为t，砂浆水平方向的移动距离为x，竖直方向的移动距离为y，砂浆的喷射速度为 $v_{2}$ ，忽略空气阻力，则砂浆喷涂轨迹的可以表示为：

\{\begin{array}{l} x = \frac{L_{1} v_{1} t}{L_{4}} \\ y = \frac{g}{2 v_{2}} [\sqrt[]{{(L_{1} + L_{4})}^{2} + x^{2}} - (L_{1} + L_{4})] \end{array}

设置抹灰机的工作参数： $L_{1}$ =1.20 m， $L_{4}$ =0.20 m， $v_{1}$ =0.04 m/s， $v_{2}$ =3.00 m/s。采用MATLAB软件进行砂浆轨迹仿真，结果如图8所示。由图可知，当砂浆水平方向的移动距离为1.20 m时，竖直方向的移动距离0.03 m，砂浆轨迹趋近于一条直线。

图8

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图8 砂浆轨迹

Fig.8 Mortar trajectory

4 砂浆喷涂实验

为了测试作者所设计的摆动喷涂机构的工作性能，将该喷涂机构装安装在抹灰机上，进行施工砂浆喷涂实验。实验现场如图9所示。选用的抹灰机的相关参数如表1所示，砂浆主要参数如表2所示。

图9

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图9 砂浆喷涂的实验现场

Fig.9 Experimental site for mortar spraying

表1 抹灰机的相关参数

Table 1 Related parameters of plastering machine

参数	数值
摆臂摆动中心与墙面的距离/m	1.2
丝杆滑台有效行程/m	0.3
砂浆轨迹纵移间距/m	0.1
滑台往复运行时间/s	14.0

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表2 砂浆的主要参数

Table 2 Main parameters of mortar

参数	数值
泥砂比	1∶3
水灰比	0.195
保水率/%	96.4
稠度	92

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实验中采用“行程渐增式”喷涂路径，最终得到的砂浆喷涂实验效果如图10所示。实验表明：

图10

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图10 砂浆喷涂的实验效果

Fig.10 Effect diagram of mortar spraying experiment

1）所设计的摆动喷涂机构结构简单，运行稳定，能满足建筑墙面砂浆喷涂施工要求。

2）喷涂后，墙面上的砂浆分布连续且均匀，砂浆轨迹间距合理，墙面砂浆喷涂质量较好，从而为后续的砂浆抹平工序奠定了基础。

5 结论

1）对上一代建筑墙面砂浆抹灰机的摆动喷涂机构进行优化设计。通过简单动力源实现建筑墙面砂浆的摆动喷涂，设计出了机体结构简单、施工性能可靠的砂浆喷涂机构。

2）采用SolidWorks软件建立了抹灰机三维模型，采用ADAMS软件对喷涂机构进行运行仿真，得到了砂浆喷涂摆臂的角速度和角加速度变化曲线，分析了其砂浆喷涂施工时的运行状态。

3）通过仿真得到砂浆轨迹，当砂浆横向移动距离为1.20 m时，纵向移动距离为0.03 m，砂浆轨迹趋近于一条直线；通过砂浆喷涂实验可知，当丝杆匀速旋转时，可实现砂浆沿墙面水平方向的匀速喷涂，验证了该机构能够满足砂浆喷涂施工要求。

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［J］. 制造业自动化， 2013（21）： 107-110. doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.21.031

[本文引用: 1]

F J

， LI

， ZHANG

R J

， et al.

Spray paintingmechanism design and ADAMS simulate-on of tank wall climbing robot

［J］. Manufacturing Automation， 2013（21）： 107-110.

DOI:10.3969/j.issn.1009-0134.2013.21.031 [本文引用: 1]

[17]

徐静，张志强，马凤仪.

基于纸箱包装生产线的纸箱预封装置设计

［J］. 包装与食品机械， 2022， 40（4）： 86-90. doi：10.3969/j.issn.1005-1295.2022.04.015

[本文引用: 1]

， ZHANG

Z Q

， MA

F Y

Design of carton pre-sealing device based on carton packaging production line

［J］. Packaging and Food Machinery， 2022， 40（4）： 86-90.

DOI:10.3969/j.issn.1005-1295.2022.04.015 [本文引用: 1]

LS-Dyna中墙面抹灰机振动压实过程仿真分析

2018

... 目前建筑施工领域旧式的作业方式已与社会发展需求不相适应.脱离传统建筑施工方式、实现自动化生产已是智能建造背景下所面临的重要课题.在建筑施工中，墙面的抹灰作业工期长、自动化程度低，占用了大量的时间及人力资源^[1-2].因此，研发一款建筑墙面砂浆抹灰机非常必要. ...

LS-Dyna中墙面抹灰机振动压实过程仿真分析

2018

智能墙面抹灰机的类型及关键技术研究进展

2015

智能墙面抹灰机的类型及关键技术研究进展

2015

半自动抹灰机的气动系统设计

2004

... 建筑机械领域的专家学者针对建筑墙面砂浆抹灰机的结构及抹灰机械缺陷的改进已进行了较多的研究.刘延俊等^[3]设计了一种半自动抹灰机，初步实现了人工操作向机械自动化施工的转变；冯爱华等^[4]设计了一种室内墙壁抹灰机，运用差动轮系工作原理进行抹灰机构创新设计，不仅实现了螺旋输送供料、离心甩灰，而且实现了从砂浆抹平到压实的自动化施工过程；刘维忠等^[5]设计了一种全新的智能墙体抹灰机，它不仅具备自动抹灰的功能，而且还可以通过全电子操作实现智能化；杨振宇等^[6]设计了一种新型的抹灰机，将传统的灰浆喷涂升级到更加高效的直接抹灰，大大提升了墙面施工的效率；孟宪举等^[7]提出了一种新型的抹灰装置，将抹灰、抹平和压实有机结合，利用机械部件的协同作用，实现了多种功能的完美结合；王莹等^[8]设计并开发出一种全自动抹灰机，它能够完美地完成墙壁和阴角的抹灰工作. ...

半自动抹灰机的气动系统设计

2004

室内墙壁用差动抹灰机研究

2014

室内墙壁用差动抹灰机研究

2014

智能墙体抹灰机研究

2012

智能墙体抹灰机研究

2012

新型抹灰机的设计

2007

新型抹灰机的设计

2007

抹灰机抹灰装置的设计与动力仿真分析

2015

抹灰机抹灰装置的设计与动力仿真分析

2015

一种新型抹灰机的设计和仿真

2012

一种新型抹灰机的设计和仿真

2012

Intelligent spraying robot for building walls with mobility and perception

2022

... 作者持续开展建筑墙面砂浆抹灰机的研究，所研发的抹灰机^[9-11]能基本满足企业的建筑墙面施工需求，但抹灰机喷涂模块仍存在一些缺陷，如：喷涂模块结构复杂；喷涂模块与砂浆管的连接部分设计不够合理，致使建筑墙面喷涂施工时机构运行不稳定，砂浆管易发生抖动；喷涂模块的工作行程限制了施工距离，致使砂浆喷涂施工效率低.因此，为了使抹灰机更好地适应施工环境，实现建筑企业的智能化施工，提高墙面的抹灰质量，作者创新设计了一种抹灰机摆动喷涂机构，并对其喷涂路径进行了优化. ...

自动抹墙机异形喷嘴流场分析与结构优化

2018

自动抹墙机异形喷嘴流场分析与结构优化

2018

基于钢丝绳传动的自动抹灰机的轻量化设计

2022

基于钢丝绳传动的自动抹灰机的轻量化设计

2022

基于Creo和ADAMS的弧面分度凸轮机构建模与运动仿真研究

2020

... 为了求证摆动喷涂机构设计是否合理，对其进行运动仿真，分析机构中各构件的运动情况及在砂浆喷涂施工过程中是否发生干涉现象，并求解关键构件的角速度和角加速度，为摆动喷涂机构的设计和优化提供依据和参考^[12].摆动喷涂机构的工作过程采用机械系统的动力学自动分析（automated dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）软件进行仿真.由于仿真时只考虑构件的质心、质量，对喷涂机构的几何形状不予考虑，因此仿真时对摆动喷涂机构的结构进行简化^[13-15]. ...

基于Creo和ADAMS的弧面分度凸轮机构建模与运动仿真研究

2020

基于ADAMS的3-PUU并联机构坐标测量机的轨迹规划及仿真

2019

基于ADAMS的3-PUU并联机构坐标测量机的轨迹规划及仿真

2019

电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真

2023

电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真

2023

基于ADAMS的混匀仪振动系统优化分析

2023

基于ADAMS的混匀仪振动系统优化分析

2023

储罐爬壁机器人的喷漆机构设计及ADAMS仿真

2013

... 根据摆动喷涂机构运动特点，根据上述运动副及工作行程等参数设定，在SolidWorks软件中建立的机构模型并保存为Parasolid(*.x_t)的输出格式，添加至ADAMS软件中，并添加材料属性、运动副和驱动函数等^[16-17]，最后设置仿真时间和步长，进行求解. ...

储罐爬壁机器人的喷漆机构设计及ADAMS仿真

2013

基于纸箱包装生产线的纸箱预封装置设计

2022

基于纸箱包装生产线的纸箱预封装置设计

2022

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