智能墻面抹灰機的類型及關鍵技術研究進展

龍騰，李恩，方灶軍，趙偉青，梁自澤

（中國科學院自動化研究所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室，北京100190）

0 引言

隨著社會的飛快發(fā)展，許多手工勞動逐漸被機器人所替代。機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅大大解放了勞動力，并且使工作效率得到了很大提升。在如今蓬勃發(fā)展的建筑行業(yè)中，墻面抹灰這道工序大部分由手工完成，這道工序占據(jù)了整個建筑工程總工期的30%～40%，耗費資金多且質(zhì)量難以達到高標準的要求。墻面抹灰機將有助于節(jié)省將近85%的勞動力成本，提高10～15倍的生產(chǎn)力，能在較短的時間內(nèi)完成作業(yè)任務，減少寶貴的時間和項目成本［1－2］。所以，使用機器人代替手工進行高質(zhì)量的墻面抹灰尤為重要。目前，國內(nèi)外對抹灰機進行了大量的研究，已經(jīng)制造出成品并在市場上銷售，但是由于功能不完善還達不到滿意的抹灰效果，故目前還未能大面積推廣［3－4］。文章對智能抹灰機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展過程進行綜述，闡述抹灰機的種類，綜合分析了抹灰機的關鍵技術，提出每個技術要點所存在的問題，并提出改進建議。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外的研究中出現(xiàn)了三種樣式的抹灰機，分別是噴涂抹灰機、半自動抹灰機和全自動抹灰機。

1.1 噴涂抹灰機

噴涂抹灰機是將已經(jīng)配置好的灰漿利用輸送泵輸送到噴頭。噴涂裝置的設計一般都會增設加壓裝置，使得噴出的灰漿更加有力，更容易吸附在墻面上，以此來保證噴涂抹灰的質(zhì)量。

機械噴涂抹灰機在我國應用已經(jīng)有50年的歷史，國外應用的更早。早在1934年，Cormack即發(fā)表專利介紹了噴涂抹灰機［5］。他的設計中利用電動機帶動螺桿泵，將已經(jīng)配置好的灰漿壓入軟管，到達噴頭后噴出（如圖 1所示）。Mccaughey等和Mccallum也在相同的年代分別設計出不同結構的墻面噴涂抹灰機［6－7］。但在應用初期，機械設備存在著技術性能較差，且易發(fā)生故障及壽命較短等缺點，所以一直沒有得到廣泛的應用。

圖1 噴涂抹灰機示意圖［1］

李永江等設計了一種噴涂抹灰機［8］。設計的噴涂抹灰機將噴槍固定于支架上，通過手工搖動卷筒，使噴槍在鋼絲繩的牽引下水平或者豎直運動，相對于手持式噴頭，減輕了手臂的勞動強度。通過噴涂抹灰機的應用，使得抹灰的速度有了顯著地提高，完成質(zhì)量也比手工抹灰更加均勻，且節(jié)省了材料。

隨著技術的革新，噴涂抹灰機的種類逐漸增多，但是噴涂抹灰機在使用過程中，只能完成灰漿的噴涂，刮平這道工序還是需要手工來完成。噴涂抹灰機對噴射灰漿的質(zhì)量要求高，也是其未能推廣應用的原因。用于噴涂抹灰機使用的灰漿，其含沙量嚴格限制在一定的范圍內(nèi)，但是國內(nèi)灰漿的配比難以嚴格保證，所以有的灰漿無法滿足噴涂要求。國外的灰漿都是統(tǒng)一配比，而且嚴格執(zhí)行，保證了質(zhì)量。

1.2 半自動抹灰機

半自動抹灰機是在手工抹灰和噴涂抹灰機的基礎上進行發(fā)展而來。灰漿通過軟管或管道輸送到抹灰頭，通過人工來移動抹灰頭位置，抹灰頭到達之處，即可將灰漿抹好，達到快速抹灰的目的。

陸龍福等設計了一種半自動抹灰機［9］。抹灰頭采用扇葉狀螺旋片結構（如圖2所示），利用扇葉狀螺旋片的斜面具有雙向作用力的原理完成作業(yè)［10－11］。在抹灰的同時，可完成對墻體的噴漿、壓實、抹光等粉刷作業(yè)。薛奎設計出不同形狀的抹灰頭，可以對陰、陽角等部位進行抹灰［12］。但是由于半自動抹灰機的抹灰頭面積較小，效率難以得到大幅提高。

圖2 半自動抹灰機的示意圖［5］

1.3 全自動抹灰機

目前有很多全自動抹灰機的設計方案。早在20世紀90年代，國內(nèi)就出現(xiàn)一批關于墻面抹灰機的專利，近年來，抹灰機的設計也沒有中斷過。墻面抹灰機的設計方案一般包括傳動機構、抹灰機構、移動機構等，有的設計中還包括灰漿的傳送機構，比如利用傳送帶、加壓泵等機構進行灰漿的傳送，免去了人工不斷添加灰漿的工序。傳動機構負責將抹灰機構提升，使抹灰裝置勻速運動上升或者下降；抹灰機構主要是對抹灰的壓力和抹灰平整度進行調(diào)整，保證抹灰的質(zhì)量；在一次抹灰完成后，通過移動機構將抹灰機移動到另外一個作業(yè)點，便捷省力，大多數(shù)設計中移動機構用到的是萬向輪。

孫世哲設計了一種自動抹灰機，這種全自動抹灰機增設了翻轉抹灰刀（如圖3所示），翻轉抹灰刀設有大小兩個工作面和臥式、立式兩種工作位，臥位時與其下方的底層抹灰刀構成階梯形復合抹灰機構，這種復合抹灰機構，加大了對灰漿對墻面的壓力，能有效的防止空鼓開裂的現(xiàn)象［13］。其直立位是用來為墻頂抹灰。

圖3 雙工作面抹灰機結構設計圖［13］

羅永彬等發(fā)明了一種建筑用抹灰機［14］。整個機構由抹灰裝置和移動裝置組成，其中抹灰裝置包括灰斗、抹灰板、轉動頭以及動力裝置。移動裝置有橫向滑軌和縱向滑軌（如圖4所示）。抹灰裝置可在滑軌上水平、垂直移動，帶動抹灰裝置完成抹灰作業(yè)。此種抹灰機采用獨特的齒條升降機構，使得抹灰機在作業(yè)過程中更加的穩(wěn)定，抹灰裝置能實現(xiàn)整個墻面的無死角粉刷，并且粉刷的墻面平整無裂縫。但是設計的支架過于龐大，可能導致作業(yè)過程中無法保持重心穩(wěn)定，而且大支架不便于安裝和運輸。

圖4 齒輪齒條提升抹灰機結構設計圖［14］

沈孝芹等設計了一種墻面抹灰機，張幫振在此基礎上進行了改進［15－16］。改進的全自動墻面抹灰機由底盤、支架、刷斗及傳動裝置組成（如圖5所示），這種機械結構設計是通過一個電動機來實現(xiàn)抹灰和提升兩種作業(yè)［17－18］。由人工將灰漿裝入存灰斗中，啟動電動機，其帶動刷斗沿支架由下往上運動，完成粉刷作業(yè)，當?shù)竭_限位高度時，電機停止后反轉，依靠刷斗自身的重力下落到最低處，即完成一次作業(yè)。

全自動抹灰機是市場上比較完善的一種抹灰機，它能自動的完成粉刷、抹平等一系列工序，不需要人工參與，有的設計能自動的傳送灰漿。對于大面積的抹灰作業(yè)，抹灰質(zhì)量基本上能保證。但是全自動抹灰機還存在一些問題未能解決。首先，在抹灰機構上升過程中，無法保證整個作業(yè)部分的粉刷厚度一致，很容易造成下厚上薄的問題；其次，安裝測量繁瑣，使得作業(yè)人員不易接受，在完成一次作業(yè)后，需要移動抹灰機并進行支架的垂直度的測量和抹灰機與墻面距離等參數(shù)的測量；而且抹灰機目前只針對整面需要抹灰的墻面，遇到有門窗等不需要抹灰的地方仍然需要進行人工抹灰。

圖5 全自動墻面抹灰機結構設計圖［16］

2 墻面抹灰機的關鍵技術研究進展

目前對于智能抹灰機的研究很多，文章從傳動機構、支架垂直度、抹灰機與作業(yè)墻面之間的距離、抹灰機的粉刷位置以及抹灰板與墻面的偏轉角等方面，介紹了墻面抹灰機的關鍵技術研究進展，并對一些關鍵技術所存在的問題提出解決方法。

2.1 傳動機構

傳動機構是抹灰機保證質(zhì)量的關鍵機構，它與刷斗上升的穩(wěn)定性和抹灰的均勻性等因素有密切關系。劉維忠等利用卷揚機進行傳動，設計簡單平穩(wěn)，但是在刷斗的往復運動中鋼絲繩容易磨損，需要及時做好維護保養(yǎng)工作［17，19－20］。而且在設計卷揚機時，需要對鋼絲繩的張力、滾筒強度、卷筒與繩輪的允許偏轉角進行精確的計算，留出充足的余量［21－23］。張宏濤的設計中采用傳統(tǒng)的蝸桿裝置進行升降，由于刷斗質(zhì)量大，上升過程中易對蝸桿裝置發(fā)生形變，且需要根據(jù)蝸桿裝置的規(guī)格，限定刷斗的最大質(zhì)量［24－25］。陳萬強等的設計中利用液壓傳動方式，液壓傳動相對于其他傳動方式來說功率質(zhì)量比較大，更能提高效率，但是在設計中需要考慮到液壓裝置在運動時產(chǎn)生的振動問題［10］。由于上述傳動機構的平穩(wěn)性和精度都不高，可以考慮為采用齒輪傳動方式進行傳動提升，這樣的設計可大大提升控制精度［26－27］。由于采用齒輪傳動方式，需要在左右兩根撐桿上加裝齒條，上升過程由電機帶動齒輪轉動，使抹灰機順著固定的齒條上升并進行抹灰。采用齒輪傳動，最重要的是必須保證齒輪齒條的清潔度，一旦有水泥沙石卡在齒條中，齒輪很有可能脫軌，造成抹灰機從撐桿上墜落，發(fā)生安全事故。為了防止事故的發(fā)生，可將撐桿改為槽鋼或者C型鋼材，將齒條固定于內(nèi)部，做成半封閉模式。另外，還可以在齒輪的周圍加上刷子，將齒輪即將到達的位置提前刷干凈，保證抹灰機能順利上升。

2.2 支架的垂直度

利用抹灰機進行墻面粉刷時，支架的垂直度是決定粉刷厚度均勻性的關鍵因素。目前全自動抹灰機的支架垂直度需要靠人工利用吊垂線的方法來測量，安裝抹灰機時就不能完全保證絕對的垂直，而且在刷斗的上升過程中，由于重力的作用，可能導致支架垂直度發(fā)生改變，影響施工質(zhì)量。可以考慮在原有抹灰機上增加支架垂直度的檢測裝置，監(jiān)測支架的垂直度，及時在抹灰過程中進行補償。目前的研究中對支架垂直度檢測用到的傳感器一般有傾角儀、陀螺儀、加速度傳感器，或者利用紅外線進行檢測等，也可通過間接的方式來獲得支架與墻面的夾角［28］。這些垂直度檢測方式都可以直接應用，考慮到檢測的精度以及傳感器的成本，故利用間接的方式來獲得支架的垂直度。具體實現(xiàn)是用測距傳感器，在抹灰機上升過程中選取在同一豎直線上的兩個點，測量抹灰機與粉刷墻面之間的距離，利用三角形計算出撐桿與豎直方向的角度，即可得到支架的垂直度。根據(jù)測量到的偏差，由控制器計算絲桿伸縮量大小，并在抹灰機上升抹灰過程中，調(diào)節(jié)絲桿伸縮，進而進行支架垂直度的補償。

2.3 抹灰機與作業(yè)墻面的距離

抹灰機與作業(yè)墻面的距離是保證粉刷厚度的決定性因素，調(diào)整這個距離就可以調(diào)整灰漿粉刷的厚度。這個距離由兩個方面的因素來決定：一是抹灰機的基座與墻角之間的距離；二是刷斗與墻面的距離。目前在抹灰機的使用中，這些距離主要靠人工測量，有的更是單純依賴目測。要解決這個問題，就需要通過傳感器檢測抹灰機與墻面之間的距離。目前可以應用在抹灰機上的有光電測距和超聲波測距，通過測量反饋控制等方式，保證抹灰機與作業(yè)墻面的距離保持恒定［29］。改進的設計中可以在基座加裝初定位裝置，保證基座與墻角的距離，再利用測距傳感器精確測量灰斗與墻面的距離，根據(jù)測量偏差進行微調(diào)?？紤]到抹灰機工作環(huán)境充滿灰塵以及振動，選用的傳感器必須有良好的抗干擾性能。Amann在2001年提出了激光測距的方法，用到的激光測距傳感器抗干擾性能良好，可應用于墻面抹灰機的距離測量［30］。

2.4 抹灰機粉刷位置

目前抹灰機對大面積的粉刷墻面能應對自如，但是對于墻角以及出現(xiàn)有門窗的位置是無法使用抹灰機進行抹灰。在作業(yè)過程中，這些位置還是需要人工抹灰，甚至于還要搭腳手架，這極大的限制了抹灰機效率的提高。另外，對于墻頂?shù)哪ɑ?，一般抹灰機也無法完成，主要原因在于灰漿的輸送以及抹灰板對天花板的壓力無法解決。目前可以結合噴涂抹灰機和全自動抹灰機的優(yōu)點，在現(xiàn)有全自動抹灰機的基礎上加上噴涂抹灰頭，在抹灰板不能達到的位置直接進行噴涂抹灰。再進一步的改進可以為抹灰頭增加伸縮關節(jié)，使抹灰頭自主移動，最終實現(xiàn)抹灰頭在待刷墻面自動規(guī)劃路徑，智能的完成待刷墻面的抹灰工作［31］。

2.5 抹灰板與墻面偏轉角

刷斗與墻面之間的夾角對抹灰機工作有兩個方面的影響：（1）影響刷斗對墻面的壓力 當刷斗對墻面壓力過大時，可能將灰漿擠出刷斗外，造成效率低下；當壓力過小時抹上去的灰漿容易掉下來，質(zhì)量達不到要求；（2）影響刷斗左側和右側抹灰厚度的均勻性 目前的全自動抹灰機刷斗與墻面的水平夾角都是固定的，既不能控制對墻面的壓力，左右兩側的抹灰厚度也難以保證一致。在原有全自動抹灰機上，可以適當?shù)脑黾訖z測刷斗與墻面偏轉角的傳感器來檢測偏轉角，并實時進行補償來減緩由偏角產(chǎn)生的誤差［32－33］。刷斗與墻面的偏轉角的檢測可以通過間接的方式進行。利用測距傳感器測量墻面上在同一水平線上兩個點與刷斗之間的距離，通過計算可得到刷斗的水平偏轉角?？刂破鞯玫狡菂?shù)后，計算左右驅動電機的推進量，推動絲桿，使得抹灰板與待粉刷墻面平行，即達到整補償?shù)哪康摹?/p>

3 展望

建筑行業(yè)的持續(xù)火熱，更快的工程進度和更高效益的投資是這個行業(yè)競爭的必備武器。目前市場上的抹灰機還有很大的改進空間，可以更快、更好的完成墻面的粉刷工程，使得效益最大化。在智能抹灰機的改進過程中，會出現(xiàn)許多潛在的問題有待解決。智能抹灰機要進行廣泛推廣，有兩個值得關注的趨勢：

（1）更簡潔、方便 在技術方面做到簡單易操作，這包括組裝拆卸要簡單、使用過程要方便、粉刷一步到位等。這樣才有機會突破使用者的使用手工抹灰的習慣，快速被基層的建設者們所接受。

（2）更智能、完善 隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于墻面粉刷的質(zhì)量也會變得越來越高。只有更加智能化，更加完善的抹灰機才能滿足人們對抹灰機械的要求實時監(jiān)測粉刷墻面的厚度、平整度、垂直度并及時自動的做出調(diào)整，智能識別不需要粉刷的區(qū)域如窗戶、門、插座口、水管口等，通過開機前設置可粉刷出具有個性化的墻面等。

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