Автоматизация и роботизация отделочных работ

Особое внимание в настоящее время уделяется роботизации отделочных работ. Промышленные роботы начинают применяться для окрашивания строительных конструкций, фасадов зданий, внутренних помещений. Основным направлением роботизации малярных работ является применение роботов на операциях, связанных с подготовкой поверхностей, нанесением шпатлевочных, грунтовочных и окрасочных составов.

Для окрашивания фасадов зданий представляют наибольший интерес манипуляторы, установленные на автомобильном шасси и манипуляторы, размещаемые на подъемной платформе. На рис.3.24 показан окрасочный манипулятор, размещенный на автомобильной платформе. Особенностью кинематики многозвенного робота является использование двух рук на выходном звене. В манипуляционной системе робота могут использоваться как электроприводы, так и гидроприводы.

Анализ конструкций окрасочных роботов показывает, что для роботизации нанесения окрасочных составов целесообразно создавать специализированные манипуляторы и роботы, обеспечивающие подготовку и окраску вертикальных и горизонтальных поверхностей. Среди различных решений окрасочных роботов можно выделить передвижные, мобильные и манипуляторы установленные на подъемной платформе. При чем для перемещения и ориентации окрасочного инструмента достаточно 5-ти степеней подвижности, при этом целесообразно использовать блочно-модульную конструкцию.

На рис.3.25 представлена компоновочная схема отделочного робота, предназначенного для выполнения отделочных работ в жилых и общественных зданиях. Ее можно рассматривать как одно из типовых решений. Основой манипулятора является телескопическая штанга, которая в процессе работы распирается между полом и потолком. Манипулятор, установленный на штанге, имеет два звена и может передвигаться вдоль штанги. Рабочий орган может занимать горизонтальное и вертикальное положения, что позволяет проводить окрашивание стен и потолков.

Рис.3.25

Управление роботом осуществляется с пульта дистанционного управления ПДУ, а для контроль качества поверхности используются устройство контроля УКК и акустические датчики ДА. Нанесение растворов производиться специальными форсунками с автоматическим управлением диаграммой распыления и степенью раздробления струи. Качество нанесения слоя раствора определяется расстоянием между выходным отверстием форсунки и поверхностью, а также зависит от угла наклона сопла. Поэтому при роботизации необходимо предусматривать стабилизацию угла наклона сопла и автоматическое регулирование расстояние его до поверхности. На базе малярных роботов могут создаваться РТК, в состав которых кроме манипуляторов включаются шпаклевочные и малярные агрегаты. Управление оборудованием осуществляется системой управления комплекса, построенной на микроЭВМ.

Интенсивно ведутся разработки средств роботизации штукатурных работ, основными задачами которых являются автоматическое нанесение штукатурный раствор по всему протяжению стены, его разравнивание и затирка. Анализ различных конструкций штукатурных роботов показывает, что автоматическое нанесение штукатурки на стену может происходить посредством набрызгивания или набрасывания раствора, а также вследствие того, что штукатурный материал навальцовывается или придавливается к оштукатуриваемой поверхности. Другая возможность – наполнение полностью или частично замкнутых камер, образующихся между инструментом и поверхностью.

Особые требования к структуре манипулятора предъявляются для штукатурных роботов, предназначенных для отделки жилых домов. В этом случае главным является компактность конструкции, обеспечивающая наибольшую зону обслуживания с одной установки. Штукатурный робот для жилых помещений должен иметь две степени подвижности ходового устройства: линейную – по длине помещения и угловую – для возможности маневрировать и поворотов. Манипулятор робота должен быть выполнен в виде многозвенной руки с одной поступательной степенью подвижности (рис.3.26). Первые три степени подвижности обеспечивают перемещение ориентирующей головки с инструментом вдоль рабочей поверхности, причем использования поступательного звена значительно уменьшает рабочий объем при достижении требуемой зоны обслуживания. Ориентирующая головка содержит три вращательные степени подвижности, оси которых взаимоперпендикулярны. Причем последовательность расположения осей выбрана таким образом, что первые две (q ₄, q ₅) обеспечивают ориентацию оси рабочего инструмента перпендикулярно рабочей поверхности, а последняя степень подвижности (q ₆) служить для ориентации инструмента относительно траектории движения.

     В случае оштукатуривания поверхностей сложного рельефа с большими неровностями предпочтительно использовать роботы, реализующие метод скольжения замкнутых камер, образующихся между инструментом и рабочей поверхностью. Особенностью структурной реализации таких роботов является необходимость точной ориентации рабочей поверхности инструмента и его прижатия к предыдущему слою штукатурки (рис.3.27). Для выполнения этих требований удобно использовать предыдущую структуру переносных степеней подвижности и две ориентирующие степени подвижности с взаимоперпендикулярными осями. Учитывая, что платформа робота снабжена системой горизонтирования, то вместо ротации инструмента целесообразно использовать рабочий щит, снабженный 4-мя механизмами линейных перемещений (d₁, d₂, d₃, d₄),
при помощи которых выполняется его точная ориентация в процессе работы.

     Заслуживает интерес использование для нанесения растворов на вертикальные поверхности пантографных механизмов. При выполнении набрызга растворов требуется обеспечить траекторное перемещение рабочего инструмента (сопла), поддержания перпендикулярности оси сопла обрабатываемой поверхности и выполнения кругового движения сопла относительно продольной оси. Использование пантографных механизмов позволяет упростить управление движением робота и обеспечить необходимую устойчивость и точность его работы. На рис.3.27 представлены две базовые структуры роботов, предназначенные для набрызга бетона. Особенностью первой структуры (рис.3.27,а) является обеспечение линейной зависимости между координатными перемещениями кисти и обобщенными координатами q₂ и q₃  с помощью приводов, размещаемых в основании манипулятора. Вторая структура (рис.3.27,б) отличается наличием двух звеньев пантографного типа (звенья q ₂ и q ₃) и наличием телескопического лафета (звено q ₄), обеспечивающего получения наибольшего рабочего объема. Применение параллелограммного механизма способствует сохранению горизонтального положения каретки с рабочим инструментом.

Анализ технологии выполнения отделочных работ и сформулированные требования к их роботизации позволили определить несколько базовых структур окрасочных роботов. Для малярных работ внутри помещений можно использовать роботы с манипуляционной системой, представленной на рис.3.25. Это позволяет унифицировать строительные роботы и расширить область их применения. Однако, наибольший интерес представляют специальные и специализированные структуры малярные роботы. Для грунтовки и окрашивания стен и потолков жилых помещений целесообразно использовать кинематическую схему, представленную на рис.3.28. Ее отличительной особенностью является компактность манипулятора в рабочем и транспортном положении.

Особенностью структуры является перпендикулярное расположение осей переносных степеней подвижности (j₁,j₂) окрашиваемой поверхности. Перемещение S ₁  является позиционным и обеспечивает установку манипулятора на требуемую высоту, определяемую высотой окрашиваемого помещения.

Для малярных работ внутри помещений предназначена компоновочная схема манипулятора, представленная на рис.3.29. Основой манипулятора является телескопическая штанга, которая в процессе работы распирается между полом и потолком. Манипулятор, установленный на штанге, может передвигаться вдоль нее на заданный уровень. Структура манипулятора позволяет задавать рабочему органа горизонтальное и вертикальное положения.

Для малярных работ внутри помещений предназначена компоновочная схема манипулятора, представленная на рис.3.29. Основой манипулятора является телескопическая штанга, которая в процессе работы распирается между полом и потолком. Манипулятор, установленный на штанге, может передвигаться вдоль нее на заданный уровень. Структура манипулятора позволяет задавать рабочему органа горизонтальное и вертикальное положения.

 Роботизацию очистки и окрашивания наружных стен зданий высотой до 10 м рекомендуется выполнять на основе мобильных роботов с шестизвенным манипулятором (рис.3.30). Особенностью структуры манипулятора является наличие телескопического звена, позволяющего перемещать инструмент по высоте, сохраняя положение инструмента. Движения j₁, j₂, j₃ обеспечивают перемещения рабочего инструмента в заданную точку окрашиваемой поверхности и его перемещение по заданной траектории. Степени подвижности j₄, j₅ выполняют необходимую ориентацию инструмента относительно поверхности. Включение между ними поступательной степени подвижности S ₁ обеспечивает удобство окрашивания широких полос, обход препятствий при движении по траектории.

     Основным направлением роботизации очистки фасадов и окрашивания наружных стен высотных зданий является использование подвесных платформ. Перемещения платформы по вертикали (h) выполняется программно управляемыми лебедками, оснащенными датчиками положения (рис.3.31). На платформе устанавливаются манипулятор с двумя переносными степенями подвижности и ориентирующей головкой. Основным назначением роботов такой структуры является набрызг декоративных покрытий и нанесение ок расочных составов. Манипулятор робота размещен на подъемной платформе и передвигается вдоль нее, что существенно расширяет возможности манипуляционной системы. Манипулятор является основой распылительного механизма, оснащенного форсункой. Устройство позиционирования робота оснащено лазерными датчиками, которые позволяют с большой точностью контролировать расстояние до основной балки, на которой подвешен окрасочный робот. Управление платформой выполняется с помощью дистанционного устройства, контролирующего положение всех звенья и составляющие робота, а также позволяющего производить установку параметров движения робота.

Литература

1. Автоматизация и роботизация строительства: Учеб. пособие / А.Г. Булгаков, В.А. Воробьев, С.И. Евтушенко, Д.Я. Паршин. — М.: РИОР: ИНФРА-М, 2013. — 452 с.

2. Автоматизация строительного производства / А.Г. Булгаков и др. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. — 268 с.

3. Паршин Д.Я. Основы автоматизации и роботизации / РГСУ — Ростов н/Д, 2013. — 147 с.