В первую очередь это относится к технологии разравнивания и затирки штукатурного слоя. Рабочая оснастка на этих операциях должна обеспечивать сложные поступательно-вращательные движения. Японской фирмой "Симидзу кэнцэцу" разрабатывается технология штукатурных работ с помощью роботизированной установки. Она включает ходовой агрегат, который обеспечивает передвижение в пределах перемещения с автоматическим обходом простенков, колонн и препятствий. Использование этой установки на затирке цементной стяжки показало достаточно высокое качество обработанной поверхности и хорошую производительность. Роботизированной установкой было обработано около 10 тыс. м 2 поверхностей. С середины 80-х годов прошлого века разработки в области роботизации штукатурных работ ведутся рядом научных центров России: ЦНИИОМТП, ВНИИСтройдормаш, Новочеркасский политехнический институт (ныне Южно-Российский государственный технический университет) и др. Этими организациями проведена большая работа по разработке требований к штукатурным роботам и манипуляторам, технологических схем производства работ и проработке конструктивных решений.

Анализ технологии штукатурных работ, средств их механизации, а также выполненные технические и экспериментальные работы по роботизации процессов нанесения растворов и затирки поверхности позволяет сделать вывод о целесообразности создания для штукатурных работ передвижных РТК.

Рисунок 4.1. Манипулятор для штукатурных работ на подвижной платформе 1 - шасси; 2 - стойка телескопическая; 3 - привод; 4 - пульт управления; 5 - щит

В состав такого комплекса должны входить: установка для приема, перемешивания и транспортировки раствора и известкового молока, растворонасосные установки для подачи материала к рабочему инструменту, автоматические манипуляторы, снабженные рабочими органами для нанесения и разравнивания слоев раствора и затирки поверхности. Такие комплексы позволят выполнять набрызг, уплотнение и разравнивание обрызга, грунтовки и накрывки поверхности. В них должны быть предусмотрены регулировка усилия прижатия уплотняющих и затирочных механизмов, контроль качества поверхности и выверка ее горизонтальности и вертикальности. Комплексы должны иметь дистанционное и программное управление, обеспечивающее выполнение заданной схемы оштукатуривания.

Компоновочная схема автоматического манипулятора для штукатурных работ, входящего в составе роботизированного комплекса, приведена на рисунке 4.2. Такой робот может использоваться при отделочных работах в жилых и общественных зданиях. Он представляет собой мобильную конструкцию на мини - шасси. 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. Это позволяет вести оштукатуривание стен и потолков. Рабочий орган снабжается сменным набором рабочего инструмента. Подача команд и корректировка программы робота осуществляются с местного пульта ПУ или пульта инфракрасного дистанционного управления ПДУ. Эти команды поступают в устройство управления УУ, которое на их основе формирует управляющие воздействия для звеньев манипулятора и рабочего органа РО. Положение звеньев манипулятора контролируется датчиками положения ДП. Для контроля качества поверхности используются устройство контроля УКК и акустические датчики ДА. Мобильные платформы штукатурных роботов могут использовать шагающие, гусеничные, колесные или гибридные механизмы передвижения. Такие роботы позволяют решать задачу комплексной автоматизации штукатурных работ в жилищном и гражданском строительстве

Рисунок 4.2. Строительный робот для штукатурных работ 1 - мини-шасси, 2 - телескопическая штанга, 3 - манипулятор, 4 - рабочий орган, М - манипулятор, РО - рабочий орган с соплом, УУ - устройство управления, ДП - датчики положения, ДА - датчик акустический, УКК - устройство контроля качества поверхности, ПУ - пульт управления, ПДУ - пульт дистанционного управления, В - воздух, Р - раствор, Э - электроэнергия

Роботизированный комплекс, включающий группу рассмотренных роботов, дает возможность вести работы поточно-расчлененным методом (рисунок 4.3). Раствор к манипуляторам подается растворонасосом из бункера-смесителя штукатурной станции, устанавливаемого у подъезда здания. Здесь же размещается установка для приема и перекачки известкового молока. На лестничной площадке размещают растворопровод, к которому подсоединяют рабочие органы манипуляторов. Сжатый воздух подают от компрессорного агрегата, находящегося на лестничных площадках. В качестве рабочих органов манипуляторов, входящих в состав этих комплексов, используются приспособления для механизированного нанесения растворов. Однако для робототехнических систем необходимы форсунки, которые могут работать с растворами любой консистенции, выполнять обрызг, грунтование поверхности и наносить накрывки. При этом они должны снабжаться электромагнитными или электромеханическими вентилями для регулирования подачи воздуха, а также иметь устройства для автоматического регулирования размера факела. Таким образом, форсунка как рабочий орган строительного робота снабжается регулировочными элементами, обеспечивающими в процессе работы автоматическое управление диаграммой распыления и степенью раздробления струи. Размер выходного отверстия сопла выбирают так, чтобы обеспечивалась необходимая скорость раствора на выходе из сопла, создающая надежное сцепление раствора с поверхностью. В связи с тем, что скорость раствора на выходе из сопла определяется скоростью его движения по трубопроводу, в форсунках робототехнических систем должно предусматриваться регулирование размера выходного отверстия. Режим работы рабочего инструмента определяется требуемым расходом материала и подле жит контролю и управлению. 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.

Рисунок 4.3. Роботизированный комплекс для выполнения штукатурных работ 1 - манипулятор; 2 - штукатурная станция; 3 - электрораспределительный щит; 4 - растворонасос; 5 - приемный бункер; 6 - растворопровод; 7 - компресор; I-V - виды операций: подготовка, обрызг, грунтовка, накрывка и затирка

Для разглаживания и затирки лицевого штукатурного слоя манипуляторы снабжают штукатурно-затирочными органами. На первой стадии роботизации могут быть использоваться пневматические и электрические затирочные машинки. При создании специализированных роботов для штукатурных работ нужны специальные рабочие органы, выполняющие затирочные операции, которые должны иметь встроенный привод и комплект съемного затирочного инструмента. Робот, снабженный такими рабочими органами, должен выполнять механизированную затирку накрывочного слоя, затирку цементно-песчаного раствора на поверхности железобетонных панелей, шлифовку прошпаклеванных вертикальных и горизонтальных поверхностей. При создании затирочного инструмента должна предусматриваться автоматическая стабилизация удельного давления затирочного диска на обрабатываемую поверхность и регулирование его величины в зависимости от состава раствора и времени его нанесения, а также регулирование скорости вращения дисков. Затирочная плоскость дисков может иметь увеличенную по сравнению с ручными затирочными машинками площадь. Так как процесс затирки происходит при смачивании поверхности, то к рабочему органу робота предусматривается подвод воды с регулированием ее подачи.

Наряду с рассмотренным вариантом штукатурного инструмента, обеспечивающего набрызг материала соплом со сжатым воздухом, предлагалось использование и других вариантов. Идея одного из них состоит в подачи штукатурного раствора посредством вращающегося валка из погружной ванны и равномерное прижатие его с определенным усилием к стене. Такая технология позволяет достичь строго определенного прижатия раствора к поверхности и совместить операции нанесения раствора с разравниванием штукатурки. Однако при такой технологии остаются переходы в местах сопряжения стен с потолком и полом. Интересным представляется вариант штукатурного инструмента в виде замкнутой камеры с уплотнительными элементами. В этом случае образуется ровная поверхность и сглаживаются все неровности исходной поверхности, при этом за одну операцию выполняется нанесение и разравнивание штукатурки. Однако это не позволяет гибко настраиваться на обработку ниш и выступов. Очень простым по конструкции является штукатурный инструмент с открытой камерой и встроенной затирочной рейкой. Он состоит из простой плиты с несколькими отверстиями для подачи материала и примыкающей к ней по периметру затирочной рейки. Простота конструкции, совмещение операций нанесения материала и его разравнивания одним инструментом. Однако требуются дополнительные исследования оптимальной степени заполнения инструмента, а также выяснения достаточности схватывания штукатурного слоя с поверхностью стены.

При роботизации штукатурных работ одновременно рассматриваются и решаются вопросы автоматизации приготовления и транспортировки раствора. Оборудование передвижных растворных узлов, входящих в состав РТК, снабжается средствами контроля, защиты, автоматического и дистанционного управления. На трубопроводе, подающем растворы, на этажи здания, устанавливают электромагнитные клапаны для управления подачей, а также датчики давления для регулирования режима работы насосных агрегатов. В составе роботизированных штукатурных комплексов включаются автоматизированные штукатурно-смесительные агрегаты с дистанционным управлением. Для подачи растворов в комплекте с манипуляторами используются плунжерные одноступенчатые горизонтальные насосы, входящие в состав штукатурных агрегатов и станций. При выполнении большого объема штукатурных работ наиболее эффективным является использование штукатурной машины, располагаемой на рабочем этаже, в которую компрессором подается сухая штукатурка из силоса размещенного на нулевой отметке здания. Длина подводимого к роботу растворовода для подачи готового штукатурного раствора может составлять 10--15м.

При автоматическом управлении процессом оштукатуривания система управления снабжается группой алгоритмов, выполняющих следующие операции. В состав алгоритмического обеспечения штукатурного робота включаются алгоритмы компенсации ошибок, возникающих вследствие неровности пола, выверки инструмента на заданную толщину слоя, измерения расстояния до стены и поддержания требуемой ориентации инструмента. Кроме того, система управления должна иметь алгоритмы обработки измерительной информации обеспечивающие оценку поверхности стены в рабочей зоне и отслеживающую наличие и габариты имеющихся проемов и границы обрабатываемых поверхностей. Для управления штукатурным роботом используются также алгоритмы, обеспечивающие выполнения инструментом меандрового движения при нанесении раствора на стену и его разравнивании и алгоритмы производящие автоматическую смену рабочей позиции при достижении конца рабочего участка стены.

2.3 Малярные роботы и роботизированные комплексы

Малярные работы являются завершающей стадией всего технологического процесса строительства и по трудозатратам составляют около 16'%, а сметная стоимость достигает 8--10% . Перед нанесением окрасочных составов проводится большой объем подготовительных операций. После окрашивания может выполняться декоративная обработка поверхности, нанесение рисунков и фактурного слоя. Кардинальный путь изменения вредных условий труда отделочников, повышения производительности и качества работ связан с комплексной механизацией и автоматизацией этого вида работ при широком использовании средств робототехники. Основным направлением роботизации малярных работ является применение роботов с программным и адаптивным управлением, которые должны заменить человека на операциях, связанных с подготовкой поверхностей, нанесением шпаклевочных, грунтовочных и окрасочных составов.

Анализ технологических операций подготовки и окрашивания поверхностей стен и потолков показывает, что с помощью манипуляторов с дистанционным или программным управлением можно очистить поверхность от пыли сжатым воздухом, снять старые покрытия, произвести сплошное шпаклевание, нанести фунтовые, лакокрасочные, теплозащитные, клеевые и водоэмульсионные покрытия. Роботы, выполняющие операции, связанные с применением взрыво- и пожароопасных веществ, должны иметь взрывобезопасное исполнение. Предпринимались многочисленные попытки использования для нанесения окрасочных покрытий на поверхности стен и потолков промышленных роботов, используемых в автомобильной, машиностроительной и других отраслях. Однако уело- вия стройплощадки требуют создания специальных конструкций манипуляторов и построения на их основе РТК для малярных работ. Работы в этом направлении ведутся во многих странах.

Одной из первых отечественных разработок является покра- сочно-малярный манипулятор для нанесения меловых и водоэмульсионных растворов на плоские поверхности, приведенный на рисунок 5.1. Несмотря на неудачные эксперименты с этими манипуляторами, заложенный в них ряд структурных и конструктивных решений заслуживает внимания при дальнейших разработках средств роботизации для малярных работ. Манипулятор М 0-01 выполнен на базе малогабаритной машины с двухзвенной стрелой и представляет собой две качающиеся телескопические штанги с выдвижными штоками, движущиеся в противоположные стороны. Штанги приводятся в движение одним приводом. На концах штанг установлены покрасочные форсунки. При движении штанг форсунки перемещаются по прямой линии вдоль обрабатываемой поверхности. Манипулятор с помощью стрелы поднимается на заданную высоту и посредством вертикальных перемещений форсунок и горизонтального движения машины окрашивает поверхность стены. Данная конструкция может использоваться и при окрашивании потолка, при этом стрела манипулятора поднимается на необходимую высоту и манипулятор разворачивается на 90°. Манипулятор М 0-01 рассчитан на производительность 500 м 2/ч. Дистанционное управление манипулятором позволяет вывести оператора из зоны распыления окрасочных материалов. Другой вариант покрасочного манипулятора М 0-03 имеет две двухзвенных шарнирно связанных руки, на концах которых установлены покрасочные форсунки. Данная конструкция имеет более простое исполнение механической части и отличается меньшим габаритом при складывании звеньев. Шарнирные штанги перемещаются в противоположных направлениях и обеспечивают движение форсунок параллельно обрабатываемой поверхности и плавное изменение ширины полосы захвата. Наибольший вылет звеньев 2 м. Обе конструкции отличаются оригинальным кинематическим решением, позволившим снизить динамические нагрузки, осуществить все движения от одного привода, обеспечить постоянную скорость движения форсунок и простоту управление манипулятором.

Рисунок 5.1. Покрасочно-малярный манипулятор М 0-01 с качающимися штангами 1 - машина ТО-31; 2 - двухзвенная стрела; 3 - телескопические штанги с форсунками

Рассмотрим еще одну конструкцию отечественного манипулятора, выполненную на базе многофункционального экскаватора МО-3341 и предназначенную для окраски наружных стен зданий (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2. Многофункциональный манипулятор со сменным окрасочным оборудованием 1 - манипулятор; 2 - подвесная люлька; 3 - двухкоординатный механизм; 4,5 - форсунка

Многофункциональный манипулятор снабжен подвесной люлькой, в которой установлено сменное окрасочное оборудование. Оно снабжено вертикальной штангой с двухкоординатным механизмом для перемещения форсунки. Форсунка перемещается горизонтально и вертикально вдоль стены, выполняя сканирование окрашиваемой поверхности. Для управления окрасочным оборудованием использовано релейно-контактное устройство и герконовые датчики положения. Использование многофункциональных манипуляторов со сменным окрасочным оборудованием подтвердило экономическую целесообразность роботизация малярных работ в строительных организациях.

Из зарубежных разработок наибольшего внимания заслуживают окрасочные роботы с программным и адаптивным управлением, созданные в Японии. На рисунке 5.3 показана компоновочная схема одного из первых таких роботов, предназначенного для нанесения окрасочных покрытий на вертикальные поверхности. На колонне установлен двухзвенный манипулятор с ориентирующим органом, обеспечивающим перпендикулярность форсунки относительно окрашиваемой поверхности в ходе перемещения звеньев манипулятора и его поворота вокруг колонны. Управление манипулятором осуществлялось от микроЭВМ. При перемещении форсунки в процессе работы система управления обеспечивала поддержание постоянного расстояния до стены. В дальнейшем японскими специалистами были разработаны самоходные роботы для окраски помещений, наружных поверхностей балконов и лоджий высотных зданий и ряд др. Испытания этих разработок показало хорошее качество поверхности, которое не уступает уровню квалифицированного рабочего.

Робот включает механизм перемещения и станцию управления, оборудование для подачи окрасочных составов и автоматический пульверизатор. Устройство перемещения рабочего органа имеет горизонтальные и вертикальные штанги и привод. Аналогичные разработки выполнены в ряде других стран: Германии, Болгарии, США, Польше. Выполненные разработки показали перспективность роботизации малярных работ. Применение роботов позволяет снизить трудоемкость, увеличить производительность работы и повысить технику безопасности при выполнении окрасочных работ.

Рисунок 5.3. Компоновочная схема окрасочного робота 1 - колонна; 2 - двухпозиционный манипулятор;3-- ориентирующий орган с форсункой

Перспективными являются манипуляторы для малярных работ при отделке жилых домов. Анализ выполненных разработок и технологии нанесения окрасочных составов показывает, что для роботизации этих процессов целесообразно создать универсальный манипулятор для подготовки поверхностей и их окраски. При этом необходимо использовать блочно-модульную конструкцию. На рисунок 5.4 показана компоновка отделочного робота для выполнения отделочных работ в жилых помещениях, предложенная Паршиным Д.Я. в 1990 г. Он состоит из базового блока, на котором установлено два двухзвенных манипулятора. Базовый блок снабжен колесным движителем для перемещения робота из одного помещения в другое. В рабочем состоянии робот с помощью телескопической опорной штанги раскрепляется между полом и потолком помещения. Базовый блок с манипулятором может перемещаться вдоль штанги. После окончания работ штанга складывается и робот опускается на колеса. Звенья манипулятора в процессе передвижения робота также складываются. Робот работает в цилиндрической системе координат и снабжается бортовкой микро ЭВМ, обеспечивающей программное или адаптивное управление. При адаптивном управлении робот снабжается ультразвуковым сканером. Кроме того, такой робот должен иметь дистанционное управление, для которого лучше использовать радиоканал связи. Снабжение робота комплектом сменного инструмента позволит автоматизировать основные процессы отделки жилых помещений.

Рисунок 5.4. Двурукий робот для отделочных работ в жилых помещениях

1 - базовый блок; 2 - манипуляторы; 3 - колесный движитель; 3-- колонна

На базе малярных роботов целесообразно создавать РТК, в состав которых кроме манипуляторов должны включаться шпаклевочные и малярные агрегаты. Управление оборудованием осуществляется системой управления комплекса, построенной на микроЭВМ. Шпаклевка наносится специальными шпателями с автоматической подачей материала или с помощью форсунок с воздушным распылением. Для нанесения окрасочных составов следует использовать специальные форсунки с электромагнитными клапанами. Можно также рекомендовать пневматические валики с внутренней подачей краски через отверстия. Управление подачей окрасочных составов на валики осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, устанавливаемых на подающих шлангах.

3. Роботизация земляных и свайных работ