室內裝修墻漆自動滾刷裝置

李海平，江 山，畢天滋，羅昭宇

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

1 引言

根據中國國家統計局2018年1～9月份全國房地產開發和銷售情況顯示，房屋施工面積767218萬平方米，同比增長3.9%[1]。隨著住房面積的增加以及人民生活水平的提高，對室內裝修需求日益增大，而在目前的裝修市場中，仍采用人工粉刷墻壁，雖然裝修工人中不乏技能嫻熟之人，但大多數工人技術一般，行業素質缺失，不能令人滿意，且在裝修過程中，對于墻壁上部，則是采用搭建手腳架進行粉刷，這不僅是一個復雜的工作而且增加工人的工作風險，裝修所帶來的效果也往往不能令人滿意[2]。針對這一現象，特設計了一款可以自動進行刷漆的裝置，該裝置主要由粉刷機構和升降機構來實現對墻壁的粉刷，利用供給機構來解決油漆的自動化供給問題，對我國住房室內墻壁具有很好的適配性[3]。

2 室內粉刷任務分析

人工粉刷墻壁，如圖1 所示。為市面上最常見的室內粉刷，工人站在人工搭建的手腳架上，手持粉刷用具對墻壁進行人工粉刷，這不僅要求力度的均勻也要求粉刷速度的均勻，對大部分的粉刷工人來說是一個不小的挑戰。為使機器粉刷達到人工粉刷的效果，則機構設計需要符合以下幾點要求：

圖1 人工粉刷墻壁Fig.1 Hand Painted Wall

（1）粉刷力度均勻，速度均勻。

（2）粉刷速度適中，不會造成墻漆的飛濺。

（3）粉刷機構的簡單易操作。

（4）粉刷頭浸染墻漆均勻。

3 機構設計與分析

3.1 整體設計

裝置簡圖，如圖2所示。室內裝修墻漆自動滾刷裝置是一種集行走機構、墻漆供給機構、粉刷機構和升降機構于一體的自動化裝置。總體設計從連桿機構和仿生學的角度出發，利用機械連桿與電動機的多樣化結合，模擬人工刷墻時的規范動作，達到對墻面的粉刷的目的。利用擠壓裝置，將油漆源源不斷的供給到粉刷頭，從而實現室內粉刷墻壁一體化的目的，即提高了效率又解放了勞動力。

圖2 裝置簡圖Fig.2 Schematic Diagram of the Device

3.2 粉刷機構設計與分析

3.2.1 粉刷機構的設計

粉刷機構的設計，如圖3所示。設相對坐標系Axy，A點為坐標原點，即電機所在位置，x軸為水平方向，y軸為垂直方向。在電機所在處安裝桿件AB，使其固定在電機的旋轉軸上，桿件BC與桿件AB在B點以鉸鏈銜接。將粉刷頭與BC桿件鉸接后，外套在支撐桿上，并且約束粉刷頭的運動方向為垂直方向。在電機啟動時，順時針旋轉，從而帶動桿件AB、桿件BC的運動，使得粉刷頭垂直運動，從而完成粉刷動作。

圖3 粉刷機構簡圖Fig.3 Schematic Diagram of Painting Mechanism

為設定桿件BC與參考系x軸垂直時為靜態位置，則可得墻刷的運動軌跡理論公式：

聯立式（1）～式（2）得出粉刷頭在垂直方向的位移。

對式（3）左右兩邊同時進行求導，可得粉刷頭在垂直方向的速度公式。

式中：H—粉刷頭垂直位移軌跡；

V—粉刷頭速度；

l1—桿件AB長度；

l2—桿件BC長度；

ɑ—電機與支撐桿件在水平方向上的距離

可見，粉刷裝置的粉刷范圍H和速度V控制受到機構桿件長度以及旋轉角度的影響，為接下來的仿真研究提供了理論依據。

粉刷機構受力分析，如圖4 所示。對粉刷機構進行受力分析，并計算出矢量關系式，并且由矢量關系式，推算出粉刷頭的受力及其影響因素。

圖4 粉刷機構受力分析Fig.4 Stress Analysis of the Painted Mechanism

得出粉刷頭在X軸方向的力受桿件l1、桿件l2和角度θ4的影響，為接下來的仿真研究提供了理論依據。

3.3 升降機構分析

3.3.1 升降機構的設計

升降機構簡圖，如圖5所示。該機構原理為升降電動機通過鋼線與粉刷機構相連接，為保證粉刷機構的垂直升降，特設計定滑輪機構，保證升降的垂直及平穩性。運行升降電動機，帶動鋼線收縮，從而使得粉刷機構垂直移動，實現該機構對室內房屋墻壁上部的粉刷，擴大機構的粉刷范圍，解決室內裝修上部搭建手腳架所帶來的不便及安全隱患。

圖5 升降機構簡圖Fig.5 Brief Diagram of Lifting Mechanism

3.4 供給機構分析

供給機構簡圖，如圖6所示。該機構通過曲柄滑塊帶動連桿擺動，從而使得擠壓裝置運行，油漆從供給口流出后送至粉刷頭，對粉刷頭進行浸潤，完成供給操作。

圖6 供給機構簡圖Fig.6 Supply Organization Chart

為保證粉刷頭能夠得到足夠的油漆浸潤，從而保證粉刷濃度的均勻化，特對供給裝置內的油漆流速進行研究[4]。

式中：hl—沿程損失；λ—沿程損失系數；d—管道內徑；l—管道長度；g—地球引力；P1—供給口處壓力；P2—粉刷頭處壓力；γ—伯努利系數；hξ—管流局部損失；Re—雷諾數；ρ—油漆密度；ν—油漆運動粘度。

測量供給管口和粉刷頭的油漆流速分別為VK，并將VK帶入式（13），即可得出油漆在運輸過程中的沿程能量損失hl。后將能量損失hl帶入式（14），得出在粉刷頭處油漆的速度VK1，將其帶入式（15），求出該速度條件下的雷諾數Re，當Re?2320時，可認為油漆處于紊流狀態，即油漆充滿管道，可使油漆均勻的噴向粉刷頭，從而達到均勻粉刷的要求。可見，在油漆運輸過程中，損失的能量為hl，與管道內徑和管道長度有關，通過控制著兩項因素，可以控制能量損失，從而控制油漆的運動狀態，滿足墻壁粉刷的高質量要求。

4 仿真分析

供給機構簡圖，如圖7所示。為更好的展示機構的優越性，利用UG建立靜態物理模型，并將模型導入ADAMS中，對結構的性能和合理性進行分析和改進[5]。

圖7 裝置仿真模型Fig.7 Device Simulation Model

本設計方案中，為更好的探討機械連桿的長度對粉刷頭受力的影響，特取l1=300mm，分別取l2=400mm、450mm 和500mm，ɑ=80mm，電機轉速V=24°·s-1，將數值l1、l2帶入式（12）中，利用分析軟件對受力進行分析，桿件受力分析，如圖8所示。分析可得當兩桿件尺寸相近時，桿件l2的受力較為均勻，減輕了桿件因為變應力而造成的疲勞損傷，延長了裝置的壽命和增強裝置的合理性。

圖8 桿件受力分析Fig.8 Force Analysis of Members

選取l2=400mm，并對粉刷頭的相關運動狀態進行分析。通過對機構的位移分析，粉刷頭位移分析，如圖9所示。可以看出粉刷頭在設定的條件下，周期為15s，位移為650mm，運行穩定，沒有出現位移的突變，減輕了桿件的沖擊性受力。粉刷頭速度分析，如圖10 所示。粉刷頭的速度在200mm·s-1到-150mm·s-1之間。速度較低，可以使粉刷頭與墻壁有足夠的時間結合，提高粉刷質量，且速度較低，可以更好的對粉刷次數進行控制，減小機器因不均勻受力產生的震動[6]。

圖9 粉刷頭位移分析Fig.9 Displacement Analysis of Painted Head

圖10 粉刷頭速度分析Fig.10 Velocity Analysis of Painted Head

5 控制系統設計

控制系統，如圖11 所示。主要由位置傳感器、粉刷控制系統、供給控制系統和升降控制系統等組成。裝置的粉刷電機、升降電機和供給電機均為伺服電機，通過驅動器對電機的運行狀況進行控制并反饋到操作頁面，操作人員可以通過顯示屏查看裝置的運行狀況，并且可以根據施工條件的不同來調節電機運動的功率，從而控制粉刷墻面的質量和效率。

圖11 控制系統Fig.11 Control System

6 實驗

為了了解裝置在室內運行的真實情況，制造出實物樣機，如圖12所示。并且邀請三位技能熟練的工人（從事室內裝修工作十年以上）進行對比實驗，實驗數據，如表1所示（工人實驗結果取平均值）。

表1 實驗數據Tab.1 Experimental Data

圖12 實物樣機Fig.12 Physical Prototype

經實驗結果可知，機器粉刷效率是人工的1.64倍，機器和人工均具有很高的合格率，但機器更勝一籌。在消耗方面，機器因粉刷較為均勻且通過管道供給，避免了油漆的灑落[7]，從而在油漆消耗方面比人工粉刷低。

7 結論

（1）以連桿機構和仿生學為切入點，采用伺服電動機與連桿的多樣化組合設計了集粉刷、升降、供給為一體的室內墻漆自動滾刷裝置，提高了室內墻壁粉刷效率[8]。（2）運用UG建立了靜態物理模型，并通過ADAMS仿真，對粉刷機構的受力、位移和速度等方面進行分析，驗證設計方面的合理性。（3）制造樣機一臺，并進行室內刷墻實驗，并與人工數據進行對比，用事實來證明裝置的可行性和合理性。