室内装修墙漆自动滚刷装置

李海平，江 山，毕天滋，罗昭宇

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

1 引言

根据中国国家统计局2018年1～9月份全国房地产开发和销售情况显示，房屋施工面积767218万平方米，同比增长3.9%[1]。随着住房面积的增加以及人民生活水平的提高，对室内装修需求日益增大，而在目前的装修市场中，仍采用人工粉刷墙壁，虽然装修工人中不乏技能娴熟之人，但大多数工人技术一般，行业素质缺失，不能令人满意，且在装修过程中，对于墙壁上部，则是采用搭建手脚架进行粉刷，这不仅是一个复杂的工作而且增加工人的工作风险，装修所带来的效果也往往不能令人满意[2]。针对这一现象，特设计了一款可以自动进行刷漆的装置，该装置主要由粉刷机构和升降机构来实现对墙壁的粉刷，利用供给机构来解决油漆的自动化供给问题，对我国住房室内墙壁具有很好的适配性[3]。

2 室内粉刷任务分析

人工粉刷墙壁，如图1 所示。为市面上最常见的室内粉刷，工人站在人工搭建的手脚架上，手持粉刷用具对墙壁进行人工粉刷，这不仅要求力度的均匀也要求粉刷速度的均匀，对大部分的粉刷工人来说是一个不小的挑战。为使机器粉刷达到人工粉刷的效果，则机构设计需要符合以下几点要求：

图1 人工粉刷墙壁Fig.1 Hand Painted Wall

（1）粉刷力度均匀，速度均匀。

（2）粉刷速度适中，不会造成墙漆的飞溅。

（3）粉刷机构的简单易操作。

（4）粉刷头浸染墙漆均匀。

3 机构设计与分析

3.1 整体设计

装置简图，如图2所示。室内装修墙漆自动滚刷装置是一种集行走机构、墙漆供给机构、粉刷机构和升降机构于一体的自动化装置。总体设计从连杆机构和仿生学的角度出发，利用机械连杆与电动机的多样化结合，模拟人工刷墙时的规范动作，达到对墙面的粉刷的目的。利用挤压装置，将油漆源源不断的供给到粉刷头，从而实现室内粉刷墙壁一体化的目的，即提高了效率又解放了劳动力。

图2 装置简图Fig.2 Schematic Diagram of the Device

3.2 粉刷机构设计与分析

3.2.1 粉刷机构的设计

粉刷机构的设计，如图3所示。设相对坐标系Axy，A点为坐标原点，即电机所在位置，x轴为水平方向，y轴为垂直方向。在电机所在处安装杆件AB，使其固定在电机的旋转轴上，杆件BC与杆件AB在B点以铰链衔接。将粉刷头与BC杆件铰接后，外套在支撑杆上，并且约束粉刷头的运动方向为垂直方向。在电机启动时，顺时针旋转，从而带动杆件AB、杆件BC的运动，使得粉刷头垂直运动，从而完成粉刷动作。

图3 粉刷机构简图Fig.3 Schematic Diagram of Painting Mechanism

为设定杆件BC与参考系x轴垂直时为静态位置，则可得墙刷的运动轨迹理论公式：

联立式（1）～式（2）得出粉刷头在垂直方向的位移。

对式（3）左右两边同时进行求导，可得粉刷头在垂直方向的速度公式。

式中：H—粉刷头垂直位移轨迹；

V—粉刷头速度；

l1—杆件AB长度；

l2—杆件BC长度；

ɑ—电机与支撑杆件在水平方向上的距离

可见，粉刷装置的粉刷范围H和速度V控制受到机构杆件长度以及旋转角度的影响，为接下来的仿真研究提供了理论依据。

粉刷机构受力分析，如图4 所示。对粉刷机构进行受力分析，并计算出矢量关系式，并且由矢量关系式，推算出粉刷头的受力及其影响因素。

图4 粉刷机构受力分析Fig.4 Stress Analysis of the Painted Mechanism

得出粉刷头在X轴方向的力受杆件l1、杆件l2和角度θ4的影响，为接下来的仿真研究提供了理论依据。

3.3 升降机构分析

3.3.1 升降机构的设计

升降机构简图，如图5所示。该机构原理为升降电动机通过钢线与粉刷机构相连接，为保证粉刷机构的垂直升降，特设计定滑轮机构，保证升降的垂直及平稳性。运行升降电动机，带动钢线收缩，从而使得粉刷机构垂直移动，实现该机构对室内房屋墙壁上部的粉刷，扩大机构的粉刷范围，解决室内装修上部搭建手脚架所带来的不便及安全隐患。

图5 升降机构简图Fig.5 Brief Diagram of Lifting Mechanism

3.4 供给机构分析

供给机构简图，如图6所示。该机构通过曲柄滑块带动连杆摆动，从而使得挤压装置运行，油漆从供给口流出后送至粉刷头，对粉刷头进行浸润，完成供给操作。

图6 供给机构简图Fig.6 Supply Organization Chart

为保证粉刷头能够得到足够的油漆浸润，从而保证粉刷浓度的均匀化，特对供给装置内的油漆流速进行研究[4]。

式中：hl—沿程损失；λ—沿程损失系数；d—管道内径；l—管道长度；g—地球引力；P1—供给口处压力；P2—粉刷头处压力；γ—伯努利系数；hξ—管流局部损失；Re—雷诺数；ρ—油漆密度；ν—油漆运动粘度。

测量供给管口和粉刷头的油漆流速分别为VK，并将VK带入式（13），即可得出油漆在运输过程中的沿程能量损失hl。后将能量损失hl带入式（14），得出在粉刷头处油漆的速度VK1，将其带入式（15），求出该速度条件下的雷诺数Re，当Re≫2320时，可认为油漆处于紊流状态，即油漆充满管道，可使油漆均匀的喷向粉刷头，从而达到均匀粉刷的要求。可见，在油漆运输过程中，损失的能量为hl，与管道内径和管道长度有关，通过控制着两项因素，可以控制能量损失，从而控制油漆的运动状态，满足墙壁粉刷的高质量要求。

4 仿真分析

供给机构简图，如图7所示。为更好的展示机构的优越性，利用UG建立静态物理模型，并将模型导入ADAMS中，对结构的性能和合理性进行分析和改进[5]。

图7 装置仿真模型Fig.7 Device Simulation Model

本设计方案中，为更好的探讨机械连杆的长度对粉刷头受力的影响，特取l1=300mm，分别取l2=400mm、450mm 和500mm，ɑ=80mm，电机转速V=24°·s-1，将数值l1、l2带入式（12）中，利用分析软件对受力进行分析，杆件受力分析，如图8所示。分析可得当两杆件尺寸相近时，杆件l2的受力较为均匀，减轻了杆件因为变应力而造成的疲劳损伤，延长了装置的寿命和增强装置的合理性。

图8 杆件受力分析Fig.8 Force Analysis of Members

选取l2=400mm，并对粉刷头的相关运动状态进行分析。通过对机构的位移分析，粉刷头位移分析，如图9所示。可以看出粉刷头在设定的条件下，周期为15s，位移为650mm，运行稳定，没有出现位移的突变，减轻了杆件的冲击性受力。粉刷头速度分析，如图10 所示。粉刷头的速度在200mm·s-1到-150mm·s-1之间。速度较低，可以使粉刷头与墙壁有足够的时间结合，提高粉刷质量，且速度较低，可以更好的对粉刷次数进行控制，减小机器因不均匀受力产生的震动[6]。

图9 粉刷头位移分析Fig.9 Displacement Analysis of Painted Head

图10 粉刷头速度分析Fig.10 Velocity Analysis of Painted Head

5 控制系统设计

控制系统，如图11 所示。主要由位置传感器、粉刷控制系统、供给控制系统和升降控制系统等组成。装置的粉刷电机、升降电机和供给电机均为伺服电机，通过驱动器对电机的运行状况进行控制并反馈到操作页面，操作人员可以通过显示屏查看装置的运行状况，并且可以根据施工条件的不同来调节电机运动的功率，从而控制粉刷墙面的质量和效率。

图11 控制系统Fig.11 Control System

6 实验

为了了解装置在室内运行的真实情况，制造出实物样机，如图12所示。并且邀请三位技能熟练的工人（从事室内装修工作十年以上）进行对比实验，实验数据，如表1所示（工人实验结果取平均值）。

表1 实验数据Tab.1 Experimental Data

图12 实物样机Fig.12 Physical Prototype

经实验结果可知，机器粉刷效率是人工的1.64倍，机器和人工均具有很高的合格率，但机器更胜一筹。在消耗方面，机器因粉刷较为均匀且通过管道供给，避免了油漆的洒落[7]，从而在油漆消耗方面比人工粉刷低。

7 结论

（1）以连杆机构和仿生学为切入点，采用伺服电动机与连杆的多样化组合设计了集粉刷、升降、供给为一体的室内墙漆自动滚刷装置，提高了室内墙壁粉刷效率[8]。（2）运用UG建立了静态物理模型，并通过ADAMS仿真，对粉刷机构的受力、位移和速度等方面进行分析，验证设计方面的合理性。（3）制造样机一台，并进行室内刷墙实验，并与人工数据进行对比，用事实来证明装置的可行性和合理性。