prjz型喷浆机器人的研制与开发

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1、PRJZ型喷浆机器人的研制与开发　　作者：李云江荣学文樊炳辉江浩　　摘要：PJR-Z型喷浆机器人是一种喷射混凝土的新型专用设备。介绍了其整体结构、动作原理，阐述了机器人液压系统和电控系统的总体设计方案以及可靠性设计。实践证明，PJR-Z型喷浆机器人喷射均匀，回弹和粉尘大大减少。具有很高的可靠性和稳定性，实用性强，完全满足混凝土喷射工艺要求。关键词：喷浆；机器人；设计；可靠性中图分类号：TH137文献标识码:A　　国外从20世纪60年代初开始采用机械手喷浆。我国从60年代中后期起，有不少单位研制喷浆机械手[1，2]。但由于种种原因，虽经过20多年的努力，也未形成过关的产品。存在

2、的主要问题是，结构不合理、自动化水平低和可靠性差，其主要表现为操作复杂、动作不适应地下工程的恶劣环境。现国内采用的喷浆机械手全是进口的，价格比较高，且维修和配件供应困难。　　1、喷浆作业原则及其对喷浆机器人的要求　　喷浆分为干喷和湿喷。干喷是将干的水泥、砂子、石子和速凝剂粉按一定比例送到转子式搅拌机(俗称喷浆机)内搅拌，在搅拌机出料口被高压风吹到送料管内，送料管出口装着喷枪(也称喷嘴)，喷枪的入口处设有环形喷水器，能连续向枪内喷水。水与混凝土就在这1m左右的运动中混合，大部分变成混凝土浆。靠着高压风赋予的冲击力，混凝土撞到受喷面上后，一部分粘着在受喷面上，一部分又弹落回来，回

3、弹量的多少(即回弹率)主要和喷枪与受喷面之间的角度及距离有关。湿喷是将加水搅拌好的混凝土借助高压风的力量通过送料管送入喷枪喷射到受喷面上。湿喷的原理有几种，有的是靠混凝土泵将浆送至喷枪入口，有的是靠湿式喷浆机(转子式湿式搅拌机)和高压风将浆送至喷枪入口。喷浆的最佳工艺原则是喷枪始终与受喷面保持垂直、喷枪口至受喷面的距离为1m左右，在此工况下，最有利于减少回弹。国内广泛采用的干喷法存在的三大技术难题(粉尘、回弹、混凝土品质不稳定)长期以来困扰着人们。国内外的施工实践证明，实现湿喷是解决这三大难题的根本途径。由于湿喷时整个料管充满混凝土，人很难抱得动喷枪，所以需要机器人和机械手。

4、从发展趋势看，使用喷浆机器人将是大势所趋。　　2、机器人的总体设计　　机器人本体的设计原则是机器人应尽可能好地满足喷浆工艺和作业环境的要求。　　PJR-Z型喷浆机器人(喷射高度可达10m)是在国家863计划项目“喷浆机器人产品样机”研究成果的基础上开发出来的，其结构原理见图1。它由机械手、液压系统、控制系统、操作器等组成。该机器人有6个自由度，即大臂俯仰、小臂摆动、水平伸缩臂纵向进给、手腕转动、喷枪摆动和喷枪转动。动作原理与结构特点如下：①大臂1在油缸2驱动下做俯仰运动；②小臂3做水平摆动，由于小臂采用四连杆机构，故摆动时其末端做平动运动，从而使得固定于其末端的水平伸缩臂4与

5、受喷面的相对距离和姿态不变；③水平伸缩臂4能在与隧道轴线平行的方向进给，使得喷枪做水平移动并保持姿态不变；④手腕5可完成喷枪沿拱部划弧，同时保证喷枪与受喷面垂直；⑤油缸6可调整喷枪的姿态，从而在遇到大凹坑时，仍能调整喷枪与受喷面垂直；⑥借助于喷枪划圆机构7，可使喷枪沿锥面运动，从而使喷枪口划出一个360°的连续圆。　　1.大臂四连杆2.大臂油缸3.小臂四连杆4.水平伸缩臂　　5.手腕转动机构6.喷枪调姿油缸7.喷枪划圆机构8.　　喷嘴9.送料管10.水平伸缩臂油缸11.小臂油缸　　图1PJR-Z喷浆机器人结构原理图　　图1所示的6自由度喷浆机器人可根据现场需要或安装于汽车上，

6、或安装在有轨底盘车上。该机器人既可与湿喷机相配套，也可与干喷机相配套。依靠这6个自由度，可以实现喷枪作业所需的任何运动轨迹。现以典型的喷浆作业过程为例简述之。底盘车一般不在隧道中央，因此只能依靠小臂摆动把小臂末端摆至隧道的纵向对称面上；为减少回弹，喷浆是由下而上进行的，故开始时，小臂末端位于对称面的最下方，使得喷枪口至受喷面的距离1m左右，这就做好了作业准备。喷浆开始后，喷枪即转动，喷枪口划着圆圈，喷射物在受喷面上划出一串螺旋线，形成一条20cm宽的喷射带；机器人水平伸缩臂在水平方向上一边伸缩，喷枪一边划着圆圈，当移至设定距离后，靠大臂的仰起动作抬高20cm，如此依次往复，直

7、至喷到邦与拱的交界线处；此后，小臂末端一直处于拱部圆弧面的中心线上，依靠枪转动一个设定的角度和机器人底盘车在隧道的平移，喷枪口在划圆的过程中也在拱部受喷面上形成20cm宽的喷射带并与邦的喷射带紧密相接；喷拱部的过程与邦类似，依次进行，直至拱顶。　　到达拱顶后，或返回至起始位置进行第二次喷射，或转至对面的邦底(与前述过程类似)对另半面进行喷浆。　　2.1机器人液压系统总体设计　　由于液压驱动具有功率重量比大、力矩惯量比大、易实现直线驱动和直接驱动、易于实现防爆等优点，因此被广泛应用在惯量大、承载重量大、需