Роботизированные комплексы для выполнения монтажных работ

В последние годы наблюдается значительное увеличение объе­ма монтажных работ. Монтаж современных зданий и сооружений представляет собой сложный комплексный процесс, включающий целый ряд операций: строповку, транспортировку, прием монти­руемых элементов и конструкций на рабочем месте, наведение на принятые ориентиры, установку, временное закрепление, приве­дение в проектное положение, расстроповку и постоянное их за­крепление. Особое внимание при монтажных работах уделяется точности установки конструкций и элементов в проектное поло­жение. Допустимые отклонения монтируемых элементов от про­ектного положения приведены в таблице 2.1.

Таблица 2. 1.Допустимые отклонения конструкций от проектного положения, мм

Отклонение осей:
фундаментных блоков относительно разбивочных	±10
нижних граней стен и перегородок от установочных	±4
плоскостей стен и перегородок от вертикали	±5
Отклонение отметок:
верхних опорных поверхностей фундаментов от проектных	±5
опорных поверхностей стен и перегородок в пределах выверяемого участка
двух смежных нижних поверхностей и перекрытий
верхних поверхностей двух смежных перекрытий

На монтажных работах в настоящее время используются краны, различного рода монтажные механизмы, универсальная и специа­льная технологическая оснастка. Внедряются новые методы и фор­мы технологии и организации, начинают использоваться средства автоматизации как основных, так и вспомогательных операций. Однако, несмотря на это, пятая часть рабочих при монтаже зданий и сооружений выполняет большой объем трудоемкой ручной рабо­ты. Больших затрат ручного труда требует проведение таких ра­бот как выверка и установка конструкций в проектное положение, их закрепление, герметизация стыков, замоноличивание швов, пе­рестановка оснастки, вспомогательного оборудования и др.

В результате несовершенства применяемого оборудования и оснастки трудоемкость монтажных операций остается очень высо­кой. Используемые башенные краны выполняют лишь подъем­но-транспортные операции. Окончательная выверка монтируемых конструкций в большинстве случаев выполняется вручную. Мон­таж одной стеновой панели жилого крупнопанельного дома зани­мает в среднем до 15 мин. Процесс монтажа строительных конст­рукций во многих случаях осложняется ограниченностью обзора машинистом крана монтажного горизонта, что снижает эффектив­ность монтажа. Решение задач комплексной механизации и авто­матизации монтажных работ сдерживается из-за их сложности. Она обусловлена большими габаритами и массой монтируемых конст­рукций, их разнотипностью, большими размерами монтажных зон, влиянием ветровых и других климатических факторов. Кроме того, при производстве монтажных работ должно происходить постоян­ное перемещение монтажных средств по фронту работ.

Повышение эффективности монтажа зданий и сооружений ста­новится важнейшей задачей сегодняшнего дня. В этом направле­нии во многих странах ведутся исследования и разработки, позво­лившие получить положительные результаты. Разработаны и вне­дрены в строительных организациях новые методы монтажа, проведены значительные работы по повышению монтажной тех­нологичности сборных конструкций. На строительных площадках все шире начинают использоваться строительные краны с дистан­ционным управлением и повышенным уровнем автоматизации. На монтажных работах промышленных объектов находят применение башенные краны с программным управлением. Разработаны и выпускаются новые конструкции строительных кранов с телеско­пическими стрелами, выносными гидравлическими опорами, пе­ремещающейся вдоль башни стрелой, со стабилизационными платформами и др. Большое внимание уделяется созданию и вне­дрению автоматических и полуавтоматических грузозахватных устройств и траверс. В последние годы разработаны траверсы, обеспечивающие ориентацию монтируемых элементов в простран­стве при гибкой системе подвеса, а также захватные устройства с дистанционной и автоматической расстроповкой. Имеется опыт использования специализированных кондукторов и монтажных машин для установки колонн, стеновых панелей и других строите­льных конструкций.

Анализ методов и средств выполнения монтажных работ пока­зывает, что успешное решение задач их комплексной механизации и автоматизации связано с разработкой и внедрением методов принудительной установки и ориентирования монтируемых эле­ментов в проектное положение, основанных на достижениях ро­бототехники. Использование строительно-монтажных манипуля­торов и роботов совместно с внедрением высокотехнологичных сборных элементов зданий и сооружений позволяет создать авто­матизированные монтажные комплексы, исключающие ручной труд при строповке, ориентировании, установке, фиксации и расстроповке монтируемых элементов. Прототипом монтажных РТК следует рассматривать различного вида автоматизированные кон­дукторы и монтажные машины. Для автоматической выверки ко­лонн многоэтажных промышленных и гражданских зданий разра­ботан ряд кондукторов, многие из которых представляют собой манипуляционные механизмы, снабженные специальными захва­тами. Попытки автоматизации монтажа жилых зданий привели к разработке кондукторов, обеспечивающих выверку и временное закрепление стеновых панелей. Эти устройства представляют ме­таллоемкую пространственную конструкцию с установленными на ней захватами. Для решения задач роботизации монтажных опера­ций полезным является опыт создания трафаретных кондукторов (см. рисунок 2.1). Их основу составляет кондукторная рама, которая с помощью гидродомкратов перемещается по вертикальным трубча­тым стойкам. В раме устроены проемы для панелей и установлены механизмы с гидротолкателями для фиксации и ориентации пане­лей. Установка на раме монтажного манипулятора с телескопиче­ской штангой, оснащенной захватами, перемещающегося вдоль и поперек рамы, позволяет роботизировать процесс монтажа круп­нопанельных жилых зданий. Несмотря на громоздкость и высо­кую металлоемкость, подобного рода конструкций, они служат хо­рошей базой для поиска новых принципов роботизации монтаж­ных операций.

Рисунок 2.1. Трафаретный кондуктор с манипулятором для монтажа

зданий

1 — опорная стойка; 2 — рама кондуктора; 5 — подъемный механизм; 4 — манипулятор; 5 — стрела крана

Другим направлением роботизации монтажных работ является разработка на базе башенных кранов специализированных кра­нов-манипуляторов. Интересное конструктивное решение имеют краны, снабженные специальными управляемыми грузозах­ватными траверсами-манипуляторами с пространственной подвес­кой, которые обеспечивают стабильность положения монтируемых элементов независимо от ветровых нагрузок и высокую точность их монтажа. Такие краны могут иметь программно-дистанционное управление. Все операции могут выполняться автоматически или оператором в режиме дистанционного управления. Пространст­венная подвеска манипулятора обеспечивает точную посадку пане­лей в замки, а поворотный манипулятор — подачу деталей в зону монтажа в нужном для установки положении. Оригинальное тех­ническое решение имеет башенный кран новой конструкции, представленный на рисунке 2.2, который позволяет сократить в 1,5 раза продолжительность монтажа крупнопанельных зданий и по­высить качество работ. Его отличительной особенностью является наличие манипулятора и поворотно-передаточного устройства. Манипулятор установлен на основной стреле. Кран снабжен вспо­могательной неподвижной стрелой (подстрелкой) с перемещаю­щейся по ней кареткой. Поворотно-передаточное устройство вы­полняет функции магазинного устройства и представляет собой кольцевую рамы с шестью парами кронштейнов для подвешивания к ним специальных траверс с элементами.

Рисунок 2.2. Монтажный кран с манипулятором 1 — основная стрела; 2 — манипулятор; 3 — вспомогательная стрела; 4 — поворотно-передаточное устройство

Конструкция этого кра­на позволяет выполнять одновременно операции по подъему од­них элементов и установке в проектное положение других. Эле­менты, поступившие на строительную площадку, разгружают с по­мощью вспомогательной стрелы и подают ею в магазинное устройство, где их навешивают на кронштейны.

Манипулятор берет из магазинного устройства необходимый для монтажа элемент, транспортирует его вдоль основной стрелы к месту установки, затем ориентирует его в заданное положение и производит установку на место. Управление таким монтажным краном осуществляется с выносных пультов управления, один из которых находится у монтажника, а другой у такелажника. Для обеспечения автоматического или полуавтоматического режима работы на кране устанавливается группа датчиков положения, из­меряющих линейные перемещения монтажного манипулятора lМ, hм, угловые перемещения основной и вспомогательной стрелы ас, ав, магазинного устройства ам и положение груза по высоте на крюке вспомогательной стрелы hг. Выходные сигналы датчиков подаются в систему управления краном, которая управляет рабо­той механизмов в соответствии с заложенной программой и посту­пающими командами с пультов управления ПУМ и ПУТ. Громоз­дкость конструкции, высокая подвижность крана, невысокая точность монтажа ограничили практическое использование таких кранов.

Перспективным направлением автоматизации монтажных опе­раций следует считать создание автоматических монтажных меха­низмов с очувствлением. В этом направлении накоплен опреде­ленный опыт. В частности были предприняты попытки создания монтажного крана с автоматическим управлением и органами очувствления, которые позволяют устанавливать монтируемый элемент в зависимости от положения ранее установленной конст­рукции. Однако такая конструкция не нашла практического испо­льзования в виду накопления погрешностей монтажа из-за неточ­ности установки предыдущих элементов При монтажных работах находят применение краны-манипуляторы с шарнирно-рычажными телескопическими стрелами (рисунок 2.3). Многозвенное телескопическое оборудование с вращательными парами и набо­ром рабочих самозахватывающих органов дает возможность вы­полнять целый комплекс монтажных операций. Для роботизации строительно-монтажных работ представляет интерес предложен­ный метод двухстадийного монтажа элементов. На первой стадии строительные конструкции подаются краном в расширенную зону допусков, а на второй их выверяют путем самоустановки и само- фиксации. При этом требуемая точность подачи элементов не превышает 30 мм. Однако такая схема монтажа требует повышен­ной точности изготовления монтируемых конструкций.

Рисунок 2.3. Кран-манипулятор с шарнирно-телескопической стрелой

Для механизации процесса возведения стен из асбестоцемент­ных экструзионных панелей институтом ЦНИИОМТП предложен мобильный манипулятор, установленный на самоходном шасси (рисунок 2.4). Для обеспечения необходимой устойчивости манипуля­тора в процессе монтажа его ходовая часть снабжена выносными гидроопорами с дистанционным управлением. Манипулятор снабжен сменными захватами в виде вакуумных присосок и механиче­ских зажимов.

Рисунок 2.4. Схема монтажа стен горизонтальной разрезки из ПАЭ с использованием манипулятора 1 — трехзвенный манипулятор; 2 — самоходное шасси; 3 — гидроопоры; 4 — рабочий орган; 5 — панель

Процесс установки панели включает несколько опе­раций: ориентацию захватного устройства относительно панели, фиксацию панели в захватном устройстве, перемещение ее к месту установки, закрепление панели в проектном положении. Примене­ние манипулятора для монтажа панелей ПАЭ позволяет повысить производительность труда в 1,5 раза, исключить тяжелые ручные операции.

Определенный опыт использования манипуляторов и роботов на строительно-монтажных работах накоплен в зарубежных стра­нах. В Японии, Германии, США и других странах созданы мани­пуляторы, предназначенные для монтажа навесных элементов, ко­лонн, инженерных коммуникаций. В Японии разработана роботи­зированная система для подъема и спуска элементов при монтаже высотных строительных объектов Подъемные устройства оснащены гидроприводами, а управление ими осуществляется от микроЭВМ. Использование роботов на монтажных работах позво­ляет значительно сократить трудозатраты и время выполнения операций. В Германии для транспортировки и монтажа ограждаю­щих конструкций разработан грузоподъемный манипулятор на базе мостового крана с двумя грузовыми тележками. На тросовой подвеске тележек закреплена балка с двумя управляемыми захва­тами. Манипулятор захватывает ограждающие конструкции за монтажные петли. Все операции выполняются в полуавтоматиче­ском режиме.

При монтаже тяжелых и крупногабаритных элементов целесо­образно применять роботы, работающие совместно с краном (рисунок 2.5). При этом монтажный робот должен иметь согласован­ное с краном управление, которое выполняется одним оператором с портативного пульта. При этом для обмена информацией между системой управления и пультом оператора может использоваться инфракрасный или радиоканал связи. Аппаратура управления ро­ботом и станция управления краном объединяются модулем син­хронизации, обеспечивающим прием команд управления и син­хронизацию работы оборудования при их исполнении.

Анализ достижения в области технологии, механизации и авто­матизации строительно-монтажных работ и прогнозов развития строительной робототехники позволяет определить наиболее перс­пективные для роботизации виды строительно-монтажных работ и операций. К ним следует отнести монтаж перегородок из различных материалов, монтаж каркасов зданий, укладку лестничных маршей и перекрытий, разборку конструкций зданий при рекон­струкции, монтаж и демонтаж строительных лесов, монтаж инже­нерного оборудования зданий и сооружений.

Для монтажа перего­родок внутри здания из блочных и листовых материалов экономи­чески оправдано применение передвижных манипуляторов с дистанционным и интерактивным управлением. В качестве осно­вания таких манипуляторов целесообразно использовать ми­ни-шасси на пневмоколесном и гусеничном ходу или применять платформы на воздушной пленке.

Рисунок 2.5. Установка железобетонных колонн с помощью робота 1 — колонна; 2 — робот; 3 — башенный кран

Перспективным направлением является решение задач автома­тизации монтажа крупнопанельных зданий на основе создания роботизированных монтажных комплексов с программным и адаптивным управлением. На рисунке 2.6 приведена схема роботизи­рованного комплекса для монтажа панелей наружных и внутрен­них стен и перекрытий жилых зданий. В состав комплекса входит башенный кран, специализированный монтажный робот и рас­творная станция. Такой комплекс обеспечит автоматизацию всех основных операций: подъем и подачу панелей к месту монтажа, устройство растворной постели, выверку и установку панелей, герметизацию швов. При разработке таких комплексов одновременно должны совершенствоваться способы фиксации панелей, а также конструкция и технология герметизации швов.

Рисунок 2.6. Роботизированный комплекс для монтажа зданий 1 — стрела башенного крана; 2 — монтажный робот; 3 — стеновая панель; 4 — растворопровод

Монтажный робот размещается на подвижной платформе с выдвижными опор­ными консолями. Один из манипуляторов комплекса служит для ориентации и установки монтируемых конструкций, второй обес­печивает подготовку поверхности и герметизацию швов. Управле­ние работой всех механизмов комплекса, в том числе и башенного крана, осуществляется с пульта дистанционного управления и от микроЭВМ системы управления робота.

Рядом российских исследовательских центров (МГСУ, ВНИ- ИСтройдормаш, ЦНИИОМТП) ведутся работы по разработке кранов-манипуляторов с различными типами связей для монтажа строительных элементов зданий. В зависимости от конкретного назначения в них использованы жесткие, гибкие и комбинирован­ные связи. Некоторые конструкции, с целью обеспечения необхо­димой точности позиционирования, снабжены устройством для временного опирания ориентирующего органа на перекрытия ра­бочего горизонта. Особенностью этих конструкций является использование специальных грузозахватных приспособлений с не­сколькими степенями подвижности, обеспечивающих точную ориентацию монтируемых элементов (рисунок 2.7). Эти устройства обеспечивают корректировку угловых положений монтируемой конструкции в двух плоскостях, разворот относительно вертикаль­ной оси и ее вертикальную посадку. Из предложенных схем кра­нов-манипуляторов выделим наиболее перспективный вариант, который представлен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.7. Грузозахватное ориентирующее устройство 1 — ориентирующий орган; 2 — схват; 3 — шток; 4 — силовой цилиндр; 5 — ползун; 6 — тяги; 7 — гидроцилиндры

Рисунок 2.8. Перспективный вариант крана-манипулятора для монтажных работ

Такая схема, благодаря жестким связям между звеньями, имеет меньшую погрешность позиционирования. Тросовая подвеска противовеса не влияет на точность манипулятора, а его использо­вание позволяет снизить мощность привода. Кроме того, данная схема с вращательными кинематическими парами обладает боль­шей маневренностью и может использоваться для монтажа раз­личных строительных конструкций. Приведенный кран-манипу­лятор имеет шесть региональных степеней подвижности, отвечаю­щие непосредственно за доставку монтируемого элемента в зону монтажа и установку в проектное положение и одну глобальную. Глобальная степень подвижности представляет собой рельсовый ход. Эта степень подвижности участвует только при межоперационных перемещениях, например при смене места монтажа. Для нее задаются несколько точек позиционирования, в которых будет находиться манипулятор во время монтажа. Обычно этих точек столько же, сколько захваток в строящемся здании. Пятая и шес­тая степени подвижности отвечают за локальную установку пане­ли в зоне монтажа. Пятая степень подвижности обеспечивает со­вмещение вертикальной ось панели с вертикалью в плоскости па­нели, а шестая служит для совмещение горизонтальной оси панели с горизонтальной осью. Требуется еще выставить вертика­льную ось панели в плоскости перпендикулярной плоскости пане­ли и выставить горизонтальную ось панели в плоскости панели. Но при точном изготовлении панели, она сама принимает желае­мое положение под действием собственного веса.

Для построения монтажных РТК представляют интерес кра­ны-манипуляторы с ориентирующим устройством, связанным со стрелой пространственной канатной подвеской. Применение про­странственной канатной подвески позволяет избавиться от крути­льных колебаний, возникающих в обычной системе (рисунок 2.9). Пространственная подвеска с канатами, натянутыми силой веса подвешенных масс, воспринимает полную пространственную сис­тему нагрузок как жесткая связь. Несмотря на несовершенство, сложность и громоздкость предлагаемых устройств, отдельные их решения безусловно заслуживают внимания и могут быть исполь­зованы при разработки современных монтажных роботов и РТК с адаптивным управлением.

Рисунок 2.9. Ориентирующее устройство с пространственной подвеской

В ходе выполнения монтажных операций требуется задание разбивочных осей и постоянный контроль положения строитель­ных элементов и конструкций. Одним из наиболее перспективных методов задания в пространстве базовых осей при выполнении монтажных работ является использование коллимированного ла­зерного луча. Применение лазерных приборов позволяет не толь­ко обеспечить непрерывный визуальный контроль при установке строительных конструкций, но и автоматизировать их ориентиро­вание. Лазерные прибор и системы контроля могут эффективно использоваться при монтаже ленточных фундаментов, стеновых панелей, перегородок, подвесных потолков, колонн, подкрановых путей. Основу этих приборов и систем составляет лазер, излучаю­щий монохроматический, узконаправленный световой луч. Для автоматического контроля используются специальные фотоприем­ные измерительные устройства, позволяющие определять направление и величину отклонения монтируемых элементов от проект­ной оси, задаваемой лазерным лучом.

Принцип действия ав­томатических устройств для измерения отклонений строительных конструкций относительно лазерного луча представлен на рисунке 2.10. Фотоприемное устройство, закрепленное на монтируе­мом элементе, состоит из оптической матрицы с фотодиодами. Матрица составлена из собирающих линз, которые разделяют све­товой поток на соответствующие фотодиоды. Последние преобра­зуют световой поток в электрические сигналы, которые попарно сравниваются относительно вертикальной и горизонтальной осей.

Перспективным направлением автоматизации процесса конт­роля выполнения монтажных операций является использование матричных фотодиодных панелей, которые в сочетании с микро­электронными устройствами обработки информации позволяют с высокой точностью регистрировать положение строительных кон­струкции и выдавать управляющие сигналы исполнительным ме­ханизмам.

При монтаже фундаментов, установке колонн и панелей лазер­ными приборами задаются разбивочные оси основных конструктивных частей здания.

Рисунок 2.10. Фотоэлектрическое устройство контроля положения монтируемых строительных конструкций

Используя отклоняющие устройства, эти оси в процессе работы переносятся на монтажные горизонты. Монтажные краны в этом случае снабжаются специальными тра­версами с жестким захватом строительных конструкций. На тра­версы устанавливаются фотоприемные устройства, регистрирую­щие положение монтируемых элементов относительно проектных осей, задаваемых лазерным лучом. При автоматизации установки панелей в проектное положение сигналы с фотодетекторов, про­порциональные величине отклонения, передаются в систему управления монтажным оборудованием.

Дата добавления: 2015-05-29