Russian Federation
Russian Federation
UDC 004.896
UDC 69.002.5
The aim of the study is to conduct a comprehensive analysis of the technological evolution in the field of plastering works, tracing the path from the local mechanization of individual operations to the creation of integrated robotic complexes, and to identify key vectors for further development. The research methodology is based on a systematic approach, which includes a comparative analysis of various classes of plastering equipment (from compact machines to high-performance stations), a study of auxiliary technological stages (using the example of mortar preparation with a vibrating screen), and a detailed review of the architecture of advanced robotic technological complexes (RTC). Particular attention is paid to the analysis of RTC components: automated mortar mixing units, manipulators with adaptive working tools, and intelligent control systems based on sensor data and complex algorithms. The review utilized modern scientific publications, patents, and regulatory literature. The main results of the work consist in the systematization of knowledge about modern plastering technologies. It has been established that the dominant trend is the transition to full robotization of the work cycle, ensuring unprecedented consistency in quality and productivity. The critical elements for successful automation have been identified: precision nozzles with adjustable spray parameters, robotic troweling tools, and control algorithms that provide compensation for external factors and precise trajectory planning. Promising directions have been identified, such as improving layer compaction methods based on an analysis of mortar rheology and the integration of digital twins, which leads to reduced material intensity, time costs, and increased overall profitability of plastering works.
plastering works, construction mechanization, robotic complex, plastering station, manipulator, automatic control system, working tool, vibrating screen, digital twins, finishing works
Введение
Современное строительство немыслимо без высокоэффективной механизации отделочных работ. Штукатурные машины и станции, предназначенные для приготовления, транспортировки и нанесения растворов, кардинально изменили подход к оштукатуриванию поверхностей, значительно повысив производительность, качество работ и снизив затраты [1].
Материалы и методы
Классификация и особенности штукатурного оборудования
Современный рынок предлагает широкий спектр оборудования — от компактных машинок для небольших объемов до габаритных высокопроизводительных станций. Аппараты различаются по мощности, объему бункера, дальности подачи раствора и функциональности.
- Немецкое оборудование традиционно считается лидером рынка. Его ключевое преимущество — универсальность: многие модели способны не только наносить штукатурные составы, но и выполнять малярные работы, например, окрашивание фасадов.
- Отечественные машины часто отличаются большими габаритами и мощностью. Они идеально подходят для нанесения стартовых выравнивающих слоев и шпатлевания [1].
- Аппараты среднего класса, как правило, компактны и управляются одним оператором. Главный рабочий орган — насос, который отвечает за смешивание, подачу и разбрызгивание материала с зернистостью до 2 мм.
Современные модели оснащены автоматизированными системами дозирования воды и сухой смеси. Процесс приготовления раствора происходит по заданной программе, что гарантирует идеальную консистенцию, соблюдение пропорций и отсутствие комков, регламентированных для строительных растворов [3].
Подготовка материалов: роль вибросита
Качество штукатурки начинается с качества раствора и используемых заполнителей [2, 3]. Для механического процеживания смесей и удаления комков используется оборудование для подготовки, такое как вибросито СО-130У2 технический паспорт. ТУ 22-4115-77.
Принцип работы вибросита: электродвигатель через полумуфту передает крутящий момент на вал с эксцентриком. Эксцентрик преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное вибрационное, которое через шатун передается на конусообразное сито. Интенсивная вибрация обеспечивает быстрое и качественное процеживание даже вязких составов. Конструкция сита позволяет его быструю замену, а амортизаторы регулируют величину вибрации.
Использование вибросита — важный технологический этап, обеспечивающий бесперебойную работу штукатурной станции и высокое качество готовой поверхности [1, 4].
Эволюция технологии: роботизированные штукатурные комплексы (РТК)
Анализ технологии штукатурных работ показывает очевидный тренд — переход от механизации к комплексной роботизации. Передвижные робототехнические комплексы (РТК) позволяют полностью автоматизировать процесс [5, 6].
Принципы построения подобных интеллектуальных систем, включая методы планирования траекторий для манипуляторов в условиях строительной площадки, подробно рассмотрены в работах по киберфизическим системам в строительстве.
Состав типичного РТК включает:
- Установка для приготовления и транспортировки раствора: включает смесительный бункер и растворонасос (чаще всего плунжерный), который подает материал по растворопроводу на этаж [1, 5].
- Автоматические манипуляторы: роботы, оснащенные сменными рабочими органами патент 2655032.
- Система управления: комплекс алгоритмов и датчиков для координации работы всего комплекса [5, 8].
Пример роботизированного манипулятора (рис. 1, 2) представляет собой мобильную платформу на мини-шасси. Основой служит телескопическая стойка, распираемая между полом и потолком.
Рис.1. 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
Манипулятор с рабочим органом перемещается вдоль штанги, позволяя обрабатывать стены и потолки [5].
Рис.2. Манипулятор для штукатурных работ на подвижной платформе 1 — шасси; 2 — стойка телескопическая; 3 — привод; 4 — пульт управления; 5 — щит
Система управления такого робота включает:
- Устройство управления (УУ): формирует команды для манипулятора и рабочего органа [7].
- Датчики положения (ДП): контролируют положение звеньев манипулятора [5, 8].
- Акустические датчики (ДА) и устройство контроля качества (УКК): анализируют состояние поверхности [5].
- Пульты управления (ПУ/ПДУ): для локального или дистанционного управления и корректировки программы [5].
Эффективность таких алгоритмов управления напрямую зависит от точности математических моделей технологического процесса и свойств материалов, что является предметом современных исследований [9].
Ключевые элементы технологии роботизированного оштукатуривания
1. Рабочие органы: форсунки и затирочные машины
- Форсунка для нанесения раствора: В робототехнических системах это не просто сопло, а сложное устройство с электромагнитными клапанами для регулировки подачи воздуха и материала. Оно должно автоматически менять диаграмму распыления и размер факела, адаптируясь к консистенции раствора и этапу работы (обрызг, грунт, накрывка). Критически важны стабилизация угла наклона сопла и расстояния до поверхности для обеспечения равномерного слоя и надежного сцепления [7, 8].
- Затирочные органы: На завершающем этапе манипуляторы оснащаются штукатурно-затирочными органами. Перспективные разработки предполагают создание специализированных роботизированных затирочных машин со встроенным приводом, автоматической стабилизацией давления на поверхность и регулировкой скорости вращения диска. К такому органу также подводится вода для смачивания поверхности в процессе затирки [5, 6].
2. Альтернативные технологии нанесения
Помимо классического набрызга, исследуются и другие методы патент [6]:
- Подача на вращающийся валек: Раствор подается из ванны на вращающийся валек, который прижимает его к стене с заданным усилием, совмещая нанесение и разравнивание.
- Инструмент с замкнутой камерой: Камера с уплотнителями создает ровную поверхность, сразу разравнивая штукатурку, но менее гибка для обработки сложных участков.
- Инструмент с открытой камерой и затирочной рейкой: Простая плита с отверстиями для подачи материала и периметральной рейкой для разравнивания.
Система автоматического управления процессом
Управление роботизированным комплексом осуществляется группой сложных алгоритмов, которые выполняют [5, 8]:
- Компенсацию неровностей пола.
- Выверку инструмента на заданную толщину слоя.
- Измерение расстояния до стены и поддержание требуемой ориентации.
- Оценку поверхности в рабочей зоне, отслеживание проемов и границ.
- Планирование траектории движения инструмента при нанесении и разравнивании раствора.
- Автоматическую смену рабочей позиции по завершении участка.
Перспективы развития: повышение эффективности существующих машин
Учитывая современные вызовы в машиностроении, актуальной задачей становится не только создание новых роботов, но и повышение эффективности уже эксплуатируемых машин [6].
Одним из перспективных направлений является совершенствование процесса уплотнения штукатурного слоя на основе анализа его реологических свойств в момент нанесения [9, 10]. Как показывают исследования, разработка и внедрение вибрационной установки с изменяемыми конструктивными параметрами позволяет значительно повысить прочностные характеристики нанесенного слоя [6, 7]. Такая доработка не только улучшает качество готовой поверхности, но и позволяет снизить временные затраты на подготовительные работы и расход штукатурной смеси, что в целом повышает рентабельность штукатурных работ [1, 4].
Заключение
Технология применения штукатурных машин прошла путь от простой механизации трудоемких процессов до создания интеллектуальных роботизированных комплексов. Современные РТК способны выполнять весь цикл штукатурных работ — от приготовления раствора до нанесения, разравнивания и затирки — с минимальным участием человека. Дальнейшее развитие связано с совершенствованием систем управления, созданием адаптивных рабочих органов и поиском новых физических принципов воздействия на раствор, что в конечном итоге ведет к новым стандартам качества, скорости и экономичности в строительстве.
1. Zhukov, A. D., Polivanov, V. K. (1988). Mechanization and Automation of Plastering Works. Moscow: Stroyizdat. 256 p. (in Russian).
2. GOST 28013-98. (1999). Building Mortars. General Specifications. Introduced 1999-07-01. Moscow: Gosstroy Rossii. 18 p. (in Russian).
3. GOST 8736-2014. (2014). Sand for Construction Work. Specifications. Introduced 2015-07-01. Moscow: Standartinform. 24 p. (in Russian).
4. SP 71.13330.2017. (2017). *Insulation and Finishing Coatings. Updated Edition of SNiP 3.04.01-87*. Introduced 2017-06-17. Moscow: Minstroy Rossii. 95 p. (in Russian).
5. Lebedev, V. M. (1990). Construction Robots: Application in Finishing Works. Leningrad: Stroyizdat, Leningr. Otd-nie. 184 p. (in Russian).
6. St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering. (Ed.). (2019). Modern Technologies in Construction: Collection of Scientific Papers [Text] / [Ed. board: N. I. Sokolov (Ed.-in-Chief) et al.]. St. Petersburg: SPbGASU. 210, [2] p.: ill., tables; 21 cm. Bibl. at the end of articles. 500 copies. ISBN 978-5-9227-0866-3. (in Russian).
7. Patent 2655032 Russian Federation, IPC E04F 21/08. Device for Applying Plaster Mortar / Ivanov S. P., Petrov K. V.; applicant and patent holder LLC "Stroytekhnika". – No. 2017101234; filed 13.01.2017; publ. 25.05.2018, Bull. No. 15. – 8 p. (in Russian).
8. Automation in Construction: International Journal // Elsevier. – 2020. – Vol. 113. – P. 103–115. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103115.
9. Lapidus, A. A. (2022). Mathematical Modeling of the Plaster Mixture Application Process for Optimizing Robotic Complex Parameters. Stroitel'nye Materialy i Tekhnologii, (4), 56–62. DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-805-4-56-62. (in Russian).
10. Lapidus, A. A., Petrova, E. A. (2023). Improving the Efficiency of Finishing Works through the Use of Robotic Complexes and Digital Twins. *E3S Web of Conferences: International Scientific Conference «Energy Efficiency in Construction and Architecture» (EECA-2023)*, Vol. 458, p. 07005. DOI:https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345807005.
