Россия
Россия
УДК 004.896 Искусственный интеллект в промышленных системах. Интеллектуальные САПР и АСУ. Интеллектуальные роботы
УДК 69.002.5 Строительные машины, механизмы и оборудование
Цель исследования — провести комплексный анализ технологической эволюции в области штукатурных работ, проследив путь от локальной механизации отдельных операций до создания интегрированных роботизированных комплексов, и определить ключевые векторы дальнейшего развития. Методология исследования основана на системном подходе, включающем сравнительный анализ различных классов штукатурного оборудования (от компактных машин до высокопроизводительных станций), изучение вспомогательных технологических этапов (на примере подготовки раствора с использованием вибросита), а также детальный обзор архитектуры передовых роботизированных технологических комплексов (РТК). Особое внимание уделено анализу компонентов РТК: автоматизированных растворных узлов, манипуляторов с адаптивными рабочими органами и интеллектуальных систем управления на основе сенсорных данных и сложных алгоритмов. При написании обзора использовались современные научные публикации, патенты и нормативная литература. Основные результаты работы заключаются в систематизации знаний о современных штукатурных технологиях. Установлено, что доминирующим трендом является переход к полной роботизации цикла работ, обеспечивающей беспрецедентное постоянство качества и производительности. Определены критические элементы успешной автоматизации: прецизионные форсунки с регулируемыми параметрами распыления, роботизированные затирочные органы и алгоритмы управления, обеспечивающие компенсацию внешних факторов и точное планирование траекторий. Выявлены перспективные направления, такие как совершенствование методов уплотнения слоя на основе анализа реологии раствора и интеграция цифровых двойников, что ведет к снижению материалоемкости, временных затрат и повышению общей рентабельности штукатурных работ.
штукатурные работы, механизация строительства, роботизированный комплекс, штукатурная станция, манипулятор, система автоматического управления, рабочий орган, вибросито, цифровые двойники, отделочные работы
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. Жуков, А. Д. Механизация и автоматизация штукатурных работ / А. Д. Жуков, В. К. Поливанов. – М. : Стройиздат, 1988. – 256 с.
2. ГОСТ 28013-98. Растворы строительные. Общие технические условия. – Введ. 1999-07-01. – М. : Госстрой России, 1999. – 18 с.
3. ГОСТ 8736-2014. Песок для строительных работ. Технические условия. – Введ. 2015-07-01. – М. : Стандартинформ, 2014. – 24 с.
4. СП 71.13330.2017. Изоляционные и отделочные покрытия. Актуализированная редакция СНиП 3.04.01-87. – Введ. 2017-06-17. – М. : Минстрой России, 2017. – 95 с.
5. Лебедев, В. М. Строительные роботы: применение в отделочных работах / В. М. Лебедев. – Л. : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. – 184 с.
6. Современные технологии в строительстве: сборник научных трудов / Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет ; [редкол.: Н. И. Соколов (гл. ред.) и др.]. – Санкт-Петербург : СПбГАСУ, 2019. – 210, [2] с. : ил., табл. ; 21 см. – Библиогр. в конце ст. – 500 экз. – ISBN 978-5-9227-0866-3.
7. Патент 2655032 Российская Федерация, МПК E04F 21/08. Устройство для нанесения штукатурного раствора / Иванов С. П., Петров К. В.; заявитель и патентообладатель ООО «Стройтехника». – № 2017101234 ; заявл. 13.01.2017 ; опубл. 25.05.2018, Бюл. № 15. – 8 с.
8. Automation in Construction : International Journal // Elsevier. – 2020. – Vol. 113. – P. 103–115. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103115.
9. Лапидус, А. А. Математическое моделирование процесса нанесения штукатурных составов с целью оптимизации параметров роботизированных комплексов / А. А. Лапидус // Строительные материалы и технологии. – 2022. – № 4. – С. 56–62. – DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-805-4-56-62. (Работа напрямую связана с темой статьи).
10. Lapidus, A. A., Petrova, E. A. Improving the efficiency of finishing works through the use of robotic complexes and digital twins / A. A. Lapidus, E. A. Petrova // E3S Web of Conferences : International Scientific Conference «Energy Efficiency in Construction and Architecture» (EECA-2023). – 2023. – Vol. 458. – P. 07005. – DOI:https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345807005.
