模块化箱式房顶框自动化蒙皮包边技术研究与应用

模块化箱式房顶框自动化蒙皮包边技术研究与应用

方舟,刘峻佑,靳程锐,苏世龙,雷俊

身份证号：430603199112233013

中建科技集团有限公司 广东 深圳 518000

摘要：本文介绍了一种模块化集成房屋上框架蒙皮包边方案，通过五道滚轮碾压蒙皮，主要完成模块化集成房屋天板蒙皮包边任务，深入探讨了模块化箱式房顶框自动化蒙皮包边技术的研究与应用，以期能为相关人士提供参考性借鉴。

关键词：模块化；箱式房顶框；自动化；蒙皮包边技术；研究

前言：本研究中首先介绍了模块组成，包括水平压紧模块、45°折弯模块、90°折弯模块、135°折弯模块、195°折弯模块；其次针对设计项点予以了分析，确定了折弯力大小，科学选择合适的气缸和滑块型号，分析了受力情况，确定了滚轮可补偿范围，最后探讨了滚轮工具头压边动作流程。

1模块组成

1.1水平压紧模块

水平压紧模块主要由一个滚轮和其上的薄型气缸组成；滚轮直径40mm，宽30mm，主要负责压紧蒙皮，保证蒙皮不移动，薄型气缸缸径25mm，行程20mm，负责维持恒定压紧力及补偿框架尺寸误差。

1.2 45°折弯模块

45°折弯模块主要由一个倾斜45°直径40mm宽30mm的滚轮和其上缸径25mm行程20mm的薄型气缸以及上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸组成；倾斜45°滚轮负责将蒙皮弯折45°；缸径25mm行程20mm的薄型气缸负责维持恒定压紧力及补偿框架尺寸误差；上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸负责在工具头滚压角边时将45°滚轮向上抬起。

1.3 90°折弯模块

90°折弯模块主要由一个垂直90°直径40mm宽30mm的滚轮和其外缸径25mm行程20mm的薄型气缸以及上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸组成；垂直90°滚轮负责将蒙皮弯折至90°；缸径25mm行程20mm的薄型气缸负责维持恒定压紧力及补偿框架尺寸误差；上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸负责在工具头滚压角边时将90°滚轮向上抬起。

1.4 135°折弯模块

135°折弯模块主要由一个倾斜至135°直径40mm宽20mm的滚轮和其内侧缸径25mm行程20mm的薄型气缸以及上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸组成；倾斜135°滚轮负责将蒙皮弯折至135°；缸径25mm行程20mm的薄型气缸负责维持恒定压紧力及补偿框架尺寸误差；上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸负责在工具头滚压角边时将135°滚轮向上抬起。

1.5 195°折弯模块

195°折弯模块主要由一个倾斜至195°直径40mm宽13mm的滚轮和其上缸径25mm行程20mm的薄型气缸以及上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸组成；倾斜195°滚轮负责将蒙皮弯折至195°；缸径25mm行程20mm的薄型气缸负责维持恒定压紧力及补偿框架尺寸误差；上部缸径32mm行程50mm的薄型气缸负责在工具头滚压角边时将195°滚轮向上抬起。

2设计项点分析

2.1确定折弯力大小

蒙皮折弯总共分为直边单层、角边双层和拼接处七层折弯三种折弯力。

(1)测力矩实验

通过力矩扳手加装专用夹具测得折弯蒙皮拼接处七层厚度蒙皮所需的折弯力矩显示值为20N·m，考虑到力矩扳手精度误差以及人员读数存在视觉误差，将折弯力矩的最大读数取为35N·m，即通过实验可知折弯蒙皮拼接处七层厚度蒙皮所需的折弯力矩显示值为20N·m~35N·m；

（2）七层蒙皮折弯实际力矩计算

自制专用夹具安装点与折弯点距离为60mm，安装点距离把手用力点距离为435mm，换算力臂变化后的实际折弯力矩为：35×（0.435+0.06）÷0.435≈40N·m

20×（0.435+0.06）÷0.435≈23N·m

因此七层蒙皮实际折弯力矩为23N·m~40N·m；

（3）双层蒙皮折弯力矩计算

由实心矩形梁弯曲的抗弯截面系数W=1/6·bh2可知弯曲扭矩大小与厚度的平方成正比，因此双层蒙皮折弯所需扭矩为4/49·23N·m~4/49·40N·m，即：1.88N·m~3.27N·m。

（4）单层蒙皮折弯力矩计算

因此单层蒙皮折弯所需扭矩为23/49N·m~40/49N·m，即：0.47N·m~0.82N·m。

（5）拼接处七层蒙皮弯折所需气缸压紧力大小计算

根据顶框蒙皮设计图，取最大折弯力臂为蒙皮翻折长度即18mm，折弯所需最小力矩为23N·m，作用于蒙皮的正压力为弯折气缸45°分力，因此最小压紧力为23÷0.018÷9.8×1.414=184.37kg。单个气缸力已为184.37kg，当多个滚轮同时压在蒙皮上时产生的合力已大于机械臂负载极值。所以此滚轮包边方案不适用于拼接处七层蒙皮的折弯。

（6）角边处双层蒙皮弯折所需气缸压紧力大小计算

根据框架设计图，知框架角边板材厚度为3mm，即蒙皮折弯力臂最小值取为3mm，取最小力矩1.88N·m进行计算，气缸最小压紧力为1.88÷0.003÷9.8×1.414=90.3kg。

（7）单层蒙皮折弯所需气缸压紧力大小计算

根据框架设计图，知框架纵梁板材厚度为3mm，即蒙皮折弯力臂最小值取为3mm，最大折弯力矩为0.82N·m，则气缸最大压紧力为0.82÷0.003÷9.8×1.414=39.3kg，最小折弯力矩为0.47N·m，则气缸最小压紧力为0.47÷0.003÷9.8×1.414=22.6kg。

2.2选择合适的气缸和滑块型号

取气缸工作气压调节范围为0.5~0.8MPa，根据单层蒙皮折弯所需的气缸压紧力及弯矩，结合结构设计空间尺寸，选取滚轮压紧补偿气缸缸径为25mm，具体型号为亚德客薄型气缸SDA25×20SB_20_+_，上层抬升气缸缸径为32mm，具体型号为亚德客薄型气缸SDA32×50SB_50_+_。

2.3受力分析

（1）双层蒙皮的折弯压紧力对框架及蒙皮影响的分析

利用workbench分析采用角边处双层蒙皮弯折所需气缸压紧力90.3kg的滚轮滚压对于3mm厚框架的变形及应力影响，由分析结果可知框架最大变形量为0.32mm，最大应力为273.55MPa。

由分析结果可知，最大应力273.55MPa超过蒙皮材料Q235的最大屈服极限，因此采用90.3kg压紧力的滚轮对单层蒙皮滚压时，会存在蒙皮撕裂的风险。因此该滚轮包边方案亦不适用于角边处双层蒙皮部分的包边。

（2）单层蒙皮的折弯压紧力对框架及蒙皮影响的分析

分析采用单层蒙皮弯折所需气缸最大压紧力39.3kg的滚轮滚压对于3mm厚框架的变形及应力影响，由分析结果可知框架最大变形量为0.14mm，最大应力为119.05MPa。

2.4滚轮可补偿范围确定

根据SolidWorks软件得设计的工具头整体重量约为35kg（4.22×7.8kg），同时已知机械臂最大负载210kg，补偿气缸最大压紧力39.3kg，滚轮直径为40mm，容易知135°折弯模块的第四个滚轮压入时（此时有3个滚轮压在框架上），所有压紧气缸对机械臂负载影响最大，此时可求得补偿范围最小值，即滚轮可补偿范围为±7.9mm。

3滚轮工具头压边动作流程

3.1长直边压边流程

由机械臂控制工具头从长直边一侧压入，水平压紧模块、45°折弯模块、90°折弯模块、135°折弯模块、195°折弯模块按顺序分别压入长直边，机械臂保持长直边方向直线运动直至所有模块移出长直边。

3.2角边压边流程

由专用夹具或人利用木板、铁板等工具压紧角边两头已包好的直边蒙皮，然后工具头上部对应第3、4、5号滚轮的抬升气缸向上抬升，第一和第二滚轮辊压角边，然后上部对应第2号滚轮的抬升气缸向上抬升，对应第3号滚轮的抬升气缸向下压出，第一和第三滚轮辊压角边，接着上部对应第3号滚轮的抬升气缸向上抬升，对应第4号滚轮的抬升气缸向下压出，第一和第四滚轮辊压角边，最后上部对应第4号滚轮的抬升气缸向上抬升，对应第5号滚轮的抬升气缸向下压出，第一和第五滚轮辊压角边。

结束语：

综上所述，模块化箱式房顶框自动化蒙皮包边技术能够显著提升房屋建造速度，推动了房顶工程的自动化发展。希望通过本研究，能够为相关领域提供一些参考性借鉴，从而为建筑业的可持续发展夯实基础。

参考文献：

[1]中车时代电动汽车股份有限公司.蒙皮包边装置:CN201921724529.2[P].2020-09-08.

[2]芜湖丛林轻量化汽车有限责任公司.一种铝合金箱体顶蒙皮包边防水结构:CN202121184240.3[P].2021-12-10.

[3]中国建筑第二工程局有限公司.一种节能舒适型模块化定制箱式板房结构:CN202122349479.8[P].2022-03-15.

[4]中建二局洛阳机械有限公司.一种箱式房顶框组对工装:CN202123253760.8[P].2022-08-02.

[5]河北玉发压瓦机设备有限公司.箱式房顶框底框焊接生产线:CN201910157909.0[P].2019-05-03.