摘要為了改進噴漆行業(yè)傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，設(shè)計了一種自動噴漆裝置，該裝置主要由控制機器人和噴涂系統(tǒng)組成?？刂茩C器人采用直角坐標方法設(shè)計，設(shè)計了控制機器人的本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)。給出了控制機器人自動工作方式的軌跡規(guī)劃。同時設(shè)計了適合的噴漆系統(tǒng)，構(gòu)成完整的噴漆機。該裝置具有噴涂質(zhì)量好、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點。不僅可以減輕操作工人的勞動強度,還可提高工作效率和施工質(zhì)量,具有一定的實用價值。關(guān)鍵詞機器人；噴漆；PLC控制；軌跡規(guī)劃目錄1緒論12結(jié)構(gòu)方案的確定221噴漆對象結(jié)構(gòu)222工藝過程223方案分析3231方案一3232方案二4233方案三5234方案四624方案確定63結(jié)構(gòu)組成731立架導(dǎo)軌與拉升機構(gòu)設(shè)計7311立架導(dǎo)軌設(shè)計7312噴槍拉升機構(gòu)設(shè)計8313線的固定832移動底盤設(shè)計8321驅(qū)動機構(gòu)8322轉(zhuǎn)向機構(gòu)104軌跡規(guī)劃125防爆設(shè)計136氣壓設(shè)備與噴槍的選定1161高壓泵1162蓄壓器1163過濾器1164高壓軟管1265噴槍127控制系統(tǒng)1371硬件系統(tǒng)組成1372軟件系統(tǒng)的設(shè)計16721控制系統(tǒng)的控制流程16722控制系統(tǒng)的程序流程168結(jié)束語18致謝辭18參考文獻19附錄201緒論本設(shè)計針對礦用高壓軟起動控制器隔爆外殼體的噴漆作業(yè)，因為傳統(tǒng)的噴漆作業(yè)采用人工操作方式,生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)質(zhì)量差,不但存在光澤、平坦性、垂流性、針孔、氣泡等質(zhì)量問題，而且工作環(huán)境惡劣,經(jīng)證實，噴漆過程中使用的粘合劑和涂料尤其有害，這些材料中通常含有溶劑和異氰酸鹽苯、甲苯、二甲苯（簡稱“三苯”），它們都和皮炎及職業(yè)性哮喘有關(guān)。嚴重威脅著操作1人員的人身健康。利用機器人進行噴漆作業(yè)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化,提高工效和施工質(zhì)量，更主要的是可以減輕操作工人的勞動強度,改善工作環(huán)境,降低環(huán)境污染,保證操作工人的身心健康。為此提出自動噴漆機的設(shè)計。主要進行三部分內(nèi)容設(shè)計第一，機器人的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；第二，基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計；第三，噴槍平面作業(yè)的軌跡規(guī)劃。2結(jié)構(gòu)方案的確定21噴漆對象結(jié)構(gòu)名稱礦用高壓軟起動控制器隔爆外殼體外形構(gòu)造如圖1所示圖1殼體外觀結(jié)構(gòu)尺寸長2200MM，寬1060MM，高1000MM。22工藝過程先噴頂面，再依次噴涂正面，右側(cè)面，背面與左側(cè)面。在每個工作面上的噴面漆過程為折返掃描式噴射，如圖所示。圖2噴射軌跡23方案分析在目前國內(nèi)外的噴漆機器人中，爬壁機器人是較先進的一種，但本工件的尺寸較小，不適合采用爬壁機器人。本設(shè)計提出以下四種方案見圖3、圖4、圖5、圖6。它們各有優(yōu)缺點，下面進行分析比較。231方案一框架式機構(gòu)如圖所示，本方案采用框架式機構(gòu)，噴槍在盤架上做X向與Z向水平運動，同時盤架在堅桿上作Y向上下運動，這種機構(gòu)設(shè)計思路簡單，控制方便，但是占地面積大，耗材非常多，移動不便利，不便使用。圖3框架式機構(gòu)外觀232方案二門式機構(gòu)該方案較方案一作了較大改進，也更具有可行性。本方案采用門式機構(gòu)，如圖1所示,自動噴漆機機械系統(tǒng)由主車行走機構(gòu)、噴槍往復(fù)機分頂部、左、右側(cè)三部分兩部分組成。2圖4門式機構(gòu)系統(tǒng)外形圖主車行走機構(gòu)，防爆電機通過減速箱直接驅(qū)動龍門架，行走時4輪可完全接觸在軌道上，運行平穩(wěn)，無級調(diào)速，無抖動、跳動現(xiàn)象。噴槍往復(fù)機構(gòu)，此機構(gòu)噴槍分別固定于頂部、左、右兩側(cè)復(fù)機構(gòu)上，始終保持在最佳噴涂距離，并由電控系統(tǒng)確定噴涂點的設(shè)定，在高速往返行程中開合與關(guān)閉噴槍在噴涂范圍內(nèi)開，超出噴涂范圍關(guān)。233方案三旋轉(zhuǎn)橫桿式機構(gòu)采用如圖示旋轉(zhuǎn)橫桿，噴槍機構(gòu)在橫桿上做水平X向及Z向運動，橫桿通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在豎架上旋轉(zhuǎn)，同時移動底盤整體運動。本方案結(jié)構(gòu)簡便，控制方便，但是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)向控制比較復(fù)雜。圖5旋轉(zhuǎn)橫桿式機構(gòu)外觀234方案四立架式結(jié)構(gòu)該方案較方案三作了較大改進，也更具有可行性。噴槍機構(gòu)在橫桿上作水平Y(jié)向運動，同時移動底盤作水平X向運動，完成上表面的噴漆作業(yè)，上表面完成后，通過繩索的拉動，將噴槍機構(gòu)拉到立桿上，噴槍機構(gòu)在立桿上作Z向的上下運動，同時移動底盤作水平X向的運動，以噴涂工件的四個側(cè)面。本方案結(jié)構(gòu)簡便，能較好的完成噴涂任務(wù)。圖6立架式結(jié)構(gòu)24方案確定由上面四種方案的工作過程及性能，可以作出比較，見下表表1方案比較優(yōu)點缺點方案1控制簡單，操作方便體積大，不便使用方案2結(jié)構(gòu)比方案1簡單多噴頭，不便控制方案3結(jié)構(gòu)簡練，便于控制部分機構(gòu)工能浪費方案4進一步簡化結(jié)構(gòu)由上表分析，最終確定采用方案4。3機構(gòu)組成立架式機構(gòu)中包括立架導(dǎo)軌，噴槍拉升機構(gòu)，線管固定機構(gòu)，移動底盤的驅(qū)動機構(gòu)與轉(zhuǎn)向機構(gòu)。31立架導(dǎo)軌及拉升機構(gòu)311立架導(dǎo)軌設(shè)計（1）機構(gòu)設(shè)計因工件是立方體，噴漆過程是先噴上表面，再依次噴涂四個側(cè)面，因此將導(dǎo)軌設(shè)計成F型架的機構(gòu)，如圖6所示。（2）桿件受力分析橫桿可簡化為懸臂梁，其受力來源有2個，一是均布的自重與繩重，二是噴槍機構(gòu)的重力。1）橫桿受力分析0FY0FXLQFSXM2LL故XLQS2LFX其中F噴槍機構(gòu)的自重（N）Q橫桿及繩索的重力分布（N/M）2）豎桿受力分析0FY0XSXM2QLF故0S2QLX其中F噴槍機構(gòu)的自重（N）Q橫桿及繩索的重力分布（N/M）312噴槍拉升機構(gòu)為保證為了保證噴槍按設(shè)計要求在導(dǎo)軌上運動與升降，選取如圖提升機構(gòu)。在提升機構(gòu)中應(yīng)設(shè)計專用減速箱，此套傳動機構(gòu)在啟動與停止最短周期內(nèi)的行程能夠滿足噴槍軌跡的需要。其詳細結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7提升機構(gòu)313線的固定控制線在導(dǎo)軌上的固定，采用窗簾式滑動機構(gòu)，以使噴槍機構(gòu)在運動過程不被卡死或者將控制線拉斷。圖8窗簾式滑動機構(gòu)外觀32移動底盤設(shè)計321驅(qū)動機構(gòu)由于液壓元器件的防爆較易于實現(xiàn)，因此在機器人本體設(shè)計時，可采用液壓驅(qū)動。圖9驅(qū)動機構(gòu)在行走機構(gòu)中，為了防止前仰和后傾、左右偏移以及調(diào)整方便,為防止機構(gòu)底面在轉(zhuǎn)彎時被卡住，由前后輪距及輪心到底面的距離見圖10所確定的軌道最小曲率半徑可作如下驗算HRLR2其中L前后輪距；H輪軸心距車底面的距離；R車輪的半徑；R由L、H和R確定的不干涉時最小軌道曲率半徑。當L400,R40,H60時,RMIN210,實際上R250,顯然滿足要求。圖10曲率半徑的確定322移動底盤的轉(zhuǎn)向機構(gòu)受現(xiàn)場條件的限制，應(yīng)盡量減小機器人的轉(zhuǎn)彎半徑，以至于實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。本課題中，借鑒了以下兩種形式的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。（1）菱形轉(zhuǎn)向機構(gòu)菱形轉(zhuǎn)向機構(gòu)（圖11）是指采用四輪著地，主動輪的同軸線和從動輪同軸線成90或近90交叉的擺放方式。這種方式和很多底盤設(shè)計方式一樣，采用主動輪差速控制技術(shù)，即通過左右主動輪不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完成轉(zhuǎn)向動作，它是在諸多底盤設(shè)計方案中轉(zhuǎn)彎半徑最小的方式因為采用差速控制的轉(zhuǎn)彎方式，轉(zhuǎn)彎圓心在主動輪的同軸中心上，而且能夠使得底盤的幾何中心和主動輪的同軸中心吻合，所以轉(zhuǎn)彎半徑小。3圖11菱形轉(zhuǎn)向機構(gòu)但是這種移動機構(gòu)的缺點也顯而易見在不平坦的路面環(huán)境中，前后承重被動輪如果和主動驅(qū)動輪的懸掛同高，很容易導(dǎo)致主動輪的掛起，或?qū)е聠芜呏鲃虞喌膲毫ο陆?，同時摩擦力下降；從動輪的懸掛過高，則這種前后從動輪交替著地必然產(chǎn)生很大的前后振動，往往就達不到設(shè)計要求，如果懸掛過低，則就會掛空主動輪。所以這種方式對地面要求比較嚴格，穩(wěn)定性較差，而且對于地形的適應(yīng)能力較差，在粗糙的地面容易傾翻。為此，根據(jù)菱形擺放雙輪差速驅(qū)動移動機構(gòu)的特點，在利用其原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，提出了一種三段菱形結(jié)構(gòu)（圖12），以提高其對地的適應(yīng)性和越障能力。（2）三段菱形機構(gòu)移動機構(gòu)的主體部分分為3段，通過俯仰電機控制、段之間的轉(zhuǎn)動，II、段通過可以靈活轉(zhuǎn)動的鉸鏈連接，輪1，輪2為各自帶獨立控制電機的驅(qū)動輪，上下對稱分布2個從動輪。在翻越障礙的時候，可以通過控制俯仰電機來調(diào)整I、段之間的角度，避免出現(xiàn)主動輪懸空或車體碰到障礙物的情況。圖12三段菱形機構(gòu)4軌跡規(guī)劃機器人在主從遙控控制方式下工作時，由工作人員通過操作器實現(xiàn)對機器人的主從遙控操作，各自由度的動作完全由工作人員的實時操作決定。在自動軌跡規(guī)劃控制工作方式時，機器人根據(jù)事先示教過程中選取的若干特征點，實現(xiàn)對運動軌跡的自動再現(xiàn)。由于本機器人工作環(huán)境的特點，在作業(yè)過程中主4要是平面施工作業(yè)。結(jié)合機器人自身結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，可實現(xiàn)對這種作業(yè)方式的機器人運動軌跡的規(guī)劃。本方案采用折返掃描式噴射，分工作面先后噴涂。圖13噴射軌跡圖14噴槍的噴矩模型圖15噴槍路徑由于機器的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用直角坐標的方案，因此對于機器人處于平面垂直面斜面和平頂面施工作業(yè)時的軌跡規(guī)劃變得相對簡單。首先，可將機器人移至合適位置，使垂直坐標導(dǎo)軌平行于待作業(yè)平面，并將噴槍移至工作初始位置，然后根據(jù)除銹或噴漆工藝要求所決定的水平坐標導(dǎo)軌移動的步距，規(guī)劃器計算出水平坐標導(dǎo)軌每一步運動的輸出控制增量，從而使該導(dǎo)軌在平行于工作面的垂直坐標導(dǎo)軌上作固定步長的運動，并結(jié)合噴槍移動機構(gòu)的往返運動，即可自動實現(xiàn)連續(xù)的矩形作業(yè)面。5防爆設(shè)計噴漆機器人用于在封閉的噴漆間內(nèi)噴涂工件內(nèi)外表面,由于噴漆間內(nèi)的漆霧是易燃易爆的，根據(jù)NFPA496中規(guī)定的易燃易爆區(qū)域等級來看，噴漆間屬1級1組或1級2組區(qū)城，如果機器人的某個部件產(chǎn)生火花或溫度過高，就會引燃噴漆間內(nèi)的易嫌物質(zhì)，引起噴漆間內(nèi)的大火，甚引起爆炸，造成不必要的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。所以，防爆系統(tǒng)的設(shè)計是設(shè)計電動噴漆機器人很重要的一部分，絕對不可掉以輕心。電動噴漆機器人是由AC或DC二伺服電機與液壓電機驅(qū)動的。運轉(zhuǎn)時，可能會產(chǎn)生火花，電纜線與電器接線盒的接口等處也可能會產(chǎn)生火花。根據(jù)NFPA496標準，機器人的電機、電器接線盒、電纜線等都應(yīng)封閉在密封的殼體內(nèi)，使它們與危險的漆霧隔離。同時配備一套空氣凈化系統(tǒng)，用供氣管向這些密封的殼體內(nèi)不斷地輸送清潔的、不可燃的、高于周圍大氣壓的保護氣體,以防止外界易燃氣體的進入機器人。按此方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)稱為通風式正壓防爆結(jié)5構(gòu)。目前國際上最先進的ABB電動噴漆機器人，GMF一FUNAC電動噴漆機器人和涂王電動噴漆機器人的防爆系統(tǒng)均是按照NPFA496標準設(shè)計的通風式正壓防爆系統(tǒng)。6氣壓設(shè)備與噴槍的選定在空氣噴涂場合，涂料霧化的動力是壓縮空氣，它直接參與噴涂，如果壓縮空氣的清潔度差，含油、含水超標，則直接影響油膜的質(zhì)量，會產(chǎn)生針孔、縮孔等涂膜弊病，故本方案采用高壓無氣噴漆機構(gòu)，其設(shè)備包括高壓泵、蓄壓器、過濾器、高壓軟管以及噴槍等。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖16所示。圖16無氣噴漆機構(gòu)示意圖61高壓泵無氣噴涂設(shè)備是利用壓縮空氣作動力，通過高壓泵驅(qū)動活塞作往復(fù)運動。泵的上部為空氣缸，內(nèi)有壓縮空氣換向機構(gòu)，使氣缸上下交替進入壓縮空氣，活塞上、下運動帶動高壓部分上、下運動，使涂料吸入并排出一定壓力的涂料。氣動型噴涂機一般標有壓力比，比值一般為30651，即當進入泵氣缸內(nèi)的壓縮空氣壓力為1個大氣壓，涂料壓力就達到3065個大氣壓（理論值）。62蓄壓器蓄壓器主要是起涂料液壓穩(wěn)定作用。因柱塞往復(fù)泵在上下兩個死點時速度等于零，所以易產(chǎn)生壓力波動。增設(shè)了蓄壓器，可減少涂料在噴涂時的壓力波動，提高噴涂質(zhì)量。蓄壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，上、下有兩個封頭，涂料從底部進入，在進口處有一滾珠單向閥。63過濾器因為噴嘴的孔很小，稍有不潔就會堵塞。因此，涂料的過濾尤為重要。無氣噴涂設(shè)備有兩個過濾器,一是裝在涂料吸入口的盤形過濾器，目的是除去涂料中的雜質(zhì)污物；第二個過濾器裝在蓄壓器與高壓軟管之間，其作用是濾清殘存在柱塞缸及蓄壓器內(nèi)的漆料。因為這些剩漆殘存時間稍長，就會起皮結(jié)塊，形成堵塞噴嘴的雜物。實踐證明，若在噴槍的進漆處再裝一個小型的管狀過濾器，就可以確保噴嘴不被堵塞。過濾器的鉬絲須經(jīng)常清洗，以確保良好的噴漆效果。64高壓軟管蓄壓器和噴槍之間用高壓軟管聯(lián)接。對高壓軟管的要求是1應(yīng)選擇與涂料源相當?shù)墓ぷ鲏毫Φ哪透邏很浌埽駝t會不安全；2因為涂料中含有甲苯、6二甲苯等溶劑，故要選擇耐油、耐強溶劑的軟管，以保證其有一定的使用壽命；3輕便，柔軟，便于攜帶和操作。65噴槍無氣噴槍由槍體、涂料噴嘴、過濾器網(wǎng)、頂針扳機和密封墊連接部件等構(gòu)成。無氣噴槍與空氣噴槍不同，它只有涂料通道，而沒有壓縮空氣通道。由于涂料通道要承受高壓，故無氣噴槍需具有優(yōu)異的耐壓密封性，以防高壓涂料泄漏。同時，槍體要輕巧，扳機啟閉靈敏，與高壓軟管連接處其轉(zhuǎn)動要靈活、操作要方便。圖17噴射角與距離7控制系統(tǒng)71硬件系統(tǒng)組成工控機主要具有操作直觀、控制精度高、抗干擾能力強等性能，因此很多控制系統(tǒng)中都采用工控機作為控制系統(tǒng)的核心。但噴漆機器人工作環(huán)境比較惡劣、復(fù)雜，又要受其工作空間范圍的限制，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時，要求體積小、操作簡便、工作可靠、抗干擾能力強?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC是自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專門用于過程控制的現(xiàn)場設(shè)備。目前它已成為一種成熟的、商業(yè)化的工業(yè)控制產(chǎn)品，具有價格低廉、可靠性高、抗干擾能力強、無故障時間長等顯著特點，因此在控制系統(tǒng)中采用PLC作為上、下位機進行運動控制，不僅使機器人控制系統(tǒng)輕巧靈活，并能使體積大大減小、成本大大降低。系統(tǒng)采用SIMATIC的S7200系列的PLC，中7央處理單元為CPU224，具有14輸入10輸出及1個RS485通訊接口。根據(jù)實際情況的使用，上位機需要輸入擴展模塊3個（即模塊EM221，具有8位輸入）、A/D擴展模塊1個（即模塊EM231具有4路模擬量輸入）。下位機除了CPU224外，輸出擴展模塊4個（即模塊EM222，具有8位輸出），A/D擴展模個（也采用模塊EM231）?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖18所示。圖18控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)的原理如下上位機與操縱臺相連，操縱臺由一系列控制開關(guān)和電位器組成，用于接收操作者的信息，這些開關(guān)與上位機PLC和輸入擴展模塊的輸入口相連，將開關(guān)信號傳到PLC和輸入擴展模塊里，電位器將測量到的位置信號通過A/D模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并輸入到上位機。通過上位機和下位機的通訊，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C。同時上位機接收來自下位機的溫度、位置、角度等狀態(tài)信息，為了將這些數(shù)據(jù)顯示，選用性價比較高的數(shù)碼管通過與上位PLC進行相應(yīng)的連接后，就能將這些數(shù)據(jù)準確的顯示出來。機器人機體上的攝像頭將機器人工作現(xiàn)場的畫面實時傳送到控制臺的顯示器上，在顯示器上實時反映機器人的工作狀態(tài)。下位機主要進行動作控制。它一方面要接收上位機傳過來的運動指令，并和輸出擴展模塊一起通過繼電器組對直流電機驅(qū)動器進行開關(guān)控制，達到對相應(yīng)的直流電機進行運動控制的目的；另一方面，從工作現(xiàn)場采集溫度、位置、角度等模擬信號，通過A/D模塊將其模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過與上位機的通訊，將這些數(shù)據(jù)傳送到上位PLC上。PLC的串行通信接口是RS485標準接口，包括兩根差分數(shù)據(jù)線，抗干擾性好，通信距離長。與其相連接的數(shù)據(jù)信號傳輸媒介多用光纜和電纜，光纜傳輸容量大，傳輸距離長，抗電磁干擾能力強，但是安裝技術(shù)要求高，最小彎曲半徑要求嚴格，而且光纖扭絞易發(fā)生光纜斷裂，給實際應(yīng)用造成隱患，并且光纜價格相對昂貴。因此本系統(tǒng)選用電纜作為信號傳輸媒介，價格便宜，安裝方便，而且因為本系統(tǒng)工作距離小，信號傳輸距離短。經(jīng)試驗，電纜完全能滿足系8統(tǒng)所需的性能要求。72軟件系統(tǒng)的設(shè)計721控制系統(tǒng)的控制流程如圖19所示圖19控制系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)控制過程為，用戶將機器人參考輸入信號通過操縱臺輸入到上位PLC中，PLC對這些指令進行處理，轉(zhuǎn)換為控制信號，發(fā)送到下位的PLC上，下位的PLC將接收到上位的PLC的信號轉(zhuǎn)化成開關(guān)控制信號，控制安裝在機器人體上的直流電機。與此同時，下位機采集現(xiàn)場由傳感器發(fā)來的信號，并進行處理轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，傳送到上位機上，上位機接收下位機反饋的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管將這些數(shù)據(jù)顯示出來。722控制系統(tǒng)的程序流程根據(jù)移動機器人工作的要求，首先確定機器人各個電機工作的相互關(guān)系，然后畫出程序流程圖，最后由PLC的輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫梯形圖，其上、下位機的程序流程圖如圖20、21所示。圖20上位機程序流程圖圖21下位機程序流程圖總結(jié)本課題是為了改進噴漆行業(yè)傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，設(shè)計了一種自動噴漆裝置，該裝置主