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摘 要 為了改進噴漆行業(yè)傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，設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。控制機器人采用直角坐標方法設計，設計了控制機器人的本體結構、驅動方式和控制系統(tǒng)。給出了控制機器人自動工作方式的軌跡規(guī)劃。同時設計了適合的噴漆系統(tǒng)，構成完整的噴漆機。該裝置具有噴涂質量好、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量,具有一定的實用價值。 關鍵詞：機器人；噴漆；PLC控制；軌跡規(guī)劃 目 錄 1 緒論… … … … ……………… …………… …………………… … ……………1 2 結構方案的確定……………………………………………………………………2 2.1 噴漆對象結構…………………………………………… ……………………2 2.2 工藝過程…………………………………………………………………… …2 2.3 方案分析 …………………………………… …… ……………………… …3 2.3.1 方案一…………………………………………… …………………… …3 2.3.2 方案二………………………………… ……………… …………………4 2.3.3 方案三………… … ………… ……… ………… ……………………… 5 2.3.4 方案四…………………………………… … ……………………………6 2.4 方案確定……… ……………………………… … … …… …………………6 3 結構組成……… … …… … …… … …… … ……… …… ……… …… ………7 3.1 立架導軌與拉升機構設計… …………… …………… …… …………… …7 3.1.1 立架導軌設計………………………………………… ……………… …7 3.1.2 噴槍拉升機構設計…………………………… ……… …………………8 3.1.3 線的固定………………………………… ……… ………………………8 3.2 移動底盤設計……………………… ……… … …………… …… …………8 3.2.1 驅動機構…… ……………………… …… ……… ……… …… ………8 3.2.2 轉向機構… …… …………… ……… … ………… ………… … ……10 4 軌跡規(guī)劃…………………… …………………………………………………… 12 5 防爆設計………… …… ………………… ……… … ………………… ………13 6 氣壓設備與噴槍的選定………… ………………… … …… ……… ……… …11 6.1 高壓泵…… ………… … …… … … … …… … … …… ……… ………11 6.2 蓄壓器…… ……… …… ………………… … …………… …………… …11 6.3 過濾器…… …………… …………… …… ……… ………… ……… ……11 6.4 高壓軟管… …………… ………… ………… … ………… ……… ………12 6.5 噴槍… …… …… ………… … …… … …… …… ………… …… ………12 7 控制系統(tǒng)……………… ……… …… … ……… ………… …… … … … ……13 7.1 硬件系統(tǒng)組成… ………………………………… ……… …………………13 7.2 軟件系統(tǒng)的設計……………………………………… … ………… ………16 7.2.1 控制系統(tǒng)的控制流程…… … ………… … ……………………………16 7.2.2 控制系統(tǒng)的程序流程…… …… … ………… ………… ……………16 8 結束語…………… …………… …………………………………………… …18 致謝辭 … …… … …… …… …… … ……… … ………… …………… …… …18 參考文獻 … ………………… ……………… … ……… … …………… …… …19 附錄 … … ………… …… … … … ……… … …… … … ……… … … …… …20 1 緒論 本設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 ,生產效率低，生產質量差 , 不但存在光澤、平坦性、垂流性、針孔、氣泡等質量問題，而且工作環(huán)境惡劣 , 經證實，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。嚴重威脅著操作人員的人身健康。利用機器人進行噴漆作業(yè)，可以實現生產自動化,提高工效和施工質量，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計。 主要進行三部分內容設計：第一，機器人的機械結構的設計；第二，基于plc的控制系統(tǒng)設計；第三，噴槍平面作業(yè)的軌跡規(guī)劃。 2 結構方案的確定 2.1 噴漆對象結構： 名稱：礦用高壓軟起動控制器隔爆外殼體 外形構造：如圖1所示 圖1 殼體外觀 結構尺寸：長2200mm，寬1060mm，高1000mm。 2.2 工藝過程 先噴頂面，再依次噴涂正面，右側面，背面與左側面。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 2.3 方案分析 在目前國內外的噴漆機器人中，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。 2.3.1 方案一 框架式機構： 如圖所示，本方案采用框架式機構，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，這種機構設計思路簡單，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 框架式機構外觀 2.3.2 方案二 門式機構： 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，如圖1所示 ,自動噴漆機機械系統(tǒng)由主車行走機構、噴槍往復機(分頂部、左、右側三部分)兩部分組成。 圖 4 門式機構系統(tǒng)外形圖 主車行走機構，防爆電機通過減速箱直接驅動龍門架，行走時4輪可完全接觸在軌道上，運行平穩(wěn)，無級調速，無抖動、跳動現象。 噴槍往復機構，此機構噴槍分別固定于頂部、左、右兩側復機構上，始終保持在最佳噴涂距離，并由電控系統(tǒng)確定噴涂點的設定，在高速往返行程中開合與關閉噴槍(在噴涂范圍內開，超出噴涂范圍關)。 2.3.3 方案三 旋轉橫桿式機構： 采用如圖示旋轉橫桿，噴槍機構在橫桿上做水平x向及z向運動，橫桿通過旋轉機構在豎架上旋轉，同時移動底盤整體運動。本方案結構簡便，控制方便，但是旋轉機構的轉向控制比較復雜。 圖5 旋轉橫桿式機構外觀 2.3.4 方案四 立架式結構： 該方案較方案(三)作了較大改進，也更具有可行性。噴槍機構在橫桿上作水平y(tǒng)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，將噴槍機構拉到立桿上，噴槍機構在立桿上作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面。本方案結構簡便，能較好的完成噴涂任務。 圖6 立架式結構 2.4 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 結構比方案1簡單 多噴頭，不便控制 方案3 結構簡練，便于控制 部分機構工能浪費 方案4 進一步簡化結構 由上表分析，最終確定采用方案4。 3 機構組成 立架式機構中包括：立架導軌，噴槍拉升機構，線管固定機構，移動底盤的驅動機構與轉向機構。 3.1 立架導軌及拉升機構 3.1.1 立架導軌設計 （1）機構設計 因工件是立方體，噴漆過程是先噴上表面，再依次噴涂四個側面，因此將導軌設計成F型架的機構，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，二是噴槍機構的重力。 1）橫桿受力分析： 故： 其中：F——噴槍機構的自重（N） q——橫桿及繩索的重力分布（N/m） 2）豎桿受力分析： 故： 其中：F——噴槍機構的自重（N） q——橫桿及繩索的重力分布（N/m） 3.1.2 噴槍拉升機構 為保證為了保證噴槍按設計要求在導軌上運動與升降，選取如圖提升機構。在提升機構中應設計專用減速箱，此套傳動機構在啟動與停止最短周期內的行程能夠滿足噴槍軌跡的需要。 其詳細結構如圖7所示。 圖7 提升機構 3.1.3 線的固定 控制線在導軌上的固定，采用窗簾式滑動機構，以使噴槍機構在運動過程不被卡死或者將控制線拉斷。 圖8 窗簾式滑動機構外觀 3.2 移動底盤設計 3.2.1驅動機構 由于液壓元器件的防爆較易于實現，因此在機器人本體設計時，可采用液壓驅動。 圖9 驅動機構 在行走機構中，為了防止前仰和后傾、左右偏移以及調整方便,為防止機構底面在轉彎時被卡住，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： 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 L = 400, r = 40, h = 60時, Rmin > 210,實際上 R = 250,顯然滿足要求。 圖10 曲率半徑的確定 3.2.2 移動底盤的轉向機構 受現場條件的限制，應盡量減小機器人的轉彎半徑，以至于實現零半徑轉向。本課題中，借鑒了以下兩種形式的轉向機構。 （1）菱形轉向機構 菱形轉向機構（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計方式一樣，采用主動輪差速控制技術，即通過左右主動輪不同的轉速和轉向完成轉向動作，它是在諸多底盤設計方案中轉彎半徑最小的方式.因為采用差速控制的轉彎方式，轉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，所以轉彎半徑小。 圖11 菱形轉向機構 但是這種移動機構的缺點也顯而易見：在不平坦的路面環(huán)境中，前后承重被動輪如果和主動驅動輪的懸掛同高，很容易導致主動輪的掛起，或導致單邊主動輪的壓力下降，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生很大的前后振動，往往就達不到設計要求，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能力較差，在粗糙的地面容易傾翻。 為此，根據菱形擺放雙輪差速驅動移動機構的特點，在利用其原有優(yōu)點的基礎上，提出了一種三段菱形結構（圖12），以提高其對地的適應性和越障能力。 （2）三段菱形機構 移動機構的主體部分分為3段，通過俯仰電機控制Ⅰ、Ⅱ段之間的轉動，II、Ⅲ段通過可以靈活轉動的鉸鏈連接，輪1，輪2為各自帶獨立控制電機的驅動輪，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整I、Ⅱ段之間的角度，避免出現主動輪懸空或車體碰到障礙物的情況。 圖12 三段菱形機構 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，機器人根據事先示教過程中選取的若干特征點，實現對運動軌跡的自動再現。由于本機器人工作環(huán)境的特點，在作業(yè)過程中主要是平面施工作業(yè)。結合機器人自身結構設計的特點，可實現對這種作業(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 由于機器的結構設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，然后根據除銹或噴漆工藝要求所決定的水平坐標導軌移動的步距，規(guī)劃器計算出水平坐標導軌每一步運動的輸出控制增量，從而使該導軌在平行于工作面的垂直坐標導軌上作固定步長的運動，并結合噴槍移動機構的往返運動，即可自動實現連續(xù)的矩形作業(yè)面。 5 防爆設計 噴漆機器人用于在封閉的噴漆間內噴涂工件內外表面,由于噴漆間內的漆霧是易燃易爆的，根據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生火花或溫度過高，就會引燃噴漆間內的易嫌物質，引起噴漆間內的大火，甚引起爆炸，造成不必要的人員傷亡和巨大的經濟損失。所以，防爆系統(tǒng)的設計是設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動的。運轉時，可能會產生火花，電纜線與電器接線盒的接口等處也可能會產生火花。根據NFPA496標準，機器人的電機、電器接線盒、電纜線等都應封閉在密封的殼體內，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。按此方法設計的結構稱為通風式正壓防爆結構。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標準設計的通風式正壓防爆系統(tǒng)。 6 氣壓設備與噴槍的選定 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量，會產生針孔、縮孔等涂膜弊病，故本方案采用高壓無氣噴漆機構，其設備包括高壓泵、蓄壓器、過濾器、高壓軟管以及噴槍等。其結構示意圖如圖16 所示。 圖16 無氣噴漆機構示意圖 6.1 高壓泵 無氣噴涂設備是利用壓縮空氣作動力，通過高壓泵驅動活塞作往復運動。泵的上部為空氣缸，內有壓縮空氣換向機構，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(30 ~ 65)∶1，即當進入泵氣缸內的壓縮空氣壓力為1個大氣壓，涂料壓力就達到30 ~ 65個大氣壓（理論值）。 6.2 蓄壓器 蓄壓器主要是起涂料液壓穩(wěn)定作用。因柱塞往復泵在上下兩個死點時速度等于零，所以易產生壓力波動。增設了蓄壓器，可減少涂料在噴涂時的壓力波動，提高噴涂質量。蓄壓器結構比較簡單，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。 6.3 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的漆料。因為這些剩漆殘存時間稍長，就會起皮結塊，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。過濾器的鉬絲須經常清洗，以確保良好的噴漆效果。 6.4 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)應選擇與涂料源相當的工作壓力的耐高壓軟管，否則會不安全；(2)因為涂料中含有甲苯、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。 6.5 噴槍 無氣噴槍由槍體、涂料噴嘴、過濾器(網)、頂針扳機和密封墊連接部件等構成。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動要靈活、操作要方便。 圖17 噴射角與距離 7 控制系統(tǒng) 7.1 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、復雜，又要受其工作空間范圍的限制，因此在設計控制系統(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、計算機技術和通訊技術相結合的產物，是一種專門用于過程控制的現場設備。目前它已成為一種成熟的、商業(yè)化的工業(yè)控制產品，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S7-200系列的PLC，中央處理單元為CPU224，具有14輸入10輸出及1個 RS-485通訊接口。根據實際情況的使用，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)結構如圖18所示。 圖18 控制系統(tǒng)結構圖 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和電位器組成，用于接收操作者的信息，這些開關與上位機PLC 和輸入擴展模塊的輸入口相連，將開關信號傳到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模塊將模擬量轉化為數字量，并輸入到上位機。通過上位機和下位機的通訊，將這些數據傳輸到下位機。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，為了將這些數據顯示，選用性價比較高的數碼管通過與上位PLC 進行相應的連接后，就能將這些數據準確的顯示出來。機器人機體上的攝像頭將機器人工作現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動器進行開關控制，達到對相應的直流電機進行運動控制的目的；另一方面，從工作現場采集溫度、位置、角度等模擬信號，通過A/D模塊將其模擬量轉換為數字量。通過與上位機的通訊，將這些數據傳送到上位PLC 上。 PLC 的串行通信接口是RS485標準接口，包括兩根差分數據線，抗干擾性好，通信距離長。與其相連接的數據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。經試驗，電纜完全能滿足系統(tǒng)所需的性能要求。 7. 2 軟件系統(tǒng)的設計 7.2.1 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 的信號轉化成開關控制信號，控制安裝在機器人體上的直流電機。與此同時，下位機采集現場由傳感器發(fā)來的信號，并進行處理轉換成數據，傳送到上位機上，上位機接收下位機反饋的現場數據，通過數碼管將這些數據顯示出來。 7.2.2 控制系統(tǒng)的程序流程 根據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系，然后畫出程序流程圖，最后由PLC 的輸入輸出的邏輯關系編寫梯形圖，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 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。其中控制機器人采用直角坐標方法設計，通過控制噴槍機構與移動底盤在笛卡爾直角坐標中的坐標與其運動軌跡，以達到設定的工作效果。設計了控制機器人的本體結構，包括立架導軌、噴槍拉升機構以及移動底盤的驅動與轉向系統(tǒng)，設計了控制系統(tǒng)的整體框圖，并給出了控制機器人自動工作方式的軌跡規(guī)劃。同時選取了適合的噴漆設備，從而構成完整的隔爆器外殼體的自動噴漆機設計。該自動噴漆機具有噴涂質量好、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點。不僅可以實現生產自動化, 減輕操作工人的勞動強度,改善工作環(huán)境，同時以機械噴涂取代人工噴涂，消除了噴涂作業(yè)中人為因素對產品質量的影響,提高工作效率和施工質量,具有一定的實用價值。為提高其性價比，應繼續(xù)進行完善和優(yōu)化，使之性能更加穩(wěn)定可靠，最終將其產品化。 致謝 感謝我的論文導師吳尉尉，在我寫作論文的過程中，您循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，讓我能在論文的創(chuàng)作中更富有新意；同時您嚴謹細致、一絲不茍的作風將是我以后工作與學習中的榜樣。最后還要感謝同學們對我的幫助和指點，謝謝！ 參考文獻 [1] 《電氣與PLC綜合控制技術》朱文勝，趙斯軍.蘇州大學出版社，2008 [2] 《可編程控制器原理及應用》路林吉，王堅．清華大學出版社，2002 [3] 《PLC基礎及應用》廖常初．機械工業(yè)出版社，2003 [4] 《PLC的發(fā)展》寨希林，曲非非．微計算機信息，2002 [5] 《PLC編程及應用》廖常初．機械工業(yè)出版社，2002 [6] 《PLC的選型問題》王兆義．上海電器技術，1997 [7] 《機電一體化系統(tǒng)設計》張建民．北京理工大學出版社，1996 [8] 《小型可編程控制器實用技術》王兆義．機械工業(yè)出版社，2003 [9] 《可編程控制器網絡通信及應用》邱公偉．清華大學出版社，2001 [10] 《 可編程序控制器原理及應用教程》李樹雄．北京航空航天大學出版2003 - 19 -