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摘 要 為了改進(jìn)噴漆行業(yè)傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)噴漆裝置，該裝置主要由控制機(jī)器人和噴涂系統(tǒng)組成?？刂茩C(jī)器人采用直角坐標(biāo)方法設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了控制機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)。給出了控制機(jī)器人自動(dòng)工作方式的軌跡規(guī)劃。同時(shí)設(shè)計(jì)了適合的噴漆系統(tǒng)，構(gòu)成完整的噴漆機(jī)。該裝置具有噴涂質(zhì)量好、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。不僅可以減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,還可提高工作效率和施工質(zhì)量,具有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；噴漆；PLC控制；軌跡規(guī)劃 目 錄 1 緒論… … … … ……………… …………… …………………… … ……………1 2 結(jié)構(gòu)方案的確定……………………………………………………………………2 2.1 噴漆對(duì)象結(jié)構(gòu)…………………………………………… ……………………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(jié)構(gòu)組成……… … …… … …… … …… … ……… …… ……… …… ………7 3.1 立架導(dǎo)軌與拉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)… …………… …………… …… …………… …7 3.1.1 立架導(dǎo)軌設(shè)計(jì)………………………………………… ……………… …7 3.1.2 噴槍拉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………… ……… …………………8 3.1.3 線的固定………………………………… ……… ………………………8 3.2 移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)……………………… ……… … …………… …… …………8 3.2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)…… ……………………… …… ……… ……… …… ………8 3.2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)… …… …………… ……… … ………… ………… … ……10 4 軌跡規(guī)劃…………………… …………………………………………………… 12 5 防爆設(shè)計(jì)………… …… ………………… ……… … ………………… ………13 6 氣壓設(shè)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(shè)計(jì)……………………………………… … ………… ………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(jié)束語…………… …………… …………………………………………… …18 致謝辭 … …… … …… …… …… … ……… … ………… …………… …… …18 參考文獻(xiàn) … ………………… ……………… … ……… … …………… …… …19 附錄 … … ………… …… … … … ……… … …… … … ……… … … …… …20 1 緒論 本設(shè)計(jì)針對(duì)礦用高壓軟起動(dòng)控制器隔爆外殼體的噴漆作業(yè)，因?yàn)閭鹘y(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(shí)，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(yán)重威脅著操作人員的人身健康。利用機(jī)器人進(jìn)行噴漆作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)噴漆機(jī)的設(shè)計(jì)。 主要進(jìn)行三部分內(nèi)容設(shè)計(jì)：第一，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；第二，基于plc的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；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 2.1 噴漆對(duì)象結(jié)構(gòu)： 名稱：礦用高壓軟起動(dòng)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。 2.2 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(gè)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(nèi)外的噴漆機(jī)器人中，爬壁機(jī)器人是較先進(jìn)的一種，但本工件的尺寸較小，不適合采用爬壁機(jī)器人。本設(shè)計(jì)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(diǎn)，下面進(jìn)行分析比較。 2.3.1 方案一 框架式機(jī)構(gòu)： 如圖所示，本方案采用框架式機(jī)構(gòu)，噴槍在盤架上做x向與z向水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)盤架在堅(jiān)桿上作y向上下運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路簡單，控制方便，但是占地面積大，耗材非常多，移動(dòng)不便利，不便使用。 圖3 框架式機(jī)構(gòu)外觀 2.3.2 方案二 門式機(jī)構(gòu)： 該方案較方案(一)作了較大改進(jìn)，也更具有可行性。本方案采用門式機(jī)構(gòu)，如圖1所示 ,自動(dòng)噴漆機(jī)機(jī)械系統(tǒng)由主車行走機(jī)構(gòu)、噴槍往復(fù)機(jī)(分頂部、左、右側(cè)三部分)兩部分組成。 圖 4 門式機(jī)構(gòu)系統(tǒng)外形圖 主車行走機(jī)構(gòu)，防爆電機(jī)通過減速箱直接驅(qū)動(dòng)龍門架，行走時(shí)4輪可完全接觸在軌道上，運(yùn)行平穩(wěn)，無級(jí)調(diào)速，無抖動(dòng)、跳動(dòng)現(xiàn)象。 噴槍往復(fù)機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)噴槍分別固定于頂部、左、右兩側(cè)復(fù)機(jī)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(diǎn)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))。 2.3.3 方案三 旋轉(zhuǎn)橫桿式機(jī)構(gòu)： 采用如圖示旋轉(zhuǎn)橫桿，噴槍機(jī)構(gòu)在橫桿上做水平x向及z向運(yùn)動(dòng)，橫桿通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在豎架上旋轉(zhuǎn)，同時(shí)移動(dòng)底盤整體運(yùn)動(dòng)。本方案結(jié)構(gòu)簡便，控制方便，但是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向控制比較復(fù)雜。 圖5 旋轉(zhuǎn)橫桿式機(jī)構(gòu)外觀 2.3.4 方案四 立架式結(jié)構(gòu)： 該方案較方案(三)作了較大改進(jìn)，也更具有可行性。噴槍機(jī)構(gòu)在橫桿上作水平y(tǒng)向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)底盤作水平x向運(yùn)動(dòng)，完成上表面的噴漆作業(yè)，上表面完成后，通過繩索的拉動(dòng)，將噴槍機(jī)構(gòu)拉到立桿上，噴槍機(jī)構(gòu)在立桿上作z向的上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)底盤作水平x向的運(yùn)動(dòng)，以噴涂工件的四個(gè)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) 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(diǎn) 缺點(diǎn) 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(jī)構(gòu)工能浪費(fèi) 方案4 進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu) 由上表分析，最終確定采用方案4。 3 機(jī)構(gòu)組成 立架式機(jī)構(gòu)中包括：立架導(dǎo)軌，噴槍拉升機(jī)構(gòu)，線管固定機(jī)構(gòu)，移動(dòng)底盤的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 3.1 立架導(dǎo)軌及拉升機(jī)構(gòu) 3.1.1 立架導(dǎo)軌設(shè)計(jì) （1）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 因工件是立方體，噴漆過程是先噴上表面，再依次噴涂四個(gè)側(cè)面，因此將導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成F型架的機(jī)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(gè)，一是均布的自重與繩重，二是噴槍機(jī)構(gòu)的重力。 1）橫桿受力分析： 故： 其中：F——噴槍機(jī)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： 故： 其中：F——噴槍機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu) 為保證為了保證噴槍按設(shè)計(jì)要求在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)與升降，選取如圖提升機(jī)構(gòu)。在提升機(jī)構(gòu)中應(yīng)設(shè)計(jì)專用減速箱，此套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)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(xì)結(jié)構(gòu)如圖7所示。 圖7 提升機(jī)構(gòu) 3.1.3 線的固定 控制線在導(dǎo)軌上的固定，采用窗簾式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，以使噴槍機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程不被卡死或者將控制線拉斷。 圖8 窗簾式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)外觀 3.2 移動(dòng)底盤設(shè)計(jì) 3.2.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 由于液壓元器件的防爆較易于實(shí)現(xiàn)，因此在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)，可采用液壓驅(qū)動(dòng)。 圖9 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 在行走機(jī)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(jī)構(gòu)底面在轉(zhuǎn)彎時(shí)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(yàn)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(shí)最小軌道曲率半徑。 當(dāng) L = 400, r = 40, h = 60時(shí), Rmin > 210,實(shí)際上 R = 250,顯然滿足要求。 圖10 曲率半徑的確定 3.2.2 移動(dòng)底盤的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 受現(xiàn)場條件的限制，應(yīng)盡量減小機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑，以至于實(shí)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(jī)構(gòu)。 （1）菱形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 菱形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（圖11）是指采用四輪著地，主動(dòng)輪的同軸線和從動(dòng)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(jì)方式一樣，采用主動(dòng)輪差速控制技術(shù)，即通過左右主動(dòng)輪不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作，它是在諸多底盤設(shè)計(jì)方案中轉(zhuǎn)彎半徑最小的方式.因?yàn)椴捎貌钏倏刂频霓D(zhuǎn)彎方式，轉(zhuǎn)彎圓心在主動(dòng)輪的同軸中心上，而且能夠使得底盤的幾何中心和主動(dòng)輪的同軸中心吻合，所以轉(zhuǎn)彎半徑小。 圖11 菱形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 但是這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)也顯而易見：在不平坦的路面環(huán)境中，前后承重被動(dòng)輪如果和主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的懸掛同高，很容易導(dǎo)致主動(dòng)輪的掛起，或?qū)е聠芜呏鲃?dòng)輪的壓力下降，同時(shí)摩擦力下降；從動(dòng)輪的懸掛過高，則這種前后從動(dòng)輪交替著地必然產(chǎn)生很大的前后振動(dòng)，往往就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，如果懸掛過低，則就會(huì)掛空主動(dòng)輪。所以這種方式對(duì)地面要求比較嚴(yán)格，穩(wěn)定性較差，而且對(duì)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(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在利用其原有優(yōu)點(diǎn)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(duì)地的適應(yīng)性和越障能力。 （2）三段菱形機(jī)構(gòu) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體部分分為3段，通過俯仰電機(jī)控制Ⅰ、Ⅱ段之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，II、Ⅲ段通過可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈連接，輪1，輪2為各自帶獨(dú)立控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪，上下對(duì)稱分布2個(gè)從動(dòng)輪.。在翻越障礙的時(shí)候，可以通過控制俯仰電機(jī)來調(diào)整I、Ⅱ段之間的角度，避免出現(xiàn)主動(dòng)輪懸空或車體碰到障礙物的情況。 圖12 三段菱形機(jī)構(gòu) 4 軌跡規(guī)劃 機(jī)器人在主從遙控控制方式下工作時(shí)，由工作人員通過操作器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的主從遙控操作，各自由度的動(dòng)作完全由工作人員的實(shí)時(shí)操作決定。在自動(dòng)軌跡規(guī)劃控制工作方式時(shí)，機(jī)器人根據(jù)事先示教過程中選取的若干特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)再現(xiàn)。由于本機(jī)器人工作環(huán)境的特點(diǎn)，在作業(yè)過程中主要是平面施工作業(yè)。結(jié)合機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)這種作業(yè)方式的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用直角坐標(biāo)的方案，因此對(duì)于機(jī)器人處于平面 (垂直面斜面和平頂面 )施工作業(yè)時(shí)的軌跡規(guī)劃變得相對(duì)簡單。首先，可將機(jī)器人移至合適位置，使垂直坐標(biāo)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(biāo)導(dǎo)軌移動(dòng)的步距，規(guī)劃器計(jì)算出水平坐標(biāo)導(dǎo)軌每一步運(yùn)動(dòng)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(biāo)導(dǎo)軌上作固定步長的運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合噴槍移動(dòng)機(jī)構(gòu)的往返運(yùn)動(dòng)，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的矩形作業(yè)面。 5 防爆設(shè)計(jì) 噴漆機(jī)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(jí)來看，噴漆間屬1級(jí)1組或1級(jí)2組區(qū)城，如果機(jī)器人的某個(gè)部件產(chǎn)生火花或溫度過高，就會(huì)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(jì)損失。所以，防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)電動(dòng)噴漆機(jī)器人很重要的一部分，絕對(duì)不可掉以輕心。 電動(dòng)噴漆機(jī)器人是由AC或DC二伺服電機(jī)與液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生火花，電纜線與電器接線盒的接口等處也可能會(huì)產(chǎn)生火花。根據(jù)NFPA496標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人的電機(jī)、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(xiǎn)的漆霧隔離。同時(shí)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(hù)氣體,以防止外界易燃?xì)怏w的進(jìn)入機(jī)器人。按此方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)稱為通風(fēng)式正壓防爆結(jié)構(gòu)。目前國際上最先進(jìn)的ABB電動(dòng)噴漆機(jī)器人，GMF一funac電動(dòng)噴漆機(jī)器人和涂王電動(dòng)噴漆機(jī)器人的防爆系統(tǒng)均是按照NPFA496標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的通風(fēng)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(dòng)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(biāo)，則直接影響油膜的質(zhì)量，會(huì)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(jī)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(jī)構(gòu)示意圖 6.1 高壓泵 無氣噴涂設(shè)備是利用壓縮空氣作動(dòng)力，通過高壓泵驅(qū)動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。泵的上部為空氣缸，內(nèi)有壓縮空氣換向機(jī)構(gòu)，使氣缸上下交替進(jìn)入壓縮空氣，活塞上、下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)高壓部分上、下運(yùn)動(dòng)，使涂料吸入并排出一定壓力的涂料。氣動(dòng)型噴涂機(jī)一般標(biāo)有壓力比，比值一般為(30 ~ 65)∶1，即當(dāng)進(jìn)入泵氣缸內(nèi)的壓縮空氣壓力為1個(gè)大氣壓，涂料壓力就達(dá)到30 ~ 65個(gè)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(fù)泵在上下兩個(gè)死點(diǎn)時(shí)速度等于零，所以易產(chǎn)生壓力波動(dòng)。增設(shè)了蓄壓器，可減少涂料在噴涂時(shí)的壓力波動(dòng)，提高噴涂質(zhì)量。蓄壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，上、下有兩個(gè)封頭，涂料從底部進(jìn)入，在進(jìn)口處有一滾珠單向閥。 6.3 過濾器 因?yàn)閲娮斓目缀苄?，稍有不潔就?huì)堵塞。因此，涂料的過濾尤為重要。無氣噴涂設(shè)備有兩個(gè)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(gè)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?yàn)檫@些剩漆殘存時(shí)間稍長，就會(huì)起皮結(jié)塊，形成堵塞噴嘴的雜物。實(shí)踐證明，若在噴槍的進(jìn)漆處再裝一個(gè)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。 6.4 高壓軟管 蓄壓器和噴槍之間用高壓軟管聯(lián)接。對(duì)高壓軟管的要求是：(1)應(yīng)選擇與涂料源相當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫Φ哪透邏很浌?，否則會(huì)不安全；(2)因?yàn)橥苛现泻屑妆健⒍妆降热軇?，故要選擇耐油、耐強(qiáng)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(wǎng))、頂針扳機(jī)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(shí)，槍體要輕巧，扳機(jī)啟閉靈敏，與高壓軟管連接處其轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)主要具有操作直觀、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等性能，因此很多控制系統(tǒng)中都采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。但噴漆機(jī)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(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，要求體積小、操作簡便、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)。可編程邏輯控制器PLC 是自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jià)格低廉、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、無故障時(shí)間長等顯著特點(diǎn)，因此在控制系統(tǒng)中采用PLC 作為上、下位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，不僅使機(jī)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(gè) RS-485通訊接口。根據(jù)實(shí)際情況的使用，上位機(jī)需要輸入擴(kuò)展模塊3個(gè)（即模塊EM221，具有 8 位輸 入）、A/D 擴(kuò)展模塊1個(gè)（即模塊EM231具有4路模擬量輸入）。下位機(jī)除了CPU224外，輸出擴(kuò)展模塊4個(gè)（即模塊EM222，具有8位輸出），A/D擴(kuò)展模個(gè)（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(jī)與操縱臺(tái)相連，操縱臺(tái)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(jī)PLC 和輸入擴(kuò)展模塊的輸入口相連，將開關(guān)信號(hào)傳到PLC 和輸入擴(kuò)展模塊里，電位器將測(cè)量到的位置信號(hào)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(jī)。通過上位機(jī)和下位機(jī)的通訊，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)。同時(shí)上位機(jī)接收來自下位機(jī)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(jià)比較高的數(shù)碼管通過與上位PLC 進(jìn)行相應(yīng)的連接后，就能將這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯示出來。機(jī)器人機(jī)體上的攝像頭將機(jī)器人工作現(xiàn)場的畫面實(shí)時(shí)傳送到控制臺(tái)的顯示器上，在顯示器上實(shí)時(shí)反映機(jī)器人的工作狀態(tài)。 下位機(jī)主要進(jìn)行動(dòng)作控制。它一方面要接收上位機(jī)傳過來的運(yùn)動(dòng)指令，并和輸出擴(kuò)展模塊一起通過繼電器組對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行開關(guān)控制，達(dá)到對(duì)相應(yīng)的直流電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(hào)，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)接口，包括兩根差分?jǐn)?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(hào)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(qiáng)，但是安裝技術(shù)要求高，最小彎曲半徑要求嚴(yán)格，而且光纖扭絞易發(fā)生光纜斷裂，給實(shí)際應(yīng)用造成隱患，并且光纜價(jià)格相對(duì)昂貴。因此本系統(tǒng)選用電纜作為信號(hào)傳輸媒介，價(jià)格便宜，安裝方便，而且因?yàn)楸鞠到y(tǒng)工作距離小，信號(hào)傳輸距離短。經(jīng)試驗(yàn)，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(shè)計(jì) 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(jī)器人參考輸入信號(hào)通過操縱臺(tái)輸入到上位PLC中，PLC對(duì)這些指令進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，發(fā)送到下位的PLC上，下位的 PLC 將接收到上位的 PLC 的信號(hào)轉(zhuǎn)化成開關(guān)控制信號(hào)，控制安裝在機(jī)器人體上的直流電機(jī)。與此同時(shí)，下位機(jī)采集現(xiàn)場由傳感器發(fā)來的信號(hào)，并進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，傳送到上位機(jī)上，上位機(jī)接收下位機(jī)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。 7.2.2 控制系統(tǒng)的程序流程 根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人工作的要求，首先確定機(jī)器人各個(gè)電機(jī)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(jī)的程序流程圖如圖20、21所示。 圖20 上位機(jī)程序流程圖 圖21 下位機(jī)程序流程圖 總 結(jié) 本課題是為了改進(jìn)噴漆行業(yè)傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)噴漆裝置，該裝置主要由控制機(jī)器人和噴涂系統(tǒng)組成。其中控制機(jī)器人采用直角坐標(biāo)方法設(shè)計(jì)，通過控制噴槍機(jī)構(gòu)與移動(dòng)底盤在笛卡爾直角坐標(biāo)中的坐標(biāo)與其運(yùn)動(dòng)軌跡，以達(dá)到設(shè)定的工作效果。設(shè)計(jì)了控制機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，包括立架導(dǎo)軌、噴槍拉升機(jī)構(gòu)以及移動(dòng)底盤的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的整體框圖，并給出了控制機(jī)器人自動(dòng)工作方式的軌跡規(guī)劃。同時(shí)選取了適合的噴漆設(shè)備，從而構(gòu)成完整的隔爆器外殼體的自動(dòng)噴漆機(jī)設(shè)計(jì)。該自動(dòng)噴漆機(jī)具有噴涂質(zhì)量好、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化, 減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善工作環(huán)境，同時(shí)以機(jī)械噴涂取代人工噴涂，消除了噴涂作業(yè)中人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響,提高工作效率和施工質(zhì)量,具有一定的實(shí)用價(jià)值。為提高其性價(jià)比，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行完善和優(yōu)化，使之性能更加穩(wěn)定可靠，最終將其產(chǎn)品化。 致謝 感謝我的論文導(dǎo)師吳尉尉，在我寫作論文的過程中，您循循善誘的教導(dǎo)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(shí)您嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)將是我以后工作與學(xué)習(xí)中的榜樣。最后還要感謝同學(xué)們對(duì)我的幫助和指點(diǎn)，謝謝！ 參考文獻(xiàn) [1] 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