自動(dòng)噴漆機(jī)器人裝置設(shè)計(jì)【C】
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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
Abstract
In order to improve the painting industry practices traditional artificial, designed an automatic spray device, the device by controlling the robot and spray system. Robot control methods using rectangular coordinates the design, the design of the body to control the robot structure, drive and control system. Automatically given control of the working methods of the robot trajectory planning. At the same time, the design of a suitable spray system, spray paint a complete machine. The device has a coating of good quality and the advantages of stable performance. Operation can not only reduce labor intensity, but also improve work efficiency and quality of construction, has a certain practical value.
Key words: Robot; Painting; PLC Control; Trajectory Planning
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(guò)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(guò)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(yǔ)…………… …………… …………………………………………… …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(wèn)題，而且工作環(huán)境惡劣 , 經(jīng)證實(shí)，噴漆過(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)2200mm，寬1060mm，高1000mm。
2.2 工藝過(guò)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(guò)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(guó)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(jiàn)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(jiǎn)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(guò)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(wú)級(jí)調(diào)速，無(wú)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(kāi)合與關(guān)閉噴槍(在噴涂范圍內(nèi)開(kāi)，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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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(guò)程及性能，可以作出比較，見(jiàn)下表：
表1 方案比較
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
方案1
控制簡(jiǎn)單，操作方便
體積大，不便使用
方案2
結(jié)構(gòu)比方案1簡(jiǎn)單
多噴頭，不便控制
方案3
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，便于控制
部分機(jī)構(gòu)工能浪費(fèi)
方案4
進(jìn)一步簡(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)化為懸臂梁，其受力來(lái)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(guò)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(jiàn)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(chǎng)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(guò)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(jiàn)：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(guò)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(guò)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(guò)俯仰電機(jī)控制Ⅰ、Ⅱ段之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，II、Ⅲ段通過(guò)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(guò)控制俯仰電機(jī)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(guó)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(chǎng)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(wú)氣噴漆機(jī)構(gòu)，其設(shè)備包括高壓泵、蓄壓器、過(guò)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(wú)氣噴漆機(jī)構(gòu)示意圖
6.1 高壓泵
無(wú)氣噴涂設(shè)備是利用壓縮空氣作動(dòng)力，通過(guò)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(jiǎn)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(guò)濾器
因?yàn)閲娮斓目缀苄?，稍有不潔就?huì)堵塞。因此，涂料的過(guò)濾尤為重要。無(wú)氣噴涂設(shè)備有兩個(gè)過(guò)濾器,一是裝在涂料吸入口的盤形過(guò)濾器，目的是除去涂料中的雜質(zhì)污物；第二個(gè)過(guò)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(zhǎng)，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(guò)濾器，就可以確保噴嘴不被堵塞。過(guò)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?、二甲苯等溶劑，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(wú)氣噴槍由槍體、涂料噴嘴、過(guò)濾器(網(wǎng))、頂針扳機(jī)和密封墊連接部件等構(gòu)成。無(wú)氣噴槍與空氣噴槍不同，它只有涂料通道，而沒(méi)有壓縮空氣通道。由于涂料通道要承受高壓，故無(wú)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(jiǎn)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(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)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(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)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(kāi)關(guān)和電位器組成，用于接收操作者的信息，這些開(kāi)關(guān)與上位機(jī)PLC 和輸入擴(kuò)展模塊的輸入口相連，將開(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)。機(jī)器人機(jī)體上的攝像頭將機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)的畫(huà)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(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)指令，并和輸出擴(kuò)展模塊一起通過(guò)繼電器組對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行開(kāi)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(chǎng)采集溫度、位置、角度等模擬信號(hào)，通過(guò)A/D模塊將其模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過(guò)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(zhǎng)。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(zhǎng)，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(guò)程為，用戶將機(jī)器人參考輸入信號(hào)通過(guò)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(kāi)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(chǎng)由傳感器發(fā)來(lái)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(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)碼管將這些數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。
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(huà)出程序流程圖，最后由PLC 的輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫(xiě)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
8 結(jié)束語(yǔ)
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(guò)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。
致謝辭
感謝我的論文導(dǎo)師，在我寫(xiě)作論文的過(guò)程中，您循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)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。感謝參入我答辯的各位老師，你們的批評(píng)能讓我能及時(shí)改正論文中的不足與錯(cuò)誤。??最后還要感謝同學(xué)們對(duì)我的幫助和指點(diǎn)，謝謝！
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