喷涂机器人设计

1 绪论本设计针对矿用高压软起动控制器隔爆外壳体的喷漆作业，因为传统的喷漆作业采用人工操作方式 ,生产效率低，生产质量差 , 不但存在光泽、平坦性、垂流性、针孔、气泡等质量问题，而且工作环境恶劣 , 经证实，喷漆过程中使用的粘合剂和涂料尤其有害，这些材料中通常含有溶剂和异氰酸盐苯、甲苯、二甲苯（简称“ 三苯”），它们都和皮炎及职业性哮喘有关。严重威胁着操作人员的人身健康。利用机器人进行喷漆作业，可以实现生产自动化,提高工效和施工质量，更主要的是可以减轻操作工人的劳动强度,改善工作环境,降低环境污染,保证操作工人的身心健康。为此提出自动喷漆机的设计。主要进行三部分内容设计：第一，机器人的机械结构的设计；第二，基于plc的控制系统设计；第三，喷枪平面作业的轨迹规划。2 结构方案的确定2.1 喷漆对象结构：名称：矿用高压软起动控制器隔爆外壳体外形构造：如图1所示图1 壳体外观结构尺寸：长2200mm，宽1060mm，高1000mm。2.2 工艺过程先喷顶面，再依次喷涂正面，右侧面，背面与左侧面。在每个工作面上的喷面漆过程为折返扫描式喷射，如图所示。图2 喷射轨迹2.3 方案分析在目前国内外的喷漆机器人中，爬壁机器人是较先进的一种，但本工件的尺寸较小，不适合采用爬壁机器人。本设计提出以下四种方案 (见图3、图4、图5、图6)。它们各有优缺点，下面进行分析比较。2.3.1 方案一框架式机构：如图所示，本方案采用框架式机构，喷枪在盘架上做x向与z向水平运动，同时盘架在坚杆上作y向上下运动，这种机构设计思路简单，控制方便，但是占地面积大，耗材非常多，移动不便利，不便使用。图3 框架式机构外观2.3.2 方案二门式机构：该方案较方案(一)作了较大改进，也更具有可行性。本方案采用门式机构，如图1所示 ,自动喷漆机机械系统由主车行走机构、喷枪往复机(分顶部、左、右侧三部分)两部分组成。图 4 门式机构系统外形图主车行走机构，防爆电机通过减速箱直接驱动龙门架，行走时4轮可完全接触在轨道上，运行平稳，无级调速，无抖动、跳动现象。喷枪往复机构，此机构喷枪分别固定于顶部、左、右两侧复机构上，始终保持在最佳喷涂距离，并由电控系统确定喷涂点的设定，在高速往返行程中开合与关闭喷枪(在喷涂范围内开，超出喷涂范围关)。2.3.3 方案三旋转横杆式机构：采用如图示旋转横杆，喷枪机构在横杆上做水平x向及z向运动，横杆通过旋转机构在竖架上旋转，同时移动底盘整体运动。本方案结构简便，控制方便，但是旋转机构的转向控制比较复杂。图5 旋转横杆式机构外观2.3.4 方案四立架式结构： 该方案较方案(三)作了较大改进，也更具有可行性。喷枪机构在横杆上作水平y向运动，同时移动底盘作水平x向运动，完成上表面的喷漆作业，上表面完成后，通过绳索的拉动，将喷枪机构拉到立杆上，喷枪机构在立杆上作z向的上下运动，同时移动底盘作水平x向的运动，以喷涂工件的四个侧面。本方案结构简便，能较好的完成喷涂任务。图6 立架式结构2.4 方案确定由上面四种方案的工作过程及性能，可以作出比较，见下表：表1 方案比较优点缺点方案1控制简单，操作方便体积大，不便使用方案2结构比方案1简单多喷头，不便控制方案3结构简练，便于控制部分机构工能浪费方案4进一步简化结构由上表分析，最终确定采用方案4。3 机构组成立架式机构中包括：立架导轨，喷枪拉升机构，线管固定机构，移动底盘的驱动机构与转向机构。3.1 立架导轨及拉升机构3.1.1 立架导轨设计（1）机构设计因工件是立方体，喷漆过程是先喷上表面，再依次喷涂四个侧面，因此将导轨设计成F型架的机构，如图6所示。（2）杆件受力分析：横杆可简化为悬臂梁，其受力来源有2个，一是均布的自重与绳重，二是喷枪机构的重力。1）横杆受力分析： 故： 其中：F喷枪机构的自重（N） q横杆及绳索的重力分布（N/m）2）竖杆受力分析： 故： 其中：F喷枪机构的自重（N） q横杆及绳索的重力分布（N/m）3.1.2 喷枪拉升机构为保证为了保证喷枪按设计要求在导轨上运动与升降，选取如图提升机构。在提升机构中应设计专用减速箱，此套传动机构在启动与停止最短周期内的行程能够满足喷枪轨迹的需要。其详细结构如图7所示。图7 提升机构3.1.3 线的固定控制线在导轨上的固定，采用窗帘式滑动机构，以使喷枪机构在运动过程不被卡死或者将控制线拉断。图8 窗帘式滑动机构外观3.2 移动底盘设计3.2.1驱动机构由于液压元器件的防爆较易于实现，因此在机器人本体设计时，可采用液压驱动。图9 驱动机构在行走机构中，为了防止前仰和后倾、左右偏移以及调整方便,为防止机构底面在转弯时被卡住，由前后轮距及轮心到底面的距离(见图10)所确定的轨道最小曲率半径可作如下验算：其中：L前后轮距；h轮轴心距车底面的距离；r车轮的半径；R由 L、h和 r确定的不干涉时最小轨道曲率半径。当 L = 400, r = 40, h = 60时, Rmin 210,实际上 R = 250,显然满足要求。图10 曲率半径的确定3.2.2 移动底盘的转向机构受现场条件的限制，应尽量减小机器人的转弯半径，以至于实现零半径转向。本课题中，借鉴了以下两种形式的转向机构。（1）菱形转向机构 菱形转向机构（图11）是指采用四轮着地，主动轮的同轴线和从动轮同轴线成90或近90交叉的摆放方式。这种方式和很多底盘设计方式一样，采用主动轮差速控制技术，即通过左右主动轮不同的转速和转向完成转向动作，它是在诸多底盘设计方案中转弯半径最小的方式.因为采用差速控制的转弯方式，转弯圆心在主动轮的同轴中心上，而且能够使得底盘的几何中心和主动轮的同轴中心吻合，所以转弯半径小。图11 菱形转向机构但是这种移动机构的缺点也显而易见：在不平坦的路面环境中，前后承重被动轮如果和主动驱动轮的悬挂同高，很容易导致主动轮的挂起，或导致单边主动轮的压力下降，同时摩擦力下降；从动轮的悬挂过高，则这种前后从动轮交替着地必然产生很大的前后振动，往往就达不到设计要求，如果悬挂过低，则就会挂空主动轮。所以这种方式对地面要求比较严格，稳定性较差，而且对于地形的适应能力较差，在粗糙的地面容易倾翻。 为此，根据菱形摆放双轮差速驱动移动机构的特点，在利用其原有优点的基础上，提出了一种三段菱形结构（图12），以提高其对地的适应性和越障能力。（2）三段菱形机构移动机构的主体部分分为3段，通过俯仰电机控制、段之间的转动，II、段通过可以灵活转动的铰链连接，轮1，轮2为各自带独立控制电机的驱动轮，上下对称分布2个从动轮.。在翻越障碍的时候，可以通过控制俯仰电机来调整I、段之间的角度，避免出现主动轮悬空或车体碰到障碍物的情况。图12 三段菱形机构4 轨迹规划机器人在主从遥控控制方式下工作时，由工作人员通过操作器实现对机器人的主从遥控操作，各自由度的动作完全由工作人员的实时操作决定。在自动轨迹规划控制工作方式时，机器人根据事先示教过程中选取的若干特征点，实现对运动轨迹的自动再现。由于本机器人工作环境的特点，在作业过程中主要是平面施工作业。结合机器人自身结构设计的特点，可实现对这种作业方式的机器人运动轨迹的规划。本方案采用折返扫描式喷射，分工作面先后喷涂。图13 喷射轨迹图14 喷枪的喷矩模型图15 喷枪路径由于机器的结构设计采用直角坐标的方案，因此对于机器人处于平面 (垂直面斜面和平顶面 )施工作业时的轨迹规划变得相对简单。首先，可将机器人移至合适位置，使垂直坐标导轨平行于待作业平面，并将喷枪移至工作初始位置，然后根据除锈或喷漆工艺要求所决定的水平坐标导轨移动的步距，规划器计算出水平坐标导轨每一步运动的输出控制增量，从而使该导轨在平行于工作面的垂直坐标导轨上作固定步长的运动，并结合喷枪移动机构的往返运动，即可自动实现连续的矩形作业面。5 防爆设计喷漆机器人用于在封闭的喷漆间内喷涂工件内外表面,由于喷漆间内的漆雾是易燃易爆的，根据NFPA496中规定的易燃易爆区域等级来看，喷漆间属1级1组或1级2组区城，如果机器人的某个部件产生火花或温度过高，就会引燃喷漆间内的易嫌物质，引起喷漆间内的大火，甚引起爆炸，造成不必要的人员伤亡和巨大的经济损失。所以，防爆系统的设计是设计电动喷漆机器人很重要的一部分，绝对不可掉以轻心。 电动喷漆机器人是由AC或DC二伺服电机与液压电机驱动的。运转时，可能会产生火花，电缆线与电器接线盒的接口等处也可能会产生火花。根据NFPA496标准，机器人的电机、电器接线盒、电缆线等都应封闭在密封的壳体内，使它们与危险的漆雾隔离。同时配备一套空气净化系统，用供气管向这些密封的壳体内不断地输送清洁的、不可燃的、高于周围大气压的保护气体,以防止外界易燃气体的进入机器人。按此方法设计的结构称为通风式正压防爆结构。目前国际上最先进的ABB电动喷漆机器人，GMF一funac电动喷漆机器人和涂王电动喷漆机器人的防爆系统均是按照NPFA496标准设计的通风式正压防爆系统。6 气压设备与喷枪的选定在空气喷涂场合，涂料雾化的动力是压缩空气，它直接参与喷涂，如果压缩空气的清洁度差，含油、含水超标，则直接影响油膜的质量，会产生针孔、缩孔等涂膜弊病，故本方案采用高压无气喷漆机构，其设备包括高压泵、蓄压器、过滤器、高压软管以及喷枪等。其结构示意图如图16 所示。图16 无气喷漆机构示意图6.1 高压泵 无气喷涂设备是利用压缩空气作动力，通过高压泵驱动活塞作往复运动。泵的上部为空气缸，内有压缩空气换向机构，使气缸上下交替进入压缩空气，活塞上、下运动带动高压部分上、下运动，使涂料吸入并排出一定压力的涂料。气动型喷涂机一般标有压力比，比值一般为(30 65)1，即当进入泵气缸内的压缩空气压力为1个大气压，涂料压力就达到30 65个大气压（理论值）。 6.2 蓄压器 蓄压器主要是起涂料液压稳定作用。因柱塞往复泵在上下两个死点时速度等于零，所以易产生压力波动。增设了蓄压器，可减少涂料在喷涂时的压力波动，提高喷涂质量。蓄压器结构比较简单，上、下有两个封头，涂料从底部进入，在进口处有一滚珠单向阀。 6.3 过滤器 因为喷嘴的孔很小，稍有不洁就会堵塞。因此，涂料的过滤尤为重要。无气喷涂设备有两个过滤器,一是装在涂料吸入口的盘形过滤器，目的是除去涂料中的杂质污物；第二个过滤器装在蓄压器与高压软管之间，其作用是滤清残存在柱塞缸及蓄压器内的漆料。因为这些剩漆残存时间稍长，就会起皮结块，形成堵塞喷嘴的杂物。实践证明，若在喷枪的进漆处再装一个小型的管状过滤器，就可以确保喷嘴不被堵塞。过滤器的钼丝须经常清洗，以确保良好的喷漆效果。6.4 高压软管蓄压器和喷枪之间用高压软管联接。对高压软管的要求是：(1)应选择与涂料源相当的工作压力的耐高压软管，否则会不安全；(2)因为涂料中含有甲苯、二甲苯等溶剂，故要选择耐油、耐强溶剂的软管，以保证其有一定的使用寿命；(3)轻便，柔软，便于携带和操作。 6.5 喷枪 无气喷枪由枪体、涂料喷嘴、过滤器(网)、顶针扳机和密封垫连接部件等构成。无气喷枪与空气喷枪不同，它只有涂料通道，而没有压缩空气通道。由于涂料通道要承受高压，故无气喷枪需具有优异的耐压密封性，以防高压涂料泄漏。同时，枪体要轻巧，扳机启闭灵敏，与高压软管连接处其转动要灵活、操作要方便。图17 喷射角与距离7 控制系统7.1 硬件系统组成工控机主要具有操作直观、控制精度高、抗干扰能力强等性能，因此很多控制系统中都采用工控机作为控制系统的核心。但喷漆机器人工作环境比较恶劣、复杂，又要受其工作空间范围的限制，因此在设计控制系统时，要求体积小、操作简便、工作可靠、抗干扰能力强。可编程逻辑控制器PLC 是自动控制技术、计算机技术和通讯技术相结合的产物，是一种专门用于过程控制的现场设备。目前它已成为一种成熟的、商业化的工业控制产品，具有价格低廉、可靠性高、抗干扰能力强、无故障时间长等显著特点，因此在控制系统中采用PLC 作为上、下位机进行运动控制，不仅使机器人控制系统轻巧灵活，并能使体积大大减小、成本大大降低。系统采用SIMATIC的S7-200系列的PLC，中央处理单元为CPU224，具有14输入10输出及1个 RS-485通讯接口。根据实际情况的使用，上位机需要输入扩展模块3个（即模块EM221，具有 8 位输 入）、A/D 扩展模块1个（即模块EM231具有4路模拟量输入）。下位机除了CPU224外，输出扩展模块4个（即模块EM222，具有8位输出），A/D扩展模个（也采用模块EM231）。控制系统结构如图18所示。图18 控制系统结构图 控制系统的原理如下：上位机与操纵台相连，操纵台由一系列控制开关和电位器组成，用于接收操作者的信息，这些开关与上位机PLC 和输入扩展模块的输入口相连，将开关信号传到PLC 和输入扩展模块里，电位器将测量到的位置信号通过A/D模块将模拟量转化为数字量，并输入到上位机。通过上位机和下位机的通讯，将这些数据传输到下位机。同时上位机接收来自下位机的温度、位置、角度等状态信息，为了将这些数据显示，选用性价比较高的数码管通过与上位PLC 进行相应的连接后，就能将这些数据准确的显示出来。机器人机体上的摄像头将机器人工作现场的画面实时传送到控制台的显示器上，在显示器上实时反映机器人的工作状态。 下位机主要进行动作控制。它一方面要接收上位机传过来的运动指令，并和输出扩展模块一起通过继电器组对直流电机驱动器进行开关控制，达到对相应的直流电机进行运动控制的目的；另一方面，从工作现场采集温度、位置、角度等模拟信号，通过A/D模块将其模拟量转换为数字量。通过与上位机的通讯，将这些数据传送到上位PLC 上。 PLC 的串行通信接口是RS485标准接口，包括两根差分数据线，抗干扰性好，通信距离长。与其相连接的数据信号传输媒介多用光缆和电缆，光缆传输容量大，传输距离长，抗电磁干扰能力强，但是安装技术要求高，最小弯曲半径要求严格，而且光纤扭绞易发生光缆断裂，给实际应用造成隐患，并且光缆价格相对昂贵。因此本系统选用电缆作为信号传输媒介，价格便宜，安装方便，而且因为本系统工作距离小，信号传输距离短。经试验，电缆完全能满足系统所需的性能要求。 7. 2 软件系统的设计 7.2.1 控制系统的控制流程如图19所示：图19 控制系统流程图系统控制过程为，用户将机器人参考输入信号通过操纵台输入到上位PLC中，PLC对这些指令进行处理，转换为控制信号，发送到下位的PLC上，下位的 PLC 将接收到上位的 PLC 的信号转化成开关控制信号，控制安装在机器人体上的直流电机。与此同时，下位机采集现场由传感器发来的信号，并进行处理转换成数据，传送到上位机上，上位机接收下位机反馈的现场数据，通过数码管将这些数据显示出来。7.2.2 控制系统的程序流程 根据移动机器人工作的要求，首先确定机器人各个电机工作的相互关系，然后画出程序流程图，最后由PLC 的输入输出的逻辑关系编写梯形图，其上、下位机的程序流程图如图20、21所示。图20 上位机程序流程图图21 下位机程序流程图总 结本课题是为了改进喷漆行业传统的人工作业方式，设计了一种自动喷漆装置，该装置主要由控制机器人和喷涂系统组成。其中控制机器人采用直角坐标方法设计，通过控制喷枪机构与移动底盘