用于一種外殼體的自動噴漆機(jī)設(shè)計(jì)
用于一種外殼體的自動噴漆機(jī)設(shè)計(jì),用于,一種,外殼,自動,噴漆,設(shè)計(jì)
河 南 科 技 學(xué) 院
2009 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
用于一種外殼體的自動噴漆機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名： 程方維
所在院（系）：機(jī)電學(xué)院
所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
導(dǎo)師姓名：王占合
完成時間：2009年5月25日
1
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)動方式和控制系統(tǒng)。給出了控制機(jī)器人自動工作方式的軌跡規(guī)劃。同時設(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 移動底盤設(shè)計(jì)……………………… ……… … …………… …… …………8
3.2.1 驅(qū)動機(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)針對礦用高壓軟起動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(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。
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，同時盤架在堅(jiān)桿上作y向上下運(yùn)動，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)動龍門架，行走時4輪可完全接觸在軌道上，運(yùn)行平穩(wěn)，無級調(diào)速，無抖動、跳動現(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，橫桿通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在豎架上旋轉(zhuǎn)，同時移動底盤整體運(yùn)動。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，同時移動底盤作水平x向運(yùn)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(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，同時移動底盤作水平x向的運(yùn)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)
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)，移動底盤的驅(qū)動機(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，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，此套傳動機(jī)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(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，采用窗簾式滑動機(jī)構(gòu)，以使噴槍機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程不被卡死或者將控制線拉斷。
圖8 窗簾式滑動機(jī)構(gòu)外觀
3.2 移動底盤設(shè)計(jì)
3.2.1驅(qū)動機(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，可采用液壓驅(qū)動。
圖9 驅(qū)動機(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確定的不干涉時最小軌道曲率半徑。
當(dāng) L = 400, r = 40, h = 60時, 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(jì)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(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。
圖11 菱形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
但是這種移動機(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(dá)不到設(shè)計(jì)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(yán)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(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），以提高其對地的適應(yīng)性和越障能力。
（2）三段菱形機(jī)構(gòu)
移動機(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，II、Ⅲ段通過可以靈活轉(zhuǎn)動的鉸鏈連接，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(jī)來調(diào)整I、Ⅱ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(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，由工作人員通過操作器實(shí)現(xiàn)對機(jī)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(shí)時操作決定。在自動軌跡規(guī)劃控制工作方式時，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)對運(yùn)動軌跡的自動再現(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)對這種作業(yè)方式的機(jī)器人運(yùn)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(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用直角坐標(biāo)的方案，因此對于機(jī)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(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，并結(jié)合噴槍移動機(jī)構(gòu)的往返運(yùn)動，即可自動實(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)域等級來看，噴漆間屬1級1組或1級2組區(qū)城，如果機(jī)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(jì)損失。所以，防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)電動噴漆機(jī)器人很重要的一部分，絕對不可掉以輕心。
電動噴漆機(jī)器人是由AC或DC二伺服電機(jī)與液壓電機(jī)驅(qū)動的。運(yùn)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(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(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電動噴漆機(jī)器人，GMF一funac電動噴漆機(jī)器人和涂王電動噴漆機(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力，通過高壓泵驅(qū)動活塞作往復(fù)運(yùn)動。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)動帶動高壓部分上、下運(yùn)動，使涂料吸入并排出一定壓力的涂料。氣動型噴涂機(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個大氣壓，涂料壓力就達(dá)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(fù)泵在上下兩個死點(diǎn)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(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?yàn)檫@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(shí)踐證明，若在噴槍的進(jìn)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。
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(yīng)選擇與涂料源相當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫Φ哪透邏很浌?，否則會不安全；(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，槍體要輕巧，扳機(jī)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)
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，要求體積小、操作簡便、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC 是自動控制技術(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，具有價格低廉、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、無故障時間長等顯著特點(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 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（即模塊EM221，具有 8 位輸 入）、A/D 擴(kuò)展模塊1個（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（即模塊EM222，具有8位輸出），A/D擴(kuò)展模個（也采用模塊EM231）。控制系統(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(jī)PLC 和輸入擴(kuò)展模塊的輸入口相連，將開關(guān)信號傳到PLC 和輸入擴(kuò)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(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)時傳送到控制臺的顯示器上，在顯示器上實(shí)時反映機(jī)器人的工作狀態(tài)。
下位機(jī)主要進(jìn)行動作控制。它一方面要接收上位機(jī)傳過來的運(yùn)動指令，并和輸出擴(kuò)展模塊一起通過繼電器組對直流電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行開關(guān)控制，達(dá)到對相應(yīng)的直流電機(jī)進(jìn)行運(yùn)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(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?yàn)楸鞠到y(tǒng)工作距離小，信號傳輸距離短。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)器人參考輸入信號通過操縱臺輸入到上位PLC中，PLC對這些指令進(jìn)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(jī)器人體上的直流電機(jī)。與此同時，下位機(jī)采集現(xiàn)場由傳感器發(fā)來的信號，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)移動機(jī)器人工作的要求，首先確定機(jī)器人各個電機(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
8 結(jié)束語
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)與移動底盤在笛卡爾直角坐標(biāo)中的坐標(biāo)與其運(yùn)動軌跡，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)以及移動底盤的驅(qū)動與轉(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)器人自動工作方式的軌跡規(guī)劃。同時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噴漆機(jī)設(shè)計(jì)。該自動噴漆機(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)自動化, 減輕操作工人的勞動強(qiáng)度,改善工作環(huán)境，同時以機(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)用價值。為提高其性價比，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，你們的批評能讓我能及時改正論文中的不足與錯誤。??最后還要感謝同學(xué)們對我的幫助和指點(diǎn)，謝謝！
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20
河南科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中期檢查表
學(xué)生姓名
程方維
班級
機(jī)制052
指導(dǎo)教師
王占合
論文題目
用于一種外殼體的自動噴漆機(jī)設(shè)計(jì)
目前已完成任務(wù)
1. 調(diào)研：進(jìn)行了與課題相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的資料搜集，查閱了機(jī)器人驅(qū)動與汽車驅(qū)動方面的論文8篇。
2. 設(shè)計(jì)：完成機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括立架導(dǎo)軌，噴槍拉升機(jī)構(gòu)，線管固定機(jī)構(gòu)，移動底盤的驅(qū)動機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；完成機(jī)器人的噴槍機(jī)構(gòu)的選用，防爆設(shè)計(jì)與噴槍平面作業(yè)的軌跡規(guī)劃。
是否符合任務(wù)書要求進(jìn)度：
尚需完成的任務(wù)
1. 基于plc的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)的控制原理框圖，控制流程圖，硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的構(gòu)成；
2. 論文的定稿，包括論文格式與篇幅的調(diào)整等；
3. 答辯材料的準(zhǔn)備，既答辯課件（PPT）的準(zhǔn)備。
能否按期完成論文（設(shè)計(jì)）： 能
存在問題和解決辦法
存
在
問
題
1. 移動底盤90度轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
2. PLC控制系統(tǒng)的硬件與軟件系統(tǒng)組成。
擬
采
取
的
辦
法
1. 查閱汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料并咨詢老師；
2. 查閱PLC控制系統(tǒng)的硬件與軟件系統(tǒng)方面的書籍并咨詢老師。
指導(dǎo)教師簽 字
日期
2009年3月20日
教學(xué)院長（主任）意 見
負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日
河南科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
題目名稱：用于一種外殼體的自動噴漆機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
程方維
所學(xué)專業(yè)
機(jī)制
學(xué)號
200503342227
指導(dǎo)教師姓名
王占合
所學(xué)專業(yè)
職稱
完成期限
2009年2月16日至2009年6月7日
一、論文（設(shè)計(jì)）主要內(nèi)容
1）．自動噴漆機(jī)的結(jié)構(gòu)方案
2）．控制系統(tǒng)
3）．噴槍路徑與軌跡規(guī)劃
4）．自動運(yùn)行的軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)
5）．防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)
二、主要技術(shù)指標(biāo)
1）．系統(tǒng)精度不低于50mm
2)．機(jī)械制圖符合國家標(biāo)準(zhǔn)
二、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要求
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)報告：有400字左右的中英文摘要，正文后有20篇左右的參考文獻(xiàn)，其中正文中要引用5篇以上文獻(xiàn)，并注明文獻(xiàn)出處。
2.有不少于2000漢字的與本課題有關(guān)的外文翻譯資料。
3.畢業(yè)設(shè)計(jì)字?jǐn)?shù)在20000字以上。
4.程序清單和圖紙。
5.作品及照片。
三、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排
1.2008年12月22日-2009年1月9日，下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書；寒假期間完成英文資料翻譯和開題報告。
2. 2009年2月16-2月27日（第1-2周），指導(dǎo)教師審核開題報告、設(shè)計(jì)方案和英文資料翻譯。
3. 2009年3月2日-4月24日（第3-10周），畢業(yè)設(shè)計(jì)單元部分設(shè)計(jì)。
4. 2009年4月26日-5月1日（第10=11周），畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查。
5. 2009年5月4日-5月22日（第12-14周），設(shè)計(jì)仿真、程序調(diào)試、線路板制作調(diào)試，
整理、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)報告。
6. 2009年5月25-6月5日（第15-16周）上交畢業(yè)設(shè)計(jì)報告，指導(dǎo)教師、評閱教師審查評閱設(shè)計(jì)報告，畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯資格審查。畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，學(xué)生修改整理設(shè)計(jì)報告。
High-pressure airless spray equipment
Automation can be achieved to improve the efficiency and construction quality is more important to reduce the labor intensity of workers to operate, to improve the working environment, reduce pollution and ensure the operation of the physical and mental health workers. To this end the design of automatic spray machine.
By site conditions, the robot should try to reduce the turning radius, so that zero turning radius. In this issue, drawing on the following two forms of steering.
1pneumatic spray equipment and the selected
Occasions in the air spraying, paint atomization of power is compressed air, it is directly involved in spraying, if the poor cleanliness of compressed air, oil, excessive moisture content directly affects the quality of film, will have pinholes, shrinkage defects, such as coating Therefore, this program without the use of high-pressure air spray bodies, their equipment, including high-pressure pumps, accumulators, filters, and other high-pressure hose and spray gun. Schematic diagram of the structure shown in Figure 1.
Figure 1 Schematic diagram of airless spray institutions
（1） high-pressure pump
Airless spray equipment is the use of compressed air for power, drive through the high-pressure pump piston for reciprocating movement. The upper part of pump for the air cylinder with a compressed air for the body to turn up and down into the compressed air cylinder, piston, the lower motor driven high-pressure part of the upper and lower campaign to inhalation of paint and coatings from a certain pressure. Pneumatic spraying machine marked with the general pressure ratio, the ratio is generally (30 ~ 65): 1, that is, when to enter the pump cylinder of compressed air pressure of 1 atmosphere, coating the pressure reached atmospheric pressure 30 to 65 (theoretical value ).
（2） Accumulator
Accumulator paint mainly from the role of hydraulic stability. A result of reciprocating pump plunger up and down two dead in the speed of zero point, so easy to produce the pressure fluctuations. Additional accumulators can reduce the paint in the spray when the pressure fluctuations and improve the quality of spraying. Accumulator relatively simple structure, the upper and lower two head, paint from the bottom of the entry in the entrance there is a ball check valve.
（3）Filter
Because the nozzle hole is very small, will plug a little dirty. Therefore, the coating of filter is particularly important. Airless spraying equipment has two filters, one mounted on a coating of the disk-shaped intake filter to remove the paint is dirt impurities; second filter installed in the Accumulator with the high-pressure hose between its role is to filter remaining in the cylinder and piston accumulators of paints. Because they left paint longer residual time, it will play Paper agglomeration, the formation of the debris blocking the nozzle. Practice has proved that if the paint spray gun into the re-installed Office, a small tube-like filters, to ensure that the nozzle can not be blocked. Molybdenum wire filters require regular cleaning,
Spray to ensure good results.
（4） high-pressure hose
Accumulator and spray with high pressure hose connected between. The requirements of high-pressure hoses are: (1) should be selected with the paint work of a considerable source of pressure-resistant high-pressure hose, or else will be unsafe; (2) because the coating contains toluene, xylene and other solvents, it is to choose oil, solvent-resistant hoses strong in order to ensure a certain degree of its useful life; (3) Light, soft, easy to carry and operate.
（5） Spray Gun
Airless spray gun from the gun body, paint nozzles, filters (network), thimble trigger parts and gaskets, etc. to connect. Airless spray gun air spray gun with different channel only paint, and there is no compressed air channel. Coatings have to suffer as a result of high-pressure channel, it is therefore not required to have excellent gas gun of the pressure seal to prevent leakage of high-pressure paint. At the same time, the gun body to be lightweight and sensitive trigger headstock, and high-pressure hose connection to the rotating flexible, to facilitate the operation.
圖2 噴射角與距離
This issue is to improve the traditional industry of artificial spray operations, the design of an automatic spray device, the device by controlling the robot and spray system. Which control the use of rectangular coordinates robot designed by controlling the spray gun body and the mobile chassis of rectangular coordinates in the Cartesian coordinates of its trajectory in order to achieve the effect of the work setting. Designed to control the structure of the robot's body, including the Legislative frame rails, body spray, and try for the mobile chassis and steering system of the driver designed for the overall control system block diagram, and gives control of the working methods of automatic robot trajectory planning .
At the same time, select the appropriate spray equipment to provide a complete body shell Flameproof automatic painting machine design. The automatic spray painting machine with good quality and the advantages of stable performance. Automation can be achieved not only to reduce the labor intensity of workers to operate, to improve the working environment at the same time to replace the manual spraying by mechanical spraying, the spraying operation to eliminate the human factor in the impact on product quality, efficiency and construction quality and have some practical value . In order to enhance its cost-effective and should continue to be improved and optimized, making it more stable and reliable performance, and ultimately of their products.
高壓無氣噴涂設(shè)備
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(biāo)，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(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力，通過高壓泵驅(qū)動活塞作往復(fù)運(yùn)動。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)動帶動高壓部分上、下運(yùn)動，使涂料吸入并排出一定壓力的涂料。氣動型噴涂機(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個大氣壓，涂料壓力就達(dá)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(fù)泵在上下兩個死點(diǎn)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(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?yàn)檫@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(shí)踐證明，若在噴槍的進(jìn)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。
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(yīng)選擇與涂料源相當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫Φ哪透邏很浌?，否則會不安全；(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，槍體要輕巧，扳機(jī)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2 噴射角與距離
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