1緒論

本設(shè)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(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，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氟酸鹽苯、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)山。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。

主要進(jìn)行三部分內(nèi)容設(shè)計：第一，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；第二，基于

plc的控制系統(tǒng)設(shè)計；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。

噴槍移動軌跡

噴端運動軌跡

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(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向水平運動,

同時盤架在堅桿上作y向上下運動，這種機(jī)構(gòu)設(shè)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(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(jī)構(gòu)拉到立桿上，噴槍機(jī)構(gòu)在立桿上作z向的上下運動，同時移動底盤作水平x向的

運動，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)點缺點

方窠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

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

（1）機(jī)構(gòu)設(shè)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(cè)面，因此將導(dǎo)

軌設(shè)計成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：

=0Fs（x）-q（l-x）-F=O

ZM（x）=0M（x）+/（/一x）+夕（，7%=0

故：Es（x）=b+4（/-x）

M（x）=—*x）一/7%

其中：F-----噴槍機(jī)構(gòu)的自重（N）

q-----橫桿及嶷索的重力分布（N/m）

2）豎桿受力分析：

Za=。Es（x）=O

=oM（X）+列+q%=0

故：Fs（x）=0

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)計要求在導(dǎo)軌上運動與升降，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

3.2.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)

由于液壓元器件的防爆較易于實現(xiàn)，因此在機(jī)器人本體設(shè)計時，可采用液壓

驅(qū)動。

液壓。達(dá)

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算：

RN,L

2（r+7?）

其中：L---前后輪距；

h一一輪軸心距車底面的距離；

r一一車輪的半徑；

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司軸

線成90?；蚪?0。交叉的擺放方式。這種方式和很多底盤設(shè)計方式一樣，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)計方案中轉(zhuǎn)彎半徑最小的方式.因為采用差速控制的轉(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?、?。

圖11菱形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

但是這種移動機(jī)構(gòu)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(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?/p>

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(chǎn)生很大的前后振動，往往就達(dá)不到設(shè)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(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，在利用其原有優(yōu)點的基礎(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、n段之間的轉(zhuǎn)動，H、

山段通過可以靈活轉(zhuǎn)動的較鏈連接，輪1,輪2為各自帶獨立控制電機(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、n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，實現(xiàn)對運

動軌跡的自動再現(xiàn)同。由于本機(jī)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(jié)合機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，可實現(xiàn)對這種作業(yè)方式的機(jī)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。

噴槍移動軌跡

噴嘴運動軌跡

H

EX0750

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)劃器計算出

水平坐標(biāo)導(dǎo)軌每一步運動的輸出控制增量，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動，并結(jié)合噴槍移動機(jī)構(gòu)的往返運動，即可自動實現(xiàn)

連續(xù)的矩形作業(yè)面。

5防爆設(shè)計

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)計是設(shè)計電動噴漆機(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)?/p>

體的進(jìn)入機(jī)器人⑸。按此方法設(shè)計的結(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—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。

扁小過速H

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(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(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)的漆粒。因為這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。實踐證明，若在噴槍的進(jìn)漆處再裝一個小型的管狀過灌器，就可以

確保噴嘴不被堵塞。過濾器的鋁絲須經(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哪透邏很浌埽駝t會不安全⑹；（2）因為涂料中含有甲苯、

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。

噴嘴

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，因此在控制系統(tǒng)中采用PLC作為上、

下位機(jī)進(jìn)行運動捽制.不僅使機(jī)器人捽制系統(tǒng)輕巧靈活.并能使體積大大減小、

成本大大降低⑺。系統(tǒng)采用STMATTC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。

數(shù)

瑪

管PLC

繼直流直

85

RS4電機(jī)流

奏電

驅(qū)動

縱器電

臺器機(jī)

L

輸出擴(kuò)

入擴(kuò)

J輸

展模

塊組

紇

1次

r

展

ND擴(kuò)

嶂塊

1

圖

結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)

控制

圖18

開關(guān)和

列控制

由一系

操縱臺

連，

臺相

操縱

機(jī)與

上位

下：

理如

的原

系統(tǒng)

控制

模塊

入擴(kuò)展

C和輸

機(jī)PL

上位

關(guān)與

些開

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信息

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測量到

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，電

塊里

展模

入擴(kuò)

C和輸

到PL

號傳

關(guān)信

，將開

相連

入口

的輸

機(jī)和下

過上位

機(jī)。通

上位

入到

，并輸

字量

為數(shù)

轉(zhuǎn)化

擬量

將模

D模塊

過A/

號通

置信