1、摘 要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。控制机器人采用直角坐标方法设计，设计了控制机器人的本体结构、驱动方式和控制系统。给出了控制机器人自动工作方式的轨迹规划。同时设计了适合的喷漆系统，构成完整的喷漆机。该装置具有喷涂质量好、工作性能稳定等优点。不仅可以减轻操作工人的劳动强度,还可提高工作效率和施工质量,具有一定的实用价值。关键词：机器人；喷漆；PLC 控制；轨迹规划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
2、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1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：
3、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
4、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 。2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
5、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、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
7、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：0Fy0FxlqFsxM2ll故： xlqs2lFx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：0Fy0xFsxM2ql故： 0s2qlFx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
8、，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： hrLR2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
9、= 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 。3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
