毕业设计用于一种外壳体的自动喷漆机设计Word文件下载.docx
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Keywords:
Robot;
Painting;
PLCControl;
TrajectoryPlanning
1绪论……………………………………………………………………………1
2结构方案的确信……………………………………………………………………2
2.1喷漆对象结构…………………………………………………………………2
2.2工艺进程………………………………………………………………………2
2.3方案分析……………………………………………………………………3
方案一……………………………………………………………………3
方案二……………………………………………………………………4
方案三…………………………………………………………………5
方案四……………………………………………………………………6
2.4方案确信……………………………………………………………………6
3结构组成……………………………………………………………………7
3.1立架导轨与拉升机构设计…………………………………………………7
3.立架导轨设计……………………………………………………………7
喷枪拉升机构设计………………………………………………………8
线的固定…………………………………………………………………8
3.2移动底盘设计………………………………………………………………8
3.2.1驱动机构………………………………………………………………8
3.2.2转向机构……………………………………………………………10
4轨迹计划…………………………………………………………………………12
5防爆设计………………………………………………………………………13
6气压设备与喷枪的选定………………………………………………………11
6.1高压泵………………………………………………………………11
6.2蓄压器……………………………………………………………………11
过滤器……………………………………………………………………11
6.4高压软管…………………………………………………………………12
喷枪……………………………………………………………………12
7操纵系统……………………………………………………………………13
7.1硬件系统组成………………………………………………………………13
7.2软件系统的设计……………………………………………………………16
7操纵系统的操纵流程…………………………………………………16
7操纵系统的程序流程………………………………………………16
8终止语…………………………………………………………………………18
致谢辞………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………19
附录………………………………………………………………………20
1绪论
本设计针对矿用高压软起动操纵器隔爆外壳体的喷漆作业,因为传统的喷漆作业采纳人工操作方式,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,经证明,喷漆进程中利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
。
严峻要挟着操作人员的人身健康。
利用机械人进行喷漆作业,能够实现生产自动化,提高工效和施工质量,更要紧的是能够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。
要紧进行三部份内容设计:
第一,机器人的机械结构的设计;
第二,基于plc的操纵系统设计;
第三,喷枪平面作业的轨迹计划。
2结构方案的确信
2.1喷漆对象结构:
名称:
矿用高压软起动操纵器隔爆外壳体
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。
工艺进程
先喷顶面,再依次喷涂正面,右边面,反面与左侧面。
在每一个工作面上的喷面漆进程为折返扫描式喷射,如下图。
图2喷射轨迹
2.3方案分析
在目前国内外的喷漆机械人中,爬壁机械人是较先进的一种,但本工件的尺寸较小,不适合采纳爬壁机械人。
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
框架势机构:
如下图,本方案采纳框架势机构,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,操纵方便,可是占地面积大,耗材超级多,移动不便利,不便利用。
图3框架势机构外观
2.3.2方案二
门式机构:
该方案较方案
(一)作了较大改良,也更具有可行性。
本方案采纳门式机构,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、右边三部份)两部份组成
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,此机构喷枪别离固定于顶部、左、右双侧复机构上,始终维持在最正确喷涂距离,并由电控系统确信喷涂点的设定,在高速来回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:
采纳如图示旋转横杆,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,操纵方便,可是旋转机构的转向操纵比较复杂。
图5旋转横杆式机构外观
2.3.4方案四
立架势结构:
该方案较方案(三)作了较大改良,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立架势结构
2.4方案确信
由上面四种方案的工作进程及性能,能够作出比较,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,最终确信采纳方案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,喷漆进程是先喷上表面,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——横杆及绳索的重力散布(N/m)
2)竖杆受力分析:
3.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起落,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知足喷枪轨迹的需要。
其详细结构如图7所示。
图7提升机构
3.线的固定
操纵线在导轨上的固定,采纳窗帘式滑动机构,以使喷枪机构在运动进程不被卡死或将操纵线拉断。
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,因此在机械人本体设计时,可采纳液压驱动。
图9驱动机构
在行走机构中,为了避免前仰和后倾、左右偏移和调整方便,为避免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)所确信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确信的不干与时最小轨道曲率半径。
当L=400,r=40,h=60时,Rmin>
210,事实上R=250,显然知足要求。
图10曲率半径的确信
3.2.2移动底盘的转向机构
受现场条件的限制,应尽可能减小机械人的转弯半径,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)是指采纳四轮着地,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,采纳主动轮差速操纵技术,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.因为采纳差速操纵的转弯方式,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,因此转弯半径小
图11菱形转向机构
可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,前后繁重被动轮若是和主动驱动轮的悬挂同高,很容易致使主动轮的挂起,或致使单边主动轮的压力下降,同时摩擦力下降;
从动轮的悬挂太高,那么这种前后从动轮交替着地必然产生专门大的前后振动,往往就达不到设计要求,若是悬挂太低,那么就会挂空主动轮。
因此这种方式对地面要求比较严格,稳固性较差,而且关于地形的适应能力较差,在粗糙的地面容易倾翻。
为此,依照菱形摆放双轮差速驱动移动机构的特点,在利用其原有优势的基础上,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
移动机构的主体部份分为3段,通过俯仰电机操纵Ⅰ、Ⅱ段之间的转动,II、Ⅲ段通过能够灵活转动的铰链连接,轮1,轮2为各自带独立操纵电机的驱动轮,上下对称散布2个从动轮.。
在翻越障碍的时候,能够通过操纵俯仰电机来调整I、Ⅱ段之间的角度,幸免显现主动轮悬空或车体碰着障碍物的情形。
图12三段菱形机构
4轨迹计划
机械人在主从遥控操纵方式下工作时,由工作人员通过操作器实现对机械人的主从遥控操作,各自由度的动作完全由工作人员的实时操作决定。
在自动轨迹计划操纵工作方式时,机械人依照事前示教进程当选取的假设干特点点,实现对运动轨迹的自动再现
由于本机械人工作环境的特点,在作业进程中主若是平面施工作业。
结合机械人自身结构设计的特点,可实现对这种作业方式的机械人运动轨迹的计划。
本方案采纳折返扫描式喷射,分工作面前后喷涂。
图13喷射轨迹
图14喷枪的喷矩模型
图15喷枪途径
由于机械的结构设计采纳直角坐标的方案,因此关于机械人处于平面(垂直面斜面和平顶面)施工作业时的轨迹计划变得相对简单。
第一,可将机械人移至适合位置,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,然后依照除锈或喷漆工艺要求所决定的水平坐标导轨移动的步距,计划器计算出水平坐标导轨每一步运动的输出操纵增量,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来回运动,即可自动实现持续的矩形作业面。
5防爆设计
喷漆机械人用于在封锁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,依照NFPA496中规定的易燃易爆区域品级来看,喷漆间属1级1组或1级2组区城,若是机械人的某个部件产生火花或温度太高,就会引燃喷漆间内的易嫌物质,引发喷漆间内的大火,甚引发爆炸,造成没必要要的人员伤亡和庞大的经济损失。
因此,防爆系统的设计是设计电动喷漆机械人很重要的一部份,绝对不可掉以轻心。
电动喷漆机械人是由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。
依照NFPA496标准,机械人的电机、电器接线盒、电缆线等都应封锁在密封的壳体内,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、高于周围大气压的爱惜气体,以避免外界易燃气体的进入机械人
按此方式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电动喷漆机械人,GMF一funac电动喷漆机械人和涂王电动喷漆机械人的防爆系统均是依照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,涂料雾化的动力是紧缩空气,它直接参与喷涂,若是紧缩空气的清洁度差,含油、含水超标,那么直接阻碍油膜的质量,会产生针孔、缩孔等涂膜弊病,故本方案采纳高压无气喷漆机构,其设备包括高压泵、蓄压器、过滤器、高压软管和喷枪等。
其结构示用意如图16所示。
图16无气喷漆机构示用意
6.1高压泵
无气喷涂设备是利用紧缩空气作动力,通太高压泵驱动活塞作往复运动。
泵的上部为空气缸,内有紧缩空气换向机构,使气缸上下交替进入紧缩空气,活塞上、下运动带动高压部份上、下运动,使涂料吸入并排出必然压力的涂料。
气动型喷涂机一样标有压力比,比值一样为(30~65)∶1,即当进入泵气缸内的紧缩空气压力为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
蓄压器主若是起涂料液压稳固作用。
因柱塞往复泵在上下两个死点时速度等于零,因此易产生压力波动。
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,在入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,涂料的过滤尤其重要。
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,其作用是滤清残余在柱塞缸及蓄压器内的漆料。
因为这些剩漆残余时刻稍长,就会起皮结块,形成堵塞喷嘴的杂物。
实践证明,假设在喷枪的进漆处再装一个小型的管状过滤器,就能够够确保喷嘴不被堵塞。
过滤器的钼丝须常常清洗,以确保良好的喷漆成效。
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,不然会不平安
;
(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,以保证其有必然的利用寿命;
(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组成。
无气喷枪与空气喷枪不同,它只有涂料通道,而没有紧缩空气通道。
由于涂料通道要经受高压,故无气喷枪需具有优良的耐压密封性,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操纵系统
7.1硬件系统组成
工控机要紧具有操作直观、操纵精度高、抗干扰能力强等性能,因此很多操纵系统中都采纳工控机作为操纵系统的核心。
但喷漆机械人工作环境比较恶劣、复杂,又要受其工作空间范围的限制,因此在设计操纵系统时,要求体积小、操作简便、工作靠得住、抗干扰能力强。
可编程逻辑操纵器PLC是自动操纵技术、运算机技术和通信技术相结合的产物,是一种专门用于进程操纵的现场设备。
目前它已成为一种成熟的、商业化的工业操纵产品,具有价钱低廉、靠得住性高、抗干扰能力强、无端障时刻长等显著特点,因此在操纵系统中采纳PLC作为上、下位机进行运动操纵,不仅使机械人操纵系统轻巧灵活,并能使体积大大减小、本钱大大降低
系统采纳SIMATIC的S7-200系列的PLC,中央处置单元为CPU224,具有14输入10输出及1个RS-485通信接口。
依如实际情形的利用,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(也采纳模块EM231)。
操纵系统结构如图18所示。
图18操纵系统结构图
操纵系统的原理如下:
上位机与操纵台相连,操纵台由一系列操纵开关和电位器组成,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信,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,就能够将这些数据准确的显示出来。
机器人机体上的摄像头将机械人工作现场的画面实时传送到操纵台的显示器上,在显示器上实时反映机械人的工作状态。
下位机要紧进行动作操纵。
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路通过继电器组对直流电机驱动器进行开关操纵,达到对相应的直流电机进行运动操纵的目的;
另一方面,从工作现场搜集温度、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。
通过与上位机的通信,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,可是安装技术要求高,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,而且光缆价钱相对昂贵。
因此本系统选用电缆作为信号传输媒介,价钱廉价,安装方便,而且因为本系统工作距离小,信号传输距离短
经实验,电缆完全能知足系统所需的性能要求。
7.2软件系统的设计
7.操纵系统的操纵流程
如图19所示:
图19操纵系统流程图
系统操纵进程为,用户将机械人参考输入信号通过操纵台输入到上位PLC中,PLC对这些指令进行处置,转换为操纵信号,发送到下位的PLC上,下位的PLC将接收到上位的PLC的信号转化成开关操纵信号,操纵安装在机械人体上的直流电机。
与此同时,下位机搜集现场由传感器发来的信号,并进行处置转换成数据,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操纵系统的程序流程
依照移动机械人工作的要求,第一确信机械人各个电机工作的彼此关系,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
8结束语
本课题是为了改良喷漆行业传统的人工作业方式,设计了一种自动喷漆装置,该装置要紧由操纵机械人和喷涂系统组成。
其中操纵机械人采纳直角坐标方式设计,通过操纵喷枪机构与移动底盘在笛卡尔直角坐标中的坐标与其运动轨迹,以达到设定的工作成效。
设计了操纵机械人的本体结构,包括立架导轨、喷枪拉升机构和移动底盘的驱动与转向系统,设计了操纵系统的整体框图,并给出了操纵机械人自动工作方式的轨迹计划。
同时选取了适合的喷漆设备,从而组成完整的隔爆器外壳体的自动喷漆机设计。
该自动喷漆机具有喷涂质量好、工作性能稳固等优势。
不仅能够实现生产自动化,减轻操作工人的劳动强度,改善工作环境,同时以机械喷涂取代人工喷涂,排除喷涂作业中人为因素对产品质量的阻碍,提高工作效率和施工质量,具有必然的有效价值。
为提高其性价比,应继续进行完善和优化,使之性能加倍稳固靠得住,最终将其产品化。
致谢辞
感激我的论文导师,在我写作论文的进程中,您循循善诱的教诲和不拘一格的思路给予我无尽的启发,让我能在论文的创作中更富有新意;
同时您严谨细致、一丝不苟的作风将是我以后工作与学习中的表率。
感激参入我答辩的列位教师,你们的批评能让我能及时更正论文中的不足与错误。
最后还要感激同窗们对我的帮忙和指点,谢谢!
参考文献:
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