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喷漆机器人 喷漆机器人【spray painting robot】 可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。中国研制出几种型号的喷漆机器人并投入使用，取得了较好的经济效果。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。1、引言目前，我国大型油罐的喷砂除锈、喷漆防腐主要采用依靠脚手架的传统人工作业方式，但此方式劳动强度大、工程质量差、工作环境恶劣。随着石化工业的迅速发展，特别是国家石油战略储备基地的建立，研制大型油罐喷砂喷漆自动化设备势在必行。爬壁机器人正是此方面国内外的研究热点，但爬壁机器人普遍构造复杂、负载能力低、易坠落，特别是只能爬油罐外壁不能爬内壁，稳定性差，并不实用。山东科技大学机器人研究中心在青岛市重大项目“喷砂除锈与喷漆机器人”支持下，独辟蹊径，设计出一种低成本、易拆装、可实用的新型油罐喷砂喷漆机器人。2、总体结构与关键部件(1)总体方案本文主要针对10005000m3的LQ、LG、LF系列立式大型油罐，其人孔都开在罐身下层圈板上，采光孔开在罐顶。经考察和分析，机器人总体结构应保证：零部件截面尺寸须小于人孔直径；(零部件长度以安全通过的最大长度为限；以采光孔定位或安装时，所用工具或零部件尺寸须小于采光孔直径；罐顶因板厚所限，不能承受较大负荷。喷砂工艺最佳参数应满足：喷嘴至锈蚀面的距离应保持在300500mm之间、喷枪与锈蚀面的夹角应保持在3075。之间；喷射轨迹为螺旋线，且环与环间有一定重合度，喷半圈后，机器人上移一定距离再返回喷射。喷漆与喷砂工艺相似，参数稍作调整即可。我们绕开爬壁机器人的思路，从现场实际出发，总体方案如图1所示：在罐顶采光孑L处固定一支轴，安装一个与油罐轮廓线相似的对称布置的导轨。罐底回转中心由均布的三支杆调整，并通过可调节横杆把左右导轨固连在一起。导轨驱动小车与导轨之问为柔性连接，不承受导轨重力引起的载荷，仅靠导轨导向，其对地附着力由自重和配重提供，我们称之为牛拉磨式。罐顶支轴也不承受轴向载荷，主要起定心约束作用。提升机构位于底座支架上，通过钢丝绳牵引机器人A与机器人B在导轨上升降。机械手能够俯仰、伸缩，其前端的喷枪可做划圆运动。导轨由数段组成，彼此可快速连接；导轨和机器人本体为既相对独立又便于组装在一起的模块。(2)机器人及其行走机构根据喷砂工艺的要求，机器人需具有旋转、升降、俯仰、伸缩和喷枪画圆的功能。旋转：完成油罐周向运动；升降：实现油罐轴向运动；俯仰：调节喷枪与锈蚀面的夹角；伸缩：调整喷嘴至锈蚀面的距离。根据总体方案，旋转和升降功能已分别由导轨驱动小车和提升机构实现，故机器人本体具有三个自由度即可，且喷枪画圆运动是独立的，机器人本体结构如图2所示。在行走机构中，为防止前仰后倾、左右偏移，并便于调整，特别设计了十轮机构。为防止机构底面在转弯时被卡住，由前后轮距、轮心至车底距离和车轮半径确定不干涉时的最小轨道曲率半径，如图3所示。(3)提升与轨道纠偏机构为保证两机器人能够同时对称升降，在提升机构中我们设计了专用齿轮箱，经周密计算，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，其结构如图4所示。因导轨过于庞大、加工与安装误差的累积，整个桁架结构将存在某种程度的偏斜。虽然顶部的柔性结构在一定范围内，可以容忍部分偏斜而不影响整个系统的安全运行，但由此引起的周期性振动将影响作业的精度和质量，故我们在过导轨对称中心的垂直面内安装了对称的两条钢索，通过调节其长度来达到纠偏的目的，图5为其示意图。3、防爆措施根据NFPA496(电气设备清洁与加压的密闭场所标准；NFPA：National Fire Pmtection Association，美国防火协会标准)中规定的易燃易爆区域等级划分，喷漆作业的油罐内部属于1级1组或1级2组区域，如果机器人某个部件产生火花或温度过高，就会引燃罐内易燃易爆的漆雾，甚至爆炸，因此防爆设计关乎生命财产安危。我们采取了本质安全防爆与采用隔爆电器相结合的方式，主要措施如下：机器人的所有动作都不采用可能引起电火花的电机驱动，而全由液压驱动，电磁阀远程控制。所有的电磁阀及液压泵电机都位于易于通风的油罐外，确保不易通风的油罐内没有较大功率电气设备或元件，从而做到油罐本质安全；所有处于油罐内的控制电缆都加防爆外层；在油罐内增设通风设备，以降低混合气体的浓度。4、传动方式例如发那科机器人P-50iA是紧凑型的喷涂机器人，可以提供可靠精确的喷涂应用，并能够使用多种喷涂工具和提供多种喷涂方式。六轴的P-50iAFANUC的第九代喷涂机器人。采用模块式设计和交流伺服电机驱动，可以运转在危险的环境中，并且可以得到广泛的服务和备件网络支持。地装，倒置和壁挂等多种安装方式可以应对不同工件的需求。专利的中空手腕和可以让涂料管和空气管通过的手臂，能提供一个洁净的应用环境。润滑油的加油嘴维护容易，绝对脉冲编码器确保上电后不需要生新计算原点，专利的扫气系统确保可以在危险环境中运行。 概念引入 伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。 在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。性能指标交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1:1000以上，一般的在1:50001:10000，高性能的可以达到1:100000以上；定位精度一般都要达到1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在0.1rpm以内，高性能的可以达到0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90或者幅值不小于50。进口三菱伺服电机MRJ3系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的频率在200500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面国产产品、包括部分台湾产品和世界先进水平相比差距较大。5、控制功能及原理机器人的控制功能主要包括喷砂喷漆控制和机械手位姿控制。机器人的操作方式灵活，既可自动操作也可手动操作，既可就地操作也可无线遥控操作。现场操作箱与遥控器的面板布局相同，只是后者较小，合理配置的各种开关、按钮、指示灯和数码管便于操作人员监控。喷砂喷漆控制主要控制机器人旋转(即导轨旋转)机器人升降(即提升机构升降)、喷枪划圆和喷射。首先，导轨驱动小车带动机器人从导轨最下(或最上)端开始转动，同时喷枪匀速连续画圆并喷射，导轨转动180。后，导轨与喷枪暂停并停止喷射，对称分布的两个喷枪会在油罐内壁上产生一个环形受喷带。然后，提升机构牵引机器人上升(或下降)一个受喷带后停止，接着导轨驱动小车带动机器人反向转动1800，同时喷枪恢复画圆并喷射。如此反复，直至完成整个油罐的喷砂喷漆工作。导轨之所以交替正反转，是因为驱动机器人所有动作的液压油管都须通过油罐罐身下层圈板上的人孔，若导轨朝一个方向连续旋转，油管将被扯断。机械手位姿控制调整喷嘴至锈蚀面保持最佳距离，调节喷枪与锈蚀面保持最佳夹角，二者均可在现场操作箱和遥控器上设定并显示。6、控制系统硬件控制系统硬件设计主要是控制器和遥控器的电路设计，控制器电路包括主控制电路、操作箱LED显示及键盘输入电路、功率接口电路。(1)主控制电路主控制电路需处理的信号较复杂，对控制器提出了较高的要求。我们选定Philips公司的低功耗ARM处理器LPC2210作为主控制电路控制器，LPC2210以ARM7TDMIS为内核。主控制器需处理的IO信号如图6所示。9个双向电磁阀(机器人升降、导轨驱动小车A正反转、机械手A仰俯、机械手A伸缩、机械手A喷枪正反转、导轨驱动小车B正反转、机械手B仰俯、机械手B伸缩、机械手B喷枪正反转)共18路控制信号，通过“功率接口电路”输出24V直流；液压泵电机启动信号，通过“功率接口电路”输出220V交流，控制电机主接触器；“油路堵塞指示”和“液压泵电机运行反馈”两个开关量输入信号；7个两档选择开关和4个按钮共18个开关量输入信号；4个接近开关(导轨旋转左右限位、机器人升降上下限位)信号，24V输入需转换为33V输入；8路模拟量信号，其中“导轨旋转位置”和“机器人升降位置”由导电塑料角度传感器检测， “机械手A仰俯角度”、“机械手A伸缩距离”、“机械手B仰俯角度”和“机械手B伸缩距离”由拉杆式导电塑料直线位移传感器检测， “喷嘴A至锈蚀面的距离”和“喷嘴B至锈蚀面的距离”由集成超声波测距系统检测；与“操作箱I正D显示及键盘输入电路”接口信号；射频收发信号。LPC2210使用其内部的两个完全独立的SPI(Se血lPeripheral Inte出ce，串行外设接口)，通过扩展电路处理五类(一)信号。SPI是全双工的同步串行接口，一般使用4条线：串行时钟SCK、从机选择SSEL、主人从出MIS0、主出从入MOSI。SPl0和SPll接口总线都采用单主多从配置，LPC2210配置为主机。SPl0扩展3片74HC595D(8位串行输入并行输出移位寄存器)处理两类(和)共19路输出信号。SPll扩展3片74HCl65M(8位并行输入串行输出移位寄存器)处理三类(、和)共24路输入信号。IJPC2210包含一个带8路输入的10位逐次逼近式AD转换器，恰好处理类信号。8路模拟量输人信号电压范围均为010V，可通过IS0100(光电耦合线性隔离放大器)转换为IPC2100允许的0313V。单片射频芯片采用Chipcon公司的微功率单片射频收发集成芯片CCl000，该芯片具有低电压、低功耗、可编程输出功率、高灵敏度、小尺寸、集成位同步器，外围元件少、抗干扰能力强等特点2。CCl000与LPC2210的接口包括配置接口和信号接口。配置接口有3个管脚：PDATA(编程数据)、PCLK(编成时钟)和PALE(编程地址锁存使能)；信号接口包括2个管脚：D10(数据输入输出)和DCLK(数据时钟)。(2)操作箱LED显示及键盘输入电路操作箱LED显示及键盘输入电路需处理19个LED输出信号、14个键盘输入信号和6个四位联体数码管输出信号，信号很多，因此我们采用周立功单片机发展有限公司的ZLG7289B(数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片)。ZLG7289B具有如下特点：直接驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)，同时扫描管理64个按键并内含去抖动电路；内部含有显示译码器，可直接接受BcD码或16进制码，并同时具有2种译码方式；具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。本电路采用四片ZLG7289B，第一片ZLG7289B处理19个LED输出信号、14个键盘输入信号；其余三片各处理两组四位联体数码管输出信号，第二片处理“机器人升降高度”和“机器人旋转角度”，第三片处理“喷嘴至锈蚀面的设定间距”和“喷嘴至锈蚀面的间距”，第四片处理“机械手俯仰角度”和“机械手伸缩距离”。zLG7289B与微控制器的接口采用3线制串行总线：CS(总线片选信号，低电平有效)、CLK(总线时钟输入信号，上升沿有效)和D10(总线数据信号，双向)。只有当ZLG7289B的INT引脚出现下跳沿时，才可读取有意义的按键值。本电路之所以不和主控制器电路同在一块PCB上，而是紧靠操作箱面板上的数码管和按键。因为ZLG7289B采用较高频率扫描键盘、动态扫描驱动数码管，若ZLG7289B放在主控制电路PCB上，这些扫描信号势必走长线，而高频信号最忌讳走长线，这易导致显示混乱、按键失灵等故障。(3)功率接口电路因电磁阀属大功率器件，工作电源为DC24V，工作电流为125A，而主控制电路的电磁阀控制信号高电平为5V(74HC595D采用5V工作电源)，驱动能力明显不够，因此可采用“松下TX25V”继电器将5V控制信号转换为24V，并提供足够的驱动能力。同理，因液压泵电极的主接触器需要AC220V信号控制，也可采用此种继电器将5V控制信号转换为AC220V。继电器输出的每路控制信号和公共地之间都需加泄流二极管(针对电磁阀和主接触器的线圈)。采用继电器还可做到主控制电路与大功率器件(电磁阀和主接触器)物理隔离，提高整个系统的安全性和可维护性。(4)遥控器电路遥控器电路需处理的IO信号如下：18个选择或启动按钮的开关量输入信号；19个LED输出信号、14个键盘输入信号和6个四位联体数码管输出信号；射频收发信号。遥控器电路的处理器仍采用LPC2210。采用LPC2210内部的SIP0控制器扩展3片74HCl65M处理；采用四片zLG7289B处理，因遥控器体积很小，ZIG7289B可以和遥控器的处理器做在一块PCB上。单片射频芯片仍采用CCl000。7、控制系统软件控制系统软件选用嵌入式操作系统肛COS一，它是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务操作系统嘲。绝大部分肛C0S一的源码是用移植性很强的ANSIC写的。C0S一移植方便且运行稳定，已成功移植到绝大多数8位64位微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)上。(1)斗C0S一在LPC2210上的移植“C0S一的软硬件结构如图7所示。应用程序是与应用相关的代码定制合适的内核服务功能，实现对汕C0S一的裁剪。与处理器无关的代码就是操作系统的内核，COS一内核提供所有的系统服务，本系统采用pC0S一(v252)版本，内核将应用程序与底层硬件有机的结合成一个实时系统。与处理器相关的代码可以看作是内核与硬件之间的中间层，它实现了同一内核应用于不同硬件体系的目标，处理器不同，这部分代码也不同，由用户自行编写。所谓移植就是编写与处理器相关的代码和进行一些C0S一的设置。我们选择ADSl2作为LPC2210的集成开发环境，ADS(ARM Developer Suite)是ARM公司开发的ARM核微控制器集成开发工具。将汕C0S一移植到C2210需要编写如下几个文件：includesh和eonfigh(头文件)；OSCPUH(CPU配置文件)；0S-CPU-CC(C语言源文件)；0SCPUAS(汇编程序源文件)；IRQINC(中断服务汇编接口代码宏)。(2)系统任务划分及调度多任务运行的实现实际上是靠CPU在许多任务之间转换、调度。CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。每