大型油罐噴砂除銹的機器人設(shè)備

1噴砂除銹機器人整體結(jié)構(gòu)布置

　　系統(tǒng)的整體布置圖如圖1所示。噴砂除銹機器人借助罐頂中央孔，安裝一個中心旋轉(zhuǎn)軸，靠軸的支撐，安裝一個與油罐輪廓線相似的小車導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的下端裝電動機，電動機在罐底平面驅(qū)動珩架做圓周運動，以帶動導(dǎo)軌沿圓柱面轉(zhuǎn)動；機械手行走小車能在卷揚機鋼絲繩的牽引下沿導(dǎo)軌有規(guī)律地上下移動；機械手行走小車上安裝機器人的一個機械臂，該機械臂的小臂既能上下俯仰也能前后伸縮，大臂在小臂的帶動下也能上下俯仰，同時自身也能伸縮運動，而手腕的凸輪轉(zhuǎn)動可帶動噴槍勻速上下擺動，幾個關(guān)節(jié)運動的有機結(jié)合可以實現(xiàn)噴槍始終與受噴面最佳噴射角度(30°～75°)和距離(300mm～500mm)。機械臂的作業(yè)空間大，能夠滿足頂部錐面、錐面-柱面聯(lián)結(jié)處等與導(dǎo)軌之間距離變化較大的空間的除銹需求。考慮到油罐進出口狹小，整個機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計輕巧并便于拆裝。

2機械手及機械手行走小車

　　由圖2可知：機械手由大、小臂和噴槍組成，噴槍安裝在大臂上，大臂在氣缸的控制下可以上下擺動；噴槍也可以在凸輪作用下，完成各個動作的定位以達到最佳噴射角度；采用了停－升－停型的等速凸輪機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；機械手固定在小車上，可以隨小車上下移動；由于小車導(dǎo)軌是豎直的，所以我們采用“雙輪結(jié)構(gòu)”把小車卡在導(dǎo)軌上，同時為防止小車橫向偏移，我們在小車的中部加有一個導(dǎo)向輪。

圖2機械手及機械手行走小車設(shè)計圖

3珩架驅(qū)動小車

　　珩架驅(qū)動小車不僅是一個行走機構(gòu),同時也是一個主要的承重部件，它的主要作用是帶動珩架繞油罐中心作圓周運動，從而配合機械手完成對油罐內(nèi)壁除銹任務(wù)。由圖3可知，小車主要由車輪、同步帶、電機、和減速器等四部分組成。為了防止沙垢堆積阻礙小車正常行走，小車前端裝設(shè)了強力吸塵器，及時排出軌道上的沙塵。另外為了保證小車的穩(wěn)定性和設(shè)計的科學(xué)性我們采用了兩項輔助措施：

(1)我們在珩架和走輪之間增設(shè)一個彈簧，用來減少在珩架行走過程中由于機械搖動而產(chǎn)生振動的副面影響。

(2)為增加驅(qū)動小車的附著力，在小車上增設(shè)一定重量的配重塊來提供足夠的摩擦力。
 
圖3珩架驅(qū)動小車設(shè)計圖

4珩架

　　珩架(如圖4)的主要作用是為小車提供導(dǎo)軌，使小車能上下平穩(wěn)移動。受工作環(huán)境限制，同時為了搬運、拆裝方便，我們采用分段設(shè)計法把整個珩架分成五部分設(shè)計。由圖可知，組成整個珩架的五部分分別是：底珩架，連接架，立珩架，曲珩架，橫珩架。曲珩架實現(xiàn)了小車由立珩架到橫珩架的平滑過度，大大減小了小車沿珩架轉(zhuǎn)彎滑行的阻力。整個珩架的外形模仿油罐的曲線。此種設(shè)計形式是噴砂除銹工作質(zhì)量的重要保證，正是因為這樣小車在上下滑動的過程中才能有效確保噴槍與油罐內(nèi)壁的距離變化微小，避免了機械手的頻煩伸縮，從而減少了機械手的操作難度，提高作業(yè)效率，減輕操作者的勞動強度，更有利于以后的編程控制。分段設(shè)計法是一種開放性的設(shè)計方法，它可以根據(jù)罐高適當(dāng)增減珩架數(shù)量，靈活的組合以滿足不同高度的油罐，達到了一架多用的目的。整個珩架采用八字角鐵作為緊固件。其目的是在滿足牢固性的前提下，盡量減輕珩架自重，節(jié)約原材料降低成本，而且能使珩架變得更加輕巧。

5上支架

　　上支架（如圖5）主要由上蓋、萬向聯(lián)軸器、接桿和連接支座組成。主要作用是固定珩架。上蓋內(nèi)部通過兩套軸承有效支撐著軸端，保證了整個珩架可以在小車的帶動下平滑、穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。萬向聯(lián)軸器實現(xiàn)了柔性鏈接，可減小由設(shè)計誤差和安裝誤差所帶來的機械側(cè)應(yīng)力，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。上支架通過連接支座把兩側(cè)珩架連接成一個整體，然后再通過調(diào)節(jié)螺母來有效調(diào)節(jié)整個珩架的重心，并盡量使其與回轉(zhuǎn)中心點重合。珩架頂部的鋼絲繩與底部支架相連，用來調(diào)整整個支架，使之始終與油罐底面垂直，這樣受力和變形比較均勻，能夠保證其運動的平穩(wěn)性，并能有效減少整體的振動。
 
圖6下支架設(shè)計圖

6下支架

　　下支架是用來支撐珩架的，下支架在其軸套上連有三個連桿，彼此兩兩夾角為120°，它們另一端支靠在油罐內(nèi)壁上，以阻止回轉(zhuǎn)中心的偏移。為了防止連桿阻礙小車轉(zhuǎn)動，在每一個連桿上小車過道處都設(shè)有一個高強度寬薄過渡板，以保證小車平穩(wěn)通過過渡板。下支架的上部是兩個對稱的三角形支架，它們的另一端通過接頭與珩架相連，由調(diào)節(jié)螺母來平衡系統(tǒng)，從而增強了整個珩架的剛性，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性能。下支架的正上方用來安裝卷揚機。

7卷揚機

　　卷揚機（如圖7）主要由電動機通過變速箱帶動兩個相同卷筒組成。其轉(zhuǎn)速不高，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、可靠，扭矩大的特點，在此恰好可用作機械手行走小車的牽引機構(gòu)，通過其卷筒轉(zhuǎn)動纏放鋼絲繩來牽引小車在珩架導(dǎo)軌上行走，帶動機械手的上下移動，以實現(xiàn)對機械手的準(zhǔn)確定位。

8滾輪

　　為了減小在提升或下放小車時鋼絲繩與珩架的摩擦，我們設(shè)計了滾輪（如圖8）。滾輪是在兩個滾動軸承對滾輪軸的有效支撐下靈活轉(zhuǎn)動的，從而大大減少了對鋼絲繩的磨損破壞，提高了小車的安全系數(shù)。

9工作過程簡析

(1）準(zhǔn)備階段：首先初始化控制電器參數(shù)，機械手行走小車停在珩架最下（或上）端；其次通過調(diào)整機械臂的各個關(guān)節(jié)，使得噴槍與噴面的角度和距離都處于最佳狀態(tài)。

(2）作業(yè)階段：珩架驅(qū)動小車按需要的速度帶動珩架轉(zhuǎn)動，機械手帶動噴砂咀勻速上下擺動，同時開始噴砂。珩架驅(qū)動小車按設(shè)定速度一直轉(zhuǎn)動180°，對稱安裝在兩個機械手臂上的噴槍就會在油罐內(nèi)壁上產(chǎn)生一個環(huán)形受噴帶；同時卷揚機驅(qū)動機械手行走小車上升（或下降）一個受噴面帶寬后停止；珩架拖動小車按設(shè)定速度反向轉(zhuǎn)回起始點，依次類推，就完成了整個油罐的除銹工作。

10結(jié)束語

　　整個噴砂機器人結(jié)構(gòu)簡單、功能強大，若改變噴槍，提高防爆技術(shù)，即可以實現(xiàn)油罐內(nèi)壁的油漆噴涂，改變珩架的外形，還可以實現(xiàn)油罐外避的除銹噴漆功能。在將來實際工作過程中，裝配及運動部件動作誤差的存在難免會造成機械手動作變形，同時由于罐內(nèi)無法站人，因此若要保證良好的噴涂效果，就需要設(shè)置視覺監(jiān)控及紅外測距系統(tǒng)，實現(xiàn)人在罐外操縱機器人，調(diào)節(jié)補償其意外動作誤差，確保質(zhì)量。