家具業(yè)噴漆機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊茸，劉金枝，孔晨佳

（湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

家具業(yè)噴漆機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊茸，劉金枝，孔晨佳

（湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

在家具行業(yè)實(shí)現(xiàn)噴漆自動(dòng)化代替手工作業(yè)，可減少油漆中甲醛對(duì)工人身體的傷害，提高工作效率。本文依據(jù)模塊化和組合設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)出一種多功能移動(dòng)式噴漆機(jī)械手臂。首先對(duì)機(jī)械手臂選型和設(shè)計(jì)，然后針對(duì)外觀進(jìn)行優(yōu)化，最后對(duì)機(jī)械臂移動(dòng)的導(dǎo)軌選取并進(jìn)行裝配。同時(shí)對(duì)該機(jī)械手系統(tǒng)選取適合的控制系統(tǒng)，組合成家具業(yè)小型噴漆機(jī)械手臂模型。

機(jī)械手臂；外型優(yōu)化；移動(dòng)軌道；控制系統(tǒng)；裝配

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手臂在制造業(yè)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用。自動(dòng)化機(jī)械手臂因動(dòng)作準(zhǔn)確靈活，可靠性高的特點(diǎn)，被用來(lái)代替人工進(jìn)行的簡(jiǎn)單、單一的勞動(dòng)，一方面可以提高工作效率，節(jié)省人力；另一方面可以提高產(chǎn)品的加工精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。隨著人口老齡化的出現(xiàn)與人力成本的大幅度提高，市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人或者機(jī)械手臂需求也越來(lái)越強(qiáng)烈，特別是機(jī)械加工、焊接、熱處理、上下料及毛坯制造等領(lǐng)域用得最為廣泛。由于家具噴漆工藝較為復(fù)雜，基本都是人工噴漆作業(yè)，且噴漆的效率低下。

目前主導(dǎo)的噴漆自動(dòng)化設(shè)備有：（1）噴漆往復(fù)機(jī)包括三軸，四軸，五軸，六軸，七軸機(jī)械手臂往復(fù)機(jī)。（2）自動(dòng)分度往復(fù)噴漆機(jī)。（3）內(nèi)壁自動(dòng)噴漆機(jī)等幾大類。而在大部分噴漆機(jī)械中，基本是以圓周方向?yàn)閲娖岱秶?，或者短距離往復(fù)噴漆，但對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單距離長(zhǎng)的自動(dòng)往復(fù)噴漆設(shè)備還非常欠缺，然而在家具噴漆行業(yè)中又需要較長(zhǎng)距離的往復(fù)噴漆機(jī)，例如噴刷一張長(zhǎng)茶幾或者一根兩米的木條等，市面上普通的自動(dòng)往復(fù)噴漆機(jī)根本無(wú)法完成，所以這是一個(gè)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。目前主流的自動(dòng)噴漆機(jī)械都比較大型且價(jià)格昂貴，對(duì)于私營(yíng)的小家具企業(yè)難以承受，于是通過(guò)對(duì)眾多噴漆機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)出了一款結(jié)構(gòu)精細(xì)，占地面積小，研發(fā)成本較低的機(jī)械手臂噴漆系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

在家具行業(yè)中，需要進(jìn)行噴漆的材料眾多。很多中小型企業(yè)中還運(yùn)用傳統(tǒng)的手工刷漆和手持噴漆機(jī)進(jìn)行噴漆，不僅要求工人的噴漆技術(shù)水平高，而且對(duì)人體的健康有很大的傷害。本文通過(guò)對(duì)當(dāng)今市面上的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出模塊化和組合設(shè)計(jì)的方法對(duì)長(zhǎng)距離往復(fù)噴漆機(jī)械手臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法是根據(jù)機(jī)械手臂系統(tǒng)的功能要求，盡量從貯存的標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和其它可繼承的結(jié)構(gòu)和功能單元中選擇。把噴漆機(jī)械手臂系統(tǒng)進(jìn)行模塊化拆分，該機(jī)械手臂系統(tǒng)可分成三個(gè)模塊，第一個(gè)模塊是機(jī)械手臂，第二個(gè)模塊是帶動(dòng)機(jī)械手臂水平移動(dòng)的導(dǎo)軌，第三個(gè)模塊是機(jī)械手臂控制系統(tǒng)。通過(guò)組合設(shè)計(jì)選取其他機(jī)械噴漆機(jī)械手臂系統(tǒng)中可繼承的結(jié)構(gòu)，對(duì)本噴漆機(jī)械手臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2 噴漆機(jī)械手臂

2.1 噴漆機(jī)械手臂三維模型

本文設(shè)計(jì)的三維模型圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)為4自由度噴漆機(jī)械手臂與搭載機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠直線導(dǎo)軌滑臺(tái)組合而成。通過(guò)機(jī)械手臂和導(dǎo)軌之間的相互運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)范圍內(nèi)的覆蓋作業(yè)。

圖1 機(jī)械手臂系統(tǒng)三維模型

2.2 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)于智能化的機(jī)械手臂，它的功能主要是根據(jù)其作業(yè)對(duì)象的工藝要求所決定的。目前市面上機(jī)械手臂的種類繁多，按照軸類來(lái)分可分為三軸和多軸等，以六軸的機(jī)械手臂運(yùn)用最為廣泛，按照自由度來(lái)分，可以分為三自由度、四自由度、五自由度等。本文中的機(jī)械手臂主要用于家具材料的噴漆，首先對(duì)機(jī)械手臂的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取，但由于家具行業(yè)中需要進(jìn)行噴漆的材料大多是板面材料之類的，因此需要考慮以下到幾點(diǎn)要求。（1）機(jī)械手臂可以旋轉(zhuǎn)并且輸出端可以伸縮自如。（2）控制精度高。（3）控制方式簡(jiǎn)單以及工作效率高等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)實(shí)際的使用情況和機(jī)械桿件機(jī)構(gòu)的分析進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2。通過(guò)綜合考慮，采用兩臂三關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，其主要由大臂、小臂、支撐部分及活動(dòng)噴嘴部分組成，手臂自由度為四自由度比較實(shí)用，采用自由度較多的手臂使用起來(lái)也較為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)于成本來(lái)說(shuō)也會(huì)大幅度提升。

本文首先通過(guò)組合設(shè)計(jì)繼承現(xiàn)有的機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)，畫出基本的框架圖。并通過(guò)對(duì)噴漆的實(shí)際操作要求對(duì)機(jī)械手臂關(guān)節(jié)處進(jìn)行分析。（1）第一關(guān)節(jié)：為水平移動(dòng)關(guān)節(jié)，選用帶有編碼器的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠直線導(dǎo)軌，使機(jī)械手臂進(jìn)行水平移動(dòng)作業(yè)。移動(dòng)位置可由程序任意設(shè)定，導(dǎo)軌的行程也可定制（標(biāo)準(zhǔn)2m，長(zhǎng)度可由使用要求定制），絲杠直線導(dǎo)軌的限位和校零作用由導(dǎo)軌兩端的電感式接近傳感器進(jìn)行控制。（2）第二關(guān)節(jié)：為機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運(yùn)用帶有精密減速箱的進(jìn)步伺服電機(jī)進(jìn)行控制，在關(guān)節(jié)處采用專用傳感器對(duì)極限位置進(jìn)行校零和檢測(cè)，手臂最大旋轉(zhuǎn)角度為350°。（3）第三關(guān)節(jié)：為大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)用帶有精密減速箱的進(jìn)步伺服電機(jī)進(jìn)行控制，在關(guān)節(jié)處采用專用傳感器對(duì)極限位置進(jìn)行校零和檢測(cè)，大臂最大旋轉(zhuǎn)角度180°。（4）第四關(guān)節(jié)：為小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)用帶有精密減速箱的進(jìn)步伺服電機(jī)進(jìn)行控制，在關(guān)節(jié)處采用專用傳感器對(duì)極限位置進(jìn)行校零和檢測(cè)，小臂最大旋轉(zhuǎn)角度310°。（5）第五關(guān)節(jié)：為噴漆嘴旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運(yùn)用帶有精密減速箱的進(jìn)步伺服電機(jī)進(jìn)行控制，在關(guān)節(jié)處采用專用傳感器對(duì)極限位置進(jìn)行校零和檢測(cè)，噴漆嘴最大旋轉(zhuǎn)角度為340°。

其次本文對(duì)機(jī)械臂身的優(yōu)化。目前我國(guó)智能機(jī)械手臂的研究較多側(cè)重于技術(shù)創(chuàng)新，而忽視了產(chǎn)品造型以及外觀的審美塑造，機(jī)械手的形態(tài)應(yīng)該類似于動(dòng)物的形體輪廓如圖3，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的方法外型顏色可設(shè)計(jì)為紅色，關(guān)節(jié)處用黑色， 這樣使機(jī)械手臂色彩分明，讓機(jī)械具有很強(qiáng)的辨析度，防止發(fā)生意外。

2.3 導(dǎo)軌的選取

機(jī)械手臂設(shè)計(jì)完成后考慮的就是導(dǎo)軌的選取，選取導(dǎo)軌應(yīng)該考慮的條件為：能帶動(dòng)機(jī)械手臂自由滑動(dòng)且操作精度高；導(dǎo)軌的長(zhǎng)度可以由具體環(huán)境和使用要求進(jìn)行確定。通過(guò)對(duì)市面上的導(dǎo)軌進(jìn)行分析，本文選用的是光軸滾珠絲杠直線導(dǎo)軌滑臺(tái)，模型如圖4。這種滑臺(tái)市面上較為普遍，成本不高。

2.4 控制系統(tǒng)的選取

本文通過(guò)對(duì)大量機(jī)械手臂控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以把機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)分成幾大類，主要有運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)這幾類，它們的特點(diǎn)和運(yùn)用如下。

圖2 機(jī)械手臂桿件分析

圖3 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)與外觀

圖4 軸滾珠絲杠直導(dǎo)軌

運(yùn)動(dòng)控制卡是利用大量的編程元件和微型處理器控制多個(gè)步進(jìn)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)，是以PC總線為基礎(chǔ)專為運(yùn)動(dòng)環(huán)境下研發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、D/A輸出等功能。但這種控制方式抗干擾能力弱，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作易出錯(cuò)。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用得非常少，大多用于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中。

單片機(jī)系統(tǒng)主要是在一塊芯片中，集成了存儲(chǔ)器、中央處理器等智能器件，通過(guò)單片機(jī)設(shè)計(jì)外圍電路和程序設(shè)計(jì)而組成的一種控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)成本低且能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本功能，但要控制伺服電機(jī)則顯得能力不足，不夠穩(wěn)定。發(fā)送電子脈沖過(guò)于緩慢，容易受到環(huán)境的干擾。這種系統(tǒng)較多的運(yùn)用在工業(yè)設(shè)備、國(guó)防裝備、電子產(chǎn)品和一些家用設(shè)備等。

PCL是專門為在集成控制環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，它采用的是可編程的存儲(chǔ)器，不僅可以用來(lái)在內(nèi)部存儲(chǔ)和執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、順序控制、算術(shù)運(yùn)算和計(jì)數(shù)等操作的指令，還可以通過(guò)模擬式、數(shù)字式的輸入和輸出，控制多種復(fù)雜類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC這種控制系統(tǒng)控制方便且靈活，抗干擾能力較強(qiáng)，并且開(kāi)發(fā)軟硬件周期短，各種模塊之間組合快捷方便等，所以PLC控制系統(tǒng)是機(jī)器人研發(fā)和設(shè)計(jì)人員的首選系統(tǒng)。PLC控制要比單片機(jī)簡(jiǎn)單，而且實(shí)現(xiàn)的功能更加全面穩(wěn)定。綜合各種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分析選用PCL比較優(yōu)異。

本文選擇高精密級(jí)的驅(qū)動(dòng)裝置有交流、直流伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；傳感器有光電傳感器、脈沖傳感器等，運(yùn)用網(wǎng)路傳感器技術(shù)，控制系統(tǒng)由PLC進(jìn)行控制。手臂的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)通過(guò)PLC高速脈沖輸出進(jìn)行調(diào)控?？稍跊](méi)有人為干擾的情況下，自動(dòng)完成定位、快進(jìn)、工進(jìn)、快退、噴漆等一系列動(dòng)作，具體順序功能圖和硬件接線圖如下圖5、6所示。

圖5 PLC硬件接線圖

圖6 PLC順序功能圖

2.5 裝配及其維修

任何機(jī)械，都是由若干個(gè)最基本的零件構(gòu)成的。因此機(jī)械手臂的裝配過(guò)程十分重要。機(jī)械手臂的裝配應(yīng)嚴(yán)格按照裝配圖紙及其設(shè)計(jì)的要求，裝配過(guò)程所處環(huán)境必須清潔衛(wèi)生，空氣中不允許存在粉塵污染或其他污染，裝配的工具、零件應(yīng)分別放置在專有的擺放措施上。在原則上，工具和零件是不允許直接擺放在機(jī)器上或地上，應(yīng)該擺放在地毯或防護(hù)墊上，以保證機(jī)械手臂裝配的精確性。但由于機(jī)械手臂的軌道較長(zhǎng)，需要的空間相對(duì)較長(zhǎng)，在進(jìn)行布置時(shí)應(yīng)該按照設(shè)施規(guī)劃來(lái)進(jìn)行合理的放置。

機(jī)械手臂維修應(yīng)該按照以下進(jìn)行考慮。首先，所規(guī)定的維修原則必須能保證機(jī)械手臂通過(guò)維修達(dá)到使用要求，且可靠性、耐用性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)，在維修不能工作的機(jī)械手臂系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該盡量選擇購(gòu)買零部件，代替購(gòu)買整套機(jī)械噴漆系統(tǒng)，從而達(dá)到組合設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效果，也有利于機(jī)械手臂維修工作的開(kāi)展。

3 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用模塊化與組合設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一款適應(yīng)性強(qiáng)，控制精度高的家具業(yè)噴漆機(jī)。通過(guò)對(duì)機(jī)械手臂的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及外型優(yōu)化，結(jié)合工作環(huán)境的因素對(duì)機(jī)械手臂的移動(dòng)軌道進(jìn)行選取，同時(shí)對(duì)常用的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，使機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)得到最優(yōu)化，從而使整個(gè)機(jī)械手臂達(dá)到科學(xué)性、實(shí)用性、美觀性、合理性。目前，我國(guó)對(duì)機(jī)械手臂的研究方向主要是對(duì)機(jī)械手臂的創(chuàng)新與開(kāi)發(fā)，這些過(guò)程都是異常艱難和漫長(zhǎng)的，在此同時(shí)我們也應(yīng)該運(yùn)用各種方法使現(xiàn)有的機(jī)械手臂發(fā)揮更多更強(qiáng)的作用。

[1]李田春．標(biāo)準(zhǔn)化概論（第六版）[M]．北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2016:95．

[2]馮自濤．噴漆工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．武漢理工大學(xué),2013．

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