CN110180720A - 一种管道式智能喷涂机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道式智能喷涂机器人及其工作方法，属于智能制造喷涂领域，一种管道式智能喷涂机器人，包括机架、多轮驱动单元和预紧变径机构三部分。通过在机架本体上面设置三个多轮驱动单元，且所述驱动轮呈120°分布，同时将驱动电机和驱动轮固定在同一支架上，简化了驱动单元，节省了设计空间。为了有效避免驱动轮打滑的现象，在所述驱动轮的外围包围着橡胶材料，有效的增加了静态摩擦系数，同时具有较好的弹性，同时驱动电机和驱动轮的传动方式采用同步带，在传动过程汇总保持恒定的出传动比，并且传动平稳，有一定的缓冲，减振能力，同时在使用过程中能方便的对其维护和保养。

Description

一种管道式智能喷涂机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于智能制造喷涂领域，具体涉及一种管道式智能喷涂机器人及其工作方法。

背景技术

管道作为一种重要的运输工具，在生产占有重要的地位，对管道进行喷涂作业是一些管道生产制造时的重要工艺。管道内壁喷涂是许多管道在生产制造时的必备工艺，喷涂不同的材料可以起到防止管道内壁氧化和腐蚀、降低管道摩阻、增加管输量等作用。近年来，随着管道在各行业的广泛应用，管道内壁的喷涂工艺逐渐得到人们的重视。而现阶段针对一些喷涂要求不高，直径较大的管道内壁喷涂通常会采取人工喷涂的方式。

人工喷涂方式获得的表面涂层质量主要取决于喷涂工人的熟练程度，往往具有工作效率较低、工人劳动强度大、损害喷涂工人身体健康以及浪费涂料等众多弊端。而且，当遇到一些长度比较长、直径较小或者弯曲角度较大的管道时，喷涂工人就无法完成喷涂作业，这种情况下往往需要改变管道的设计。

但现有的管道喷涂参数设定及管道喷涂机器人具有很大的局限性，不能很好的完成自动喷涂工作，传统的管道机器人，行走驱动装置，利用三轴机械差速原来实现，但是这种机械结构比较复杂，占用空间大并且容易出现交叉打滑的现象。

发明内容

发明目的：提供一种管道式智能喷涂机器人及其工作方法及其工作方法，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种管道式智能喷涂机器人，包括；

机架，包括设呈圆柱形的机架本体，设置在所述机架本体两端的前盖和底盘以及一端固定在所述前盖上面，另一端固定在所述底盘上面的连杆；

多轮驱动单元，包括设置在所述机架本体上面的驱动底座，固定在所述驱动底座一端的第一预紧变径电机和活动支架，设置在所述驱动底座上面并与所述第一预紧变径电机的转动端连接的丝杆，设置在所述丝杆上面的滑套和阻尼器，设置在所述活动支架上面的从动轮，滑动配合设置在所述驱动底座另一端的驱动支架，设置在所述驱动支架上面的驱动轮，设置在所述驱动支架上面的驱动电机，同时设置在所述驱动轮和所述驱动电机上面的同步带，以及设置在所述阻尼器一端的预紧变径螺母。

在进一步实例中，所述机架布置三个多轮驱动单元，且每个驱动轮呈120°均匀布置，能够具备运动速度稳定，有通过弯管和变径能力。

在进一步实例中，所述多轮驱动单元上面设有预紧变径机构。

在进一步实例中，所述预紧变径机构，包括设置在驱动支架上面的变径电机和行走轮支架，设置在所述行走轮支架一端的行走轮，设置在前述丝杆上面的预紧弹簧，所述在所述预紧弹簧一端的预紧螺母，以及设置在所述丝杆一端的变径电机，能够使得管道机器人在管内行走保持一定的正压力，能够产生足够的驱动能力。

在进一步实例中，所述底盘具有多个环形部分，并且所述环形部门沿着所述底盘的轴线方向逐渐缩小。

在进一步实例中，所述驱动轮的外围包围橡胶材料，能够保证驱动轮在不同直径的管道接触的需要，外围的橡胶材料具有较好的弹性和较大的静摩擦系数。

在进一步实例中，所述驱动轮的两端设深沟球轴承，能够减小驱动轮运动时的摩擦阻力。

在进一步实例中，所述驱动支架、活动支架、行走轮支架、前盖、底盘和驱动底座均采用7系列的铝合金材料，能够减轻其本体重量，也能够满足零部件的机械强度。

在进一步实例中，一种管道式智能喷涂机器人的工作方法，包括如下步骤；

S1、将驱动单元放入喷涂的管道中，启动机器人；

S2、控制电机带动丝杆旋转使得预紧螺母运动到合适的位置，得到驱动轮和管壁的正压力；

S3、当管道喷涂机器人在直管内运行时，驱动轮和管壁正压力保持三轮同速；

S4、当管道喷涂机器人在圆形弯管时；

S5、从动轮在驱动轮的匀速驱动下最先在弯管内运动，在行走过程中，多轮驱动单元与管道的周向夹角不发生变化，互成120°夹角的行走轮速度是不同，此时驱动轮保持一定的变速差关系；

S6、驱动单元通过圆形弯管时，从动轮在驱动轮的均速驱动下先在弯管内运动，在行走中，同一方向的驱动轮和从动轮在管道的同一位置的运动速度是一致的，且驱动轮通过某一位置的速度直接安装从动轮通过这一位置的速度运动；

S7、当驱动轮进去弯管部分，运行速度按照前轮的数据进行调整，保持机体速度按照前轮速度运行，直到驱动轮走出弯管部分；

S8、喷涂机器人在喷涂管道中工作，直至管内喷涂工作结束。

有益效果：一种管道式智能喷涂机器人及其工作方法，通过在机架本体上面设置三个多轮驱动单元，且所述驱动轮呈120°分布，同时将驱动电机和驱动轮固定在同一支架上，简化了驱动单元，节省了设计空间。为了有效避免驱动轮打滑的现象，在所述驱动轮的外围包围着橡胶材料，有效的增加了静态摩擦系数，同时具有较好的弹性，同时驱动电机和驱动轮的传动方式采用同步带，在传动过程汇总保持恒定的出传动比，并且传动平稳，有一定的缓冲，减振能力，同时在使用过程中能方便的对其维护和保养。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明中的多轮驱动单元的结构示意图。

图4为本发明中预紧变径机构的结构示意图。

图5为本发明中的多轮驱动单元的局部放大图。

图中各附图标记为：机架1、多轮驱动单元2、第一预紧变径电机201、阻尼器202、从动轮203、预紧变径螺母204、驱动轮205、驱动电机206、丝杆207、驱动支架208、驱动底座209、活动支架210、滑套211、同步带212、第一支架213、第二支架214、预紧变径机构3、行走轮301、行走支架302、预紧弹簧303、变径电机304、预紧螺母305、管壁306、橡胶材料8、前盖7、连杆6、底座5、深沟球轴承10、环形部分11。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图5所示一种管道式喷涂机器人，包括机架1、多轮驱动单元2和预紧变径机构3三部分。

如图1和图2所示，机架1，包括机架1本体、前盖7、连杆6、底座5和环形部分11；前盖7安装在机架1本体前端，底盘安装在所述机架1本体的后端，连杆6的两端分别连接着前盖7和底座5，连杆6的一端安装在前盖7上面，连杆6的另一端安装在底座5上面。

管道作为一种特殊的曲面，同时考虑到机器人的行走方式，决定了管道喷涂时的特殊性，轮式管道喷涂机器人的驱动单元主要要求结构简单、尺寸小、拥有足够的驱动力和较低转速，在进行弯管喷涂时，对管道喷涂机器人的要求实现匀速进给和顺利通过弯曲处。

在进一步实例中，所述底盘具有多个环形部分11，并且所述环形部门沿着所述底盘的轴线方向逐渐缩小。

所述机架1设置成圆柱形，其机架1本体上面设置了三个多轮驱动单元2，且每个多轮驱动单元2呈120°均匀布置，进而每个驱动轮205也是呈120°布置。

如图3所示，多轮驱动单位，包括第一预紧变径电机201、阻尼器202、从动轮203、预紧变径螺母204、驱动轮205、驱动电机206、丝杆207、驱动支架208、驱动底座209、活动支架210、滑套211、同步带212、橡胶材料8和深沟球轴承10。

驱动底座209设置在所述机架1本体的上面，第一预紧变径电机201和活动支架210固定在所述驱动底座209的端部丝杆207设置在所述驱动底座209上面并与所述第一预紧变径电机201的转动端连接，滑套211滑动配合设置在所述丝杆207轴面上，阻尼器202滑动配合设置到丝杆207上面并且位于阻尼器202端部，从动轮203设置在所述活动支架210的上面，驱动支架208滑动配合设置在所述驱动底座209的另一端，驱动轮205设置在所述驱动支架208的上面，驱动电机206设置在所述驱动支架208的上面，同步带212同时设置在所述驱动轮205和所述驱动电机206的上面，预紧变径螺母204设置在所述阻尼器202的一端，为了活动支架210能够活动，活动支架210，包括第一支架213和第二支架214，第一支架213的一端设置在所述滑块上面，第一支架213的另一端与第二支架214的一端转动配合设置在一起来，第二支架214的另一端固定在所述驱动底座209的端部，从动轮203设置在所述第二支架214端部。

在进一步实例中，深沟球轴承安装所述驱动轮的两端，能够减小驱动轮运动时的摩擦阻力。

在进一步实例中，为了有效避免驱动轮205打滑，在所述驱动轮205外围包围着橡胶材料8，有利于增加静态摩擦系数，同时也具有较好的弹性，为了进一步的优化运动时的缓冲和减振能力，同时增加传动的平稳性，提高喷涂机器人的工作效率，在所述驱动电机206和驱动轮205上面设置了同步带212，采用同步带212的传动方式，由于驱动方式同步带212的传动方式，能使得传动过程保持恒定的传动比，并且传动平稳，有一点缓冲、减振能力，同时也方便使用过程中对其维护和保养。

在进一步实例中，为了简化多轮驱动单元2的结构，节省设计空间，将所述驱动电机206和驱动轮205同时固定安装同一个支架上面，将所述驱动电机206和驱动轮205同时固定安装驱动支架208上面。由于该机器人采用三个多轮式驱动单元，为了使三轮式的管道机器人获得更较大的驱动力，在每个驱动轮205上面都安装了独立的驱动电机206，且该驱动电机206选用永磁式力矩电机，力矩电机在输出扭矩上与同等尺寸和重量的其他电机相比有很强的优势，可以达到低速大扭矩的动力输出要求，同时在伺服驱动器的高校控制下，能够精确的输送动力。

如图4所示，为了使的机器人在管内行走保持驱动轮205和管壁306之间正压力，产生足够的驱动能力，虽然机器人自身的重量也充当了一部分的驱动轮205和管壁306之间的压力，但是这个压力是有限的，同时三个驱动轮205式呈120°的均布布置的，重力最多能够对两个驱动轮205有效，因此在每个多轮驱动单元2上面都安装了预紧变径机构3，即保证了正常驱动又增加了管壁306之间的正压力。

预紧变径机构3，包括行走轮301、行走支架302、预紧弹簧303、变径电机304和预紧螺母305；变径电机304设置在驱动支架208的上面，行走轮301支架同时也安装在驱动支架208的上面，电机和丝杆207设计在驱动支架208内，大大提高了机架1的空间利用率，行走轮301设置在所述行走轮301支架的一端，预紧弹簧303设置在前述丝杆207的上面，所述在所述预紧弹簧303一端的预紧螺母305，变径电机304设置在所述丝杆207的端部，装有预紧弹簧303的丝杆207保证了预紧变径机构3需求也给行走轮301增添了柔性装置，在工作时，丝杆207为预紧螺母305提供轴向力，行走轮301与管壁306相互作用力，行走轮301支架与预紧弹簧303阻尼器202之间相互作用力，。

在进一步实例中，所述驱动支架208、活动支架210、行走轮301支架、前盖7、底盘和驱动底座209均采用7系列的铝合金材料，既能够减轻其本体重量，也能够满足零部件的机械强度。

在进一步实例中，驱动单元在圆形弯管内要想按照预定的行走状态运行，必然要合理控制三个驱动轮205的运动方式，进而使得驱动单元符合位置要求。显然，驱动管道喷涂机器人在通过圆形弯管的过程中，互成120°夹角的行走轮301的行走速度是不同的，此时三个驱动轮205需保持一定的差速关系，利用三轴机械差速原理来实现，但这种方式的机械机构比较复杂、占用空间大并且容易出现交叉轴打滑现象。为了克服这些问题，本机器人采用三个独立的力矩电机，两种不同的控制方式来实现三轮差速动单元通过圆形弯管时，从动轮203在驱动轮205的匀速驱动下最先在弯管内运动，在行走过程中驱动单元与管道的周向夹角也不发生变化，因此可以近似看作同一方向的驱动轮205和从动轮203在管道同一位置的运动速度是一致的，因此在进行弯管喷涂时，对管道喷涂机器人能够匀速进给，并且顺利通过弯曲处。驱动轮205在某一位置时的速度直接按照从动轮203通过这一位置时的速度来运行便可，这就是状态复制原理。通过速度传感器测得三个前轮的实时速度，并安装了增量式旋转编码器。这种编码器通过被测轴带动光栅盘旋转，光栅盘转动就能够产生按一定规律变化的脉冲。控制器实时获取这些脉冲信号，并对其施加一定的算法就能够得到所测量的速度数据。增量式旋转编码器体积较小、精度高并且价格低廉，因此非常适用于从动轮203的速度采集。

在进一步实例中，一种管道式智能喷涂机器人的工作方法，包括如下步骤；将驱动单元放入喷涂的管道中，启动机器人；控制电机带动丝杆207旋转使得预紧螺母305运动到合适的位置，得到驱动轮205和管壁306的正压力；当管道喷涂机器人在直管内运行时，驱动轮205和管壁306正压力保持三轮同速；当管道喷涂机器人在圆形弯管时；从动轮203在驱动轮205的匀速驱动下最先在弯管内运动，在行走过程中，多轮驱动单元2与管道的周向夹角不发生变化，互成120°夹角的行走轮301速度是不同，此时驱动轮205保持一定的变速差关系；驱动单元通过圆形弯管时，从动轮203在驱动轮205的均速驱动下先在弯管内运动，在行走中，同一方向的驱动轮205和从动轮203在管道的同一位置的运动速度是一致的，且驱动轮205通过某一位置的速度直接安装从动轮203通过这一位置的速度运动；当驱动轮205进去弯管部分，运行速度按照前轮的数据进行调整，保持机体速度按照前轮速度运行，直到驱动轮205走出弯管部分；喷涂机器人在喷涂管道中工作，直至管内喷涂工作结束。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于，包括

机架，包括设呈圆柱形的机架本体，设置在所述机架本体两端的前盖和底盘，以及一端固定在所述前盖上面，另一端固定在所述底盘上面的连杆；

多轮驱动单元，包括设置在所述机架本体上面的驱动底座，同时固定在所述驱动底座一端的第一预紧变径电机和活动支架，设置在所述驱动底座上面并与所述第一预紧变径电机的转动端连接的丝杆，设置在所述丝杆上面的滑套和阻尼器，设置在所述活动支架上面的从动轮，滑动配合设置在所述驱动底座另一端的驱动支架，设置在所述驱动支架上面的驱动轮，设置在所述驱动支架上面的驱动电机，同时设置在所述驱动轮和所述驱动电机上面的同步带，以及设置在所述阻尼器一端的预紧变径螺母。

2.根据权利要求1所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述机架布置三个多轮驱动单元，且每个驱动轮呈120°均匀布置。

3.根据权利要求1所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述多轮驱动单元上面设有预紧变径机构。

4.根据权利要求3所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述预紧变径机构，包括设置在驱动支架上面的预紧电机和行走轮支架，设置在所述行走轮支架一端的行走轮，设置在前述丝杆上面的预紧弹簧，所述在所述预紧弹簧一端的预紧螺母，以及设置在所述丝杆一端的预紧电机。

5.根据权利要求1所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述底盘具有多个环形部分，并且所述环形部门沿着所述底盘的轴线方向逐渐缩小。

6.根据权利要求1所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述驱动轮的外围包围橡胶材料。

7.根据权利要求1所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述驱动轮的两端设深沟球轴承。

8.根据权利要求1所述的一种管道式智能喷涂机器人，其特征在于：所述驱动支架、活动支架、行走轮支架、前盖、底盘和驱动底座均采用7系列的铝合金材料。

9.一种管道式智能喷涂机器人的工作方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1、将驱动单元放入喷涂的管道中，启动机器人；

S2、控制电机带动丝杆旋转使得预紧螺母运动到合适的位置，得到驱动轮和管壁的正压力；

S3、当管道喷涂机器人在直管内运行时，驱动轮和管壁正压力保持三轮同速；

S4、当管道喷涂机器人在圆形弯管时；

S5、从动轮在驱动轮的匀速驱动下最先在弯管内运动，在行走过程中，多轮驱动单元与管道的周向夹角不发生变化，互成120°夹角的行走轮速度是不同，此时驱动轮保持一定的变速差关系；

S6、驱动单元通过圆形弯管时，从动轮在驱动轮的均速驱动下先在弯管内运动，在行走中，同一方向的驱动轮和从动轮在管道的同一位置的运动速度是一致的，且驱动轮通过某一位置的速度直接安装从动轮通过这一位置的速度运动；

S7、当驱动轮进去弯管部分，运行速度按照前轮的数据进行调整，保持机体速度按照前轮速度运行，直到驱动轮走出弯管部分；

S8、喷涂机器人在喷涂管道中工作，直至管内喷涂工作结束。