CN111408494A - 轨道式喷涂机器人 - Google Patents

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Abstract

一种轨道式喷涂机器人，包括：依次设置的轨道装置、轨道小车和喷涂装置以及分别与之相连的操控装置，操控装置分解运动轨迹并发送控制指令分别至轨道装置、轨道小车和喷涂装置的对应执行器。轨道小车包括：车体、行走机构、回转机构和驱动机构。喷涂装置包括：依次连接的配重块、水平回转伸缩臂、分段管节、五轴机械手臂和喷枪。轨道装置包括：永磁吸盘和钢轨。本发明通过水平回转伸缩臂、轨道小车和五轴机械手臂的组合，可以使固定轨道的喷涂机器人喷枪绕过大型分段构件底部分散的支墩，完成分段底面的非结构面与结构面的喷涂作业。不仅提高了喷涂质量，还大大节省了成本投入，提高了生产效率，避免了喷涂过程对工人的健康影响。

Description

轨道式喷涂机器人
技术领域
本发明涉及的是一种船舶智能制造领域的技术，具体是一种轨道式喷涂机器人。
背景技术
因船舶产品具有非标准化和定制化特点，特别是船舶分段喷涂受船舶的结构形式复杂多 样、作业条件要求严格等因素制约，给船企在喷涂自动化与机器人应用上带来了一定困难。智 能自动喷涂系统发展至今，国内水平相对较低以实验原型和应用原型居多。国内由于缺乏强有 力的系统开发工具，限制了开发效率和水平。
喷涂机器人可以有效提高喷涂效率，提高喷涂质量，避免了人体与有毒有害物质的接触。 现有的分段喷涂机器人以是小型爬吸式机器人为主，机器人的自重、负载和喷涂速度均较小， 导致喷涂效率低下、喷涂质量差。而且受电磁铁吸附力的限制，爬吸式机器人只适用于船舶分 段侧面垂直的非结构面喷涂，而不能用于船舶分段底部结构面与非结构面喷涂。而船舶分段架 空高度有限，底部存在大量分段支墩，普通的半自动喷涂机械装置无法进入分段底部喷涂。且 当前的喷涂机装备只能完成喷砂或喷漆中的一种工作，不具备喷漆、喷砂的兼容喷涂能力。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种轨道式喷涂机器人，通过水平回转伸缩 臂、轨道小车和五轴机械手臂的组合，可以使固定轨道的喷涂机器人喷枪绕过大型分段构件底 部分散的支墩，完成分段底面的非结构面与结构面的喷涂或喷砂的作业。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：依次设置的轨道装置、轨道小车和喷涂装置以及分别与之相连的操控装置， 其中：操控装置分解运动轨迹并发送控制指令分别至轨道装置、轨道小车和喷涂装置的对应执 行器。
所述的操控装置包括：工控机和嵌入式控制单元，其中：工控机将三维船舶分段图纸转 化为嵌入式控制单元可读取的喷涂机器人的运动控制代码，嵌入式控制单元读取工控机发送的 运动控制代码并进行坐标分解，分别向轨道装置、轨道小车和喷涂装置的对应执行器发送位置、 速度、加速度控制指令并将各执行器的状态通过网络输出。
所述的轨道小车包括：车体、行走机构、回转机构和驱动机构，其中：行走机构设置于 车体底部并与轨道装置滑动连接，驱动机构设置于车体内并控制行走机构在轨道装置上移动， 回转机构设置于车体上并与喷涂装置相连。
所述的行走机构包括：胶轮和驱动轴，其中：胶轮设置于驱动轴上。
所述的回转机构包括：回转驱动部分和回转轴，其中：回转驱动部分设置于车体内，回 转轴设置于车体上并与喷涂装置相连，回转驱动部分控制回转轴三百六十度旋转。
所述的回转驱动部分包括：第一减速机、第一防爆伺服电机和第一伺服控制器，其中： 第一伺服控制器与第一防爆伺服电机相连，第一防爆伺服电机与第一减速机相连，第一减速机 与回转轴相连。
所述的回转轴包括：第一齿轮、内齿轮圈和轴承，其中：第一齿轮设置于内齿轮圈内， 轴承设置于内齿轮圈两侧并与轨道小车相连。
所述的驱动机构包括：第二减速机、第二防爆伺服电机和第二伺服控制器，其中：第二 伺服控制器与第二防爆伺服电机相连，第二防爆伺服电机与第二减速机相连，第二减速机与行 走机构相连。
所述的喷涂装置包括：依次连接的配重块、水平回转伸缩臂、五轴机械手臂和喷枪，其 中：水平回转伸缩臂与轨道小车相连。
所述的水平回转伸缩臂包括：伸缩臂管节、分段管节和设置于其内的伸缩臂驱动机构和 伸缩臂伸缩机构，其中：伸缩臂管节为矩形截面，管壁厚度5mm；伸缩臂驱动机构控制伸缩臂 伸缩机构进行伸缩移动。
所述的伸缩臂驱动机构包括：第三防爆伺服电机、第三伺服控制器和防爆行星齿轮减速 机，其中：第三伺服控制器与第三防爆伺服电机相连，第三防爆伺服电机与防爆行星齿轮减速 机相连，防爆行星齿轮减速机与水平回转伸缩机构相连。
所述的伸缩臂伸缩机构包括：第二齿轮、避让槽、齿条，其中：第二齿轮设置于齿条内， 齿条与避让槽相配合。
所述的五轴机械手臂最大臂展可达1.8m，末端负载重量20kg，用于小范围精确控制喷 枪位置及喷射角度，五轴机械手臂包括，驱动机构、机械臂关节和用于安装固定喷枪的喷枪夹 具，其中：驱动机构包括五套由伺服电机、伺服驱动器及齿轮传动装置组成的驱动单元，机械 臂关节包括机械臂壳体、轴承、法兰盘。
所述的轨道装置包括：永磁吸盘和钢轨，其中：钢轨设置于永磁吸盘上。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、采用了水平回转伸缩臂、轨道小车和五轴机械手臂的组合，可以使固定轨道的喷涂 机器人喷枪绕过大型分段构件底部分散的支墩，完成分段底面的非结构面与结构面的喷涂作业。
2、通过控制喷枪的小范围精确运动，对非结构面、结构面均可以喷涂。通过机械手臂 摆动并配合喷漆或喷砂流量的控制，可以精确控制漆膜厚度，提高喷涂质量，节省了喷涂过程 中压缩空气、油漆和钢砂的消耗。
3、具有较好的喷漆、喷砂兼容性，大大节省了成本投入。
4、采用可拆卸式的磁吸式轨道便于喷涂机器人快速拆卸与重新布置，避免喷涂机器人 阻碍分段运输。
5、全自动化喷涂功能使得单人在操作室内便可操作喷涂机器人，提高了生产效率，避 免了喷涂过程对工人的健康影响。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明轨道小车结构示意图；
图3为本发明水平回转伸缩臂结构示意图；
图4为本发明车间结构布置图；
图5为五轴机械手臂示意图；
图中：喷涂装置1、轨道小车2、操控装置3、轨道装置4、工控机5、嵌入式控制单元6、车体7、行走机构8、回转机构9、驱动机构10、胶轮11、驱动轴12、第二减速机13、第 二防爆伺服电机14、第二伺服控制器15、回转驱动部分16、回转轴17、第一减速机18、第 一防爆伺服电机19、第一伺服控制器20、第一齿轮21、内齿轮圈22、轴承23、配重块24、 水平回转伸缩臂25、分段管节26、五轴机械手臂27、伸缩臂管节28、伸缩臂驱动机构29、 伸缩臂伸缩机构30、第三防爆伺服电机31、第三伺服控制器32、防爆行星齿轮减速机33、第 二齿轮34、避让槽35、齿条36、永磁吸盘37、钢轨38、喷枪39、第一伸缩臂管节40、第二 伸缩臂管节41、铜石墨合金轴套42、轮轴43、减速机输入轴44、减速机输出轴45、载人平 台46、线缆与管路47、第一收线器48、第二收线器49、集控台50、网线51、玻璃监控窗52、 电气柜53、高压气罐54、油漆罐55、钢砂罐56、船体分段57、分段支墩58、喷枪夹具59， 机械臂关节60。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种轨道式喷涂机器人，其中包含：喷涂装置1、轨道 小车2、操控装置3和轨道装置4，其中：轨道小车2设置于轨道装置4上，喷涂装置1设置于轨道小车2上，操控装置3分解运动轨迹并发送控制指令分别至轨道装置、轨道小车和喷涂 装置的对应执行器。
所述的操控装置3包括：工控机5和嵌入式控制单元6，其中：工控机5将三维船舶分段图纸转化为嵌入式控制单元可读取的喷涂机器人的运动控制代码，嵌入式控制单元读取工控 机发送的机器人运动控制代码并进行坐标分解，分别向轨道装置、轨道小车和喷涂装置的对应 执行器发送位置、速度、加速度控制指令并将各执行器的状态反馈到工控机5上。
所述的工控机5包括：无风扇全封闭式机箱、防爆监控显示器，其中：全封闭式机箱表 面布有防止机箱过热的散热片；工控机机箱通过网线21与集控台50相连，接收需要喷涂分段 的3维数据，由工控机5内部的路径规划软件规划喷枪39的运动轨迹；人工操作时，集控台 50向工控机5直接发送机器人动作指令，再由嵌入式控制单元6处理指令后对喷涂机器人的 姿态进行调整；工控机机箱与嵌入式控制单元6通过工业网线连接，向嵌入式控制单元6传 输喷涂机器人喷枪的运动路径规划，接收嵌入式控制单元6传回的喷涂机器人各部件的实时位 置信息并经过上位机软件处理后在集控台的显示器上显示喷涂机器人的当前运行状态；工控机 的防爆监控显示器包括：显示器和防爆壳，防爆壳为不锈钢外壳，表面设置有钢化玻璃，钢化 玻璃与不锈钢外壳之间嵌入密封条；不锈钢防爆壳上设有两个O型密封圈，封圈内通过显示器 电源线与显示器数据线；显示器数据线与工控机机箱相连。
所述的嵌入式控制单元6包括：控制模块和触摸屏，其中：控制模块通过工业网线与工 控机5相连，通过TCP/IP协议进行相互通信；
所述的通信过程为：控制模块内置驱动程序，将工控机5发送的喷枪39的运动路径参 数转化为喷涂机器人上各伺服电机的转速、旋转角度参数并发送给各电机控制器；控制模块的 驱动程序根据喷枪39的运动速度、现场温度、湿度，调整钢砂或油漆的流量；控制模块通过 PROFIBUS-DP现场总线与高压电管理箱、伺服控制器、五轴机械手臂控制器、喷枪控制器进行 通讯，发送或接受控制器的运动参数；控制模块通过远程I/O模块、AD采集模块、变送器模 块采集机器人上各传感器信息；控制模块通过RS232接口与触摸屏通讯；触摸屏内安装了操作 界面程序，通过操作触摸屏选择喷漆或喷砂的工艺。
所述的轨道小车2包括：车体7、行走机构8、回转机构9和驱动机构10，其中：行走机构8设置于车体7底部并与钢轨38滑动连接，驱动机构10设置于车体7内并控制行走机构8在钢轨38上移动，回转机构9设置于车体7上并与水平回转伸缩臂25相连。
所述的行走机构8包括：胶轮11和驱动轴12，其中：驱动轴12设置于胶轮11上。
所述的驱动机构10包括：第二减速机13、第二防爆伺服电机14和第二伺服控制器15， 其中：第二伺服控制器15与第二防爆伺服电机14相连，第二防爆伺服电机14与第二减速机 13相连，第二减速机13与驱动轴12相连。
所述的驱动机构10工作时，由第二伺服控制器15驱动第二防爆伺服电机14旋转，第 二防爆伺服电机14再带动第二减速机13的输入轴旋转；通过第二减速机13的齿轮组将转速 降低后，第二减速机13的输出轴直接连接到驱动轴12上；第二防爆伺服电机14采用永磁同 步电机，采用旋变反馈用于反馈电机旋转角度与转速；第二伺服控制器15通过PROFIBUS-DP 现场总线与控制模块相连，驱动电源采用380V动力电；第二伺服控制器15为第二防爆伺服电 机14供电、定位以及对加速度进行控制，使本发明可以平顺运行。
所述的回转机构9包括：回转驱动部分16和回转轴17，其中：回转驱动部分16设置于车体7内，回转轴17设置于车体7上并与水平回转伸缩臂25相连，回转驱动部分16控制 回转轴17三百六十度旋转。
所述的回转驱动部分16包括：第一减速机18、第一防爆伺服电机19、第一伺服控制器20，其中：第一伺服控制器20与第一防爆伺服电机19相连，第一防爆伺服电机19与第一减速机18相连，第一减速机18与回转轴17相连。
所述的回转轴17包括：第一齿轮21、内齿轮圈22和轴承23，第一齿轮21为油性尼龙材料，其中：第一齿轮21设置于内齿轮圈22内并与第一减速机18的输出法兰相连，轴承23设置于内齿轮圈22两侧并与轨道小车2相连。
所述的喷涂装置1包括：依次连接的配重块24、水平回转伸缩臂25、分段管节26、五轴机械手臂27和喷枪39，其中：水平回转伸缩臂25与轨道小车2相连。
所述的水平回转伸缩臂25包括：伸缩臂管节28和设置于其内的伸缩臂驱动机构29和伸缩臂伸缩机构30，其中：伸缩臂驱动机构29设置于伸缩臂管节28顶端，伸缩臂驱动机构29控制伸缩臂伸缩机构30进行伸缩移动。
所述的伸缩臂管节28的截面为矩形形状，伸缩臂管节28包括：第一伸缩臂管节40和 第二伸缩臂管节41，其中：第一伸缩臂管节40和第二伸缩臂管节41通过铜石墨合金轴套42 嵌入相连。
所述的第一伸缩臂管节40和第二伸缩臂管节41的管壁最小厚度大于5mm，外表面设 有若干限位传感器与超声波传感器。限位传感器用于监测水平回转伸缩臂25的伸缩长度，当 伸缩臂管节28过度伸出或过度收回时，会触发急停装置；超声波传感器用于监测水平回转伸 缩臂25四周的障碍物，当水平回转伸缩臂25与障碍物距离过小时，触发急停装置，防止水平 回转伸缩臂25与周边障碍物发生碰撞。
所述的伸缩臂驱动机构29包括：第三防爆伺服电机31、第三伺服控制器32、防爆行星齿轮减速机33，其中：第三伺服控制器32与第三防爆伺服电机31相连，第三防爆伺服电机31与防爆行星齿轮减速机33相连，防爆行星齿轮减速机33与水平回转伸缩机构25相连。
所述的伸缩臂伸缩机构25包括：第二齿轮34、避让槽35和齿条36，第二齿轮34为油性尼龙材料，齿条36为钢尺条，其中：第二齿轮34设置于齿条36内并设置于防爆行星齿轮减速机33的输出轴上，齿条36与避让槽35相配合。
如图5所示，所述的五轴机械手臂27包括：驱动机构、五组机械臂关节60和用于安装固定喷枪39的喷枪夹具59，其中：驱动机构包括五套由伺服电机、伺服驱动器及齿轮传动装置组成的驱动单元，每组机械臂关节包括机械臂壳体、轴承、法兰盘，喷砂时，喷枪39采用喷砂枪并连接高压气路与喷砂管路；喷漆时，拆卸喷砂枪替换为喷漆枪并连接高压气路与喷 漆管路。
所述的轨道装置4包括：永磁吸盘37和钢轨38，其中：钢轨38设置于永磁吸盘37上，永磁吸盘37用铆钉固定在钢轨12的两边。当需要钢轨38时，调整好钢轨38位置后，压 下永磁吸盘37上的手柄，永磁吸盘37内的磁铁降到底部，吸附在车间底部钢板上。当所有永磁吸盘37的手柄都压下后，钢轨38固定完毕。需要移走钢轨38时，抬起永磁吸盘37的手柄，磁铁被拉离钢板。当磁铁距离钢板一定距离后，吸力大幅减小，钢轨38便可以被抬起并更换安装位置。
如图4所示的车间结构布置图，还包括：载人平台46、线缆与管路47、坦克拖链、用于控制喷涂机器人线缆与管路的长度与运动的第一收线器48和第二收线器49、电气柜53、集 控台50、船体分段57和分段支墩58，其中：车间划分为办公区域和喷涂区域，办公区域的集 控台50通过网线51与工控机5相连，组成局域网；操作人员在办公区域内通过玻璃监控窗 52与集控台50监控喷涂机器人的运行状态并对喷涂机器人实施控制；工控机5与嵌入式控制 单元6通过工业网线相连；嵌入式控制单元6的输出端与电气柜53相连，电气柜53同时作 为喷涂机器人的动力电电源；线缆与管路47分别与从车间地面的电气柜53、高压气罐54、油 漆罐55、钢砂罐56接出；线缆与管路47装入坦克拖链内后，依次连接到第二收线器49、轨 道小车2、水平回转伸缩臂25、第一收线器48、伸缩臂管节28、五轴机械手臂27和喷枪39； 载人平台46与配重块24分别设置于伸缩臂管节28的两端；船体分段57压载在分段支墩58 上；坦克拖链设置于第一收线器48和第二收线器49上，第一收线器48设置于轨道装置4末 端，第二收线器49设置于轨道小车2上。
所述的载人平台46包括：控制喷涂机器人整体移动的控制台、工装夹具和用于搭载工 人进行喷涂的钢结构平台。
所述的线缆与管路47包括：电源线、现场总线、传感器信号线、油漆管路、喷砂管路和高压气路，其中：电源线、现场总线与控制器相连；线缆外部包裹护线管，护线管为铜合金编织物，护线管接地；电源线、现场总线、传感器信号线设置于护线管内；油漆管路、喷砂管路、高压气路分别与油漆罐、钢砂罐和高压气罐相连；护线管、油漆管路、喷砂管路、高压气路均固定设置于坦克拖链内；喷涂机器人运动时，坦克拖链从第一收线器48和第二收线器49 内拉出或被其中。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种轨道式喷涂机器人，其特征在于，包括：依次设置的轨道装置、轨道小车和喷涂装置以及分别与之相连的操控装置，其中：操控装置分解运动轨迹并发送控制指令分别至轨道装置、轨道小车和喷涂装置的对应执行器；
所述的操控装置包括：工控机和嵌入式控制单元，其中：工控机将三维船舶分段图纸转化为嵌入式控制单元可读取的喷涂机器人的运动控制代码，嵌入式控制单元读取工控机发送的运动控制代码并进行坐标分解，分别向轨道装置、轨道小车和喷涂装置的对应执行器发送位置、速度、加速度控制指令并将各执行器的状态通过网络输出；
所述的轨道小车包括：车体、行走机构、回转机构和驱动机构，其中：行走机构设置于车体底部并与轨道装置滑动连接，驱动机构设置于车体内并控制行走机构在轨道装置上移动，回转机构设置于车体上并与喷涂装置相连；
所述的喷涂装置包括：依次连接的配重块、水平回转伸缩臂、分段管节、五轴机械手臂和喷枪，其中：水平回转伸缩臂与轨道小车相连；
所述的轨道装置包括：永磁吸盘和钢轨，其中：钢轨设置于永磁吸盘上。
2.根据权利要求1所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的行走机构包括：胶轮和驱动轴，其中：驱动轴设置于胶轮上。
3.根据权利要求1所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的回转机构包括：回转驱动部分和回转轴，其中：回转驱动部分设置于车体内，回转轴设置于车体上并与喷涂装置相连，回转驱动部分控制回转轴三百六十度旋转。
4.根据权利要求3所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的回转驱动部分包括：第一减速机、第一防爆伺服电机和第一伺服控制器，其中：第一伺服控制器与第一防爆伺服电机相连，第一防爆伺服电机与第一减速机相连，第一减速机与回转轴相连。
5.根据权利要求3所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的回转轴包括：第一齿轮、内齿轮圈和轴承，其中：第一齿轮设置于内齿轮圈内，轴承设置于内齿轮圈两侧并与轨道小车相连。
6.根据权利要求1所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的驱动机构包括：第二减速机、第二防爆伺服电机和第二伺服控制器，其中：第二伺服控制器与第二防爆伺服电机相连，第二防爆伺服电机与第二减速机相连，第二减速机与行走机构相连。
7.根据权利要求1所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的水平回转伸缩臂包括：伸缩臂管节、分段管节和设置于其内的伸缩臂驱动机构和伸缩臂伸缩机构，其中：伸缩臂管节为矩形截面，伸缩臂驱动机构控制伸缩臂伸缩机构进行伸缩移动。
8.根据权利要求7所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的伸缩臂驱动机构包括：第三防爆伺服电机、第三伺服控制器、防爆行星齿轮减速机，其中：第三伺服控制器与第三防爆伺服电机相连，第三防爆伺服电机与防爆行星齿轮减速机相连，防爆行星齿轮减速机与水平回转伸缩机构相连。
9.根据权利要求7所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的伸缩臂伸缩机构包括：第二齿轮、避让槽、齿条，其中：第二齿轮设置于齿条内，齿条与避让槽相配合。
10.根据权利要求1所述的轨道式喷涂机器人，其特征是，所述的五轴机械手臂包括：驱动机构、五组机械臂关节和用于安装固定喷枪的喷枪夹具，其中：驱动机构包括五套由伺服电机、伺服驱动器及齿轮传动装置组成的驱动单元，每组机械臂关节包括机械臂壳体、轴承、法兰盘。
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