大型油罐噴砂除銹的機器人設備

1噴砂除銹機器人整體結構布置

　　系統的整體布置圖如圖1所示。噴砂除銹機器人借助罐頂中央孔，安裝一個中心旋轉軸，靠軸的支撐，安裝一個與油罐輪廓線相似的小車導軌，導軌的下端裝電動機，電動機在罐底平面驅動珩架做圓周運動，以帶動導軌沿圓柱面轉動；機械手行走小車能在卷揚機鋼絲繩的牽引下沿導軌有規律地上下移動；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，而手腕的凸輪轉動可帶動噴槍勻速上下擺動，幾個關節運動的有機結合可以實現噴槍始終與受噴面最佳噴射角度(30°～75°)和距離(300mm～500mm)。機械臂的作業空間大，能夠滿足頂部錐面、錐面-柱面聯結處等與導軌之間距離變化較大的空間的除銹需求�？紤]到油罐進出口狹小，整個機器人結構設計輕巧并便于拆裝。

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，其結構簡單、緊湊；機械手固定在小車上，可以隨小車上下移動；由于小車導軌是豎直的，所以我們采用“雙輪結構”把小車卡在導軌上，同時為防止小車橫向偏移，我們在小車的中部加有一個導向輪。

圖2機械手及機械手行走小車設計圖

3珩架驅動小車

　　珩架驅動小車不僅是一個行走機構,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壁除銹任務。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定性和設計的科學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一個彈簧，用來減少在珩架行走過程中由于機械搖動而產生振動的副面影響。

(2)為增加驅動小車的附著力，在小車上增設一定重量的配重塊來提供足夠的摩擦力。
 
圖3珩架驅動小車設計圖

4珩架

　　珩架(如圖4)的主要作用是為小車提供導軌，使小車能上下平穩移動。受工作環境限制，同時為了搬運、拆裝方便，我們采用分段設計法把整個珩架分成五部分設計。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彎滑行的阻力。整個珩架的外形模仿油罐的曲線。此種設計形式是噴砂除銹工作質量的重要保證，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。分段設計法是一種開放性的設計方法，它可以根據罐高適當增減珩架數量，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、萬向聯軸器、接桿和連接支座組成。主要作用是固定珩架。上蓋內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、穩定轉動。萬向聯軸器實現了柔性鏈接，可減小由設計誤差和安裝誤差所帶來的機械側應力，提高整個系統的穩定性。上支架通過連接支座把兩側珩架連接成一個整體，然后再通過調節螺母來有效調節整個珩架的重心，并盡量使其與回轉中心點重合。珩架頂部的鋼絲繩與底部支架相連，用來調整整個支架，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性，并能有效減少整體的振動。
 
圖6下支架設計圖

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壁上，以阻止回轉中心的偏移。為了防止連桿阻礙小車轉動，在每一個連桿上小車過道處都設有一個高強度寬薄過渡板，以保證小車平穩通過過渡板。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，由調節螺母來平衡系統，從而增強了整個珩架的剛性，提高了系統穩定性能。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。其轉速不高，轉動平穩、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，通過其卷筒轉動纏放鋼絲繩來牽引小車在珩架導軌上行走，帶動機械手的上下移動，以實現對機械手的準確定位。

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。

9工作過程簡析

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

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

10結束語

　　整個噴砂機器人結構簡單、功能強大，若改變噴槍，提高防爆技術，即可以實現油罐內壁的油漆噴涂，改變珩架的外形，還可以實現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，同時由于罐內無法站人，因此若要保證良好的噴涂效果，就需要設置視覺監控及紅外測距系統，實現人在罐外操縱機器人，調節補償其意外動作誤差，確保質量。