楊茸，劉金枝，孔晨佳

（湖南工程學院機械工程學院，湖南 湘潭 411101）

家具業(yè)噴漆機械手系統(tǒng)的設計與研究

楊茸，劉金枝，孔晨佳

（湖南工程學院機械工程學院，湖南 湘潭 411101）

在家具行業(yè)實現(xiàn)噴漆自動化代替手工作業(yè)，可減少油漆中甲醛對工人身體的傷害，提高工作效率。本文依據(jù)模塊化和組合設計系統(tǒng)原理，設計出一種多功能移動式噴漆機械手臂。首先對機械手臂選型和設計，然后針對外觀進行優(yōu)化，最后對機械臂移動的導軌選取并進行裝配。同時對該機械手系統(tǒng)選取適合的控制系統(tǒng)，組合成家具業(yè)小型噴漆機械手臂模型。

機械手臂；外型優(yōu)化；移動軌道；控制系統(tǒng)；裝配

隨著自動化技術的發(fā)展，機械手臂在制造業(yè)發(fā)展過程中發(fā)揮著極其重要的作用。自動化機械手臂因動作準確靈活，可靠性高的特點，被用來代替人工進行的簡單、單一的勞動，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品的加工精度，保證產品質量等優(yōu)點。隨著人口老齡化的出現(xiàn)與人力成本的大幅度提高，市場對機器人或者機械手臂需求也越來越強烈，特別是機械加工、焊接、熱處理、上下料及毛坯制造等領域用得最為廣泛。由于家具噴漆工藝較為復雜，基本都是人工噴漆作業(yè)，且噴漆的效率低下。

目前主導的噴漆自動化設備有：（1）噴漆往復機包括三軸，四軸，五軸，六軸，七軸機械手臂往復機。（2）自動分度往復噴漆機。（3）內壁自動噴漆機等幾大類。而在大部分噴漆機械中，基本是以圓周方向為噴漆范圍，或者短距離往復噴漆，但對于結構簡單距離長的自動往復噴漆設備還非常欠缺，然而在家具噴漆行業(yè)中又需要較長距離的往復噴漆機，例如噴刷一張長茶幾或者一根兩米的木條等，市面上普通的自動往復噴漆機根本無法完成，所以這是一個亟待解決的一個問題。目前主流的自動噴漆機械都比較大型且價格昂貴，對于私營的小家具企業(yè)難以承受，于是通過對眾多噴漆機械的結構分析，設計出了一款結構精細，占地面積小，研發(fā)成本較低的機械手臂噴漆系統(tǒng)。

1 設計思路

在家具行業(yè)中，需要進行噴漆的材料眾多。很多中小型企業(yè)中還運用傳統(tǒng)的手工刷漆和手持噴漆機進行噴漆，不僅要求工人的噴漆技術水平高，而且對人體的健康有很大的傷害。本文通過對當今市面上的機械手臂結構進行分析及創(chuàng)新設計，提出模塊化和組合設計的方法對長距離往復噴漆機械手臂系統(tǒng)進行設計。這種設計方法是根據(jù)機械手臂系統(tǒng)的功能要求，盡量從貯存的標準件、通用件和其它可繼承的結構和功能單元中選擇。把噴漆機械手臂系統(tǒng)進行模塊化拆分，該機械手臂系統(tǒng)可分成三個模塊，第一個模塊是機械手臂，第二個模塊是帶動機械手臂水平移動的導軌，第三個模塊是機械手臂控制系統(tǒng)。通過組合設計選取其他機械噴漆機械手臂系統(tǒng)中可繼承的結構，對本噴漆機械手臂系統(tǒng)進行設計與優(yōu)化。

2 噴漆機械手臂

2.1 噴漆機械手臂三維模型

本文設計的三維模型圖如圖1所示，該結構為4自由度噴漆機械手臂與搭載機械手臂運動的滾珠絲杠直線導軌滑臺組合而成。通過機械手臂和導軌之間的相互運動，完成整個范圍內的覆蓋作業(yè)。

圖1 機械手臂系統(tǒng)三維模型

2.2 機械手臂的設計與優(yōu)化

對于智能化的機械手臂，它的功能主要是根據(jù)其作業(yè)對象的工藝要求所決定的。目前市面上機械手臂的種類繁多，按照軸類來分可分為三軸和多軸等，以六軸的機械手臂運用最為廣泛，按照自由度來分，可以分為三自由度、四自由度、五自由度等。本文中的機械手臂主要用于家具材料的噴漆，首先對機械手臂的框架結構進行選取，但由于家具行業(yè)中需要進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要求。（1）機械手臂可以旋轉并且輸出端可以伸縮自如。（2）控制精度高。（3）控制方式簡單以及工作效率高等特點。通過對實際的使用情況和機械桿件機構的分析進行了設計，如圖2。通過綜合考慮，采用兩臂三關節(jié)機械手臂，其主要由大臂、小臂、支撐部分及活動噴嘴部分組成，手臂自由度為四自由度比較實用，采用自由度較多的手臂使用起來也較為復雜，同時對于成本來說也會大幅度提升。

本文首先通過組合設計繼承現(xiàn)有的機械手臂的結構，畫出基本的框架圖。并通過對噴漆的實際操作要求對機械手臂關節(jié)處進行分析。（1）第一關節(jié)：為水平移動關節(jié)，選用帶有編碼器的交流伺服電機驅動絲杠直線導軌，使機械手臂進行水平移動作業(yè)。移動位置可由程序任意設定，導軌的行程也可定制（標準2m，長度可由使用要求定制），絲杠直線導軌的限位和校零作用由導軌兩端的電感式接近傳感器進行控制。（2）第二關節(jié)：為機械手臂旋轉關節(jié)，運用帶有精密減速箱的進步伺服電機進行控制，在關節(jié)處采用專用傳感器對極限位置進行校零和檢測，手臂最大旋轉角度為350°。（3）第三關節(jié)：為大臂擺動關節(jié)，運用帶有精密減速箱的進步伺服電機進行控制，在關節(jié)處采用專用傳感器對極限位置進行校零和檢測，大臂最大旋轉角度180°。（4）第四關節(jié)：為小臂擺動關節(jié)，運用帶有精密減速箱的進步伺服電機進行控制，在關節(jié)處采用專用傳感器對極限位置進行校零和檢測，小臂最大旋轉角度310°。（5）第五關節(jié)：為噴漆嘴旋轉關節(jié)，運用帶有精密減速箱的進步伺服電機進行控制，在關節(jié)處采用專用傳感器對極限位置進行校零和檢測，噴漆嘴最大旋轉角度為340°。

其次本文對機械臂身的優(yōu)化。目前我國智能機械手臂的研究較多側重于技術創(chuàng)新，而忽視了產品造型以及外觀的審美塑造，機械手的形態(tài)應該類似于動物的形體輪廓如圖3，依據(jù)人機工程學的方法外型顏色可設計為紅色，關節(jié)處用黑色， 這樣使機械手臂色彩分明，讓機械具有很強的辨析度，防止發(fā)生意外。

2.3 導軌的選取

機械手臂設計完成后考慮的就是導軌的選取，選取導軌應該考慮的條件為：能帶動機械手臂自由滑動且操作精度高；導軌的長度可以由具體環(huán)境和使用要求進行確定。通過對市面上的導軌進行分析，本文選用的是光軸滾珠絲杠直線導軌滑臺，模型如圖4。這種滑臺市面上較為普遍，成本不高。

2.4 控制系統(tǒng)的選取

本文通過對大量機械手臂控制系統(tǒng)進行分析，可以把機械手臂的控制系統(tǒng)分成幾大類，主要有運動控制卡系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)這幾類，它們的特點和運用如下。

圖2 機械手臂桿件分析

圖3 機械手臂結構與外觀

圖4 軸滾珠絲杠直導軌

運動控制卡是利用大量的編程元件和微型處理器控制多個步進伺服電機的多軸協(xié)調，是以PC總線為基礎專為運動環(huán)境下研發(fā)的運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、脈沖輸出、脈沖計數(shù)、D/A輸出等功能。但這種控制方式抗干擾能力弱，結構復雜，操作易出錯。在實際工業(yè)生產中運用得非常少，大多用于實驗室的環(huán)境中。

單片機系統(tǒng)主要是在一塊芯片中，集成了存儲器、中央處理器等智能器件，通過單片機設計外圍電路和程序設計而組成的一種控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)成本低且能實現(xiàn)一臺微型計算機的基本功能，但要控制伺服電機則顯得能力不足，不夠穩(wěn)定。發(fā)送電子脈沖過于緩慢，容易受到環(huán)境的干擾。這種系統(tǒng)較多的運用在工業(yè)設備、國防裝備、電子產品和一些家用設備等。

PCL是專門為在集成控制環(huán)境下應用而設計的，具有數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，它采用的是可編程的存儲器，不僅可以用來在內部存儲和執(zhí)行邏輯運算、定時、順序控制、算術運算和計數(shù)等操作的指令，還可以通過模擬式、數(shù)字式的輸入和輸出，控制多種復雜類型的機械或生產過程。PLC這種控制系統(tǒng)控制方便且靈活，抗干擾能力較強，并且開發(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)是機器人研發(fā)和設計人員的首選系統(tǒng)。PLC控制要比單片機簡單，而且實現(xiàn)的功能更加全面穩(wěn)定。綜合各種控制系統(tǒng)的特點分析選用PCL比較優(yōu)異。

本文選擇高精密級的驅動裝置有交流、直流伺服驅動器、步進驅動器；傳感器有光電傳感器、脈沖傳感器等，運用網(wǎng)路傳感器技術，控制系統(tǒng)由PLC進行控制。手臂的旋轉移動通過PLC高速脈沖輸出進行調控。可在沒有人為干擾的情況下，自動完成定位、快進、工進、快退、噴漆等一系列動作，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

任何機械，都是由若干個最基本的零件構成的。因此機械手臂的裝配過程十分重要。機械手臂的裝配應嚴格按照裝配圖紙及其設計的要求，裝配過程所處環(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器上或地上，應該擺放在地毯或防護墊上，以保證機械手臂裝配的精確性。但由于機械手臂的軌道較長，需要的空間相對較長，在進行布置時應該按照設施規(guī)劃來進行合理的放置。

機械手臂維修應該按照以下進行考慮。首先，所規(guī)定的維修原則必須能保證機械手臂通過維修達到使用要求，且可靠性、耐用性達到標準要求；同時，在維修不能工作的機械手臂系統(tǒng)時應該盡量選擇購買零部件，代替購買整套機械噴漆系統(tǒng)，從而達到組合設計的優(yōu)勢和經(jīng)濟效果，也有利于機械手臂維修工作的開展。

3 結語

本文運用模塊化與組合設計系統(tǒng)設計出一款適應性強，控制精度高的家具業(yè)噴漆機。通過對機械手臂的創(chuàng)新設計以及外型優(yōu)化，結合工作環(huán)境的因素對機械手臂的移動軌道進行選取，同時對常用的控制系統(tǒng)進行分析與設計，使機械手臂的控制系統(tǒng)得到最優(yōu)化，從而使整個機械手臂達到科學性、實用性、美觀性、合理性。目前，我國對機械手臂的研究方向主要是對機械手臂的創(chuàng)新與開發(fā)，這些過程都是異常艱難和漫長的，在此同時我們也應該運用各種方法使現(xiàn)有的機械手臂發(fā)揮更多更強的作用。

[1]李田春．標準化概論（第六版）[M]．北京：中國人民大學出版社，2016:95．

[2]馮自濤．噴漆工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的研究與設計[D]．武漢理工大學,2013．

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