钢管自动喷标系统之喷标机器人的设计.docx

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1、摘要自改革开放以来，我国的经济得到了长足的进步，其中最为明显的则是我国工业化程度的不断提高。在机械制造行业、物流行业等已经已经逐渐实现自动化的控制。其中PLC、工业机器人以及单片机为自动控制技术的主要技术支撑。在我国的各行各业都会用到钢材，钢材的开发利用为我国国民经济和人民生活水平的提高做出了卓越的贡献。例如：汽车、飞机、高铁、房子、公路、甚至手机上都涉及到了钢材的产品。其中钢管作为钢材中通用性最强的产品，几乎应用在了所有的行业。产品在生产过程中，为了达到防控、追踪和识别信息的要求，通常会在产品上进行标注，例如：汽车行业的VIN码，钢材上的批次号等。本文所研究的钢管也不例外，为了减轻工人的劳动

2、轻度，改善员工的工作环境，因此手动喷标的工作需要逐步由机器人所取代，所以本毕业设计的题目为：钢管自动喷标系统之喷标机器人的设计。本文将通过研究分析现有的钢管喷标设备，然后对钢管进行一个喷标机器人的设计。本次毕业设计首先分析国内外喷标机器人的生产状况，然后在比较不同的喷标机器人的前提下，最终选择喷标机器人的硬件、软件以及PLC控制系统。其具体任务分为：喷标机器人的工作流程进行确定，在对设备工作控制过程进行了解之后，分解任务，进行软件硬性的选型，最终进行其电路设计，顺序控制设计，最终利用软件仿真来验证控制系统的可行性。关键词 钢管；喷标；PLC；仿真软件ABSTRACTSince the refo

3、rm and opening up, Chinas economy has made great progress, the most obvious of which is the continuous improvement of Chinas industrialization. In the machinery manufacturing industry, logistics industry, etc., automatic control has been gradually realized. Among them, PLC, industrial robot and sing

4、le chip microcomputer are the main technical support of automatic control technology. Steel is used in all walks of life in China, and the development and utilization of steel has made outstanding contributions to the improvement of Chinas national economy and peoples living standards. For example:

5、steel products are involved in cars, airplanes, high-speed rail, houses, highways, and even mobile phones. Among them, steel pipe is the most versatile product in steel, and it is used in almost all industries. In the production process, in order to meet the requirements of prevention, control, trac

6、king and identification information, it is usually marked on the product, such as: the VIN code of the automotive industry, the batch number on the steel, etc. The steel pipe studied in this article is no exception. In order to reduce the labor of the workers and improve the working environment of t

7、he employees, the manual spraying work needs to be gradually replaced by robots, so the title of this graduation design is: the spraying of the automatic steel pipe spraying system Standard robot design. This article will analyze and analyze the existing steel pipe marking equipment through research

8、, and then design a steel pipe marking robot.THIS GRADUATION PROJECT FIRST ANALYZES THE PRODUCTION STATUS OF THE DOMESTIC AND FOREIGN SPRAY MARKING ROBOTS, AND THEN FINALLY SELECTS THE HARDWARE, SOFTWARE AND PLC CONTROL SYSTEM OF THE SPRAY MARKING ROBOT UNDER THE PREMISE OF COMPARING DIFFERENT SPRAY

9、 MARKING ROBOTS. THE SPECIFIC TASKS ARE DIVIDED INTO: DETERMINE THE WORK FLOW OF THE SPRAYING ROBOT, AFTER UNDERSTANDING THE WORK CONTROL PROCESS OF THE EQUIPMENT, DECOMPOSE THE TASKS, PERFORM SOFTWARE RIGID SELECTION, AND FINALLY CARRY OUT THE CIRCUIT DESIGN, SEQUENTIAL CONTROL DESIGN, AND FINALLY

10、USE SOFTWARE SIMULATION TO VERIFY THE FEASIBILITY OF THE CONTROL SYSTEM.KEY WORDS： STEEL PIPE; SPRAYING STANDARD; PLC; SIMULATION SOFTWARE目 录1 绪论11.1 钢管喷标系统的开发现状11.1.1 引言11.1.2 喷标系统现如今的开发31.2 钢管喷标系统开发的必要性41.3 课题来源51.4 论文的主要工作和意义52 喷标系统总体设计62.1 喷标系统设计要求62.2 喷标系统总体设计62.2.1 喷标机器人对应的设计关于机械机构72.3 机器人的控制系

11、统82.3.1 控制系统的功能82.4 本章小结93 机器人机械、电气结构设计103.1 机器人的横移机构103.1.1 齿轮齿条103.1.2直线导轨113.1.3 伺服电机的选择143.2 喷头升降机构的设计153.2.1喷标机器人的喷标方式163.2.2 气缸的选型173.2.3 气缸活塞与喷头的连接183.2.4 气缸的安装193.3 喷头位置柔性调节203.3.1 滚动直线导轨副203.3.2 锥齿轮副设计203.3.3 丝杆243.4 防撞机构设计243.4.1 动作方式253.5 气路控制系统设计253.5.1 气动回路253.6 本章小结284 喷标控制系统设计294.1 控制

12、系统的组成294.2 PLC软件及编程294.3 PLC在喷标系统中的应用304.3.1 PLC的特点304.3.2 PLC在工业应用中的优势304.3.3 S7-400编程方式324.4 PLC系统的硬件设计324.4.1 PLC I/O点数统计334.5 喷标机器人的运动控制334.5.1 伺服控制系统简介334.5.2 伺服运动控制系统工作原理344.6 PLC程序编写354.6.1 喷标流程354.7 配电电气控制364.8 本章小结375 结论38致谢39参考文献40431 绪论1.1 钢管喷标系统的开发现状1.1.1 引言钢管一般由钢材料铸造而成，外形以圆形和方形的居多。其的外形特

13、特点为：1)横截面积小的钢管同城为铸造成型，横截面积大的钢管有的采用焊接成型。2)钢管一般较长，且具有两端通透性；3)钢管的长度与其横截面积的半径比较大；钢管应用于我国诸多行业，它可以用来输送天然气、水分、石油等，功能比较全面。所以，在我国的西气东输、南水北调等工程中大量的使用了钢管。钢管也可以应用于建筑行业，例如用来防护灰尘的钢架、用来吊装货物的塔吊等。另外钢管也可以用于汽车等制造行业，例如汽车发动机的钢环，汽车上的排气筒，以及防冻液的加注管道等。钢管的强度等力学性能与方钢等比较，相同重量下钢管的面积大，作业面积大，成本相对较低。在相同面积下，钢管较长，其抗弯能力更为出色，强度更强，且其体积

14、小。所以，在要求重量小，强度高的地方，钢管的应用最为广泛。钢管因其中间空心的因素导致加工比较简单而且所需钢铁材料较少，在制成某些零件时，例如空心轴等具有比较简便的特点。综上所述，钢管因其力学性能、空间结构、材料特性等特点在我国各行各业的的应用非常广泛。随着加工制造的进步以及材料被大量的改良优化，钢管的用于以及其种类也随着被应用与更加繁多的地方。钢管的加工制造也随着工业的进步在进步，其加工工艺也随着工业设备的进步在不停的优化之中。由于钢管的加工多数由铸造成型，所以加工钢管对设备的要求也极为严格。通常中小企业会用专业加工设备来辅助生产钢管，其加工主力主要依靠人工。大型企业因其对钢管生产效率以及性能

15、有着更高的要求所以一般采用更为高效的自动生产线来生产钢管。其加工流程如下图1-1所示。 图1-1钢管生产流程根据上述的钢管生产过程可以得知，首先由钢坯进行自动化生产线之前会由专门设备按照设定长度来进行切割。切割成设定尺寸的钢坯进入自动生产线之后在冷定心车床上进行定心加工，冷定心之后称重然后对钢坯进行加热处理，然后送至热定心车床进行热定心加工。热定心之后进行斜轧穿孔。穿孔之后根据目前钢管的横截面面积尺寸大小对尺寸进行判断。如果尺寸符合设定尺寸则直接进入下一工序，如果尺寸偏大，则必须再次经过热处理进行减径。带尺寸符合要求之后自然风冷钢坯，然后在矫直机上对半成品的钢管进行矫直处理，对钢管两侧的管头进

16、行精减，然后送入质检工序，如果检验合格则直接打包入库。如果钢管的性能尺寸达不到设定要求则重新进行加工工序，待加工完毕之后重新进入质检工序重复检验步骤。我们在日常采购商品时会发现在商品的表面，会出现印有区分商品规格，型号以及产地的编号。这些数字是制造过程的重要步骤，之前因为制造工艺的落后，这些标识都是以人工作业的形式进行标记。随着机械制造技术的不断发展，这项技术越来越成熟，类似于喷码机等职能化设备开始“顶替人类上岗”。自动化设备不仅可以提升产品的生产效率，而且可以使标识更加标准、更加规范。钢坯生产完成后，为保障产品品质，在进行最终质量测验的同时，在钢坯上印制一个独特的标识，即钢坯印刷成为保障钢材

17、制作品质的重要步骤之一，为了达到防控、追踪和识别信息的要求，我们通常在产品上进行标注自动编号在国外运用最为普遍。钢材上印有生产日期和标签，以防止钢材出现质量问题。可进行批量跟踪，尽快消除质量问题。在钢坯生产过程中，温度达到1000度左右，所以钢喷应该安排到钢管生产的精修部分。查阅我国机械制造国家标准，其中文件GB2102-88对钢管有独特说明，对于钢管直径大于36mm的产品，我要在其端部做标记，标记上的内容要标明产品规格和型号，并且标记必须字迹清晰，符号耐磨。自从我国加工WTO以来，我国的产品标准要与国际标准达成一致，这样才能促进我国产品在国际上的销售。查阅与本文有关的钢管国际产品的相关标准，

18、下表1.1-1 API SPEC 5CT国际标准即为国际上钢管的制造标准。表1.1-1 APISPEC 5CT国际标准项目允许偏差外径管体D101.60mm0.79mmD114.30mm0.5%接箍1%壁厚-12.5%重量单根6.50%-3.50%车载量-1.75%长度项目范围1范围2范围3油管6.10-7.32m8.53-9.75m-套管4.88-7.62m7.62-10.36m10.36-14.63m之前因为制造工艺的落后，生产制造厂商在对钢管进行标记时，大部分的钢管采用人工方式进行标记。人工标记时容易产生视觉疲劳与操作疲劳，所以在操作过程中容易犯错，从而对钢管的产品质量造成影响并且失去了

19、标号本身的意义。并且人工标号会影响生产效率，所以自动喷标系统开始在标记行业崭露头角。今天，随着市场全球化，作为一个主要制造国，中国产品销往世界各地。即使是世界头号强国美国，也使用许多中国制造的产品，以及欧洲和其他国家的产品。所以随着现在制造企业对效率的要求以及在改善员工劳动的强度下，人工标记钢管的方式已经逐渐被自动喷标所代替。随着机械制造技术的不断发展，喷标技术越来越成熟，喷标机器人等智能设备开始“顶替人类上岗”。自动化设备不仅可以提升产品的生产效率，而且可以使标识更加标准、更加规范。与此同时，由于国际上的发达国家在喷标系统上的领先优势，其设备价格高、维护成本高导致了我国需要喷标系统的制造业的

20、成本增高，所以为了降低制造成本以及打破欧美发达国家多余喷标系统的垄断，我们必须开发喷标机器人的产品。1.1.2 喷标系统现如今的开发随着第三次工业革命的开始，计算机技术得到了大力的发展。随之而然的印号机的发展也随着计算机的发展得到了一定的提升，其中最先得到的发展的多功能计算机自动号码机，它于上个世纪70年代在美国首次进入大众的视野。其次，因为需要满足用户的多层次需求，许多日本企业都在积极开发了系列化手动号码机，为了吸引用户，因此改善了表面光洁度。由于多种规格、品种、价格合理，日本的号码机在世界上非常受欢迎。英国和法国通过改进功能和外观赢得了市场，在欧洲市场上仍然发挥着重要作用。英法等欧洲国家的

21、手动打标机注重形状，边角锋利，并采用电镀或喷漆装饰。色彩和色调的结合，然后电镀整理，有一个令人愉快的感觉。手工打标机的艺术极大地增强了办公室的美学功能。目前，美国、日本、德国等国家都在增加号码机的附加值。通过技术改进，从内部、外观、表面等方面努力。产品不缺乏装饰性的前提下，确保可用性。中国生产编号机器已经有六十多年了。产品有印刷编号机、手动标记机和金属编号机。包括上海号码机厂在内的公司近十家，年产量约50万至60万台。规格有20多种，包括至少12种办公用手动打标机和至少2种专用编号机。在过去很长一段时间里，印刷编号机只生产平面编号机，办公室编号机只生产手动编号机。自20世纪80年代以来，印刷行

22、业逐渐使用轮转印刷机。与此同时我国的一些企业也开时研发轮转编号机，以填补我国轮转编号机自主成产的空白以及避免国外的技术垄断。无独有偶，手动也在我国自动打号机技术进步的同时得到进步，并开始在打号规格小、数量少的地方逐步使用。当前我国的喷标机器人发展仍然落后于西方国家，其表现在：产品技术程度不高，产品应用范围不广，产品的性能不够完善。1.2 钢管喷标系统开发的必要性随着工业4.0概念的提出，自动化生产开始在机械制造行业开展开来。产品在生产过程中，为了达到防控、追踪和识别信息的要求，我们通常在产品上进行标注。过去的人工标注不仅会影响生产效率，而且容易工作和视觉疲劳对产品造成影响。钢管的制造环境非常恶

23、略，温度最高达到1000度左右，所以工人进行喷标的工作环境也及其恶劣。所以本着提高生产效率、减轻工人劳动强度、使产品标识更加标准、更加规范的原则下，我们要进行钢管喷标系统的开发。本论文的题目是钢管自动喷标系统之喷标机器人的设计。我们在此课题基础上，首先调查研究目前国内外喷标设备，分析其特定以及优点，得到现在化的一个喷标系统应该具有的功能：（1）喷标系统的效率要高，喷标节拍要能够符合流水线生产节拍的要求。（2）喷标的字符范围要广，电脑上可以打出的字符都必须能够实现喷标。（3）喷标系统的自动化程度要高，生产过程可以根据上位机发送的字符来自动喷标，不需要过多的人工操作。（4）喷标系统的成本要低，寿命

24、要高。1.3 课题来源我们在日常采购商品时会发现在商品的表面，会出现印有区分商品规格，型号以及产地的编号。这些数字是制造过程的重要步骤，之前因为制造工艺的落后，这些标识都是以人工作业的形式进行标记。为了提升产品的生产效率，减轻工人劳动强度，而且要求标识更加标准、更加规范。以及自从我国加工WTO以来，我国的产品标准要与国际标准达成一致，这样才能促进我国产品在国际上的销售。同时国际上的发达国家在喷标系统上的领先优势，其设备价格高、维护成本高导致了我国需要喷标系统的制造业的成本增高，所以为了降低制造成本以及打破欧美发达国家多余喷标系统的垄断，我们必须开发喷标机器人的产品。1.4 论文的主要工作和意义

25、钢管自动喷标系统之喷标机器人的设计从一定意义上讲是机械技术与电子技术结合的产物。它设计到了机械制造、机械设计、电子理论、自动控制理论等多方面的知识。所以钢管自动喷标系统之喷标机器人也是工业4.0时代的产出物，对我国的自动化发展具有特殊的意义。钢管自动喷标系统之喷标机器人的设计将完成以下工作：1）对标国内外新进的喷标系统，然后归纳总结喷标系统的总体设计方案。2）在总体设计方案的基础上，为整个系统进行机械、电气等元器件的选型。3）针对喷码的工作顺序，制定了相对应的工艺流程，从而编写PLC的自动控制程序，程序的设计要考虑到现在的机械电气安装以及工艺布局。为了能够更好的达到设计中的精度要求，本文选择伺

26、服电机来带动喷头移动。2 喷标系统总体设计2.1 喷标系统设计要求1）喷标对象： 钢管的外径最大为246mm，钢管的外径最小为48（32）；钢管的重量最大为1000 Kg，钢管的重量最小为20Kg；钢管的长度最长为15m，最短为6m；喷标原料：白色涂料；2）精度： 喷标对高位50mm，最低为10mm，不允许超过这个范围。3）喷标内容：喷表内容：电脑上输入法打出的所有字符；且喷标完成之后目视清楚无虚影。4）生产JPH钢管JPH：278根/小时；喷标速度范围：0120m/min；5）自动化程度：喷标系统按电脑编辑的好的字符进行自动喷标；并且具有自检功能，当出现实际字符与设定字符不一致时，能够报警提

27、醒。2.2 喷标系统总体设计在工业自动化领域，系统的运行模式有三种：自动，半自动和手动。本论文所用到的主要是自动模式。自动模式是在上位机的控制下，机器人自动按照设定来完成工作内容。半自动控制是自动生产和手动生产的结合体，即人只需要进行部分工作就可以实现系统的自动化生产。手动控制则需要在人的干预与辅助作用下来对设备系统的功能以及性能进行自动生产之前的一个验证，它普通用于生产过程中出现异常的时候。喷标工位布置如下图2-1所示。图2-1喷标工位布置图2.2.1 喷标机器人对应的设计关于机械机构机器人的机械结构是机器人的重要组成部分，是机器人的执行机构。本论文中的喷标机器人的机械结构分为：横移机构、防

28、撞机构、喷头机构、升降机构、气路系统五大部分。下面对其机械结构分析。喷标机器人的结构示意图如下图2-2所示。图2-2 机器人在喷标系统中的结构示意1）喷标机器人的横移机构。横移机构的主要作用是机器人用来移动自己的位置。其主要组成是伺服电机、齿轮、以及运动控制系统。其中齿轮通过联轴器安装在伺服电机的轴上，齿轮通过啮合齿条在电机轴的转动下进行移动。另外在喷标机器人的横移机构中还装载了许多传动器来对机器人的运动进行监控。其中安装的位置包括机器人的原点位置、工作位置、安全极限位置等。当机器人在原点的时候，控制系统才会启动机器人开始工作。喷标机器人在工作过程中，机器人的喷头会随着机器人运动来完成整个喷标

29、系统。为了保证机器人的设备完好以及工作过程中的安全，在机器人的左右极限位置各安装一个安全传感器，当由于系统问题或者人为强制工作时，机器人到达极限位置，整个喷标系统会立即停止，并且报警，输出报警文本提醒维修人员进行检查。2）喷标机器人的喷头升降机构。喷标机器人的升降机构主要是为了保护喷头以及方便喷头进行喷涂而设计的。它主要由气缸、导轨、气缸电磁阀等组成。喷头在机器人中有两个固定位置，其中常态为高位，工作位为低位。机器人状态之间的切换是通过电磁阀改变气路的方向来改变气缸的状态来实现的。机器人不需要工作时，机器人的喷头处于常位安全处。当机器人工作时，控制系统控制电磁阀，气缸缩回，机器人进行工作位进行

30、喷标。3）喷标机器人的防撞机构。喷标机器人的防撞机构由多个接近开关组成，其中都安装在喷头上。喷头的工作状态是在伸出状态，所以当喷头在进行喷标工作时，其喷头如果由趋势碰撞到物体，其接近开关会提前感应到并且发出信号给控制系统，控制系统会使整个机器人系统停止运行并发出报警。4）喷标机器人的喷头和控制器。喷标机器人的喷头和控制器是喷标设备中至关重要的结构。喷头由于需要喷涂所以设计了喷涂系统，涂料需要由油管输送到喷头处所以设计了输送系统，为了防止喷头上油漆的堵塞以及方便更换不同的油漆，喷头上又设计了清洗系统。5）喷标机器人的气路系统。喷涂机器人的气路主要应用在了喷头的升降以及喷头的开关。在这两处都安装了

31、电磁阀，机器人通过给电磁阀发送信号来完成喷头的升级以及喷头的开关。2.3 机器人的控制系统2.3.1 控制系统的功能随着科技的进步以及自动化的需求，目前机械制造行业的生产需要自动化生产。所以自动化生产设备不断的进入机械制造行业中，本文设计的喷标机器人也属于自动化生产设备。当钢管的长度为15m时，喷标过程需要7.5s，15m的长度通过流水线所需12.94s，按照喷标的生产节拍所知，钢管除了喷标还有很长的空余时间，喷标机器人可以利用空余时间来完成检测工作。喷标机器人的工作流程如下: 图2-3 喷标流程由喷标机器人的工作流程可知，喷标过程每一步都有严格要求的条件。例如，传感器检测到钢管进入流水线会发

32、送信号给控制系统，控制系统会检测喷标设备是否准备完好。控制系统发送开始任务，喷头开始工作。当机器人喷标任务完成之后，也会有相对的设备去检测喷标是否完成然后来控制机器人使其停止工作并准备进入下个喷标循环。其中，上位机通过检查现场设备状态和订单状态从而通过PLC执行。负责对现场的电机等发布动作指令以及将采集到的反馈信号反馈都上位机。其理论逻辑示意图如2-4所示。图2-4 喷标系统理论逻辑示意图2.4 本章小结本章对喷标系统的设计背景、设计要求以及工作过程等做了一个总体设计。在喷标系统的设计背景、设计要求下，对喷标系统的工作过程进行细分，来说明控制系统整个运行逻辑的顺序。3 机器人机械、电气结构设计

33、喷标机器人的主要工作核心为喷头，其他的设备都是为辅助喷头的运行而设计的。喷头在喷标过程中有两个位置，这两个位置之间的切换是由气缸的伸缩完成的。其中常态为非工作状态，其在气缸缩回的位置。工作态为气缸伸出的状态。气缸的伸出与缩回是由控制系统给电磁阀发送信号来改变气路的方向完成的。不同批次的钢管其尺寸大小不一致，所以机器人在喷标过程中喷头的位置也不一样，所以在喷头的升降装置中，应该要有距离的调节装置。3.1 机器人的横移机构由于在整个喷标过程中，机器人与流水线之间是静止不动的，因此机器人在喷涂过程中是需要不断移动的，所以机器人需要一个用来移动的横移机构。机器人的横移机构中的齿轮通过联轴器安装在伺服电

34、机的轴上，齿轮通过啮合齿条在电机轴的转动下进行移动。齿条固定在地面上。并且为了防止机器人的脱轨，在机器人的齿轮齿条啮合的位置还有许多的防护装置。如下图3-1所示：图3-1 横移机构示意图3.1.1 齿轮齿条齿轮齿条是机器人的传动装置，齿条是固定不变的，齿轮在伺服电机的驱动下转动，啮合齿条来实现机器人的移动。由于机器人的移动为直线运动，所以机器人的齿条设计为直线齿条，查阅相关的设计标准，以及机器人的工作强度，我们在选用机器人的传动装置时使用精密齿轮齿条传动副。在选择是参考的参数有：1)齿条的直线度 机器人的移动线路为直线，所以机器人在直线上要有一定的精度要求。所以我们选择齿条要选用直线度高的齿条

35、。2)齿条的安装 齿条的直线度要求有较高的要求，所以横梁的直线度也有较高的要求。在安装时，必须保证齿条与横梁紧密配合，严格控制误差。由于机器人系统中整个机器人的重量以及扭力的输出都在齿轮和齿条上，所以在选用齿轮齿条时还要注意强度计算。3.1.2直线导轨机器人的直线导轨主要是用来保证机器人的直线运动效果以及防止机器人的脱轨。所以从一定程度上来说机器人的运动是否平稳也受到了直线导轨的影响。所以导轨的需求也要和齿轮齿条一样具有较高的精度。3.1.2.1 导轨类型的确定：机器人的运动为直线运动，为了保证机器人运动过程中的稳定行，所以导轨的摩擦力要小，且与机器人之间的磨损要少。并且，因为喷标机器人必须有

36、非常高的直线度在导轨中移动时，确保喷头和钢管之间的的相对位置能持久不动，喷标机器人在运动时要轻，省电，速度要慢，无爬行现象要出现在低速的时候，使用精度导轨要能保持住，并且此过程中对应的磨损量要很小，磨损后也要可以自行补偿好用于调节，并且足够的刚度和耐高温性。这个导轨有着摩擦阻力小，移动快捷；损耗不大，精度高且持久；动、静摩擦系数浮动不大。导轨的直线度要高，性能好，耐久性强。3.1.2.2 导轨结构形式：下图所示为滚动导轨，接触为点接触，所以运动快捷，随之而来的是刚度会很低低，它的承载力不大。所以用作物品质量、负荷小的环境。 图3-2 滚动导轨结构图3.1.2.3 导轨选用计算：机器人喷标的极限

37、范围为3.4m，并且悬梁臂的长度为6.8m，因此设定导轨的长度为6.8m。a）导轨的载荷:根据导轨的选用依旧以及机器人的设计原则，查阅相关设计标准，选用GGB35 AA2P型号的导轨。如下图：图3-3 导轨安装示意图 查阅这相关资料得：GGB35 AA2P型号导轨的参数如下表所示：表3-1 GGB35 AA2P型号导轨的参数受力方式定载荷动载荷硬度系数温度系数接触系数精度系数Ca=35.1kNCoa=47.2kNfh=1ft=1fc=0.81fa=1.0fw=1.2因此可以计算导轨的载荷大小计算过程为： 公式中 、为作用在滑块上的载荷大小，、为作用在各滑块上的剪切力大小，G为机器人的总重量，大

38、小为79kg，l1为导轨的数量；因此计算过程为： b）导轨的寿命（最长使用长度）查阅机械设计的相关资料，滚动导轨的计算公式为： 通过计算得：导轨的寿命长度 L=126542km。c）导轨的寿命（最长使用时间）查阅机械设计的相关资料，滚动导轨寿命时间的计算公式为（单位为小时）： 其中La为机器人一次往复的时间，n2为一分钟内机器人的运动频率。通过计算得：导轨的额定寿命时间为Lh=31015h设定机器人喷标每日工作8小时，设备开动率为90%，一年300个工作日，转化为年限得Lh=16.14年。所以机器人的寿命为16年。3.1.2.4 提升导轨安装的性能3-4可知，承导件作往复运动的同时，那么压在两

39、端滚动体上的承导件的压力就会有变化，如果滚动体变形大那么它的受力就打。可知导轨在上时，滚动体的两端受到的力大小一致，所以承导件的受力平衡，变形就微小。但是承导轨在或的时候，两端滚动体他们的受力就会不一样，导致承导件的形变也就不一样，这样就会把承导件的角度倾斜，所以就有误差。还有，滚动体支承承导件，要是承导件他的刚度不高，下图3-5，那么产生弹性变形伴随着自重和载荷，这样就会让承导件下陷，导致导轨精度的不高。 图3-4 滚动体受力 图3-5 承导件受力 3.1.2.5导轨的安装要求为了提高导轨的精度来保证机器人喷标的精度，所以我们在进行导轨安装时要注意以下几点：（1）不可以分离和超行程而后在推回

40、来使滑块和导轨。要是因为安装困难，就压卸下滑块，然后用教程导轨； （2）检查导轨副是不是具备有效、是不是磕碰、腐蚀，使用防锈油清理好，清除毛刺和脏东西，看看装配连接部位螺栓孔是否吻合，要是有位置的错误然后硬打入螺栓，就能减少位移精度； （3）安装前就要搞明白基准导轨副和另一个我们熟知的：非基准导轨副，随后要指导导轨副在安装的间隙必要的基准侧面； （4）导轨轴和相应的滑块座安装之前必须预紧。3.1.3 伺服电机的选择1）预估转速 根据钢管的生产节拍0-120m/min，我们这里预估为80，然后根据电机转速的计算公式得： 其中n为所求的电机转速，m为齿轮的模数，根据查阅机械设计标准，本论文中取值为

41、3。z为齿轮齿数，根据查阅机械设计标准，本论文中取值为20。2）计算电机的转动惯量机器人的运动要靠伺服电机来驱动，要使能成全要求有关于系统灵敏和稳定，那么转动惯量关于负载的那就是JL应定在电机惯量JM的至少15倍之内。根据查阅资料得公式为： 将已知参数代入公式计算得： 对比理论转动惯量与实际转动惯量，得如下： 根据计算结果可得，当所选电机的转速为425r/min时，其可以满足生产需求。同时根据电机驱动的要求得到转动惯量不得小于4210-4kgm2。本设计只选用三相异步电动机，因为本论文的设计中涉及到了换向操作而不需要调速；而横向方面则需要步进电机来对设备进行调速。因此在综合满足条件的情况下，最

42、终确定选择三菱HC-SFS121型伺服电机。 3.2 喷头升降机构的设计喷标机器人的升降机构主要是为了保护喷头以及方便喷头进行喷涂而设计的。它主要由气缸、导轨、气缸电磁阀等组成。喷头在机器人中有两个固定位置，其中常态为高位，工作位为低位。机器人状态之间的切换是通过电磁阀改变气路的方向来改变气缸的状态来实现的。机器人不需要工作时，机器人的喷头处于常位安全处。当机器人工作时，控制系统控制电磁阀，气缸缩回，机器人进行工作位进行喷标。并且根据不同的钢管，其喷头的位置可以调节。如图3-6所示。图3-6机器人升降机构3.2.1喷标机器人的喷标方式根据市场调查，机器人的的喷标选择的是CIJ标准。CIJ 它的

43、作用是把磁流转换为液体是物质，在压力的作用下墨水会在单一喷嘴持续的出来，流过晶体振荡就出现裂痕转化为墨点；然后实现了充电能给墨点、在移动的物体表面经过高压偏转为字。它用到的中间物质为墨水， CIJ喷标的介绍如下所示：图3-7 CIJ的喷涂示意图1）字符间隔大，范围广，可达到0.06mm-15mm。2）设备在工作的时候，墨水能力往复利用，这样一来墨水的不稳定因素就来了，还有要用到加入一些稀释剂，造成连续挥发的现象关于稀释液，这样就会让费了他们。3）应为墨点要通过晶体振，然后故失误概率明显上升。4）操控系统很是不简单，那么就要用到精密调整参数就可以使之有效的使用它。5）墨水在往复利用的时间段里，很

44、多有机济得到了散发，非常刺鼻，这要会影响环境。6）因为用到的是供气使用外面环境中的大气，要求要大对于压力，直接影响机器使用时间的是大气的质量如何。7）齿轮泵式喷标电机如果没有良好的通风系统，就会让密封性差的颗粒和潮气方便到设备的里面。8）轮泵很是能够受损，而且根本修不好，要选择从新买，所以他的维修成本要很大。它的结构不复杂。下图3-8：图3-8 DOD喷标这种喷头的喷嘴开口度较大，能够发展成面积广阔的喷点。此喷头的性能较强，可以喷涂容易聚滴的涂料，并且在喷出之后，附着性强，不容易挥发散去然后特殊物质的粘性高，所以在钢铁行业往往就用到这中奇特的的材料。依照要求喷墨式喷标可以在图形喷涂上面有着非常

45、好的特点：1）喷涂上下间隔是2.5mm-64mm。3）设备在移动，墨水没有往复作用，稀释剂根本不需要添加，墨水密度可以稳了。4）墨水没必要重复利用，密封比较不错，减少了对环境的污染8）设备里面用不到大功率器械，不怎么需要良好的散热，机械密封也很不错，工作环境对器械的作用微乎其微。9）基本不出现易损件，成本关于维护的要很低。综上考虑，在结合了设备成本以及综合性能之后，喷标机器人选择DOD 喷标模式，其中喷涂采用品牌为MAKTEC的型号为PJ-1B 的喷头。3.2.2 气缸的选型相比较喷标系统来说，喷头上下一定根本用不到什么比较大的力，根本不会有负载出现改变地时候，所以运行气动式操控喷头上下移动是

46、能够实现工作的，也会担心想到升降时间生产效率对于钢管。假若给供应的大气值是0.4Mpa，气缸就是运行部位它的所有重量是110N。然而我们所要用的为缸径是80mm，极限载荷为Q=D2P/4。根据一些气缸的性能图所得，气缸的极限往复运动一个周期时间小于2s。3.2.3 气缸活塞与喷头的连接喷头为喷标机器人喷标的执行机构，喷头在气缸的作用下可以上升或者下降。由于在一个周期中喷头的上升与下降比较频繁，所以气缸的活塞与机器人的喷头怎么连接非常重要。如下图3-9所示：图3-9 喷头安装在气缸上的示意图本文采取螺纹连接的方式将气缸的活塞与喷头连接在一起，为了防止喷头的松动，在连接处经常加装弹簧垫片来增加气缸活塞与喷头之间的张紧力。为了保证机器人在喷标程中始终保持直线升降，我们要对喷头在垂直