一种基于天车平台的智能喷砂机器人的制作方法

本发明涉及喷砂工艺处理领域，具体涉及一种基于天车平台的智能喷砂机器人。

背景技术：

喷砂是利用高速旋转的叶轮把丸、砂抛掷出去，高速撞击零件表面，达到表面处理要求。喷砂房又叫喷丸房、打砂房，适应于一些大型工件表面清理、除锈，增加工件与涂层之间的附着力等效果，喷砂房根据磨料的回收方式喷丸房分为：机械回收式喷丸房和人工回收式喷丸房。目前国内多数采用人工回收喷砂房，原因是经济实用，制作简单、方便，用材简易，大大的减少了喷砂房的造价成本。但对于复杂的工件人工实现显得困难，效率低；所以一种可抛喷各种工件的具有喷嘴机械手的机器人是大势所趋。

国内抛喷丸设备技术水平较低，总体达到国外上世纪80年代初期到中期水平。存在的问题是：可靠性差，故障率高；能耗高；作业环境差，环境污染严重；操作者素质和技能比较差，存在安全隐患；设备控制水平较低，自动化水平较低。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种具备优异的运动能力，能够智能喷砂清理各种工件包括复杂结构的工件表面的机器人，其移动空间可以覆盖整个喷砂清理室，可以通过示教模式对机器人进行编程或者采用人工控制方式对各种工件进行喷砂清理；它甚至可以通过车窗或其它孔洞进入轨道机车内部，清理其内部表面，应用范围从各种铸件、大型钢件到轨道机车车辆。

本发明采用以下技术方案：

一种基于天车平台的智能喷砂机器人，包括喷砂设备、工件放置台和天车平台，天车平台可以实现两个垂直方向上的移动，其特征在于，还包括人工操作台、系统控制柜、机器手臂，所述的人工操作台设置有带功能按钮的手柄以及触摸屏，通过手柄来模拟人的操作让机器获知喷头轨迹和运行速度，通过触摸屏设置抛喷力度；所述的系统控制柜与人工操作台、机器手臂、天车平台、喷砂设备电连接并共同组成控制系统，整个控制系统包括电气控制系统和微机控制系统，微机控制系统用来记录和分析喷砂处理的过程数据，实现喷查处理的全过程控制，电气控制柜通过电机与各个模块或部件电连接，控制各个模块或部件的运动；机器手臂设置在天车平台上，设置有至少6个转轴或关节，能够实现纵向、横向和垂直方向移动，还设置至少一个喷嘴，喷嘴与喷砂设备连接，实现喷砂。

优选的，所述的天车平台包括第一支架、第二支架和第三支架，第一支架和第二支架平行设置，第三支架垂直卡合在第一支架和第二支架之间，且第三支架能够沿着第一支架和第二支架自由滑动。

进一步的，所述的机器手臂包括喷嘴、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节和滑动块，所述的滑动块能够沿着第三支架自由滑动，滑动块下端固接连接套筒上端，所述第六关节和第五关节均为套筒结构，第六关节能够在连接套筒内壁上自由滑动，第五关节上端能够在第六关节内壁上自由滑动；第五关节下端通过活动轴与第四关节连接，第四关节下端通过活动轴与第三关节连接；第三关节下端通过转向台与第二关节连接，第二关节上端通过旋转轴与转向台下端活动连接，且第二关节沿旋转轴360度旋转；第二关节下端与第一关节固接，第一关节设有转轴，且所述转轴与所述旋转轴相互垂直，所述转轴能够360度旋转；所述喷嘴固定在转轴上。

优选的，所述的人工操作台包括触摸屏和手柄，触摸屏和手柄分别连接系统控制柜，所述的手柄包括左操控手柄和右操控手柄，左操控手柄上设有水平定位按钮和仰角幅度定位按钮，用来控制水平位置和上下仰角幅度，所述的右操控手柄上设有起始定位按钮和纵向定位按钮，用来设定起始位置和纵向位置。

进一步的，所述的控制系统包括系统控制柜、机器手臂步进电机驱动模块、天车步进电机驱动器模块、喷砂设备可编辑控制器、人工操作台控制模块，所述的系统控制柜内设有工业控制计算机和数据接口，所述的机器手臂步进电机驱动模块包括控制机器手臂6个关节自由度的驱动电机以及行程开关输入模块，实现对机器手臂6个关节的流或控制；天车步进电机驱动器模块包括天车x轴控制模块、天车y轴控制模块和天车行程开关输入模块，实现天车的移动和定位；喷砂设备可编辑控制器包括抛砂设备i/o接口、抛喷头控制模块、磨料输送控制模块、分离器控制模块、磨料提升控制模块，实现喷砂流量流速的控制；人工操作台控制模块包括功能按钮模块和触摸屏，实现手动操控和参数设置。

进一步的，所述的控制系统还包括喷砂房大门控制模块，喷砂房大门控制模块与系统控制柜电连接，用来实现喷砂房的大门的自动开启和关闭。

进一步的，所述的控制系统还包括声光模块，所述声光模块包括音频采集与功放模块，通过播放预先录制的声音提醒，通知操作人员喷砂处理的进度。

进一步的，所述的控制系统还包括sim模块，所述的sim模块通过预先设定联系人的手机号码，在喷砂处理完成或出现问题时，及时向联系人发送短信，使得联系人不在现场时，可以及时得知现场情况。

本发明的有益效果是：

1、机器手臂设计了6个可自由活动的关节，具备优异的运动能力，可同时满足上下伸缩、水平弯曲、360度角度调整等一系列动作，可以完全满足完成复杂构件清理对于三维空间自由度的要求，也可有效防止喷砂路径的堵塞。

2、多传感器融合的运动规划与协调控制技术研究，结合人工操作台的操作，协调控制室可以通过示教模式对机器人进行编程或者采用人工控制方式对各种工件进行喷砂清理。

3、计算机仿真软件可以根据工件的主要尺寸自动生成相应的喷砂清理程序。采用最先进的机器人仿真软件如abbrobotstudio专业机器人仿真设计软件，借助虚拟机器人技术进行离线编程，到达设计目标，进而可以采用solidworks进行绘图设计，对工件表面喷砂的力度、密度用计算机仿真技术来模拟实际工作状况，为自动喷砂清理模式打下基础。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明现场设置示意图；

图3是本发明中机器手臂的结构示意图；

图4是本发明系统控制原理框图。

图3中：1第一关节，2第二关节，3第三关节，4第四关节，5第五关节，6第六关节，7滑动块。

具体实施方式

如图1所示，一种基于天车平台的智能喷砂机器人，包括喷砂设备、工件放置台和天车平台，天车平台可以实现两个垂直方向上的移动，其特征在于，还包括人工操作台、系统控制柜、机器手臂，所述的人工操作台设置有带功能按钮的手柄以及触摸屏，通过手柄来模拟人的操作让机器获知喷头轨迹和运行速度，通过触摸屏设置抛喷力度；所述的系统控制柜与人工操作台、机器手臂、天车平台、喷砂设备电连接并共同组成控制系统，整个控制系统包括电气控制系统和微机控制系统，微机控制系统用来记录和分析喷砂处理的过程数据，实现喷查处理的全过程控制，电气控制柜通过电机与各个模块或部件电连接，控制各个模块或部件的运动；机器手臂设置在天车平台上，设置有至少6个转轴或关节，能够实现纵向、横向和垂直方向移动，还设置至少一个喷嘴，喷嘴与喷砂设备连接，实现喷砂。

整个系统的位置平面图如图2，天车带动机器手臂可以在移动空间xy轴移动，机器手臂6个关节实现满足抛喷工件抛喷的空间位置自由移动；喷嘴由喷砂设备控制；整个系统的控制通过控制柜控制，人工操作台将控制指令传给控制柜中的控制系统中，实现自动手动融合控制。

所述的天车平台包括第一支架、第二支架和第三支架，第一支架和第二支架平行设置，第三支架垂直卡合在第一支架和第二支架之间，且第三支架能够沿着第一支架和第二支架自由滑动。天车的原理如同航车类似，xy方向各设2个限位开关，用以限位和定位。天车两方向移动控制电机采用三相步进电机。

如图3所示，所述的机器手臂包括喷嘴、第一关节1、第二关节2、第三关节3、第四关节4、第五关节5、第六关节6和滑动块7，所述的滑动块能够沿着第三支架自由滑动，滑动块下端固接连接套筒上端，所述第六关节和第五关节均为套筒结构，第六关节能够在连接套筒内壁上自由滑动，第五关节上端能够在第六关节内壁上自由滑动；第五关节下端通过活动轴与第四关节连接，第四关节下端通过活动轴与第三关节连接；第三关节下端通过转向台与第二关节连接，第二关节上端通过旋转轴与转向台下端活动连接，且第二关节沿旋转轴360度旋转；第二关节下端与第一关节固接，第一关节设有转轴，且所述转轴与所述旋转轴相互垂直，所述转轴能够360度旋转；所述喷嘴固定在转轴上。

机器手臂采用步进电机同精密谐波减速器配合驱动关节运动，具有精度高、控制性能好、结构简单的特点。在六自由度手臂的运动学方程基础上，兼顾天车位置信息形成八自由度，以机器臂控制的初始前向变量为依据，建立可参数化的、非线性的机器臂旋转、移动维度进行机器人手臂的三维空间定位控制，形成机器人三维臂八关节分解维度控制矩阵。

所述的人工操作台包括触摸屏和手柄，触摸屏和手柄分别连接系统控制柜，所述的手柄包括左操控手柄和右操控手柄，左操控手柄上设有水平定位按钮和仰角幅度定位按钮，用来控制水平位置和上下仰角幅度，所述的右操控手柄上设有起始定位按钮和纵向定位按钮，用来设定起始位置和纵向位置。

人工操作台的主要作用为：为了实现新工件的抛喷轨迹、运行速度和抛喷力度，首先需要进行轨迹、抛喷运行速度、抛喷力度的识别：通过人工操作台的手柄来模拟人的操作让机器获知喷头轨迹、运行速度和抛喷力度。具体操作如下：

1、操作右手柄使工件的处在开始抛喷恰当位置，此时按下右操作手柄的起始位置按钮，记下此处的位置。调整右手柄的纵向位置，使喷头处于工件的中间位置，按下右操作手柄的纵向位置按钮，记下此位置。慢慢移动右操作手柄，手柄移动的快慢就是喷头在喷射过程中的运行速度，机器将逐步记下。

2、操作左手柄，通过左手柄调整喷头的上下喷射俯角幅度，同时操作左手柄调整喷头距离工件的水平距离，使此距离和俯角幅度适合抛喷。分别按下上下俯角幅度的按钮和水平位置定位按钮，机器记下此位置和喷射摆动角度。到此，机器识别人的操作工作已经完成。在操作台的软件界面上输入喷头的喷射力度。机器就完成全部的识别过程。

为了做到自修正，让喷头按轨迹模拟人工进行虚拟抛喷清理。此过程在人工监督进行，如果机器人动作符合要求，完全按人的旨意进行，则操作人员可以离开喷砂房，启动抛喷机器人，机器人可独立工作；完毕，打开大门，进行安装下一个同类工件，机器人按同类程序进行对工件的抛喷清理。如果需要抛喷清理新的工件，则再进行上面的工作。

如图4所示，主控制由工业计算机控制，与机器手臂控制模块、天车控制模块、喷砂设备控制模块、人工操作控制模块、喷砂房控制构成一体，相互协调来控制抛喷工艺，实现机器人的智能抛喷。所述的控制系统包括系统控制柜、机器手臂步进电机驱动模块、天车步进电机驱动器模块、喷砂设备可编辑控制器、人工操作台控制模块，所述的系统控制柜内设有工业控制计算机和数据接口，所述的机器手臂步进电机驱动模块包括控制机器手臂6个关节自由度的驱动电机以及行程开关输入模块，实现对机器手臂6个关节的流或控制；天车步进电机驱动器模块包括天车x轴控制模块、天车y轴控制模块和天车行程开关输入模块，实现天车的移动和定位；喷砂设备可编辑控制器包括抛砂设备i/o接口、抛喷头控制模块、磨料输送控制模块、分离器控制模块、磨料提升控制模块，实现喷砂流量流速的控制；人工操作台控制模块包括功能按钮模块和触摸屏，实现手动操控和参数设置。同时，为了实现控制系统对喷砂房的整体控制，所述的控制系统还包括喷砂房大门控制模块，喷砂房大门控制模块与系统控制柜电连接，用来实现喷砂房的大门的自动开启和关闭。

由于整个机器人可以实现自动化，因此操作人员可以离开喷砂房，为了便于操作人员及时了解喷砂房的进展状况，控制系统中需要增加提醒模块，提醒模块可以采用以下设置：

1、设置声光模块，所述声光模块包括音频采集与功放模块，通过播放预先录制的声音提醒，通知操作人员喷砂处理的进度。

2、设置sim模块，所述的sim模块通过预先设定联系人的手机号码，在喷砂处理完成或出现问题时，及时向联系人发送短信，使得联系人不在现场时，可以及时得知现场情况。

上述的系统，其核心是对于喷砂流程的仿真模拟，在整个系统运行的过程中，该机器人的编程方法有3种：

1、示教编程：采用这种编程方法时，操作员手动操作机器人对某个工件进行喷砂清理的同时，机器人会记录下喷砂清理程序。机器人的全部运动和其它控制信息的变化均存储在喷砂清理程序中。

2、离线编程：采用模拟软件进行离线编程。这种编程方法无需中断生产过程，即可轻松地创建机器人喷砂清理程序。这种编程方法尤其适用于需要进行大批量生产的客户。离线编程为选配功能，需配合工件的3维模型。

3、根据预先仿真结果进行工件的自动喷砂编程：对于相对简单的工件，根据仿真结果编写自动生成喷砂清理程序。

上述的三种不同编程方式不需要增加模块或执行器只需要在软件编程实现3中任务即可。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明的具体结构，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。