技术领域

本发明涉及一种机电产品，确切讲，涉及一种对钢质弯管外表面喷涂防腐或缠绕防腐的 弯管外防腐涂装机，在水利电力、石油化工等企业管道系统安装中，有着广泛的、实质性的 使用价值。

在水利电力、石油化工等企业管道系统安装中，安装的管道在空间架设，由于接触空 气，管道外表面氧化而锈蚀。安装的管道隐埋在地下，由于接触地下的活性物质，发生电化 学反应而腐蚀。这种锈蚀或腐蚀，都会缩短管道的使用周期。因此，在管道安装前，一般都 需经过防锈蚀、防腐蚀的处理。

                               技术背景

随着管道施工设备和技术的发展、进步，在管道工程建设中，管子或弯管的防锈蚀、防 腐蚀的处理，已从最初的刷油漆、沥青，发展到在管子外表面涂装环氧粉末、煤焦油瓷漆、 聚乙烯胶带，挤压聚乙烯。对直管防腐涂装，由于管子有一根对于各管段都同心的轴线，常 采用机械传动方法使管子绕轴线旋转；涂装环氧粉末、煤焦油瓷漆、聚乙烯胶带，挤压聚乙 烯的设备安装在管子的一旁，随着管子的旋转，涂装物质喷涂到管子上，或将其一端附着在 管子外表面上自动缠绕上去。由于管子在绕轴线旋转的同时，又以一定的速度沿管子轴向方 向前进，因此，涂装物质实际上是以一定的导程(螺旋角)连续喷涂或缠绕到管子外表面， 完成防锈蚀、防腐处理。采用机械化涂装方法，涂装物质均匀、致密，喷涂或缠绕质量高， 提高了管子防锈蚀、防腐能力。但对于弯管，由于存在弯曲半径，弯管的各管段没有一根同 心的轴线。以普通的方法夹持弯管的一端，通过机械传动使弯管旋转，弯管各管段的旋转形 式各不相同，各管段的运动轨迹也是各不相同。因此，没有一种可利用的喷涂或缠绕方式， 不能采用机械化方法，把涂装物质喷涂或缠绕到弯管的外表面。

上述原因，限制了现有的机械化防锈蚀、防腐处理技术，在弯管防锈蚀、防腐处理中的 使用。所以，多年来，一般小口径弯管(管径＜Φ325mm)都采用人工除锈，人工缠绕防腐 层；大口径弯管(管径＞Φ325mm)采用机械除锈，人工缠绕防腐层。采用缠绕防腐层，不 仅速度慢，缠绕的防腐层不均匀，同等材料的防锈蚀、防腐能力差，和高质量的防腐处理直 管子一起使用，弯管防锈蚀、防腐质量差，将是质量隐患；而且防锈蚀、防腐处理作业环境 差，生产工人劳动强度大，不利于不安全生产，增加了辅助施工时间和管道安装工期。

                                 发明内容

本发明的主要目的是针对采用现有防锈蚀、防腐处理技术，不能使用机械化方法涂装弯 管的实际情况，提供一种弯管外防腐涂装机，实现弯管防锈蚀、防腐涂装机械化，提高弯管 防锈蚀、防腐涂装的质量，缩短弯管防锈蚀、防腐涂装时间。本发明的另一个目是提供一种 经济型工业机器人和弯管外防腐涂装方法。

本发明的上述目的是这样实现的：由机体底座、主轴电机、减速器、主轴承座、可倾 式夹盘、可调式尾座、电气控制箱、工具箱、工业机器人一起组成弯管外防腐涂装机。其 中，一个可倾式夹盘安装在主轴承主轴上，另一个可倾式夹盘安装在可调式尾座主轴上。按 照弯管的弯曲半径调整两个可倾式夹盘的倾斜角度，使弯管的两个端管口以一定的角度夹持 在两个可倾式夹盘之间。主轴电机经减速器连接主轴承主轴驱动弯管旋转，采用这种旋转方 式，弯管在空间的运动，规划为椭圆抛物面轨迹。由于弯管在空间的运动轨迹可知，可建立 椭圆抛物面运动方程，使涂装执行器按建立的运动方程运动，涂装执行器将跟踪弯管的运 动，涂装执行器的跟踪由工业机器人完成。工业机器人安装在垂直于主轴承主轴与可调式尾 座主轴连线的轴线上，离主轴承主轴与可调式尾座主轴连线有一定的距离。工业机器人和控 制电源安装在可作180度摆动的转盘上，将涂装设备放置在摆动转盘上，涂装物质输送软管 经工业机器人大臂、小臂引导到手部，涂装执行器安装在工业机器人手部，随手部牵引放置 到弯管上。对弯管椭圆抛物面运动方程求解，用求解的数值控制弯管转动，与工业机器人相 互配合，协调运动。随着弯管以匀速旋转(速度由导程决定)，工业机器人以均速转动(速 度由导程决定)，使工业机器人手部从主轴上可倾式夹盘端开始，向尾座可倾式夹盘方向移 动；同时工业机器人的大臂、小臂、手部跟随弯管在空间的椭圆抛物面轨迹运动，保持涂装 执行器跟随弯管的旋转而紧靠弯管，将涂装物质喷涂或缠绕到弯管上。

采用上述技术方案，实现了以机械化方式对弯管外防腐的涂装，既减轻了生产工人劳动 强度，增加了防腐涂装安全性，提高了弯管防锈蚀、防腐处理的质量。同时，缩短了弯管防 锈蚀处理的施工时间，提高了管道建设速度。

                                附图说明

以下结合附图对采用本发明的实施例进行具体描述，其中：

图1是采用本发明的弯管外防腐涂装机主视图，图2是弯管外防腐涂装机左视图。

图1中标号1为工字钢底座、2为工具箱、3为可调式尾座、4为可倾式夹盘、5为弯管、 6为工业机器人机身、7为摆动电机、8为工业机器人、9为导轨、10夹盘、11为球铰螺栓、12 为夹盘座、13为主轴承、14为联轴器、15为减速器、16为主轴电机、17为电气控制箱。

图2中20为可倾式夹盘、21为调整手轮、22为可调式尾座、23为弯管、24为工业机器人 手部、25为工业机器人小臂、26为滚轮、27为工业机器人大臂、28为工业机器人肩部、29为 工业机器人机身、30为摆动电机。

                            具体实施方式

图1所示的弯管外防腐涂装机，以金属焊接方法制造机体底座，在底座的一端加工安装 电气控制箱的螺母孔，另一端加工安装工具箱框架的螺母孔。电气控制箱的上平面加工安装 主轴电机、减速器、主轴承座的螺母孔。工具箱的上平面加工安装可调式尾座的螺母孔。主 轴电机、减速器、主轴承座依次安装在电气控制箱上，主轴电机轴与减速器输入轴连接，减 速器输出轴安装桡性联轴器，主轴承轴的一端安装桡性联轴器与减速器输出轴连接，另一端 安装可倾式夹盘。可调式尾座安装在工具箱上，可调式尾座可用调整螺栓调整安装位置，另 一个可倾式夹盘安装在可调式尾座的主轴上。其中：

主轴电机、摆动电机、减速器、主轴承、可调式尾座选用符合国家标准的元件。主轴电 机、摆动电机采用调速电机。也可选用摆线针轮行星减速器与调速电机同轴装配在一起的摆 线针轮减速机直接使用。

机体底座由工字钢型钢、加强筋板组成，工字钢型钢、加强筋板焊接成矩形框架。工字 钢矩形框架的一端加工安装电气控制箱框架的螺母孔，一端加工安装工具箱的螺母孔。

电气控制箱由槽钢型截面型钢、加强筋板组成。槽钢型钢、加强筋板焊接成槽钢矩形框 架，矩形框架的一个短平面上加工安装园孔，另一个短平面上加工安装主轴电机、减速器、 主轴承座的螺母孔。

工具箱由槽钢型截面型钢、加强筋板组成。槽钢型钢、加强筋板焊接成槽钢矩形框架， 矩形框架的一个短平面上加工安装园孔，另一个短平面上加工安装可调式尾座的螺母孔。

可倾式夹盘由夹盘、夹盘座、角度调整器组成。

夹盘为圆盘形，用中厚钢板制作。在一个盘面上加工有多道同心圆沟槽，沟槽的外径等 于弯管的外径，沟槽的宽度等于弯管的最大壁厚。盘面的四个对称位置加工有凸形槽，凸形 夹块嵌入在凸形槽内。凸形夹块的凸形部位加工有梯形螺母，梯形螺栓从夹盘的圆柱面装 入，和梯形螺母旋合。梯形螺栓的一端在夹盘中心通过平面推力轴承固定，另一端在夹盘的 圆柱面上固定。夹盘的另一面安装有两个铰链支座，铰链支座上加工有固定螺母孔。夹盘与 夹盘座采用铰链连接。

夹盘座为槽形结构，用中厚钢板制作。两槽形面为半梯形，前端加工有铰链孔，铰链孔 附近加工有固定螺母孔，前端下部加工有安装调整螺母的铰链孔。与两槽形面垂直的平面为 圆板形，加工有安装到主轴上和可调式尾座上的圆孔。

角度调整器由球铰支座、球铰螺栓、调整螺母组成。球铰支座分为球座和球盖，球座安 装在夹盘的一个面上(有铰链支座)。球铰螺栓装入球座后，球盖用螺栓紧固。调整螺母外 圆面的两个对称位置加工成旋转轴，安装在夹盘座两槽形面的下部。

由夹盘、夹盘座、角度调整器装配成可倾式夹盘。一个可倾式夹盘座与主轴采用过渡 配合连接，另一个可倾式夹盘座采用双列球面轴承与可调式尾座主轴连接。根据弯管的弯曲 半径，调整球铰螺栓，可使可倾式夹盘的倾斜角度改变，以适应弯管的弯曲半径。

图2所示的工业机器人由机身、关节型手臂、机器人控制器组成

机身由摆动转盘、导轨、滚轮、加强筋板组成。

导轨采用槽钢，加强筋板制作，焊接成矩形框架，矩形框架的后端安装摆动电机支架。 为适应不同弯曲半径的弯管防腐涂装，导轨与工字钢机体底座的连接位置可调整，使导轨可 沿纵轴线方向移动。

摆动转盘由转盘柱体、齿轮圈、立轴、双列推力轴承、支架板组成。立轴用螺栓安装在 滑动底板上。双列推力轴承内环安装在立轴上，转盘柱体内嵌推力轴承外环，装入立轴后用 螺栓锁紧。转盘柱体的下端安装齿轮圈与摆动电机输出齿轮啮合。

主轴电机和摆动电机的调速原理如《电机原理及应用 》、《电动机调速的原理及系统》 文中所述，参照调速电机说明书，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不再赘述，仅对主 轴电机和摆动电机的控制作说明。主轴电机和摆动电机由生产厂家配套的电气控制主回路， 可安装在电气控制箱内。机器人控制器输出的经光电隔离、放大后的开关信号，经电缆引入 到电气控制箱内，作电气控制主回路的控制(二次)回路。机器人控制器输出控制信号后可 启动主轴电机和摆动电机转动，或停止主轴电机和摆动电机转动。

图2所示的工业机器人由肩部、大臂、小臂、手部、机器人控制器组成。肩部和大臂之 间由肩关节轴铰链，大臂与小臂之间由肘关节轴铰链，小臂与手部之间由腕关节轴铰链。肩 部、大臂、小臂为模块结构，可根据生产作业的需要，选择各规格模块方便地换装。机器人 控制器安装在肩部内，控制信号通过电缆连接到肩部、大臂、小臂、手部的电气驱动系统。 输送涂装物质的软管可隐藏在大臂、小臂引导到手部。

图2所示的手部由手腕步进电机、传动螺杆、传动螺母、连接片、导向环、动环、止 环、导环、箱体组成。传动螺母的外圆周上，对称地加工了两个平面，每一个平面上加工了 两个铰链孔。在与该平面垂直的外圆周位置上，对称地加工了两个导向键槽。动环的内圆周 上对称地加工了两个导向键槽。传动螺母旋入传动螺杆，套装在动环里，通过滑动键滑动连 接，动环又套装在导向环里，导环套装在止环里，导向环和止环同轴装配在箱体上。具有两 个自由度：由手腕步进电机通过与传动螺杆联接，经传动螺母，和与传动螺母铰链的连接片 联接，操作连接片作往复运动；手腕步进电机通过与传动螺杆联接，在传动螺杆与传动螺母 旋紧的状态下，由导向环、动环支承传动螺母并导向、止环支承导环并导向，操作导环作微 小旋转。

图2所述的肩部由机械臂体、电气臂体，支承柱、螺栓、防护罩装配成。机械臂体是减 速器的箱体，内装减速齿轮组，各级齿轮轴处安装向心球轴承，减速齿轮组的末级输出轴是 肩关节轴。肩部步进电机安装在箱体上，步进电机输出轴安装的齿轮与一级减速齿轮啮合。 电气臂体内安装功率驱动单元电路模块，光电藕合检测器。机械臂体、电气臂体通过支承 柱、螺栓连接为一体。末级减速齿轮轴的一端插入电气臂体后，安装检测圆盘与光电藕合检 测器配合，检测肩关节轴的转动角度。防护罩装在机械臂体、电气臂体连接处构成机电一体 模块。

图2所述的大臂由机械臂体、电气臂体，支承柱、螺栓、防护罩装配成。机械臂体是减 速器的箱体，内装减速齿轮组，各级齿轮轴处安装向心球轴承，减速齿轮组的末级输出轴是 肘关节轴。大臂步进电机安装在箱体上，步进电机输出轴安装的齿轮与一级减速齿轮啮合。 电气臂体内安装功率驱动单元电路模块，光电藕合检测器。机械臂体、电气臂体通过支承 柱、螺栓连接为一体。末级减速齿轮轴的一端插入电气臂体后，安装检测圆盘与光电藕合检 测器配合，检测关节轴的转动角度。防护罩装在机械臂体、电气臂体连接处构成机电一体模 块。

图2所述的小臂由机械臂体、电气臂体，支承柱、螺栓、防护罩装配成。机械臂体是减 速器的箱体，内装减速齿轮组，各级齿轮轴处安装向心球轴承，减速齿轮组的末级输出轴是 腕关节轴。小臂步进电机安装在箱体上，步进电机输出轴安装的齿轮与一级减速齿轮啮合。 电气臂体内安装功率驱动单元电路模块，光电藕合检测器。机械臂体、电气臂体通过支承 柱、螺栓连接为一体。末级减速齿轮轴的一端插入电气臂体后，安装检测圆盘与光电藕合检 测器配合，检测关节轴的转动角度。防护罩装在机械臂体、电气臂体连接处构成机电一体模 块。

机器人控制器由单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路组成。实施例中，单片 机系统的单片机芯片选用8031，输入输出接口芯片选用8255，地址锁存器选用74LS373，地 址译码器选用74LS138，程序存贮器选用2764。输入接口电路四组，每一组均由光电藕合隔 离4N25、TOP12，输入插口组成。输出功率驱动电路四组，以一组为例，光电隔离选用两 只4N25，集成驱动选用74LS06、74LS07，功率放大管选用四只达林顿管，电源开关控制管 选用达林顿管，输出插口选用单列六脚插座。为了缩小机器人控制器的体积，只设置两只指 示灯，一只接入单片机系统；一只接入输出功率驱动。只设置启动、停止按钮控制机器人控 制器。单片机系统和两组开关控制电路单独制作电路板，装配成机器人控制器安装在工业机 器人的肩部内。四组光电检测器的输入接口电路单独制作电路板，四组步进电机的输出功率 驱动电路，都分别单独制作单元电路板。输入接口电路板、输出功率驱动电路板分别安装在 工业机器人肩部、大臂、小臂的电气臂体内，构成机电一体模块。

机器人控制器硬件的制作如《MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用》、《单片机原 理及制作》、《单片机应用系统设计与实践 》文中所述。在选定单片机芯片、输入输出接口 芯片、地址锁存器、地址译码器、程序存贮器后。地址总线、数据总线、控制总线、片选信 号可按规定连接，其具体方法，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不再赘述。仅对输入输 出接口8255的地址分配，和输出功率驱动单元电路板作说明。8255的每一路输入、输出端 口均经光电藕合隔离与外围电路连接。PB0、PB1口接肩部步进电机，PB2、PB3口接大臂 步进电机，PB4、PB5口接小臂步进电机，PB6、PB7口接手腕步进电机。PC0口接入肩部步 进电机驱动电源回路，作开关控制；PC1口接入大臂步进电机，小臂步进电机的驱动电源回 路，作开关控制；PC2口开关控制接入摆动电机开关，PC3口开关控制接入主轴电机开关。 PC4口接入肩部光电藕合检测器，PC5口接入大臂光电藕合检测器，PC6口接入小臂光电藕 合检测器，分别检测各关节轴的转动角度。输出功率驱动单元电路板，都具有相同的结构。 以控制肩部步进电机为例：8255的PB0口输出的信号接光电藕合4N25，经隔离后的信号接 集成驱动74LS06的一个单元和74LS07的一个单元。PB1口输出的信号接另一只光电藕合 4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06的另一个单元和74LS07的另一个单元。四个单元 的输出信号分别推动四只功率达林顿管，放大后的电流直接驱动肩部步进电机转动。PC0口 输出的信号接光电藕合4N25，经隔离后的信号接输出接集成驱动74LS06的一个单元，其输 出信号推动开关控制达林顿管，控制肩部步进电机接入高电压。

机器人控制器电源包括一组12V高性能蓄电池，一组32V高性能蓄电池。

在另一个实施例中，单片机芯片采用89C51。89C51的的每一路输入、输出端口均经光 电藕合隔离与外围电路连接，输出功率驱动单元电路采用步进驱动器。单片机的P1.0、P1.1 口接肩部步进驱动器连接步进电机，P1.2、P1.3口接大臂步进驱动器连接步进电机，P1.4、 P1.5口接小臂步进驱动器连接步进电机，P1.6、P1.7口接手腕步进驱动器连接手腕步进电 机。

控制方案是基于单片机的全软件控制方式。由固化的控制程序控制，机器人控制器具有 两种功能：作可编程控制器对生产过程作顺序控制，依次对主轴电机、摆动电机、工业机器 人作顺序控制；在各个工序中，对执行元件作小信号输出控制，作步进电机的加、减速、换 相、相序分配、正转、反转控制。机器人控制器还具有另一种功能：输入信号经输入接口电 路输入单片机系统，单片机系统输出的控制信号，经输出功率驱动电路驱动步进电机；或经 开关控制输出电路直接控制主轴电机、摆动电机。使弯管转动、工业机器人运动，相互配 合，协调转动，按弯管防腐涂装作业工艺，进行弯管外防腐涂装生产作业。

工业机器人跟踪弯管在空间的椭圆抛物面运动轨迹，其控制程序的开发方式，采用如 《工业机器人》、《机器人控制技术》、《微型计算机控制基础》文中所述原理，采用离线 方式开发。其步骤是：

1、在微型计算机上，根据工业机器人结构参数建立工业机器人数学模型；

2、在微型计算机上，根据弯管所作椭圆抛物面运动轨迹，建立椭圆抛物面运动方程；

3、在微型计算机上，编写程序求解弯管椭圆抛物面运动方程，对工业机器人各个关节 轴求逆解；

4、在微型计算机上，用求解的数值，以图形方式动态仿真弯管的椭圆抛物面运动轨 迹，和工业机器人跟踪椭圆抛物面的运动。

待图形动态仿真弯管椭圆抛物面运动正确后，依照仿真、计算的数据，和弯管防腐涂装 工艺要求，编写控制程序。

1、机器人控制器上电复位、初始化；

2、工业机器人自检复位；

3、启动主轴电机；

4、启动摆动电机；

5、启动工业机器人跟踪弯管椭圆抛物面运动；

6、工业机器人的肩部、大臂、小臂、手部相互配合、协调转动，使涂装执行器跟踪弯 管椭圆抛物面运动轨迹；

7、停止工业机器人跟踪弯管椭圆抛物面运动；

8、停止摆动电机；

9、停止主轴电机；

10、关闭机器人控制器电源。

在微型计算机上，交叉汇编控制程序，汇编后的控制程序，通过微型计算机的通讯接口 输入到单片机开发器，单片机开发器连接输入接口与输出功率驱动电路，对弯管外防腐涂装 机进行实际调试，调试正确的控制程序，固化在机器人控制器内，完成弯管外防腐涂装控制 软件的开发。防腐涂装生产作业工艺作改进后，可修改防腐涂装控制程序，经汇编、调试正 确后，重新固化在机器人控制器内，完成弯管外防腐涂装控制软件的再次开发。

弯管外防腐涂装机生产作业时，先根据弯管的弯曲半径，调整前、后可倾式夹盘，使 可倾式夹盘的倾斜角度改变，以适应弯管的弯曲半径。弯管的两个管口分别放入前、后可倾 式夹盘面的槽内，转动梯形螺栓，凸型夹块在弯管内壁压紧弯管管口。调整完成后，用紧固 螺栓固定夹盘在夹盘座上。同时，球铰螺栓用双螺母紧固，使弯管稳定地夹持在前、后可倾 式夹盘之间。由机器人控制器固化的控制程序控制，依次控制主轴电机，使弯管作低速旋 转；同时，控制摆动电机，工业机器人作低速转动，使工业机器人从弯管的一端缓慢地向另 一端转动；控制工业机器人，使工业机器人手部安装的涂装执行器，跟踪弯管的椭圆抛物面 运动，将涂装物质喷涂或缠绕(以一定的导程)到弯管上如图2所示。图2中弯管在启动位 置时，手部在“A”位置；弯管依箭头方向旋转到“B”位置时，手部跟踪到“B”位置；弯 管依箭头方向旋转到“C”位置时，手部跟踪到“C”位置；弯管依箭头方向旋转到“D” 位置时，手部跟踪到“D”位置，手部始终紧靠在弯管的外表面。“A”点相对于弯管的位 置从启动时在弯管的右侧，依次变为在弯管的上部，左侧、下部、又回到右侧，表示弯管旋 转了一周，防腐物质涂装了一周。依此方式连续涂装，实现弯管防腐涂装机械化。图2中双 点划线是弯管在空间旋转的图形，和工业机器人手部跟踪的图形。

以上所述的仅是采用本发明原理，实现弯管防腐涂装作业机械化的优化实施例。应当指 出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改 进，以至开发出其它的产品，也应视为属于本发明的保护范围。