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智能粉刷机结题报告
盐城工学院邱其伟
一、项目设计背景
我国是人口大国，住房需求量大。房地产开发迅猛发展使我国的建筑业得到了飞速的发展。目前我国的工业、商用、民用房屋的建筑，无论从主体到装修，从墙面到水电安装，还全部是由人工来完成，费时长，质量不易保证。而在工期中，墙体粉刷和装修占定额工期的50%，因此提高效率和质量是缩短工期、保证施工质量的有效措施。
由于人工喷涂时容易出现喷涂不均匀，喷涂对人体有害的涂料时，要做很多防护措施都仍然不能保证人体的健康和安全，喷涂易然涂料时存在一定的安全隐患，大面积涂料时，电气设备必须按防爆等级规定进行，个人容易出现不适的症状，专门的喷涂人员由于长期从事该项工作患一些疾病的可能性增大了。同时，由于对于喷涂质量的要求，以及现代生产的要求高效率自动化则成为不可避免的趋势。因而，喷涂机械手能够的得到广泛的应用，并且目前的喷涂机械手还不能很好的满足人们的需要，所以研究喷涂机械手具有较大的意义和实用价值。智能粉刷机能够满足的高质量、高产量、高效率的喷涂要求，特别是树脂及镁、钛合金及有害材料的应用在此行业的大量使用。喷涂机械手的喷涂方式具有降低生产成本、提高作业效率、改善作业环境、节省安装空间、机械化、自动化管理作业等优势。是目前行业中的一种新兴的及先进的喷涂方式。喷涂适用的范围很广，包括建筑及各种制造业。本设计主要是针对建筑而设计的一种粉刷机。因而所用的喷涂材料较制造业的更为简单，喷涂的质量的要求也相对较低一些。
目前出现了高质量的全自动的喷涂机，喷涂质量大大提高，喷涂范围也在不断扩大。从原来的二维喷涂到现在的三维立体喷涂作业，喷涂机越发先进灵活，适应质量，高要求的工作要求。有的先进的喷涂机，应用伺服软仿形喷涂系统等，采用人机交互界面，操作灵活方便。但是，喷涂机械手在房屋建筑领域内的还没有得到较好的应用。所以，研究设计一种专门针对房屋建筑喷涂的机械手是非常有实际价值，它代替人工不仅可以减少工人与有害涂料直接接触，而且可以提工作动效率和质量，同时可以取得喷涂机在建筑上应用的突破，具有较大的意义。本课题是通过抛物状搅叶转动的扭力将粉料喷打到墙上，同时用特制的摸灰钢板将墙面抹平收光，整个过程一次性完成。专业型粉墙机阴阳角、门窗、柱子都可施工，它不但可抹水泥砂浆、白灰砂浆，还可抹腻子粉、瓷性涂料等。我们组设计的智能喷涂机主要由行走机构，上升机构和压力机构组成。行走机构由电动机带动的三个变速齿轮组成，可以将电动机很快的速度转变为喷涂机稳定的慢速度，使喷涂更加均匀。上升机构由步进电机带动喷头移动，步进电机能够满足对电动机限时的要求，可以让电动机安装人的意愿进行工作，从而实现喷涂机行走一个行程喷头墙壁后，转而向下一个墙面喷涂，实现智能化功能。
二、工作原理
喷涂工作原理采用涂料压送式辅助空气喷涂方法。涂料装入料仓后经搅拌器搅拌均匀由涂料泵压送到喷枪，在高速压缩空气流的带动下从喷嘴呈雾状喷出，附着在墙壁上形成均匀细致的涂层。
正式喷涂之前先调试好设备并进行试喷，以确定涂料喷出量。喷涂开始时先启动行走机构，沿墙面以一定速度（分高，中，低三档）行走，随着喷涂机的移动喷枪便在墙面上迅速留下一条幅宽为1m左右的长条形喷涂工作面。当喷涂机走完一个降工作行程后便通过升降机构上升或下降一个幅宽（1m左右，可根据实际情况需要调整），与前一个工作面完成搭接，然后启动反向行走辅助行走机构按钮完成下一个工作行程，如此循环反复。当遇到墙面阻挡时。可通过辅助行走机构配合完成。
整体构造的关键是行走速度与涂料及空气量的压力，流量调节，行走过快则涂层薄，甚至无法完全覆盖墙面；行走过慢则涂层厚，易形成挂流。涂料和空气量的压力，流量调节不好则很难得到较理想化的雾化效果，也易导致涂层不均匀，影响涂层质量。可将行走速度三档，实际操作时应结合涂料和空气的压力，流量调节情况具体确定，不同粘度的涂料情况不尽相同，最终应以形成满意的涂层为准。
图一：整体结构图
电动机
变速齿轮
变速齿轮
车轮
步进电机
喷头
车架
步进电机按钮
喷头控制按钮
行走机构开关 11
导管
支架
压力容器
工作原理：通过电机的转动，带动曲柄滑块机构将能量转化为机箱压缩喷涂料的压缩动力，使机箱的伸出连杆做上下的周期运动，从而将喷涂料从机箱中抽出，再通过机箱内部的单向阀使得压缩涂料的气压足够大，最终喷头喷出喷雾状的颗粒，实现更好的喷涂效果。将机箱输出的喷涂液与塑胶软管相连，再将喷头固定在直线电机上，这样就实现了喷涂机构的上下移动功能。最后将直线电机与小车固定在一起这样整体机构便安装完成，功能也便完全实现，即机箱提供喷涂液通过软管将喷涂液输送到喷头上，最终喷头在小车和直线电机的带动下实现水平上下移动，实现全方位的喷涂效果。
三、研究过程
第一步、行走机构的小车的设计制作
初步构想：
小车的前后水平移动通过电机带动齿轮实现。由于电机的转速过高，应用到小车上，导致小车移动过快，所以必须通过相应的减速装置来实现，于是我们便想到用变速齿轮来实现其功能。下图为变速齿轮的三维建模图：
图2：变速齿轮
参数：模数m=2.5
z小=18
z大=36
B1=B2=10mm
d内=20mm
d高=25mm 槽宽=5mm
齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，其主要特点：传动精确可靠，可传递空间两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广（功率从接近零的微小值至千万瓦，圆周速度从很低到300m/s）；传动效率高（η=0.92～0.98）；工作可靠，寿命长；外廓尺寸小，机构紧凑。齿轮机构的主要缺点是：制造和安装精度要求较高，需专门设计制造，因此成本比较高；不宜用于远距离两轴之间传动。所以采用变速齿轮
具体操作：
首先选择一片能够支撑一定重量，面积一定的薄木板，用凿刀在上面凿出变速齿轮、电机、单刀双掷控制开关、小车轮胎，及电源的安装孔。将变速齿轮安照图1中的位置按一定的顺序进行组装安装在电机轴上，再与小车轮胎的齿轮相啮合，最终整体固定在薄木板的底盘上。最后连接电源及单刀双掷开关的线路图，将开关与电源也固定在底盘上。如下图所示（图3）
图3：小车整体结构图
第二步、喷涂机构的设计 初步构想：
刚开始准备使用废弃的气压式喷涂机的机箱作为我们设计产品的主箱，但是由于废弃机箱已经不能在实现密封的空间吸气作用，如果重新买一个机箱，从经济上考虑，不是很实惠，所以放弃了这种想法。最终决定使用家用使用的农药机来作为机箱，但是手机农药机的气压不够，所以必须保证提供动能的电机的功率必须足够大。于是我便从网络上购买所需的各种器材，如同步交流齿轮减速马达，遥控器，单向阀等。器材具备以后，便对机箱的支撑架机进行焊接，马达的曲柄进行焊接，组合组装整体机构。在组装中出现了很多问题，如曲柄滑块机构的曲柄长度长短不能实现功能的问题，固定曲柄与马达轴承的铁丝断裂问题，遥控器由于功率过大烧坏问题（该问题是最主要，也是最难搞的问题），最终通过不断的努力，不断是尝试，改进使得机构逐渐趋于完善。曲柄滑块制作完成后，接下来便是滑块与农药机压缩杆的连接，通过思考后，我决定在压缩杆上开一个与遥杆直径相差无几的孔来实现回转连接。这个阶段最大的难点就是曲柄滑块的曲柄长度的确定，通过精确的运算计算出的数据在实际制造中，由于机箱本身的不稳定因素，使得本因精确的数据在实际中并不那么准确，不得不重新进行确定长度。
曲柄存在条件
如图4 所示，设构件1、2、3、4的杆长分别为a、b、c、d，并且a
图4：四杆机构有曲柄的条件分析
由△B2C2D,可得
adbc ⑴
由△B2C2D d(da)c ⑵
或 c(da)b ⑶
即
abcd ⑷
acbd ⑸ 将⑴、⑷、⑸分别相加，则可得
ac
ab
ad
即AB杆为最短杆。具体操作：
找来一片厚度，宽度适当的45钢材料薄片，按照曲柄滑块机构存在曲柄的条件计算出曲柄的长度D，做上十字形标记。在数控加工中心利用钻床在薄片上相距D的标记上钻出直径比电机轴承直径大约2mm的孔，然后通过铁丝将曲柄与电机轴承紧密连接在一起。最后按照图5所示将摇杆与机箱压缩杆连接，实物如图6所示。
图5：曲柄滑块机构
图6：曲柄滑块机构
第三步、上升机构的设计
初步设想
在电机的轴上缠绕一定长度，强度足够的细绳，通过电机的正反转可以实现细绳的伸长与缩短，当细绳与直杆上的喷头连接时，细绳的伸长与缩短就使得喷头上下移动，实现所设想的成果，如图7所示。喷头与直杆的连接是通过一条贯穿直杆的齿条来实现的，喷头在直杆上的移动呈现一格一格的移动，不会出现喷头滑落现象。起初想到用一种遥控赛车上有一种装置能够实现这种效果，或者是不用齿条而用直杆和橡皮筋来代替齿条。
图7：上升机构
具体操作：
在制作过程中，直杆上的齿轮条根本无法用手工简单的制作出来，同时橡皮筋的弹性根本不能完全控制住，导致喷头的上下移动速度不一致，而且运动不协调。只好放弃之前的一切设想，然后想通过网上购买步进电机来实现功能，但是步进电机需要控制器和C51编程语言编写程序输入单片机中控制步进电机，由于还没有学到相关的知识，加上放假在家中无法进行自学相关的知识，最终决定只好在网上购买直接遥控控制的简单步进电机。实物如图8所示。
图8：直线电机
四、结果分析
1、水平移动机构的功能实现
水平移动机构是由转动的电机带动木质底板的小车移动实现其功能。，通过变速齿轮的连接，使高速运转的电机转动转变为低速转动输出，实现了小车前进和后退的功能。小车的前进后退通过单刀双掷开关实现，开关的正反相接使得电机正反转动，从而实现小车的移动。如图9所示。
图9： 行走机构模型
下图10为单刀双掷开关的内部线路图，当单刀双掷开关拨向一端时，电机按照一定的方向转动，小车向前（向后）移动，当开关拨向另一端时，电机成反向转动，使得小车向后（向前）移动，这样就实现小车的前后移动，满足操作要求。
图10：单刀双掷开关内部线路图
2、喷涂控制机构的功能实现
喷涂机构主要是由家用农药机改装而成，如图11所示。在家用农药机的手把手部位加上可遥控控制的电机如图12所示，电机转动代替手动压的方式，是喷出的液体流速更高，从而达到喷涂墙壁的功效。电机通过远程控制器和接收器控制如图13所示。大大降低了人体劳动，减少劳动力，提高工作效率，实现智能化功能。电机与遥控器的接线图如图14所示。
图11： 喷涂机构整体
图12：交流电机 图13：控制器及接收器
图14：电机与遥控器接线图
3、上升机构的功能实现
将无线控制器与直线电机连接完成，当按下控制器上的上升按钮时，电机便缓缓向上升起，当升到一定高度时（或者通过控制器在任意时刻暂停），电机将自动停止运动，此时按下下降按钮电机便先下返回原始位置。这样就可以实现喷头的上下移动，与小车的左右移动一起组成了喷头的平面任意远动，完成全方位的喷涂效果。
图15为直线电机的机构参数图：图16为上升机构实物图。
图15：直线电机的机构参数图
图16：上升机构实物图
4、整体功能的实现
图17：整体机构图
如图17所示，水平移动机构：水平移动机构是由转动的电机带动木质底板的小车移动实现其功能。，通过变速齿轮的连接，使高速运转的电机转动转变为低速转动输出，实现了小车前进和后退的功能。小车的前进后退通过单刀双掷开关实现，开关的正反相接使得电机正反转动，从而实现小车的移动。喷涂控制机构：喷涂机构主要是由家用农药机改装而成，在家用农药机的手把手部位加上可遥控控制的电机，电机转动代替手动压的方式，是喷出的液体流速更高，从而达到喷涂墙壁的功效。电机通过远程遥控控制，大大降低了人体劳动，减少劳动力，提高工作效率，实现智能化功能。上下移动机构:上下机构由直线电机上安装喷头实现，通过控制器按钮实现电机定时定线地上下移动以实现墙壁的喷涂。
五、重点难点
1、齿轮啮合的不稳定
齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，其主要特点：传动精确可靠，可传递空间两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广（功率从接近零的微小值至千万瓦，圆周速度从很低到300m/s）；传动效率高（η=0.92～0.98）；工作可靠，寿命长；外廓尺寸小，机构紧凑。齿轮机构的主要缺点是：制造和安装精度要求较高，需专门设计制造，因此成本比较高；不宜用于远距离两轴之间传动。
由于实验操作器材紧缺，只能就地取材选用一些简单的，常见的零件，这就造成了实际动手制作模型时，出现零件连接不紧凑、固定不稳定，制作粗壮的问题。不过最终通过不断的稳固完善是的直线小车达到了预想的效果。实物图18所示。
图18：变速齿轮
2、动力电机上的曲柄滑块机构
曲柄必须要求刚度，强度足够大，所以必须做成薄片状，侧面受力大。由于机械设备的限制不得不使用普通电钻进行慢慢的凿钻，为制作带来很大的不便。再加上曲柄必须和电机的轴紧密连接（不能通过焊接的方法使它们让你连接起来，因为高温下，电机的内部结构会被破坏),所以必须通过铁丝把曲柄固定在轴承上，这给曲柄滑块的运动带来了不确定因素，使的机构运转不够精确，而且电机的功率很大，铁丝很容易被拉断，这又使得操作很不方便。图19所示。
图19：实物的曲柄滑块机构
3、单向阀
普通单向阀又称单向阀，是一种允许液流沿一个方向通过，二反向液流则被截止的方向阀。要求其正常液流通过时压力损失小，反向截止时密闭性能好。
如图20，普通单向阀由阀体，阀芯和弹簧等零件组成，阀的连接形式为螺纹管式连接，阀体左端油口为进油p1，右端油口为出油p2。当进口来油时，压力油p1作用在阀芯左端，克服右端弹簧力使阀芯右移，阀芯锥面离开阀座，阀口开启，油液经阀口，阀芯上的径向孔a和轴向孔板b，从右端出口流出。若油液反向，由右端油口进入，则压力油p2与弹簧同向作用，将阀芯锥面紧压在阀座孔上，阀口关闭，油液被解职不能通过。在这里，弹簧力很小，仅起复位作用，因此正向开启压力只须（0.03-0.05）MPa;反向截至时,因锥阀阀芯与阀座孔为线密封,且密封力随压力增高而增大,因此密封性能良好。
图20：单向阀
六、问题思考
1、存在的问题:(1)、齿轮啮合的不稳定：行走机构中的变速齿轮的安装相当困难，因为没有完整的小车模型做样板，所以安装变速齿轮，固定小车轮子时，完全依靠手工的磨凿来实现齿轮的安装，精确度不够准确。
(2)、喷涂机构的电机安装也很困难，由于没有相关的机械仪器，所以电机的固定都是依靠手工打凿，磨制，安装，机构粗糙。
(3)、曲柄必须要求刚度，强度足够大，所以必须做成薄片状，侧面受力大。由于机械设备的限制不得不使用普通电钻进行慢慢的凿钻，为制作带来很大的不便。再加上曲柄必须和电机的轴紧密连接（不能通过焊接的方法使它们让你连接起来，因为高温下，电机的内部结构会被破坏),所以必须通过铁丝把曲柄固定在轴承上，这给曲柄滑块的运动带来了不确定因素，使的机构运转不够精确，而且电机的功率很大，铁丝很容易被拉断，这又使得操作很不方便。
(4)、单向阀的使用:由于机箱的管道与单向阀的直径并不匹配，所以在制造过程中存在透气现象，机构的不密闭性使得气压值有所降低，所以单向阀这里需要进行改进。
2、思考
这次的设计实际上并不是完全意义上的智能化，因为各种电机的控制开关都是手动控制的，并不是实际意义上的智能化，还有就是喷涂机的原理，虽然通过单向阀能够长生很大的气压，但是现实中这种传统的方法以被取代，取而代之的是各种先进的设备。所以在今后的设计改进中，我们组准通过PLC震荡电路和单片机来实现电机能各种电动器材的开关控制作用，用气压缸或者液压缸来代替简单的机械运动吸取液体的功能。
七、研究收获
1、动手能力的提升
本次创新设计充分利用了我们所有的专业知识，机械原理的曲柄滑块机构为能源的传递提供了基础，、电机的正反相接实现的正反传实现了行走机构要求的基本功能、直线电机的上升下降功能为喷涂的上下移动功能提供可能。通过这次的创新设计，我们学到了很多知识，知道了实际动手比预想的要困难的多，它还教会了我们发现问题后如何找到解决问题的能力，用实际的行动告诉我们“纸上谈兵”确实是不好的。
2、专业知识的提升
(1)齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，其主要特点：传动精确可靠，可传递空间两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广（功率从接近零的微小值至千万瓦，圆周速度从很低到300m/s）；传动效率高（η=0.92～0.98）；工作可靠，寿命长；外廓尺寸小，机构紧凑。齿轮机构的主要缺点是：制造和安装精度要求较高，需专门设计制造，因此成本比较高；不宜用于远距离两轴之间传动。齿轮方面的知识得到了进一步的巩固，同时也加强了pro-e的画图能力。
(2)普通单向阀又称单向阀，是一种允许液流沿一个方向通过，二反向液流则被截止的方向阀。要求其正常液流通过时压力损失小，反向截止时密闭性能好。
如图21，普通单向阀由阀体，阀芯和弹簧等零件组成，阀的连接形式为螺纹管式连接，阀体左端油口为进油p1，右端油口为出油p2。当进口来油时，压力油p1作用在阀芯左端，克服右端弹簧力使阀芯右移，阀芯锥面离开阀座，阀口开启，油液经阀口，阀芯上的径向孔a和轴向孔板b，从右端出口流出。若油液反向，由右端油口进入，则压力油p2与弹簧同向作用，将阀芯锥面紧压在阀座孔上，阀口关闭，油液被解职不能通过。在这里，弹簧力很小，仅起复位作用，因此正向开启压力只须（0.03-0.05）MPa;反向截至时,因锥阀阀芯与阀座孔为线密封,且密封力随压力增高而增大,因此密封性能良好。
图21：单向阀
(3)偏置曲柄滑块机构如图22。
图22：偏置曲柄滑块机构
通过这个课题的设计知道了偏置曲柄滑块机构曲柄存在的条件：aeb，进一步深刻理解了曲柄滑块机构在实际中如何应用。
八、参考文献
[1]《机械原理》.郑文纬、吴克坚主编.高等教育出版社.1997年7月 [2]《机械设计》.濮良贵、纪名刚主编.高等教育出版社.2001年6月
[3]《MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术》.何立民主编.北京航空航天大学出版社.1999年6月
[4]《自动机械设计》.尚久号主编.中国轻工业出版社.2004年5月 [5]《机械设计手册——弹簧、起重运输件、五金件》.成大先主编.化学
工业出版社.2004年1月
[6]《工业机械手课程设计》.哈尔滨工程大学出版社
[7]《Pro/ENGINEER英文野火版教程——零件设计范例》.詹友刚编著.清华大学出版社出版.2005年1月
[8]《机械零件设计手册》第二版上册.东北工学院机械教研室主编.1980年11月
[9]《现代机械设计方法》.孙谓民主编.哈尔滨工业大学出版社、北京理工大学 出版社、西北工业大学出版社、哈尔滨工程大学出版社、北京航空航天大学出版社.
