CN101966504B - 基于平面三自由度并联机构的组合喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平面三自由度并联机构的组合喷涂机器人，其包括一个龙门机架和四个喷涂作业模块单元，所述喷涂作业模块单元均由安装在龙门机架上的平面三自由度并联机器人构成，第一喷涂作业模块和第二喷涂作业模块结构相同，分别对称安装在龙门机架的两个立柱上；第三喷涂作业模块和第四喷涂作业模块结构相同，分别固接在各自的运动滑块上，所述运动滑块和龙门机架的上横梁通过移动副连接，可以实现在上横梁导轨上往复水平移动，所述龙门机架可在水平导轨上实现水平移动，通过将龙门机架的水平运动与所述喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷涂模块单元的喷头的位姿，从而完成对整个待喷涂零件的喷涂作业。本发明中的组合喷涂机器人的结构对称，灵活性好、精度和刚度高，易于制造，方便控制，容易实现模块化，柔性程度高，并可对不同汽车整车进行喷涂作业。

Description

基于平面三自由度并联机构的组合喷涂机器人

技术领域

本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种能够应用于汽车整车喷涂的模块化组合喷涂机器人。

背景技术

随着现代汽车工业的迅速发展，汽车型号和车体设计的不断调整，国内汽车生产正在向大规模、高质量和低成本的方向发展，汽车车身喷涂是汽车制造中最主要的生产工艺之一，它不仅能够提高汽车产品的耐蚀性，延长汽车使用寿命，它还最直接地体现了汽车外表面颜色、光泽和亮度质量的优劣，是人们对汽车质量最直观的评价，所以它对汽车市场竞争力的有着最直接的影响。在此背景下，传统的手工喷涂已经无法满足大多数整车厂车身涂装的要求，喷涂技术一步步的从手工喷涂、半自动喷枪喷涂发展到了如今的机器人自动喷涂，只有采用机器人才能适应这种频繁变化的生产要求。机器人的作用是控制喷枪，使之在喷涂过程中与喷涂表面保持正确的角度和恒定的距离。到目前为止，喷涂机器人已成为国内市场上运用最多的工业机器人之一。

喷涂机器人成为汽车工业喷涂生产线和首选设备，然而由于我国工业机器人技术的局限，自主研发的喷涂机器人往往存在精度不够，控制能力低下的缺点，目前我国大多数汽车涂装生产线仍然在采用自动喷涂机设备，少数企业所采用的自动喷涂机器人大部分都是来自国外的设备制造商，成套引进这些设备不仅价格昂贵，而且维护成本高，一旦设备出现故障，维修周期较长，更甚者有可能在维修期间导致整条生产线的停产，造成企业巨大的资源浪费和财产损失，因此实现自动静电涂装设备的国产化，提高对喷涂机器人的研究水平，打破国外厂商的技术垄断成为当前亟需解决的问题，这对于我国机器人产业以及汽车产业具有重大意义。

通过调研发现，现已应用的传统喷涂机器人都是采用仿人手臂的串联机器人，通过对运动轨迹的合理规划完成自动化喷涂作业。但由于我国制造业整体技术水平的限制，至今未能对串联机器人的精度不高问题做出实质性的突破，串联式喷涂机器人的控制相对较复杂，而且这种串联式机器人由于结构形式单一，很难取得知识产权突破。

并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：结构简单紧凑、刚度高、单位重量上承载能力大、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动，轨迹易于控制等优点。这些优点在一定程度上弥补了串联机构的不足。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计出一种方便制造、易于控制的基于平面三自由度并联机构的模块化组合喷涂机器人，该组合机器人同时拥有并联机构和串联机构的优点，更能适应汽车整车喷涂作业任务。

本发明提供一种基于平面三自由度并联机构的组合喷涂机器人，其包括一个龙门机架和四个喷涂作业模块单元，所述喷涂作业模块单元均由安装在龙门机架上的平面三自由度并联机器人构成，所述喷涂作业模块单元包括第一喷涂作业模块、第二喷涂作业模块、第三喷涂作业模块及第四喷涂作业模块，所述第一喷涂作业模块和第二喷涂作业模块结构相同，分别对称安装在龙门机架的两个立柱上；所述第三喷涂作业模块和第四喷涂作业模块结构相同，分别固接在各自的运动滑块上，所述运动滑块和龙门机架的上横梁通过移动副连接，可以实现在上横梁导轨上往复水平移动，所述龙门机架可在水平导轨上实现水平移动，通过将龙门机架的水平运动与所述喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷涂模块单元的喷头的位姿，从而完成对整个待喷涂零件的喷涂作业。

本发明所述的组合喷涂机器人，其中第一喷涂作业模块和第二喷涂作业模块均是三自由度并联机器人，均具有机架、动平台支架和连接机架和动平台支架之间的左支链和右支链、以及连接右支链和动平台支架之间的转动支链，所述的左支链和右支链结构对称，其中左支链包括左连杆、左滑块及第一运动副组，所述的第一运动副组由三个运动副组成：连接机架和左滑块之间的转动副、连接左滑块和左连杆之间的移动副、连接左连杆和动平台支架之间的转动副；右支链包括右连杆、右滑块及第二运动副组，所述第二运动副组由三个运动副组成：连接机架和右滑块之间的转动副、连接右滑块和右连杆之间的移动副、连接右连杆和动平台支架之间的转动副，所述转动支链包括转动滑块、转动连杆及第三运动副组，所述第三运动副组由三个运动副组成：连接转动滑块和右支链中的右连杆之间的转动副、连接转动滑块和转动连杆之间的移动副、连接转动连杆和动平台支架之间的转动副。

本发明所述的组合喷涂机器人，其中左支链和右支链控制安装侧面雾化喷头的动平台支架的位置以实现其两个移动自由度，转动支链控制安装侧面雾化喷头的动平台支架的姿态以实现其一个转动自由度。

本发明所述的组合喷涂机器人，其中第三喷涂作业模块和第四喷涂作业模块均是三自由度并联机器人，均具有运动机架、动平台、连接运动机架和动平台之间的移动左支链和移动右支链、连接移动左支链和铰接块之间的转动左支链、连接移动右支链和铰接块之间的转动右支链，所述的移动左支链包括移动左滑块、移动左连杆及运动副组I，所述的运动副组I由三个运动副组成：连接移动左滑块和运动机架之间的转动副、连接移动左滑块和移动左连杆之间的移动副、连接移动左连杆和动平台之间的转动副；所述的移动右支链包括移动右滑块、移动右连杆及运动副组II，所述的运动副组II由三个运动副组成：连接移动右滑块和运动机架之间的转动副，连接移动右滑块和移动右连杆之间的移动副，连接移动右连杆和动平台之间的转动副，所述的转动左支链包括转动左滑块、转动左连杆及运动副组III，所述的运动副组III由三个运动副组成：连接转动左滑块和移动左连杆之间的转动副、连接转动左滑块和转动左连杆之间的移动副、连接转动左连杆和铰接块之间的转动副；所述的转动右支链包括转动右滑块、转动右连杆及运动副组IV，所述的运动副组IV由三个运动副组成：连接转动右滑块和移动右连杆之间的转动副、连接转动右滑块和转动右连杆之间的移动副、连接转动右连杆和铰接块之间的转动副。

本发明中的动平台和铰接块之间通过移动副连接，上部雾化喷头安装在动平台上，移动左支链和移动右支链控制动平台的位置实现其两个移动自由度，转动左支链和转动右支链控制动平台的姿态以实现其一个转动自由度。

本发明中的四个喷涂作业模块在结构上可以完全相同。

本发明所述的组合喷涂机器人，可用于汽车整车的喷涂作业。

本发明中提到基于平面三自由度并联机构的组合喷涂机器人有如下优点：(1)结构对称，易于制造，成本较低，更容易实现模块化加工；(2)其速度快、灵活性好；(3)相对于串联机构更容易控制，喷涂精度易于保证；(4)工作空间大，在导轨上可实现大范围移动；(5)柔性程度高，可适应不同汽车整车的喷涂作业环境，更可以根据需要增加喷涂作业单元模块。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的第三、第四喷涂作业模块示意图；

图3为本发明实施例1的第一、第二喷涂作业模块示意图；

图中，①-第一喷涂作业模块、②-第四喷涂作业模块、③-第三喷涂作业模块、④-第二喷涂作业模块、15-底板、16-水平导轨、17-龙门机架、18-第三喷涂作业模块运动滑块、19-上横梁导轨、110-第四喷涂作业模块运动滑块、111-待喷涂汽车、112-水平导轨；21-动平台、22-转动右滑块、23-转动右连杆、24-移动右滑块、25-移动右连杆、26-运动机架、27-移动左滑块、28-移动左连杆、29-转动左连杆、210-转动左滑块、211-铰接块、212-上部雾化喷头；31-动平台支架、32-转动连杆、33-转动滑块、34-右连杆、35-右滑块、36-机架、37-左滑块、38-左连杆、39-侧面雾化喷头。

具体实施方式

本发明提出的基于平面并联机构的模块化组合汽车整机喷涂机器人，结合附图1-3及实施例详细说明如下：

如图1所示，是一种对汽车整车完成自动喷涂作业的组合喷涂机器人，其包括一个龙门机架17和四个喷涂作业模块单元。所述的喷涂作业模块分别是第一喷涂作业模块①、第四喷涂作业模块②、第三喷涂作业模块③、第二喷涂作业模块④，这四个喷涂作业模块单元均是平面三自由度并联机器人。其中，第一喷涂作业模块①和第二喷涂作业模块④结构完全相同，分别对称安装在龙门机架17的两个立柱上；所述的第三喷涂作业模块③和第四喷涂作业模块②结构也完全相同，分别固定连接在第三喷涂作业模块运动滑块18和第四喷涂作业模块运动滑块110上，所述的运动滑块18、110分别和龙门机架17的上横梁导轨19通过移动副连接，就可以实现在上横梁导轨19上的水平移动。该龙门机架17是可移动的，其可以在水平导轨16、112上实现大范围的水平移动。通过将龙门机架17的水平运动与四个喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷涂模块单元的喷头的位姿，完成对待喷涂汽车111的整车喷涂作业。

如图2所示，第三喷涂作业模块③和第四喷涂作业模块②结构完全相同，都是平面三自由度并联机器人，均包括：运动机架26、动平台21和连接运动机架26和动平台21之间的对称的移动左支链和移动右支链、以及连接移动左支链和铰接块之间的转动左支链，连接移动右支链和铰接块之间的转动右支链。所述的移动左支链包括：移动左滑块27、移动左连杆28及运动副组I，所述的运动副组I由三个运动副组成：连接移动左滑块27和运动机架26之间的转动副，连接移动左滑块27和移动左连杆28之间的移动副，连接移动左连杆28和动平台21之间的转动副；所述的移动右支链包括：移动右滑块24、移动右连杆25及运动副组II，所述的运动副组II由三个运动副组成：连接移动右滑块24和运动机架26之间的转动副，连接移动右滑块24和移动右连杆25之间的移动副，连接移动右连杆25和动平台21之间的转动副。所述的转动左支链包括：转动左滑块210、转动左连杆29、及运动副组III，所述的运动副组III由三个运动副组成：连接转动左滑块210和移动左连杆28之间的转动副，连接转动左滑块210和转动左连杆29之间的移动副，连接转动左连杆29和铰接块211之间的转动副；所述的转动右支链包括：转动右滑块22、转动右连杆23、及运动副组IV，所述的运动副组IV由三个运动副组成：连接转动右滑块22和移动右连杆25之间的转动副，连接转动右滑块22和转动右连杆23之间的移动副，连接转动右连杆23和铰接块211之间的转动副。其中动平台21和铰接块211之间通过移动副连接，上部雾化喷头212安装在动平台21上。由上述的运动机架26、动平台21和移动左、右支链、转动左、右支链一起构成第一组平面三自由度并联机器人，其中移动左支链和移动右支链控制动平台21的位置(两个移动自由度)，转动左、右支链控制动平台21的姿态(一个转动自由度)。

如图3所示，第一喷涂作业模块①和第二喷涂作业模块④结构完全相同，均是平面三自由度并联机器人，均包括：机架36、动平台支架31和连接机架36和动平台支架31之间的左支链和右支链、以及连接右支链和动平台支架31之间的转动支链。所述的左支链、右支链结构对称，其中左支链包括：左连杆38、左滑块37、及第一运动副组，所述的第一运动副组由三个运动副组成：连接机架36和左滑块37之间的转动副，连接左滑块37和左连杆38之间的移动副、连接左连杆38和动平台支架31之间的转动副；右支链包括：右连杆34、右滑块35及第二运动副组，所述的第二运动副组由三个运动副组成：连接机架36和右滑块35之间的转动副，连接右滑块35和右连杆34之间的移动副、连接右连杆34和动平台支架31之间的转动副。所述的转动支链包括：转动滑块33、转动连杆32、及第三运动副组，所述第三运动副组由三个运动副组成：连接转动滑块33和右支链中的右连杆34之间的转动副、连接转动滑块33和转动连杆32之间的移动副、连接转动连杆32和动平台支架31之间的转动副。由上述机架36、动平台支架31和左支链、右支链、转动支链一起构成了第二组平面三自由度并联机器人，其中左、右支链控制安装侧面雾化喷头39的动平台支架31的位置(两个移动自由度)，转动支链控制安装侧面雾化喷头39的动平台支架31的姿态(一个转动自由度)。

工作时，待喷涂的汽车111通过拖链在底板15上匀速水平移动，安装四个喷涂作业模块的龙门机架17在水平导轨112、16上往复运动。通过将龙门机架17的水平运动、和四个对称放置的喷涂作业模块的机构运动相结合，可以完成对绝大多数的汽车整车的喷涂作业。

在本发明的另一实施例中，第一组平面三自由度机构和第二组平面三自由度机构完全相同，即所述四个喷涂作业模块的结构完全相同。

在该实施例中，龙门机架上安装了四个喷涂作业模块，可以理解的是，本领域的技术人员可在不超出本发明的条件下，适当调整喷涂作业模块的数量，并对整体结构进行显而易见的替换或修改，来适应不同形状和规格的待喷涂汽车的喷涂作业环境

Claims (7)

1.一种基于平面三自由度并联机构的组合喷涂机器人，其包括一个龙门机架和四个喷涂作业模块单元，所述喷涂作业模块单元均由安装在龙门机架上的平面三自由度并联机器人构成，所述喷涂作业模块单元包括第一喷涂作业模块、第二喷涂作业模块、第三喷涂作业模块及第四喷涂作业模块，所述第一喷涂作业模块和第二喷涂作业模块结构相同，分别对称安装在龙门机架的两个立柱上；所述第三喷涂作业模块和第四喷涂作业模块结构相同，分别固接在各自的运动滑块上，所述运动滑块和龙门机架的上横梁通过移动副连接，可以实现在上横梁导轨上往复水平移动，所述龙门机架可在水平导轨上实现水平移动，通过将龙门机架的水平运动与所述喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷涂模块单元的喷头的位姿，从而完成对整个待喷涂零件的喷涂作业。

2.如权利要求1所述的组合喷涂机器人，其中第一喷涂作业模块和第二喷涂作业模块均是三自由度并联机器人，均具有机架、动平台支架和连接机架和动平台支架之间的左支链和右支链、以及连接右支链和动平台支架之间的转动支链，所述的左支链和右支链结构对称，其中左支链包括左连杆、左滑块及第一运动副组，所述的第一运动副组由三个运动副组成：连接机架和左滑块之间的转动副、连接左滑块和左连杆之间的移动副、连接左连杆和动平台支架之间的转动副；右支链包括右连杆、右滑块及第二运动副组，所述第二运动副组由三个运动副组成：连接机架和右滑块之间的转动副、连接右滑块和右连杆之间的移动副、连接右连杆和动平台支架之间的转动副，所述转动支链包括转动滑块、转动连杆及第三运动副组，所述第三运动副组由三个运动副组成：连接转动滑块和右支链中的右连杆之间的转动副、连接转动滑块和转动连杆之间的移动副、连接转动连杆和动平台支架之间的转动副。

3.如权利要求2所述的组合喷涂机器人，其中左支链和右支链控制侧面安装雾化喷头的动平台支架的位置以实现其两个移动自由度，转动支链控制安装侧面雾化喷头的动平台支架的姿态以实现其一个转动自由度。

4.如权利要求1所述的组合喷涂机器人，其中第三喷涂作业模块和第四喷涂作业模块均是三自由度并联机器人，均具有运动机架、动平台、连接运动机架和动平台之间的移动左支链和移动右支链、连接移动左支链和铰接块之间的转动左支链、连接移动右支链和铰接块之间的转动右支链，所述移动左支链包括移动左滑块、移动左连杆及运动副组I，所述运动副组I由三个运动副组成：连接移动左滑块和运动机架之间的转动副、连接移动左滑块和移动左连杆之间的移动副、连接移动左连杆和动平台之间的转动副；所述移动右支链包括移动右滑块、移动右连杆及运动副组II，所述运动副组II由三个运动副组成：连接移动右滑块和运动机架之间的转动副、连接移动右滑块和移动右连杆之间的移动副、连接移动右连杆和动平台之间的转动副，所述转动左支链包括转动左滑块、转动左连杆及运动副组III，所述运动副组III由三个运动副组成：连接转动左滑块和移动左连杆之间的转动副、连接转动左滑块和转动左连杆之间的移动副、连接转动左连杆和铰接块之间的转动副；所述转动右支链包括转动右滑块、转动右连杆及运动副组IV，所述运动副组IV由三个运动副组成：连接转动右滑块和移动右连杆之间的转动副、连接转动右滑块和转动右连杆之间的移动副、连接转动右连杆和铰接块之间的转动副。

5.如权利要求4所述的组合喷涂机器人，其中动平台和铰接块之间通过移动副连接，上部雾化喷头安装在动平台上，移动左支链和移动右支链控制动平台的位置实现其两个移动自由度，转动左支链和转动右支链控制动平台的姿态以实现其一个转动自由度。

6.如权利要求1所述的组合喷涂机器人，其中四个喷涂作业模块在结构上完全相同。

7.如权利要求1-6之一所述的组合喷涂机器人，可用于汽车整车的喷涂作业。

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