CN103521381B - 一种转台立柱式五自由度混联喷涂机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工作空间大，具有一定灵活性和柔性的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人。该转台立柱式五自由度混联喷涂机器人包括基础串联运动单元和末端并联喷涂作业单元两个部分。基础串联运动单元具有两个转动自由度和一个移动自由度，基础串联运动单元由机身转动关节，机身升降移动关节和水平转动关节组成；末端并联喷涂作业单元具有由两个移动自由度，末端并联喷涂作业单元是由大臂、小臂、连杆、曲柄、动平台等组成的平面并联机构。该装置具有工作范围大，驱动关节相对较少，结构紧凑，易于制造，方便控制，容易实现模块化等特点。
Description
技术领域
本发明属于机械制造设计领域及汽车涂装领域，具体涉及一种工作范围大，具有一定灵活性和柔性的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人。
背景技术
随着我国汽车工业的迅速发展，扩大生产规模、提高汽车产量、提升质量水平，都对汽车涂装技术提出了更高的要求，而机器人喷涂作为汽车涂装生产中的关键环节，已成为提高生产效率，保证生成质量的重要技术手段。机器人喷涂在国外已拥有三十多年的研究和发展历史，发达国家已在汽车生产的行业广泛应用喷涂机器人，在喷涂机器人研发以及喷涂技术研发方面都具有丰富的经验。
国内喷涂机器人的研制始于上世纪七十年代，起初国内对喷涂机器人的研究大多以对国外喷涂机器人的应用经验为基础，集中于研发周边技术和配套设施以便于更高效的应用喷涂机器人。近年来伴随着国内机械制造业(特别是汽车制造业)的迅速发展，国内许多汽车厂家和制造业公司也正在研发适合自己企业的喷涂机器人。由此展开喷涂机器人机械本体的创新研究和机构的原始创新，对拥有自主知识产权，提高企业竞争力显得尤为重要。
汽车制造作为制造业发展中的重点，在国家大力扶持下得到了长足的发展，国内汽车产量也在大幅提升，因而对与汽车制造相关的装备和技术提出了更高要求。汽车制造主要由冲压、焊装、涂装、总装四大工艺组成，涂装工艺涉及机械、电气、化工、环保等诸多科技技术，占四大工艺投资额40％以上，是汽车制造业的关键工艺。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，因而对汽车市场竞争力有着最直接的影响。决定喷涂质量最重要的因素是喷涂机器人，喷涂机器人的喷涂质量较人工喷涂和往复机喷涂的效果有明显提升，喷涂效率高，喷涂表面质量稳定，工人劳动条件好，能降低动力消耗，几乎受到了所有规模化企业的涂装线的青睐。喷涂机器人有如下优点：
1.轨迹灵活，可完成车身内表面和外表面的喷涂任务，仿形喷涂轨迹精确，提高了涂膜的均匀性，降低过喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料的利用率，对环境保护也起到了一定的作用；
2.柔性大，工作范围大，可现实多规格车型的混线喷涂生产，如轿车、旅行车、皮卡等车身混线喷涂生产；
3.易操作和维护，可离线编程，大大缩短现场调试时间，模块化的设计可实现快速安装和更换元器件，极大地缩短维修时间；
4.设备利用率高，往复式自动喷涂机利用率一般仅为40％-60％，而喷涂机器人的利用率可达90％-95％。
然而，目前我国汽车制造业中大部分还在采用自动喷涂机来完成喷涂作业，现有的自动喷涂机大多存在喷涂效率低、柔性较低、喷涂轨迹单一化、灵活性低、浪费油漆等缺点，已经无法适应当前汽车生产的柔性化的订单生产模式，严重制约了当前汽车工业的发展。虽然，目前已有部分发明专利也提供了一些喷涂机器人的机构形式和实例，但不可否认这些专利所提供的喷涂机器人有部分存在灵活性较差和柔性不足的缺点；而灵活性强、大柔性的喷涂机器人又不可避免出现冗余驱动过多，结构复杂，控制困难等问题。因此，研发新的工作范围大，具有一定灵活性和柔性，结构简单而控制容易的喷涂机器人已显得尤为重要，对提高国家制造业特别是汽车生产行业有着深远意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，以便在尽量减小控制难度的前提下，适应涂装生产线对喷涂机器人柔性化、高灵活度和高水平自动化的需求。
根据本发明的一种转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其特征在于该喷涂机器人包括基础串联运动单元和末端并联喷涂作业单元两个部分，所述基础串联运动单元由机身转动关节、机身升降移动关节、水平转动关节三部分组成，通过所述机身转动关节的转动扩大喷涂机器人在同一水平面内的喷涂范围，通过机身升降移动关节在竖直方向的升降运动扩大机器人在竖直方向的喷涂范围，通过水平转动关节和机身转动关节正交的协调运动调整喷枪在空间范围的姿态，从而适应多种姿态的工件喷涂；所述末端并联喷涂作业单元为三组平行四边形机构所组成的平面并联机构，能够保持并联动平台姿态，所述平面并联机构具有两个移动自由度。
根据本发明的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其中所述的机身转动关节的组成关系为：转台通过轴承与底座配合形成周转副，安装于底座上的转台驱动电机通过底座内部的同步带轮传动系统驱动转台转动，转台连接筒通过螺栓联接，使得下端面与转台紧固，上端面与立柱紧固。
根据本发明所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其中所述的机身升降移动关节的组成关系为：第一滑块驱动电机和第二滑块驱动电机通过螺栓分别安装于转台联接筒上端面，并通过转台联接筒内部的同步带轮传动系统驱动与转台联接筒以轴承形式联接的丝杠，第二滑块驱动电的同步带传统系统与第一滑块驱动电机的安装布置形式完全相同，滑块通过移动副与立柱联接，在第一滑块驱动电机和第二滑块驱动电机的同步作用下，两根丝杠同步转动驱动滑块实现上下移动。
根据本发明所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其中水平转动关节的组成关系为：端盖通过螺栓与立柱紧固，同时端盖通过轴承与丝杠的上端阶梯轴配合联接，滑块的后端面通过螺栓连接安装有转动座驱动电机，滑块的前端面通过轴承配合联接有转动座，转动座驱动电机驱动转动座可绕滑块转动。
根据本发明所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，转台的同步带轮传动系统可以描述为：转台驱动电机的电机轴通过普通平键与转台驱动小同步带轮配合连接，转台的阶梯轴穿过底座上端面中部圆孔内的轴承，并通过普通平键与转台驱动大同步带轮配合连接，转台驱动小同步带轮和转台驱动大同步带轮通过同步带传递动力，由此将转台驱动电机的扭矩传递给转台。
根据本发明所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，转台连接筒内部同步带轮传动系统可以描述为：滑块驱动小同步带轮普通平键与第一滑块驱动电机的电机轴配合连接，丝杠的阶梯轴穿过转台连接筒上部中央的轴承，并通过普通平键与滑块驱动大同步带轮配合连接，滑块驱动小同步带轮和滑块驱动大同步带轮通过同步带传递动力，由此将第一滑块驱动电机的扭矩转化为滑块升降的动力。
根据本发明所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，将同步带轮传动系统替换为齿轮传动系统或其他类似的传动系统。
根据本发明所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，所述的末端并联喷涂作业单元具体结构为，曲柄和大臂分别通过轴承配合形成转动副与转动座联接，并分别由曲柄驱动电机和大臂驱动电机驱动；曲柄驱动电机和大臂驱动电机则分别通过螺钉紧固在转动座的U型结构的外侧；小臂中部通过轴承与大臂末端构成被动转动副，小臂前端通过轴承配合形成转动副并与动平台联接，小臂后端通过轴承配合形成转动副并与弯曲连杆联接，弯曲连杆的另一端则通过轴承配合形成转动副与曲柄联接；三角连杆钝角顶点处圆孔通过轴承形成转动副与大臂联接；三角连杆外形为三角形，其长边为I连杆，其余两短边为II连杆，I连杆通过轴承配合形成转动副一端与小臂连杆连接，另一端与大臂连杆的一端联接；大臂连杆的另一端则通过轴承配合形成转动副与转动座上的耳形连杆联接；小臂连杆的另一端则通过轴承配合形成转动副与动平台联接，动平台的圆孔内装卡有喷枪。
根据本发明的优点在于：通过竖直转台的圆周转动和竖直导轨的升降，大大增加了装置的运动范围，提高了其柔性度，基础串联运动单元中两个转动关节配合运动，可实现多姿态下的喷涂任务，提高了装置的灵活性，且该转台立柱式五自由度混联喷涂在喷涂作业空间内具有冗余自由度，能实现对大多数待喷涂部件或整机的喷涂作业，应用场合广泛。此外，该转台立柱式五自由度混联喷涂机器人的末端并联喷涂作业单元具有保持喷枪姿态功能，可使得并联机构运动与基础串联运动单元的运动实现解耦控制，且机器人驱动关节较少多为正交关系，控制相对简单。因此，该转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，模块化结构特点明显，制造相对容易，控制方便，喷涂范围大，具有一定的灵活性和柔性，因而工程应用价值重大。
附图说明
图1为本发明所述的五自由度混联喷涂机器人整体示意图。
图2为本发明所述的五自由度混联喷涂机器人侧向喷涂示意图。
图3为本发明所述的五自由度混联喷涂机器人的末端并联喷涂作业单元示意图。
图中：1-底座，2-转台，3-转台驱动电机，4-转台连接筒，5-立柱，6-第一滑块驱动电机，7-第二滑块驱动电机，8-转动座驱动电机，9-滑块，10-丝杠，11-端盖，12-转动座，13-曲柄，14-大臂，15-三角连杆，16-小臂，17-小臂连杆，18-动平台，19-喷枪，20-弯曲连杆，21-曲柄驱动电机，22-大臂连杆，23-大臂驱动电机，24-滑块驱动大同步带轮，25-滑块驱动小同步带轮，26-转台驱动大同步带轮，27-转台驱动小同步带轮，28-底座密封板。
具体实施方式
本发明的一种转台立柱式五自由度混联喷涂的附图说明及实施细则说明如下：
本发明的技术方案通过图1、图2和图3所示进行说明和例证。
本发明所述的一种转台立柱式五自由度混联喷涂机器人包括基础串联运动单元和末端并联喷涂作业单元两部分。基础串联运动单元各零部件的连接关系及作用分别如下。
底座1通过螺栓与大地紧固连接，确保喷涂机器人在工作过程中足够稳定，并有足够的刚度支撑上部机构。转台2通过轴承与底座1配合形成周转副，安装于底座1上的转台驱动电机3通过底座1内部的同步带轮传动系统驱动转台2转动。转台2的同步带轮传动系统可以描述为：转台驱动电机3的电机轴通过普通平键与转台驱动小同步带轮27配合连接，转台2的阶梯轴穿过底座1上端面中部圆孔内的轴承，并通过普通平键与转台驱动大同步带轮26配合连接，转台驱动小同步带轮27和转台驱动大同步带轮26通过同步带传递动力，由此将转台驱动电机3的扭矩传递给转台2.(注：此处同步带轮传动系统也可是齿轮传动系统或其他类似传动系统。)转台连接筒4通过螺栓联接，使得下端面与转台2紧固，上端面与立柱5紧固。第一滑块驱动电机6和第二滑块驱动电机7通过螺栓分别安装于转台联接筒4上端面，并通过转台联接筒4内部的同步带轮传动系统驱动与转台联接筒4以轴承形式联接的丝杠10(另一根丝杠被遮挡故未示出)。转台连接筒4内部同步带轮传动系统可以描述为：滑块驱动小同步带轮25普通平键与第一滑块驱动电机6的电机轴配合连接，丝杠10的阶梯轴穿过转台连接筒4上部中央的轴承，并通过普通平键与滑块驱动大同步带轮24配合连接，滑块驱动小同步带轮25和滑块驱动大同步带轮24通过同步带传递动力，由此将滑块驱动电机甲6的扭矩转化为滑块9升降的动力。第二滑块驱动电机7的同步带传统系统与第一滑决驱动电机6的安装布置形式完全相同。此外，第一滑块驱动电机6和第二滑块驱动电机7需同步驱动，共同提供滑块9升降的动力。滑块9通过移动副(通过螺栓连接作用紧固在立柱5上的直线导轨和与之配合的直线轴承，直线轴承封装于滑块9内)与立柱5联接，滑块9上开有两个带T型螺纹的螺纹孔。丝杠10与滑块9通过螺旋副配合，在第一滑块驱动电机6和第二滑块驱动电机7的同步作用下，两个根丝杠10(另一根丝杠被遮挡故未示出)同步转动驱动滑块9实现上下移动。端盖11通过螺栓与立柱5紧固，同时端盖11通过轴承与丝杠10的上端阶梯轴配合联接。滑块9的后端面通过螺栓连接安装有转动座驱动电机8，前端面通过轴承配合联接有转动座12，转动座驱动电机8驱动转动座12可绕滑块9转动。
末端并联喷涂作业单元中各个零部件以及末端并联喷涂作业单元与基础串联运动单元的连接关系可描述如下。
转动座12为过渡零件，一端由轴承配合联接基础串联运动单元，另一端则联接末端并联喷涂作业单元。曲柄13和大臂14分别通过轴承配合形成转动副与转动座12联接，并分别由曲柄驱动电机21和大臂驱动电机23驱动。曲柄驱动电机21和大臂驱动电机23则分别通过机械螺钉紧固在转动座12的U型结构的外侧。小臂16中部通过轴承与大臂末端构成被动转动副，小臂16前端通过轴承配合形成转动副与动平台18联接，小臂16后端通过轴承配合形成转动副与弯曲连杆2O联接，弯曲连杆2O的另一端则通过轴承配合形成转动副与曲柄13联接。三角连杆15钝角顶点处圆孔通过轴承形成转动副与大臂14联接，并且该转动副与小臂16与大臂14所形成的转动副同轴。三角连杆15外形为三角形，其长边为I连杆，其余两短边构成II连杆。I连杆通过轴承配合形成转动副一端与小臂连杆17连接，另一端与大臂连杆22联接。大臂连杆22的另一端则通过轴承配合形成转动副与转动座12上的耳形连杆联接；小臂连杆17的另一端则通过轴承配合形成转动副与动平台18联接。动平台18的圆孔内装卡有喷枪19。
在本发明中，末端并联喷涂作业单元具有保持喷枪姿态的功能，在喷涂作业工程中大臂驱动电机23和曲柄驱动电机21配合可实现喷枪在同一水平面内的往复移动。转台驱动电机3驱动机器人机身转动，可扩大喷枪19在平面内的作业范围。丝杠10在滑块驱动电机甲6和滑块驱动电机乙7的共同作用下驱动滑块9，使得末端并联喷涂作业单元上下升降，可增大喷枪19在竖直方向的喷涂作业范围。转台驱动电机3驱动机身转动，转动座驱动电机8驱动转动座12转动，两者配合可以调整喷枪19的姿态，从而实现多种姿态下的喷涂作业。
本发明以一典型实施例进行了说明，本领域的技术人员在不超出本发明范围的情况下，可对转台和竖直导轨的相对位置关系进行变化，或对部分电机的安装进行简单调整，或将整个喷涂装置进行90°方位倒置等显而易见的变化和修改，以用来适应不同形状和规格的待喷涂部件或整机的喷涂作业环境。
Claims (7)
1.一种转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其特征在于该喷涂机器人包括基础串联运动单元和末端并联喷涂作业单元两个部分，所述基础串联运动单元由机身转动关节、机身升降移动关节、水平转动关节三部分组成，通过所述机身转动关节的转动扩大喷涂机器人在同一水平面内的喷涂范围，通过机身升降移动关节在竖直方向的升降运动扩大机器人在竖直方向的喷涂范围，通过水平转动关节和机身转动关节正交的协调运动调整喷枪在空间范围的姿态，从而适应多种姿态的工件喷涂；所述末端并联喷涂作业单元为三组平行四边形机构所组成的平面并联机构，能够保持并联动平台姿态，所述平面并联机构具有两个移动自由度，其中所述的机身转动关节的组成关系为：转台(2)通过轴承与底座(1)配合形成周转副，安装于底座(1)上的转台驱动电机(3)通过底座(1)内部的同步带轮传动系统驱动转台(2)转动，转台连接筒(4)通过螺栓联接，使得转台连接筒(4)的下端面与转台(2)紧固，使得转台连接筒(4)上端面与立柱(5)紧固。
2.根据权利要求1所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其中所述的机身升降移动关节的组成关系为：第一滑块驱动电机(6)和第二滑块驱动电机(7)分别通过螺栓安装于转台联接筒(4)上端面，并通过转台联接筒(4)内部的同步带轮传动系统驱动与转台联接筒(4)以轴承形式联接的丝杠(10)，第二滑块驱动电机(7)的同步带轮传统系统与第一滑块驱动电机(6)的安装布置形式完全相同，滑块(9)通过移动副与立柱(5)联接，在第一滑块驱动电机(6)和第二滑块驱动电机(7)的同步作用下，两根丝杠(10)同步转动驱动滑块(9)实现上下移动。
3.根据权利要求2所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，其中水平转动关节的组成关系为：端盖(11)通过螺栓与立柱(5)紧固，同时端盖(11)通过轴承与丝杠(10)的上端阶梯轴配合联接，滑块(9)的后端面通过螺栓连接安装有转动座驱动电机(8)，滑块(9)的前端面通过轴承配合联接有转动座(12)，转动座驱动电机(8)驱动转动座(12)可绕滑块(9)转动。
4.根据权利要求2所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，转台(2)的同步带轮传动系统的具体结构为：转台驱动电机(3)的电机轴通过普通平键与转台驱动小同步带轮(27)配合连接，转台(2)的阶梯轴穿过底座(1)上端面中部圆孔内的轴承，并通过普通平键与转台驱动大同步带轮(26)配合连接，转台驱动小同步带轮(27)和转台驱动大同步带轮(26)通过同步带传递动力，由此将转台驱动电机(3)的扭矩传递给转台(2)。
5.根据权利要求3所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，转台连接筒(4)内部同步带轮传动系统具体结构为：滑块驱动小同步带轮(25)通过普通平键与第一滑块驱动电机(6)的电机轴配合连接，丝杠(10)的阶梯轴穿过转台连接筒(4)上部中央的轴承，并通过普通平键与滑块驱动大同步带轮(24)配合连接，滑块驱动小同步带轮(25)和滑块驱动大同步带轮(24)通过同步带传递动力，由此将第一滑块驱动电机(6)的扭矩转化为滑块(9)升降的动力。
6.根据权利要求2或5所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，将同步带轮传动系统替换为齿轮传动系统。
7.根据权利要求1所述的转台立柱式五自由度混联喷涂机器人，所述的末端并联喷涂作业单元具体结构为，曲柄(13)和大臂(14)分别通过轴承配合形成转动副并与转动座(12)联接，并分别由曲柄驱动电机(21)和大臂驱动电机(23)驱动；曲柄驱动电机(21)和大臂驱动电机(23)则分别通过螺钉紧固在转动座(12)的U型结构的外侧；小臂(16)中部通过轴承与大臂末端构成被动转动副，小臂(16)前端通过轴承配合形成转动副并与动平台(18)联接，小臂(16)后端通过轴承配合形成转动副并与弯曲连杆(20)联接，弯曲连杆(20)的另一端则通过轴承配合形成转动副与曲柄(13)联接；三角连杆(15)钝角顶点处圆孔通过轴承形成转动副并与大臂(14)联接；三角连杆(15)外形为不等边三角形，其长边为I连杆，其余两短边构成II连杆，I连杆通过轴承配合形成转动副一端与小臂连杆(17)连接，另一端与大臂连杆(22)的一端联接；大臂连杆(22)的另一端则通过轴承配合形成转动副与转动座(12)上的耳形连杆联接；小臂连杆(17)的另一端则通过轴承配合形成转动副与动平台(18)联接，动平台(18)的圆孔内装卡有喷枪(19)。
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