CN104227706B - 垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业机器人系统，特别适用于大型压力罐等回转体的喷涂。包括用于喷涂压力罐的垂直越臂式关节机器人、用于吊装压力罐并能使压力罐连续运转且具有角度定向功能的压力罐吊悬机构、用于控制垂直越臂式关节机器人及压力罐吊悬系统工作的控制系统。本发明结构设计合理，性价比高，安装及使用方便，可以完成复杂形状压力罐的喷涂以及能达到较好的喷涂效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业机器人系统，特别适用于大型压力罐等回转体的喷涂。
背景技术
压力罐是中央空调的关键部件之一，压力罐的喷涂是压力罐生产的最后一个工序，即在已经装配好的压力罐表面分别喷涂稀料、底漆和面漆三种不同的漆料。目前，国内中央空调压力罐的喷涂主要依靠手工操作，存在以下几个问题：
1、工人的健康存在隐忧。由于中央空调压力罐体积大，喷漆面积大，漆料又属于有毒物质，对工人的健康有重大的隐忧，工人多不愿意做这个工作，因此招工困难，工人的流动性极高；
2、喷漆质量较低。手工喷漆是小面积断续喷漆，难以保证漆面的均匀性，喷漆质量不高；
3、生产效率较低。手工喷漆工人一手转动压力罐、一手控制喷枪喷漆，喷漆速度慢，生产效率低；
为了解决以上为问题，迫切需要研发用于压力罐喷涂的机器人产品来代替人工喷涂，实现喷涂的自动化。
现有的机器人机械结构主要有直角型、关节型、并联型三种主要形式；其中并联型主要用于小范围快速移动场合，主要应用于制药、食品的轻工业，而压力罐体积较大（最大罐高1744毫米、直径724毫米、重1.5吨），因而不适宜应用于压力罐体的喷涂。
由于压力罐是一个组装好的部件，并且重量较大，只能竖直喷涂，因此若采用直角型机器人就需要采用如附图1所示结构，直角型机器人具有定位精度高，控制简单等优点，但是直角型机器人每一个运动方向都需要传动元件和导向元件，这些元件价格昂贵，并且对安装部位的形位公差有很高的要求，成本较高。
国内在关节型机器人方面做了一些工作，然而所研制的关节型机器人，尚未得到大规模的推广应用，几乎没有见到国内研发、应用于压力罐喷涂领域的关节型专用机器人的相关报道。国外用于喷涂的机器人通常会采用如附图2所示的六自由度结构，从附图2可以看出这种结构的机器人大小臂存在运动约束，若要采用该结构对压力罐进行喷涂就要采用侧挂式安装方式，而且至少需要5个自由度联动，增加了整机的复杂性和成本。若竖直安装，因为六自由度的普通关节型机器人大小臂不能重叠，难以同时完成压力罐底部和顶部的有效喷涂。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构设计合理，性价比高，安装及使用方便，可以完成复杂形状压力罐的喷涂以及能达到较好的喷涂效果的压力罐喷涂机器人系统。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特殊之处在于包括用于喷涂压力罐的垂直越臂式关节机器人1、用于吊装压力罐并能使压力罐连续运转且具有角度定向功能的压力罐吊悬机构2、用于控制垂直越臂式关节机器人1及压力罐吊悬系统2工作的控制系统3；
所述垂直越臂式关节机器人1包括相互平行且处于不同水平面上的大臂机构、小臂机构、喷涂机构，上述三者依次相联动；
所述大臂机构包括安装于机座28上的大臂伺服电机29以及大臂减速器30，大臂伺服电机29的输出轴与大臂减速器30的输入轴相连接，大臂4安装于大臂减速器30的输出法兰上，大臂伺服电机29旋转会带动大臂4转动；小臂机构包括小臂7，小臂7通过小臂减速器5输出法兰安装于大臂4的一端，小臂减速器5的输入轴与小臂伺服电机6输出轴相连接，小臂伺服电机6旋转会带动小臂7转动；喷涂机构包括安装于小臂7上的喷枪伺服电机10、喷枪减速器9，以及安装于小臂减速器5的输出法兰上的喷枪8，喷枪伺服电机10的输出轴与喷枪减速器9的输入轴相连接，喷枪伺服电机10旋转会带动小臂7转动；
为了消除大臂4和小臂7的运动约束，使小臂7可以越过大臂4运行，解决竖直方向的大范围运动问题，所述大臂4的长度小于小臂7；
所述压力罐吊悬系统2包括安装于底板11上方的压力罐旋转伺服电机12、压力罐减速器13，压力罐旋转伺服电机12的输出轴与压力罐减速器13的输入轴通过同步带传动连接，底板11的上方设有用于与喷漆车间顶部桁架相连接的吊装件，底板11的下方设有与压力罐减速器13的输出轴相联动的压力罐吊架14，压力罐吊架14的底部安装有可拆卸的压力罐吊装法兰15；
所述吊装件包括安装于底板11上表面四角处的四个吊环16，吊环16与底板11相垂直；
所述压力罐吊架14与压力罐吊装法兰15通过压力罐吊装插销17相连接；
所述控制系统包括运动控制器19以及与运动控制器19通讯连接的PC机18、伺服驱动器20、输入输出模块21，其中，运动控制器19与PC机18通过PCI总线或以太网总线通讯连接，伺服驱动器20的数量为四个，分别与大臂伺服电机29、小臂伺服电机6、喷枪伺服电机10、压力罐旋转伺服电机12相配套；其中，PC机18的功能是执行系统控制程序并给运动控制器发指令，运动控制器19用以按PC机18发出的指令，进行运算后给各伺服驱动器20发出指令，协调各伺服电机之间的动作，输入输出模块21采集各种开关输入并与喷枪8等控制输出相连接，伺服驱动器20、输入输出模块21与运动控制器19之间采用按照运动控制器生产厂家规定的连接线连接；
所述PC机18内设有用于负责系统人机交互工作的人机交互软件模块22、用于完成机器人编程语言的翻译功能的译码软件模块23、用于将机器人编程语言描述的轨迹进行半离线轨迹细分的运动规划软件模块24、位置控制软件模块26、将细分后的轨迹进行运动及动力学反解并调用位置控制软件模块中由运动控制器制造商提供的API函数给运动控制器发送指令的反求软件模块27。
本发明的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，主要具有以下有益效果：
1、将大臂、小臂、喷枪布置在相互平行的不同平面上，消除了大臂和小臂的运动约束，并且小臂的长度大于大臂长度，保证小臂可以越过大臂运行，使用3个自由度就解决了竖直方向的大范围运动问题，克服了若采用直角型结构制造、安装复杂等问题；
2、在机器人的三个自由度基础上，通过专门开发的压力罐吊悬系统，增加了1个压力罐旋转自动度，利用四个自由度就可以完成复杂形状压力罐的喷涂，其中，自由度指的独立运动的个数，有一个自由度实际上指的是压力罐转动，与采用六自由度关节机器人相比性价比高；
3、压力罐吊悬系统采用吊装插销连接吊架与压力罐连接法兰，可以适应不同型号的压力罐，并使得更换不同型号的压力罐非常方便快捷；
4、开发的控制系统软硬件，可以协调控制机器人各轴及压力罐旋转喷涂的动作，保证喷枪能够沿着压力罐回转发生线平行线大范围移动，并使喷枪始终垂直于压力罐表面，提高了喷涂质量。
5、控制系统采用了开放式运动控制器架构，提高了系统的维护性，可扩展性。
附图说明
图1：现有技术中直角机器人喷涂压力罐时的结构示意图；
图2：现有技术中六自由度结构机器人的结构示意图；
图3：本发明垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统的结构框图；
图4：本发明垂直越臂式关节机器人的结构示意图；
图5：本发明压力罐吊悬系统的结构示意图；
图6：本发明控制系统的硬件组成图；
图7：本发明机器人控制系统程序的结构框图。
具体实施方式
以下参考附图给出本发明的具体实施方式，用来对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，包括用于喷涂压力罐的垂直越臂式关节机器人1、用于吊装压力罐并能使压力罐连续运转且具有角度定向功能的压力罐吊悬机构2、用于控制垂直越臂式关节机器人1及压力罐吊悬系统2工作的控制系统3。
其中，垂直越臂式关节机器人1包括：机座28，大臂4，大臂伺服电机29，大臂减速器30，小臂7，小臂伺服电机6，小臂减速器5，喷枪8，喷枪伺服电机10，喷枪减速器9等部分。
大臂伺服电机29输出轴与大臂减速器30输入轴联接在一起，它们安装在机座28上，大臂4安装在大臂减速器30输出法兰上，大臂伺服电机29旋转会带动大臂4转动；小臂伺服电机6输出轴与小臂减速器5输入轴联接在一起，它们通过小臂减速器5输出法兰安装在大臂4上，小臂7安装在小臂减速器5外壳上，小臂伺服电机6旋转会带动小臂7转动；喷枪伺服电机10输出轴与喷枪减速器9输入轴联接在一起，它们安装在小臂7上，喷枪安装在小臂减速器5输出法兰上，喷枪伺服电机10旋转会带动小臂7转动。
其中，大臂4的长度小于小臂7，因此，采用该结构可以消除大臂4和小臂7的运动约束，使小臂7可以越过大臂4运行，解决了竖直方向的大范围运动问题。
压力罐吊悬机构2可以方便压力罐安装，并能使压力罐具备连续运转和准确角度定向功能，压力罐吊悬机构2包括：安装底板11、压力罐旋转伺服电机12、压力罐减速器13、压力罐吊架14、压力罐吊装法兰15、压力罐吊装插销17、吊环16等部件。
压力罐旋转伺服电机12和压力罐减速器13均安装在安装平底板11上，压力罐旋转伺服电机12输出轴与压力罐减速器13输入轴用同步带传动连接在一起，压力罐吊架14安装在压力罐减速器13输出轴上，压力罐吊装法兰15与压力罐吊架14间用压力罐吊装插销17连接，压力罐旋转伺服电机12旋转会带动压力罐吊装法兰15旋转，使得旋转机构的整个动作可控。
使用时，首先拔出压力罐吊装插销17，将压力罐吊装法兰15取下，并将其安装在压力罐上，然后使用合适的举升装置将压力罐举升，再插入吊装插销17，将压力罐连接到压力罐吊悬机构上，最后通过在安装底板11四个角上的吊环16，使用安装在喷漆车间的桁架上电动葫芦将整个机构及压力罐吊起。
控制系统采用了“NC嵌入PC”的开放式系统架构，以基于PC的运动控制器作为内核，整个系统硬件组成结构如附图6所示，包括运动控制器19以及与运动控制器19通讯连接的PC机18、伺服驱动器20、输入输出模块21，其中，伺服驱动器20是与机械系统中各伺服电机配套的，每个伺服电机有一个伺服驱动器，用以按运动控制器19输出的指令驱动电机动作；输入输出模块21采集各种开关输入以及喷枪8等控制输出相连，用以开关信号的输入与输出；运动控制器19用以按PC机18发出指令，进行运算后给各伺服驱动器20发出指令，协调各电机之间的动作；PC机18的功能是执行系统控制程序并给运动控制器19发指令，运动控制器19与PC机18之间采用PCI总线与以太网总线连接；伺服驱动器20、输入输出模块21与运动控制器19之间采用按照运动控制器生产厂家规定的连接线连接。
PC机18内设有人机交互软件模块22、译码软件模块23、运动规划软件模块24、位置控制软件模块26、反求软件模块27，人机交互软件模块22负责系统的人机交互工作，译码软件模块23完成机器人编程语言的翻译功能，运动规划软件模块24将机器人编程语言描述的轨迹进行半离线轨迹细分，反求软件模块27将细分后的轨迹进行运动、动力学反解并调用位置控制软件模块26中由运动控制器19制造商提供的API函数给运动控制器发送指令。各软件模块间的层次调用关系如附图7所示。
在由以上三个主要部分组成的压力罐喷涂机器人系统中，控制系统3与垂直越臂式关节机器人1之间用伺服电机厂家提供的伺服驱动器与伺服电机之间的连接线连接；控制系统3与压力罐吊悬机构2之间用伺服电机厂家提供的伺服驱动器与伺服电机之间的连接线连接。
当操作工在人机交互模块中输入喷漆启动指令后，控制系统软件会按照事先编写好的机器人运动程序，协调控制垂直越臂式关节机器人1的大臂4、小臂7和喷枪8，以使喷枪8沿着压力罐发生线的平行线运动喷漆，并保证喷枪8与压力罐表面垂直，同时协调控制压力罐吊悬机构2运动使喷枪8每移动一个喷漆范围时压力罐旋转一周。
本发明的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，具有以下优点：
1、研发了垂直越臂式关节型机器人，通过将大臂、小臂、喷枪布置在相互平行的不同平面上，消除了大臂和小臂的运动约束，使小臂长度大于大臂长度，保证小臂可以越过大臂运行，使用3个自由度就解决了竖直方向的大范围运动问题，克服了若采用直角型结构制造、安装复杂等问题；
2、在机器人的三个自由度基础上，通过专门开发的压力罐吊悬机构，增加了1个压力罐旋转自动度，利用四个自由度就可以完成复杂形状压力罐的喷涂，与采用六自由度关节机器人相比性价比高；
3、压力罐吊悬机构采用吊装插销连接吊架与压力罐连接法兰，可以适应不同型号的压力罐，并使得更换不同型号的压力罐非常方便快捷；
4、开发的控制系统软硬件，可以协调控制机器人各轴及压力罐旋转喷涂的动作，保证喷枪能够沿着压力罐回转发生线平行线大范围移动，并使喷枪始终垂直于压力罐表面，提高了喷涂质量；
5、控制系统采用了开放式运动控制器架构。提高了系统的维护性，可扩展性。
Claims (9)
1.垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于包括用于喷涂压力罐的垂直越臂式关节机器人（1）、用于吊装压力罐并能使压力罐连续运转且具有角度定向功能的压力罐吊悬机构（2）、用于控制垂直越臂式关节机器人（1）及压力罐吊悬系统（2）工作的控制系统（3）。
2.按照权利要求1所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述垂直越臂式关节机器人（1）包括相互平行且处于不同水平面上的大臂机构、小臂机构、喷涂机构，上述三者依次相联动。
3.按照权利要求2所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述大臂机构包括安装于机座（28）上的大臂伺服电机（29）以及大臂减速器（30），大臂伺服电机（29）的输出轴与大臂减速器（30）的输入轴相连接，大臂（4）安装于大臂减速器（30）的输出法兰上；小臂机构包括小臂（7），小臂（7）通过小臂减速器（5）输出法兰安装于大臂（4）的一端，小臂减速器（5）的输入轴与小臂伺服电机（6）输出轴相连接；喷涂机构包括安装于小臂（7）上的喷枪伺服电机（10）、喷枪减速器（9），以及安装于小臂减速器（5）的输出法兰上的喷枪（8），喷枪伺服电机（10）的输出轴与喷枪减速器（9）的输入轴相连接。
4.按照权利要求3所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述大臂（4）的长度小于小臂（7）。
5.按照权利要求1所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述压力罐吊悬系统（2）包括安装于底板（11）上方的压力罐旋转伺服电机（12）、压力罐减速器（13），压力罐旋转伺服电机（12）的输出轴与压力罐减速器（13）的输入轴通过同步带传动连接，底板（11）的上方设有用于与喷漆车间顶部桁架相连接的吊装件，底板（11）的下方设有与压力罐减速器（13）的输出轴相联动的压力罐吊架（14），压力罐吊架（14）的底部安装有可拆卸的压力罐吊装法兰（15）。
6.按照权利要求5所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述吊装件包括安装于底板（11）上表面四角处的四个吊环（16），吊环（16）与底板（11）相垂直。
7.按照权利要求5所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述压力罐吊架（14）与压力罐吊装法兰（15）通过压力罐吊装插销（17）相连接。
8.按照权利要求1所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述控制系统包括运动控制器（19）以及与运动控制器（19）通讯连接的PC机（18）、伺服驱动器（20）、输入输出模块（21），其中，运动控制器（19）与PC机（18）通过PCI总线或以太网总线通讯连接，伺服驱动器（20）的数量为四个，分别与大臂伺服电机（29）、小臂伺服电机（6）、喷枪伺服电机（10）、压力罐旋转伺服电机（12）相配套。
9.按照权利要求8所述的垂直越臂式关节型压力罐喷涂机器人系统，其特征在于所述PC机（18）内设有用于负责系统人机交互工作的人机交互软件模块（22）、用于完成机器人编程语言的翻译功能的译码软件模块（23）、用于将机器人编程语言描述的轨迹进行半离线轨迹细分的运动规划软件模块（24）、位置控制软件模块（26）、将细分后的轨迹进行运动及动力学反解并调用位置控制软件模块中由运动控制器制造商提供的API函数给运动控制器发送指令的反求软件模块（27）。
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
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Address after: 265301 Yantai City, Qixia Peach Village export-oriented industrial park Patentee after: Yantai Towin Intelligent Technology Co., Ltd. Address before: 265301 Yantai City, Qixia Peach Village export-oriented industrial park Patentee before: YANTAI TOWIN MACHINERY COMPANY, LTD. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Vertical crossing-arm type joint robot system for spraying pressure tank Effective date of registration: 20200320 Granted publication date: 20160106 Pledgee: Shandong Qixia Rural Commercial Bank Co., Ltd Pledgor: YANTAI TOWIN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980000885 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220301 Granted publication date: 20160106 Pledgee: Shandong Qixia Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI TOWIN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980000885 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Spraying robot system of vertical over arm joint pressure tank Effective date of registration: 20220303 Granted publication date: 20160106 Pledgee: Shandong Qixia Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI TOWIN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980002109 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |