CN104437937A - 一种五自由度混联式乘用车喷涂机构 - Google Patents

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Abstract

一种五自由度混联式乘用车喷涂机构，属于机械制造领域。该机构包括底座，龙门机架、输送平台和两个混联机构；底座中部和两侧分别设置有导轨，龙门机架通过底座两侧的导轨连接在底座上，输送平台通过底座中部的导轨连接在底座上；两个混联机构，结构相同且对称布置在龙门机架的两侧立柱上，均能单独实现四自由度运动。每个混联机构包括一个并联机构和一个串联机构，形成空间混联机构，通过四个驱动器驱动，实现两个移动自由度和两个转动自由度的运动。通过龙门机架和混联机构的运动，可使该喷涂机构实现三个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。本喷涂机构具有结构对称、灵活性高及刚度高等特点，易于制造，方便控制，可实现模块化。

Description

一种五自由度混联式乘用车喷涂机构
技术领域
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种五自由度混联式乘用车喷涂机构。
背景技术
喷涂机器人是一种常用的工业机器人，其研究与应用已有40多年的历史。近年来由于国内汽车制造业和大型机械制造业的发展和需求，我国的许多汽车厂家和机械制造企业也正在开发和研究适合自己的喷涂机器人，同时许多国外知名喷涂机器人厂家纷纷与国内企业合作或者在国内设立分公司。如德国的杜尔在上海设立分公司、日本的安川MOTOMAN与国内首钢合作，瑞典ABB也在中国设立分公司，主要销售喷涂和非喷涂等工业机器人。由于我国喷涂机器人技术的研究起步较晚，投入少，在总体技术上与国外先进水平相比还有较大差距，国内自主研发和生产的喷涂机器人存在工作不够稳定，重复精度低，使用寿命短，喷涂质量不理想等缺点，国内汽车厂喷涂线上的喷涂机器人基本依靠进口，普遍存在消化难、维修难、升级难等问题，难以真正发挥设备的作用。也有少数企业采用半人工半自动喷涂，喷涂产品的质量难以保证，工人劳动强度大，而且涂料对人体健康有很大的损害等缺点。
国内外使用的喷涂机器人本体主要是基于串联机构开发的，而并联机构作为串联机构的一个重要补充，在某些领域优于串联机构。并联机构是一种闭环机械系统，它由动平台、静平台和联接两平台的多个独立支链组成，具有刚度高、承载能力强、模块化程度高、结构紧凑以及动态惯量低等特性。串联机构具有工作空间大，控制系统和运动学分析简单等优势。混联机构具有并联和串联的优点，适合喷涂机器人的喷涂表面曲线形状复杂，喷涂轨迹复杂，喷涂工作空间大等特点，并联机构应用于喷涂机器人中，具有刚度高、控制简单等优点。
发明内容
本发明的目的是为了适应乘用车类型多、表面曲线形状复杂、喷涂工作空间大、喷涂质量和精度要求高等特点，开发一种五自由度混联式乘用车喷涂机构。
本发明的技术方案是：
一种五自由度混联式乘用车喷涂机构，其特征在于，该机构包括底座、龙门机架、输送平台和混联机构；底座中部和两侧分别设置有导轨，龙门机架通过底座两侧的导轨连接在底座上，输送平台通过底座中部的导轨连接在底座上，待喷涂的乘用车固定在输送平台上；所述混联机构包括两个结构相同，且对称布置在龙门架两侧的第一混联机构和第二混联机构，每个混联机构包括一个并联机构和一个串联机构，并联机构包括长连杆、短连杆、第一丝杠滑块机构、第二丝杠滑块机构、第一驱动器和第二驱动器；第一丝杠滑块机构和第二丝杠滑块机构安装在龙门机架上且上下布置；
所述串联机构由两个伸缩支链组成，第一伸缩杆、喷头摆杆和第三驱动器组成第一伸缩支链，第二伸缩杆、喷头和第四驱动器组成第二伸缩支链；
第一伸缩杆分别通过转动副与第二丝杠滑块机构的滑块和喷头摆杆的一端铰接；第二伸缩杆分别通过转动副与喷头摆杆和喷头铰接；短连杆的两端分别与第二丝杠滑块机构和长连杆中部铰接，长连杆的两端分别通过转动副与第一丝杠滑块机构的滑块和喷头摆杆铰接。
上述技术方案中，所述的第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器采用伺服电机。所述第一伸缩杆和第二伸缩杆采用滚珠丝杠滑块机构。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明针对乘用车类型多、表面曲线形状复杂、喷涂工作空间大、喷涂质量和精度要求高等特点，利用混联机构开发了乘用车喷涂机器人机构；混联机构能够实现四个自由度的运动，并结合龙门机架的平动，能够控制喷头的位置和姿态，实现五自由度喷涂作业；本机构具有结构简单、刚度高和动态性能好的特点，能够实现复杂曲面的喷涂作业。同时，所述喷涂机构结构对称，易于制造，方便控制，容易实现模块化。
附图说明
图1为本发明提供的一种五自由度混联式乘用车喷涂机构实施例的三维结构示意图。
图2为本发明的混联机构实施例结构示意图。
图3为本发明的混联机构中并联机构结构示意图。
图4为本发明的混联机构中第一伸缩支链结构示意图。
图5为本发明的混联机构中第二伸缩支链结构示意图。
图中：1-底座、2-输送平台、3-混联机构、4-龙门机架、5-乘用车壳体、301-长连杆、302-短连杆、303-第一丝杠滑块机构、304-第二丝杠滑块机构、305-第一驱动器、306-第二驱动器、307-第一伸缩杆、308-喷头摆杆、309-第二伸缩杆、310-喷头、311-第三驱动器、312-第四驱动器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式做详细说明如下：
图1为本发明提供的一种五自由度混联式乘用车喷涂机构实施例的三维结构示意图，该喷涂机构主要包括底座1、混联机构3和龙门机架4。底座1中部和两侧分别设置有导轨，龙门机架4通过底座1两侧的导轨连接在底座1上，输送平台6通过底座1中部的导轨连接在底座1上，待喷涂的乘用车5固定在输送平台2上。两个混联机构3结构相同，且对称布置在龙门架4两侧，本发明通过混联机构3和龙门机架4的协同运动实现五自由度喷涂作业。
在本实施例中，如图1所示，所述混联机构3对称布置在龙门机架4上，两个混联机构3的结构相同，每个混联机构均能单独实现四个自由度的运动。所述龙门机架4的立柱下部设有凹槽，通过底座1两侧的两条导轨连接在底座1上，两条导轨为条状结构，在同一高度且相互平行，龙门机架4由驱动器(图中未画出)驱动沿导轨相对于底座1进行平移运动。整个机构通过龙门机架4和混联机构3的运动相结合实现五自由度喷涂作业。
本实施例中，所述两个混联机构3在结构上完全相同，以单个混联机构3的具体结构为例对混联机构的结构进行说明。如图2所示，混联机构3由一个并联机构和一个串联机构组成，形成空间混联机构，实现喷涂作业时的两个移动自由度和两个转动自由度。如图2、3所示，上述并联机构包括长连杆301、短连杆302、第一丝杠滑块机构303、第二丝杠滑块机构304以及分别安装在长连杆301和短连杆302一端的第一驱动器305和第二驱动器307。由第一驱动器305经丝杠驱动可滑动的第一丝杠滑块机构303的滑块设置于龙门机架4的一侧，长连杆301的两端分别与第一丝杠滑块机构303的滑块和串联机构铰接，由第二驱动器306经丝杠驱动的可滑动的第二丝杠滑块机构304的滑块设置于龙门机架4的一侧，短连杆302的两端分别与第二丝杠滑块机构304的滑块和长连杆301中部铰接，通过第一丝杠滑块机构303的滑块和第二丝杠滑块机构304滑块上下移动，使机构具有两个平动自由度。其中，第一丝杠滑块机构303、第二丝杠滑块机构304、长连杆301和短连杆302组成并联机构，带动喷头在平面内两自由度的平移运动。上述并联机构通过安装在龙门机架4的第一驱动器305和第二驱动器306，分别控制第一丝杠滑块机构303的滑块、第二丝杠滑块机构304的滑块的移动从而控制长连杆301和短连杆302的摆动，进而控制并联机构在平面内完成两自由度的平移运动。
在上述每个并联机构的基础上，引入了串联机构，串联机构增加了两个旋转自由度，所述串联机构由两个伸缩支链组成。如图2、4、5所示，上述两个伸缩支链包括由第一伸缩杆307、喷头摆杆308和第三驱动器311组成的第一伸缩支链，由第二伸缩杆309、喷头310和第四驱动器312组成的第二伸缩支链。
如图2、4所示，第一伸缩杆307的一端通过转动副与第二丝杠滑块机构304的滑块连接，第一伸缩杆307的另一端通过转动副与喷头摆杆308的一端连接，喷头摆杆308的中部连接在长连杆301的一端铰接形成转动副，喷头310安装在喷头摆杆308的另一端。通过安装在第一伸缩杆307上端的第三驱动器311控制第一伸缩杆307的伸缩运动，控制喷头摆杆308在龙门机架4构成的平面内转动，从而带动喷头310转动。如图2、5所示，第二伸缩杆309的一端通过转动副连接在喷头摆杆308一端设置的分支3081上，第二伸缩杆309的另一端通过转动副与喷头310中部设置的分支3101相连。通过第四驱动器312控制第二伸缩杆309的伸缩运动，从而控制喷头310绕喷头摆杆308完成由喷头摆杆308和第二伸缩杆309构成的平面内转动。上述的第一伸缩支链和第二伸缩支链协同运动，控制喷头空间姿态，完成两自由度的旋转运动。
本实施例的工作原理是上述的第一丝杠滑块机构303、第二丝杠滑块机构304、长连杆301和短连杆302构成平面并联机构，第一丝杠滑块机构303和第二丝杠滑块机构304分别经丝杠安装在龙门机架4的立柱上，通过第一驱动器305和第二驱动器306分别驱动丝杠实现第一丝杠滑块机构303和第二丝杠滑块机构304的滑块移动，从而带动长连杆301和短连杆302的转动，控制整个机构在平面内实现两个移动自由度。第一伸缩支链通过转动副连接在第二丝杠滑块机构304的滑块上，通过第三驱动器311驱动，控制第一伸缩杆307的伸缩运动，从而控制喷头摆杆308在龙门机架4构成的平面内转动，带动喷头310转动。第二伸缩支链通过转动副连接在喷头摆杆308上，通过第四驱动器312驱动，控制第二伸缩杆309的伸缩运动，从而控制喷头310绕喷头摆杆308完成由喷头摆杆308和第二伸缩杆309构成的平面内转动。整个混联模块带动喷头能够实现在空间内两个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。
在工作时，混联模块3对称布置在龙门机架4的立柱上，乘用车壳体5固定在输送平台2上，龙门机架4沿着底座1两侧的导轨方向上运动，实现第一个移动自由度。在喷涂作业中，由龙门机架4和混联机构3一起联合作业，实现三个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。由于乘用车壳体5待喷涂曲面多为变曲率的曲面，随着乘用车壳体5喷涂位置的变化，需要不断调整乘用车壳体5的位置和姿态，喷涂机构通过平移运动控制喷涂的位置，保证喷头310的末端与乘用车壳体5待喷涂曲面之间的固定距离；通过旋转运动控制喷涂的姿态，始终保持喷头310与待喷涂曲面垂直，从而保证喷涂作业中的稳定性和均匀性，实现对乘用车壳体5曲面的高质量喷涂作业。

Claims (3)

1.一种五自由度混联式乘用车喷涂机构，其特征在于，该机构包括底座(1)、龙门机架(4)和混联机构(3)；底座(1)中部和两侧分别设置有导轨，龙门机架(4)通过底座(1)两侧的导轨连接在底座(1)上，输送平台(6)通过底座(1)中部的导轨连接在底座(1)上，待喷涂的乘用车(5)固定在输送平台(2)上；所述混联机构(3)包括两个结构相同，且对称布置在龙门架(4)两侧的第一混联机构和第二混联机构，每个混联机构(3)包括一个并联机构和一个串联机构，所述并联机构包括长连杆(301)、短连杆(302)、第一丝杠滑块机构(303)、第二丝杠滑块机构(304)、第一驱动器(305)和第二驱动器(306)；第一丝杠滑块机构(303)和第二丝杠滑块机构(304)安装在龙门机架(4)上且上下布置；
所述串联机构由两个伸缩支链组成，第一伸缩杆(307)、喷头摆杆(308)和第三驱动器(311)组成第一伸缩支链；第二伸缩杆(309)、喷头(310)和第四驱动器(312)组成第二伸缩支链；
第一伸缩杆(307)分别通过转动副与第二丝杠滑块机构(304)的滑块和喷头摆杆(308)的一端铰接；第二伸缩杆(309)分别通过转动副与喷头摆杆(308)和喷头(310)铰接；并联机构中的短连杆(302)的两端分别与第二丝杠滑块机构(304)和并联机构中的长连杆(301)中部铰接，长连杆(301)的两端分别通过转动副与第一丝杠滑块机构(303)的滑块和喷头摆杆(308)铰接。
2.如权利要求1所述的一种五自由度混联式乘用车喷涂机构，其特征在于，第一驱动器(305)、第二驱动器(306)、第三驱动器(311)和第四驱动器(312)采用伺服电机。
3.如权利要求2所述的一种五自由度混联式乘用车喷涂机构，其特征在于，所述第一伸缩杆和第二伸缩杆采用滚珠丝杠滑块机构。
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