CN104549849B - 自动化喷涂的机器人装备 - Google Patents

Abstract

一种飞行器自动喷漆领域的自动化喷涂的机器人装备，包括：由三垂直坐标轴移动平台、喷涂执行机构组成的移动式喷涂机器人以及筒体支撑自转工装，三垂直坐标轴移动平台与喷涂执行机构滑动连接且位于贮箱一侧的滑轨上，筒体支撑自转工装与贮箱转动连接。本发明机器人在能够实现沿Y轴快速移动的同时，喷头可以与YZ平面呈以Y轴为交线的0‑90°的任意二面角，即可以实现垂直向下、斜上方任意角度以及水平方向的喷涂，可以适应不同直径的贮箱及不同的工况，具有非常高的柔性；此外自动化喷涂机器人还可以运动到圆弧端面，实现喷头与圆弧端面实时适当距离垂直均匀地自动化喷涂。

Description

自动化喷涂的机器人装备

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器自动喷漆领域的技术，具体是一种用于火箭贮箱隔热涂层的自动化喷涂的机器人装备。

背景技术

隔热涂层的喷涂是火箭结构件制造过程中的重要一环，随着新一代火箭的研制，运载火箭对喷涂质量的要求日趋提高，涂层质量对运载火箭的可靠性、经济性、安全性影响重大。国内航天领域目前仍采用传统的手工喷涂，由于贮箱尺寸大、结构复杂，手工喷涂精度差，涂层厚度受人为因素影响不易控制，极易出现过厚的现象；同时随着运载火箭高密度发射周期的来临，喷涂生产需求量激增，国内航天领域目前的手工喷涂运载火箭生产效率的重要制约因素。针对上述问题，设计一种适用于火箭贮箱隔热涂层自动化喷涂的机器人装备，解决喷涂精度差、厚度不均、效率低下的问题，以提高运载火箭的可靠性、经济性、安全性以及生产效率。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献号CN202527313U公开(公告)日2012.11.14，公开了一种大型筒体自动喷涂装置，实现对大直径的筒体自动高速喷涂。但该技术所公开的装置喷头沿筒体轴向与径向的行程非常有限，不能改变喷头与筒体表面的距离，不能在筒体横截面内大范围调整喷头的角度使得喷头与筒体表面实时垂直，不能对筒体端面的圆弧型表面进行适当距离垂直均匀地喷涂，不适用于火箭贮箱隔热涂层的自动化喷涂作业。

中国专利文献号CN101234490公开(公告)日2008.08.06，公开了一种高炉炉顶维修机器人运动机构。包括一个与高炉炉顶人孔固定连接而处于高炉炉顶内腔的支撑架，支撑架上安装一个转台，转台的转动中心处于高炉炉顶的中心处；转台上安装一个升降台，升降台上安装一个伸缩臂。该技术沿高炉高度方向行程有限，同时需要在炉顶设计较大的人孔以将设备安装到炉内，且其只能在炉内进行操作，因此不适用于火箭贮箱大范围外表面隔热涂层的自动化喷涂作业。

中国专利文献号CN202638670U公开(公告)日2013.01.02，公开了一种喷涂机，包括机架、设于机架上的喷枪、设于机架上用于带动所述喷枪沿水平和竖直方向运动的双坐标机构及控制系统，所述喷涂机还包括有用于控制喷枪进行喷涂并调整喷涂方向的喷枪控制机构，所述喷枪设于该喷枪控制机构上并利用该喷枪控制机构设于所述双坐标机构上；所述喷涂机还包括有设于机架上用于驱动所述双坐标机构沿垂直方向滑设于机架上的升降机构。但该技术自由度及运动范围有限，不能完成筒体圆弧型端面的实时垂直自动化喷涂，不能处于筒体顶部完成垂直向下的自动化喷涂，因此不适用于火箭贮箱隔热涂层的自动化喷涂。

发明内容

本发明针对现有火箭贮箱隔热涂层喷涂方式的缺陷，提出一种自动化喷涂的机器人装备，机器人在能够实现沿Y轴快速移动的同时，喷头可以与YZ平面呈以Y轴为交线的0‐90°的任意二面角，即可以实现垂直向下、斜上方任意角度以及水平方向的喷涂，可以适应不同直径的贮箱及不同的工况，具有非常高的柔性；此外自动化喷涂机器人还可以运动到圆弧端面，实现喷头与圆弧端面实时适当距离垂直均匀地自动化喷涂。本发明布置紧凑，柔性高，控制方式简单，喷涂精度高，涂层厚度均匀，环境污染小，喷涂效率高，经济效益好。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：由三垂直坐标轴移动平台、喷涂执行机构组成的移动式喷涂机器人以及筒体支撑自转工装，其中：三垂直坐标轴移动平台与喷涂执行机构滑动连接且位于贮箱一侧的滑轨上，筒体支撑自转工装与贮箱转动连接。

所述的三垂直坐标轴移动平台由下而上依次包括：Y轴导轨及齿条、X轴移动基座、Z轴移动基座、X型运动机构，其中：设置于X轴移动基座上的交流伺服电机输出轴驱动圆柱齿轮沿齿条滚动，Z轴移动基座与X轴移动基座滑动连接，X型运动机构与Z轴移动基座滑动连接。

所述的X型运动机构为自下而上六级组合结构，其中：第一级和第二级之间以及第三级和第四级之间设有用于增强机器人沿Z轴移动能力的电缸。

所述的喷涂执行机构包括：顶部静平台、上层X型运动机构、下层X型运动机构、平行四边形机构、电缸、动平台、铰链及喷头，其中：喷头夹持在动平台中间位置，上层X型运动机构的底端通过虎克铰与顶部静平台上的第三移动驱动组件中的滑块转动连接，上层X型运动机构的前端通过球铰与动平台连接，下层X型运动机构的底端通过第一转动副与顶部静平台上的第四移动驱动组件中的第一滑块转动连接，下层X型运动机构的前端通过两个虎克铰与动平台连接，平行四边形机构附着在下层X型运动机构上且平行四边形机构靠近顶部静平台的一端与电缸连接，电缸尾端与第二转动副相连。

所述的第二转动副与第一转动副轴线重合且处于第四移动驱动组件中的同一个第一滑块之上。

所述的筒体支撑自转工装包括：筒体大齿轮盘、小滚轮、支撑架、伺服电机、电机支撑架及小齿轮，其中：小滚轮分别设置于支撑架上，筒体大齿轮盘外缘与小齿轮相切，两个伺服电机分别设置于电机支撑架上且输出轴分别与对应的小齿轮相连，筒体大齿轮盘与贮箱相连且外缘与小滚轮相切，小齿轮和筒体大齿轮盘转动连接并带动贮箱转动。

所述的X轴移动基座与Z轴移动基座之间的滑动连接通过第一移动驱动组件实现。

所述的Z轴移动基座与三垂直坐标轴移动平台中的X型运动机构之间的滑动连接通过第二移动驱动组件实现，顶部静平台与喷涂执行机构中的上层X型运动机构的滑动连接通过第三移动驱动组件实现、顶部静平台与喷涂执行机构中的下层X型运动机构的滑动连接通过第四移动驱动组件实现。

技术效果

与现有技术相比，本发明实现沿Y轴快速移动的同时，喷头可以与YZ平面呈以Y轴为交线的0‐90°的任意二面角，即可以实现垂直向下、斜上方任意角度以及水平方向的喷涂，可以适应不同直径的筒体及不同的工况，具有非常高的柔性；此外自动化喷涂机器人还可以运动到筒体圆弧端面，实现喷头与圆弧端面实时适当距离垂直均匀地自动化喷涂。本发明的三垂直坐标轴移动平台的Y轴方向平移由两个伺服电机驱动齿轮沿着齿条滚动实现，每侧导轨均布置两个齿轮，通过两个齿轮冗余驱动差动控制，可以极大地减小高速运动时由于齿轮间隙所带来的振动。同时，筒体支撑自转工装由两个伺服电机驱动小齿轮带动大齿轮盘转动，同样通过两个齿轮冗余驱动差动控制，可以极大地减小由于齿轮间隙所带来的振动，使得控制精度更高。本发明布置紧凑，柔性高，控制方式简单，喷涂精度高，涂层厚度均匀，环境污染小，喷涂效率高，经济效益好。

附图说明

图1为本发明立体示意图。

图2为本发明移动式喷涂机器人立体示意图。

图3为本发明移动式喷涂机器人正视图。

图4为本发明移动式喷涂机器人左视图。

图5为本发明移动式喷涂机器人俯视图。

图6为本发明筒体支撑自转工装立体示意图。

图7为本发明三垂直坐标轴移动平台中沿Y轴运动机构立体示意图。

图8为本发明三垂直坐标轴移动平台中沿Z轴运动机构立体示意图。

图9为本发明第一移动驱动组件示意图。

图10为本发明第二移动驱动组件示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：三垂直坐标轴移动平台a、喷涂执行机构b、筒体支撑自转工装c，其中：三垂直坐标轴移动平台a与喷涂执行机构b滑动连接组成移动式喷涂机器人处于贮箱d一侧的滑轨上，筒体支撑自转工装c与贮箱转动连接。

如图2所示，所述的三垂直坐标轴移动平台a包括：X轴移动基座1、Z轴移动基座2、X型运动机构3、顶部静平台4、滚动驱动组件5，其中：滚动驱动组件5包括设置于X轴移动基座1上的交流伺服电机21、22、圆柱齿轮23、24、齿条31、32，交流伺服电机21、22的输出轴分别驱动圆柱齿轮23、24沿齿条31、32滚动，Z轴移动基座2与X轴移动基座1滑动连接，Z轴移动基座1与X型运动机构3滑动连接、X型运动机构3与顶部静平台4滑动连接。X型运动机构3自下而上共分为六级，用于增强机器人沿Z轴移动能力的电缸8设置于第一级和第二级之间以及第三级和第四级之间。

如图3‐图5所示，所述的喷涂执行机构b包括：上层X型运动机构9、下层X型运动机构64、平行四边形机构10、动平台11、喷头12、移动驱动组件15，其中：移动驱动组件15为直线电缸，喷头12夹持在动平台11中间位置；上层X型运动机构9的底端连接两个虎克铰后再与顶部静平台4滑动连接，上层X型运动机构9的前端与动平台11通过一个球铰连接；下层X型运动机构64的底端连接两个转动副后再与顶部静平台4滑动连接，下层X型运动机构64的前端与动平台11通过两个虎克铰连接；平行四边形机构10附着在下层X型运动机构64上，平行四边形机构10靠近顶部静平台4的一端与移动驱动组件15连接，移动驱动组件15尾端连接转动副，此转动副与喷涂执行机构b中的下层X型运动机构64靠近顶部静平台4的连杆所连接的转动副轴线重合且处于同一个第一滑块65之上。

如图6所示，所述的筒体支撑自转工装c包括：筒体大齿轮盘16、小滚轮17、支撑架18、转动驱动组件19，其中：转动驱动组件19包括伺服电机62、电机支撑架66及小齿轮61，两个小滚轮17分别设置于支撑架18上，筒体大齿轮盘16的外缘与小齿轮61相切，两个伺服电机62设置于电机支撑架66上分别与小齿轮61相连，小齿轮61和筒体大齿轮盘16转动连接，带动贮箱d转动；两个小滚轮17分别设置于支撑架18上，筒体大齿轮盘16外缘与小滚轮17相切。

如图1‐图4、图7所示，三垂直坐标轴移动平台a中X轴移动基座1以下的机构能够实现沿Y轴的运动，具体包括：X轴移动基座1、两个交流伺服电机21、22、两个圆柱齿轮23、24、四个车轮25、26、两个齿轮轴27、28、四个轮子支座29、30、两个齿条31、32、两个滑轨33、34，其中：交流伺服电机21圆柱齿轮24连接，圆柱齿轮24在分别在各自对应的齿条31、32上滚动，交流伺服电机22圆柱齿轮23连接，圆柱齿轮23在分别在各自对应的齿条31、32上滚动。

如图1‐图4、图8所示，三垂直坐标轴移动平台a中Z轴移动基座以上的机构能够实现沿Z轴的运动：Z轴移动基座2、六个中间支架34、37、38、41、42、45、六个X型运动机构两边支架35、36、39、40、43、44、顶部静平台4、导轨46、第二滑块47、两个电缸48、49、两个移动驱动组件50、51，其中：第一中间支架34和第一X型运动机构两边支架35由转动副连接形成第一级，第二X型运动机构两边支架36和第二中间支架37由转动副连接形成第二级，第三中间支架38和第三X型运动机构两边支架39由转动副连接形成第三级，第四X型运动机构两边支架40和第四中间支架41由转动副连接形成第四级，第五中间支架42和第五X型运动机构两边支架43由转动副连接形成第五级，第六X型运动机构两边支架44和第六中间支架45由转动副连接形成第六级，第六级上端与顶部静平台4滑动连接，第一级下端与Z轴移动基座2滑动连接。

如图2、图3、图4、图5和图9所示，所述的X轴移动基座1与Z轴移动基座2之间的滑动连接通过第一移动驱动组件6实现任意距离的移动，所述的Z轴移动基座2与三垂直坐标轴移动平台a中的X型运动机构3之间的滑动连接由第二移动驱动组件7实现任意距离的移动，顶部静平台4与喷涂执行机构b中的上层X型运动机构9之间的滑动连接由第三移动驱动组件13实现任意距离的移动，顶部静平台4与喷涂执行机构b中的下层X型运动机构64的滑动连接由第四移动驱动组件14实现任意距离的移动。

所述的第一移动驱动组件6包括：设置于X轴移动基座1上的两组平行的第一导轨组52及其第三滑块53、设置于X轴移动基座1上的第一滚珠丝杠57、丝杠螺母58、第一驱动电机54、电机座55、第一联轴器56、移动法兰59和轴承座60，其中：第一导轨组52和第一滚珠丝杠57的运动部分与Z轴移动基座2相连，第一滚珠丝杠57的固定部分跟X轴移动基座1相连，电机座55和轴承座60设置于X轴移动基座1的两侧，第一驱动电机54的电机轴通过第一联轴器56与第一滚珠丝杠57相连，丝杠螺母58通过四个螺栓与移动法兰59相连，移动法兰59与Z轴移动基座2相连，Z轴移动基座2的下底面与4个第三滑块53相连；当第一驱动电机54转动时，带动第一滚珠丝杠57转动，丝杠螺母58沿X轴移动，带动Z轴移动基座2沿X轴移动。

如图10所示，所述的第二移动驱动组件7、第三移动驱动组件13、第四移动驱动组件14结构完全相同，以第二移动驱动组件7为例，包括：第二驱动电机67、第二联轴器68、第二导轨组69、第二滚珠丝杠70以及第四滑块71，其中：第二联轴器68连接第二驱动电机67输出轴与第二滚珠丝杠70的输入端，第四滑块71处于第二导轨组69之上，同时第二滚珠丝杠70穿过第四滑块中心孔；当第二驱动电机67转动时，带动第二滚珠丝杠70转动，第四滑块71沿第二导轨组实现任意距离的移动。

本实施例通过以下方式进行工作：将需要喷涂的火箭贮箱设置于筒体支撑自转工装c上，在使喷头在贮箱斜上方45°对贮箱侧面进行喷涂时，确定喷涂的起始点，将喷涂轨迹分解为X轴，Y轴和Z轴的运动，确定每个运动组件的运动量，保证喷头与贮箱斜上方45°表面的切平面垂直，然后确定喷涂执行机构中的运动组件的运动量，使喷头沿Y轴往复快速喷涂，最后协调筒体支撑自转工装与三垂直坐标轴移动平台沿Y轴平移二者的运动，实现贮箱侧面的自动化喷涂；在使喷头在贮箱端面进行喷涂时，首先确定三垂直坐标轴移动平台每个运动组件的运动量，使移动式喷涂机器人到达贮箱的端面的一侧，喷头高度处在端面圆弧表面的中心点所在的与地面平行的XY平面上，然后确定喷涂的起始点，将喷涂轨迹分解为X轴，Y轴和Z轴的运动，确定移动式喷涂机器人的三垂直坐标轴移动平台与喷涂执行机构的每个运动组件的运动量，使喷头与贮箱端面的圆弧表面的切平面实时垂直，喷头在XY平面内运动，使其与端面保持最佳的喷涂距离，协调筒体支撑自转工装与上述运动，完成贮箱圆弧端面的自动化喷涂。

Claims (8)

1.一种自动化喷涂的机器人装备，其特征在于，包括：由三垂直坐标轴移动平台、喷涂执行机构组成的移动式喷涂机器人以及筒体支撑自转工装，其中：三垂直坐标轴移动平台与喷涂执行机构滑动连接且位于贮箱一侧的滑轨上，筒体支撑自转工装与贮箱转动连接；

所述的三垂直坐标轴移动平台由下而上依次包括：Y轴导轨及齿条、X轴移动基座、Z轴移动基座、X型运动机构，其中：设置于X轴移动基座上的交流伺服电机输出轴驱动圆柱齿轮沿齿条滚动，Z轴移动基座与X轴移动基座滑动连接，X型运动机构与Z轴移动基座滑动连接；

所述的喷涂执行机构包括：顶部静平台、上层X型运动机构、下层X型运动机构、平行四边形机构、电缸、动平台、铰链及喷头，其中：喷头夹持在动平台中间位置，上层X型运动机构的底端通过虎克铰与顶部静平台上的第三移动驱动组件中的滑块转动连接，上层X型运动机构的前端通过球铰与动平台连接，下层X型运动机构的底端通过第一转动副与顶部静平台上的第四移动驱动组件中的第一滑块转动连接，下层X型运动机构的前端通过两个虎克铰与动平台连接，平行四边形机构附着在下层X型运动机构上且平行四边形机构靠近顶部静平台的一端与电缸连接，电缸尾端与第二转动副相连。

2.根据权利要求1所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的X型运动机构为自下而上六级组合结构，其中：第一级和第二级之间以及第三级和第四级之间设有用于增强机器人沿Z轴移动能力的电缸。

3.根据权利要求1所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的第二转动副与第一转动副轴线重合且处于第四移动驱动组件中的同一个第一滑块之上。

4.根据权利要求1所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的筒体支撑自转工装包括：筒体大齿轮盘、小滚轮、支撑架、伺服电机、电机支撑架及小齿轮，其中：小滚轮分别设置于支撑架上，筒体大齿轮盘外缘与小齿轮相切，两个伺服电机分别设置于电机支撑架上且输出轴分别与对应的小齿轮相连，筒体大齿轮盘与贮箱相连且外缘与小滚轮相切，小齿轮和筒体大齿轮盘转动连接并带动贮箱转动。

5.根据权利要求1所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的X轴移动基座与Z轴移动基座之间的滑动连接通过第一移动驱动组件实现。

6.根据权利要求5所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的第一移动驱动组件包括：设置于X轴移动基座上的两组平行的第一导轨组及其第三滑块、设置于X轴移动基座上的第一滚珠丝杠、丝杠螺母、第一驱动电机、电机座、第一联轴器、移动法兰和轴承座，其中：第一导轨组和第一滚珠丝杠的运动部分与Z轴移动基座相连，第一滚珠丝杠的固定部分跟X轴移动基座相连，电机座和轴承座设置于X轴移动基座的两侧，第一驱动电机的电机轴通过第一联轴器与第一滚珠丝杠相连，丝杠螺母通过四个螺栓与移动法兰相连，移动法兰与Z轴移动基座相连，Z轴移动基座的下底面与第三滑块相连；当第一驱动电机转动时，带动第一滚珠丝杠转动，丝杠螺母沿X轴移动，带动Z轴移动基座沿X轴移动。

7.根据权利要求1所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的Z轴移动基座与三垂直坐标轴移动平台中的X型运动机构之间的滑动连接通过第二移动驱动组件实现、顶部静平台与喷涂执行机构中的上层X型运动机构的滑动连接通过第三移动驱动组件实现、顶部静平台与喷涂执行机构中的下层X型运动机构的滑动连接通过第四移动驱动组件实现。

8.根据权利要求7所述的自动化喷涂的机器人装备，其特征是，所述的第二移动驱动组件包括：第二驱动电机、第二联轴器、第二导轨组、第二滚珠丝杠以及第四滑块，其中：第二联轴器连接第二驱动电机输出轴与第二滚珠丝杠的输入端，第四滑块处于第二导轨组之上，同时第二滚珠丝杠穿过第四滑块中心孔；当第二驱动电机转动时，带动第二滚珠丝杠转动，第四滑块沿导轨组实现任意距离的移动。