CN104589311B - 一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置 - Google Patents

一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，其包括一个龙门机架、两个三自由度并联机构和一个六自由度并联机构，通过将龙门机架的水平运动与所述的三个并联机构的运动相结合，可控制各个安装在并联机构运动平台上的雾化器喷头的位姿，从而完成对整个待喷涂汽车车身的喷涂作业。该混联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，可针对不同类型汽车整车进行喷涂作业。

Description

一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置
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生产领域的一种模块化混联喷涂机器人。
背景技术
现代汽车工业的迅速发展带来汽车型号的迅速变化和车体设计的不断调整，只有采用机器人才能适应这种频繁变化的生产要求。从20世纪90年代起汽车工业开始引入机器人来代替人工喷涂和喷涂机械，同时开始使用机器人进行内表面的自动喷涂。涂装机器人正是适应大规模、高质量、低成本和环保节能的要求而产生的。因此涂装机器人技术在汽车涂装领域的运用越来越广泛。
目前，在国内广泛使用的、有代表性的喷涂机器人绝大多数都是串联机器人，比如日本的川崎喷涂机器人、本田EJ 6轴喷涂机器人、FANUC P200E 6轴喷涂机器人、DuRR ECORP 6/7轴喷涂机器人、ABB IRB-54000-22喷涂机器人。国内汽车厂使用这些喷涂机器人过程中，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。
并联机器人是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机器人具有以下优点：结构简单紧凑、易于实现加工模块化，运动部件质量小，易于实现高速运动，机构动力学性能好、易于实现反馈控制，无积累误差、运动精度高。而串联机构具有工作空间大等优点。结合串联机构和并联机构的优点，开发混联机器人将具有更大优势。我国在并联机构的构型设计、关键技术和样机建造等方面进行了大量的研究，一些研究成果处于国际前列。利用并联机构开发具有自主知识产权的混联喷涂机器人，打破我国汽车工业喷涂机器人主要依赖进口的被动局面，这对于我国机器人产业以及汽车产业具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，使其拥有并联机构的高速、高精度、高刚度、易于制造的优点，又拥有串联机构工作空间大的优点，更适应于汽车车身的喷涂作业任务，可针对不同形状和规格的汽车车身进行喷涂作业。
本发明的技术方案如下：
一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，其特征在于：包括一个龙门机架、左地面水平导轨、右地面水平导轨、左三自由度并联机构、右三自由度并联机构和六自由度并联机构；所述的龙门机架安装在左地面水平导轨和右地面水平导轨上；所述的左三自由度并联机构和右三自由度并联机构结构相同，分别对称安装在龙门机架的左立柱导轨和右立柱导轨上；所述的左三自由度并联机构包括左滑块、右滑块、第一机架、装有雾化器的第一运动平台、第一分支、第二分支和第三分支；所述的第一分支、第二分支和第三分支分别连接于第一机架和第一运动平台之间，并与第一机架和第一运动平台构成空间闭环机构；所述的左三自由度并联机构通过左滑块和右滑块安装在龙门机架的左立柱导轨上；所述的左滑块和右滑块分别对称固接在第一机架的背面；所述的第一分支分别通过第一转动副和第一虎克副与第一机架和第一运动平台连接；所述的第一分支包括第一杆件和第二杆件，第一杆件和第二杆件之间通过第二转动副连接；所述的第一转动副的转动轴线与第二转动副的转动轴线平行；所述的第二分支与第一分支结构相同，第二分支分别通过第三转动副和第二虎克副与第一机架和第一运动平台连接；所述的第三分支分别通过第四转动副和第一球副与第一机架和第一运动平台连接；所述的第三分支包括第三杆件和第四杆件，第三杆件和第四杆件之间通过第五转动副连接；所述的第四转动副的转动轴线和第五转动副的转动轴线平行。
所述的六自由度并联机构固接在龙门机架的横梁中心,其包括第二机架，第二运动平台，装有雾化器的第三运动平台、第四分支、第五分支、第六分支、第七分支、第八分支和第九分支；所述的第四分支、第五分支和第六分支分别连接于第二机架和第二运动平台之间，并与第二机架和第二运动平台构成空间闭环机构；所述的第七分支、第八分支和第九分支分别连接于第二运动平台和第三运动平台之间，并与第二运动平台和第三运动平台构成空间闭环机构；所述的第四分支分别通过第六转动副和第二球副与第二机架和第二运动平台连接；所述的第四分支包括第五杆件和第六杆件，第五杆件和第六杆件之间通过第七转动副连接；所述的第六转动副的转动轴线与第七转动副的转动轴线平行；第五分支和第六分支与第四分支的结构完全相同，第五分支分别通过第八转动副和第三球副与第二机架和第二运动平台连接，第六分支分别通过第九转动副和第四球副与第二机架和第二运动平台连接；所述的第七分支分别通过第十转动副和第十一转动副与第二运动平台和第三运动平台连接；所述的第七分支包括第七杆件和第八杆件，第七杆件和第八杆件之间通过第十二转动副连接；第八分支和第九分支与第七分支的结构完全相同，第八分支分别通过第十三转动副和第十四转动副与第二运动平台和第三运动平台连接，第九分支分别通过第十五转动副和第十六转动副与第二运动平台和第三运动平台连接。
本发明所述的第一转动副的中心、第三转动副的中心和第四转动副的中心分布在第一机架的圆周上，三个转动副的转动轴线与所述的圆周相切；第一转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行，第四转动副的转动轴线与第一转动副的转动轴线垂直。
本发明所述的第一虎克副包括第一虎克副第一转动轴线和第一虎克副第二转动轴线，两条转动轴线相互垂直，第一虎克副第一转动轴线与第一转动副的转动轴线平行；第二虎克副包括第二虎克副第一转动轴线和第二虎克副第二转动轴线，两条转动轴线相互垂直，第二虎克副第一转动轴线与第三转动副的转动轴线平行；所述的第一虎克副第二转动轴线和第二虎克副第二转动轴线共线，对称分布在第一运动平台上。
本发明所述的第六转动副的中心、第八转动副的中心和第九转动副的中心均匀分布在第二机架的圆周上，从圆周圆心到转动副中心的直径夹角为120度，三个转动副的转动轴线与圆周相切；第二球副的中心、第三球副的中心和第四球副的中心均匀分布在第二运动平台的圆周上，从圆周圆心到球副中心的直径夹角为120度；第十转动副的中心、第十三转动副的中心和第十五转动副的中心均匀分布在第二运动平台的圆周上，从圆周圆心到转动副中心的直径夹角为120度，三个转动副的转动轴线与第二运动平台的平面垂直。
本发明所述的第七分支、第八分支和第九分支的所有转动副的转动轴线相互平行且不重合。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明提出一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，通过龙门机架结合三自由度并联机构和六自由度并联机构，以及通过结合龙门机架沿地面导轨的水平移动与所述并联机构的运动，可实现汽车整车喷涂；其具有串联机构的较大工作空间的优点，又具有并联机构刚度高、精度高和动态性能好的优点。②本发明机构具有结构对称，易于制造，容易实现模块化；结构简单，运动学控制简单，灵活性好，应用于喷涂时易于适应不同形状汽车车身，进而提高生产效率。
附图说明
图1为本发明提供的混联喷涂机器人装置的实施例的三维机构示意图。
图2为本发明的左三自由度并联机构实施例结构示意图。
图3为本发明的左三自由度并联机构的第一机架实施例结构示意图。
图4为本发明的左三自由度并联机构的第一运动平台实施例结构示意图。
图5为本发明的左三自由度并联机构的第一分支实施例结构示意图。
图6为本发明的左三自由度并联机构的第三分支实施例结构示意图。
图7为本发明的六自由度并联机构实施例结构示意图。
图8为本发明的六自由度并联机构的第二机架实施例结构示意图。
图9为本发明的六自由度并联机构的第二运动平台实施例结构示意图。
图10为本发明的六自由度并联机构的第四分支实施例结构示意图。
图11为本发明的六自由度并联机构的第七分支实施例结构示意图。
图中：1-龙门机架；2-左立柱导轨；3-左三自由度并联机构；4-左地面水平导轨；5-底板；6-待喷涂汽车车身；7-右地面水平导轨；8-右三自由度并联机构；9-右立柱导轨；10-六自由度并联机构；21-第一机架；22-右滑块；23-第三分支；24-第一分支；25-装有雾化器的第一运动平台；26-第二分支；27-左滑块；241-第一转动副；242-第一杆件；243-第二转动副；244-第二杆件；245-第一虎克副；2451-第一虎克副第一转动轴线；2452-第一虎克副第二转动轴线；261-第三转动副；265-第二虎克副；2651-第二虎克副第一转动轴线；2652-第二虎克副第二转动轴线；231-第四转动副；232-第三杆件；233-第五转动副；234-第四杆件；235-第一球副；31-第二机架；32-第四分支；33-第七分支；34-第五分支；35-第八分支；36-装有雾化器的第三运动平台；37-第九分支；38-第二运动平台；39-第六分支；321-第六转动副；322-第五杆件；323-第七转动副；324-第六杆件；325-第二球副；341-第八转动副；345-第三球副；391-第九转动副；395-第四球副；331-第十转动副；332-第七杆件；333-第十二转动副；334-第八杆件；335-第十一转动副；351-第十三转动副；355-第十四转动副；371-第十五转动副；375-第十六转动副。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明：
图1为本发明提供的混联喷涂机器人装置的实施例的三维机构示意图，该机器人装置包括龙门机架1、左地面水平导轨4、右地面水平导轨7、左立柱导轨2、右立柱导轨9、左三自由度并联机构3、右三自由度并联机构8和六自由度并联机构10；所述的左地面水平导轨4和右地面水平导轨7平行安装在水平地面上；所述的龙门机架1安装在左地面水平导轨4和右地面水平导轨7上，可实现其在导轨上水平往复移动；所述的左立柱导轨2和右立柱导轨9分别对称安装在龙门机架1左、右两边的立柱上；所述的左三自由度并联机构3和右三自由度并联机构8分别对称安装在左立柱导轨2和右立柱导轨9上，可实现其在导轨上做上下往复运动；所述的六自由度并联机构10固接在龙门机架1横梁中心；通过将龙门机架1沿地面水平导轨的水平移动与所述三个并联机构的运动相结合，可完成对整个待喷涂汽车车身的喷涂作业。
本发明所述的左三自由度并联机构3和右三自由度并联机构8结构相同，图2中以左三自由度并联机构3为例，其包括左滑块27、右滑块22、第一机架21、装有雾化器的第一运动平台25以及第一分支24、第二分支26和第三分支23；所述的第一分支24、第二分支26和第三分支23分别连接于第一机架21和第一运动平台25之间，并与第一机架21和第一运动平台25构成空间闭环机构；所述的第一机架21通过左滑块27和右滑块22安装在龙门机架1的左立柱导轨2上；所述的左滑块27和右滑块22分别对称平行固接在第一机架21的背面。
图5为本发明的左三自由度并联机构的第一分支实施例结构示意图，第一分支24分别通过第一转动副241和第一虎克副245与第一机架21和第一运动平台25连接；所述的第一分支24包括第一杆件242和第二杆件244，第一杆件242和第二杆件244之间通过第二转动副243连接；所述的第一转动副241的转动轴线与第二转动副243的转动轴线平行；所述的第二分支26与第一分支24结构相同，第二分支26分别通过第三转动副261和第二虎克副265与第一机架21和第一运动平台25连接；所述的第三分支23如图6所示，第三分支23分别通过第四转动副231和第一球副235与第一机架21和第一运动平台25连接；所述的第三分支23包括第三杆件232和第四杆件234，第三杆件232和第四杆件234之间通过第五转动副233连接；所述的第四转动副231的转动轴线和第五转动副233的转动轴线平行。
图3为本发明的左三自由度并联机构的第一机架实施例结构示意图，所述的第一转动副241的中心、第三转动副261的中心和第四转动副231的中心分布在第一机架21的圆周上，三个转动副的转动轴线与圆周相切；第一转动副241的转动轴线与第三转动副261的转动轴线平行，第四转动副231的转动轴线与第一转动副241的转动轴线垂直。
图4为本发明的左三自由度并联机构的第一运动平台实施例结构示意图，所述的第一虎克副245包括第一虎克副第一转动轴线2451和第一虎克副第二转动轴线2452，两条转动轴线相互垂直，第一虎克副第一转动轴线2451与第一转动副241的转动轴线平行；第二虎克副265包括第二虎克副第一转动轴线2651和第二虎克副第二转动轴线2652，两条转动轴线相互垂直，第二虎克副第一转动轴线2651与第三转动副261的转动轴线平行；所述的第一虎克副第二转动轴线2452和第二虎克副第二转动轴线2652共线，对称分布在第一运动平台25上。
图7为本发明的六自由度并联机构实施例结构示意图，所述的六自由度并联机构包括第二机架31、第二运动平台38、装有雾化器的第三运动平台36以及第四分支32、第五分支34、第六分支39、第七分支33、第八分支35和第九分支37；所述的第四分支32、第五分支34和第六分支39分别连接于第二机架31和第二运动平台38之间，并与第二机架31和第二运动平台38构成空间闭环机构；所述的第七分支33、第八分支35和第九分支37分别连接于第二运动平台38和第三运动平台36之间，并与第二运动平台38和第三运动平台36构成空间闭环机构。
图10为本发明的六自由度并联机构的第四分支实施例结构示意图，第四分支32分别通过第六转动副321和第二球副325与第二机架31和第二运动平台38连接；所述的第四分支32包括第五杆件322和第六杆件324，第五杆件322和第六杆件324之间通过第七转动副323连接；所述的第六转动副321的转动轴线与第七转动副323的转动轴线平行；所述第四分支32、第五分支34和第六分支39结构完全相同，所述的第五分支34分别通过第八转动副341和第三球副345与第二机架31和第二运动平台38连接；所述的第六分支39分别通过第九转动副391和第四球副395与第二机架31和第二运动平台38连接。
图11为本发明的六自由度并联机构的第七分支实施例结构示意图，第七分支33分别通过第十转动副331和第十一转动副335与第二运动平台38和第三运动平台36连接；所述的第七分支33包括第七杆件332和第八杆件334，第七杆件332和第八杆件334之间通过第十二转动副333连接；所述的第七分支33、第八分支35和第九分支37结构完全相同，所述的第八分支35分别通过第十三转动副351和第十四转动副355与第二运动平台38和第三运动平台36连接；所述的第九分支37分别通过第十五转动副371和第十六转动副375与第二运动平台38和第三运动平台36连接。
图8为本发明的六自由度并联机构的第二机架实施例结构示意图，所述的第六转动副321的中心、第八转动副341的中心和第九转动副391的中心均匀分布在第二机架31的圆周上，从圆周圆心到转动副中心的直径夹角为120度，三个转动副的转动轴线与圆周相切；
图9为本发明的六自由度并联机构的第二运动平台实施例结构示意图，第二球副325的中心、第三球副345的中心和第四球副395的中心均匀分布在第二运动平台38的圆周上，从圆周圆心到球副中心的直径夹角为120度；第十转动副331的中心、第十三转动副351的中心和第十五转动副371的中心均匀分布在第二运动平台38的圆周上，从圆周圆心到转动副中心的直径夹角为120度，三个转动副的转动轴线与第二运动平台的平面垂直。
所述的第七分支33、第八分支35和第九分支37的所有转动副的转动轴线相互平行且不重合。

Claims (5)

1.一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，包括一个龙门机架(1)、左地面水平导轨(4)和右地面水平导轨(7)，其特征在于：左三自由度并联机构(3)、右三自由度并联机构(8)和六自由度并联机构(10)；所述的龙门机架(1)安装在左地面水平导轨(4)和右地面水平导轨(7)上；所述的左三自由度并联机构(3)和右三自由度并联机构(8)结构相同，分别对称安装在龙门机架(1)的左立柱导轨(2)和右立柱导轨(9)上；所述的左三自由度并联机构(3)包括左滑块(27)、右滑块(22)、第一机架(21)、装有雾化器的第一运动平台(25)、第一分支(24)、第二分支(26)和第三分支(23)；所述的第一分支(24)、第二分支(26)和第三分支(23)分别连接于第一机架(21)和第一运动平台(25)之间，并与第一机架(21)和第一运动平台(25)构成空间闭环机构；所述的左三自由度并联机构(3)通过左滑块(27)和右滑块(22)安装在龙门机架(1)的左立柱导轨(2)上；所述的左滑块(27)和右滑块(22)分别对称固接在第一机架(21)的背面；所述的第一分支(24)分别通过第一转动副(241)和第一虎克副(245)与第一机架(21)和第一运动平台(25)连接；所述的第一分支(24)包括第一杆件(242)和第二杆件(244)，第一杆件(242)和第二杆件(244)之间通过第二转动副(243)连接；所述的第一转动副(241)的转动轴线与第二转动副(243)的转动轴线平行；所述的第二分支(26)与第一分支(24)结构相同，第二分支(26)分别通过第三转动副(261)和第二虎克副(265)与第一机架(21)和第一运动平台(25)连接；所述的第三分支(23)分别通过第四转动副(231)和第一球副(235)与第一机架(21)和第一运动平台(25)连接；所述的第三分支(23)包括第三杆件(232)和第四杆件(234)，第三杆件(232)和第四杆件(234)之间通过第五转动副(233)连接；所述的第四转动副(231)的转动轴线和第五转动副(233)的转动轴线平行；
所述的六自由度并联机构(10)固接在龙门机架(1)的横梁中心,其包括第二机架(31)，第二运动平台(38)，装有雾化器的第三运动平台(36)、第四分支(32)、第五分支(34)、第六分支(39)、第七分支(33)、第八分支(35)和第九分支(37)；所述的第四分支(32)、第五分支(34)和第六分支(39)分别连接于第二机架(31)和第二运动平台(38)之间，并与第二机架(31)和第二运动平台(38)构成空间闭环机构；所述的第七分支(33)、第八分支(35)和第九分支(37)分别连接于第二运动平台(38)和第三运动平台(36)之间，并与第二运动平台(38)和第三运动平台(36)构成空间闭环机构；所述的第四分支(32)分别通过第六转动副(321)和第二球副(325)与第二机架(31)和第二运动平台(38)连接；所述的第四分支(32)包括第五杆件(322)和第六杆件(324)，第五杆件(322)和第六杆件(324)之间通过第七转动副(323)连接；所述的第六转动副(321)的转动轴线与第七转动副(323)的转动轴线平行；第五分支(34)和第六分支(39)与第四分支(32)的结构完全相同，第五分支(34)分别通过第八转动副(341)和第三球副(345)与第二机架(31)和第二运动平台(38)连接，第六分支(39)分别通过第九转动副(391)和第四球副(395)与第二机架(31)和第二运动平台(38)连接；所述的第七分支(33)分别通过第十转动副(331)和第十一转动副(335)与第二运动平台(38)和第三运动平台(36)连接；所述的第七分支(33)包括第七杆件(332)和第八杆件(334)，第七杆件(332)和第八杆件(334)之间通过第十二转动副(333)连接；第八分支(35)和第九分支(37)与第七分支(33)的结构完全相同，第八分支(35)分别通过第十三转动副(351)和第十四转动副(355)与第二运动平台(38)和第三运动平台(36)连接，第九分支(37)分别通过第十五转动副(371)和第十六转动副(375)与第二运动平台(38)和第三运动平台(36)连接。
2.如权利要求1所述的一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，其特征在于，第一转动副(241)的中心、第三转动副(261)的中心和第四转动副(231)的中心分布在第一机架(21)的圆周上，三个转动副的转动轴线与所述的圆周相切；第一转动副(241)的转动轴线与第三转动副(261)的转动轴线平行，第四转动副(231)的转动轴线与第一转动副(241)的转动轴线垂直。
3.如权利要求1所述的一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，其特征在于，第一虎克副(245)包括第一虎克副第一转动轴线(2451)和第一虎克副第二转动轴线(2452)，两条转动轴线相互垂直，第一虎克副第一转动轴线(2451)与第一转动副(241)的转动轴线平行；第二虎克副(265)包括第二虎克副第一转动轴线(2651)和第二虎克副第二转动轴线(2652)，两条转动轴线相互垂直，第二虎克副第一转动轴线(2651)与第三转动副(261)的转动轴线平行；所述的第一虎克副第二转动轴线(2452)和第二虎克副第二转动轴线(2652)共线，对称分布在第一运动平台(25)上。
4.如权利要求1所述的一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，其特征在于，第六转动副(321)的中心、第八转动副(341)的中心和第九转动副(391)的中心均匀分布在第二机架(31)的圆周上，从圆周圆心到转动副中心的直径夹角为120度，三个转动副的转动轴线与圆周相切；第二球副(325)的中心、第三球副(345)的中心和第四球副(395)的中心均匀分布在第二运动平台(38)的圆周上，从圆周圆心到球副中心的直径夹角为120度；第十转动副(331)的中心、第十三转动副(351)的中心和第十五转动副(371)的中心均匀分布在第二运动平台(38)的圆周上，从圆周圆心到转动副中心的直径夹角为120度，三个转动副的转动轴线与第二运动平台的平面垂直。
5.如权利要求1所述的一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，其特征在于，第七分支(33)、第八分支(35)和第九分支(37)的所有转动副的转动轴线相互平行且不重合。
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