CN105149148A - 大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统 - Google Patents

Abstract

一种大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，该喷涂系统包括龙门式三坐标直线移动机构、至少两个地坑式三坐标移动机构、两个地坑盖板升降系统、背部喷涂机器人单元、腹部喷涂机器人单元、标定装置、安全防护系统和控制系统；本发明采取龙门式三坐标直线移动机构带动背部喷涂机器人单元进行工件背部表面喷涂，采取地坑式三坐标直线移动机构带动腹部喷涂机器人单元在地坑中进行工件腹部表面喷涂，喷涂工作空间比较大，覆盖面比较广，不仅能喷涂大尺寸的工件，而且能对工件表面进行全方位喷涂；本发明采取多机器人协同工作，大大提高了大尺寸工件表面喷涂效率。

Description

大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体设计一种用于对大型复杂工件表面进行自动化喷涂的多机器人协作式自动喷涂系统。

背景技术

在很多工业领域(尤其是航空航天领域)，很多大型工件的复杂表面需要进行全方位喷涂作业，由于这些工件较为巨大，要喷涂的面积较大。为达到工程进度和涂层质量要求，在传统的人工喷涂作业条件下，往往需要多名喷涂技师长时间在照明、通风等条件很差的喷涂环境中同时作业，不仅造成了极高的人工成本和时间成本，而且还对工人的身体产生危害。而在喷涂中逐步应用机器人自动喷涂技术，不仅可以提高劳动生产率和喷涂质量，而且还可以改善劳动条件和工作环境、保证工人的人身安全。

授权公告号为CN101602034B的发明专利“内壁喷涂机器人系统及内壁喷涂方法”虽然也是一整套的喷涂系统，但是仅仅是单机器人工作，对于大型工件的外表面的全方位喷涂则难以实现；授权公告号为CN203155435U的实用新型专利“龙门式全方位自动喷涂机”为单机器人喷涂系统，虽然也是对工件外表面进行喷涂，但不涉及多个机器人的协作且所要喷涂的工件放在转台上可以转动，喷涂效率相对较低且难以对工件腹部进行喷涂；申请号为201320095684.9的发明专利申请“喷涂机器人与喷涂系统”无龙门式结构，且不涉及多个机器人的协同工作，可喷涂的工件不大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种适用于对大型复杂工件表面进行自动化喷涂的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统。

本发明的技术方案如下：

大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于：该喷涂系统包括龙门式三坐标直线移动机构、至少两个地坑式三坐标移动机构、两个地坑盖板升降系统、背部喷涂机器人单元、腹部喷涂机器人单元、标定装置、安全防护系统和控制系统；背部喷涂机器人单元安装于龙门式三坐标直线移动机构上，沿龙门式三坐标直线移动机构的x轴方向、y轴方向和z轴方向运动；地坑式三坐标移动机构关于工作平台的中垂面对称布置，每个地坑式三坐标移动机构上安装有一套腹部喷涂机器人单元，该腹部喷涂机器人单元沿地坑式三坐标移动机构的x轴方向、y轴方向和z轴方向运动，机器人配备有吹扫防爆系统；所述的标定装置安装在机械臂末端；背部喷涂机器人单元和腹部喷涂机器人单元均包括六自由度喷涂机械臂和独立的涂料供给与输送装置。

本发明的上述技术方案中，所述的龙门式三坐标直线移动机构包括机器人安装座、背部z轴立梁、背部y轴横梁和背部x轴横梁；机器人安装座安装在背部z轴立梁的导轨上；背部z轴立梁安装在大跨距背部y轴横梁的导轨上，实现沿y轴运动；背部y轴横梁两端分别安装在互相平行的两侧长行程背部x轴横梁的导轨上，在两个背部x轴电机的同步驱动下，实现沿x轴运动；背部z轴立梁、背部y轴横梁、背部x轴横梁均配备有拖链和风琴式防护罩。

本发明的上述技术方案中，所述的每个地坑式三坐标移动机构包括机器人安装座、腹部z轴立梁、腹部y横梁和腹部x轴导轨；机器人安装座安装在腹部z轴立梁的导轨上；腹部z轴立梁安装在腹部y横梁上；腹部y横梁安装在在腹部x轴导轨上，实现沿x轴运动。

本发明的技术特征还在于：龙门式三坐标直线移动机构中的背部z轴立梁沿y轴运动和背部y轴横梁沿x轴运动的传动采双电机双滚轮的并联传动结构。地坑式三坐标移动机构中的腹部y横梁沿x轴运动的传动采用双电机双滚轮的并联传动结构。

本发明所述的每个地坑盖板升降系统包括多组独立升降的盖板平台，每个盖板平台包括电机、传动机构、升降丝杠螺母副、地坑盖板和传感器；所述地坑盖板下装有四个满足机械自锁要求的小导程升降丝杠螺母副；所述电机通过传动机构同步带动小导程升降丝杠螺母副的丝杠转动；所述传感器安装于地坑盖板上。

本发明的涂料供给与输送装置的供料方式采用循环搅拌式。

本发明的控制系统包括上层主控计算机和底层的机器人控制器、三坐标直线移动数控系统和PLC控制模块；机器人控制器与背部喷涂机器人单元和腹部喷涂机器人单元进行双向通讯及监测控制；三坐标直线移动数控系统与龙门式三坐标直线移动机构和地坑式三坐标移动机构进行双向通讯控制及监测控制；PLC控制模块与地坑盖板升降系统进行双向通讯控制及监测控制。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：①本发明采取龙门式三坐标直线移动机构带动背部喷涂机器人单元进行工件背部表面喷涂，采取地坑式三坐标直线移动机构带动腹部喷涂机器人单元在地坑中进行工件腹部表面喷涂，喷涂工作空间比较大，覆盖面比较广，不仅能喷涂大尺寸的工件，而且能对工件表面进行全方位喷涂。②本发明采取多机器人协同工作，大大提高了大尺寸工件表面喷涂效率。

附图说明

图1是本发明提供的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统实施例的三维结构简图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是本发明的龙门式三坐标直线移动机构的背部z轴总成的主视图。

图5a是本发明的地坑式三坐标移动机构的腹部z轴结构的主视图。

图5b是图5a的俯视图。

图6是本发明的地坑式三坐标移动机构的腹部y轴结构的主视图。

图7是本发明的地坑式三坐标移动机构在地坑中布置的截面图。

图8是本发明的控制系统结构组成图。

附图标记说明：1-背部喷涂机器人单元；2-龙门式三坐标直线移动机构；3-地坑式三坐标移动机构；4-地坑盖板升降系统；5-腹部喷涂机器人单元；6-背部x轴横梁；7-涂料供给与输送装置；8-工作平台；9-地坑；21-背部z轴立梁；22-背部z轴电机；23-背部涂料桶支架；24-背部y轴电机；25-背部y轴顶部直线导轨；26-背部y轴横梁；27-背部y轴滑动座；28-背部z轴隔板；29-背部y轴侧面直线滑轨；211-背部z轴丝杠螺母副；212-背部y轴滚轮齿条副；31-腹部z轴立梁；32-机器人安装座连接板；33-腹部z轴滚珠丝杠；34-腹部z轴丝杠螺母；35-腹部y轴连接板；36-腹部z轴电机联轴器；37-腹部z轴电机减速器；38-腹部z轴电机；39-腹部z轴电机防爆罩；313-腹部x轴滑动座；314-腹部y轴电机；315-腹部y轴电机联轴器；316-腹部y轴丝杠螺母副；317-腹部y轴移动小车；318-腹部y轴直线导轨；319-腹部y轴横梁；320-腹部x轴滑动座；321-腹部x轴导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1～图3是本发明提供的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统实施例的结构简图，多机器人自动喷涂系统包括龙门式三坐标直线移动机构2、至少两个地坑式三坐标移动机构3、两个地坑盖板升降系统4、背部喷涂机器人单元1和腹部喷涂机器人单元5，此外还有未标注的控制系统、标定装置和安全防护系统。背部喷涂机器人单元1安装于龙门式三坐标直线移动机构2上，沿龙门式三坐标直线移动机构的x轴方向、y轴方向和z轴方向运动；地坑式三坐标移动机构关于工作平台8的中垂面对称布置，每个地坑式三坐标移动机构3上安装有一套腹部喷涂机器人单元5，该腹部喷涂机器人单元沿地坑式三坐标移动机构的x轴方向、y轴方向和z轴方向运动，机器人配备有吹扫防爆系统；所述的标定装置安装在机械臂末端；背部喷涂机器人单元1和腹部喷涂机器人单元5均包括六自由度喷涂机械臂和独立的涂料供给与输送装置7。

如图4所示，背部喷涂机器人单元1通过螺栓连接固定在与龙门式三坐标直线移动机构2的背部z轴立梁21相固结的背部z轴隔板28上，三者整体通过背部z轴电机22驱动背部z轴丝杠螺母副211与丝杠进行整体上下移动，丝杠螺母副211的螺母固定于背部y轴滑动座27上。而背部y轴滑动座27则是通过背部y轴电机和减速器以双电机前后排列的形式驱动背部y轴滚轮齿条副212在背部y轴顶部直线导轨25上移动，从而实现背部y方向的移动。背部y轴横梁26采用优质矩形方管组合焊接结构，提高了其抗弯抗扭性能。背部y轴横梁26在背部x轴横梁6上的移动则是通过背部y轴横梁26两端的电机同步驱动滚轮在齿条上啮合传动实现(图中未显示)。

如图5a和图5b所示，腹部喷涂机器人单元5以螺栓连接固定在机器人安装座连接板32上，机器人安装座连接板32与腹部z轴丝杠螺母34相固连，经腹部z轴电机38通过腹部z轴电机减速器37和腹部z轴电机联轴器36驱使腹部z轴滚珠丝杠33转动而进行腹部z轴方向上下移动。以上丝杠传动机构安装于腹部z轴立梁31内，而腹部z轴立梁31则通过与其固结的腹部y轴连接板35被安装到如图6所示的腹部y轴移动小车317上，三者整体被腹部y轴电机314通过腹部y轴丝杠螺母副316驱动，从而实现腹部y轴方向的运动。图7所示为地坑式三坐标移动机构在地坑9中布置的截面图，腹部y轴横梁319通过腹部x轴滑动座320在地坑腹部x轴导轨321上运动，驱动方式也是通过电机同步驱动滚轮齿条啮合运动实现。

地坑盖板升降系统4中的盖板为电动、可升降的钢支架平台，分别安装在左右地坑9中，由多组盖板平台组成。每个盖板平台包括电机、传动机构、升降丝杠螺母副、地坑盖板和传感器，盖板均由单电机通过传动机构同步驱动四个可自锁的多个顶升丝杠螺母副实现盖板升降，传感器安装在盖板上，用以检测盖板是否升降到位。

如图8所示，本发明的控制系统采用了多层次多处理器的控制系统，该控制系统包括上层主控计算机和底层的机器人控制器、三坐标直线移动数控系统和PLC控制模块；机器人控制器与背部喷涂机器人单元和腹部喷涂机器人单元进行双向通讯及监测控制；三坐标直线移动数控系统与龙门式三坐标直线移动机构和地坑式三坐标移动机构进行双向通讯控制及监测控制；PLC控制模块与地坑盖板升降系统进行双向通讯控制及监测控制。上层的主控计算机为控制中枢，完成人机接口、作业规划和任务下达，与机器人控制器相通讯，完成对背部喷涂机器人单元1和腹部喷涂机器人单元5的控制，并且结合标定装置完成工件标定；与三坐标直线移动单元控制器通讯，完成对龙门式三坐标直线移动机构2和地坑式三坐标移动机构3的控制；与PLC控制模块通讯，实现对地坑盖板升降系统4的控制。

此外，本实施例的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统还包括喷涂单元、安全防护系统(图中未标注)。喷涂单元，包括涂料装置和气路装置，被放在三坐标直线移动单元上并随之移动；安全防护系统包括正压防爆系统、设备运行和人员安全防护措施、安全监视系统，正压防爆系统保证电气设备内部空气压力大于外部空气压力，从而隔绝易燃气体，通过运动范围保护、火花静电保护、运动故障保护、设置围栏和红外感应防护等措施保障运行过程中设备和人员安全，此外，还通过安全监视系统监视作业现场情况，随时检测并解决各类问题。

本实施例的系统中机器人喷涂的动作次序如下：

1)喷涂前工艺准备：将工件三维数模导入到主控计算机上的离线规划软件中，划分曲面并生成机器人站位，并根据各部分喷涂工艺参数生成相应的喷枪轨迹，仿真通过后，导出为轨迹文件；

2)清理喷涂工作区，并人眼检查系统和环境，确认安全后，启动车间通风及安全监控系统；

3)将待喷涂大型工件拉进喷涂区域，确认其停于规定位置或者偏差在容许范围内后，固定工件；

4)喷涂系统开气源、上电、开机。

5)操作模式选择“标定”，取下标定盒盖，打开标定程序，开启视频盒。

6)将标定装置安装在背部机器人单元末端，手动操作三坐标直线移动单元和喷涂机器人单元运动，扫描工件上的特征点位置并获得坐标，建立工件与喷涂机器人的坐标关系，生成坐标变换后的喷涂程序；

7)关闭视频盒电源，重新盖上标定盒盖，并将机器人回零。

8)仿真检查变换后的喷涂轨迹是否存在问题，检查无误后，设置仿真通过。

9)开启盖板，操作模式选择“运行”，将三台机器人出库。

10)加载轨迹测试程序，速度设置为“低”，1名操作员控制程序运行、观察监控视频，至少2名操作员在下方观察情况并能随时做出反应，直到所有轨迹通过测试。

11)将机器人运动到清洗位置，操作模式切换为“标定”，进行涂料的准备和工艺测试。

12)操作模式切换回“运行”，将机器人出库。

13)加载喷涂作业程序，速度设置为“高”，所有人员离开喷涂区域，操作员启动程序，在控制室内监视整个喷涂过程。

14)喷涂完成，将机器人运动到清洗位置，进行喷涂系统的清洗。

15)将所有机器人入库。

16)关闭盖板。

17)喷涂系统关机、断电、关气源。

由以上实施例可以看出，本发明的实施例通过划分曲面和站位，利用三坐标移动单元，使得机器人能在不同的位置开展喷涂作业，解决了面向大型工件作业时机器人工作空间有限的问题；通过背部机器人系统和腹部机器人系统的分别工作，不仅提高了作业效率，而且克服了工件喷涂死角，使得工件表面能得到全方位喷涂；通过设置地坑盖板升降系统，不仅保护了工作人员的安全，方便了工作人员的移动，而且还保护了腹部机器人导轨，降低了运行过程中的危险系数；通过离线规划机器人运动轨迹与现场标定相结合，使得对同一类型工件的喷涂工艺准备仅需要一次，极大提高了批量产品的生产效率。需要说明的是，虽然本发明的实施例主要解决的是大型复杂工件的自动化喷涂问题，但是本发明的实施例也适应部分中型或者中小型工件的自动化喷涂。

以上所述仅是对本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于：该喷涂系统包括龙门式三坐标直线移动机构(2)、至少两个地坑式三坐标移动机构(3)、两个地坑盖板升降系统(4)、背部喷涂机器人单元(1)、腹部喷涂机器人单元(5)、标定装置、安全防护系统和控制系统；背部喷涂机器人单元(1)安装于龙门式三坐标直线移动机构(2)上，沿龙门式三坐标直线移动机构的x轴方向、y轴方向和z轴方向运动；地坑式三坐标移动机构关于工作平台(8)的中垂面对称布置，每个地坑式三坐标移动机构(3)上安装有一套腹部喷涂机器人单元(5)，该腹部喷涂机器人单元沿地坑式三坐标移动机构的x轴方向、y轴方向和z轴方向运动，机器人配备有吹扫防爆系统；所述的标定装置安装在机械臂末端；背部喷涂机器人单元(1)和腹部喷涂机器人单元(5)均包括六自由度喷涂机械臂和独立的涂料供给与输送装置(7)。

2.如权利要求1所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，龙门式三坐标直线移动机构(2)包括机器人安装座、背部z轴立梁(21)、背部y轴横梁(26)和背部x轴横梁(6)；机器人安装座安装在背部z轴立梁(21)的导轨上；背部z轴立梁(21)安装在大跨距背部y轴横梁(26)的导轨上，实现沿y轴运动；背部y轴横梁(26)两端分别安装在互相平行的两侧长行程背部x轴横梁(6)的导轨上，在两个背部x轴电机的同步驱动下，实现沿x轴运动；背部z轴立梁(21)、背部y轴横梁(26)、背部x轴横梁(6)均配备有拖链和风琴式防护罩。

3.如权利要求1所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，每个地坑式三坐标移动机构(3)包括机器人安装座、腹部z轴立梁(31)、腹部y横梁(319)和腹部x轴导轨(321)；机器人安装座安装在腹部z轴立梁(31)的导轨上；腹部z轴立梁(31)安装在腹部y横梁(319)上；腹部y横梁(319)安装在在腹部x轴导轨(321)上，实现沿x轴运动。

4.如权利要求2所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，龙门式三坐标直线移动机构中的背部z轴立梁沿y轴运动和背部y轴横梁沿x轴运动的传动采双电机双滚轮的并联传动结构。

5.如权利要求3所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，地坑式三坐标移动机构中的腹部y横梁沿x轴运动的传动采用双电机双滚轮的并联传动结构。

6.如权利要求1所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，每个地坑盖板升降系统(4)包括多组独立升降的盖板平台，每个盖板平台包括电机、传动机构、升降丝杠螺母副、地坑盖板和传感器；所述地坑盖板下装有四个满足机械自锁要求的小导程升降丝杠螺母副；所述电机通过传动机构同步带动小导程升降丝杠螺母副的丝杠转动；所述传感器安装于地坑盖板上。

7.如权利要求1所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，涂料供给与输送装置的供料方式采用循环搅拌式。

8.如权利要求1所述的大型复杂工件表面多机器人自动喷涂系统，其特征在于，控制系统包括上层主控计算机和底层的机器人控制器、三坐标直线移动数控系统和PLC控制模块；机器人控制器与背部喷涂机器人单元(1)和腹部喷涂机器人单元(5)进行双向通讯及监测控制；三坐标直线移动数控系统与龙门式三坐标直线移动机构(2)和地坑式三坐标移动机构(3)进行双向通讯控制及监测控制；PLC控制模块与地坑盖板升降系统(4)进行双向通讯控制及监测控制。