CN105413921B - 一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置，属于机械制造领域。该机构包括底座、三角固定机架、运动平台和喷涂模块，两个完全相同的三角机架一前一后固定在底座上，运动平台能够沿底座上的导轨实现平动；两个结构相同的喷涂模块均能单独实现五自由度运动，对称安装在三角机架上。每个喷涂模块包括一个滑轨、一个平面六副并联机构和一个伸缩机构，形成一个空间混联机构，通过五个伺服电机驱动位于机构末端的喷枪运动，实现三个移动自由度和两个转动自由度。运动平台与喷涂模块的运动相结合，可使该混联机构更好地实现大工作空间的喷涂作业。本喷涂装置具有结构对称、高灵活度及较高刚度，易于制造，方便控制，容易实现模块化等特点。

Description

一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置

技术领域

本发明属于机械制造领域，特别涉及一种适用于大型曲面喷涂的混联机构。

背景技术

航天技术已经成为现代科学技术中发展最快的尖端技术之一，而运载火箭作为航天技术的载体，研制大型、大推力运载火箭也成为世界火箭发展的一个必然趋势。我国火箭的运载能力偏低，在新型重型卫星发射市场的竞争中处于劣势，需要开发大型运载火箭。其中，整流罩作为运载火箭的重要组成部分，其隔热保护功能设计至关重要。目前整流罩防热设计有蒙皮和喷涂隔热层两种方法。但现役火箭采用的蒙皮法厚度改变难、轨迹适应性差，不能满足新一代大运载火箭整流罩防热设计的需要，因此必须改用厚度改变灵活、涂层隔热效果好、工艺可靠性高的喷涂隔热层工艺。以大型火箭整流罩喷涂为代表的大型曲面喷涂，对大工作空间、高精度喷涂机构的研发提出了极大的需求。

传统的人工喷涂方式受人工作业限制，喷涂质量差、喷涂周期长而且喷涂环境恶劣；现有的喷涂装备大多采用机械手式的串联结构，由于我国喷涂机器人研发水平相对较低，在总体技术上与国外先进水平还有较大差距。国内自主研发生产的机器人一般工作不够稳定，重复精度低，喷涂质量不理想，导致国内喷涂机器人主要依赖进口，存在价格昂贵、消化难、维修难的问题，因而开发适合于国内生产实际的大工作空间、高精度的喷涂系统非常迫切和必要。

传统的串联机构具有工作空间大、运动分析简单等优势，相对于传统的串联机构，并联机构作为串联机构的重要补充具有简单紧凑、刚度高、负载能力强、模块化程度高、易于实现高速运动等优点。基于串联和并联机构的优点，提出适合于大型曲面喷涂的混联机构，具有广阔的应用前景。

中国专利文献CN103623971A公开了一种基于四自由度喷涂模块的喷涂机构，通过与运动平台的配合可以实现五个自由度的空间喷涂作业。该机构结构简单紧凑，动态性能好，具有较高刚度及柔性，但工作空间受多种奇异位形的限制，对于更大范围、更为复杂的大型曲面喷涂还有待于改进。

发明内容

本发明的目的是为了适应大型曲面类型多、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，结合大型曲面喷涂工艺以及并联机器人运动原理，提出一种基于五自由度喷涂模块的混联喷涂装置，该喷涂装置喷涂工作空间大、柔性强，可满足喷涂工艺路径复杂的大型曲面高质量自动喷涂。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置，该装置包括底座、运动平台、机架以及结构完全相同的第一喷涂模块和第二喷涂模块，其特征在于：所述的机架采用两个完全相同的第一三角机架和第二三角机架，两个三角形机架平行固定安装在底座上，在每个三角形机架的两个内侧边设有导轨；两个喷涂模块分别安装在两个三角形机架两侧的内侧导轨上，喷涂模块沿着三角机架内侧导轨上下移动；每个喷涂模块包括滑轨、平面六副并联机构和一个伸缩支链，形成具有五个自由度的空间混联机构，平面六副并联机构安装在滑轨上；所述平面六副并联机构包括第一滑块、第二滑块、第一连杆、第二连杆和第三连杆；第一滑块、第二滑块和滑轨之间分别通过移动副相互连接，第一滑块与第一连杆通过转动副相互连接，第二滑块与第二连杆通过转动副相互连接，第一连杆与第三连杆通过转动副相互连接，第二连杆与第三连杆通过转动副相互连接；伸缩支链连接在平面六副并联机构的第三连杆上，喷头安装在伸缩支链上。

优选地，底座上安装有底座导轨，运动平台沿导轨移动。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明针对大型曲面类型多、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，利用并联机构开发了适用于大型曲面喷涂的装置。本发明的喷涂机构基于一种五自由度的喷涂模块，并引入了混联结构。喷涂模块能够分别实现五个自由度的运动，在运动平台平动的配合下，能够进一步增大导轨方向的喷涂空间，通过控制喷头的位置和姿态，高效高质量地实现五自由度、大工作空间的喷涂作业；本喷涂机构结合了并联机构结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、易于实现高速运动的特点，能够满足大型曲面喷涂的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的三维结构示意图。

图2为本发明实施例的平面示意图。

图3为本发明实施例的喷涂模块结构示意图。

图4为喷涂模块中平面六副并联机构结构示意图。

图5为喷涂模块中伸缩支链结构示意图

图中：1-底座、2-第一三角机架、3-第一喷涂模块、4-第二三角机架、5-第二喷涂模块、6-运动平台、7-大型待喷涂工件、301-滑轨、302-第一驱动电机、303-第一滑块、304-第二滑块、305-第一连杆、306-第二连杆、307-第三连杆、308-第二驱动电机、309-伸缩套筒、310-伸缩杆、311-喷头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程做进一步的说明：

参见图1和图2，本发明提供的一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置主要包括底座1、运动平台6、机架以及结构完全相同的第一喷涂模块3和第二喷涂模块5，所述的机架采用两个完全相同的第一三角机架2和第二三角机架4，两个三角形机架平行固定安装在底座1上，在每个三角形机架的两个内侧边设有导轨；两个喷涂模块分别安装在两个三角形机架两侧的内侧导轨上，喷涂模块沿着三角机架内侧导轨上下移动。

底座1中部设置有导轨，运动平台6通过底座1中部的导轨连接在底座1上，大型待喷涂工件7安装在运动平台6上。本发明通过第一喷涂模块3、第二喷涂模块5和运动平台6的协同运动实现大空间五自由度喷涂作业。

上述各部分具体实施例结构分别说明如下：

在本实施例中，如图1、2所示，所述三角机架由完全相同的第一三角机架2和第二三角机架4组成，一前一后布置固定在底座1上，第一喷涂模块3和第二喷涂模块5布置在三角机架上，两者的结构相同，每个喷涂模块均能单独实现五个自由度的运动。所述运动平台6下部设有凹槽，通过底座1中部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，运动平台6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。大型待喷涂工件7整体呈半圆台形，其母线方向的曲面为有一定曲率的光滑曲面，即为需要喷涂的曲面。整个机构通过第一喷涂模块3、第二喷涂模块5和运动平台6的运动相结合实现五自由度喷涂作业。

本实施例中，所述第一喷涂模块3和第二喷涂模块5在结构上完全相同，以第一喷涂模块3的具体结构为例对喷涂模块的结构进行说明。如图3所示，第一喷涂模块3由滑轨、平面六副并联机构和伸缩支链组成，形成空间混联机构，实现喷涂作业时的三个移动自由度和两个转动自由度。上述滑轨301由驱动器(图中未画出)驱动可以带动整个喷涂模块3沿导轨相对于第一三角机架2和第二三角机架4进行平移运动，为喷涂模块提供一个平移运动的自由度。如图3、4所示，上述平面六副并联机构包括第一滑块303、第二滑块304、第一连杆305、第二连杆306、第三连杆307以及分别安装在两个滑块上的两个驱动器(图中未画出)和安装在第一连杆305一端的第一驱动电机302。上述滑块与导轨间通过移动副相互连接，连杆与连杆、连杆与滑块之间通过转动副相互连接，具有两个平动自由度和一个转动自由度。三个连杆和两个滑块组成并联机构，通过第三连杆307带动喷头在平面内三自由度的运动。喷涂模块3通过滑轨301与第一三角机架2和第二三角机架4相连接。上述平面六副并联机构通过安装在第一滑块303、第二滑块304的驱动器(图中未画出)和安装在第一连杆305一端的第一驱动电机302驱动，分别控制第一滑块303、第二滑块304的平移运动和第一连杆305的旋转运动，从而控制平面六副并联机构在平面内完成两移一转的三自由度运动。

在上述每个平面六副并联机构的基础上，引入了一个伸缩支链，喷涂模块增加了一个转动自由度。如图3、5所示，上述伸缩支链由伸缩套筒309、伸缩杆310、喷头311和第二驱动电机308组成。如图3、5所示，伸缩套筒309为中空圆柱状结构，伸缩杆310为圆柱状结构。伸缩套筒309一端通过转动副连接在第三连杆307中间设置的分支3071上，另一端通过移动副与伸缩杆310的一端连接，伸缩杆310的另一端通过转动副与喷头311中部设置的分支3111相连。通过第二驱动电机308控制伸缩套筒309与伸缩杆310之间的伸缩运动，从而控制喷头311绕第三连杆分支3071完成转动，控制喷涂的空间姿态。

本实施例的工作原理是上述第一滑块303、第二滑块304，第一连杆305、第二连杆306、第三连杆307构成平面六副并联机构，通过第一滑块303、第二滑块304上的驱动器(图中未画出)和第一驱动电机302分别驱动第一滑块303、第二滑块304的移动和第一连杆305的转动，从而带动第三连杆307的转动和平移，控制整个机构在平面内实现两移一转三个自由度。上述平面六副并联机构通过滑轨301连接在第一三角机架2和第二三角机架4上，可以在滑轨301上的驱动器(图中未画出)驱动下整体沿第一三角机架2和第二三角机架4实现平移运动。伸缩支链通过转动副连接在第三连杆分支3071上，通过第二驱动电机308驱动，控制伸缩套筒309和伸缩杆310之间的伸缩运动，从而控制喷头311的摆动。整个喷涂模块带动喷头能实现在空间内三个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。

在工作时，第一喷涂模块3和第二喷涂模块5对称布置在第一三角机架2和第二三角机架4上，本身可以实现空间五自由度喷涂作业；大型待喷涂工件7可以随运动平台6一起沿着底座1上的导轨在与滑轨平行的方向上运动，必要情况下可以辅助平面六副并联机构在滑轨方向实现更大的喷涂空间。在喷涂作业中，由运动平台6和喷涂模块一起联合作业，实现三个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。由于大型待喷涂工件7待喷涂曲面为变曲率曲面，随着大型待喷涂工件7喷涂位置的变化，需要不断调整喷涂的位置和姿态。喷涂机构通过平移运动控制喷涂的位置，保证喷头311末端与大型待喷涂工件7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，始终保证喷头311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，实现对大型待喷涂工件7曲面的高质量喷涂作业。

Claims (2)

1.一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置，该装置包括底座(1)、运动平台(6)、机架以及结构完全相同的第一喷涂模块(3)和第二喷涂模块(5)，其特征在于：所述的机架采用两个完全相同的第一三角机架(2)和第二三角机架(4)，两个三角形机架平行固定安装在底座(1)上，在每个三角形机架的两个内侧边设有导轨；两个喷涂模块分别安装在两个三角形机架两侧的内侧导轨上，两个喷涂模块沿着三角机架内侧导轨上下移动；每个喷涂模块包括滑轨(301)、平面六副并联机构和一个伸缩支链，形成具有五个自由度的空间混联机构，平面六副并联机构安装在滑轨(301)上；所述平面六副并联机构包括第一滑块(303)、第二滑块(304)、第一连杆(305)、第二连杆(306)和第三连杆(307)；第一滑块(303)、第二滑块(304)和滑轨(301)之间分别通过移动副相互连接，第一滑块(303)与第一连杆(305)通过转动副相互连接，第二滑块(304)与第二连杆(306)通过转动副相互连接，第一连杆(305)与第三连杆(307)通过转动副相互连接，第二连杆(306)与第三连杆(307)通过转动副相互连接；伸缩支链连接在平面六副并联机构的第三连杆上，喷头安装在伸缩支链上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大型曲面喷涂的五自由度混联装置，其特征在于：底座上安装有底座导轨，运动平台沿导轨移动。