CN107008602B - 串-并联式喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串‑并联式喷涂机器人，包括移动平台机构和喷涂作业部分。喷涂作业部分和移动平台机构相互配合，从而完成整个喷涂过程五个自由度的运动要求。喷涂作业平台和竖直机构部分的连接采用滚珠丝杠直线导轨滑台模组形式。移动平台机构由水平运动机构和竖直运动机构组成，实现两个方向的移动。喷涂作业部分由动平台、滚珠丝杠支链和定平台形成三自由度并联机构。动平台上安装有喷头，滚珠丝杠的四个支链连接动定平台，定平台上安装有四个驱动丝杠转动的电机，动平台与四个支链连接。四个电机单元模块驱动丝杠伸缩，带动动平台实现x方向的移动、绕y、z轴的转动，从而能精确实现喷头姿态调整和喷距控制。

Description

串-并联式喷涂机器人

技术领域

本发明公开了一种新型的串-并联式喷涂机器人

背景技术

相较于传统串联机器人，并联机器人在运动精度、速度、刚度、轻量化、动态响应特性、误差控制等方面都有更为优异的性能，因此在对运动轨迹有较高要求的工业领域中，比如对表面不规则件进行喷涂工作，并联机器人具有更好的应用前景。目前市场上或者专利中出现的并联喷涂机器人由于动力源、传动系统的限制，只能对较小范围区域进行喷涂，对于大型表面不规则区域的喷涂，比如车身部件，这些喷涂机器人将难以适应。目前一些方案采用一个大型龙门式的工作台，在工作台上的上下左右各个区域分别放置并联喷涂机器人，每个机器人负责对应一部分车身区域进行喷涂。这种方案可以实现对大型工件的喷涂，但存在工作台庞大、喷涂机器人数量多、总体造价高、柔性差等缺点，而且还需要考虑各机器人交叉区域的喷涂质量等技术问题。

发明内容

基于上述情况，本发明提出一种能实现空间三自由度运动的并联喷涂装置和一个能实现平面两轴大范围位移的移动工作台相结合的方案，工作时通过工作台两方向的长丝杠导轨做大范围位移，并通过三自由度并联装置调整喷头姿态及喷距，使喷头始终垂直于工件表面并保持恒定距离进行喷涂工作，实现对不规则表面任意点的喷涂。

在传动系统上，现有的串联喷涂机器人多采用谐波减速器对电机输出进行速度变换，再通过齿轮齿条、杆组零件等一系列比较长的传动系实现终端预定的轨迹运动，本发明采用伺服电机输出动力到驱动螺母，驱动螺母直接驱动滚珠丝杠的短传动系传动，无需谐波减速器，并且丝杠部分在功能上又是连接喷涂头的连杆，大大简化了结构。由于移动平台可以利用丝杠导轨进行两轴大范围移动，并联机构只需负责喷头的姿态和喷距的调整，运动范围小，故外型尺寸小，重量轻，从而可进一步减小成本，简化传动。

移动平台的设计采用了稳定性、精确性、传动刚度比较好的滚珠丝杠传动，同时同步带、滚珠丝杠直线导轨滑台模组等结构的采用进一步简化了传动机构。

本发明采用的技术方案如下

一种串-并联式喷涂机器人，由能实现平面两自由度大范围位移的移动平台机构和能实现空间三自由度作业的喷涂作业机构组成；所述的喷涂作业机构和移动平台机构相互配合，从而完成整个喷涂过程五个自由度的运动要求；所述的移动平台机构由一个水平运动机构和一个竖直运动机构组成，可以实现喷涂作业机构在水平方向(Y方向)和竖直方向(Z方向)的移动。

所述的喷涂作业机构由一个动平台、四个铰链、四个滚珠丝杠和一个定平台组成；动平台上安装有喷头，四个滚珠丝杠通过四个支链连接动、定平台，动平台与四个支链以球副形式连接，定平台上安装有四个喷涂电机单元；所述的四个喷涂电机单元包括四个喷涂电机，所述的喷涂电机各自驱动一个主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合传动，从动齿轮通过空心轴带动法兰盘旋转，法兰盘带动相应的丝杠螺母旋转，丝杠螺母驱动对应的丝杠伸缩，从而带动动平台实现x方向的移动和绕y、z轴的转动，使喷头能进行空间三个自由度的运动。

进一步的，所述水平运动机构包括一个底座，在所述的底座设有交流伺服电机I，所述的交流伺服电机I通过联轴器与一个水平设置的滚珠丝杠I连接，滚珠丝杠I前后端固定在前后轴承座上，滚珠丝杠I上配有两个前后丝杠螺母I，竖直运动机构的底板和两个丝杠螺母I固定连接，通过交流伺服电机I驱动滚珠丝杠I，丝杠螺母I带动竖直运动机构的底板进行水平方向上的位移。

进一步的，所述的底板底部装有六个滑块，左右两侧各有三个，在装置水平移动过程中与底座的左右导轨配合导向。

进一步的，所述竖直机构包括左、右竖直运动机构两部分，通过左右两个滚珠丝杠II的同步运动实现所述的喷涂平台在y轴上的精确位移，左右两个滚珠丝杠II的运动均由两个从动同步带轮传入。

进一步的，所述左竖直机构包括一个电机II，电机II通过联轴器带动轴上的两个主动同步带轮同速转动，这两个主动同步带轮分别引出长短两条同步带与左右机构上的左右两个滚珠丝杠II从动带轮配合，实现左右丝杠的等速转动。

进一步的，所述竖直机构上的滚珠丝杠II两侧均装有导轨。

进一步的，在所述的定平台的两侧固连的滑块，在所述的滑块中安装有中间穿透的螺母，所述的螺母与两个滚珠丝杠II配合传动，且滑块的左右两侧设有与竖直机构上的左、右导轨配合的导槽。

进一步的，所述的丝杠螺母为滚珠丝杠驱动螺母，其外圈与机体固连，内圈进行旋转驱动运动，从而实现对支链的伸缩驱动。

进一步的，为实现所述动平台三自由度运动，四个电机不与定平台固连。上、右、下侧喷涂电机单元的电机座通过两侧的滚动轴承和电机支架相连，从而喷涂电机单元可以绕电机支架进行转动，左侧的喷涂电机单元除了具有以上三个电机单元的结构安装外，其电机座下部还通过一个滚动轴承和定平台连接，使所述的左侧喷涂单元可以绕电机座轴进行旋转，这样设计的目的是为了让动平台能够同时进行两个方向的转动，实现对喷头姿态的灵活调整。

本发明的整体工作过程如下：

本发明可以适应大型不规则零部件的表面喷涂，如车身喷涂，其工作过程如下：

1、水平运动机构上的滚珠丝杠旋转，丝杠螺母在滑块导轨导向下带动底板运动，实现安装在底板上的竖直运动机构和喷涂作业机构到达喷涂区域的y轴坐标点。

2、竖直运动机构通过同步带传动实现左右丝杠的同步运动，在滚珠丝杠直线导轨滑台模组的作用下，喷涂作业平台到达喷涂区域的z轴坐标点。

3、并联机构的四个电机启动，通过定平台上四根丝杠支链的伸缩运动，实现动平台在x方向上的移动和绕y，z轴的转动三个自由度的运动，实现喷头的姿态控制和喷距调整。

4、上述并联机构的3自由度和移动平台的2自由度在主控程序的控制下协同运动，实现对不规则表面的精准喷涂。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的串-并联式喷涂机器人将平面大范围移动和空间多自由度转动相结合，实现对大型喷涂件空间任意不规则区域的喷涂。

2、移动平台结构简单，反应迅速，水平和竖直方向上的滚珠丝杠传动能快速准确地定位至喷涂区域的平面坐标。

3、喷涂作业平台能实现空间三自由度的精确喷涂，且无需复杂传动系统及谐波减速器等高成本设备，机构简单，造价低。

4、相较于龙门式多喷头的喷涂机器人，本发明更加轻量化，且控制灵活方便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1喷涂机器人整体图；

图2移动平台整体结构图；

图3水平运动机构图；

图4水平运动机构底板装配图；

图5左竖直主运动机构图；

图6右竖直从动机构图；

图7左右竖直机构的同步带连接图；

图8喷涂作业机构图；

图9喷涂定平台和移动平台连接图；

图10喷涂电机单元传动系统图；

图11喷涂电机单元传动装配图；

图12上、右、下侧喷涂电机单元安装图；

图13上、右、下侧喷涂电机电机座零件图；

图14左侧喷涂电机单元安装图；

图15左侧喷涂单元电机座零件图；

图中：11喷涂作业机构、12移动平台机构；

21水平运动机构、22左竖直主运动机构、23右竖直从动机构、24上部连接板、25同步带传动系；

31交流伺服电机、32联轴器、33底座滚珠丝杠、34前轴承座、35后轴承座、36电机座、37和39丝杠螺母、38底板、310和311左右丝杆导轨；

41底板滑块；

51主运动电机、52竖直方向运动电机、53联轴器、54上主动同步带轮、55下主动同步带轮、56连接架、57同步带轮轴、58下支撑架、59左同步带从动轮、510滚动升降丝杠、511和512左右升降导轨、513丝杠轴承座、514左竖直板；

61右从动同步带轮、62下支撑架、63滚珠升降丝杠、64右竖直板、65和66左右升降导轨、67丝杠轴承座；

71短同步带、72左从动同步带轮、73长同步带、74右从动同步带；

81定平台、82滚珠丝杠支链、83动平台、84动平台球副、85喷头、86上侧喷涂电机单元、87连接滑块、88左侧喷涂电机单元；

101喷涂电机、102主动齿轮、103从动齿轮、104法兰盘、105空心轴、106滚动轴承；

111丝杠螺母；121电机支架、122上侧喷涂电机座；141左侧喷涂电机座；151电机座下部滚动轴承。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一、串-并联式喷涂机器人的整体结构

如图1所示，本发明喷涂机器人采用两自由度平面移动平台+三自由度并联喷涂工作平台的形式，可以分为喷涂作业机构11和移动平台机构12。

二、移动平台机构

如图2所示，移动平台整体结构由水平运动机构21、左竖直主运动机构22、右竖直从动机构23、上部连接板24、下同步带装配25组成，其传动均是由电机驱动丝杠来完成。该移动作业部分可以实现两个方向(y、z方向)的移动。

如图3所示，装置的底座上布置有水平运动机构，其传动系统组成为：交流伺服电机31通过联轴器32与滚珠丝杠33连接，滚珠丝杠33两端固定在前后轴承座34、35上，而电机则固定在与底座相对固定的电机座36上。

整个传动过程为：电机31转动通过联轴器32带动滚珠丝杠33转动，固定在竖直支撑部分的丝杠螺母37、39把滚珠丝杠33的转动转化为水平方向的移动，从而实现机器人在y轴方向的移动。如图4所示，底板38和丝杠螺母37、39固定连接，底板底部装有六个滑块41，与左右导轨311、310配合导向。当滚动丝杠运动时，底板带动上部的竖直框架和喷涂作业平台进行水平方向上的精确位移。

喷涂平台11主要通过左右竖直运动机构的两个滚珠丝杠同步运动实现z轴的精确位移；其中左竖直机构是主运动机构，其结构如图5所示，主运动电机模块51如放大图所示，传动过程为：电机52通过联轴器53带动轴57转动，从而带动轴上的两个同步带轮54、55同速转动，上述的各个零部件通过连接架56进行装配固定，左竖直机构的同步带从动轮59和电机模块51的上同步带轮54连接，使和同步带轮轴连接的滚动丝杠510旋转，左竖直板514上装有左右导轨511、512以实现与喷涂作业平台的配合，从而实现定平台在竖直方向的移动。滚珠丝杠传动与同步带传动相结合，使得整个传动系统传动精度高、传动效率高，且整个传动系统简单、实用。

右竖直从动机构的结构与左侧的竖直主动机构大体对称，如图6所示，但没有电机驱动模块，并且从动同步带轮61的位置较竖直主动机构的同步带轮59靠下，以错开同步带。其他各部分的零部件为，连接架62，滚珠丝杠63，左右丝杠导轨65、66，轴承座67，竖直连接板64。

如图7所示，左竖直机构的电机模块中，上同步带轮54通过短同步带71和左竖直主动机构上的从动带轮72连接，下同步带轮55通过长同步带73和右竖直从动机构的从动带轮74连接。同一轴上两个主动同步带轮54、55的转速相同，由于同步带传动的转速一致性，从动同步带轮72、74的转速也相同，从而左右两边竖直机构上的滚珠丝杠510和63都以相同的速度回转。

三、喷涂作业机构

如图8所示，喷涂作业机构由一个动平台83、四个滚珠丝杠支链82和一个定平台81组成。动平台83上安装有喷头85，四个滚珠丝杠组成的支链与动平台以球副84铰接，定平台上安装有四个驱动丝杠转动的电机单元86，动平台83和定平台81通过四个丝杠支链连接。喷涂作业机构的喷涂过程通过定平台的四个电机单元86驱动四个滚珠丝杠82，实现四个丝杠82的伸缩，从而带动动平台83实现一个方向(x方向)的移动、绕y,z轴的转动，使得喷头85完成三个自由度的运动。

如图9所示，喷涂作业平台和左侧竖直运动机构的连接采用滚珠丝杠510与滚动摩擦导轨511、512相结合的装置——滚珠丝杠直线导轨滑台模组。即和定平台固连的滑块87既有中间穿透的螺母和滚珠丝杠510配合传动，将丝杠的转动变换为定平台的升降，滑块87的左右两侧又有导槽和导轨511、512配合导向。此结构不仅拥有滚珠丝杠与滚动摩擦导轨的功能，而且巧妙地实现了两者的结合，减少了布置的空间，使得整个布置合理、紧凑。喷涂平台右侧的两个滑块和右竖直机构的配合方式与左侧相同，故不赘述。

如图10、11所示，电机单元模块的传动系统包括：喷涂电机101、主动齿轮102、从动齿轮103、空心轴105、法兰盘104、丝杠螺母111和滚珠丝杠82等。其传动过程为：喷涂电机101通过键带动主动齿轮102旋转，主动齿轮102通过啮合带动从动齿轮103旋转，从动齿轮103通过键带动空心轴105旋转，空心轴105带动法兰盘104旋转，法兰盘104带动丝杠螺母111内圈旋转，最终实现滚珠丝杠82的伸缩运动。该处的丝杠螺母111为滚珠丝杠驱动螺母，其外圈与机体固连，内圈进行旋转驱动运动，从而驱动丝杠82移动，通过丝杠82相对于丝杠螺母111的伸缩，最终实现动平台83相对于定平台81的运动。

为实现动平台三自由度运动，四个喷涂电机不与定平台固连。其中处于定平台右侧和下侧的电机单元与上侧的电机单元86整体结构相同，而左侧的电机单元88则略有不同。如图12所示，喷涂电机单元86左右两侧装有滚动轴承106，，定平台81上的电机支架121通过滚动轴承106与电机座122相连，从而喷涂电机单元可以绕电机支架121进行转动，电机座122的零件图如图13所示；左侧的喷涂电机单元88除了具有以上三个电机单元的结构外，其电机座141下部通过轴承151和定平台进行可动装配，装配图如图14，零件图如图15所示，这个结构使得左侧喷涂单元88还可以绕电机座轴进行旋转，这样设计的目的是为了让动平台能够同时进行两个方向的转动，这样不仅节约了调整喷头的时间，还能使喷头的位置得到充分转变，可以实现大型零部件的某些特殊位置表面的垂直喷涂，从而提高喷涂效率和质量。

根据对喷涂作业平台各个部分的介绍，可以得出整体的传动设计：四个喷涂电机单元86、88能实现四个滚珠丝杠82的伸缩；通过调节四个滚珠丝杠82的伸缩量，实现动平台83的一平动两转动三个自由度的运动，再加上移动平台机构12在水平和竖直方向上两个自由度的大范围移动，从而实现固定在动平台上的喷头85实现三平动两转动共五个自由度的运动，最终完成大型零部件表面任意位置的喷涂工作。

具体的运动实现方式为：当四根丝杠同步伸出或缩进时，实现动平台沿x轴(垂直动平台表面方向)的移动；当上部丝杠伸出(或缩进)，下部丝杠缩进(或伸出)，左右丝杠相对不伸缩时，就实现了动平台绕y轴的转动；当左部丝杠伸出(或缩进)，右部丝杠缩进(或伸出)，上下丝杠相对不伸缩时，就实现了动平台绕z轴的转动。在实际工作中，可以根据作业要求，对并联机构进行运动学仿真及优化，并通过仿真数据得到丝杠长度、动平台尺寸、球铰转动范围等机构关键尺寸参数及运动参数，从而确定动平台绕y,z轴转动的极限角度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种串-并联式喷涂机器人，其特征在于，包括能实现平面两自由度大范围位移的移动平台机构和能实现空间三自由度作业的喷涂作业机构；所述的喷涂作业机构和移动平台机构相互配合，从而完成整个喷涂过程五个自由度的运动要求；所述的移动平台机构由一个水平运动机构和一个竖直运动机构组成，实现喷涂作业机构在水平方向和竖直方向的移动；

所述的喷涂作业机构由一个动平台、四个支链、四个滚珠丝杠和一个定平台组成；动平台上安装有喷头，四个滚珠丝杠通过四个支链连接动、定平台，动平台与四个支链以球副形式连接，定平台上安装有四个喷涂电机单元；所述的四个喷涂电机单元包括四个喷涂电机，所述的喷涂电机各自驱动一个主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合传动，从动齿轮通过空心轴带动法兰盘旋转，法兰盘带动相应的丝杠螺母旋转，丝杠螺母驱动对应的丝杠伸缩，从而带动动平台实现x方向的移动和绕y、z轴的转动，使喷头能进行空间三个自由度的运动；

所述竖直运动机构包括左、右竖直运动机构两部分，通过左右两个滚珠丝杠II的同步运动实现所述的喷涂作业机构在y轴上的精确位移，左右两个滚珠丝杠II的运动均由两个从动同步带轮传入；

所述左竖直运动机构包括一个电机II，电机II通过联轴器带动轴上的两个主动同步带轮同速转动，这两个主动同步带轮分别引出长短两条同步带与左右机构上的左右两个滚珠丝杠II从动带轮配合，实现左右丝杠的等速转动；

所述竖直运动机构上的滚珠丝杠II两侧均装有导轨；

在所述的定平台的两侧固连的滑块，在所述的滑块中安装有中间穿透的螺母，所述的螺母与两个滚珠丝杠II配合传动，且滑块的左右两侧设有与竖直运动机构上的左、右导轨配合的导槽；

所述水平运动机构包括一个底座，在所述的底座设有交流伺服电机I，所述的交流伺服电机I通过联轴器与一个水平设置的滚珠丝杠I连接，滚珠丝杠I前后端固定在前后轴承座上，滚珠丝杠I上配有两个前后丝杠螺母I，竖直运动机构的底板和两个丝杠螺母I固定连接，通过交流伺服电机I驱动滚珠丝杠I，丝杠螺母I带动竖直运动机构的底板进行水平方向上的位移。

2.如权利要求1所述的串-并联式喷涂机器人，其特征在于，所述的底板底部装有六个滑块，左右两侧各有三个，在装置水平移动过程中与底座的左右导轨配合导向。

3.如权利要求1所述的串-并联式喷涂机器人，其特征在于，所述的丝杠螺母为滚珠丝杠驱动螺母，其外圈与机体固连，内圈进行旋转驱动运动，从而实现对支链的伸缩驱动。

4.如权利要求1所述的串-并联式喷涂机器人，其特征在于，所述的四个喷涂电机单元不与定平台固连。

5.如权利要求4所述的串-并联式喷涂机器人，其特征在于，上、右、下侧喷涂电机单元的电机座通过两侧的滚动轴承和电机支架相连，从而喷涂电机单元绕电机支架进行转动，左侧的喷涂电机单元除了具有上、右、下侧喷涂电机单元的结构安装外，其电机座下部还通过一个滚动轴承和定平台连接，使所述的左侧喷涂电机单元绕电机座轴进行旋转。

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