CN108568824A - 喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷涂机器人(1)，其包括支撑围绕第一轴(3A)旋转的基座(3)的框架(2)，所述基座支撑围绕第二轴(4A)铰接的第一臂(4)，所述第一臂支撑围绕第三轴(5A)铰接的第二臂(5)，该第三轴(5A)位于第二臂的端部位置上，所述臂固定至腕状件，所述腕状件可围绕至少第四轴(6A)、第五轴(7A)和可选的第六轴(8A)运动；围绕这些轴中的至少三个轴的旋转借助于永久地联接到每个受控轴的马达(M)实现。

Description

喷涂机器人

技术领域

本发明涉及一种喷涂机器人。特别地，本发明涉及具有五个或六 个受控轴的喷涂机器人。

背景技术

众所周知，喷涂机器人(例如小批量生产的机器人)借助于一种 被称为“自学”或“直接学习”的方法进行编程。该方法包括手动引导机 器人(或者更正确地说，是连接到机器人的喷枪)通过其第一循环， 使用一系列专用编码器或分解器测量所进行的相对运动，并将所述运 动记录在机器人的控制系统中，然后该控制系统将能够在所有后续循 环中重现该运动。

在马达器人中，每个轴将借助于不可逆蜗轮与电动马达连接。每 个马达都有一个集成在其中的位置变换器(编码器)，用于控制机器 人。

在现有技术中，为了允许通过直接学习进行编程，在马达与受控 轴之间存在可分离式接头。对于位于可分离接头下游的机器人的每个 轴，还存在另一个位置变换器(编码器)。

为了执行第一次喷涂循环，将马达与机器人的运动机构分离(借 助于接头)，并借助于附加编码器(每个轴一个)测量角度运动并记 录在控制系统中。

目前已知的系统由于存在可分离式接头以及存在位于接头下游轴 上的另外的编码器而变得很昂贵且很沉重。此外，存在与轴一样多的 接头会导致可靠性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种与现有技术相比被改进了的喷涂机器 人。

本发明的另一个目的是提供一种比传统机器人更便宜并且更可靠 的喷涂机器人。

这个和其他目的借助于根据所附权利要求的技术教导所生产的喷 涂机器人来实现。

附图说明

本发明的其他特征和优点在由在附图中通过非限制性示例示出优 选但非排他的实施例的装置的描述中将变得更清楚，在附图中：

图1是根据本发明的喷涂机器人的透视图；

图2是图1中的机器人的简化横截面视图；

图3是沿图2中的线III-III截取的局部简化截面视图；

图4是沿图2中的线IV-IV截取的局部简化截面视图；

图5是图1中的喷涂机器人的第一和第二臂的简化截面视图；

图6是图1中的机器人的局部截面俯视图；

图7是图1中的机器人的简化俯视图，其中切除了某些部分并省 略了其他部分；

图8是在涉及在马达和工件保持台之间的运动传递的阶段中，包 围在图7中的圆圈内的部分的放大图，其在理想情况下是沿着图9中 的截面线VIII-VIII截取的；

图9示出用于得到图8的截面线VIII-VIII；和

图10是驱动与机器人隔离的工件保持台的致动马达的简化视图。

具体实施方式

参考所述的附图，附图标记1用来表示作为整体的喷涂机器人。

喷涂机器人1包括框架2，该框架2可以定位在工作区域的地板 上。该框架可以配备具有高度调节功能的支腿2A和支脚2B，以便定 位机器人的高度。

框架可以支撑旋转的工件保持转盘50，在所示的解决方案中，该 转盘配备有其特征在于弯曲的三个臂51。

在本说明书中，术语“弯曲”指的是臂的长度沿着与连接每个单独 臂的操作端的直线段的轨迹不同的轨迹延伸。

“弯曲”臂的示例可以通过连接处于相互成角度的位置上的两个或 更多个直线单元(例如箱构件)来产生。

在另一个示例中，“弯曲”臂是以与圆形段(如图所示)或者椭圆 形段类似的方式成形的单元。

安装在转盘上的臂全都可以在结构上相似。

可以在每个弯曲臂的端部定位工件保持台52。工件保持台围绕优 选为垂直的轴P旋转。

工件保持转盘50也围绕优选为垂直的轴3A旋转，使得每个工件 保持台(适当地装载有待喷涂工件)可以交替地位于喷涂工位B1、已 喷涂工件卸载位置(工位B2或B3)或装载待喷涂新工件的位置(工 位B3或B2)中。

在所描述的配置中，存在三个工位，但是具有替代形式的转盘50 也可以具有两个、四个或更多个臂。

当弯曲臂51定位成使得相关工件保持台52位于喷涂工位B1中 时，由框架2支撑的机动旋转组件53(图10中所示)在臂的另一端 与盘状单元54接合，该盘状单元被成形为能够以受控方式旋转工件保 持台52。

更具体地说(参见图7-10)，盘状单元54具有径向凹槽54A。该 凹槽可以具有稍微弯曲的轴和圆形段的形式。

除了径向凹槽之外，盘状单元还可以包括对准凹口60，该对准凹 口用于与可倚靠弹簧运动的杠杆61接合，在该弹簧的一端定位有惰轮 62，其旋转轴与杠杆61对齐。

优选地以垂直轴定位的机动旋转组件53可与毂57相关联，毂57 的头部设想有一对枢转单元55(优选为滚动单元，例如轴承)，用于 与盘状单元54(更具体地说与其凹槽54A)扭转联接。枢转单元55 可以定位在毂57上，其轴与机动旋转组件53的旋转轴58垂直、偏移 并且优选平行。

毂可以由壳体64部分地包围，壳体64构造成与惰轮62配合，以 便(当盘状单元54重叠随着转盘50旋转的机动旋转组件53时)将杠 杆61与凹口60分离(参见图8)，因此允许通过机动旋转组件53旋 转盘状单元54(其与毂57为一体的)。

杠杆61、凹口60和壳体或盒子64的作用(特别是盒子的角振幅) 是非常有用的，因为这种结构被构造成将盘状单元54保持在给定位置 上(当所述单元与机动旋转组件53脱离时，因此在转盘50旋转期间)， 其凹槽54A对齐在轨迹R上，该轨迹允许容易地将毂57的滚动单元 55与盘状单元54联接。

显然，其他扭转方法也可以将工件保持台52和用于所有臂的唯一 机动旋转组件53联接起来；但是上述接头已被证明特别可靠并且易于 生产，以便将扭矩从马达传递到第一传动装置70，因此经由柔性轴传 递到第二传动装置71并由此传递到工件保持台52(反之亦然)。

此外，上述构造设想毂与机动旋转组件53相关联，而盘状单元与 臂的第一传动装置70相关联。但显然也可以产生对称的配置。

更详细地描述从机动旋转组件53到工件保持台52的运动传递线， 应该注意的是，第一传动装置70优选相对于盘状单元54的旋转轴以 90°传递旋转运动。

第二传动装置71位于工件保持台52的下方，并且优选支撑所述 工作台。同样在这种情况下，第二传动装置71可以相对于工件保持台 52的旋转轴以90°传递该运动。

如前所述，第一传动装置70和第二传动装置通过柔性传动轴72 相互连接。

实质上，马达53的旋转经由包括容纳在弯曲臂51中的至少一个 柔性轴72的传递线传递到工件保持台52。

这种结构是特别有利的，因为可以产生弯曲臂51，以便在操作者 对第一次喷涂进行编程的同时使操作者将测试工件准确地保持在其前 方。

此外，使用柔性轴72防止需要在臂内部存在影响定位精度的带有 不同传动装置的带或链条。

关于根据现有技术的解决方案，具有柔性轴的解决方案具有更容 易的组装和拆卸的特征，并且因为消除链条和传动装置而减少了出现 的污垢和振动。

此外，该解决方案大大简化了维护工作，从而使维护更加安全。 由于没有链条或传动装置，所以即使链条意外运动，也不可能在链条 运动时陷入困境。

应该指出的是，上面注意力集中在对单臂的描述上，但是安装在 转盘上的所有臂都可以具有与所描述臂基本相同的配置。

返回到图1，应该注意的是，框架(其可以与转盘的框架相同， 或者物理上分开的框架)可以支撑围绕第一轴3A旋转的基座3。在机 器人和转盘的分开的框架的情况下，将不再涉及喷涂机器人，而是涉 及包括机器人和转盘的喷涂单元，即使它们在物理上分开也是如此。 例如，转盘可能搁置在地面上，而机器人可能悬挂在天花板上。或者 转盘框架可以简单地围绕独立于其的机器人的转盘框架。

在任何情况下，基座都可以安装在固定到机器人框架上的推力轴 承100上。反过来，基座又可以支撑(例如借助于传动单元)围绕第 二轴4A(借助于铰链12)铰接的第一臂4。

反过来，第一臂4可以支撑围绕第三轴5A铰接且优选位于第一 臂的一端上的第二臂5。

在第二臂的端部位置上，可以存在可围绕至少第四轴6A、第五轴 7A和可选的第六轴8A运动的安全腕状件28。

根据本发明的一个方面，围绕至少三个轴的旋转借助于永久地联 接到所述至少三个轴中的每一个的无刷马达(M)来实现。

优选地，所述至少三个轴是腕状件的轴，即第四轴6A、第五轴 7A和第六轴8A。

在下面的描述中，将涉及其中所有六个(或五个)轴永久地联接 到马达M的机器人。然而，必须牢记的是，也可以生产部分轴(至少 三个)永久地连接到相应的马达M而其余的轴可以具有常规类型的运 动与控制装置(即在编程阶段期间可以分离的接头和“双”编码器)的 机器人。

有利的是，如上所述，机器人的每个轴(即五个或六个轴中的每 个)的旋转借助于五个或六个马达(通常用“M”表示，并且更详细地 用M1-M6表示)实现。

在目前的措词中，“永久联接”意味着在正常使用期间，特别是在 机器人编程阶段期间，没有任何马达能够与控制相应轴的运动的运动 系统分离。

换句话说，在编程阶段期间，为了移动与腕状件28相关联的喷枪， 操作者也拖动控制轴的每个马达。

为了减少操作者感受到的惯性，可以借助于具有介于1:8和1:12 之间，优选为1:10的传动比的可逆式减速器9来获得永久联接。事实 上，已经发现，在这些传动比范围内，马达的惯性对于执行喷涂编程 的操作者来说是可接受的。

请记住，在这种情况下，为了移动机器人，操作者压必须拖动(以 旋转运动的方式)驱动轴的马达，因为它们永久地联接到运动机构。

更具体地说，可逆式减速器9可以是单级行星齿轮式的。单级减 速器的选择减少了与所述齿轮相关的惯性，并且同时减小了所述机械 部件的重量和成本。

由于减速器是可逆式的，因此突发电力故障可能导致机器人臂掉 落到地面或操作者的上方。

为了克服所述缺点，可以设想以可逆式减速器为特征的每个受控 轴与机械制动器10联接，机械制动器10在发生电力故障时自动启动。 气动驱动制动器是这种制动器的特别有利的类型。换句话说，设想一 种电磁阀，该电磁阀在连接到电源时将压缩空气供给到与接合该轴的 制动器相关联的气缸中，从而放开所述轴。在发生电力故障(或压缩 空气供应故障)的情况下，为了解决压缩空气不足的问题，气缸会自 动(通过弹簧加载装置)运动到稳定的制动位置，以防止轴的运动。

该申请避免了使用具有制动器的马达(更昂贵)，并且在所述机 器人必须放置在安全位置/由于电力故障而位于其间隙区域之外的情 况下允许强制手动移动机器人轴。

有利地，对于编程和机器人运动控制，每个轴使用单个位置编码 器E。编码器E可以是最初集成在无刷马达内的编码器。

如上所述，使机器人特别轻的一种配置设想将控制前三个轴3A、 4A、5A的马达M1、M2、M3直接安装在框架上，从而允许将整个运 动单元组装在工作台上。

更具体地说，控制第二轴4A的马达M2借助于伞齿轮联轴器将 运动传递到第一臂4，而控制第三轴5A的马达M3借助于互连第一臂 4和第二臂5的外部杠杆系统30将运动传递到第二臂。

该杠杆系统借助于适当的一组气缸101减轻。

代替地，控制第四轴6A、第五轴7A和第六轴8A的马达M4、 M5和M6可以安装在第一臂4上，靠近具有基座3的铰链12。

所述马达借助于一系列具有拉杆和链条的传动装置来传递和控制 第四轴、第五轴和第六轴的运动(参见图5)。

为了完成本说明，应该注意的是，腕状件可以与用于喷涂的喷枪 40相关联，然后其运动由上述的六个马达(六个轴中的每个)精确地 控制。

实质上，所描述的机器人的操作如下。

预先在喷涂工位B1的工件保持台52上准备待喷涂工件。随后， 执行机器人编程阶段，其中操作者使用连接到机器人的腕状件28的喷 枪执行喷涂，因此与马达一起拖动机器人的运动机构。

特别是，在该编程阶段期间，控制单元(与控制机器人的六个轴 的马达对接)仅从集成在与相应轴相关联的每个无刷马达内的编码器 E中获取五个或六个轴中的每个的位置数据。

在编程阶段期间，控制单元还手动地或者使用特殊按钮来获取可 由操作者旋转的工件保持台52的位置，以便在工件的所有侧上进行喷 涂。

在自动喷涂阶段期间，每个轴的位置由集成在如编程阶段所使用 的那种的无刷马达内部的相同编码器E控制。

更具体地说，当通过所述马达的驱动关闭速度回路时，每个轴的 位置控制回路由(控制单元的)轴控制器关闭。

本质上，控制单元的任务是通过向驱动器发送马达必须运动的速 度来管理马达的正确定位。驱动器的任务是关闭速度回路。

这种控制系统在存在如上所述的减速器单元传动比时特别有效 (其远低于轴不与马达永久联接的传统系统)。

事实上，对于传统控制系统(即驱动器关闭马达的位置回路和速 度回路，而轴控制器向驱动器发送待到达位置)，存在通过上述方法 解决的振动问题。

这种振动的解释(用本文描述的控制系统来消除)可能是由于较 低的传动比将系统惯性传递给马达，马达反过来对其进行吸收。因此， 驱动器的PID控制器(根据已知技术，其任务是以2000Hz的频率执 行该工作)正在快速校正并产生前述振动。

为了解决这个问题，决定使用在马达外部并且与可以在较低频率 下工作的其驱动器不同的PID控制器。确定的最佳范围是从100Hz 到500Hz，最好是200Hz。

使用控制器的位置控制，只有速度参考值将被发送到驱动器。

随着这些修改的引入，振动被消除，并且机器人的平稳和均匀的 运动得以实现。

更具体地说，上述系统使得可以通过马达的角度位置来控制机器 人的运行方式。

关于传统机器人，上述技术可以使得：

-避免在运动系统中存在用于接合和放开马达的系统，从而降低成 本。众所周知，不存在这种很容易损坏的零部件，从而提高了机器人 的整体可靠性。此外，它最大限度地减少了源于非永久性联接件存在 而引起的定位误差；

-当马达与运动机构分开时，无需使用专用于运动测量的六个编码 器。

本文已经公开了创新的各种实施例，但是还可以使用相同的创新 构思想象进一步的实施例。

Claims (10)

1.一种喷涂机器人(1)，包括框架(2)，该框架支撑围绕第一轴(3A)旋转的基座(3)，所述基座支撑围绕第二轴(4A)铰接的第一臂(4)，所述第一臂支撑围绕第三轴(5A)铰接的第二臂(5)，能围绕至少一个第四轴(6A)、一个第五轴(7A)和可选的一个第六轴(8A)运动的腕状件被约束在所述第二臂的端部位置上，其特征在于，围绕至少三个轴的旋转由三个马达(M)获得，每个马达(M)永久地联接到受控轴。

2.根据前一权利要求所述的机器人，其中所述马达(M)是无刷式的。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，其中通过可逆式减速器(9)获得永久联接，所述可逆式减速器的减速比介于1:8和1:12之间，优选为1:10。

4.根据前一权利要求所述的机器人，其中所述可逆式减速器(9)是单级行星齿轮式的。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的机器人，其中永久地联接到相应马达的轴中的每个轴都具有机械制动器(10)，其能够在没有电流的情况下自动致动，和/或其中所述机械制动器(10)是气动式的，并且即使在没有压缩空气的情况下也进行干预。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的机器人，其中在永久地联接到所述马达(M)的轴中的每个轴上都设置单个位置编码器(E)，所述编码器(E)是集成在所述马达中的编码器。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的机器人，其中用于控制所述第一轴(3A)、所述第二轴(4A)和所述第三轴(5A)的马达(M1，M2，M3)直接安装在所述基座(3)上。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的机器人，其中用于控制所述第四轴(6A)、所述第五轴(7A)以及可选的第六轴(8A)的马达安装在所述第一臂(4)上，邻近具有所述基座的铰链(12)。

9.一种用于控制具有至少五个轴的喷涂机器人的方法，其中通过仅由集成在与至少三个轴永久相关联的每个马达中的编码器(E)获取该至少三个轴的位置数据来执行编程喷涂循环的步骤，并且其中通过借助于集成在用于编程步骤的马达中的相同编码器(E)来控制所述至少三个轴的位置来执行喷涂循环的自动喷涂的步骤。

10.根据前一权利要求所述的方法，其中通过轴控制来关闭与马达永久联接的每个轴的位置的控制回路，并且通过致动来关闭速度回路。