CN110252560A - 一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高铁车身喷涂的移动式混联喷涂机器人,所述移动式混联喷涂机器人由喷涂机器人、移动云台、升降机构、移动底座共四个部分组成。升降机构安装在移动底座上并和移动云台相连接,喷涂机器人安装在移动云台上,喷涂机器人采用混联结构,可使末端喷头灵活转动,满足高铁车身复杂表面喷涂作业需要。本发明有益的技术效果:本发明所述的移动式混联喷涂机器人的移动机构可实现大范围空间移动,混联喷涂机器人具有6个自由度,末端通过柔索并联驱动直杆型球头杆端关节轴承,实现末端喷头二自由度的空间运动,具有并联机构刚度大,累积误差小、运动灵活的优点。

Description

一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人
技术领域
本发明涉及喷涂机器人领域,具体是一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人。
背景技术
随着科技的进步,喷涂机器人得到了极大的发展,喷涂机器人的运用改变了传统人工喷涂中工人劳动强度大,工作环境有害的现状,推动了绿色环保企业的建设进程。但现在应用在高铁车身涂装领域的喷涂机器人多为串联喷涂机器人,存在着体积重量大、关节累积误差大、动态响应差、复杂表面喷涂质量差等缺点。而单纯的并联机器人的运动空间又比较小。中国专利CN20141083584900涉及一种索杆复合驱动的并联码垛机器人,采用了柔索并联机构,但运动空间较小;中国专利CN104549849A公开了一种自动化喷涂机器人装备,该装备的三垂直坐标轴移动平台采用的齿轮齿条和滚珠丝杆联合的传动方式,缺少运动的精确控制。
发明内容 本发明针对现有串联喷涂机器人的缺陷和不足,提供一种由移动平台和混联喷涂机器人组成的,用于高铁车身表面喷涂的移动式混联喷涂机器人。尤其是一种可在X、Y方向精确占位,由柔索并联驱动实现末端二自由度空间运动的混联喷涂机器人。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,包括XYZ三轴运动平台,以及安装于XYZ三轴运动平台上的六自由度机械臂,六自由度机械臂连接有末端喷头,由XYZ三轴运动平台带动六自由度机械臂在X、Y、Z三个方向运动,并由六自由度机械臂实现末端喷头六个自由度的运动,其特征在于:六自由度机械臂包括大臂、小臂柔索并联机构,其中大臂的臂端俯仰转动连接有顶部座,小臂柔索并联机构包括后置防爆驱动电机组、小臂左法兰、小臂、钢丝绳、小臂右法兰、牵引支撑和直杆型球头杆端关节轴承,其中:
后置防爆驱动电机组包括防爆外壳,防爆外壳通过转轴转动连接于顶部座端部,顶部座上安装有电机,电机输出轴与防爆外壳的转轴传动连接,由电机驱动防爆外壳转动,防爆外壳内沿环向安装有多个可转动的卷绳筒,每个卷绳筒分别配置有卷绳筒电机,卷绳筒电机输出轴与对应的卷绳筒传动连接,由卷绳筒电机驱动对应的卷绳筒转动;
所述钢丝绳有多组,多组钢丝绳一一对应缠绕于卷绳筒上,且钢丝绳一端固定于对应卷绳筒,防爆外壳表面对应每组钢丝绳分别设有开口,钢丝绳另一端一一对应从防爆外壳的开口穿出;
小臂左发兰一面固定于防爆外壳的外表面,小臂一端同轴固定连接小臂左发兰另一面,小臂另一端同轴固定连接小臂右法兰一面,牵引支撑一面同轴固定连接于小臂右法兰另一面,牵引支撑周边沿环向设有多个滑轮,每个滑轮分别转动安装于牵引支撑周边;
直杆型球头杆端关节轴承包括外圈直杆和内圈直杆,外圈直杆一端同轴固定于牵引支撑另一面,外圈直杆另一端连接有球头座,内圈直杆一端连接有球头,且球头安装于球头座中,内圈直杆另一端周边设有多个钢丝绳牵引孔,所述钢丝绳从防爆外壳穿出后分别沿小臂延伸,再一一对应绕过牵引支撑上的滑轮后,最终钢丝绳另一端一一对应固定于内圈直杆的钢丝绳牵引孔中,所述末端喷头固定于内圈直杆另一端端面。
所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:XYZ三轴运动平台包括移动底座、升降机构、移动云台,其中移动底座为可沿Y向运动的一维运动平台;升降机构为剪叉式升降臂,剪叉式升降臂下端安装于移动底座的运动部件上;移动云台为可沿X向运动的一维运动平台,移动云台整体固定于剪叉式升降臂的上端,六自由度机械臂整体安装于移动平台的运动部件上。
所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:所述移动底座配置有用于测量Y向移动距离的光栅尺测距装置。
所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:所述移动云台配置有用于测量X向移动距离的光栅尺测距装置。
所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:所述移动底座、升降机构、移动云台均为电机驱动。
采用本发明所述的用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人的用途:使用在高铁车身等大型复杂表面的涂装领域。
本发明所述的用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,可实现喷涂机器人X、Y、Z三个方向的精确占位。6自由度混联喷涂机器人的前4个自由度采用串联连接,机器人末端采用柔索并联驱动直杆型球头杆端关节轴承实现2自由度空间运动,可使末端喷头实现较大锥度范围内的任意角度位置旋转,从而实现复杂表面的精确喷涂。
本发明具有以下优点:
1.本发明采用三坐标轴移动平台加喷涂机器人结构,具有X、Y、Z 3个大范围移动自由度和喷涂机器人本身6个自由度共9个自由度,工作空间大。
2.本发明的混联喷涂机器人小臂采用柔索并联驱动,控制精度高,末端执行器惯性小,转动灵活。
3.本发明的柔索驱动装置采用前置安装方式,可以减小末端执行器的惯量,提升动力学性能,且易于防爆封装。
4.本发明的移动云台和移动底座的驱动回路中采用绝对式光栅尺检测运动位移,大幅度提高了移动平台的定位精度。
5.本发明的三坐标轴移动平台采用电机驱动,控制简单。
附图说明
图1是本发明进行高铁车身涂装工作时的立体示意图。
图2是本发明的移动式混联喷涂机器人整体机构立体示意图。
图3是图2中混联喷涂机器人1的立体示意图。
图4是图3中小臂柔索并联机构1500的立体示意图。
图5是图4中直杆型球头杆端关节轴承1570的立体示意图。
图6是图4中后置防爆驱动电机组1510的立体示意图。
图7是图6中防爆外壳盖1519的立体示意图。
图8是图6中支撑板1517的立体示意图。
图9是图6中防爆外壳1518的立体示意图。
图10是图6中轴1516的立体示意图。
图11是图6中卷绳筒1515的立体示意图。
图12是图4中牵引支撑1560的立体示意图。
图13是图12中滑轮1564的立体示意图。
图14是图2中移动云台2的立体示意图。
图15是图2中升降机构3的立体示意图。
图16是图15中起升支架3100的立体示意图。
图17是图15中驱动底座3200的立体示意图。
图18是图2中移动底座4的立体示意图。
图19是图18的另一角度示意图。
图中:混联喷涂机器人1、移动云台2、升降机构3、移动底座4、基座1100、底板1101、电机1102、法兰1103、腰部1200、法兰1201、电机1202、法兰1203、大臂1300、法兰1301、大臂支撑1302、顶部座1400、法兰1401、电机1402、小臂柔索并联机构1500、末端喷头1600、后置防爆驱动电机组1510、小臂左法兰1520、小臂1530、钢丝绳1540、小臂右法兰1550、牵引支撑1560、直杆型球头杆端关节轴承1570、外圈直杆1572、内圈直杆1571、卷绳筒电机1511、联轴器1512、轴承座1513、轴承1514、卷绳筒1515、轴1516、支撑板1517、防爆外壳1518、防爆外壳盖1519、轴承盖1561、轴承1562、支撑板1563、滑轮1564、云台底板2001、直线导轨2002、滑块2003、滑块连接座2004、光栅尺安装板2005、绝对式光栅2006、光栅读数头2007、光栅读数头安装架2008、齿轮2009、齿条2010、驱动电机2011、起升支架3100、驱动底座3200、直线导轨(上)3101、固定滑块3102、滑块连接座3103、轴套3104、支撑杆3105、轴承盖3106、连杆3107、轴承3108、移动滑块3109、直线导轨(下)3201、轴承座3202、轴承3203、丝杠螺母座(上)3204、丝杠螺母座(下)3205、丝杠螺母3206、丝杠3207、电机座3208、驱动电机3209、联轴器3210、底座桥3211、导轨连接3212、底板桥3213、底板4001、电机4002、齿轮4003、齿条4004、光栅读数头安装架4005、光栅读数头4006、光栅尺安装板4007、滑块4008、直线导轨4009。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
结合图1、2、3、14、15和18,一种用于高铁车身外表面喷涂的移动式混联喷涂机器人,由混联喷涂机器人1、移动云台2、升降机构3、移动底座4共四个部分组成。移动底座4在底板直线导轨上移动,移动云台2经过升降机构3与移动底座4相连接,混联喷涂机器人1安装在移动云台2的滑块连接座上。
结合图3,进一步说,混联喷涂机器人1由基座1100、腰部1200、大臂1300、顶部座1400、小臂柔索并联机构1500和末端喷头1600组成。基座1100、腰部1200、大臂1300和顶部座1400采用传统串联连接,通过对应电机驱动实现四个旋转自由度。小臂柔索并联机构1500通过后置在小臂上的配套组合电机并联驱动柔索牵引直杆型球头杆端关节轴承完成2自由度转动,实现末端喷头1600精确灵活的位姿调整。
其中基座1100、腰部1200、大臂1300、顶部座1400和小臂柔索并联机构1500依次分别通过螺栓和螺钉与对应连接法兰相连接。相对应的电机1102、电机1202、和电机1402分别依次驱动腰部1200、大臂1300和顶部座1400与小臂柔索并联机构1500实现旋转运动。基座1100的底板1101通过螺栓固定在移动云台2的滑块连接座2004上;大臂1300通过法兰1301分别与腰部1200和顶部座1400的对应法兰1203和1401相连接,大臂支撑1302连接在大臂1300上,提高大臂的结构强度,保证大臂运动的平稳性;顶部座1400通过螺钉与小臂柔索并联机构1500相连接,电机1402驱动顶部座和小臂柔索并联机构1500整体做旋转运动。
结合图4至13,进一步说,小臂柔索并联机构1500由后置防爆驱动电机组1510、小臂左法兰1520、小臂1530、钢丝绳1540、小臂右法兰1550、牵引支撑1560和直杆型球头杆端关节轴承1570组成。后置防爆驱动电机组1510通过螺钉安装在顶部座1400,由电机1402驱动做旋转运动;小臂左法兰1520与后置防爆驱动电机组1510的防爆外壳盖1519相连接,小臂右法兰1550与牵引支撑1560的支撑板1563相连接;钢丝绳1540分别缠绕在后置防爆驱动电机组1510对应的卷绳筒1515上,绕过牵引支撑1560的滑轮1564与直杆型球头杆端关节轴承1570相连接;直杆型球头杆端关节轴承1570安装在牵引支撑1560的支撑板1563上。
其中,直杆型球头杆端关节轴承1570为一种特殊结构的滑动轴承,外圈直杆1572采用内螺纹连接安装在牵引支撑1560的支撑板1563上,内圈直杆1571上设计有均匀分布的三个钢丝绳牵引孔,用以穿引钢丝绳,实现并联驱动内圈直杆末端。
其中,后置防爆驱动电机组1510由卷绳筒电机1511、联轴器1512、轴承座1513、轴承1514、卷绳筒1515、轴1516、支撑板1517、防爆外壳1518和防爆外壳盖1519组成。轴承座1513安装在支撑板1517上,轴承1514、轴1516和卷绳筒1515依次安装在轴承座1513上,卷绳筒电机1511通过联轴器1512与轴1516相连接,支撑板1517与防爆外壳1518通过螺钉相连接,最后防爆外壳盖通过螺钉连接到防爆外壳上。电机组驱动对应轴转动,带动对应卷绳筒控制对应钢丝绳的长度来达到末端姿态的调整。
其中,牵引支撑1560由轴承盖1561、轴承1562、支撑板1563和滑轮1564组成。滑轮1564两端安装轴承1562,然后安装在支撑板1563上,轴承盖1561通过螺钉连接在支撑板1563上。牵引支撑1560用来支撑钢丝绳1540的转向运动。
结合图14,进一步说,移动云台2由云台底板2001、直线导轨2002、滑块2003、滑块连接座2004、光栅尺安装板2005、绝对式光栅2006、光栅读数头2007、光栅读数头安装架2008、齿轮2009、齿条2010和驱动电机2011组成,滑块2003、滑块连接座2004共同构成移动平台2的运动部件。
其中,直线导轨2002、光栅尺安装板2005和齿条2010通过固定螺栓安装在云台底板2001上,滑块2003安装在直线导轨2002上,并通过螺钉与滑块连接座2004相连接,光栅读数头安装架2008和驱动电机2011通过螺钉固定在滑块连接座2004上,绝对式光栅2006安装在光栅尺安装架2005上,光栅读数头2007通过螺钉安装在光栅读数头安装架2008上。驱动电机2011直接驱动齿轮2009沿着齿条2010做往复直线运动,带动与驱动电机2011相连接的滑块连接座2004随着滑块2003一起运动,同时固定在滑块连接座2004上的光栅读数头传感器检测移动的位置信号,以便更精确地完成X方向定位。
结合图15、16、17,进一步说,升降机构3由起升支架3100和驱动底座3200组成。起升支架3100和驱动底座3200分别与移动云台2和移动底座4相连接。
其中,起升支架3100由直线导轨(上)3101、固定滑块3102、滑块连接座3103、轴套3104、支撑杆3105、轴承盖3106、连杆3107、轴承3108和移动滑块3109组成。直线导轨(上)3101通过螺栓与移动云台底板2001相连接,固定滑块3102和移动滑块3109安装在对应直线导轨上,其中固定滑块3102通过螺钉固定在直线导轨的一端,固定滑块3102和移动滑块3109通过滑块连接座3103与支撑杆3105相连接,支撑杆3105两端装有轴承3108,安装在连杆3107上,并用轴承盖3106密封,轴套3104用来调节连杆3107的安装位置,避免连杆运动干涉。
其中,驱动底座3200由直线导轨(下)3201、轴承座3202、轴承3203、丝杠螺母座(上)3204、丝杠螺母座(下)3205、丝杠螺母3206、丝杠3207、电机座3208、驱动电机3209、联轴器3210、底座桥3211、导轨连接3212和底板桥3213组成。起升支架3100的对应滑块安装在直线导轨(下)3201上,直线导轨(下)3201和底板桥3213通过导轨连接3212相连接,底座桥3211通过螺钉固定在直线导轨(下)3201上,电机座3208通过螺钉安装在导轨连接3212,驱动电机3209安装在电机座3208上,轴承座3202通过螺钉安装在对应的底座桥3211上,丝杠3204两端装有轴承3203并安装在轴承座3202上,丝杠螺母3206安装在丝杠3204上,并与螺母连接座(下)3205相连接,螺母连接座(上)通过螺钉与螺母连接座(下)3205相连接,联轴器3210用来连接驱动电机3209和丝杠3207。驱动电机3209驱动丝杠螺母副转动,从而带动与螺母座相连接的支撑杆3105带着移动滑块3109沿着直线导轨(下)3201方向运动,另一端的固定滑块3102固定在直线导轨(下)3201上,进而起升支架完成升降运动。驱动电机3209通过驱动滚珠丝杆副的运动实现升降机构3的精确升降,并且滚珠丝杠副自锁功能保证喷涂作业过程的升降安全。
结合图18、19,进一步说,移动底座4由底板4001、电机4002、齿轮4003、齿条4004、光栅读数头安装架4005、光栅读数头4006、光栅尺安装板4007、滑块4008和直线导轨4009组成,滑块4008上支撑有水平框架,由水平框架和滑块4008共同构成移动底座4的运动部件。电机4002和光栅读数头安装架4005通过螺钉安装在升降机构的底座桥3211上,电机4002驱动齿轮4003沿着与之配合的齿条4004直线运动,光栅读数头4006通过螺钉安装在光栅读数头安装架4005上,用来接收绝对式光栅尺的位置信号,绝对式光栅尺则安装在光栅尺安装板4007的卡槽上,直线导轨4009通过螺栓安装在底板4001上,滑块4008安装在直线导轨4009上,并通过螺钉与底板桥3213相连接,用来承载升降机构3完成Y方向的移动。移动底座4同移动云台2一样采用齿轮齿条传动,并通过绝对式光栅传感器的反馈控制精确实现Y方向的占位。
进一步说,本发明使用在高铁车身等大型复杂表面喷涂领域。
进一步说,本发明具有X、Y、Z方向精确占位的三个自由度和混联喷涂机器人本身6个自由度共9个自由度。混联喷涂机器人末端采用电机组并联驱动柔索牵引直杆型球头杆端关节轴承实现2自由度空间运动,可使末端喷头在较大锥度范围内的任意角度位置旋转,从而实现复杂表面的精确喷涂。
结合图1至图19,对本发明的功能进行总体说明,本发明主要由混联喷涂机器人1、移动云台2、升降机构3、移动底座4共四个部分组成,混联喷涂机器人1由基座1100、腰部1200、大臂1300、顶部座1400、小臂柔索并联机构1500和末端喷头1600组成。基座1100、腰部1200、大臂1300和顶部座1400采用传统串联连接,通过对应电机驱动实现四个旋转自由度。小臂柔索并联机构1500通过后置在小臂上的配套组合电机驱动柔索牵引直杆型球头杆端关节轴承完成2自由度转动,使末端喷头1600实现25锥度范围内的任意角度位置旋转。移动云台2由云台底板2001、直线导轨2002、滑块2003、滑块连接座2004、光栅尺安装板2005、绝对式光栅2006、光栅读数头2007、光栅读数头安装架2008、齿轮2009、齿条2010和驱动电机2011组成,其中驱动电机2011直接驱动齿轮2009沿着齿条2010做往复直线运动,带动与驱动电机2011相连接的滑块连接座2004随着滑块2003一起运动,同时固定在滑块连接座2004上的光栅读数头传感器检测移动的位置信号,以便更精确地完成X方向定位。升降机构3由起升支架3100和驱动底座3200组成,其中驱动底座3200的驱动电机3209驱动丝杠螺母副转动,从而带动与螺母座相连接的支撑杆3105带着移动滑块3109沿着直线导轨(下)3201方向运动,另一端的固定滑块3102固定在直线导轨(下)3201上,进而使起升支架完成升降运动。移动底座4由底板4001、电机4002、齿轮4003、齿条4004、光栅读数头安装架4005、光栅读数头4006、光栅尺安装板4007、滑块4008和直线导轨4009组成,其中电机4002驱动齿轮4003沿着与之配合的齿条4004做直线往复运动,带动升降机构的底座桥3211一起运动,同时安装在光栅读数头安装架4005上的光栅读数头4006检测移动的位置信号,以便更精确地完成Y方向定位。因而本发明由于创新性的引入6自由度混联喷涂机器人,并在X和Y方向的移动占位上引入光栅检测系统,为高铁车身等大型复杂表面的喷涂提供了新型的喷涂机器人结构。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进,均应落入本发明的保护范围,本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,包括XYZ三轴运动平台,以及安装于XYZ三轴运动平台上的六自由度机械臂,六自由度机械臂连接有末端喷头,由XYZ三轴运动平台带动六自由度机械臂在X、Y、Z三个方向运动,并由六自由度机械臂实现末端喷头六个自由度的运动,其特征在于:六自由度机械臂包括大臂、小臂柔索并联机构,其中大臂的臂端俯仰转动连接有顶部座,小臂柔索并联机构包括后置防爆驱动电机组、小臂左法兰、小臂、钢丝绳、小臂右法兰、牵引支撑和直杆型球头杆端关节轴承,其中:
后置防爆驱动电机组包括防爆外壳,防爆外壳通过转轴转动连接于顶部座端部,顶部座上安装有电机,电机输出轴与防爆外壳的转轴传动连接,由电机驱动防爆外壳转动,防爆外壳内沿环向安装有多个可转动的卷绳筒,每个卷绳筒分别配置有卷绳筒电机,卷绳筒电机输出轴与对应的卷绳筒传动连接,由卷绳筒电机驱动对应的卷绳筒转动;
所述钢丝绳有多组,多组钢丝绳一一对应缠绕于卷绳筒上,且钢丝绳一端固定于对应卷绳筒,防爆外壳表面对应每组钢丝绳分别设有开口,钢丝绳另一端一一对应从防爆外壳的开口穿出;
小臂左发兰一面固定于防爆外壳的外表面,小臂一端同轴固定连接小臂左发兰另一面,小臂另一端同轴固定连接小臂右法兰一面,牵引支撑一面同轴固定连接于小臂右法兰另一面,牵引支撑周边沿环向设有多个滑轮,每个滑轮分别转动安装于牵引支撑周边;
直杆型球头杆端关节轴承包括外圈直杆和内圈直杆,外圈直杆一端同轴固定于牵引支撑另一面,外圈直杆另一端连接有球头座,内圈直杆一端连接有球头,且球头安装于球头座中,内圈直杆另一端周边设有多个钢丝绳牵引孔,所述钢丝绳从防爆外壳穿出后分别沿小臂延伸,再一一对应绕过牵引支撑上的滑轮后,最终钢丝绳另一端一一对应固定于内圈直杆的钢丝绳牵引孔中,所述末端喷头固定于内圈直杆另一端端面。
2.根据权利要求1所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:XYZ三轴运动平台包括移动底座、升降机构、移动云台,其中移动底座为可沿Y向运动的一维运动平台;升降机构为剪叉式升降臂,剪叉式升降臂下端安装于移动底座的运动部件上;移动云台为可沿X向运动的一维运动平台,移动云台整体固定于剪叉式升降臂的上端,六自由度机械臂整体安装于移动平台的运动部件上。
3.根据权利要求2所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:所述移动底座配置有用于测量Y向移动距离的光栅尺测距装置。
4.根据权利要求2所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:所述移动云台配置有用于测量X向移动距离的光栅尺测距装置。
5.根据权利要求2所述的一种用于高铁车身涂装的移动式混联喷涂机器人,其特征在于:所述移动底座、升降机构、移动云台均为电机驱动。
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