CN112916260A - 一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人，包括有空中三自由度移动机构和喷涂机械臂两个部分，空中三自由度移动机构包括有X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构，X向移动机构的X向移动桁架两端导向移动在X向导向滑轨上，X向导向滑轨与厂房钢结构相连固定，Y向移动机构通过Y向移动框架上端的导向组件导向安装在X向移动桁架上，Z向移动机构的Z向移动机械臂平台导向安装在Y向移动框架上，喷涂机械臂的底座安装在空中三自由度移动机构的Z向移动机械臂平台上，空中三自由度移动机构驱动喷涂机械臂在空间实现三个方向的平移运动。本发明具有喷漆效率高、喷漆均匀、运动空间大、定位精确、重心稳定晃动小和有效避免涂料对人体造成长期伤害等优点。

Description

一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人

技术领域：

本发明涉及机器人技术应用领域，主要涉及一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人。

背景技术：

火车，飞机等大型表面喷漆的方式包括人工喷漆和自动喷漆，无论是哪种方式，整个流程大致包括剥除原漆、磨平、上底漆、喷上新漆，喷涂工艺复杂。然而随着工业发展对喷涂精度和效率要求越来越高。人工喷漆存在几个主要的问题：

1.人工喷漆效率较低，整机喷漆连续工作的时间较长。

2.整机喷漆需要一个具有专业知识的团队，人员培养成本较大。

3.整机喷漆后，整机覆盖约一吨重的涂料，同时人工喷漆均匀性较差，容易造成大型表面两侧喷漆不均匀，导致整机不平衡的问题。

4.涂料对人的身体有很严重的危害，人工喷漆需要做好保护措施，即使如此也不能完全消除涂料对喷漆人员的健康伤害。

与人工喷漆相比，自动喷漆效率高，喷漆均匀且有效避免涂料对人员伤害，在大型表面喷漆领域具有十分重大的意义和前景。目前，自动喷漆机器人主要有串联、并联和混联三种形式，串联机器人具有结构简单、成本低、控制简单、运动空间大等优点。但是串联机器人相对而言刚度较差，且串联结构导致末端误差累积大等缺点；在要求不高的喷涂场合，串联机器人可以满足要求，而针对大型表面喷涂由于作业时间长、精度要求高，所以必须从结构和控制两个方面解决末端误差和惯性大的问题。并联机器人具有累积误差小、刚度大和动态响应快的优点，在针对小型设备表面喷涂时可以很好的保证喷涂精度和效率。可是并联机器人操作空间小，不适合用于大型表面喷涂的场合。因此采用混联机器人可以有效的发挥串联和并联各自的优点。

混联机器人在控制末端执行器喷涂位置中采用串联结构，获得更大的工作空间，到达工位开始喷涂时由末端并联结构执行，保证喷涂的效率和精度。因此混联机器人既具有较大的作业空间也具有刚度大、末端误差小、动态响应快等优点。中国专利CN201510016639.3涉及一种用于汽车车身喷涂的混联机器人装置，采用龙门架可以有效调节并联机械臂结构工位，综合了并联机器人和串联机器人的优点，但是受龙门架尺寸限制机器人运动空间受限，不太适合更多大型表面喷涂且龙门架坐落地面影响其他设备空间；中国专利CN201910641158.X设计一种用于高铁车身喷涂的移动式混联喷涂机器人，移动式机器人运动空间更加灵活，可以有效针对尺寸较大的复杂大型表面喷涂，但是定位精度和机构稳定性相对较差，缺少联动喷漆作业，效率有待进一步提高且先后喷涂涂层可能产生接缝等均匀性问题。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人，该机器人具有喷漆效率高、喷漆均匀、运动空间大、定位精确、重心稳定晃动小和有效避免涂料对人体造成长期伤害等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人，包括有空中三自由度移动机构和喷涂机械臂两个部分，所述空中三自由度移动机构包括有X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构，所述X向移动机构的X向移动桁架两端导向移动在X向导向滑轨上，所述X向导向滑轨通过吊装组件与厂房钢结构相连固定，所述Y向移动机构通过Y向移动框架上端的导向组件导向安装在X向移动机构的X向移动桁架上，所述Z向移动机构的Z向移动机械臂平台导向安装在Y向移动机构的Y向移动框架上，所述喷涂机械臂的底座安装在空中三自由度移动机构的Z向移动机械臂平台上，所述空中三自由度移动机构驱动喷涂机械臂在空间实现三个方向的平移运动。

所述的X向移动机构包括有X向移动桁架，所述X向移动桁架的两端分别设有导向轮，所述导向轮在对应侧的X向导向滑轨上导向移动，其移动通过其一侧的齿轮齿条机构驱动，所述齿轮齿条机构包括有铺设在一侧X向导向滑轨上的齿条，其对应侧的X向移动桁架的底端安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与桁架驱动电机的减速机驱动，所述桁架驱动电机固定安装在X向移动桁架上。

所述吊装组件包括有吊杆，所述X向导向滑轨的长度方向上焊接有多个间隔设置的吊杆，所述吊杆分别通过螺栓双螺母与厂房钢结构连接固定，所述X向导向滑轨的上端面两端分别设有X向限位块。

所述的导向组件包括有设置Y向移动框架上端部的导向座，以及铺设在X向移动桁架上的Y向导向滑轨，所述Y向移动框架通过导向座与Y向导向滑轨连接，所述导向座上安装有与Y向导向滑轨导向配合的导向轮，且导向座的移动通过Y向齿轮齿条机构，所述Y向齿轮齿条机构包括有铺设在Y向导向滑轨的一侧的齿条，所述导向座上安装有齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与Y向驱动电机的减速机驱动，所述Y向驱动电机固定安装在Y向移动框架上，所述Y向导向滑轨两端部对应的X向移动桁架上安装有Y向限位块。

所述的Z向移动机构包括有铺设在Y向移动框架上的Z向导向滑轨，所述Z向移动机械臂平台通过导向轮在Z向导向滑轨导向移动，其移动通过Z向齿轮齿条机构驱动，所述Z向齿轮齿条机构包括有铺设在Z向导向滑轨一侧的齿条，所述Z向移动机械臂平台上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与Z向驱动电机的减速机驱动，所述Z向驱动电机固定安装在Z向移动框架上，所述Z向导向滑轨两端部对应的Y向移动框架上安装有Z向移动机械臂平台限位块。

所述的Z向移动机构包括有一级Z向移动机构和二级Z向移动机构，所述一级Z向移动机构的一级Z向导向滑轨铺设在Y向移动框架上，所述一级Z向导向滑轨一侧铺设有齿条，所述一级Z向移动框架上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与一级Z向驱动电机的减速机驱动，所述Z向驱动电机固定安装在一级Z向移动框架上，所述一级Z向导向滑轨两端部对应的Y向移动桁架上安装有二级Z向限位块；所述二级Z向移动机构的二级Z向导向滑轨铺设在一级Z向移动框架上，所述二级Z向导向滑轨一侧铺设有齿条，所述Z向移动机械臂平台上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与二级Z向驱动电机的减速机驱动，所述二级Z向驱动电机固定安装在Z向移动机械臂平台上，所述二级Z向导向滑轨两端部对应的一级Z向移动框架上安装有Z向移动机械臂平台限位块。

所述的喷涂机械臂包括有转动安装在Z向移动机械臂平台上且垂直于Z向移动机械臂平台的第一旋转轴，第一旋转轴的转动由其后端部的一轴驱动电机驱动，所述第一旋转轴的端面上安装有固定支座，所述固定支座上通过转轴二转动安装有第二旋转轴，所述第二旋转轴的转动由转轴二后端的二轴电机驱动，所述第二旋转轴的另一端设有固定耳座，所述固定耳座上通过转轴三转动安装有旋转座，所述旋转座上固定安装有第三旋转轴，所述第三旋转轴的转动通过三轴电机驱动旋转座后端的转轴带动，所述的第三旋转轴为套筒式结构，其内套接有与其导向配合的第四机械轴，所述第四机械轴的导向移动通过其外侧的柔索并联驱动机构驱动，所述第四机械轴的前端安装有第五旋转轴，所述第五旋转轴的转动通过其后端的五轴柔索电机驱动，所述的一轴驱动电机、二轴驱动电机和三轴驱动电机均为转子与减速机一体式电机。

所述的柔索并联驱动机构包括有嵌装在第三旋转轴套筒内的固定座，所述固定座与旋转座固定连接，所述固定座的前方设置有位于套筒内中部的导板，所述第三旋转轴的前端端部安装有导向座，所述导板与导向座之间的第三旋转轴套管内导向安装有第四机械轴，所述第四机械轴的前端部伸出导向座，后端部安装有驱动第四机械轴在第三旋转轴套筒内移动的驱动块，所述驱动块的导向移动通过驱动柔索驱动，所述驱动柔索包括有两组，每组四根分别为安装在驱动块前端部的驱动柔索组一和安装在驱动块后端部的驱动柔索组二，所述导向座和第三旋转轴套筒上分别安装有供驱动柔索组一和驱动柔索组二导向的导向滑轮，所述驱动柔索组一和驱动柔索组二分别由对应的柔索驱动电机模组驱动，所述柔索驱动电机模组分别对应安装在固定座上。

所述的柔索驱动电机模组分别包括有固定导向壳，所述固定导向壳内转动安装有丝杆，所述丝杆上导向安装有滑块，所述驱动柔索组一和驱动柔索组二的一端另分别安装在滑块上，另一端分别安装在驱动块的前端部和后端部，所述丝杆的转动分别由其端部的电机驱动。

所述的第四机械轴的前端端部处设有安装耳，所述安装耳上转动安装有转轴五，所述转轴五的前端端部设有用于固定喷枪的固定安装座，所述转轴五的转动由其中部的导向回转盘带动，所述导向回转盘的转动由其后方的绳索机构驱动，所述绳索机构包括有五轴驱动柔索，所述五轴驱动柔索通过其后端的五轴柔索驱动电机模组带动，所述第四机械轴的前端部设有凹槽，所述凹槽内卡装有五轴柔索驱动电机模组，所述五轴柔索驱动电机模组包括有固定导向壳，所述固定导向壳内转动安装有丝杆，所述丝杆上导向安装有滑块，所述五轴驱动柔索的一端固定连接有五轴复位弹簧，所述五轴复位弹簧通过安装板安装在第四机械轴上，所述五轴驱动柔索的另一端固定连接在滑块上。

本发明的优点是：

1.本发明机器人可实现联动喷涂作业，保证大型表面涂层均匀并且避免表面出现接缝或因喷漆不同步导致的分层或涂层不连续现象。

2.空中三自由度移动机构与厂房连接不仅不影响设备进出厂房空间，而且保证了机器人运动空间大。

3.Z向移动机构通过两级调节，既满足机械臂对Z向尺寸较大的表面喷涂的作业空间要求也避免了Z向移动机构尺寸过大喷涂过程中与待处理表面或其他设备发生碰撞干涉。

4.喷涂机械臂四轴与三轴通过圆柱副连接，四轴通过柔索并联驱动可以转动并伸缩，有更大的运动空间。

5.喷涂机械臂五轴通过柔索驱动，动力和执行器分离，因此可以将五轴结构设计的更加紧凑，喷涂时可达工作区域更多，满足大型表面上空隙和交界面处喷涂要求。

6.喷涂机械臂模块化设计，可独立进行各项性能分析，并且装拆更换方便。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1中空中三自由度移动机构左侧部分的结构正视图。

图3是图1中空中三自由度移动机构左侧部分的结构俯视图。

图4是图1中空中三自由度移动机构左侧部分的结构侧视图。

图5是X向移动机构和Z向移动机构中第一级机构处的局部结构示意图。

图6是Z向移动机构中第二级机构的结构示意图。

图7是图1中喷涂机械臂的整体结构示意图。

图8是图7中喷涂机械臂二轴驱动电机和三轴驱动电机安装位置示意图。

图9是图7中喷涂机械臂一轴驱动电机安装位置剖视图。

图10是图7中喷涂机械臂第三旋转轴的结构正视图。

图11是图7中喷涂机械臂第三旋转轴的结构剖视图。

图12为第三旋转轴与第四机械轴连接配合部分去掉套筒的结构示意图。

图13为第五旋转轴安装固定的局部结构示意图。

附图标记：

图1中：1000-空中三自由度移动机构；2000-喷涂机械臂。

图2中：1101-X向移动桁架；1102-桁架驱动电机；1103-X向齿轮齿条机构；1104-X向限位块；1105-焊接吊杆；1106-X向导向滑轨；1201-Y向驱动电机；1202-Y向移动框架；1203-Y向导向滑轨；1204-Y向齿轮齿条机构；1205-Y向限位块；1302-一级Z向驱动电机；1304-一级Z向导向滑轨；1305-二级Z向移动机构限位块；1307-二级Z向驱动电机；1309-二级Z向导向滑轨；1310-机械臂平台限位块；2000-喷涂机械臂。

图3中：1101-X向移动桁架；1102-桁架驱动电机；1103-X向齿轮齿条机构；1104-X向限位块；1106-X向导向滑轨；1202-Y向移动框架；1203-Y向导向滑轨；1205-Y向限位块。

图4中：1201-Y向驱动电机；1202-Y向移动框架；1301-Z向移动框架；1302-一级Z向驱动电机；1303-一级Z向齿轮齿条机构；1306-Z向移动机械臂平台；1308-二级Z向齿轮齿条机构。

图5中：1101-X向移动桁架；1102-桁架驱动电机；1103-X向齿轮齿条机构；1202-Y向移动框架；1203-Y向导向滑轨；1205-Y向限位块；1301-Z向移动框架；1302-一级Z向驱动电机；1303-一级Z向齿轮齿条机构；1304-一级Z向导向滑轨；1305-二级Z向移动机构限位块。

图6中：1301-Z向移动框架；1306-Z向移动机械臂平台；1307-二级Z向驱动电机；1308-二级Z向齿轮齿条机构；1309-二级Z向导向滑轨；1310-机械臂平台限位块。

图7中：1306-Z向移动机械臂平台；2002-第一旋转轴；2004-第二旋转轴；2006-第三旋转轴；2008-四轴驱动柔索。

图8中：2003-二轴驱动电机；2005-三轴驱动电机

图9中：1306-Z向移动机械臂平台；2001-一轴驱动电机；2002-第一旋转轴；

图10中：2006-第三旋转轴；2007-四轴柔索驱动电机模组；2008-四轴驱动柔索；2009-四轴驱动柔索导向滑轮；2010-第四机械轴；2015-带槽柔索导向回转盘；2016-第五旋转轴。

图11中：2006-第三旋转轴；2008-四轴驱动柔索；2009-导向滑轮；2010-第四机械轴；2011-五轴柔索驱动电机模组；2012-五轴驱动柔索导向滑轮；2013-五轴驱动柔索；2014-五轴复位弹簧；2015-导向回转盘；2016-第五旋转轴。

图12中：2021-固定座；2022-旋转座；2023-导板；2024-导向座；2025-驱动块；2026-固定导向壳；2027-丝杆；2028-滑块；

图13中：2029-安装耳；2030-转轴五；2015-导向回转盘；2013-五轴驱动柔索；2011-五轴柔索驱动电机模组。

具体实施方式：

参见附图。

结合图1和图2，一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人包括空中三自由度移动机构1000和喷涂机械臂2000两个部分，所述喷涂机械臂2000的底座安装在空中三自由度移动机构1000的Z向移动机械臂平台1306上，首先喷涂机械臂2000的底座用螺钉固定平行导轨滑块，然后导轨通过螺钉安装在Z向移动机械臂平台1306上。空中三自由度移动机构1000驱动喷涂机械臂2000在空间实现三个方向的平移运动，以便针对不同的喷涂区域可以调节喷涂机械臂2000的作业位置，满足对喷涂机械人运动空间的要求。空中三自由度移动机构1000通过焊接吊杆1105与厂房钢结构连接固定，首先，根据现场厂房钢结构选择合适的吊点；其次，综合考虑受力和安全要求，设计一级钢结构；最后，用螺栓带双螺母固定焊接吊杆1105，从而使本发明机器人安装在厂房钢结构上。空中三自由度移动机构1000和喷涂机械臂2000所需的电气和涂料管线根据实际情况固定在空中三自由度移动机构1000本体上，保证空中三自由度移动机构1000、喷涂机械臂2000和自动喷枪的电气与涂漆供应。

本发明机器人整体工作原理为：当大型表面设备通过特定的夹具定位和固定之后，PLC主控制器接受到夹紧信号并开始按照程序执行下达指令给本发明的机器人各个电机驱动器控制电机的旋转，电机带动各自对应的齿轮齿条传动机构将动力传输到空中三自由度移动机构1000的各个移动框架上，平行导轨实现精准导向，从而驱动喷涂机械臂2000在空间实现“X、Y、Z”三个方向的平移运动，以便针对不同的喷涂区域可以调节喷涂机械臂2000的位置，满足对喷涂机械人运动空间的要求。当到达指定工位后喷涂机械臂2000负责表面喷漆。

大多数的大型设备表面结构上呈现对称结构，为了对大型表面联动喷涂和简化路径规划保持机械臂单侧工作，本发明机器人实现联动作业。以飞机表面为例，该大型表面在空间上是左右对称的并且表面尺寸较大，通过一个机械臂喷涂不仅喷涂机械臂2000需要在飞机表面左右两侧不停切换工位效率低而且喷涂机械臂2000在越过飞机上表面时不能与表面干涉同时还要覆盖飞机下表面的喷漆区域，这对本发明机器人结构以及厂房的尺寸要求很高，往往无法实现，因此本发明机器人左右联动喷涂机械臂有效的解决这些问题。PLC主控制器下达指令后，左右喷涂机械臂2000同时对飞机上表面喷涂，随后左右喷涂机械臂2000按照预先规划的路径同时喷涂左右飞机表面和下表面。

这样的好处包括：一、效率不仅比单个喷涂机械臂喷涂高出一倍而且减少工位切换路径控制更加简单；二、先对上下表面联动喷漆保证左右侧面在上下表面交界处涂层连续均匀且没有分开喷漆时产生的分割线；三、左右喷涂机械臂联动同时喷漆减少了飞机左右表面漆面因分开喷漆时可能造成的质量的不均匀程度，不影响设备运行和动力学性能。

结合图2、3、4、5、6，空中三自由度移动机构1000由X向移动机构1100、Y向移动机构1200和Z向移动机构1300组成。X向移动机构1100通过焊接吊杆用螺栓双螺母与厂房相连，Y向移动机构1200通过螺钉安装在X向移动机构1100的X向移动桁架1101上，Z向移动机构1300通过螺钉安装在Y向移动机构1200的Y向移动框架1202上，Z向移动机构1300与喷涂机械臂2000连接，驱动喷涂机械臂2000在Z向移动。考虑到部分大型表面的Z向尺寸较大，要求机器臂在Z向移动范围约等于待喷表面的Z向尺寸大小，如对飞机的筒体下表面喷漆时必须保证机械臂可达空间覆盖该区域。因此本专利中将Z向移动机构1300设计成二级Z向移动机构，这样既可以提高每一级Z向移动机构的刚度也可以避免设备在进出厂房时与空中三自由度移动机构1000本体发生干涉。

X向移动机构1100由1个X向移动桁架1101、1个桁架驱动电机1102、1组X向齿轮齿条机构1103、4个X向限位块1104、若干焊接吊杆1105、1对X向导向滑轨1106组成。其中桁架驱动电机1102选用防爆电机。X向移动桁架1101通过导向轮安装在1对X向导向滑轨1106上保留X向移动自由度，X向导向滑轨1106用螺钉固定在型钢上。桁架驱动电机1102通过螺钉安装在X向移动桁架1101上，齿轮齿条副1103通过螺钉固定在X向移动桁架1101上，桁架驱动电机1102通过减速机与齿轮齿条副1103相连，用于驱动X向移动桁架1101移动。焊接吊杆1105连接X向移动机构1100与厂房钢结构，可根据实际情况力学分析得出其尺寸和数量。X向限位块1104通过螺钉固定在X向导向滑轨1106两侧，用于限制X向移动桁架1101的行程。

X向移动机构1100工作原理为：X向移动桁架1101通过平行的导向滑轨1106约束后保留X向移动自由度，桁架驱动电机1102通过齿轮齿条机构1103传动将动力传递给移动桁架1101，驱动其往复运动。根据实际的程序指令控制电机的输出功率实现对X向移动机构1100运动速度的控制。在程序控制X向移动桁架1101运动时，还需要指定其每一时刻移动的位移保证精确定位，所以，通过选取X向导向滑轨1106的一端为定位原点就可以表示出移动桁架1101任意时刻所处位置的坐标值，实现精准定位。

Y向移动机构1200由1个Y向驱动电机1201、1个Y向移动框架1202、1对Y向导向滑轨1203、1组Y向齿轮齿条机构1204和4个Y向限位块1205组成。其中Y向驱动电机1201选用防爆电机。Y向齿轮齿条机构1204和Y向导向滑轨1203通过螺钉安装在X向移动桁架1101上。Y向移动框架1202通过导向轮安装在Y向导向滑轨1203上，保留Y向移动自由度。Y向驱动电机1201固定在Y向移动框架1202上，通过减速机与齿轮齿条机构1204连接，驱动Y向移动框架1202移动。Y向限位块1205安装在X向移动桁架1101上，用螺钉安装在Y向导向滑轨1203两侧，用于限制Y向移动框架1202行程。

Y向移动机构1200工作原理为：Y向移动框架1202通过平行的导向滑轨1203约束后保留Y向移动自由度，Y向驱动电机1201通过齿轮齿条机构1204传动将动力传递给移动框架1202，驱动其往复运动。根据实际的程序指令控制电机的输出功率实现对Y向移动机构1200运动速度的控制。在程序控制Y向移动框架1202运动时，还需要指定其每一时刻移动的位移保证精确定位，所以，通过选取Y向导向滑轨1203的一端为定位原点就可以表示出Y向移动框架1202任意时刻所处位置的坐标值，实现精准定位。

Z向移动机构1300设计成二级Z向移动机构，这样既可以提高每一级Z向移动机构的刚度也可以避免设备在进出厂房时与空中三自由度移动机构1000发生干涉。其中第一级Z向移动机构由1个Z向移动框架1301、1个一级Z向驱动电机1302、1组一级Z向齿轮齿条机构1303、1对一级Z向导向滑轨1304、4个二级Z向移动机构限位块1305组成。一级Z向齿轮齿条机构1303、一级Z向导向滑轨1304和二级Z向移动机构限位块1305安装在Y向移动框架1202上。Z向移动框架1301与一级Z向导向滑轨1304相连保留Z向移动自由度。一级Z向驱动电机1302安装在Z向移动框架1301上通过减速机与齿轮齿条副相连，驱动第一级Z向移动机构移动。二级Z向移动机构限位块1305限制第二级Z向移动机构行程；其中一级Z向驱动电机1302选用防爆电机。一级Z向齿轮齿条机构1303、一级Z向导向滑轨1304和二级Z向移动机构限位块1305用螺钉安装在Y向移动框架1202上，其中二级Z向移动机构限位块1305固定在一级Z向导向滑轨1304两侧限制第二级Z向移动机构行程。Z向移动框架1301与一级Z向导向滑轨1304相连保留Z向移动自由度。一级Z向驱动电机1302安装在Z向移动框架1301上通过减速机与齿轮齿条副相连，驱动第一级Z向移动机构移动。

第二级Z向移动机构由1个Z向移动机械臂平台1306、1个二级Z向驱动电机1307、1组二级Z向齿轮齿条机构1308、1对二级Z向导向滑轨1309、4个机械臂平台限位块1310组成，其中二级Z向驱动电机1307选用防爆电机。二级Z向齿轮齿条机构1308、二级Z向导向滑轨1309和机械臂平台限位块1310安装在Z向移动框架1301上，其中机械臂平台限位块1310固定在二级Z向导向滑轨1309两侧限制Z向移动机械臂平台1306行程。Z向移动机械臂平台1306与二级Z向导向滑轨1309相连保留Z向移动自由度。二级Z向驱动电机1307安装在Z向移动机械臂平台1306上通过减速机与齿轮齿条副相连，驱动第二级Z向移动机构移动。每一级Z向移动机构工作原理相同并且和X向与Y向移动机构的工作原理和方法类似。每一级Z向移动框架通过平行的导向滑轨约束后保留Z向移动自由度，每一级驱动电机通过齿轮齿条机构传动将动力传递给每一级移动框架，驱动其往复运动。根据实际的程序指令控制电机的输出功率实现对每一级Z向移动机构运动速度的控制。在程序控制每一级移动框架运动时，还需要指定其每一时刻移动的位移保证精确定位，所以，通过选取导向滑轨的一端为定位原点就可以表示出每一级移动框架任意时刻所处位置的坐标值，实现精准定位。

结合图7、8、9、10、11，喷涂机械臂2000由1个一轴驱动电机2001、1个第一旋转轴2002、1个二轴驱动电机2003、1个第二旋转轴2004、1个三轴驱动电机2005、1个第三旋转轴2006、8个四轴柔索驱动电机模组2007、8根四轴驱动柔索2008、若干四轴驱动柔索导向滑轮2009、1个第四机械轴2010、1个五轴柔索驱动电机模组2011、若干五轴驱动柔索导向滑轮2012、1根五轴驱动柔索2013、1根五轴复位弹簧2014、1个带槽柔索导向回转盘2015、1个第五旋转轴2016组成。其中一轴驱动电机2001、二轴驱动电机2003和三轴驱动电机2005均为转子与减速机一体式电机。除了第四机械轴2010有旋转和移动两个自由度其余四个旋转轴均具有1个旋转自由度，因此喷涂机械臂2000在空间中总共有6个运动自由度。

第一旋转轴2002和一轴驱动电机2001安装在Z向移动机械臂平台1306上，一轴驱动电机2001通过减速机与第一旋转轴2002相连驱动其旋转。第二旋转轴2004与第一旋转轴2002通过旋转副连接，二轴驱动电机2003经过减速机驱动第二旋转轴2004旋转。第三旋转轴2006与第二旋转轴2004通过旋转副连接，三轴驱动电机2005经过减速机驱动第三旋转轴2006旋转。喷涂机械臂2000的前三个旋转轴的工作原理相同，电机经过减速机减速和放大扭矩后驱动关节旋转，程序指令可以控制电机的输出功率来调节关节速率和加速度，每一个旋转轴的关节角度通过编码器测量，从而实现关节的精准定位。

第三旋转轴2006为套筒式结构，第四机械轴2010与第三旋转轴2006之间构成圆柱副，可以有旋转和移动两个自由度。在第四机械轴2010一端连接8根四轴驱动柔索2008，通过四轴驱动柔索导向滑轮2009导向后分别与8个四轴柔索驱动电机模组2007相连，构成一个柔索并联机构。第四机械轴2010的导向移动通过其外侧的柔索并联驱动机构驱动，所述第四机械轴2010的前端安装有第五旋转轴2016，所述第五旋转轴2016的转动通过其后端的五轴柔索电机2012驱动，所述的一轴驱动电机2001、二轴驱动电机2003和三轴驱动电机2005均为转子与减速机一体式电机。

所述的柔索并联驱动机构包括有嵌装在第三旋转轴2006套筒内的固定座2021，固定座2021与旋转座2022固定连接，固定座2022的前方设置有位于套筒内中部的导板2023，第三旋转轴2006的前端端部安装有导向座2024，所述导板2023与导向座2024之间的第三旋转轴2006套管内导向安装有第四机械轴2010，第四机械轴2010的前端部伸出导向座2024，后端部安装有驱动第四机械轴2010在第三旋转轴2006套筒内移动的驱动块2025，驱动块2025的导向移动通过四轴驱动柔索2008驱动，所述驱动柔索包括有两组，每组四根分别为安装在驱动块前端部的驱动柔索组一和安装在驱动块后端部的驱动柔索组二，所述导向座和第三旋转轴2006套筒上分别安装有供驱动柔索组一和驱动柔索组二导向的导向滑轮2009，所述驱动柔索组一和驱动柔索组二分别由对应的四轴柔索驱动电机模组2007驱动，所述四轴柔索驱动电机模组2007分别对应安装在固定座2021上。所述的四轴柔索驱动电机模组2007分别包括有固定导向壳2026，所述固定导向壳2026内转动安装有丝杆2027，所述丝杆2027上导向安装有滑块2028，所述驱动柔索组一和驱动柔索组二的一端另分别安装在滑块2028上，另一端分别安装在驱动块2025的前端部和后端部，所述丝杆2027的转动分别由其端部的电机驱动。

所述的第四机械轴的前端端部处设有安装耳2029，所述安装耳2029上转动安装有转轴五2030，转轴五2030的前端端部设有用于固定喷枪的固定安装座，所述转轴五2030的转动由其中部的导向回转盘2015带动，所述导向回转盘2015的转动由其后方的绳索机构驱动，所述绳索机构包括有五轴驱动柔索2013，所述五轴驱动柔索2013通过其后端的五轴柔索驱动电机模组2011带动，第四机械轴2010的前端部设有凹槽，所述凹槽内卡装有五轴柔索驱动电机模组2011，所述五轴柔索驱动电机模组2011包括有固定导向壳，所述固定导向壳内转动安装有丝杆，所述丝杆上导向安装有滑块，所述五轴驱动柔索的一端固定连接有五轴复位弹簧，所述五轴复位弹簧通过安装板安装在第四机械轴上，所述五轴驱动柔索的另一端固定连接在滑块上。

由上可知：四轴柔索驱动电机模组2007是一个电机与丝杠滑块集成的一个模组，电机经过减速机驱动丝杠旋转，使光杆导向的滑块往复移动，从而驱动四轴驱动柔索2008伸缩实现对第四机械轴2010相对于第三旋转轴2006的旋转和移动的控制。程序通过控制每一个四轴柔索驱动电机模组2007的电机旋转参数调节每一个对应的驱动柔索2008的伸缩量，从而控制第四机械轴的运动状态以及相应的运动参数。在第四机械轴2010另一端加工出凹槽用来安装五轴柔索驱动电机模组2011、五轴驱动柔索导向滑轮2012和五轴复位弹簧2014，五轴驱动柔索2013经过导向滑轮2012导向后缠绕在带槽柔索导向回转盘2015槽中，并与五轴复位弹簧2014相连。五轴柔索驱动电机模组2011结构和原理与四轴柔索驱动电机模组2007相同。电机经过减速机驱动丝杠旋转，使光杆导向的滑块往复移动，牵引五轴驱动柔索2013伸缩，从而驱动第五旋转轴2016沿一个方向旋转一定角度，当五轴柔索驱动电机模组2011电机反转时复位弹簧2014储存的弹性力驱动第五旋转轴2016沿相反方向旋转。

由于喷涂作业需要将涂料和漆料雾化，涂料和漆料都为易燃化学物质组成，雾化后的涂料和漆料与空气混合就形成了一个易燃环境，如果遇到高温或电火花就可能会引燃空气中雾化的涂料和漆料并且一瞬间释放大量的热能造成重大事故甚至发生爆炸，因此，必须对易燃易爆环境中的电气设备做好防爆处理。本发明的机器人为喷涂机器人，工作在易燃易爆环境中，所以必须对机器人做防爆处理。下面详细介绍本发明机器人的防爆措施。

对于空中三自由度移动机构1000来说，可能产生电火花的设备包含桁架驱动电机1102、Y向驱动电机1201、一级Z向驱动电机1302和二级Z向驱动电机1307。为了避免产生的电火花引燃空气中雾化的涂料和漆料，我们将这些电机选为防爆电机，防爆电机的隔爆外壳把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开。但是,这种外壳并非是密封的,周围的爆炸性气体混合物可以通过外壳的各部分接合面间隙进入电机内部。当与外壳内的火花、电弧、危险高温等引燃源接触时就可能发生爆炸,这时电机的隔爆外壳不仅不会损坏或变形,而且爆炸火焰或炽热气体通过接合面间隙传出时,也不能引燃周围的爆炸性气体混合物。对于喷涂机械臂2000来说，可能产生电火花的设备包含一轴驱动电机2001、二轴驱动电机2003、三轴驱动电机2005、四轴柔索驱动电机模组2007和五轴柔索驱动电机模组2011。因为喷涂机器臂2000结构紧凑，所以将这些电机安装在喷涂机器臂2000的相应旋转轴的内腔中，从而把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开。其中一轴驱动电机2001、二轴驱动电机2003和三轴驱动电机2005均选用转子和减速机一体化电机，结构更加紧凑。将这些电机安装在相应旋转轴的内腔中，用金属外壳密封，从而把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开，达到防爆的目的。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：包括有空中三自由度移动机构和喷涂机械臂两个部分，所述空中三自由度移动机构包括有X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构，所述X向移动机构的X向移动桁架两端导向移动在X向导向滑轨上，所述X向导向滑轨通过吊装组件与厂房钢结构相连固定，所述Y向移动机构通过Y向移动框架上端的导向组件导向安装在X向移动机构的X向移动桁架上，所述Z向移动机构的Z向移动机械臂平台导向安装在Y向移动机构的Y向移动框架上，所述喷涂机械臂的底座安装在空中三自由度移动机构的Z向移动机械臂平台上，所述空中三自由度移动机构驱动喷涂机械臂在空间实现三个方向的平移运动。

2.根据权利要求1所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的X向移动机构包括有X向移动桁架，所述X向移动桁架的两端分别设有导向轮，所述导向轮在对应侧的X向导向滑轨上导向移动，其移动通过其一侧的齿轮齿条机构驱动，所述齿轮齿条机构包括有铺设在一侧X向导向滑轨上的齿条，其对应侧的X向移动桁架的底端安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与桁架驱动电机的减速机驱动，所述桁架驱动电机固定安装在X向移动桁架上。

3.根据权利要求1所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述吊装组件包括有吊杆，所述X向导向滑轨的长度方向上焊接有多个间隔设置的吊杆，所述吊杆分别通过螺栓双螺母与厂房钢结构连接固定，所述X向导向滑轨的上端面两端分别设有X向限位块。

4.根据权利要求1所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的导向组件包括有设置Y向移动框架上端部的导向座，以及铺设在X向移动桁架上的Y向导向滑轨，所述Y向移动框架通过导向座与Y向导向滑轨连接，所述导向座上安装有与Y向导向滑轨导向配合的导向轮，且导向座的移动通过Y向齿轮齿条机构，所述Y向齿轮齿条机构包括有铺设在Y向导向滑轨的一侧的齿条，所述导向座上安装有齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与Y向驱动电机的减速机驱动，所述Y向驱动电机固定安装在Y向移动框架上，所述Y向导向滑轨两端部对应的X向移动桁架上安装有Y向限位块。

5.根据权利要求1所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的Z向移动机构包括有铺设在Y向移动框架上的Z向导向滑轨，所述Z向移动机械臂平台通过导向轮在Z向导向滑轨导向移动，其移动通过Z向齿轮齿条机构驱动，所述Z向齿轮齿条机构包括有铺设在Z向导向滑轨一侧的齿条，所述Z向移动机械臂平台上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与Z向驱动电机的减速机驱动，所述Z向驱动电机固定安装在Z向移动框架上，所述Z向导向滑轨两端部对应的Y向移动框架上安装有Z向移动机械臂平台限位块。

6.根据权利要求1所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的Z向移动机构包括有一级Z向移动机构和二级Z向移动机构，所述一级Z向移动机构的一级Z向导向滑轨铺设在Y向移动框架上，所述一级Z向导向滑轨一侧铺设有齿条，所述一级Z向移动框架上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与一级Z向驱动电机的减速机驱动，所述Z向驱动电机固定安装在一级Z向移动框架上，所述一级Z向导向滑轨两端部对应的Y向移动桁架上安装有二级Z向限位块；所述二级Z向移动机构的二级Z向导向滑轨铺设在一级Z向移动框架上，所述二级Z向导向滑轨一侧铺设有齿条，所述Z向移动机械臂平台上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过与二级Z向驱动电机的减速机驱动，所述二级Z向驱动电机固定安装在Z向移动机械臂平台上，所述二级Z向导向滑轨两端部对应的一级Z向移动框架上安装有Z向移动机械臂平台限位块。

7.根据权利要求1所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的喷涂机械臂包括有转动安装在Z向移动机械臂平台上且垂直于Z向移动机械臂平台的第一旋转轴，第一旋转轴的转动由其后端部的一轴驱动电机驱动，所述第一旋转轴的端面上安装有固定支座，所述固定支座上通过转轴二转动安装有第二旋转轴，所述第二旋转轴的转动由转轴二后端的二轴电机驱动，所述第二旋转轴的另一端设有固定耳座，所述固定耳座上通过转轴三转动安装有旋转座，所述旋转座上固定安装有第三旋转轴，所述第三旋转轴的转动通过三轴电机驱动旋转座后端的转轴带动，所述的第三旋转轴为套筒式结构，其内套接有与其导向配合的第四机械轴，所述第四机械轴的导向移动通过其外侧的柔索并联驱动机构驱动，所述第四机械轴的前端安装有第五旋转轴，所述第五旋转轴的转动通过其后端的五轴柔索电机驱动，所述的一轴驱动电机、二轴驱动电机和三轴驱动电机均为转子与减速机一体式电机。

8.根据权利要求7所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的柔索并联驱动机构包括有嵌装在第三旋转轴套筒内的固定座，所述固定座与旋转座固定连接，所述固定座的前方设置有位于套筒内中部的导板，所述第三旋转轴的前端端部安装有导向座，所述导板与导向座之间的第三旋转轴套管内导向安装有第四机械轴，所述第四机械轴的前端部伸出导向座，后端部安装有驱动第四机械轴在第三旋转轴套筒内移动的驱动块，所述驱动块的导向移动通过驱动柔索驱动，所述驱动柔索包括有两组，每组四根分别为安装在驱动块前端部的驱动柔索组一和安装在驱动块后端部的驱动柔索组二，所述导向座和第三旋转轴套筒上分别安装有供驱动柔索组一和驱动柔索组二导向的导向滑轮，所述驱动柔索组一和驱动柔索组二分别由对应的柔索驱动电机模组驱动，所述柔索驱动电机模组分别对应安装在固定座上。

9.根据权利要求8所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的柔索驱动电机模组分别包括有固定导向壳，所述固定导向壳内转动安装有丝杆，所述丝杆上导向安装有滑块，所述驱动柔索组一和驱动柔索组二的一端另分别安装在滑块上，另一端分别安装在驱动块的前端部和后端部，所述丝杆的转动分别由其端部的电机驱动。

10.根据权利要求7所述的联动喷涂大型表面结构的混联机器人，其特征在于：所述的第四机械轴的前端端部处设有安装耳，所述安装耳上转动安装有转轴五，所述转轴五的前端端部设有用于固定喷枪的固定安装座，所述转轴五的转动由其中部的导向回转盘带动，所述导向回转盘的转动由其后方的绳索机构驱动，所述绳索机构包括有五轴驱动柔索，所述五轴驱动柔索通过其后端的五轴柔索驱动电机模组带动，所述第四机械轴的前端部设有凹槽，所述凹槽内卡装有五轴柔索驱动电机模组，所述五轴柔索驱动电机模组包括有固定导向壳，所述固定导向壳内转动安装有丝杆，所述丝杆上导向安装有滑块，所述五轴驱动柔索的一端固定连接有五轴复位弹簧，所述五轴复位弹簧通过安装板安装在第四机械轴上，所述五轴驱动柔索的另一端固定连接在滑块上。

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