基於平面三自由度並聯機構的組合噴塗機器人的製作方法
2023-08-13 15:57:31
專利名稱：基於平面三自由度並聯機構的組合噴塗機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械製造領域，具體涉及一種能夠應用於汽車整車噴塗的模塊化組合 噴塗機器人。
背景技術：
隨著現代汽車工業的迅速發展，汽車型號和車體設計的不斷調整，國內汽車生產 正在向大規模、高質量和低成本的方向發展，汽車車身噴塗是汽車製造中最主要的生產工 藝之一，它不僅能夠提高汽車產品的耐蝕性，延長汽車使用壽命，它還最直接地體現了汽車 外表面顏色、光澤和亮度質量的優劣，是人們對汽車質量最直觀的評價，所以它對汽車市場 競爭力的有著最直接的影響。在此背景下，傳統的手工噴塗已經無法滿足大多數整車廠車 身塗裝的要求，噴塗技術一步步的從手工噴塗、半自動噴槍噴塗發展到了如今的機器人自 動噴塗，只有採用機器人才能適應這種頻繁變化的生產要求。機器人的作用是控制噴槍，使 之在噴塗過程中與噴塗表面保持正確的角度和恆定的距離。到目前為止，噴塗機器人已成 為國內市場上運用最多的工業機器人之一。噴塗機器人成為汽車工業噴塗生產線和首選設備，然而由於我國工業機器人技術 的局限，自主研發的噴塗機器人往往存在精度不夠，控制能力低下的缺點，目前我國大多數 汽車塗裝生產線仍然在採用自動噴塗機設備，少數企業所採用的自動噴塗機器人大部分都 是來自國外的設備製造商，成套引進這些設備不僅價格昂貴，而且維護成本高，一旦設備出 現故障，維修周期較長，更甚者有可能在維修期間導致整條生產線的停產，造成企業巨大的 資源浪費和財產損失，因此實現自動靜電塗裝設備的國產化，提高對噴塗機器人的研究水 平，打破國外廠商的技術壟斷成為當前亟需解決的問題，這對於我國機器人產業以及汽車 產業具有重大意義。通過調研發現，現已應用的傳統噴塗機器人都是採用仿人手臂的串聯機器人，通 過對運動軌跡的合理規劃完成自動化噴塗作業。但由於我國製造業整體技術水平的限制， 至今未能對串聯機器人的精度不高問題做出實質性的突破，串聯式噴塗機器人的控制相對 較複雜，而且這種串聯式機器人由於結構形式單一，很難取得智慧財產權突破。並聯機構是由多個支鏈構成的閉環機構，相對於傳統的串聯機構具有以下優點 結構簡單緊湊、剛度高、單位重量上承載能力大、無誤差積累、運動部件質量小、易於實現高 速運動，軌跡易於控制等優點。這些優點在一定程度上彌補了串聯機構的不足。
發明內容
為了解決上述問題，本發明設計出一種方便製造、易於控制的基於平面三自由度 並聯機構的模塊化組合噴塗機器人，該組合機器人同時擁有並聯機構和串聯機構的優點， 更能適應汽車整車噴塗作業任務。本發明提供一種基於平面三自由度並聯機構的組合噴塗機器人，其包括一個龍門 機架和四個噴塗作業模塊單元，所述噴塗作業模塊單元均由安裝在龍門機架上的平面三自由度並聯機器人構成，所述噴塗作業模塊單元包括第一噴塗作業模塊、第二噴塗作業模塊、 第三噴塗作業模塊及第四噴塗作業模塊，所述第一噴塗作業模塊和第二噴塗作業模塊結構 相同，分別對稱安裝在龍門機架的兩個立柱上；所述第三噴塗作業模塊和第四噴塗作業模 塊結構相同，分別固接在各自的運動滑塊上，所述運動滑塊和龍門機架的上橫梁通過移動 副連接，可以實現在上橫梁導軌上往復水平移動，所述龍門機架可在水平導軌上實現水平 移動，通過將龍門機架的水平運動與所述噴塗作業模塊單元的運動相結合，可控制各個噴 塗模塊單元的噴頭的位姿，從而完成對整個待噴塗零件的噴塗作業。本發明所述的組合噴塗機器人，其中第一噴塗作業模塊和第二噴塗作業模塊均是 三自由度並聯機器人，均具有機架、動平臺支架和連接機架和動平臺支架之間的左支鏈和 右支鏈、以及連接右支鏈和動平臺支架之間的轉動支鏈，所述的左支鏈和右支鏈結構對稱， 其中左支鏈包括左連杆、左滑塊及第一運動副組，所述的第一運動副組由三個運動副組成 連接機架和左滑塊之間的轉動副、連接左滑塊和左連杆之間的移動副、連接左連杆和動平 臺支架之間的轉動副；右支鏈包括右連杆、右滑塊及第二運動副組，所述第二運動副組由三 個運動副組成連接機架和右滑塊之間的轉動副、連接右滑塊和右連杆之間的移動副、連接 右連杆和動平臺支架之間的轉動副，所述轉動支鏈包括轉動滑塊、轉動連杆及第三運動副 組，所述第三運動副組由三個運動副組成連接轉動滑塊和右支鏈中的右連杆之間的轉動 副、連接轉動滑塊和轉動連杆之間的移動副、連接轉動連杆和動平臺支架之間的轉動副。本發明所述的組合噴塗機器人，其中左支鏈和右支鏈控制安裝側面霧化噴頭的動 平臺支架的位置以實現其兩個移動自由度，轉動支鏈控制安裝側面霧化噴頭的動平臺支架 的姿態以實現其一個轉動自由度。本發明所述的組合噴塗機器人，其中第三噴塗作業模塊和第四噴塗作業模塊均是 三自由度並聯機器人，均具有運動機架、動平臺、連接運動機架和動平臺之間的移動左支鏈 和移動右支鏈、連接移動左支鏈和鉸接塊之間的轉動左支鏈、連接移動右支鏈和鉸接塊之 間的轉動右支鏈，所述的移動左支鏈包括移動左滑塊、移動左連杆及運動副組I，所述的運 動副組I由三個運動副組成連接移動左滑塊和運動機架之間的轉動副、連接移動左滑塊 和移動左連杆之間的移動副、連接移動左連杆和動平臺之間的轉動副；所述的移動右支鏈 包括移動右滑塊、移動右連杆及運動副組II，所述的運動副組II由三個運動副組成連接 移動右滑塊和運動機架之間的轉動副，連接移動右滑塊和移動右連杆之間的移動副，連接 移動右連杆和動平臺之間的轉動副，所述的轉動左支鏈包括轉動左滑塊、轉動左連杆及運 動副組III，所述的運動副組III由三個運動副組成連接轉動左滑塊和移動左連杆之間的 轉動副、連接轉動左滑塊和轉動左連杆之間的移動副、連接轉動左連杆和鉸接塊之間的轉 動副；所述的轉動右支鏈包括轉動右滑塊、轉動右連杆及運動副組IV，所述的運動副組IV 由三個運動副組成連接轉動右滑塊和移動右連杆之間的轉動副、連接轉動右滑塊和轉動 右連杆之間的移動副、連接轉動右連杆和鉸接塊之間的轉動副。本發明中的動平臺和鉸接塊之間通過移動副連接，上部霧化噴頭安裝在動平臺 上，移動左支鏈和移動右支鏈控制動平臺的位置實現其兩個移動自由度，轉動左支鏈和轉 動右支鏈控制動平臺的姿態以實現其一個轉動自由度。本發明中的四個噴塗作業模塊在結構上可以完全相同。本發明所述的組合噴塗機器人，可用於汽車整車的噴塗作業。
本發明中提到基於平面三自由度並聯機構的組合噴塗機器人有如下優點(1)結 構對稱，易於製造，成本較低，更容易實現模塊化加工；(2)其速度快、靈活性好；(3)相對於 串聯機構更容易控制，噴塗精度易於保證；(4)工作空間大，在導軌上可實現大範圍移動； (5)柔性程度高，可適應不同汽車整車的噴塗作業環境，更可以根據需要增加噴塗作業單元 模塊。
圖1為本發明實施例1的結構示意圖；圖2為本發明實施例1的第三、第四噴塗作業模塊示意圖；圖3為本發明實施例1的第一、第二噴塗作業模塊示意圖；圖中，①-第一噴塗作業模塊、②-第四噴塗作業模塊、③_第三噴塗作業模塊、 ④_第二噴塗作業模塊、15-底板、16-水平導軌、17-龍門機架、18-第三噴塗作業模塊運 動滑塊、19-上橫梁導軌、110-第四噴塗作業模塊運動滑塊、111-待噴塗汽車、112-水平導 軌；21-動平臺、22-轉動右滑塊、23-轉動右連杆、24-移動右滑塊、25-移動右連杆、26-運 動機架、27-移動左滑塊、28-移動左連杆、29-轉動左連杆、210-轉動左滑塊、211-鉸接塊、 212-上部霧化噴頭；31-動平臺支架、32-轉動連杆、33-轉動滑塊、34-右連杆、35-右滑塊、 36-機架、37-左滑塊、38-左連杆、39-側面霧化噴頭。
具體實施例方式本發明提出的基於平面並聯機構的模塊化組合汽車整機噴塗機器人，結合附圖 1-3及實施例詳細說明如下如圖1所示，是一種對汽車整車完成自動噴塗作業的組合噴塗機器人，其包括一 個龍門機架17和四個噴塗作業模塊單元。所述的噴塗作業模塊分別是第一噴塗作業模塊 ①、第四噴塗作業模塊②、第三噴塗作業模塊③、第二噴塗作業模塊④，這四個噴塗作業模 塊單元均是平面三自由度並聯機器人。其中，第一噴塗作業模塊①和第二噴塗作業模塊④ 結構完全相同，分別對稱安裝在龍門機架17的兩個立柱上；所述的第三噴塗作業模塊③和 第四噴塗作業模塊②結構也完全相同，分別固定連接在第三噴塗作業模塊運動滑塊18和 第四噴塗作業模塊運動滑塊110上，所述的運動滑塊18、110分別和龍門機架17的上橫梁 導軌19通過移動副連接，就可以實現在上橫梁導軌19上的水平移動。該龍門機架17是可 移動的，其可以在水平導軌16、112上實現大範圍的水平移動。通過將龍門機架17的水平 運動與四個噴塗作業模塊單元的運動相結合，可控制各個噴塗模塊單元的噴頭的位姿，完 成對待噴塗汽車111的整車噴塗作業。 如圖2所示，第三噴塗作業模塊③和第四噴塗作業模塊②結構完全相同，都是平 面三自由度並聯機器人，均包括運動機架26、動平臺21和連接運動機架26和動平臺21之 間的對稱的移動左支鏈和移動右支鏈、以及連接移動左支鏈和鉸接塊之間的轉動左支鏈， 連接移動右支鏈和鉸接塊之間的轉動右支鏈。所述的移動左支鏈包括移動左滑塊27、移 動左連杆28及運動副組I，所述的運動副組I由三個運動副組成連接移動左滑塊27和運 動機架26之間的轉動副，連接移動左滑塊27和移動左連杆28之間的移動副，連接移動左 連杆28和動平臺21之間的轉動副；所述的移動右支鏈包括移動右滑塊24、移動右連杆25及運動副組II，所述的運動副組II由三個運動副組成連接移動右滑塊24和運動機架 26之間的轉動副，連接移動右滑塊24和移動右連杆25之間的移動副，連接移動右連杆25 和動平臺21之間的轉動副。所述的轉動左支鏈包括轉動左滑塊210、轉動左連杆29、及 運動副組III，所述的運動副組III由三個運動副組成連接轉動左滑塊210和移動左連杆 28之間的轉動副，連接轉動左滑塊210和轉動左連杆29之間的移動副，連接轉動左連杆29 和鉸接塊211之間的轉動副；所述的轉動右支鏈包括轉動右滑塊22、轉動右連杆23、及運 動副組IV，所述的運動副組IV由三個運動副組成連接轉動右滑塊22和移動右連杆25之 間的轉動副，連接轉動右滑塊22和轉動右連杆23之間的移動副，連接轉動右連杆23和鉸 接塊211之間的轉動副。其中動平臺21和鉸接塊211之間通過移動副連接，上部霧化噴頭 212安裝在動平臺21上。由上述的運動機架26、動平臺21和移動左、右支鏈、轉動左、右支 鏈一起構成第一組平面三自由度並聯機器人，其中移動左支鏈和移動右支鏈控制動平臺21 的位置(兩個移動自由度)，轉動左、右支鏈控制動平臺21的姿態(一個轉動自由度)。如圖3所示，第一噴塗作業模塊①和第二噴塗作業模塊④結構完全相同，均是平 面三自由度並聯機器人，均包括機架36、動平臺支架31和連接機架36和動平臺支架31之 間的左支鏈和右支鏈、以及連接右支鏈和動平臺支架31之間的轉動支鏈。所述的左支鏈、 右支鏈結構對稱，其中左支鏈包括左連杆38、左滑塊37、及第一運動副組，所述的第一運 動副組由三個運動副組成連接機架36和左滑塊37之間的轉動副，連接左滑塊37和左連 杆38之間的移動副、連接左連杆38和動平臺支架31之間的轉動副；右支鏈包括右連杆 34、右滑塊35及第二運動副組，所述的第二運動副組由三個運動副組成連接機架36和右 滑塊35之間的轉動副，連接右滑塊35和右連杆34之間的移動副、連接右連杆34和動平臺 支架31之間的轉動副。所述的轉動支鏈包括轉動滑塊33、轉動連杆32、及第三運動副組， 所述第三運動副組由三個運動副組成連接轉動滑塊33和右支鏈中的右連杆34之間的轉 動副、連接轉動滑塊33和轉動連杆32之間的移動副、連接轉動連杆32和動平臺支架31之 間的轉動副。由上述機架36、動平臺支架31和左支鏈、右支鏈、轉動支鏈一起構成了第二組 平面三自由度並聯機器人，其中左、右支鏈控制安裝側面霧化噴頭39的動平臺支架31的位 置(兩個移動自由度)，轉動支鏈控制安裝側面霧化噴頭39的動平臺支架31的姿態(一個 轉動自由度)。工作時，待噴塗的汽車111通過拖鏈在底板15上勻速水平移動，安裝四個噴塗作 業模塊的龍門機架17在水平導軌112、16上往復運動。通過將龍門機架17的水平運動、和 四個對稱放置的噴塗作業模塊的機構運動相結合，可以完成對絕大多數的汽車整車的噴塗 作業。在本發明的另一實施例中，第一組平面三自由度機構和第二組平面三自由度機構 完全相同，即所述四個噴塗作業模塊的結構完全相同。在該實施例中，龍門機架上安裝了四個噴塗作業模塊，可以理解的是，本領域的技 術人員可在不超出本發明的條件下，適當調整噴塗作業模塊的數量，並對整體結構進行顯 而易見的替換或修改，來適應不同形狀和規格的待噴塗汽車的噴塗作業環境。
權利要求
一種基於平面三自由度並聯機構的組合噴塗機器人，其包括一個龍門機架和四個噴塗作業模塊單元，所述噴塗作業模塊單元均由安裝在龍門機架上的平面三自由度並聯機器人構成，所述噴塗作業模塊單元包括第一噴塗作業模塊、第二噴塗作業模塊、第三噴塗作業模塊及第四噴塗作業模塊，所述第一噴塗作業模塊和第二噴塗作業模塊結構相同，分別對稱安裝在龍門機架的兩個立柱上；所述第三噴塗作業模塊和第四噴塗作業模塊結構相同，分別固接在各自的運動滑塊上，所述運動滑塊和龍門機架的上橫梁通過移動副連接，可以實現在上橫梁導軌上往復水平移動，所述龍門機架可在水平導軌上實現水平移動，通過將龍門機架的水平運動與所述噴塗作業模塊單元的運動相結合，可控制各個噴塗模塊單元的噴頭的位姿，從而完成對整個待噴塗零件的噴塗作業。
2.如權利要求1所述的組合噴塗機器人，其中第一噴塗作業模塊和第二噴塗作業模塊 均是三自由度並聯機器人，均具有機架、動平臺支架和連接機架和動平臺支架之間的左支 鏈和右支鏈、以及連接右支鏈和動平臺支架之間的轉動支鏈，所述的左支鏈和右支鏈結構 對稱，其中左支鏈包括左連杆、左滑塊及第一運動副組，所述的第一運動副組由三個運動副 組成連接機架和左滑塊之間的轉動副、連接左滑塊和左連杆之間的移動副、連接左連杆和 動平臺支架之間的轉動副；右支鏈包括右連杆、右滑塊及第二運動副組，所述第二運動副組 由三個運動副組成連接機架和右滑塊之間的轉動副、連接右滑塊和右連杆之間的移動副、 連接右連杆和動平臺支架之間的轉動副，所述轉動支鏈包括轉動滑塊、轉動連杆及第三運 動副組，所述第三運動副組由三個運動副組成連接轉動滑塊和右支鏈中的右連杆之間的 轉動副、連接轉動滑塊和轉動連杆之間的移動副、連接轉動連杆和動平臺支架之間的轉動 副。
3.如權利要求2所述的組合噴塗機器人，其中左支鏈和右支鏈控制側面安裝霧化噴頭 的動平臺支架的位置以實現其兩個移動自由度，轉動支鏈控制安裝側面霧化噴頭的動平臺 支架的姿態以實現其一個轉動自由度。
4.如權利要求1所述的組合噴塗機器人，其中第三噴塗作業模塊和第四噴塗作業模塊 均是三自由度並聯機器人，均具有運動機架、動平臺、連接運動機架和動平臺之間的移動左 支鏈和移動右支鏈、連接移動左支鏈和鉸接塊之間的轉動左支鏈、連接移動右支鏈和鉸接 塊之間的轉動右支鏈，所述移動左支鏈包括移動左滑塊、移動左連杆及運動副組I，所述運 動副組I由三個運動副組成連接移動左滑塊和運動機架之間的轉動副、連接移動左滑塊 和移動左連杆之間的移動副、連接移動左連杆和動平臺之間的轉動副；所述移動右支鏈包 括移動右滑塊、移動右連杆及運動副組II，所述運動副組II由三個運動副組成連接移動 右滑塊和運動機架之間的轉動副、連接移動右滑塊和移動右連杆之間的移動副、連接移動 右連杆和動平臺之間的轉動副，所述轉動左支鏈包括轉動左滑塊、轉動左連杆及運動副組 III，所述運動副組III由三個運動副組成連接轉動左滑塊和移動左連杆之間的轉動副、 連接轉動左滑塊和轉動左連杆之間的移動副、連接轉動左連杆和鉸接塊之間的轉動副；所 述轉動右支鏈包括轉動右滑塊、轉動右連杆及運動副組IV，所述運動副組IV由三個運動副 組成連接轉動右滑塊和移動右連杆之間的轉動副、連接轉動右滑塊和轉動右連杆之間的 移動副、連接轉動右連杆和鉸接塊之間的轉動副。
5.如權利要求4所述的組合噴塗機器人，其中動平臺和鉸接塊之間通過移動副連接， 上部霧化噴頭安裝在動平臺上，移動左支鏈和移動右支鏈控制動平臺的位置實現其兩個移動自由度，轉動左支鏈和轉動右支鏈控制動平臺的姿態以實現其一個轉動自由度。
6.如權利要求1所述的組合噴塗機器人，其中四個噴塗作業模塊在結構上可以完全相同。
7.如權利要求1-6之一所述的組合噴塗機器人，可用於汽車整車的噴塗作業。
全文摘要
本發明涉及一種基於平面三自由度並聯機構的組合噴塗機器人，其包括一個龍門機架和四個噴塗作業模塊單元，所述噴塗作業模塊單元均由安裝在龍門機架上的平面三自由度並聯機器人構成，第一噴塗作業模塊和第二噴塗作業模塊結構相同，分別對稱安裝在龍門機架的兩個立柱上；第三噴塗作業模塊和第四噴塗作業模塊結構相同，分別固接在各自的運動滑塊上，所述運動滑塊和龍門機架的上橫梁通過移動副連接，可以實現在上橫梁導軌上往復水平移動，所述龍門機架可在水平導軌上實現水平移動，通過將龍門機架的水平運動與所述噴塗作業模塊單元的運動相結合，可控制各個噴塗模塊單元的噴頭的位姿，從而完成對整個待噴塗零件的噴塗作業。本發明中的組合噴塗機器人的結構對稱，靈活性好、精度和剛度高，易於製造，方便控制，容易實現模塊化，柔性程度高，並可對不同汽車整車進行噴塗作業。
文檔編號B05B13/04GK101966504SQ20101050759
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者仇洪根, 劉辛軍, 王立平, 謝福貴, 陳祥 申請人:江蘇長虹塗裝機械有限公司