專利名稱：基于空間和平面三自由度并聯機構的汽車噴涂混聯機器人的制作方法
技術領域：
基于空間和平面三自由度并聯機構的汽車噴涂混聯機器人技術領域[0001]本實用新型涉及機械制造領域，具體涉及一種能夠應用于汽車整車噴涂生產領 域的一種模塊化組合噴涂機器人。
背景技術：
[0002]隨著現代汽車工業(yè)的迅速發(fā)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(guī)模、高質量和低成本的方向發(fā)展，汽車車身噴涂是汽車制造中最主要的生 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(yōu)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(tǒng)的手工噴涂已經無法滿足 大多數整車廠車身涂裝的要求，噴涂技術一步步的從手工噴涂、半自動噴槍噴涂發(fā)展到 了如今的機器人自動噴涂，只有采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，使之在噴涂過程中與噴涂表面保持正確的角度和恒定的距離。到目 前為止，噴涂機器人已成為國內市場上運用最多的工業(yè)機器人之一。[0003]噴涂機器人有如下優(yōu)點[0004] 柔性大，工作范圍大，可現實多品種車型的混線生產，如轎車、旅行車、皮 卡等車身混線生產；[0005] 軌跡靈活，可完成車身噴涂任務，仿形噴涂軌跡精確，提高了涂膜的均勻 性，降低過噴涂量和清洗溶劑的用量，提高材料的利用率，對環(huán)境保護也起到了一定的 作用；[0006] 易操作和維護，可離線編程，大大縮短現場調試時間，模塊化的設計可實現 快速安裝和更換元器件，極大地縮短維修時間；[0007] 設備利用率高，往復式自動噴涂機利用率一般僅為40%-60%，而噴涂機器 人的利用率可達90% -95%。[0008]噴涂機器人已成為汽車工業(yè)噴涂生產線和首選設備，然而由于我國工業(yè)機器人 技術的局限，自主研發(fā)的噴涂機器人往往存在精度不夠，控制能力低下的缺點，目前我 國大多數汽車涂裝生產線仍然在采用自動噴涂機設備，少數企業(yè)所采用的自動噴涂機器 人大部分都是來自國外的設備制造商，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(yè)巨大的資源浪費和財產損失，因此實現自動靜電涂裝設備的國產化，提高 對噴涂機器人的研究水平，打破國外廠商的技術壟斷成為當前亟需解決的問題，這對于 我國機器人產業(yè)以及汽車產業(yè)具有重大意義。[0009]另外通過調研發(fā)現，現已應用的傳統(tǒng)噴涂機器人都是采用仿人手臂的串聯機器 人，通過對運動軌跡的合理規(guī)劃完成自動化噴涂作業(yè)。但由于我國制造業(yè)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，串聯式噴涂機器人 的控制相對較復雜，此外國外相關專利還對其在我國的應用進行了種種束縛，所以發(fā)明新型的噴涂作業(yè)機器人對我國的汽車工業(yè)而言是一個迫在眉睫的任務。[0010]而并、混聯機器人是由多個支鏈構成的閉環(huán)機構，相對于傳統(tǒng)的串聯機器人具 有以下優(yōu)點結構簡單緊湊、剛度高、無誤差積累、運動部件質量小、易于實現高速運 動、容易實現加工模塊化、運動學簡單、具有解耦或者部分解耦的特性，解耦運動對機 構的運動控制和軌跡規(guī)劃都有一定意義。這些優(yōu)點在一定程度上彌補了串聯機構的不 足。實用新型內容[0011]為了解決上述問題，本實用新型提出一種方便制造、易于控制的基于空間和平 面三自由度并聯機構的模塊化組合的汽車噴涂混聯機器人。該組合機器人擁有并、混聯 機構的優(yōu)點，更能適應汽車整車的噴涂作業(yè)任務，并可對不同形狀和規(guī)格的汽車整車進 行噴涂作業(yè)。[0012]本實用新型提出一種基于空間和平面三自由度并聯機構的汽車噴涂混聯機器 人，其包括一個龍門機架和四個噴涂作業(yè)模塊單元，所述噴涂作業(yè)模塊單元分別由具有 三個支鏈的空間三自由度并聯機器人和具有兩個支鏈的平面三自由度五桿組合機器人構 成，其中第一噴涂作業(yè)模塊和第四噴涂作業(yè)模塊結構相同，分別是對稱安裝在龍門機架 的兩個立柱導軌上的空間三自由度并聯機器人，該三自由度并聯機器人可以在立柱導軌 上往復移動，所述的立柱導軌可以豎直或傾斜放置；第二噴涂作業(yè)模塊和第三噴涂作 業(yè)模塊結構相同，分別是固接在各自的運動機架上的平面三自由度五桿組合機器人，所 述的平面三自由度五桿組合機器人由平面三自由度五桿并聯機構和同步帶機構兩部分組 成，所述運動機架和龍門機架的上橫梁通過移動副連接后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 所述噴涂作業(yè)模塊單元的運動相結合，可控制各個噴涂模塊單元的霧化器噴頭的位姿， 從而完成對待噴涂汽車的整車噴涂作業(yè)。[0013]根據本實用新型中所述的汽車噴涂混聯機器人，其中第一噴涂作業(yè)模塊和第四 噴涂作業(yè)模塊是結構完全相同的空間三自由度并聯機構，均包括圓形支架、第二動平 臺、連接圓形支架和第一動平臺之間的第一支鏈、第二支鏈和第三支鏈，三個支鏈的結 構完全相同并在布置上等分圓形支架的圓周；所述的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈分 別包括各自的滑塊、連桿以及運動副組，各個支鏈運動副組各有三個運動副一個是連 接于圓形支架和滑塊之間的轉動副、一個是連接于滑塊和連桿之間的移動副、一個是連 接于連桿和第一動平臺之間的球副，當三個連接于滑塊和連桿之間的移動副分別被驅動 時，可以實現安裝有第一霧化噴嘴的第一動平臺的一個移動自由度和兩個轉動自由度。[0014]根據本實用新型中所述的汽車噴涂混聯機器人，其中第二噴涂作業(yè)模塊和第三 噴涂作業(yè)模塊均是結構相同的平面三自由度五桿組合機器人，該平面三自由度五桿組合 機器人由平面五桿并聯機構和同步帶機構兩部分組成，該平面五桿并聯機構包括運動機 架、第二動平臺、連接運動機架和第二動平臺之間的左支鏈和右支鏈、電機驅動的同步 帶輪I、被動驅動的同步帶輪II、連接同步帶輪I和同步帶輪II之間的同步帶，其中左支 鏈包括連桿I、折彎連桿I、運動副組I;右支鏈包括連桿II、折彎連桿II、運動副組II， 運動副組I由三個運動副組成連接于連桿I和運動機架之間的轉動副、連接于連桿I和折彎連桿I之間的轉動副、連接于折彎連桿I和第二動平臺之間的轉動副；運動副組II由 三個運動副組成連接于連桿II和運動機架之間的轉動副、連接于連桿II和折彎連桿II 之間的轉動副、連接于折彎連桿II和第二動平臺之間的轉動副，運動副組I和運動副組II 中的轉動副均同軸，左支鏈和右支鏈中連接運動機架與連桿之間的轉動副分別是被驅動 的，折彎連桿I的折彎關節(jié)處安裝電機主動驅動的同步帶輪I，第二動平臺上安裝被動驅 動的同步帶輪II，兩者之間通過同步帶連接，所述的平面三自由度五桿并聯機構用來控 制安裝第二霧化器噴嘴的第二動平臺的位置以實現其兩個移動自由度，同步帶機構用來 控制安裝第二霧化器噴嘴的第二動平臺的姿態(tài)以實現其一個轉動自由度。[0015]本實用新型中提到的組合噴涂機器人有如下優(yōu)點(1)結構對稱，易于制造， 成本較低，更容易實現模塊化加工；( 其速度快、靈活性好；( 相對于串聯機構更容 易控制，噴涂精度易于保證；(4)工作空間大，在導軌上可實現大范圍移動；(5)柔性程 度高，可適應不同汽車整車的噴涂作業(yè)環(huán)境，更可以根據需要增加噴涂作業(yè)單元模塊。


[0016]圖1為本實用新型整體構造結構的三維視圖；[0017]圖2為本實用新型第一、第四噴涂作業(yè)模塊機構示意圖；[0018]圖3為本實用新型第二、第三噴涂作業(yè)模塊機構示意圖。[0019]圖1中，①-第一噴涂作業(yè)模塊、②-第二噴涂作業(yè)模塊、③-第三噴涂作業(yè)模 塊、④-第四噴涂作業(yè)模塊、15-底板、16-水平導軌、17-立柱導軌、18-第三噴涂作業(yè) 模塊運動機架、19-上橫梁導軌、110-第二噴涂作業(yè)模塊運動機架、111-待噴涂汽車、 112-水平導軌；[0020]圖2中，21-第一連桿、22-第一滑塊、23-圓形支架、24-第二連桿、25-第二 滑塊、26-第一動平臺、27-第三滑塊、28-第三連桿；[0021]圖3中，31-運動機架、32-連桿I、33-折彎連桿I、34-同步帶輪I、35-同步 帶、36-同步帶輪II、37-第二動平臺、38-折彎連桿II、39-連桿II ；具體實施方式
[0022]本實用新型提出的模塊化組合的汽車噴涂混聯機器人，結合附圖1-3及實施例 詳細說明如下[0023]如圖1所示，本實用新型所述的可對汽車整車完成自動噴涂作業(yè)的汽車噴涂混 聯機器人，包括一個龍門機架和四個噴涂作業(yè)模塊單元。所述的噴涂作業(yè)模塊分別是 第一噴涂作業(yè)模塊①、第二噴涂作業(yè)模塊②、第三噴涂作業(yè)模塊③、第四噴涂作業(yè)模塊 ④，均是并聯機器人。其中，第一噴涂作業(yè)模塊①和第四噴涂作業(yè)模塊④結構完全相 同，分別是對稱安裝在龍門機架的兩個立柱導軌17上的空間并聯機器人，該并聯機器人 可以在立柱導軌17上往復移動，所述的立柱導軌17可以是豎直或任意角度傾斜放置；所 述的第二噴涂作業(yè)模塊②和第三噴涂作業(yè)模塊③結構也完全相同，分別固接在第三噴涂 作業(yè)模塊運動滑塊18和第二噴涂作業(yè)模塊運動滑塊110上，運動滑塊和龍門機架的上橫 梁導軌19通過移動副連接，可以實現在上橫梁導軌19上的水平移動。該龍門機架是移 動的，可以在水平導軌16、112上實現大范圍的水平移動。通過將龍門機架的水平運動與四個噴涂作業(yè)模塊單元的運動相結合，可控制各個噴涂模塊單元的霧化噴頭的位姿， 完成對待噴涂汽車111的整車噴涂作業(yè)。[0024]如圖2所示，第一噴涂作業(yè)模塊①和第四噴涂作業(yè)模塊④結構完全相同是空間 三自由度并聯機器人，均包括圓形支架23、第一動平臺沈、連接圓形支架23和第一動平 臺沈之間的第一支鏈、第二支鏈和第三支鏈，三個支鏈的結構完全相同并在布置上等分 圓形支架23的圓周，即互相夾角呈120°布置。所述的第一支鏈包括第一滑塊22、第 一連桿21以及第一運動副組，所述的第一運動副組有三個運動副一個是連接于圓形支 架23和第一滑塊22之間的轉動副，一個是連接于第一滑塊22和第一連桿21之間的移動 副，一個是連接于第一連桿21和第一動平臺沈之間的球副；所述的第二支鏈包括第二滑 塊25、第二連桿M以及第二運動副組，所述的第二運動副組有三個運動副一個是連接 于圓形支架23和第二滑塊25之間的轉動副，一個是連接于第二滑塊25和第二連桿M之 間的移動副，一個是連接于第二連桿對和第一動平臺26之間的球副；所述的第三支鏈包 括第三滑塊27、第三連桿觀以及第三運動副組，所述的第三運動副組有三個運動副一 個是連接于圓形支架23和第三滑塊27之間的轉動副，一個是連接于第三滑塊27和第三 連桿觀之間的移動副，一個是連接于第三連桿觀和第一動平臺26之間的球副。當上述 的三個移動副分別被驅動時，可實現安裝有第一霧化噴嘴的第一動平臺26的一個移動自 由度和兩個轉動自由度。[0025]根據本實施例中的組合噴涂機器人，其中第二噴涂作業(yè)模塊②和第三噴涂作業(yè) 模塊③結構相同，均是平面三自由度五桿組合機器人結構，分別通過各自的運動機架 18、110在龍門機架的水平橫梁導軌上19移動。如圖3所示該平面三自由度五桿組合 機器人由平面五桿并聯機構和同步帶機構兩部分組成，其包括運動機架31、第二動平臺 37、以及連接運動機架31和第二動平臺37之間的左支鏈、右支鏈，以及電機驅動的同步 帶輪I 34、被動驅動的同步帶輪1136、連接同步帶輪I 34和同步帶輪II 36之間的同步帶 35。其中左支鏈包括連桿I 32、折彎連桿I 33、運動副組I;右支鏈包括連桿II 39、折彎 連桿1138、運動副組II，運動副組I分別是連接于連桿132和運動機架31之間的轉動副、 連接于連桿I 32和折彎連桿I 33之間的轉動副、連接于折彎連桿I 33和第二動平臺37之 間的轉動副；運動副組II分別是連接連桿1139和運動機架31之間的轉動副、連接于連桿 II 39和折彎連桿II 38之間的轉動副、連接于折彎連桿II 38和第二動平臺37之間的轉動 副，運動副組I和運動副組II中的轉動副均同軸，左支鏈和右支鏈中連接運動機架31與 連桿32、39之間的轉動副分別是被驅動的。折彎連桿I 33的折彎關節(jié)處安裝電機主動驅 動的同步帶輪I 34，第二動平臺37上安裝被動驅動的同步帶輪II 36，兩者之間通過同步 帶35連接。所述的平面五桿并聯機構用來控制安裝第二霧化器噴嘴的第二動平臺的位置 (兩個移動自由度)，同步帶機構用來控制安裝第二霧化器噴嘴的第二動平臺的姿態(tài)(一 個轉動自由度)。[0026]根據本實用新型中所述的汽車噴涂混聯機器人，其可用于完成不同汽車整車的 自動化噴涂作業(yè)。[0027]可以理解的是，本領域的技術人員可在不超出本實用新型的條件下，適當調整 噴涂作業(yè)模塊的數量，并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(guī) 格的待噴涂汽車的噴涂作業(yè)環(huán)境。
權利要求1.一種基于空間和平面三自由度并聯機構的汽車噴涂混聯機器人，其包括一個龍門 機架和四個噴涂作業(yè)模塊單元，所述噴涂作業(yè)模塊單元分別由具有三個支鏈的空間三自 由度并聯機器人和具有兩個支鏈的平面三自由度五桿組合機器人構成，其中第一噴涂作 業(yè)模塊和第四噴涂作業(yè)模塊結構相同，分別是對稱安裝在龍門機架的兩個立柱導軌上的 空間三自由度并聯機器人，該三自由度并聯機器人可以在立柱導軌上往復移動，所述的 立柱導軌可以豎直或傾斜放置；第二噴涂作業(yè)模塊和第三噴涂作業(yè)模塊結構相同，分別 是固接在各自的運動機架上的平面三自由度五桿組合機器人，所述的平面三自由度五桿 組合機器人由平面三自由度五桿并聯機構和同步帶機構兩部分組成，所述運動機架和龍 門機架的上橫梁通過移動副連接后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涂作業(yè)模塊單元 的運動相結合，可控制各個噴涂模塊單元的霧化器噴頭的位姿，從而完成對待噴涂汽車 的整車噴涂作業(yè)。
2.根據權利要求1所述的汽車噴涂混聯機器人，其中第一噴涂作業(yè)模塊和第四噴涂作 業(yè)模塊是結構完全相同的空間三自由度并聯機構，均包括圓形支架、第二動平臺、連接 圓形支架和第一動平臺之間的第一支鏈、第二支鏈和第三支鏈，三個支鏈的結構完全相 同并在布置上等分圓形支架的圓周；所述的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈分別包括各 自的滑塊、連桿以及運動副組，各個支鏈運動副組各有三個運動副一個是連接于圓形 支架和滑塊之間的轉動副、一個是連接于滑塊和連桿之間的移動副、一個是連接于連桿 和第一動平臺之間的球副，當三個連接于滑塊和連桿之間的移動副分別被驅動時，可以 實現安裝有第一霧化噴嘴的第一動平臺的一個移動自由度和兩個轉動自由度。
3.根據權利要求1所述的汽車噴涂混聯機器人，其中第二噴涂作業(yè)模塊和第三噴涂 作業(yè)模塊均是結構相同的平面三自由度五桿組合機器人，該平面三自由度五桿組合機器 人由平面五桿并聯機構和同步帶機構兩部分組成，所述的平面五桿并聯機構包括運動機 架、第二動平臺、連接運動機架和第二動平臺之間的左支鏈和右支鏈、電機驅動的同步 帶輪I、被動驅動的同步帶輪II、連接同步帶輪I和同步帶輪II之間的同步帶，其中左支 鏈包括連桿I、折彎連桿I、運動副組I;右支鏈包括連桿II、折彎連桿II、運動副組II， 其中運動副組I由三個運動副組成連接于連桿I和運動機架之間的轉動副、連接于連桿 I和折彎連桿I之間的轉動副、連接于折彎連桿I和第二動平臺之間的轉動副；運動副組 II由三個運動副組成連接于連桿II和運動機架之間的轉動副、連接于連桿II和折彎連 桿II之間的轉動副、連接于折彎連桿II和第二動平臺之間的轉動副，運動副組I和運動副 組II中的轉動副均同軸，左支鏈和右支鏈中連接運動機架與連桿之間的轉動副分別是被 驅動的，折彎連桿I的折彎關節(jié)處安裝電機主動驅動的同步帶輪I，第二動平臺上安裝被 動驅動的同步帶輪II，兩者之間通過同步帶連接，所述的平面三自由度五桿并聯機構用 來控制安裝第二霧化器噴嘴的第二動平臺的位置以實現其兩個移動自由度，同步帶機構 用來控制安裝第二霧化器噴嘴的第二動平臺的姿態(tài)以實現其一個轉動自由度。
專利摘要本實用新型涉及一種基于空間和平面三自由度并聯機構的汽車噴涂混聯機器人，其包括一個龍門機架和四個噴涂作業(yè)模塊單元，其中第一噴涂作業(yè)模塊和第四噴涂作業(yè)模塊結構相同，分別是對稱安裝在龍門機架的兩個立柱導軌上的空間三自由度并聯機器人，該三自由度并聯機器人可以在立柱導軌上往復移動，所述的立柱導軌可以豎直或傾斜放置；第二噴涂作業(yè)模塊和第三噴涂作業(yè)模塊結構相同，分別是固接在各自的運動機架上的平面三自由度五桿組合機器人，所述的平面三自由度五桿組合機器人由平面三自由度五桿并聯機構和同步帶機構兩部分組成，所述運動機架和龍門機架的上橫梁通過移動副連接后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涂作業(yè)模塊單元的運動相結合，可控制各個噴涂模塊單元的霧化器噴頭的位姿，從而完成對待噴涂汽車的整車噴涂作業(yè)。該汽車噴涂混聯機器人的結構對稱，靈活性好、精度和剛度高，易于制造，方便控制，容易實現模塊化，柔性程度高，可根據需要增減噴涂模塊，可對不同汽車整車進行噴涂作業(yè)。
文檔編號B05B13/00GK201807494SQ20102056914
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者仇洪根, 劉辛軍, 吳超, 王立平 申請人:江蘇長虹涂裝機械有限公司