专利名称：基于三自由度和四自由度并联机构的混联喷涂机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械制造领域，具体涉及一种能够应用于汽车整车喷涂生产领域 的一种模块化混联喷涂机器人。
背景技术：
随着现代汽车工业的迅速发展，汽车型号和车体设计的不断调整，国内汽车生产 正在向大规模、高质量和低成本的方向发展，汽车车身喷涂是汽车制造中最主要的生产工 艺之一，它不仅能够提高汽车产品的耐蚀性，延长汽车使用寿命，它还最直接地体现了汽车 外表面颜色、光泽和亮度质量的优劣，是人们对汽车质量最直观的评价，所以它对汽车市场 竞争力的有着最直接的影响。在此背景下，传统的手工喷涂已经无法满足大多数整车厂车 身涂装的要求，喷涂技术一步步的从手工喷涂、半自动喷枪喷涂发展到了如今的机器人自 动喷涂，只有采用机器人才能适应这种频繁变化的生产要求。机器人的作用是控制喷枪，使 之在喷涂过程中与喷涂表面保持正确的角度和恒定的距离。到目前为止，喷涂机器人已成 为国内市场上运用最多的工业机器人之一。喷涂机器人有如下优点 轨迹灵活，可完成车身内表面和外表面的喷涂任务，仿形喷涂轨迹精确，提高了 涂膜的均勻性，降低过喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料的利用率，对环境保护也起到了 一定的作用； 柔性大，工作范围大，可现实多品种车型的混线生产，如轿车、旅行车、皮卡等车 身混线生产； 易操作和维护，可离线编程，大大缩短现场调试时间，模块化的设计可实现快速 安装和更换元器件，极大地缩短维修时间； 设备利用率高，往复式自动喷涂机利用率一般仅为40% -60%，而喷涂机器人 的利用率可达90% -95%。喷涂机器人已成为汽车工业喷涂生产线和首选设备，然而由于我国工业机器人技 术的局限，自主研发的喷涂机器人往往存在精度不够，控制能力低下的缺点，目前我国大多 数汽车涂装生产线仍然在采用自动喷涂机设备，少数企业所采用的自动喷涂机器人大部分 都是来自国外的设备制造商，成套引进这些设备不仅价格昂贵，而且维护成本高，一旦设备 出现故障，维修周期较长，更甚者有可能在维修期间导致整条生产线的停产，造成企业巨大 的资源浪费和财产损失，因此实现自动静电涂装设备的国产化，提高对喷涂机器人的研究 水平，打破国外厂商的技术垄断成为当前亟需解决的问题，这对于我国机器人产业以及汽 车产业具有重大意义。另外通过调研发现，现已应用的传统喷涂机器人都是采用仿人手臂的串联机器 人，通过对运动轨迹的合理规划完成自动化喷涂作业。但由于我国制造业整体技术水平的 限制，至今未能对串联机器人的精度不高问题做出实质性的突破，串联式喷涂机器人的控 制相对较复杂，此外国外相关专利还对其在我国的应用进行了种种束缚，所以发明新型的喷涂作业机器人对我国的汽车工业而言是一个迫在眉睫的任务。而并联机器人是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机器人具有以下 优点结构简单紧凑、刚度高、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动、容易实现 加工模块化、运动学简单、具有解耦或者部分解耦的特性，解耦运动对机构的运动控制和轨 迹规划都有一定意义。这些优点在一定程度上弥补了串联机构的不足。
实用新型内容为了解决上述问题，本实用新型提出一种方便制造、易于控制的基于平面三自由 度并联机构和空间四自由度并联机构的模块化混联喷涂机器人。该组合机器人拥有并联机 构的优点，更能适应汽车整车的喷涂作业任务，并可对不同形状和规格的汽车整车进行喷 涂作业。本实用新型提出一种基于三自由度和四自由度并联机构的混联喷涂机器人，其包 括一个龙门机架和四个喷涂作业模块单元，所述喷涂作业模块单元由平面三自由度并联机 器人和空间四自由度并联机器人构成，其中第一喷涂作业模块和第四喷涂作业模块结构相 同，分别对称安装在龙门机架的两个立柱上；第二喷涂作业模块和第三喷涂作业模块结构 相同，分别固接在各自的运动滑块上，所述运动滑块和龙门机架的上横梁通过移动副连接， 可以实现在上横梁导轨上往复水平移动，所述龙门机架可在水平导轨上实现水平移动，通 过将龙门机架的水平运动与所述喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷涂模块单 元的雾化喷嘴的位姿，从而完成对整个待喷涂零件的喷涂作业。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其中第一喷涂作业模块和第四喷涂作 业模块均是安装在龙门机架立柱上的空间四自由度并联机器人，其包括龙门机架、第二动 平台、第二雾化喷嘴、连接龙门机架和第二动平台之间的转动左支链、转动右支链、移动上 支链、移动下支链，所述的转动左支链和转动右支链结构相同，其中转动左支链包括转动左 连杆、转动左滑块、转动左支架、第一运动副组；转动右支链包括转动右连杆、转动右滑块、 转动右支架、第二运动副组；所述的移动上支链和移动下支链结构相同，其中移动上支链包 括移动上连杆、移动上滑块、移动上支架、第三运动副组；移动下支链包括移动下连杆、移动 下滑块、移动下支架、第四运动副组，所述移动上支架和移动下支架固接在龙门机架上，由 所述龙门机架、第二动平台和转动左支链、转动右支链、移动上支链和移动下支链一起，构 成了空间平面四自由度并联机器人，所述移动上、下支链和转动左、右支链中的移动副分别 被驱动，可控制安装有第二雾化喷嘴的第二动平台实现两个移动自由度位置和实现两个转 动自由度的姿态。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其中第一运动副组和第二运动副组由 四个运动副组成，第三运动副组和第四运动副组由三个运动副组成。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其中所述第一运动副组包括连接于 龙门机架和转动左支架之间的转动副、连接于转动左支架和转动左滑块之间的转动副、连 接于转动左滑块和转动左连杆之间的移动副、连接于转动左连杆和第二动平台之间的球 副；所述第二运动副组包括连接于龙门机架和转动右支架之间的转动副、连接于转动右 支架和转动右滑块之间的转动副、连接于转动右滑块和转动右连杆之间的移动副、连接于 转动右连杆和第二动平台之间的球副；所述第三运动副组包括连接于移动上支架和移动
5上滑块之间的转动副、连接于移动上滑块和移动上连杆之间的移动副、连接于移动上连杆 和第二动平台之间的球副；所述第四运动副组包括连接于移动下支架和移动下滑块之间 的转动副、连接于移动下滑块和移动下连杆之间的移动副、连接于移动下连杆和第二动平 台之间的球副。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其中第二喷涂作业模块和第三喷涂作 业模块均是安装在龙门机架上横梁上的平面三自由度并联机器人，其包括运动机架、第一 动平台、连接于运动机架和第一动平台之间的移动左支链和移动右支链、连接于移动左支 链和铰接块之间的转动左支链、连接于移动右支链和铰接块之间的转动右支链，所述移动 左支链包括移动左滑块、移动左连杆及运动副组I，所述移动右支链包括移动右滑块、移动 右连杆及运动副组II，所述的转动左支链包括转动左滑块、转动左连杆及运动副组III，所 述转动右支链包括转动右滑块、转动右连杆及运动副组IV，其中第一动平台和铰接块之间 通过移动副连接，第一雾化喷嘴安装在第一动平台上，运动机架、第一动平台以及移动左支 链、移动右支链、转动左支链、右支链一起构成平面三自由度并联机器人，移动左、右支链和 转动左、右支链中的移动副分别被驱动，其中移动左、右支链控制第一动平台的位置实现两 个移动自由度，转动左、右支链控制第一动平台的姿态实现一个转动自由度。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其中运动副组I、运动副组II、运动副 组III和运动副组IV均由三个运动副组成。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其中运动副组I包括连接于移动左 滑块和运动机架之间的转动副、连接于移动左滑块和移动左连杆之间的移动副、连接于移 动左连杆和第一动平台之间的转动副；运动副组II包括连接于移动右滑块和运动机架之 间的转动副、连接于移动右滑块和移动右连杆之间的移动副、连接于移动右连杆和第一动 平台之间的转动副；运动副组III包括连接于转动左滑块和移动左连杆之间的转动副、连 接于转动左滑块和转动左连杆之间的移动副、连接于转动左连杆和铰接块之间的转动副； 运动副组IV包括连接于转动右滑块和移动右连杆之间的转动副、连接于转动右滑块和转 动右连杆之间的移动副、连接于转动右连杆和铰接块之间的转动副。根据本实用新型中所述的混联喷涂机器人，其可用于完成不同汽车整车的自动化 喷涂作业。本实用新型中提到的混联喷涂机器人有如下优点(1)结构对称，易于制造，成本 较低，更容易实现模块化加工；(2)其速度快、灵活性好；(3)相对于串联机构更容易控制， 喷涂精度易于保证；(4)工作空间大，在导轨上可实现大范围移动；(5)柔性程度高，可适应 不同汽车整车的喷涂作业环境，更可以根据需要增加喷涂作业单元模块。
图1为本实用新型整体构造结构的三维视图；图2为本实用新型整体构造结构的正视图；图3为本实用新型的第二、第三喷涂作业模块示意图；图4为本实用新型的第一、第四喷涂作业模块结构示意图。图中，①-第一喷涂作业模块、②-第二喷涂作业模块、③-第三喷涂作业模块、 ④-第四喷涂作业模块、15-底板、16-水平导轨、17-龙门机架、18-第三喷涂作业模块运动滑块、19-上横梁导轨、110-第二喷涂作业模块运动滑块、111-待喷涂汽车、112-水平导 轨；21-第一动平台、22-转动右滑块、23-转动右连杆、24-移动右滑块、25-移动右连杆、 26-运动机架、27-移动左滑块、28-移动左连杆、29-转动左连杆、210-转动左滑块、211-铰 接块、212-第一雾化喷嘴；31-移动下滑块、32-移动下支架、33-转动右滑块、34-转动右 连杆、35-移动下连杆、36-转动右支架、37-移动上支架、38-移动上连杆、39-移动上滑块、 310-转动左连杆、311-转动左支架、312-转动左滑块、313-第二动平台、314-第二雾化喷 嘴、315-机架。
具体实施方式
本实用新型提出的模块化混联喷涂机器人，结合附图1-4及实施例详细说明如 下如图1-2所示，本实用新型所述的可对汽车整车完成自动喷涂作业的混联喷涂机 器人，包括一个龙门机架17和四个喷涂作业模块单元。所述的喷涂作业模块分别是第一喷 涂作业模块①、第二喷涂作业模块②、第三喷涂作业模块③、第四喷涂作业模块④，均是并 联机器人。其中，第一喷涂作业模块①和第四喷涂作业模块④结构完全相同，分别对称安 装在龙门机架17的两个立柱上；所述的第二喷涂作业模块②和第三喷涂作业模块③结构 也完全相同，分别固结在第三喷涂作业模块运动滑块18和第二喷涂作业模块运动滑块110 上，运动滑块和龙门机架17的上横梁导轨19通过移动副连接，可以实现在上横梁导轨19 上的水平移动。该龙门机架17是移动的，可以在水平导轨16、112上实现大范围的水平移 动。通过将龙门机架17的水平运动与四个喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷 涂模块单元的雾化喷嘴的位姿，完成对待喷涂汽车111的整车喷涂作业。如图2-3所示，第二喷涂作业模块②和第三喷涂作业模块③结构完全相同，都是 三自由度平面并联机器人，均包括运动机架沈、第一动平台21和连接运动机架沈和第一 动平台21之间的关于运动机架沈的竖直轴线对称的移动左支链和移动右支链、连接移动 左支链和铰接块之间的转动左支链、连接移动右支链和铰接块之间的转动右支链。所述的 移动左支链包括移动左滑块27、移动左连杆观及运动副组I，所述的运动副组I由三个运 动副组成一个是连接移动左滑块27和运动机架沈之间的转动副、一个是连接移动左滑 块27和移动左连杆观之间的移动副、一个是连接移动左连杆观和第一动平台21之间的 转动副；所述的移动右支链包括移动右滑块对、移动右连杆25，及运动副组II，所述的运 动副组II由三个运动副组成一个是连接移动右滑块M和运动机架26之间的转动副、一 个是连接移动右滑块M和移动右连杆25之间的移动副、一个是连接移动右连杆25和第一 动平台21之间的转动副。所述的转动左支链包括转动左滑块210、转动左连杆四及运动 副组III，所述的运动副组III由三个运动副组成一个是连接转动左滑块210和移动左连 杆观之间的转动副、一个是连接转动左滑块210和转动左连杆四之间的移动副、一个是连 接转动左连杆四和铰接块211之间的转动副；所述的转动右支链包括转动右滑块22、转 动右连杆23及运动副组IV，所述的运动副组IV由三个运动副组成一个是连接转动右滑 块22和移动右连杆25之间的转动副、一个是连接转动右滑块22和转动右连杆23之间的 移动副、一个是连接转动右连杆23和铰接块211之间的转动副。其中第一动平台21和铰 接块211之间通过移动副连接，第一雾化喷嘴212安装在第一动平台21上。由上述的运动机架沈、第一动平台21和移动左、右支链、转动左、右支链一起构成平面三自由度并联机器 人，所述的移动支链和转动支链中的移动副分别被驱动，其中移动左、右支链控制第一动平 台21的位置(两个移动自由度)，转动左、右支链控制第一动平台21的姿态(一个转动自 由度)。如图2和4所示，第一喷涂作业模块①和第四喷涂作业模块④结构完全相同，均是 空间四自由度平面并联机器人，均包括机架315、第二动平台313、第二雾化喷嘴314、连接 机架315和第二动平台313之间分别关于机架315的垂直轴线和水平轴线对称的转动左支 链、转动右支链、移动上支链、移动下支链。所述的转动左支链、转动右支链结构相同，其中 转动左支链包括转动左连杆310、转动左滑块312、转动左支架311、第一运动副组，所述的 第一运动副组由四个运动副组成一个是连接于机架315和转动左支架311之间的转动副、 一个是连接于转动左支架311和转动左滑块312之间的转动副、一个是连接于转动左滑块 312和转动左连杆310之间的移动副、一个是连接于转动左连杆310和第二动平台313之 间的球副；其中转动右支链包括转动右连杆34、转动右滑块33、转动右支架36、及第二运 动副组，所述的第二运动副组由四个运动副组成一个是连接于机架315和转动右支架36 之间的转动副、一个是连接于转动右支架36和转动右滑块33之间的转动副、一个是连接于 转动右滑块33和转动右连杆34之间的移动副、一个是连接于转动右连杆34和第二动平台 313之间的球副。所述的移动上支链和移动下支链结构也相同，其中移动上支链包括移动 上连杆38、移动上滑块39、移动上支架37、及第三运动副组，所述第三运动副组由三个运动 副组成一个是连接于移动上支架37和移动上滑块39之间的转动副、一个是连接于移动 上滑块39和移动上连杆38之间的移动副、一个是连接于移动上连杆38和第二动平台313 之间的球副；其中移动下支链包括移动下连杆35、移动下滑块31、移动下支架32、及第四 运动副组，所述第四运动副组由三个运动副组成一个是连接于移动下支架35和移动下滑 块31之间的转动副、一个是连接于移动下滑块31和移动下连杆35之间的移动副、一个是 连接于移动下连杆35和第二动平台313之间的球副。上述的移动上支架37和移动下支架 32是固结在机架315上的。由上述机架315、第二动平台313和转动左支链、转动右支链、 和移动上支链、移动下支链，一起构成了平面四自由度并联机器人，所述的移动支链和转动 支链中的移动副分别被驱动，可控制安装第二雾化喷嘴314的第二动平台313的位置(两 个移动自由度)和姿态(两个转动自由度)。工作时，待喷涂的汽车111通过拖链在底板15上勻速水平移动，安装四个喷涂作 业模块的龙门机架17在水平导轨112、16上往复运动。通过将龙门机架17的水平运动、和 四个对称放置的喷涂作业模块的机构运动相结合，可以完成对绝大多数的汽车整车的喷涂 作业。在本实用新型的另一实施例中，空间四自由度并联机器人和平面三自由度并联机 器人的位置发生置换。可以理解的是，本领域的技术人员可在不超出本实用新型的条件下，适当调整喷 涂作业模块的数量，并对整体结构进行显而易见的替换或修改，来适应不同形状和规格的 待喷涂汽车的喷涂作业环境。
权利要求1.一种基于三自由度和四自由度并联机构的混联喷涂机器人，其包括一个龙门机架和 四个喷涂作业模块单元，所述喷涂作业模块单元由平面三自由度并联机器人和空间四自由 度并联机器人组合构成，其中第一喷涂作业模块和第四喷涂作业模块结构相同，分别对称 安装在龙门机架的两个立柱上；第二喷涂作业模块和第三喷涂作业模块结构相同，分别固 接在各自的运动滑块上，所述运动滑块和龙门机架的上横梁通过移动副连接后可以实现在 上横梁导轨上往复水平移动，所述龙门机架可在水平导轨上实现水平移动。
2.如权利要求1所述的混联喷涂机器人，其中第一喷涂作业模块和第四喷涂作业模 块均是安装在机架立柱上的空间四自由度并联机器人，其包括机架、第二动平台、第二雾化 喷嘴、连接机架和第二动平台之间的转动左支链、转动右支链、移动上支链、移动下支链，所 述的转动左支链和转动右支链结构相同，其中转动左支链包括转动左连杆、转动左滑块、转 动左支架、第一运动副组；转动右支链包括转动右连杆、转动右滑块、转动右支架、第二运动 副组；所述的移动上支链和移动下支链结构相同，其中移动上支链包括移动上连杆、移动上 滑块、移动上支架、第三运动副组；移动下支链包括移动下连杆、移动下滑块、移动下支架、 第四运动副组，所述移动上支架和移动下支架固接在机架上，由所述机架、第二动平台和转 动左支链、转动右支链、移动上支链和移动下支链一起，构成了空间平面四自由度并联机器 人，所述移动上、下支链和转动左、右支链中的移动副分别被驱动，可控制安装有第二雾化 喷嘴的第二动平台实现两个移动自由度位置和实现两个转动自由度的姿态。
3.如权利要求2所述的混联喷涂机器人，其中第一运动副组和第二运动副组均由四个 运动副组成，第三运动副组和第四运动副组均由三个运动副组成。
4.如权利要求3所述的混联喷涂机器人，其中所述第一运动副组包括连接于机架和 转动左支架之间的转动副、连接于转动左支架和转动左滑块之间的转动副、连接于转动左 滑块和转动左连杆之间的移动副、连接于转动左连杆和第二动平台之间的球副；所述第二 运动副组包括连接于机架和转动右支架之间的转动副、连接于转动右支架和转动右滑块 之间的转动副、连接于转动右滑块和转动右连杆之间的移动副、连接于转动右连杆和第二 动平台之间的球副；所述第三运动副组包括连接于移动上支架和移动上滑块之间的转动 副、连接于移动上滑块和移动上连杆之间的移动副、连接于移动上连杆和第二动平台之间 的球副；所述第四运动副组包括连接于移动下支架和移动下滑块之间的转动副、连接于 移动下滑块和移动下连杆之间的移动副、连接于移动下连杆和第二动平台之间的球副。
5.如权利要求1所述的混联喷涂机器人，其中第二喷涂作业模块和第三喷涂作业模块 均是安装在龙门机架上横梁上的平面三自由度并联机器人，其包括运动机架、第一动平台、 连接于运动机架和第一动平台之间的对称的移动左支链和移动右支链、连接于移动左支链 和铰接块之间的转动左支链、连接于移动右支链和铰接块之间的转动右支链，所述移动左 支链包括移动左滑块、移动左连杆及运动副组I，所述移动右支链包括移动右滑块、移动右 连杆及运动副组II，所述的转动左支链包括转动左滑块、转动左连杆及运动副组III，所述 转动右支链包括转动右滑块、转动右连杆及运动副组IV，其中第一动平台和铰接块之间通 过移动副连接，第一雾化喷嘴安装在第一动平台上，运动机架、第一动平台以及移动左支 链、移动右支链、转动左支链、右支链一起构成平面三自由度并联机器人，移动左、右支链和 转动左、右支链中的移动副分别被驱动，其中移动左、右支链控制第一动平台的位置实现两 个移动自由度，转动左、右支链控制第一动平台的姿态实现一个转动自由度。
6.如权利要求5所述的混联喷涂机器人，其中运动副组I、运动副组II、运动副组III 和运动副组IV均由三个运动副组成。
7.如权利要求6所述的混联喷涂机器人，其中运动副组I包括连接于移动左滑块和 运动机架之间的转动副、连接于移动左滑块和移动左连杆之间的移动副、连接于移动左连 杆和第一动平台之间的转动副；运动副组II包括连接于移动右滑块和运动机架之间的转 动副、连接于移动右滑块和移动右连杆之间的移动副、连接于移动右连杆和第一动平台之 间的转动副；运动副组III包括连接于转动左滑块和移动左连杆之间的转动副、连接于转 动左滑块和转动左连杆之间的移动副、连接于转动左连杆和铰接块之间的转动副；运动副 组IV包括连接于转动右滑块和移动右连杆之间的转动副、连接于转动右滑块和转动右连 杆之间的移动副、连接于转动右连杆和铰接块之间的转动副。
专利摘要本实用新型涉及一种基于三自由度和四自由度并联机构的混联喷涂机器人，其包括一个龙门机架和四个喷涂作业模块单元，所述喷涂作业模块单元由平面三自由度并联机器人和空间四自由度并联机器人构成，所述喷涂作业模块单元包括四个喷涂作业模块，第一喷涂作业模块和第四喷涂作业模块结构相同，分别对称安装在龙门机架的两个立柱上；第二喷涂作业模块和第三喷涂作业模块结构相同，分别固接在各自的运动滑块上，所述运动滑块和龙门机架的上横梁通过移动副连接，可以实现在上横梁导轨上往复水平移动，所述龙门机架可在水平导轨上实现水平移动，通过将龙门机架的水平运动与所述喷涂作业模块单元的运动相结合，可控制各个喷涂模块单元的雾化喷嘴的位姿，从而完成对整个待喷涂零件的喷涂作业。该混联喷涂机器人的结构对称，灵活性好、精度和刚度高，易于制造，方便控制，容易实现模块化，柔性程度高，可根据需要增减喷涂模块，可对不同汽车整车进行喷涂作业。
文档编号B05B13/00GK201855764SQ20102056912
公开日2011年6月8日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者仇洪根, 刘辛军, 王立平, 谢福贵, 陈祥 申请人:江苏长虹汽车装备集团有限公司, 清华大学