多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，尤其涉及一种适用于例如车身、飞机尾翼等大轮廓复杂曲面喷涂的五自由度多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人。
【背景技术】
[0002]喷涂工艺是大多数产品生产中的重要工艺之一，喷涂质量直接决定了产品外观和产品质量。传统的喷涂作业方式为人工喷涂方式，喷涂过程中的雾状漆料对人体危害巨大，喷漆环境中照明、通风等条件很差，操作者的技术水平、健康状况、劳动情绪等因素对产品的质量影响较大，并造成了喷涂材料的浪费。因此在工业领域大量使用喷涂机器人代替人工喷涂，不仅可以改善劳动条件，还可以提高产品质量，降低生产成本。此外，通过对喷涂机器人驱动电机的控制，可以使喷头通过狭小的孔壁深入到零部件的内部进行均匀的喷涂，实现喷涂工艺应用范围的扩大。通过对喷涂机器人电机的编程控制，非常容易实现整个生产线的自动化和工艺的精量化。
[0003]中国专利ZL200610135514.3公开了一种平行连杆机构及工业用机器人，如图14-15所不,工业用机器人具有波动齿轮减速器,其具有主体、输入轴、第一输出轴及第二输出轴；第一臂，其具有连结于所述固定基座且能够旋转的基端部、和连结于所述减速器主体的前端部；第二臂，其具有连结于所述第二输出轴的基端部、和连结于所述可动基座且能够旋转的前端部；连结基座，其相对于所述减速器设于所述第二臂的外侧，与所述第一输出轴连结；第一辅助连杆，其与所述第一臂平行地配置，具有连结于所述固定基座且能够旋转的端部、和连结于所述连结基座且能够旋转的端部；第二辅助连杆，其与所述第二臂平行地配置，具有连结于所述连结基座且能够转动的端部、和连结于所述可动基座且能够转动的端部。
[0004]这样的工业喷涂机器人绝大多数为开链式串联机器人，其末端喷头的姿态由机器人各个驱动关节的参数决定。开链式串联机器人的运动学正解比较简单，但其运动学逆解存在多解，一般串联的关节数越多，解的个数也越多。实际应用中，每一时刻需要根据喷头的姿态逆解得到各个关节的驱动参数。运动学逆解的非线性导致其产生多组解，需要在多组逆解中找出最合适的解，这就导致运动学逆解的计算效率很低，不仅造成了控制系统比较复杂和实时性差，还间接造成了产品成本的增高。现有的串联式喷涂机器人，尤其是针对大外廓构件的喷涂机器人，驱动电机分散布置在各个关节处，导致机器人末端载荷较大，运动时动载较大，而且驱动电机越靠近喷涂端，使用安全性越低，防爆、防尘成本越高。开链式串联机器人最为致命的缺陷在于整个关节的串联关系，如果一个关节出现了故障，有可能造成整个机器人功能的瘫痪。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供适用于例如车身、飞机尾翼等大轮廓复杂曲面喷涂的五自由度多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，同时在降低人工喷涂成本和提高产品质量的基础上，使喷涂工艺延伸到零部件内部，突破人工喷涂时对空间尺寸的约束限制。通过对喷涂机器人的电机进行编程控制，在实现高效率喷涂的前提下，既能突破现有手工喷涂工艺的局限，又能在实现精确喷涂的基础上减少喷涂材料的浪费。
[0006]本发明突破现有串联式喷涂机器人尺寸较大、位置姿态求逆解时效率低、电机控制复杂和实时性差、机器人的防尘和防爆成本高、喷涂作业时故障率高等缺陷，大幅提升喷涂机器人的喷涂质量，同时显著降低其故障率和维护成本。
[0007]本发明请求保护范围与本发明要解决的技术问题、所采用的技术手段、以及所采用的每一个技术特征在解决上述技术问题中的作用与功能、以及说明采用的上述技术手段解决的技术问题所能达到技术效果如下:
[0008]1、本发明提供一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其包括串联驱动基座总成、三组并行的平行四边形连杆机构和动平台20，其特征在于所述的串联驱动基座总成包括固定不动的下基座2和依次串联在其上的由中基座3、上基座4、顶基座18所构成的3个旋转基座，在所述的顶基座18平台上还设置有三组驱动电机14、6、17，所述的3个旋转基座3、4、18和该三组驱动电机14、6、17 —同通过所述的三组并行的平行四边形连杆机构协同驱动所述的动平台20。
[0009]本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，从而解决了现有技术开链式串联机器人的运动学正解简单但是其运动学逆解存在多解的问题，解决了现有技术开链式串联机器人需要在多组逆解中判断最佳解和控制系统比较复杂的问题，从而实现了在空间中喷头的位置由基座电机、三组平行四边形连杆转过的角度决定，这样的逆解计算简单且不存在多解，喷头的姿态由调节电机控制，这种控制方式也为轨迹规划带来了方便。
[0010]本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构在设计时限制了最大压力角，在作业范围内，无论机器人转至何位置，运动和力的传递性能都能保持优良的水平。
[0011]本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构的巧妙设计将三个驱动电机均集中布置到顶基座上。电机集中布置便可以方便的实现防尘防爆要求，提高了喷涂机器人在静电喷涂这种危险环境下的安全性和可靠性。
[0012]本发明巧妙地设置三个平行四边形连杆驱动方式，由于引入了并联机构，本发明具有一些并联机构的优势，从而克服传统的串联开链式机器人各种缺陷，例如，传统的串联开链式机器人各杆件的驱动部件通常布置在关节处，这样越是靠近基座的杆件不仅要承受加在其末端的其他杆件的负载，还要承受在重量上比这些杆件更大的驱动电机的负载，导致机构笨重，动载荷较大。同时各串联的杆件相当于悬臂梁结构，刚度也较差。
[0013]2、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的中基座3、上基座4、顶基座18旋转动力源分别为第I电机1、第2电机19和第3电机5 ;所述的第I电机I放置在下基座2的正中心；所述的第2电机19固定在上基座4的侧面；所述的第3电机5设置在旋转的顶基座18平台上。
[0014]第I电机I放置在下基座2的正中心，其输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承等传递到旋转中基座3，有利于确保下基座2和中基座3的几何中心垂直轴线重合，中基座3绕其几何中心垂直轴线转动，也便于重心稳定。
[0015]第2电机19、减速器等部件经法兰盘固定在上基座4的侧面，其安装方式能减小基座加速旋转时产生的振动幅度，又不会造成第2电机19、轴承及减速机维修的不便。
[0016]第3电机5输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承施加在顶基座18，使除旋转顶基座18、上基座4、中基座3和下基座2之外的所有机构产生绕下基座2几何中心垂直线的转动。项基座18和中基座3都能产生绕z轴的旋转运动，如此设计的目的就是为了避免串联机构固有的弊端，使机构具有并联机构的特性，较好的降低其机构工作时可能产生的故障概率。
[0017]3、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第I电机I驱动所述的中基座3绕Z轴转动；所述的第2电机19驱动所述的上基座4绕Y轴转动；所述的第3电机5驱动所述的顶基座18绕Z轴转动，所述的串联驱动基座总成具有二个转动自由度。
[0018]顶基座18、上基座4、中基座3构成了 3个旋转基座，3个旋转基座的综合运动可以使喷头15快速到达作业位置。所述下基座2与导轨或地面通过螺栓固定，旋转的中基座3在第I电机I驱动下相对下基座2绕Z轴转动；旋转的上基座4在第2电机19驱动下相对旋转中基座3绕Y轴转动；旋转的项基座18在第3电机5驱动下相对于旋转的上基座4绕Z轴转动。因此，上述3个旋转的中基座3、上基座4、顶基座18构成了串联式驱动方式，但与传统机器人的串联式驱动方式有所不同，上述3个旋转的基座具有三个转动自由度，分别为2个绕Z轴的转动自由度和I个绕Y轴的转动自由度。
[0019]4、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述上基座4的几何中心垂直轴线与所述中基座3的几何中心垂直轴线重合。
[0020]上基座4的几何中心垂直轴线与中基座3的几何中心垂直轴线能否重合，取决于中基座3是否绕Z轴旋转。在有效的转角范围内，如果产生了旋转角度，其二者的几何中心垂直轴线便不重合。
[0021]5、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的三组并行的平行四边形连杆机构包括由第I连杆12、第4连杆13、第3连杆9与第2连杆16组成的第一平行四边形连杆机构；由第5连杆7、第I连杆12、第6连杆8与第7连杆10组成的第二平行四边形连杆机构；由第4连杆13、第7连杆10、第8连杆11与动平台20组成的第三平行四边形连杆机构。
[0022]上述第一平行四边形连杆机构与第二平行四边形连杆机构共用了第I连杆12 ;上述第一平行四边形连杆机构与第三平行四边形连杆机构共用了第4连杆13，上述第二平行四边形连杆机构与第三平行四边形