專利名稱：空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及噴涂機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域，特別涉及一種能夠應(yīng)用于汽車零部件噴涂生產(chǎn)的具有 空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五自由度噴涂機(jī)器人。
背景技術(shù)：
到目前為止，噴涂機(jī)器人已成為國內(nèi)市場上運(yùn)用最多的工業(yè)機(jī)器人之一。機(jī)器人 噴涂在國外是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，已經(jīng)有三十多年的研究和發(fā)展歷史。隨著噴涂機(jī)器人的技 術(shù)不斷創(chuàng)新，噴涂精度空前提高，在世界發(fā)達(dá)國家噴涂機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。著名的國 外噴涂機(jī)器人廠家有瑞典的ABB、德國的DUrr (杜爾)與EISANMANN(艾森曼)、日本的安川， 同時德國的KUKA公司、日本的FANUC公司以及美國的ADEPT公司均有生產(chǎn)噴涂機(jī)器人。同 時還有很多小的生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)和研發(fā)的靜電粉末噴涂機(jī)器人，在噴涂機(jī)器人領(lǐng)域以及相關(guān) 的噴涂技術(shù)領(lǐng)域都具有豐富的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)。現(xiàn)代汽車工業(yè)的迅速發(fā)展帶來汽車型號的迅速變化和車體設(shè)計的不斷調(diào)整，國內(nèi) 汽車生產(chǎn)也正在向大規(guī)模、高質(zhì)量和低成本的方向發(fā)展，在此背景下，傳統(tǒng)的手工噴涂已經(jīng) 無法滿足大多數(shù)整車廠車身涂裝的要求，噴涂技術(shù)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(jī)器人自動噴涂，只有采用機(jī)器人才能適應(yīng)這種頻繁變化的生產(chǎn)要求。到 目前為止，噴涂機(jī)器人已成為國內(nèi)市場上運(yùn)用最多的工業(yè)機(jī)器人之一，由于我國工業(yè)機(jī)器 人研究起步晚，基礎(chǔ)條件薄弱、關(guān)鍵技術(shù)與部件不配套等種種原因，至今未能形成真正的具 有競爭力的產(chǎn)品。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)大多數(shù)汽車廠商采用的國外公司的噴涂機(jī)器人都是六自由度 的，但是在實(shí)際應(yīng)用中噴涂機(jī)器人只需要五自由度(三個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度) 就能完成所有噴涂作業(yè)。此外現(xiàn)已應(yīng)用的傳統(tǒng)噴涂機(jī)器人都是采用仿人手臂的串聯(lián)機(jī)構(gòu)， 通過對運(yùn)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(shù)水平的限 制，至今未能對串聯(lián)機(jī)器人的精度和可靠性不高問題做出實(shí)質(zhì)性的突破，串聯(lián)式噴涂機(jī)器 人的控制相對較復(fù)雜，而且這種串聯(lián)式機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)形式單一，很難取得知識產(chǎn)權(quán)突破。相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由多個支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其具有以下優(yōu) 點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、剛度高、單位重量上承載能力大、無誤差積累、運(yùn)動部件質(zhì)量小、易于實(shí) 現(xiàn)高速運(yùn)動，軌跡易于控制等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)在一定程度上彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)構(gòu)的不足。本發(fā)明的目的就是為了克服我國制造業(yè)技術(shù)水平現(xiàn)狀，以解決串聯(lián)式噴涂機(jī)器人 在中國知識產(chǎn)權(quán)突破難、加工制造難、可靠性差、控制困難等技術(shù)問題，為研制具有我國自 主知識產(chǎn)權(quán)的噴涂機(jī)器人做出貢獻(xiàn)。本發(fā)明結(jié)合串聯(lián)移動大和并聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單、模塊化程度 高、制造安裝方便以及軌跡規(guī)劃和控制容易的特性，發(fā)明一種可以適應(yīng)我國制造國情的新 型噴涂機(jī)器人。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提出一種空間四自由度機(jī)構(gòu)，并基于該空間四自由度機(jī)構(gòu)發(fā)明了一種五自由度噴涂機(jī)器人。本發(fā)明提供一種空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括一個動平臺、一個運(yùn)動機(jī)架以及連 接所述動平臺和運(yùn)動機(jī)架之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈，所述四個支鏈 的結(jié)構(gòu)兩兩對稱，其中第一支鏈和第三支鏈的結(jié)構(gòu)相同，第二支鏈和第四支鏈結(jié)構(gòu)相同，第 一支鏈包括第一滑塊支架、第一連桿、第一滑塊及運(yùn)動副組I，第三支鏈包括第三滑塊支架、 第三連桿、第三滑塊及運(yùn)動副組III，所述運(yùn)動副組I和運(yùn)動副組III分別由三個運(yùn)動副 組成；第二支鏈包括第二滑塊支架、第二連桿、第二滑塊及運(yùn)動副組II，第四支鏈包括第四 滑塊支架、第四連桿、第四滑塊及運(yùn)動副組IV，所述運(yùn)動副組II和運(yùn)動副組IV分別具有四 個運(yùn)動副；第一滑塊支架和第三滑塊支架分別固接在運(yùn)動機(jī)架上，第二滑塊支架和第四滑 塊支架與運(yùn)動機(jī)架之間分別通過轉(zhuǎn)動副連接，所述四 個支鏈與動平臺及運(yùn)動機(jī)架連接形成 一個空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個連桿和四個滑塊之間的四個移動副分別主動驅(qū) 動，以實(shí)現(xiàn)動平臺的兩個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副組I包括連接于第一滑塊支架和第一滑塊之間的 轉(zhuǎn)動副、連接于第一滑塊和第一連桿之間的移動副和連接于第一連桿和動平臺之間的球 副；運(yùn)動副組III包括連接于第三滑塊支架和第三滑塊之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第三滑塊和 第三連桿之間的移動副和連接于第三連桿和動平臺之間的球副；運(yùn)動副組II包括連接于 第二滑塊支架和運(yùn)動機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第二滑塊支架和第二滑塊之間的轉(zhuǎn)動副、 連接于第二滑塊和第二連桿之間的移動副和連接于第二連桿和動平臺之間的球副；運(yùn)動副 組IV包括第四滑塊支架和運(yùn)動機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第四滑塊支架和第四滑塊之間 的轉(zhuǎn)動副、連接于第四滑塊和第四連桿之間的移動副和連接于第四連桿和動平臺之間的球 副。本發(fā)明還提供一種裝備有上述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五自由度噴涂機(jī)器人，該噴涂機(jī)器人包 括噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元和移動單元兩個部分，所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)架安裝在直線導(dǎo)軌上， 可以實(shí)現(xiàn)水平移動，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺上安裝霧化器形成噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元，通過將移 動單元的運(yùn)動與空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)單元的運(yùn)動相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元的三個移動自由 度和兩個轉(zhuǎn)動自由度的五自由度運(yùn)動。本發(fā)明所述的五自由度噴涂機(jī)器人，導(dǎo)軌為弧形導(dǎo)軌以用來適應(yīng)不同形狀零部件 的噴涂。本發(fā)明所述的五自由度噴涂機(jī)器人，可用于汽車零部件的自動化噴涂作業(yè)。本發(fā)明中的噴涂機(jī)器人有如下優(yōu)點(diǎn)(1)柔性程度高，可適應(yīng)不同零部件的噴涂 作業(yè)環(huán)境；(2)速度快、靈活性好；(3)相對于串聯(lián)機(jī)構(gòu)更容易控制，噴涂精度易于保證；(4) 工作空間大，在導(dǎo)軌上可實(shí)現(xiàn)大范圍移動；(5)結(jié)構(gòu)對稱，易于制造，成本較低，更容易實(shí)現(xiàn) 模塊化加工。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-導(dǎo)軌、2-運(yùn)動機(jī)架、3-第二滑塊、4-第二連桿、5-第三連桿、6-第二滑塊支 架、7-第一滑塊支架、8-第一連桿、9-第一滑塊、10-第四連桿、11-第四滑塊支架、12-第四 滑塊、13-動平臺、14-第三滑塊、15-第三滑塊支架、16-待噴涂零部件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，結(jié)合附圖1詳細(xì) 說明如下如圖1中所示，空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括動平臺13、運(yùn)動機(jī)架2、和連接所述動 平臺13和運(yùn)動機(jī)架2之間的第一、第二、第三、第四支鏈。由于結(jié)構(gòu)兩兩對稱，其中第一支 鏈和第三支鏈結(jié)構(gòu)相同，第二支鏈和第四支鏈結(jié)構(gòu)相同。所述的結(jié)構(gòu)相同的第一、第三支鏈 分別包括第一滑塊支架7、第一滑塊9、第一連桿8、及運(yùn)動副組I和第三滑塊支架15、第三 滑塊14、第三連桿5、及運(yùn)動副組III。所述的運(yùn)動副組I和運(yùn)動副組III各由三個運(yùn)動副 組成，分別是連接于第一滑塊支架7和第一滑塊9之間的轉(zhuǎn)動副(R)，連接于第一滑塊9 和第一連桿8之間的移動副(P)，連接于第一連桿8和動平臺13之間的球副(S)；和連接于 第三滑塊支架15和第三滑塊14之間的轉(zhuǎn)動副(R)，連接于第三滑塊14和第三連桿5之間 的移動副(P)，連接于第三連桿5和動平臺13之間的球副(S)。其中第一、第三滑塊支架分 別固定連接在運(yùn)動機(jī)架上。所述的第二、第四支鏈分別包括第二滑塊支架6、第二滑塊3、 第二連桿4及運(yùn)動副組II，和第四滑塊支架11、第四滑塊12、第四連桿10及運(yùn)動副組IV。 所述的運(yùn)動副組II和運(yùn)動副組IV各由四個運(yùn)動副組成，分別是連接于第二滑塊支架6和 運(yùn)動機(jī)架2之間的轉(zhuǎn)動副(R)，連接于第二滑塊3和第二滑塊支架6之間的轉(zhuǎn)動副(R)，連 接于第二滑塊3和第二連桿4之間的移動副(P)，連接于第二連桿4和動平臺13之間的球 副(S)；和連接于第四滑塊支架11和運(yùn)動機(jī)架2之間的轉(zhuǎn)動副(R)，連接于第四滑塊12和 第四滑塊支架11之間的轉(zhuǎn)動副(R)，連接于第四滑塊12和第四連桿10之間的移動副(P)， 連接于第四連桿10和動平臺13之間的球副(S)。上述的四個支鏈和動平臺13、運(yùn)動機(jī)架2 連接構(gòu)成空間四自由度機(jī)構(gòu)，其中的四個移動副(P)分別被驅(qū)動，控制動平臺13的位置和 姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)其兩個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。仍然如圖1所示，基于上述的空間四自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供一種空間五自 由度的噴涂機(jī)器人，該噴涂機(jī)器人包括噴涂作業(yè)單元和移動單元兩個部分，所述實(shí)現(xiàn)噴涂 動作的機(jī)構(gòu)是一個四自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)架2安裝在導(dǎo)軌1上，通過 移動副(P)連接，來實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的大范圍水平移動。通過將移動單元的運(yùn)動和空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)單元的運(yùn)動相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)該噴涂機(jī)器人 的五自由度運(yùn)動，可以完成對絕大多數(shù)的汽車零部件的自動化噴涂作業(yè)。本實(shí)施例圖1中 導(dǎo)軌1是直線形的，可以理解的是，如有需要可以將其導(dǎo)軌1變成彎曲的，也可以將該噴涂 機(jī)器人整體翻轉(zhuǎn)90° (將導(dǎo)軌1豎直放置)，以適應(yīng)不同形狀和規(guī)格的待噴涂零部件的噴 涂作業(yè)環(huán)境。本發(fā)明不限于上述的具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的技術(shù)方案的啟 示下作出相應(yīng)的替換和修改，均在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于該并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括一個動平臺、一個運(yùn)動機(jī)架以及連接所述動平臺和運(yùn)動機(jī)架之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈，所述四個支鏈的結(jié)構(gòu)兩兩對稱，其中第一支鏈和第三支鏈的結(jié)構(gòu)相同，第二支鏈和第四支鏈結(jié)構(gòu)相同，第一支鏈包括第一滑塊支架、第一連桿、第一滑塊及運(yùn)動副組I，第三支鏈包括第三滑塊支架、第三連桿、第三滑塊及運(yùn)動副組III，所述運(yùn)動副組I和運(yùn)動副組III分別由三個運(yùn)動副組成；第二支鏈包括第二滑塊支架、第二連桿、第二滑塊及運(yùn)動副組II，第四支鏈包括第四滑塊支架、第四連桿、第四滑塊及運(yùn)動副組IV，所述運(yùn)動副組II和運(yùn)動副組IV分別具有四個運(yùn)動副；第一滑塊支架和第三滑塊支架分別固接在運(yùn)動機(jī)架上，第二滑塊支架和第四滑塊支架與運(yùn)動機(jī)架之間分別通過轉(zhuǎn)動副連接，所述四個支鏈與動平臺及運(yùn)動機(jī)架連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個連桿和四個滑塊之間的四個移動副分別主動驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)動平臺的兩個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于運(yùn)動副組I包括連接于第一滑塊支架 和第一滑塊之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第一滑塊和第一連桿之間的移動副、和連接于第一連桿 和動平臺之間的球副；運(yùn)動副組III包括連接于第三滑塊支架和第三滑塊之間的轉(zhuǎn)動副、 連接于第三滑塊和第三連桿之間的移動副、和連接于第三連桿和動平臺之間的球副；運(yùn)動 副組II包括連接于第二滑塊支架和運(yùn)動機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第二滑塊支架和第二 滑塊之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第二滑塊和第二連桿之間的移動副、和連接于第二連桿和動平 臺之間的球副；運(yùn)動副組IV包括連接于第四滑塊支架和運(yùn)動機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第 四滑塊支架和第四滑塊之間的轉(zhuǎn)動副、連接于第四滑塊和第四連桿之間的移動副、和連接 于第四連桿和動平臺之間的球副。
3.一種具有如權(quán)利要求1或2所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五自由度噴涂機(jī)器人，該噴涂機(jī)器人包 括噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元和移動單元兩個部分，所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)架安裝在直線導(dǎo)軌上， 可以實(shí)現(xiàn)水平移動，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺上安裝霧化器形成噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元，通過將移 動單元的運(yùn)動與空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)單元的運(yùn)動相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元的三個移動自由 度和兩個轉(zhuǎn)動自由度的五自由度運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴涂機(jī)器人，可以用來完成對汽車零部件的自動化噴涂作 業(yè)，導(dǎo)軌為弧形導(dǎo)軌用來適應(yīng)不同形狀零部件的噴涂作業(yè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于四自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五自由度噴涂機(jī)器人，屬于機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域。該噴涂機(jī)器人包括移動單元和噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元兩個部分，噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)架是移動單元的運(yùn)動部分，通過導(dǎo)軌可實(shí)現(xiàn)大范圍的直線移動。所述噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)包括一個安裝霧化器的動平臺和一個運(yùn)動機(jī)架，和連接所述動平臺和運(yùn)動機(jī)架之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈及第四支鏈，由于結(jié)構(gòu)對稱，所述的第一支鏈和第三支鏈的結(jié)構(gòu)相同，第二支鏈和第四支鏈結(jié)構(gòu)相同。四個支鏈與動平臺以及運(yùn)動機(jī)架連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過四個輸入運(yùn)動驅(qū)動動平臺運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)兩個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。通過將移動機(jī)構(gòu)單元的運(yùn)動和噴涂作業(yè)機(jī)構(gòu)單元的運(yùn)動相結(jié)合，可使該噴涂機(jī)器人實(shí)現(xiàn)三個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。所述噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)對稱，靈活性好、精度和剛度高，易于制造，方便控制，容易實(shí)現(xiàn)模塊化。
文檔編號B05B15/08GK101966507SQ20101050758
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者仇洪根, 劉辛軍, 吳超, 王立平, 陳祥 申請人:江蘇長虹涂裝機(jī)械有限公司;清華大學(xué)