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多品種小批量生產(chǎn)零件的機器人自動噴漆
摘要：隨著信息技術的發(fā)展，傳感器和工藝處理能力可全面實現(xiàn)工業(yè)任務上的自動機器人編程。本文對歐盟曲面噴涂項目做了闡述，該項目設計出一種自動生成未知零件噴涂的機器人程序方法。其解決方案采取了四個步驟：激光三角法感測，幾何特征檢測，噴槍路徑規(guī)劃，生成無碰撞的可執(zhí)行機器人程序。在工業(yè)伙伴展示中顯示出了它的結果。
關鍵詞：自動機器人編程，特征檢測，軌跡生成，碰撞避免，噴漆
1.引言
歐盟RTD中曲面噴涂項目的目的在于實現(xiàn)小批量多品種零件噴涂的自動機器人編程。由于機器人程序是根據(jù)每個單一品種零件而建立的（使用離線編程/人工示教編程），近來機器人噴涂在大批量規(guī)模生產(chǎn)上是經(jīng)濟可行的。該項目的目的是提供在大部分零件（見圖1）的噴涂中使用機器人的經(jīng)濟可能性。其目標是要減少近75﹪的人類編程工作和90﹪的人類噴漆工作。
該技術的挑戰(zhàn)是建立一種可以類似漆工那樣噴涂從未見過的幾何形狀以完成噴涂任務的方法。一種可能的解決方案是利用CAD數(shù)據(jù)計算噴涂的路徑并測量實際的零件位置。然而，三維CAD數(shù)據(jù)往往不充分，因此這種方法只限于少數(shù)的應用中使用。曲面噴涂中的“逆算法”已被開發(fā)出，它不需要任何CAD數(shù)據(jù)。
該方法是自動從距離傳感口數(shù)據(jù)得到機器人的噴涂路徑并自動生成可行的、完整的、可執(zhí)行的機器人程序。這種方法用來處理廣泛范圍的零配件，例如電機齒輪、框架零件（車鏡、板、管等）或大型壓縮機油箱。對于每個工業(yè)客戶零件系列是已知的（包括多達70個變種）。其目標是能夠噴涂沿著傳送帶傳送的任何次序零件。該技術的挑戰(zhàn)是檢測傳送帶上零件的幾何形狀，根據(jù)零件的幾何形狀自動推斷出機器人的噴涂軌跡并自動生成無碰撞機器人程序。
1.1相關工作
相關工作是自動生成一個三維噴涂路徑，這已在SmartPainter項目中進行了嘗試。噴涂的運動是通過虛擬地折疊出的被涂曲面而生成的。顯示出噴涂的運動和折疊后的曲面，讓噴涂的運動按照這個折疊曲面而運動。然而，這種方法只適用于當物體3D模型是可以利用的并且物體的曲率相對比較小的情況下。從“先進機器人技術”取得的專利技術采用了二維數(shù)碼照片作為輸入[美國專利 專利號：US 5429689]。用戶在屏幕上決定采用噴涂三維的位置，然后由機器人自動完成對噴涂軌跡的規(guī)劃。
獲取自動刀具的3D路徑第一種方法是由考慮平截面銑削渦輪葉片情況下使用網(wǎng)格單元格的方法而得到的。
2.曲面噴涂方法
曲面噴涂方法的建立基于以下觀察，即對于整個產(chǎn)品系列零件由大量帶典型特征的初等幾何元素形成。例如肋板結構（冷卻肋板），圓柱形表面（典型的如馬達）和腔體（典型的如空心結構或要獲取剛度結構）。另一種類型的表面，例如后視鏡的表面。這些表面是自由過渡的光滑表面，而且很難用簡單的幾何屬性表達，例如圓筒、球形、和箱體。根據(jù)初等幾何，這項技術目標變成了指定這些初等幾何用于幾何方法檢測，實現(xiàn)路徑規(guī)劃的可開發(fā)，在應用中見到的各種幾何包含在初等幾何中。
初等幾何類型的技術參數(shù)是根據(jù)觀察到的零件幾何結構和噴涂過程中的約束來確定的。其主要思想是檢測噴涂過程中的初等幾何使其可以鏈接到一個特定的工藝模型。例如平幾何的表面可以用簡單的直線模式進行噴涂。更為復雜的幾何形狀，例如腔體或肋板狀物需要特定的噴涂方法，噴涂腔體和噴涂與肋骨取向平行的要分開來。
初等幾何類型在幾何庫中已定義并且與工藝庫中規(guī)定的工藝知識有關。完整的曲面噴涂方法如圖2所示。接下來的章節(jié)將概述其主要組成部分。
2.1用激光三角測量傳感器的零件測量
當工件在傳送帶上運動，激光測距傳感器裝置掃描零件并獲得該對象的三維測量點數(shù)據(jù)。掃描由輸送機的實際零件的運動而觸發(fā)（見圖3）。對于大小為一米的零件，獲得了高于一毫米的分辨率。它采取了高達700每秒的掃描速度。如圖4所示，這是通過標定取得的。
往往一些零件是安放在框架或墊木上的。這種情況下，框架或墊木被掃描并且從最后的圖像中除去。圖5顯示了一個例子，零件與框架一起被測量并且零件的數(shù)據(jù)被自動提取。對于每一個檢測的零件，所有其他工藝步驟都是單獨執(zhí)行的。最后，如果零件相互靠得近，較大機器人的噴涂運動是從一次行程噴涂多個零件而獲得。
2.2特征檢測器
由ACIN開發(fā)的特征檢測器具有使用幾何庫的幾何定義檢測出零件幾何的任務。輸出是掃描零件使用初等幾何表面的說明。
特征檢測器檢測與噴涂工藝相關的三種特征：自由曲面、腔體和肋狀部分。傳統(tǒng)的距離圖像處理通常從分割開始。檢測出的特征限于已定義幾何性質(zhì)，如平面或二次曲線。
三種特征的具體幾何特征并不清楚，它們只是用來進行特征定義。因此需要一個通用方法進行特征檢測。
圖6總結了已開發(fā)的圖像處理過程。采用被分割成單個部分的標定圖像并且通過具體過程來檢測三種基本特征，這個具體過程下面將簡要概述。具體可見參考[8]。
首先腔體和肋骨狀結構被檢測出后，所有剩余的零件表面將被認為是自由曲面。腔體被定義為一個表面點比周圍邊緣（通常意義上的外表面）局部上低的區(qū)域。其挑戰(zhàn)是建立一個彈健的方法來處理距離數(shù)據(jù)噪音和陰影。
腔體邊緣的檢測精度在某種程度上取決于其分辨率。通過使用插值點法被發(fā)現(xiàn)的腔體還包括傳感器陰影的潛在區(qū)域。這一點對于在噴涂工藝中檢測整個腔體區(qū)域很重要。腔體然后表示為網(wǎng)格，以涵蓋整個開放的腔體。圖7顯示了完整零件的網(wǎng)格表示。開放的腔體用黑網(wǎng)表示。網(wǎng)格表示也有它的好處，它可以顯著減少數(shù)據(jù)使噴涂軌跡的自動生成速度快。
圖7表明了噪音容錯方法的缺陷。最終的網(wǎng)格在表示兩個套接的腔體之間的直拐角和極窄邊（3像素）上有一定困難。然而改善三角測量凹面區(qū)域的方法已經(jīng)在開發(fā)中。
肋狀部分是用最少數(shù)量等距平行線而定義的。邊緣檢測后，原始的直線段根據(jù)共線性、鄰近性和重疊性分為長線段。使用平行性將這些線進行編組。最終，形成所有線段組的特征向量(距離、重疊、長度、線數(shù))，并用來分類肋板結構。圖8給出了一個分組結果的例子。
2.3噴涂規(guī)劃器
在接下來的工藝步驟中噴槍的噴涂軌跡是根據(jù)每個初等幾何計算而來。鄰近的噴涂行程相連接以獲得更長、更流暢的噴涂軌跡。最終的結果是一個完整的噴槍噴涂軌跡。另外生產(chǎn)噴涂軌跡模塊如圖2所示，它指定一個滿足期望噴涂質(zhì)量的噴槍軌跡。在該模塊中，只有噴槍的運動被認為與工藝質(zhì)量有關。對機器人沒有約束，不考慮噴槍和它所工作環(huán)境之間的碰撞。為了規(guī)劃出噴槍的運動軌跡，這個模塊使用了幾何庫和工藝庫。幾何庫為每一個幾何基元指定了一個或多個噴涂步驟，這些步驟可以應用于噴涂特定類型的幾何基元。噴涂步驟中指定了如何使噴槍的運動適應所噴涂表面以獲得良好工藝要求。工藝庫是通過實驗工作建立的。
它的基本思路是為了確保噴涂行程的規(guī)劃連續(xù)地貫穿于整個零件，即使不同的幾何基元必須沿著這些表面覆蓋,而連續(xù)機器人運動不能沿著零件表面。該系統(tǒng)將嘗試使用面向少數(shù)主要方向上的較大平面區(qū)域（虛擬表面）去逼近曲面模型的三角曲面。圖9顯示了一個由不同規(guī)格的三角形曲面構成的變速箱幾何模型。
在圖10中，曲面是近似曲面，并且曲面被劃分為虛擬曲面。噴涂步驟的執(zhí)行與這些虛擬曲面有關。每一個虛擬曲面只代表一種類型的幾何基元，相同的噴涂步驟因此可以使用于整個零件表面。如果不同的幾何基元隨著表面呈現(xiàn)出來，系統(tǒng)將會嘗試去建立連續(xù)噴槍運動覆蓋虛擬曲面，而這些虛擬曲面彼此相互連續(xù)。噴槍的運動是根據(jù)噴涂路徑而指定的，例如圖11中的說明。
通過這個和圖10所示，可以看出噴涂路線遵循指定方向和虛擬曲面的平面位置。噴涂工藝指定了執(zhí)行多少必須沿著噴涂路徑噴涂行程，并指定了哪些噴涂參數(shù)應用于這些沖程中的每一個行程。
4.結論及展望
一種對系列化未知零件的自動噴涂方法已被提出。這種方法在噴涂單元的前面使用了傳感單元，而噴涂單元處可以獲得零件的幾何形狀。從零件的幾何特征提取出工藝相關特征，找出相應的噴涂路徑，分組得到最優(yōu)噴涂軌跡。最終生成無碰撞機器人運動軌跡和可執(zhí)行機器人程序。
所有的步驟都是自動的，不需要任何操作人員的干預。個性化的工具（特征檢測器、軌跡規(guī)劃器、噴槍規(guī)劃器）存在于原型版本中。在工業(yè)客戶中的首次實施表明了該方法是可行的。掃描零件，自動生成機器人程序，使用常規(guī)的微機技術其速率為每分鐘一個零件。
目前只有凸形零件可以自動噴涂，盡管L形零件也可以。復雜凹形結構，例如圖15中載重汽車的地盤是不能夠自動噴涂的。
人們計劃提高曲面噴涂工藝，即使用機器人內(nèi)置式傳感器掃描用固定傳感器而不能看見的零件部分。另一個拓展將會用于實施“示教”除已有幾何特征的其它特征。
盡管該項目主要是為了實現(xiàn)機器人噴涂，但提出來的“逆向法”可以應用于在表面處理領域上的大范圍工藝中獲取工藝運動。這種方法有望應用的工藝例子有：粉末噴涂、液體洗滌和清洗（包括高壓清洗）、物理接觸式洗滌和清洗工具與零件之間的部分、脫脂、噴砂、拋光、密封、研磨、去毛刺和膠合。
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任務書
系 別
專業(yè)
班級
學生姓名
學號
指導教師
職稱
高級講師
題 目
噴漆機械手設計及運動仿真
論文（設計）的主要任務與具體要求（有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術指標要求）
本課題是為噴漆設計的機械手。工業(yè)機械手是按預定要求，模仿人體上肢功能，完成噴漆自動化操作。是減輕工人勞動強度，改善工作環(huán)境，提高工作效率，實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。
本課題應用CAD技術對機械手進行結構設計，傳動設計和控制系統(tǒng)的設計,并進行運動仿真。它可以實現(xiàn)噴漆的自動化操作。機械手的自由度, 動作程序和速度按生產(chǎn)實際要求設定。 主要完成
1、開題報告（包含文獻綜述），外文資料的翻譯（2000字符以上）；
2、完成設計草圖；
3、根據(jù)設計草圖完成參數(shù)、尺寸計算；
4、完成設計圖紙及CAD圖，（折合2張以上A0圖）；
5、完成設計說明書。（8000字以上）。
6、UG三維造型。完成運動仿真
進度安排（包括時間劃分和各階段主要工作內(nèi)容）
第七學期 第八周~第十三周 畢業(yè)設計開題報告
第七學期 第十四周~第十九周 主要設計工作，包括草圖、結構設計及工程圖等
第八學期 第三周 中期檢查
第八學期 第六周末 上交初稿（包括圖紙、說明書、外文資料），老師審閱初稿，提出修改意見。
第八學期 第十一周 上交終稿（上交所有資料的紙質(zhì)和電子版）
第八學期 第十二周～第十三周(2014.5.24日前) 答辯
主要參考文獻
1、機械設計手冊編委會：《機械設計手冊》 機械工業(yè)出版社, 2007
2、《工業(yè)機械手》編寫組：《工業(yè)機械手-機械結構上》 上海科學技術出版社
3、左鍵民主編：《液壓與氣壓傳動》 機械工業(yè)出版社, 2008
4、大連理工大學工程畫教研室編：《機械制圖》 高等教育出版社， 2007
5、楊可楨主編：《機械設計基礎》 高等教育出版社， 2006
6、周曉邑主編：《機械制造基礎》 北京理工大學出版社， 2008
7、孫靖民主編：《機械優(yōu)化設計》 ，機械工業(yè)出版社 2008
8、陳震邦主編：《工業(yè)產(chǎn)品造型設計》 機械工業(yè)出版社 2010
9、叢曉霞主編：《機械創(chuàng)新設計》 北京大學出版社 2008
指導教師簽名
系（教研室）審核意見
任務接受人（簽名）
年 月 日
審核人簽名： 年 月 日
年 月 日
備注：1、本任務書一式三份，由指導教師填寫相關欄目，經(jīng)系審核同意后，系、指導教師和學生各執(zhí)一份。
2、本任務書須裝入學生的畢業(yè)設計（論文）檔案袋存檔。
畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者:
學 號：
系:
專 業(yè):
題 目:
噴涂機器人機械設計
副教授
指導者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務)
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務)
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
本課題設計了一種經(jīng)濟型噴涂機器人，可應用于汽車車身噴涂等涂裝生產(chǎn)線中。該機器人由步進電機驅(qū)動，采用關節(jié)型坐標結構，具有五個自由度，其工作空間范圍為2600×1200×900。機器人機身采用齒輪傳動，上下臂用滾珠絲杠和搖桿機構傳動，手腕采用鏈傳動和齒輪傳動。機器人的控制方式為開環(huán)連續(xù)軌跡控制，采用手把手CP示教的方法示教。本文的設計重點是噴涂機器人的大臂系統(tǒng)，其大臂系統(tǒng)主要是指機械系統(tǒng)，并不包括控制系統(tǒng)。本設計包括大臂系統(tǒng)材料的選定，截面形狀的確定，外形結構的確定和驅(qū)動-傳動裝置的設計計算選擇以及彈簧平衡的計算。
關鍵詞 噴涂機器人 大臂系統(tǒng) 手把手CP示教
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Title Design of a Spray Coating Robot
——Design of the Big-arm System
Abstract
This topic has designed one economy spray coating robot, may apply in the automobile body spray coating and so on paints in the production line. This robot by step-by-steps the motor-driven, uses the joint coordinates structure, has five degrees of freedom, its working space scope for 2600×1200×900.The robot fuselage uses the gear drive, on the forearm with the ball bearing guide screw and the rocker mechanism transmission, the skill uses the chain drive and the gear drive. The robot control mode for the split-ring continual trajectory control, uses hand in hand the CP demonstration method demonstration. This article design key point is the spray coating robot big arm system, his/her the big arm system mainly refers to the mechanical system, not including control system. This design including big arm system material designation, section shape determination, contour structure determination and actuation pneumatic actuator design calculation choice as well as spring balance computation.
Keywords Spray coating robot Big-arm system r Teaching by hand
本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 27 頁 共 27 頁
1 引言
1．1 噴涂機器人的研究與應用
1.1.1 概述
從1962年美國研制出第一臺工業(yè)機器人以來，工業(yè)機器人至今已經(jīng)走過了4O多年的歷程。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，這些作業(yè)的勞動強度大，技術水平要求高，并且手工噴涂人員會因技術、體力等因素造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此為了改善勞動條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量降低成本，這個領域中大量地使用了機器人[1]。
國外從60年代開始研究噴漆機器人，直到60年代末挪威率先推出針對噴漆實際情況而設計的專用噴漆機器人。從此，噴漆機器人的研制和應用發(fā)展十分迅速，噴漆機器人在工業(yè)發(fā)達國家80年代已達到普及階段。例如美國的FUDGE公司和德國的HATEL公司以及總部設在瑞士的ABB公司等都生產(chǎn)了各種型號的噴涂機器人。它廣泛地應用于汽車、農(nóng)機、發(fā)動機，工程機械、機床、家電等大、中型企業(yè)的實際噴涂作業(yè)[2]。機器人噴涂作為工業(yè)機器人的一個主要應用領域，主要包括噴漆、等離子噴涂、靜電噴涂、高速火焰噴涂等幾大類，采用工業(yè)機器人噴涂成形工藝，不僅可以改善工藝操作環(huán)境，還可以對噴涂軌跡和過程進行數(shù)字化描述、精確控制，從而顯著提高噴涂成形工藝的質(zhì)量和穩(wěn)定性[3]。
縱觀噴涂機器人這幾十年的發(fā)展，其經(jīng)歷了三次變革：第一次發(fā)生在1988年，從液壓傳動變成電傳動，第二次變革是從簡單的動作控制到過程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機器人，實現(xiàn)為客戶定制機器人，比如可以控制機器人噴漆時的空氣流量和油漆流量、噴涂范圍和形狀以及噴涂的色彩種類等等[4]。目前，工業(yè)機器人在噴漆方面的應用比例美國可達12％，世界平均可達5.1％[5]。
我國的噴涂行業(yè)特別是在陶瓷行業(yè)普遍采用人工作業(yè)的方式進行施釉，工人勞動強度大，特別是對工人身體有巨大傷害。而我國的相關的噴涂機器人行業(yè)起步較晚，僅有上海交大研制的上海III號噴涂機器人，國家機械工業(yè)局北京自動化所研制的PJ一1噴涂機器人等幾種相關產(chǎn)品。
1.1.2 噴涂機器人的應用
西方發(fā)達國家90年代以來汽車涂裝中的各噴涂工序普遍實現(xiàn)了自動化，隨著科技的發(fā)展，近十年機器人在工業(yè)現(xiàn)場已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢。由于使用機器人噴涂均勻性好，重復精確度遠遠高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，使工件噴涂質(zhì)量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機器人作業(yè)可大大降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，同時由于機器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時調(diào)整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率[6]。
噴涂機器人的離線編程技術現(xiàn)已比較成熟，其編程技術已普遍應用于機器人噴涂。而噴涂機器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項目已實現(xiàn)了對凸形零件的自動噴涂[7]。
在我國，噴涂機器人主要運用于汽車制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴涂技術應用于噴涂機器人上，使其噴涂質(zhì)量有了一定的提高[8,9]。而近些年開發(fā)出的柔性仿形自動噴涂系統(tǒng)，使噴涂機器人在汽車生產(chǎn)中越來越高效、高自動化[10]。
隨著ABB公司開發(fā)出了小型IRB52噴涂機器人,使噴涂機器人被用于消費類電產(chǎn)
品（蘋果公司的IPOD）的噴涂。繼噴涂機器人用于消費電子產(chǎn)品的噴涂，其逐漸被包裝業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)使用。除了在工業(yè)上的應用，噴涂機器人還被用于軍事上，
聞名于全球的F-22飛機就是運用噴涂機器人對機身實施噴涂的[11]。
噴涂機器人的離線編程系統(tǒng)在未來將得到更成熟的發(fā)展和更廣泛的應用。實際應用中可能遇到更為復雜的曲面上的噴涂作業(yè)，這就涉及到曲面分片后的噴槍路徑組合問題以及每一片邊界上的噴槍軌跡優(yōu)化問題。面向復雜曲面的噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化設計是下一步工作研究的方向[12]。隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展和自動控制水平的不斷提高，機器人將在未來得到更加廣泛的應用。噴涂機器人技術也必然隨之不斷的提高和進步，其他各種適合不同需求的涂裝機器人也將在不久的將來得以實現(xiàn)。
1.1.3 噴涂機器人實例
TRALLFA噴涂機器人
該噴涂機器人是l969年在挪威研制成功的。挪威的TRALLFA公司抓住了噴漆作業(yè)要求連續(xù)不問斷的特點，使得該機型的設計是成功的， 目前這種機型占世界噴漆機器人總擁有量的8O%。該機器人手臂為多關節(jié)式，采用電液驅(qū)動，由電腦控制，是一種示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人。TRALLFA噴涂機器人手腕部分細長，近似于人的手腕，動作靈活，操作輕便，可伸到狹窄空間進行噴涂，手腕采用萬向節(jié)，易于示教，存儲裝置的存儲容量大，能實現(xiàn)連續(xù)軌跡和點位控制， 編程容易， 動作平滑。后來該公司還推出了TR-4000型噴涂機器人，其采用了多項新技術。執(zhí)行機構配有新的平衡系統(tǒng)；采用可簡化執(zhí)行機構動作編程的新型分離活塞油缸；新型控制裝置存儲容量很大，具有很強的編輯功能和自診斷功能。
PJ- 1型噴涂機器
我國第一臺國產(chǎn)噴涂機器人是PJ—1型噴涂機器人。由北京機械工業(yè)自動化研究所研制并生產(chǎn)，是具有微機控制、示教再現(xiàn)、電液伺服驅(qū)動、5個自由度、關節(jié)式噴涂機器人。該機器人解決了許多機器人存儲容量小的問題，使機器人示教時間超過了當時國際先進水平的TRALLFA—400經(jīng)濟型噴涂機器人，實際應用效果也與其相當。PJ—1型噴漆機器人是我國最成熟、應用量最多的機器人。
紫外線自噴涂裝設備
2003年日本推出一種紫外線自動噴涂設備，有噴涂槍和噴涂機器人兩種[13]。它采用低壓噴槍，可節(jié)省涂料20%~30%，減少了有機廢氣，并避免臭氧層的破壞，由于噴涂是用紫外線輻射，干燥時間短，涂層硬度高。
IRB52小型噴涂機器人
2007年，瑞士ABB公司推出新款機器人——IRB52[14]。其噴涂解決方案以其獨特的集成工藝系統(tǒng)（IPS）為核心，可幫助現(xiàn)代制造企業(yè)提高噴涂品質(zhì)，優(yōu)化涂料消耗、縮短節(jié)拍時間，實現(xiàn)精確快速的工藝控制并簡化生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集，全面提升了應用設備的人性化水平。
1．2 噴涂機器人的特點和組成
1.2.1 噴涂機器人的特點
噴涂機器人是一種機體獨立、動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動噴涂機械。噴涂機器人除了具有示教再現(xiàn)功能外，還具有操作靈活方便、占地小、操作空間大、手腕緊湊、負載輕、精度較低、防爆等特征。
噴涂機器人可分為專用和通用型。前者操作噴槍運動的自由度不大于4個，適合于大批量生產(chǎn)流水作業(yè)，對形態(tài)變化不大的工件表面進行噴涂，動作比較簡單。后者操作噴槍的自由度不少于5個，它能十分靈活地模仿人的手臂和手腕的動作，對各種復雜的空間曲面進行噴涂。
噴涂機器人的臂部運動形式多采用關節(jié)式。其手臂由大臂和小臂兩部分組成，大臂與小臂之間以及大臂與機身之間均有關節(jié)(鉸鏈)連接，并有人手臂的某些特征。多關節(jié)式手臂有較強的越障礙物的功能，動作范圍是四種形式中最大的，非常適合于噴涂作業(yè)。由于噴涂工作的表面形狀大多較復雜，數(shù)學模擬極為困難，所以通用噴涂機器人必須配備示教再現(xiàn)編程方式。
1.2.2 噴涂機器人的組成
噴涂機器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測機構組成，噴涂及其輔助設備沒有什么特殊要求。
圖1—1 ABB公司噴涂機器人
1．3 噴涂機器人發(fā)展趨勢
隨著機器人生產(chǎn)商為客戶定制機器人，噴涂機器人需在以下幾個方面進一步展，
以滿足越來越多客戶的使用需求，使噴涂機器人的應用范圍更為廣泛。
（1）為客戶提供更加完整的解決方案，設計出超越客戶所提要求的機器人。
（2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿足越來越多如消費類電子產(chǎn)品等小零
件的噴涂和特殊環(huán)境下的噴涂[15]。
（3）開發(fā)開放式結構機器人控制器，使用戶可以方便的擴展和改進其性能。
（4）實現(xiàn)噴涂機器人的模塊化，使其方便安裝和維護，并且緊湊可靠[16]。
（5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實現(xiàn)噴涂機器人與外界設備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)工作，
并制定機器人語言規(guī)范，特別是動作級的編程語言規(guī)范[17]。
（6）大力研究開發(fā)對復雜自由曲面進行無人干涉的全過程自動噴涂的智能噴涂
系統(tǒng)。
1．4 課題研究意義
隨著國際制造業(yè)交流的日益廣泛，中國的制造業(yè)正面臨著與國際接軌，參與國際競爭的局面。適應快速變化的國內(nèi)外市場需求，以高質(zhì)量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展是我國企業(yè)必須向國外同行學習并提高自身競爭力的根本。工業(yè)機器人的出現(xiàn)很好的解決了傳統(tǒng)制造業(yè)中的一些難題，使得工業(yè)機器人在制造業(yè)中有很大的市場。噴涂機器人如今應用在很多領域，如噴釉機器人、噴漆機器人、噴漿機器人等。噴涂機器人的應用越來越廣泛，需求也越來越大，再加上其經(jīng)濟性也隨著科技的進步而愈發(fā)突出，所以對噴涂機器人的研究是相當有意義的。
本課題設計的是一種經(jīng)濟型的簡易噴涂機器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上下和左右擺動，機身的回轉(zhuǎn)運動，它可以應用于汽車車身噴涂生產(chǎn)線中，結構簡單實用。
2 總體方案設計
2．1 機械結構類型的確定
工業(yè)機器人的坐標形式有直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)坐標型和平面關節(jié)型[18]。
（1）直角坐標式機器人
這種機器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標測量機相似。這種形式的主要特點
是：a.結構剛度高，多做成大型龍門式或框架式機器人；b.3個關節(jié)的運動相互獨立，沒有耦合，不影響手爪的姿態(tài)，運動學求解簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)；c.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、橫梁等構件的限制；d.占地面積大，動作范圍小；e.它的控制方式與數(shù)控機床類似；f.操作靈活性較差。
（2）圓柱坐標式機器人
SCARA機器人有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向。
一個關節(jié)是移動關節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是
由兩旋轉(zhuǎn)關節(jié)的角位移及移動關節(jié)的唯一決定。這類機器人結構輕便、響應快，運動速度比一般關節(jié)式機器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。
（3）球（極）坐標式機器人
這類機器人占地面積小，工作空間較大，移動關節(jié)不易防護。
（4）關節(jié)式機器人
這類機器人由兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。這種構件動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵，這類機器人運動學較復雜，運動學反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進行控制時，計算量比較大。
由上面中各種坐標形式的比較，初步選用關節(jié)坐標型。課題中要求實現(xiàn)噴涂機器人的連續(xù)軌跡控制（CP），查閱現(xiàn)代工業(yè)中實際使用的機器人，如挪威生產(chǎn)的TRALLFE噴涂機器人為關節(jié)型機器人，6自由度，采用示教—再現(xiàn)方式，既可實現(xiàn)點位控制，也可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，則最終確定噴涂機器人采用關節(jié)坐標型。
2．2 自由度數(shù)的確定
自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不應包括手抓（末端操作器）的開合自由度[19]。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要六個自由度。但是，工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設計的，可能小于六個自由度，也可能大于六個自由度。本課題設計要求機身左右旋轉(zhuǎn)110°，大臂前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°，腕部左右擺動±110°，上下擺動±110°，因此可知噴涂機器人的自由度為五個。五個自由度中，機身的左右旋轉(zhuǎn)、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三個自由度實現(xiàn)噴涂機器人的位置移動，腕部的左右擺動和上下擺動兩個自由度實現(xiàn)噴涂機器人的姿態(tài)變化。
2．3 驅(qū)動方式的確定
驅(qū)動裝置是使機器人各個關節(jié)運行起來的傳動裝置。機器人的驅(qū)動方法一般有三種：液壓、氣動、電動[20]。
液壓驅(qū)動以高壓油為工作介質(zhì)。液壓驅(qū)動機器人的抓取能力可達上百公斤，液壓力可達7MPa，結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
氣壓傳動時最簡單的驅(qū)動方法，原理與液壓相似。這種機器人結構簡單，動作迅速，價格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，故此類機器人適宜抓取力要求較小的場合。
液壓是目前在工業(yè)機器人中用得最多的一種。電液壓驅(qū)動是利用各種液壓元器件產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構驅(qū)動機器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電液壓驅(qū)動具有無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點。
機器人的控制一般可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。查閱噴涂機器人實例，可知噴涂機器人多采用開環(huán)控制。液壓傳動一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低。
2．4 傳動方式的確定
傳動機構用來把驅(qū)動器的運動傳遞到關節(jié)和動作部位。機器人中常用的傳動機構有齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動及鏈傳動、流體傳動和連桿機構與凸輪傳動。下表2—1列出了一些常用傳動機構的性能對比表。
表2—1常用傳動性能對比表
序號
類別
特點
軸間距
應用場合
⑴
齒輪傳動
響應快，扭矩大，剛性好，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的改變和復合傳動
不大
腰、腕關節(jié)
⑵
諧波傳動
大速比，同軸線，響應快，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)矩大
零
所有關節(jié)
⑶
擺線針輪行星
傳動（RV）
大比速，同軸線，響應快，剛性好，體積小，重量輕，回差小，轉(zhuǎn)矩大
零
前三關節(jié)，特別是腕關節(jié)
⑷
渦輪傳動
大比速，交錯軸，體積小，回差小，響應快，剛性好，轉(zhuǎn)矩大，效率低，發(fā)熱大
交錯
不大
腕關節(jié)
手抓機構
⑸
鏈傳動
速比小，扭矩大，剛性與張緊裝置有關
大
腕關節(jié)
⑹
齒形帶傳動
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性差，無間隙
大
各關節(jié)的一級傳動
續(xù)表2—2
⑺
鋼帶傳動
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性與張緊裝置有關，無間隙
大
腕關節(jié)
⑻
鋼繩傳動
速比小，無間隙
特大
腕關節(jié)，
手抓機構
⑼
連桿及搖塊傳動
回差小，剛性好，扭矩中等，可保持特定位移，速比不均
大
腕關節(jié)，臂關節(jié)
⑽
滾動螺旋傳動
效率高，精度好，剛性好，無回差，可實現(xiàn)運動方式改變，速比大
零
直動關節(jié)，
手抓機構
⑾
齒輪齒條傳動
效率高，精度好，剛性好，可實現(xiàn)運動方式改變
交錯
直動關節(jié)，手抓機構
工業(yè)機器人的傳動機構有以下幾項基本要求[21]：
（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕。
（2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的出軸到桿件的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動。
（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。
（4）壽命長、價格低。
2.4.1 機身傳動方式的確定
由本課題中的設計要求可知，機器人的大臂連接在機座上，機座的旋轉(zhuǎn)帶動整個大小臂一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)噴涂機器人位置的變化，轉(zhuǎn)矩相比而言較大。
比較表2—2中的各種傳動方式的特點，結合實際要求初步選擇齒輪傳動和諧波傳動。查閱機器人中的常用的齒輪傳動機構可知行星齒輪傳動機構和諧波傳動機構是機器人上用得較多的。在本課題中采用漸開線圓柱直齒輪傳動。這種傳動的優(yōu)點是：①消除了軸向力，降低了對軸承和箱體的要求；②徑向力與傳動負載的大小成正比，對于壓力角為20°的標準齒輪，徑向力大約是傳動的0.35倍；③傳動的速度和功率范圍很大；④傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達99﹪；⑤瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；⑥結構緊湊。但其傳動有噪音、沖擊和振動，且需要調(diào)隙[22]。
為了降低傳動過程中的噪音和振動，可以提高傳動齒輪的制造精度，這樣可明顯降低傳動過程中的噪音和振動，提高抗沖擊的能力，而且傳動間隙可減小，提高傳動的平穩(wěn)性。
2.4.2 大小臂傳動方式的確定
本課題設計中要求噴涂機器人的大臂繞大臂與機座的轉(zhuǎn)動中心前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°。
液壓傳動有以下特點[22]：
①傳動效率高達0.9～0.98，可節(jié)省動力1/2～3/4，有利于主機的小型化及減輕勞動強度。
②摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)特性和提高工作精度。
③工作壽命長。
④傳動無間隙，無爬行，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動精度高。
⑤具有很好的高速性能。
⑥具有傳動的可逆性，既可把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，也可把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，且逆?zhèn)鲃有逝c正傳動效率相近。
⑦已經(jīng)實現(xiàn)系列尺寸標準化，提供了多用途的廉價產(chǎn)品，應用于精度要求不是很高的場合，節(jié)能并延長壽命。
2.4.3 腕部傳動方式的確定
腕部是機器人的小臂與末端執(zhí)行器（手部或稱手抓）之間的連接部件，其作用是利用自身的活動度確定手部的空間姿態(tài)。手腕的驅(qū)動方式一般有遠程驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種。直接驅(qū)動傳動線路短，剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。本課題中采用遠程驅(qū)動，其電機安裝在機器人的大臂、機座或小臂遠端上，通過連桿、鏈條或其他傳動機構間接驅(qū)動腕部關節(jié)運動，因而手腕的結構緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對改善機器人的整體動態(tài)性能有好處。
本課題中噴涂機器人的腕部上下擺動并左右擺動，是二自由度手腕。
查閱資料，發(fā)現(xiàn)一小型電動噴涂機器人EP—500S。其為關節(jié)式結構，有5個自由度，操作機腕部布置兩個相互垂直的伺服軸，能方便地產(chǎn)生噴槍的姿態(tài)變化動作。小臂和減速機之間用鏈條、鏈輪傳動。這種機構既把大、小臂之間的運動分開，互不影響，又可實現(xiàn)小臂平衡機構的力矩傳遞。該機構緊湊，傳動簡單。
2．5 平衡方式的確定
機身和臂部的運動較多，質(zhì)量較大，如果運動速度和負載又較大，當運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動。這將不僅影響機器人的精確定位，甚至會使其不能正常運轉(zhuǎn)。為了提高工作平穩(wěn)性，在設計時應采取有效地緩沖裝置吸收能量。
臂桿作為主要的運動部件需要重點考慮。為了減少驅(qū)動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進行動力平衡。臂桿平衡技術對提高操作機的整體性能和動態(tài)特性十分重要，也是簡化編程和控制的重要措施。常見操作機臂桿的平衡技術有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電機。
彈簧平衡一般可以使用長彈簧。分析表明，在關節(jié)模型中，只要采用合適剛度和長度的彈簧平衡系統(tǒng)，可以全部平衡關節(jié)模型重力項。本課題采用彈簧平衡，其結構簡單，通過適當改變彈簧的長度和剛度的修正即可達到所需的平衡要求。
2．6 噴涂機器人總體裝配示意圖
總結以上各種方案的選擇，確定噴涂機器人的總體裝配示意圖如下圖所示：
圖2—3噴涂機器人總體裝配示意圖
3 噴涂機器人大臂設計
3．1 大臂和小臂長的設計
圖3—1是關節(jié)型機器人工作空間的示意圖。
圖3—1 機器人工作空間的示意圖
圖中， 、分別為大臂和小臂的長度；
、分別為大臂的俯仰角度；
、分別為小臂的俯仰角度。
根據(jù)工作空間的范圍：長×寬×高=2600×1200×900mm3 ,結合示意圖可以得到以下關系式：
(3.1)
(3.2)
(3.3)
由于，，，，將數(shù)據(jù)代入上述關系式可求解得到：
=1004.5㎜
=1186.4㎜
根具所得值圓整：
=1100㎜
=1200㎜
3．2 大臂臂身的設計
3.2.1 大小臂連接處的設計
考慮到小臂系統(tǒng)、腕部是由液壓缸傳動，帶動手腕部分上下擺動和左右擺動，應選用遠距離間接傳動方式。
3.2.2 小臂驅(qū)動電機安裝位置
小臂驅(qū)動方式采用的是液壓驅(qū)動，因此，小臂驅(qū)動系統(tǒng)需要安裝在大臂臂身上進行固定?？紤]到系統(tǒng)配重問題，在系統(tǒng)工作過程中增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)重量，在大臂上伸出的板上做耳環(huán)。其安裝的具體結構如圖3—3所示。
圖3—3 小臂驅(qū)動
3.2.3 腕部驅(qū)動
一般機器人腕部驅(qū)動電機安裝在機器人的小臂或大臂上，這種安裝方法會增加機器人臂部的重量，降低機器人臂部運行的靈活性?？紤]到減輕機器人臂部重量的因素，采取腕部應用液壓驅(qū)動，通過銷軸與小臂相連，實現(xiàn)腕部的上下擺動和左右擺動。。其腕部安裝如圖3—4所示。
圖3—4腕部驅(qū)動電機安裝關節(jié)
3.2.4 大臂殼體結構
（1）材料的選擇
根據(jù)設計要求，機器人手臂要求完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一個方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。
機器人手臂選用的材料與一般結構材料不同。機器人手臂是一種伺服機構，要受到控制，因此要考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性應和材料的可加工性、結構性、質(zhì)量等性質(zhì)受到同等重視。
常用的機器人手臂材料有結構材料（如鋼，鑄鐵等）、輕型材料（如鎂合金、鋁合金等）、剛性材料和防震材料。本課題采用ZL401，其為鋁鋅合金，其鑄造性好，符合材料的選用要求。
（2）截面的確定
機器人連桿設計一般要求受到許多條件限制，有些甚至是相互矛盾的。這些限制可分為：
①為了給電線、信號線、軟管、功率傳送裝置及控制桿等提供通道，機器人連桿內(nèi)部要留有空腔部分；
②為了減少浪費工作空間，手臂的外形尺寸要受到限制；
③為了減少慣性力，連桿應盡可能的輕，同時有能承受電機和驅(qū)動器產(chǎn)生的最大負載；
④在連桿質(zhì)量確定后，連桿應具有盡可能高的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。
通過選擇合理的連桿截面形狀，可較好地滿足上述限制。機器人連桿截面的基本形狀為空心圓截面和空心矩形截面。當質(zhì)量相同時，正方形空心截面不僅比空心圓截面的壁更薄，而且剛度還提高了40﹪～60﹪。另外，正方形截面的內(nèi)部空腔面積比圓面積都要大43﹪～76﹪。
結合上述所提要求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結構如下圖
3—5所示。
（3）大臂的形狀
通過上步對截面形狀的確定，此時只需選擇合適的尺寸，以滿足工作空間的要求和大臂內(nèi)部部件的放置的合理性。設計示意圖如圖3—6所示。
圖3—5大臂截面
圖3—6大臂結構剖視圖
3．3 大臂系統(tǒng)設計
3.3.1 大臂驅(qū)動油缸安裝
大臂系統(tǒng)的驅(qū)動采用的是油缸轉(zhuǎn)動，活塞桿直線往復運動，以推動大臂擺動。大臂驅(qū)動油缸就需要固連在轉(zhuǎn)盤上以找到支撐點。由于大臂是做擺動，固連在大臂上的支點走過的路徑就是一條弧線。這就需要大臂驅(qū)動油缸鉸接的固定在機座的轉(zhuǎn)盤上，在機器人工作時隨機器人大臂進行一定角度的旋轉(zhuǎn)，以保證絲杠與大臂始終保持垂直的關系，否則對油缸就會造成損害。下圖3—7給出了大臂驅(qū)動油缸安裝在機座轉(zhuǎn)盤上的方法。
圖3—7 大臂驅(qū)動油缸安裝做臂于機 設計求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結果