噴涂機械手-文獻綜述

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1、本科畢業(yè)設計（論文）文獻綜述 課題名稱： 關節(jié)式噴漆機器人設 學院（系）: 年級專業(yè)： 學生：— 指導教師： 完成日期: 國外噴漆機器人發(fā)展概況 噴漆機器人在國外的使用可以追溯到 20世紀中葉。 1951年，美國 AustinMotors Longbridge 公司開始嘗試利用簡單的 3軸機器人定點自動涂 裝汽車外身。1958年，美國Morris Motors Cowley公司成功安裝了一條高產 出的涂裝生產線， 把所有的汽車外身的涂裝工作交給 3臺3軸機器人 （ 其中， 2 臺安裝在流水線的兩側， l 臺安裝在流水線上方 ） 完成。那時由于受機器人的 自由度和汽車身形狀復雜等因素

2、的限制， 3軸機器人還不能對汽車身進行涂 裝作業(yè)。 到了七、八十年代， 隨著第二代多軸機器人的研制工作取得很大進 展，美、日、歐等國的汽車涂裝線，己使用多軸機器人對車身部難以到達的 地方進行涂裝作業(yè)，朝著噴漆車間無人化的目標邁進了一大步。例如， Trallfa公司80年代推出的柔性機器人噴漆系統(tǒng) TRACS 經過五十多年的研究和發(fā)展， 機器人噴涂技術在國外已較成熟。 隨著噴 涂機器人的技術不斷創(chuàng)新， 噴涂精度空前提高， 在世界發(fā)達國家噴涂機器人 得到了廣泛的應用。著名的國外噴涂機器人廠家有瑞士和瑞典的 AB罰日本 的安JIIMOTOMA公司，同時德國的KUK公司、日本的FANU公司以及

3、美國的 ADEP公司均有生產噴涂機器人。同時還有很多小的生產企業(yè)，如瑞士金馬 股份生產和研發(fā)的靜電粉末噴涂設備。 到目前為止ABB^司是世界領先的噴涂自動化供應商，在全球圍供應噴 涂機器人，在噴涂機器人領域以及相關的噴涂技術領域都具有豐富的經驗與 技術，特別是為高端汽車噴涂開發(fā)出高性能的IRB5500噴涂機器人以及為低 成本的消費類電子產品噴涂開發(fā)了小型的IRB52噴涂機器人。 在汽車噴涂方面， 最新的噴涂工藝可保持油漆霧化裝置 （ 即旋杯 ） 在其最 佳路徑而盡可能減少非噴涂時間。 對機器人而言， 該新工藝則要求其具備高 速度和高加速度能力。IRB5500噴涂機器人具有獨特的運動和加速特

4、性（26m ／s2） ，允許噴漆室更窄更短．使得整個車身的噴涂可以在一個更加緊湊的 噴涂室進行，從而有效改善油漆流量和傳遞效率． 并能省去噴漆室的軌道軸。 IRB5500機器人一般安裝在噴漆室墻壁中間的高度上，這樣能夠讓機器人手 臂在車身表面平行移動， 如圖1-2所示。安裝在中間高度也使得維修人員更 容易到達機器人維修部位。常規(guī)的七軸噴漆機器人需要噴漆室寬度大約為 5. 5m而該機器人能夠在寬度為4.6m的噴漆室工作。這樣，它可以取代現(xiàn) 有噴漆室已安裝的側噴機和頂噴機。減少噴漆室寬度，意味著減少固定設備 投資和能源消耗，得到更低的運行成本。該噴漆機器人還允許省去一般機器 人所需要的軌道（

5、第七軸），簡化了安裝和維護，并減少了油漆和壓縮空氣管 的復雜性。 在中小零件的噴涂方面，ABB勺IRB52機器人提供另外一套完整的解決方 案。它更輕的質量（僅250kg）、更靈活的安裝方式（倒掛、壁裝、傾斜安裝和 地面安裝）、更大的手腕荷重（7kg）及相對較大的工作圍，使得該機器人能夠 用于絕大多數(shù)中小型零部件的高效噴涂， 如手機外殼、便攜電腦外殼、汽車 外殼、數(shù)碼相機外殼等消費類電子產品和車燈等汽車零部件。 因此ABB勺噴涂機器人在全世界被廣泛的采用。 國噴漆機器人發(fā)展概況 在國，噴涂機器人的研究始于上世紀八九十年代，最早開始噴涂機器人 研究的是機械工業(yè)自動化研究所機器人中心， 一

6、方面做為我國工業(yè)機器人行 業(yè)歸口單位，長期代銷國外的噴涂機器人，同時在國外噴涂機器人的基礎上 開展研究，并研發(fā)周邊技術，在噴涂機器人產品中先后開發(fā)出PJ系列電液伺 服噴涂機器人PJ.1、PJ.1A、PJ.IB、PJ-500和EP系列電動噴漆機器人EPS500、 EPF一600等。 到目前為止，噴涂機器人己成為國市場上最多的工業(yè)機器人之一， 但國 自主研發(fā)和生產的噴涂機器人一般工作不夠穩(wěn)定， 機器人重復精度低，使用 壽命短，噴涂質量不理想，至今還未成功應用于汽車車身噴涂生產線。 國使 用噴涂機器人的汽車制造廠家基本上都是采用國外的噴涂機器人， 并且很多 是照搬國外整條生產線，但普遍存在

7、消化難、維修難、升級難等問題，從而 難以真正發(fā)揮設備的作用，也有少數(shù)企業(yè)采用人工半自動噴涂， 噴涂產品的 質量難以保證， 工人勞動強度大， 而且涂料對人體健康有很大的損害， 因而 開發(fā)適合于國生產實際的高精度的噴涂機器人系統(tǒng)顯得非常迫切和必要。 目前，國的噴漆機器人工程項目大多采購如 Funac, Staubli , AB蒔國 外品牌的機器人， 然后根據需要設計機器人的末端執(zhí)行器， 配置機器人的軟 硬件及周邊設備。這種工程方法周期短、見效快。但是成本高。近年來由于 國汽車制造業(yè)和大型的機械制造業(yè)的發(fā)展和需求, 我國的許多汽車廠家和制 造業(yè)公司也正在開發(fā)和研究適合自己的噴涂機器人。 同時許多國

8、外知名噴涂 機器人廠家紛紛與國企業(yè)合作或者在國設立分公司。如 MOTOM與國首鋼合 作，生產和研發(fā)噴涂等工業(yè)機器人； ABBfe在中國的和設立分公司，主要銷 售噴涂和非噴涂兩類工業(yè)機器人。 與此同時，國也已經擁有相當數(shù)量的噴漆機器人，如南航研制的 PR．1 型噴漆機器人，該機器人為計算機閉環(huán)控制，電液伺服驅動，示教再現(xiàn)式， 多關節(jié)型工業(yè)機器人。 在大規(guī)模的涂裝生產線上， 用于噴涂工件表面的噴槍 通常被置于機器人的手臂上，即由噴漆機器人去完成對工件的噴涂作業(yè)。 PR 1型噴漆機器人是為適應生產自動化發(fā)展的需要，改善勞動條件，提高 產品質量和勞動生產率， 降低生產成本而研制的自動化噴涂裝置，

9、 也是機電 一體化的高技術產品。具有設計方案合理，機、電、液匹配協(xié)調，控制系統(tǒng) 先進，元件國產化程度高等特點。 達到國自行設計同類產品的先進水平， 其 關鍵性能指標 （重復位置精度 ） 處于國領先地位。 研究主要成果 從機器人產品方面看， 工業(yè)機器人已取得的研究成果主要表現(xiàn)在一下幾 個方面： 1） 機器人操作機 : 通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方 法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計。 以德國KUKA公司為代表的機器 人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構， 拓展了機器人的工 作圍，加之輕質鋁合金材料的應用， 大大提高了機器人的性能。 此外采用先 進的RV減速

10、器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。 2） 并聯(lián)機器人 : 采用并聯(lián)機構，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加 工。意大利COMA公司，日本FANU等公司已開發(fā)出了此類產品。 3） 控制系統(tǒng) :控制系統(tǒng)的性能進一步提高， 已由過去控制標準的 6軸機器 人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21軸甚至 27軸，實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。 人機 界面更加友好，基于圖形操作的界面也己問世。 編程方式仍以示教編程為主， 但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 4）傳感系統(tǒng) :激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得 到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及 精密

11、裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAWASAKIYASKAWAFANU和瑞典ABB德國KUKA REIs等公司都有此類產 品。 5） 網絡通信功能：日本YASKAWA德國KUK公司的最新機器人控制器已 實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網絡的聯(lián)接， 使機器人由過去的獨立 應用向網絡化應用邁進了一大步。 6） 可靠性 ： 由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機 器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTB一般為幾千 小時，而現(xiàn)在已達到 5萬小時，可以滿足任何場合的需求。 發(fā)展趨勢 因為噴漆機器人是工業(yè)機器人的一個

12、品種， 是工業(yè)機器人技術與表面噴 涂工藝技術結合的產物， 因此，噴漆機器人發(fā)展歷程是與工業(yè)機器人總體技 術的發(fā)展緊密相關的。近年來工業(yè)機器人領域的發(fā)展有如下幾個趨勢 ： 1） 工業(yè)機器人性能不斷提高 （高速度、高精度、高可靠性 ） ，而價格不斷 下降。 2） 機械結構向模塊化、 可重構化發(fā)展。 例如關節(jié)模塊中的伺服電機、 減 速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 ; 由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人 整機。 3） 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標 準化、網絡化;器件集成度提高，采用模塊化結構 ;大大提高了系統(tǒng)的可靠性、 易操作性和可維修性。 4） 機器人中傳感

13、器的作用日益重要， 除采用傳統(tǒng)的位置、 速度、加速度 等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器 人則采用視覺、 聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及 決策控制 ; 多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 5） 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用己從仿真發(fā)展到用于過程控制， 如使 遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6） 智能控制 智能控制理論的提出與發(fā)展為噴涂機器人帶來了新的思路。 智能控制是 人工智能、生物學與自動控制原理結合的產物， 是一種模仿生物某些運行機 制的、非傳統(tǒng)的控制方法。將神經網絡、模糊理論、人工

14、免疫、遺傳進化等 智能控制算法與PID理論相結合，用于PID參數(shù)的整定，成為未來機器人控制 發(fā)展的趨勢。 噴涂機器人技術難點 1?噴涂機器人的控制 噴涂機器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的 PID理論，在實際的應用中， 噴涂機器人機械臂的長度往往很長，當整個機械臂伸展開時大約可達到 2m 的長度，且運行速度較高，各關節(jié)間的動力學效應非常顯著，不能忽略，從 而造成機器人各關節(jié)的被控對象模型是時變的。 而傳統(tǒng)PID理論的比例（P）、 積分（I、、微分（D）參數(shù)的整定是建立在關節(jié)傳遞函數(shù)模型為定值基礎之 上的，這對傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動力模型的控制理論帶來了挑戰(zhàn)。 此外，實際工 業(yè)現(xiàn)場往往存在有各種

15、不確定的干擾，也會對 PID控制器造成影響。以上兩 個因素決定了 PID控制器必須具備一定的自適應性，其比例、積分、微分參 數(shù)應能夠隨著外界環(huán)境的改變而自動的變化。 噴涂機器人的位姿精度與標定 影響噴涂機器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與 動態(tài)因素。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時所帶來的機器人本體機械結構上的 誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機械部件的尺寸變化， 由此 造成機器人位姿的誤差。動態(tài)因素主要是由外力所引起的機械部件本身的彈 性變形所帶來的機器人運動誤差。為解決以上因素所造成的機器人位姿誤 差，必須在使用前對機器人進行標定， 建立機器人的參照模型，目前用

16、于機 器人標定的技術有基于三坐標測量儀的標定、基于激光跟蹤儀的機器人標定 以及基于 CCD（CCD英文全稱：Charge-coupled Device ，中文全稱：電荷耦合元 件?？梢苑Q為CCC圖像傳感器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數(shù)字信 號。、的機器人標定。根據機器人實際運行時的位姿與參照模型間的誤差， 建立機器人補償機制，以進一步提高機器人噴涂作業(yè)的精度。 噴涂路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃是噴涂機器人離線編程的另一項關鍵技術。路徑規(guī)劃的好壞， 直接關系到噴涂作業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻， 對噴涂工件的質 量的影響巨大。在獲取到工件的CAD數(shù)據后，基于有限元的思想，采用

17、虛擬 現(xiàn)實技術，先構建噴涂過程的虛擬過程，在虛擬的環(huán)境下進行噴涂作業(yè)， 定 義最優(yōu)的噴涂軌跡，同時將所定義的軌跡轉換成最終執(zhí)行的機器人語言。 根 據噴槍在工件表面的涂層累積速率數(shù)學模型， 構建工件曲面上任意一點的涂 層厚度數(shù)學表達式，用于優(yōu)化的方法，在曲面的函數(shù)空間尋求一條最優(yōu)路徑 的函數(shù)表達式，由此得出噴涂的軌跡路徑。 參考文獻 [1 ]永貴.噴漆機器人若干關鍵技術研究]J ] ? [2] 邢東升.六自由度噴涂機器人結構設計及控制]J]. [3] 南華.經濟型噴漆機器人軌跡規(guī)劃及關節(jié)控制研究]J ]. [4] 殷際英，何廣平.關節(jié)型機器人[M].:化學工業(yè)，2003: 165-167 [5] 機械部能京機械工業(yè)自動化研究所噴漆機器人課題組 .PJ-1型機 器人]J ] .20-21 指導教師審閱簽字: 年 月曰