噴涂機械手-文獻綜述

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1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述 課題名稱： 關(guān)節(jié)式噴漆機器人設(shè) 學(xué)院（系）: 年級專業(yè)： 學(xué)生：— 指導(dǎo)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(chǎn) 出的涂裝生產(chǎn)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(cè)， 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(fù)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(jīng)過五十多年的研究和發(fā)展， 機器人噴涂技術(shù)在國外已較成熟。 隨著噴 涂機器人的技術(shù)不斷創(chuàng)新， 噴涂精度空前提高， 在世界發(fā)達國家噴涂機器人 得到了廣泛的應(yīng)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(chǎn)噴涂機器人。同時還有很多小的生產(chǎn)企業(yè)，如瑞士金馬 股份生產(chǎn)和研發(fā)的靜電粉末噴涂設(shè)備。 到目前為止ABB^司是世界領(lǐng)先的噴涂自動化供應(yīng)商，在全球圍供應(yīng)噴 涂機器人，在噴涂機器人領(lǐng)域以及相關(guān)的噴涂技術(shù)領(lǐng)域都具有豐富的經(jīng)驗與 技術(shù)，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(chǎn)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(cè)噴機和頂噴機。減少噴漆室寬度，意味著減少固定設(shè)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(fù)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(zhì)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(chǎn)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(chǔ)上 開展研究，并研發(fā)周邊技術(shù)，在噴涂機器人產(chǎn)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(chǎn)的噴涂機器人一般工作不夠穩(wěn)定， 機器人重復(fù)精度低，使用 壽命短，噴涂質(zhì)量不理想，至今還未成功應(yīng)用于汽車車身噴涂生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備的作用，也有少數(shù)企業(yè)采用人工半自動噴涂， 噴涂產(chǎn)品的 質(zhì)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(chǎn)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(jù)需要設(shè)計機器人的末端執(zhí)行器， 配置機器人的軟 硬件及周邊設(shè)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(shè)立分公司。如 MOTOM與國首鋼合 作，生產(chǎn)和研發(fā)噴涂等工業(yè)機器人； ABBfe在中國的和設(shè)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(jīng)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(qū)動，示教再現(xiàn)式， 多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人。 在大規(guī)模的涂裝生產(chǎn)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(yīng)生產(chǎn)自動化發(fā)展的需要，改善勞動條件，提高 產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率， 降低生產(chǎn)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(shù)產(chǎn)品。具有設(shè)計方案合理，機、電、液匹配協(xié)調(diào)，控制系統(tǒng) 先進，元件國產(chǎn)化程度高等特點。 達到國自行設(shè)計同類產(chǎn)品的先進水平， 其 關(guān)鍵性能指標 （重復(fù)位置精度 ） 處于國領(lǐng)先地位。 研究主要成果 從機器人產(chǎn)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(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方 法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)， 拓展了機器人的工 作圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)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(gòu)，利用機器人技術(shù)，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(chǎn)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(lǐng)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(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)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(yīng)性。日本 KAWASAKIYASKAWAFANU和瑞典ABB德國KUKA REIs等公司都有此類產(chǎn) 品。 5） 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接， 使機器人由過去的獨立 應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步。 6） 可靠性 ： 由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)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(shù)與表面噴 涂工藝技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)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(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)的。近年來工業(yè)機器人領(lǐng)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(jié)構(gòu)向模塊化、 可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)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(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)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(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，采用模塊化結(jié)構(gòu) ;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(yīng)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(shù)來進行環(huán)境建模及 決策控制 ; 多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(chǎn)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(xué)與自動控制原理結(jié)合的產(chǎn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(jié)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(shù)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(yīng)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(guān)節(jié)間的動力學(xué)效應(yīng)非常顯著，不能忽略，從 而造成機器人各關(guān)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(guān)節(jié)傳遞函數(shù)模型為定值基礎(chǔ)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(yīng)性，其比例、積分、微分參 數(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號。、的機器人標定。根據(jù)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(guān)鍵技術(shù)。路徑規(guī)劃的好壞， 直接關(guān)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(zhì) 量的影響巨大。在獲取到工件的CAD數(shù)據(jù)后，基于有限元的思想，采用

17、虛擬 現(xiàn)實技術(shù)，先構(gòu)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(zhuǎn)換成最終執(zhí)行的機器人語言。 根 據(jù)噴槍在工件表面的涂層累積速率數(shù)學(xué)模型， 構(gòu)建工件曲面上任意一點的涂 層厚度數(shù)學(xué)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(guān)鍵技術(shù)研究]J ] ? [2] 邢東升.六自由度噴涂機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制]J]. [3] 南華.經(jīng)濟型噴漆機器人軌跡規(guī)劃及關(guān)節(jié)控制研究]J ]. [4] 殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機器人[M].:化學(xué)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(dǎo)教師審閱簽字: 年 月曰