（机械设计及理论专业论文）塑胶玩具喷涂机械手的设计与分析.pdf

摘要 摘要 目前，由于塑胶玩具喷涂作业的复杂性，喷涂自动化程度仍然很低。国内塑胶 玩具喷涂作业基本上还是靠手工完成，不仅劳动力成本高，而且喷涂作业对操作者 的人身危害较大。因此，研究开发塑胶玩具自动喷涂机器具有重要的意义，而其中 喷涂机械手是设计关键。国内外对于大型喷涂机械手的研究较多，有很多成熟的产 品，但是针对塑胶玩具特点喷涂的机械手研究较少，商品化程度较低。本文针对塑 胶玩具喷涂特点，进行了喷涂机械手的结构设计与分析，提出了一种五自由度串联 关节型玩具喷涂机械手，从仿真和分析的结果来看，机械手具有良好的喷涂性能。 主要设计内容如下： 第一，分析了国内外喷涂机械手的研究现状，针对现有自动喷涂结构设计上存 在的不足，提出了喷涂机械手结构设计的基本原则，在此基础上，通过对塑胶玩具 生产企业的调研，分析了塑胶玩具自动喷涂的具体特点，提出了一种五自由度串联 关节型喷涂机械手。基于作业空间，利用计算机辅助技术对本塑胶玩具喷涂机械手 的结构参数进行了分析，随后建立了优化模型，计算得到机械手结构参数的初步优 化解。从实用化角度考虑，提出了自动喷涂机器整体的结构方案和工作流程，以及 机械手的控制方案。具体完成了机械手的机座、移动关节手臂、手腕的设计。 第二，采用笛卡尔坐标系，通过d h 齐次坐标变换建立了机械手的运动学模型， 并进行正逆运动学的求解。根据机械手具体结构设计参数，利用三维实体建模软件 p r o e n g i n e e r 建立机械手的实体样机模型，并通过p r o m e c h a n i s m 模块对其进行运动 学仿真验证，使机械手整个运动过程直观化，仿真结果表明机械手的运动学方程求 解完全正确。 第三，基于蒙特卡洛模拟法，通过m a t l a b 编程对本塑胶玩具喷涂机械手工 作空间进行了数值解的描绘与分析。同时提出一种三维模型运动包络立体图解法分 析工作空间和工件的关系。 关键词：五自由度机械手；塑胶玩具自动喷涂；结构设计；运动学；仿真；工作空 间 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ea u t o m a t i o nl e v e lo fs p r a y i n gi s s t i l lv e r yl o w , b e c a u s es p r a y i n g p l a s t i ct o y si sac o m p l e xw o r k d o m e s t i cs p r a y i n gp l a s t i ct o y sa r eb a s i c a l l yc o m p l e t e d b yh a n d ，n o to n l yt h eh i g hc o s to fl a b o r , b u ta l s oh a r m f u lt ot h eo p e r a t o r t h e r e f o r e t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n ef o rp l a s t i ct o y si so f i m p o r t a n t 。n i f i c a n c e ，a n dt h ed e s i o f i s t h e m isslgnltlcance a n dt h ed e s i g no fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rst h ek e ya m o n gt h e mt h e r esa ， l o io fs t u d i e sf o rt h el a r g es p r a y i n gm a n i p u l a t o r sa th o m ea n d a b r o a d ，h a v em a n ym a t u r e p r o d u c t s ，b u ts t i l lf e w e rs t u d i e sa i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rf o r p l a s t i ct o y s ，t h ed e g r e eo fc o m m e r c i a l i z a t i o ni sl o w t h i sp a p e ra n a l y z e da n dd e s i g n e d t h es t r u c t u r eo fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r , a c c o r d i n gt o s p r a y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp l a s t i c t o y s ak i n do f5 - d o fs e r i e sc o n n e c t e dj o i n ts p r a y i n gm a n i p u l a t o rf o rp l a s t i ct o y sw a s i n v e n t e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e m a n i p u l a t o rh a sg o o d p e r f o r m a n c ef o rs p r a y i n gp l a s t i ct o y s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w s ： f i r s t ，a n a l y s eo ft h eo v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u so fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r , c o u n t e do nt h es t r u c t u r a ld e s i g ns h o r t a g e ，t h ea n i c l ep u tf o r w a r db a s i cp r i n c i p l e so f s p r a y i n gm a n i p u l a t o r o nt h i sb a s i s ，ak i n do f5 - d o fs e r i e sc o n n e c t e dj o i n ts p r a y i n g m a n i p u l a t o rf o rp l a s t i ct o y sw a si n v e n t e d ，a n a l y s et h ec h a r a c t e r is t i co fm a n i p u l a t o r , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ft o yp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s b a s e do nt h ew o r ks p a c e ， a n a l y z e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h em a n i p u l a t o rm a k eu s eo fc o m p u t e ra i d e d t e c h n o l o g i e s t h e na no p t i m i z a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a n dc a l c u l a t e d ，g e tt h e o r i g i n a lo p t i m i z e dr e s u l t f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp r a c t i c a lc o n s i d e r a t i o n s ，c o m eu pw i t h t h es t r u c t u r a l c o n c e p ta n dt h ew o r kp r o c e s s ，a n dc o n t r o lp r o g r a m so ft h es p r a y i n g m a c h i n e t h e n ，s o m ei m p o r t a n tp a r t so ft h em a n i p u l a t o rw e r ed e s i g n e dc o n c r e t e l y , s u c h a s ：t h em a n i p u l a t o rb a s e ，m o b i l ej o i n ta i m sa n dw r i s t s e c o n d ，t h em a n i p u l a t o r sk i n e m a t i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e db ym e a n so ft h ed h h o m o g e n e o u sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni nt h ec a r t e s i a nc o o r d i n a t e s ，a n dh a sb e e n s o l v e dp r o b l e m so fp o s i t i v ea n di n v e r s ek i n e m a t i c s u s e3 de n t i t ym o d e l i n gs o f t w a r e h a b s t r a c t p r o e n g i n e e r , e s t a b l i s h e d t h ee n t i t i e s p r o t o t y p em o d e lo ft h em a n i p u l a t o r ，a n d u s e p r o m e c h a n i s mm o d u l e sc o n d u c tk i n e m a t i c s i m u l a t i o n v e r i f i c a t i o n ，a c c o r d i n g t o m a n i p u l a t o r ss p e c i f i cs t r u c t u r a ld e s i g np a r a m e t e r s s ot h a t t h ew h o l em o t o rp r o c e s s m o r ev i s u a l i z e t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ek i n e m a t i ce q u a t i o ns o l u t i o ni s c o m p l e t e l yc o r r e c t t h i r d ，b a s eo nt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h r o u g ht h em a t l a b p r o g r a m m i n g ，g i v e sn u m e r i c a ls o l u t i o n sp a i n ta n da n a l y s i so fm a n i p u l a t o r sw o r ks p a c e ， w h i l ec o m eu pw i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw o r ks p a c ea n dw o r kp i e c eo f3 dm o d e l e n v e l o pg r a p h i c a lm e t h o da n a l y s i s k e y w o r d s ：f i v ed e g r e eo ff r e e d o mm a n i p u l a t o r ；a u t o m a t i cs p r a y i n gf o rp l a s t i ct o y s ； s t r u c t u r a ld e s i g n ；k i n e m a t i c s ；s i m u l a t i o n ；w o r k s p a c e c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c hin e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s ( c h in e s e ) i v c o n t e n t s v i i c h a p t e r1in tr o d u c tio n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1i n t r o d u c t i o no fp l a s t i ct o y sa n dt h et e c h n o l o g yo fs u r f a c et r e a t m e n t 1 1 1 2c u r r e n ts i t u a t i o na n a l y s i so fp l a s t i ct o y s m u l t i - s u r f a c ea n dm u l t i - c o l o r s p r a y 。2 1 1 3a d v a n t a g e sa n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep l a s t i ct o y sm u l t i c o l o rc o m b i n a t i o n o fa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n e 4 1 2d e v e l o p m e n ts t a t u so ft h es p r a y i n gm a n i p u l a t o r 5 1 2 1k e y t e c h n o l o g i e so fp l a s t i ct o y sa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n e 5 1 2 2c u r r e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts t a t u so fs p r a y i n gm a n i p u l a t o ri n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l 6 1 3r e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o d so ft h i sp a p e r 8 1 3 1t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h 8 1 3 2t h em e t h o do ft h er e s e a r c h 8 c h a p t e r2t h em e c h a n is md e s i g no fs p r a y in gm a n i p u i a t o rf o rp ia s t i ct o y s l 0 2 1t h ed e s i g no fr e q u i r e sa n a l y s i so fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rf o rp l a s t i ct o y s 11 2 1 1t h es p r a y i n gp r o c e s s sr e q u i r e m e n t sa n dp r i n c i p l e so fp l a s t i ct o y s 一12 2 1 2s p r a y i n gt e c h n o l o g y sr e q u i r e m e n t so fp l a s t i ct o y s 。13 2 2t h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i o no ft h es p r a y i n gm a n i p u l a t o r 13 2 3c o n f i g u r a t i o nd e s i g no f p l a s t i ct o y ss p r a y i n gm a n i p u l a t o r 1 6 2 4s i z ec o m p o s i t e do fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rf o rp l a s t i ct o y s 18 2 4 1s i z ec o m p o s i t e dm e t h o d so v e r v i e wo fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r 18 v i i 广东工业大学硕士学位论文 2 4 2s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s c a ds i m u l a t i o no ft h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so f s p r a y i n gm a n i p u l a t o r 一18 2 4 3s t r u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd e s i g no fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r 2 2 2 5t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 2 3 c h a p t e r3s t r u c t u r aid e sig no fs p r a yin gm a nip uia t o rf o rpia s tict o y s 2 4 3 1d e s i g np r i n c i p l e so f m a n i p u l a t o r 2 4 3 2s c h e m a t i cd e s ig no ft h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n ef o r p l a s t i ct o y s 2 5 3 2 1t h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n a l y s i so fa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n ef o r p l a s t i ct o y s 2 5 3 2 2t h eg e n e r a ls t r u c t u r es c h e m ea n dt h ew o r k f l o wo fa u t o m a t i cs p r a y i n g m a c h i n e 2 6 3 3t h ec o n t r o ls y s t e m so v e r v i e wo f p l a s t i ct o y sa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n e 2 8 3 3 1t h ec o n t r o lf u n c t i o no fi n d u s t r ym a n i p u l a t o r 2 8 3 3 2t h ec o n t r o lm o d e o f i n d u s t r ym a n i p u l a t o r 2 9 3 3 3t h ec o n t r o lp r o c e s so ft h es p r a y i n gm a n i p u l a t o rw h i c hh a sf i v ed e g r e eo f f r e e d o m 2 9 3 4t h e k e ys t r u c t u r a ld e s i g no fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rf o rp l a s t i ct o y s 31 3 4 1t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h em a n i p u l a t o rm o v i n g j o i n t 3 2 3 4 2t h eb a s ea n dw a i s ts t r u c t u r a ld e s i g no fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r 3 4 3 4 3s t r u c t u r ed e s i g no fw r i s to f t h es p r a y i n gm a n i p u l a t o r 3 5 3 4 4t h es p a t i a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee n do ft h eg u ns t r u c t u r ea n dt h e m a n i p u l a t o r 3 6 3 5t h e s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 8 c h a p t e r4 k in e m a tic sa n dd y n a mic sa n aiy sisa n dsim uia tio no f s p r a y in g m a nip uia t o r 3 9 4 1k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s o v e r v i e wo fm a n i p u l a t o r 3 9 4 1 1t h ee s t a b l i s ho fc o n n e c t i n gr o d sp a r a m e t e r sa n dc o o r d i n a t es y s t e m s 39 4 1 2 t r a n s f o r m a t i o nm a t r i xb e t w e e nc o n n e c t i n gr o dc o o r d i n a t es y s t e m s 41 4 1 3 t h ek i n e m a t i c a le q u a t i o no fi n d u s t r ym a n i p u l a t o r ”4 2 v 1 i i c o n t e n t s 4 2t h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r 4 3 4 2 1k i n e m a t i c so f p o s i t i v es o l u t i o n s 4 4 4 2 2k i n e m a t i c so fi n v e r s es o l u t i o n 4 5 4 2 3t h ep r e l i m i n a r yv e r i f i c a t i o no fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es o l u t i o n st o m a k e u s eo ft h ei n i t i a lp o s i t i o n 4 6 4 3t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o no fs p r a y i n gm a n i p u l a t o r 4 7 4 3 1e s t a b l i s ht h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fm a n i p u l a t o r 4 7 4 3 2t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o nf l o wo fm a n i p u l a t o r 4 8 4 3 3t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o no fm a n i p u l a t o r 4 9 4 3 4t h er e s u l ta n a l y s i so f t h es i m u l a t i o n 5 3 4 4t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 3 c h a p t e r5t h ea n a iy siso fw o r ks p a c eo fs p r a yin gm a nip ula t o rf o rp ia s tict o y s 5 5 5 1o v e r v i e wo fw o r ks p a c e 5 5 5 2o v e r v i e wo ft h em e t h o dt os o l v ew o r ks p a c e 5 5 5 3t h ea n a l y s i so fw o r ks p a c eo fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rb a s e do nn u m e r i c a lm e t h o d 5 6 5 3 1t h ea n a l y s i ss t e po f n u m e r i c a lm e t h o d 5 6 5 3 2t h ea n a l y s i sp r o c e s s e so f n u m e r i c a lm e t h o d 。5 6 5 4t h e a n a l y s i so fw o r ks p a c e o fs p r a y i n gm a n i p u l a t o rb a s e do ng r a p h i c a lm e t h o d 5 9 5 5t h es u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 。6 1 s u m m a r ya n do u t lo o k 6 2 r e f er e n c e s 6 4 p u bi is h e dp a p e r sa n dp a t e n t sd u rin gg r a d u a t e 6 7 u n aid e ds t a t e m e n t 6 8 a c k n o wle d g e m e n t 6 9 a p p e n dix 7 0 i x 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 塑胶玩具简介及表面处理工艺 ( 1 ) 塑胶玩具简介 塑胶的定义( 美国塑料工业协会) ：主要由碳。氧、氢和氮以及其他有机或无 机元素所构成，成品为固体，在制造过程中是熔融状的液体，因此可以加热使其熔 化、加压力使其流动、冷却使其固化，而形成各种形状，此庞大而变化多端的材料 族群称为塑胶。 塑胶玩具指以塑胶为主要成分加工成型，经表面装饰后用于玩耍游戏的器物， 如图1 1 所示。塑胶玩具因具有造型优美、线条清晰、色彩丰富、便于清洗、易于 携带、价格便宜等特点受到消费者的喜爱。 图1 1塑胶玩具 f i g 1 1 p l a s t i ct o y s ( 2 ) 塑胶玩具表面处理工艺 经注塑和搪胶等成型的玩具塑胶件，一般还需要进行表面装饰处理，根据加工 工艺可以分为喷涂、移印、丝印和电镀等。本文选择表面喷涂进行说明，喷涂工艺 可在塑胶玩具表面上装饰上文字、简单图形和图案。喷涂工艺按设备可分为空气喷 一 广东工业大学硕士学位论文 涂、高压无气喷涂及静电喷涂。 高压无气喷涂和静电喷涂在塑胶玩具表面处理中极少采用，在玩具制造过程中 一般采用的是空气喷涂，常称为喷涂。空气喷涂是靠压缩空气气流作为动力使涂料 出口产生负压，涂料自动流出，并在压缩空气气流的冲击混合下被充分雾化，漆雾 在气流的推动下从喷涂枪嘴中喷出而沉积在塑胶玩具表面。 空气喷涂的优点：喷涂设备简单，操作灵话，喷涂效率高，漆膜厚度较均匀， 光滑平整，外观装饰性较好；适应性强，使用范围广。 空气喷涂的缺点：稀释剂用量大，作业时溶剂大量挥发，易造成空气污染，作 业环境恶劣，易引起燃、爆等事故，作业点必须具有良好的通风设备；涂料利用率 较低，一般只能达到5 0 , - 一6 0 ，而小部件仅有1 5 - - 3 0 的利用率，飞散的漆雾 会进一步造成作业环境的恶化【l 】。 空气喷涂又分为自动喷涂和手工喷涂。自动喷涂是利用电器或机械原理( 机械 手或机器人) 自动控制进行的一种喷涂方法，如图1 2 中( a ) 所示。手工喷涂是指 操作者手持喷枪直接喷涂的一种方式，如图1 2 中( b ) 所示： ( a ) 自动喷涂 图1 2喷涂方式对比 f i g 1 - 2s p r a y i n gc o n t r a s t 1 1 2 塑胶玩具多位多色喷涂现状分析 ( b ) 手工喷涂 中国是玩具制造大国，全世界约有7 5 的玩具在中国制造，主要以手工制造， 属于劳动力密集型产业。目前大多数玩具公司都以传统的手工喷涂为主，操作者的 第一章绪论 工作环境非常差。手工喷涂过程中易产生大量漆尘和有机溶剂挥发气，弥漫于空气 中的漆尘和有机溶剂挥发气得不到及时的处理，对操作者的身体将会造成极大的危 害，同时对我们赖以生存的环境也将造成极大的污染。对于图1 3 的塑胶玩具手工 喷涂需要6 人次6 道工序配合才能完成，而每道工序都需要采用图1 4 所示的模座 和边模结合才能顺利完成，其中所用的边模喷过几次后还需要人工清洁表面的油漆， 因此手工喷涂工艺烦琐复杂，工作环境最为恶劣，以至从事此项工作的人员越来越 少，从而迫切需要新型的喷涂设备。 图1 3塑胶玩具表面多色多位手工喷涂 f i g 1 3 m u l t i c o l o rp l a s t i ct o y sa n dt h es u r f a c eo fan u m b e ro fm a n u a ls p r a y 市场上虽然有自动喷涂设备，但是目前只能实现单机单色喷涂，一台机器仅能 喷涂一种颜色，对于要喷涂多种颜色的玩具，则需多台单机配合完成不同颜色的喷 涂，增加了人力和工时，产品生产周期长，且对于具有复杂曲面的多色玩具，不能 够一次仿形喷涂。因此，单色自动喷油机自动化程度不高，效率低，同时因每台单 机均需工人操作，人力成本高。 图1 4 塑胶玩具喷涂模座( 左) 和边模( 右) f i g 1 4 p l a s t i ct o y ss p r a y i n gm o l db a s e ( 1 e f t ) a n ds i d em o d e ( r i g h t ) 3 广东工业大学硕士学位论文 1 1 3 塑胶玩具多色组合自动喷涂机器的优势及意义 针对现有手工套模喷涂的缺点和市场上单色喷涂机器( 如图1 5 ) 的不足，本 文设计了复杂曲面多色组合自动喷涂机，其三维模型如图1 - 6 所示。该设备可以较 好的解决塑胶玩具喷涂存在的主要问题，其主要优势如表1 1 所示。 表1 1 塑胶玩具手工喷涂和自动喷涂机器对比 t a b l e1 - 1p l a s t i ct o y s ，h a n d s p r a y i n ga n da u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n ec o m p a r i s o n 单色自动喷涂机喷涂多色组合自动喷涂机 项目手工套模喷涂( 人次) ( 人次)喷涂( 人次) 喷涂手动套边模、喷涂、取自动套边模、喷涂、取自动套边模、喷涂、取 方式下边模、清洗边模下边模、清洗边模下边模、清洗边模 生产 单件单色多件单色多件多色 效率 机械自动操作，减少人n 色组合玩具一体化 产品人手直接接触玩具，玩 手接触，使玩具表面清喷涂，人手接触玩具次 质量具表面油污和细菌多 洁，品质稳定数为单色喷涂的1 n 人员密集型操作，传统仅能改善单色喷涂时一次完成玩具多色多 工作 式喷涂槽抽风系统，工的工作环境，多色多工位喷涂，减少各工序转 环境 作环境差序时物料流通污染大换中的环境污染 图1 5单色自动喷涂机 f i g 1 - 5 t h em o n o c h r o m ea u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n e 要阴啊|_1一 第一章绪论 图1 - 6塑胶玩具三色组合自动喷涂机模型 f i g 1 6 t h r e ec o l o rc o m b i n a t i o n so fp l a s t i ct o y sa u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n em o d e l 通过以上分析对比可知，塑胶玩具复杂曲面多色组合自动喷涂机器具有很大优 势，可以有效的控制企业的人力成本和管理成本，提高产品质量和生产效率，降低 工人职业病发病率，提高企业自身的市场竞争力，对玩具企业转型和发展具有重要 的意义。 1 2 喷涂机械手的发展现状 1 2 1 塑胶玩具自动喷涂机器的关键技术 塑胶玩具多色组合自动喷涂机器虽然比传统手工喷涂具有很大优势，但是玩具 企业的使用率比较低。究其主要原因是自动喷涂机器的技术不够成熟稳定，尤其是 针对塑胶玩具复杂曲面喷涂的机械手还不够完善，不能很好的满足玩具企业对喷涂 机械手低成本、小型化、易操作、易维护、高使用率等要求，严重制约了自动化喷 广东工业大学硕士学位论文 涂设备的推广和使用。因此喷涂机械手的设计就成为塑胶玩具自动喷油机器的关键。 1 2 2 喷涂机械手国内外技术发展现状 由于喷涂机械手是工业机器人的一个品种，是工业机器人技术与表面喷涂工艺 技术结合的产物，因此，喷涂机械手发展历程是与工业机器人总体技术的发展紧密 相关的。在国外，近年来工业机器人领域的发展有如下几个趋势【2 】： 1 ) 工业机器人性能不断提高( 高速度、高精度、高可靠性) ，而价格不断下降。 2 ) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 3 ) 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化；器件集成度提高，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性 和可维修性。 4 ) 机器人中传感器的作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传 感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视 觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感 器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5 ) 虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真发展到用于过程控制，如使遥控 机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 由于喷漆工艺的特殊性，喷漆机器人与普通工业机器人比较，在结构方面主要 是防爆和喷枪油漆及空气管路的布置导致的差异，在控制方面，喷漆机器人需配置 油漆流量控制与换色系统，以适应不同色彩的需要。流量的大小将直接影响喷涂质 量，比如在空气喷涂时，流量的大小影响到涂料雾化效果。早期的喷涂机器人，无 法在一个喷涂程序中间随时更改流量。而大部分新机器人的流量控制系统直接由机 器人的控制系统进行控制，使流量控制更加精确和便捷。机器人喷涂的流量控制分 两类：一是对流量精度高的设备采用闭环控制，常用的设备配置为计量齿轮泵，由 于泵每转一圈所获得的体积数是恒定的，机器人系统控制计量泵的转速来达到定量 供漆。二是通过流量计和节流阀组成的闭路系统来控制，流量计获得的流量信号传 到机器人系统与已标定的值作比较，当流量有偏差时，信号返馈给节流阀，通过改 变节流阀开闭度来调节，这要求供漆压力的稳定性要高【3 1 。在喷漆机器人防爆方面， 第一章绪论 目前广泛采用气体正压防爆技术，就是将机器人手臂上的电机等电器元件封闭在壳 体内，工作时壳体内通入高于外界压力2 5 p a 的阻燃气体，以防止工作环境可燃气体 进入，而且对壳体内气压进行实时监测。 总的来讲，国外机器人喷漆技术已经处于应用阶段，为了适应市场的快速变化， 过去刚性自动喷涂线都已经改为以机器人为主体的柔性自动喷涂线。生产喷漆机器 人产品的国外公司主要是德国k u k a 、瑞典a b b 、日本安川( y a s k a w a ) 、日本 f a n u c 、日本川崎( k a w as a k i ) 等。这些公司的产品在国内都有销售，编程方式 上以示教再现型为主。学术界研究主要集中在机器人喷漆时喷枪运动轨迹的规划、 离线编程技术、喷漆质量以及对环境的影响等方面。由于工业机器人在生产方面使 用有几十年了，程序员针对不同的零部件编写了大量的程序，这些包含机器人轨迹、 程序员经验和工艺参数的程序可以通过机器人匹配和零部件模型匹配方法转化为类 似零部件的机器人程序【4 1 。该编程技术的优势是可以利用已有成熟的程序数据库， 可以提高编程效率和可靠性。 我国工业机器人起步于7 0 年代初期，经过2 0 多年的发展，大致经历了3 个阶 段：7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期和9 0 年代的适用化期。 7 0 年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的 软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日 本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1 9 7 2 年开始 研制自己的工业机器人。 进入8 0 年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机 器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五 期间，国家投入资金，对 工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人