喷涂机械手-文献综述

1、本科毕业设计（论文）文献综述课题名称：关节式喷漆机器人设学院（系）：年级专业： 学生： 指导教师： 完成日期：国外喷漆机器人发展概况喷漆机器人在国外的使用可以追溯到 20世纪中叶。 1951年，美国 AustinMotors Longbridge 公司开始尝试利用简单的 3轴机器人定点自动涂 装汽车外身。 1958年，美国 Morris Motors Cowley公司成功安装了一条高产 出的涂装生产线， 把所有的汽车外身的涂装工作交给 3台3轴机器人 （ 其中，2 台安装在流水线的两侧， l 台安装在流水线上方 ） 完成。那时由于受机器人的 自由度和汽车身形状复杂等因素的限制， 3轴机器人还不

2、能对汽车身进行涂 装作业。到了七、八十年代，随着第二代多轴机器人的研制工作取得很大进 展，美、日、欧等国的汽车涂装线，己使用多轴机器人对车身部难以到达的 地方进行涂装作业，朝着喷漆车间无人化的目标迈进了一大步。例如， Trallfa 公司 80年代推出的柔性机器人喷漆系统 TRAC。S经过五十多年的研究和发展， 机器人喷涂技术在国外已较成熟。 随着喷 涂机器人的技术不断创新， 喷涂精度空前提高， 在世界发达国家喷涂机器人 得到了广泛的应用。著名的国外喷涂机器人厂家有瑞士和瑞典的ABB和日本的安JIlMOTOMA公N司，同时德国的 KUKA公司、日本的 FANU公C 司以及美国的 ADEP公T

3、司均有生产喷涂机器人。同时还有很多小的生产企业，如瑞士金马 股份生产和研发的静电粉末喷涂设备。到目前为止 ABB公司是世界领先的喷涂自动化供应商，在全球围供应喷 涂机器人，在喷涂机器人领域以及相关的喷涂技术领域都具有丰富的经验与 技术，特别是为高端汽车喷涂开发出高性能的 IRB5500喷涂机器人以及为低 成本的消费类电子产品喷涂开发了小型的 IRB52喷涂机器人。在汽车喷涂方面， 最新的喷涂工艺可保持油漆雾化装置 （ 即旋杯 ） 在其最 佳路径而尽可能减少非喷涂时间。 对机器人而言， 该新工艺则要求其具备高 速度和高加速度能力。 IRB5500喷涂机器人具有独特的运动和加速特性 （26m s2

4、） ，允许喷漆室更窄更短使得整个车身的喷涂可以在一个更加紧凑的 喷涂室进行，从而有效改善油漆流量和传递效率 并能省去喷漆室的轨道轴。 IRB5500机器人一般安装在喷漆室墙壁中间的高度上，这样能够让机器人手 臂在车身表面平行移动， 如图1-2 所示。安装在中间高度也使得维修人员更 容易到达机器人维修部位。常规的七轴喷漆机器人需要喷漆室宽度大约为 55m，而该机器人能够在宽度为 4.6m的喷漆室工作。这样，它可以取代现有喷漆室已安装的侧喷机和顶喷机。 减少喷漆室宽度， 意味着减少固定设备 投资和能源消耗， 得到更低的运行成本。 该喷漆机器人还允许省去一般机器 人所需要的轨道 （第七轴 ） ，简化

5、了安装和维护， 并减少了油漆和压缩空气管 的复杂性。在中小零件的喷涂方面， ABB的 IRB52机器人提供另外一套完整的解决方 案。它更轻的质量 （ 仅250kg） 、更灵活的安装方式 （倒挂、壁装、倾斜安装和 地面安装） 、更大的手腕荷重 （7kg） 及相对较大的工作围， 使得该机器人能够 用于绝大多数中小型零部件的高效喷涂， 如手机外壳、 便携电脑外壳、 汽车 外壳、数码相机外壳等消费类电子产品和车灯等汽车零部件。因此ABB的喷涂机器人在全世界被广泛的采用。 国喷漆机器人发展概况在国，喷涂机器人的研究始于上世纪八九十年代， 最早开始喷涂机器人 研究的是机械工业自动化研究所机器人中心， 一方

6、面做为我国工业机器人行 业归口单位， 长期代销国外的喷涂机器人， 同时在国外喷涂机器人的基础上 开展研究， 并研发周边技术， 在喷涂机器人产品中先后开发出 PJ系列电液伺 服喷涂机器人 PJ1、PJ1A、PJIB 、PJ-500和EP系列电动喷漆机器人 EPS500、 EPR一600等。到目前为止， 喷涂机器人己成为国市场上最多的工业机器人之一， 但国 自主研发和生产的喷涂机器人一般工作不够稳定， 机器人重复精度低， 使用 寿命短， 喷涂质量不理想， 至今还未成功应用于汽车车身喷涂生产线。 国使 用喷涂机器人的汽车制造厂家基本上都是采用国外的喷涂机器人， 并且很多 是照搬国外整条生产线，但普遍

7、存在消化难、维修难、升级难等问题，从而 难以真正发挥设备的作用， 也有少数企业采用人工半自动喷涂， 喷涂产品的 质量难以保证， 工人劳动强度大， 而且涂料对人体健康有很大的损害， 因而 开发适合于国生产实际的高精度的喷涂机器人系统显得非常迫切和必要。目前，国的喷漆机器人工程项目大多采购如 Funac，Staubli ，ABB等国 外品牌的机器人， 然后根据需要设计机器人的末端执行器， 配置机器人的软 硬件及周边设备。这种工程方法周期短、见效快。但是成本高。近年来由于 国汽车制造业和大型的机械制造业的发展和需求， 我国的许多汽车厂家和制 造业公司也正在开发和研究适合自己的喷涂机器人。 同时许多国

8、外知名喷涂 机器人厂家纷纷与国企业合作或者在国设立分公司。如 MOTOM与AN国首钢合 作，生产和研发喷涂等工业机器人； ABB也在中国的和设立分公司，主要销 售喷涂和非喷涂两类工业机器人。与此同时，国也已经拥有相当数量的喷漆机器人，如南航研制的 PR1 型喷漆机器人，该机器人为计算机闭环控制，电液伺服驱动，示教再现式， 多关节型工业机器人。 在大规模的涂装生产线上， 用于喷涂工件表面的喷枪 通常被置于机器人的手臂上，即由喷漆机器人去完成对工件的喷涂作业。 PR1型喷漆机器人是为适应生产自动化发展的需要，改善劳动条件，提高 产品质量和劳动生产率， 降低生产成本而研制的自动化喷涂装置， 也是机电

9、 一体化的高技术产品。具有设计方案合理，机、电、液匹配协调，控制系统 先进，元件国产化程度高等特点。 达到国自行设计同类产品的先进水平， 其 关键性能指标 （重复位置精度 ） 处于国领先地位。 研究主要成果从机器人产品方面看，工业机器人已取得的研究成果主要表现在一下几 个方面：l）机器人操作机 : 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方 法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。 以德国 KUKA公司为代表的机器 人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构， 拓展了机器人的工 作围，加之轻质铝合金材料的应用， 大大提高了机器人的性能。 此外采用先 进的RV减速器及交流伺服电机，使机

10、器人操作机几乎成为免维护系统。2）并联机器人 :采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加 工。意大利 COMA公U司，日本 FANUC等公司已开发出了此类产品。3）控制系统:控制系统的性能进一步提高， 已由过去控制标准的 6轴机器 人发展到现在能够控制 21轴甚至 27轴，实现了软件伺服和全数字控制。 人机 界面更加友好，基于图形操作的界面也己问世。 编程方式仍以示教编程为主， 但在某些领域的离线编程已实现实用化。4）传感系统 :激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得 到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及 精密装配作业等，大大提高了机器人的作业

11、性能和对环境的适应性。日本 KAWASAK、IYASKAW、AFANUC和瑞典 ABB、德国KUKA、REIs等公司都有此类产 品。5）网络通信功能 : 日本YASKAW和A德国KUKA公司的最新机器人控制器已 实现了与 Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接， 使机器人由过去的独立 应用向网络化应用迈进了一大步。6）可靠性 : 由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机 器人系统的可靠性有了很大提高。 过去机器人系统的可靠性 MTBF一般为几千 小时，而现在已达到 5万小时，可以满足任何场合的需求。发展趋势因为喷漆机器人是工业机器人的一个品种， 是工业机器人技术与表面

12、喷 涂工艺技术结合的产物， 因此，喷漆机器人发展历程是与工业机器人总体技 术的发展紧密相关的。近年来工业机器人领域的发展有如下几个趋势 :l）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 PC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

13、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。6）智能控制智能控制理论的提出与发展为喷涂机器人带来了新的思路。 智能控制是 人工智能、 生物学与自动控制原理结合的产物， 是一种模仿生物某些运行机 制的、非传统的控制方法。将神经网络、模糊理论、人工免疫、遗传进化等 智能控制算法与 PID理论相结合，用于PID参数的整

14、定， 成为未来机器人控制 发展的趋势。喷涂机器人技术难点1. 喷涂机器人的控制喷涂机器人的控制较为常用的仍是传统的 PID理论，在实际的应用中， 喷涂机器人机械臂的长度往往很长，当整个机械臂伸展开时大约可达到 2m 的长度，且运行速度较高，各关节间的动力学效应非常显著，不能忽略，从 而造成机器人各关节的被控对象模型是时变的。 而传统 PID理论的比例（ P）、 积分（I ）、微分（ D）参数的整定是建立在关节传递函数模型为定值基础之 上的，这对传统的基于系统动力模型的控制理论带来了挑战。 此外，实际工 业现场往往存在有各种不确定的干扰，也会对 PID控制器造成影响。以上两 个因素决定了 PID

15、控制器必须具备一定的自适应性，其比例、积分、微分参 数应能够随着外界环境的改变而自动的变化。 喷涂机器人的位姿精度与标定影响喷涂机器人位姿的精度有多方面的原因， 从大体上讲可分为静态与 动态因素。 静态因素包括了制造、 装配时所带来的机器人本体机械结构上的 误差；由外界温度的改变和长期的磨损而引起的机械部件的尺寸变化， 由此 造成机器人位姿的误差。 动态因素主要是由外力所引起的机械部件本身的弹 性变形所带来的机器人运动误差。为解决以上因素所造成的机器人位姿误 差，必须在使用前对机器人进行标定， 建立机器人的参照模型， 目前用于机 器人标定的技术有基于三坐标测量仪的标定、 基于激光跟踪仪的机器人

16、标定 以及基于 CCD（ CCD，英文全称： Charge-coupled Device ，中文全称：电荷耦合元 件。可以称为 CCD图像传感器。 CCD是一种半导体器件， 能够把光学影像转化为数字信 号。 ）的机器人标定。根据机器人实际运行时的位姿与参照模型间的误差， 建立机器人补偿机制，以进一步提高机器人喷涂作业的精度。 喷涂路径规划路径规划是喷涂机器人离线编程的另一项关键技术。路径规划的好坏， 直接关系到喷涂作业的效率以及工件表面的涂层是否均匀， 对喷涂工件的质 量的影响巨大。 在获取到工件的 CAD数据后， 基于有限元的思想， 采用虚拟 现实技术， 先构建喷涂过程的虚拟过程， 在虚拟的环境下进行喷涂作业， 定 义最优的喷涂轨迹， 同时将所定义的轨迹转换成最终执行的机器人语言。 根 据喷枪在工件表面的涂层