噴涂機械手 文獻綜述

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)生姓名： 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內(nèi)身形狀復(fù)雜等因素的限制，3軸機器人還不能對汽車內(nèi)身進行涂裝作業(yè)

2、。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內(nèi)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ABB和日本的安JIlMOTOMAN公司，同時德國的KUKA公司、日本的FANUC公司以及美國的ADEPT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

3、馬股份有限公司生產(chǎn)和研發(fā)的靜電粉末噴涂設(shè)備。到目前為止ABB公司是世界領(lǐng)先的噴涂自動化供應(yīng)商，在全球范圍內(nèi)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性(26ms2)，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內(nèi)進行，從而有效

4、改善油漆流量和傳遞效率并能省去噴漆室內(nèi)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55m，而該機器人能夠在寬度為4.6m的噴漆室內(nèi)工作。這樣，它可以取代現(xiàn)有噴漆室內(nèi)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(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的IRB52機器人提供另外一套完整的

5、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)及相對較大的工作范圍，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的噴涂機器人在全世界被廣泛的采用。國內(nèi)噴漆機器人發(fā)展概況在國內(nèi)，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北京機械工業(yè)自動化研究所機器人中心，一方面做為我國工業(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

6、列電液伺服噴涂機器人PJ1、PJ1A、PJIB、PJ-500和EP系列電動噴漆機器人EPS500、EPR一600等。到目前為止，噴涂機器人己成為國內(nèi)市場上最多的工業(yè)機器人之一，但國內(nèi)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。國內(nèi)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)適合于國內(nèi)生產(chǎn)實

7、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，國內(nèi)的噴漆機器人工程項目大多采購如Funac，Staubli，ABB等國外品牌的機器人，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。近年來由于國內(nèi)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。同時許多國外知名噴涂機器人廠家紛紛與國內(nèi)企業(yè)合作或者在國內(nèi)設(shè)立分公司。如MOTOMAN與國內(nèi)首鋼合作，生產(chǎn)和研發(fā)噴涂等工業(yè)機器人；ABB也在中國的上海和北京設(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，國內(nèi)也已經(jīng)擁有相

8、當數(shù)量的噴漆機器人，如南航研制的PR1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)。PR1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，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。達到國內(nèi)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)處于國內(nèi)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

9、成果主要表現(xiàn)在一下幾個方面：l)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范圍，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COMAU公司，日本FANUC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

10、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KAWASAKI、YASKAWA、FANUC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和德國KUKA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

11、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MTBF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:l)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。

12、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

13、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

14、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

15、使用前對機器人進行標定，建立機器人的參照模型，目前用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。可以稱為CCD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