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南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學 生 姓 名：
學 號：
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設計(論文)題目：
噴涂機器人設計
—大臂系統(tǒng)設計
指 導 教 師:
2010年 3 月 19 日
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫
2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
摘要 噴涂機器人是一種典型的涂裝自動化裝備，廣泛的運用在自動化生產領域中，在工業(yè)制造業(yè)中扮演了重要的角色。本文歸納了噴涂機器人在自動化生產中的關鍵問題，介紹了噴涂機器人的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，同時指出了噴涂機器人的有關不足之處，在此基礎上對噴涂機器人在自動化生產中的發(fā)展前景進行了展望。
關鍵詞 噴涂機器人 自動化生產 示教 離線編程 噴涂軌跡優(yōu)化
1 引言
對于諸如汽車、家電及家具等產品，其表面的噴涂效果對質量有非常大的影響。噴涂作業(yè)中采用噴涂機器人可以提高產品質量和穩(wěn)定性，減少涂料和能源的消耗，避免了人工噴涂時工人始終處于有毒環(huán)境而造成急性或慢性中毒，提高了勞動生產效率[1]。因此，噴涂機器人在制造業(yè)中的應用越來越得到人們的重視。
而隨著制造業(yè)的發(fā)展，對制造的柔性要求越來越高，噴涂機器人由于其柔性大、工
作范圍大的特點被應用于現(xiàn)代柔性制造業(yè)中。噴涂機器人及其柔性控制系統(tǒng)的研究和發(fā)
展，對于降低生產成本、提高生產質量、強化企業(yè)的競爭力具有深遠的影響。
2 噴涂機器人的發(fā)展歷史
所謂噴涂機器人，就是一個擁有5個或更多自由度的比較復雜且能快速自動實現(xiàn)噴涂的運動機構，它由操作機、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成[2]。國際上將機器人應用到噴涂領域已有四十幾年的歷史，最早將機器人技術應用于噴涂的有美國的MINIHIT公司、FUDGE公司、德國HATEL公司等[3]。
早期的噴涂機器人采用示教模式工作。但隨著工業(yè)的發(fā)展和所加工表面越來越復雜，這種工作方式存在著任務改變即需重新示教、復雜運動軌跡難用示教方式實現(xiàn)和運動軌跡規(guī)劃失誤導致碰撞情況發(fā)生的問題[4]。面對這些問題，人們開始研究噴涂機器人的離線編程。機器人離線編程利用計算機圖形的成果，建立幾何模型再進行編程，并生成一些代碼，然后對編程的結果進行三維圖形動畫仿真，以檢測編程的正確性，最后生成代碼傳到機器人控制柜，以控制機器人運動，完成給定任務[5]。在離線編程的基礎上，人們以平面和規(guī)則曲面為作業(yè)對象，對噴涂機器人的噴涂軌跡進行優(yōu)化[6]。對于自由曲面，研究人員采用“bounding box”法和分段常函數(shù)來進行目標優(yōu)化。
縱觀噴涂機器人這幾十年的發(fā)展，其經歷了三次變革：第一次發(fā)生在1988年，從液壓傳動變成電傳動，第二次變革是從簡單的動作控制到過程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機器人，實現(xiàn)為客戶定制機器人，比如可以控制機器人噴漆時的空氣流量和油漆流量、噴涂范圍和形狀以及噴涂的色彩種類等等[7]。
3 噴涂機器人的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，噴涂機器人主要生產商有日本的FANLUC、川崎、安川、松下、德國的KUKA、
CLOOS、瑞典的ABB、意大利的SACHMAN RAMBAUDI及奧地利的工GM公司。
噴涂機器人的離線編程技術現(xiàn)已比較成熟，其編程技術已普遍應用于機器人噴涂[8]。
而噴涂機器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項目已實現(xiàn)了對凸形零件的自動
噴涂[9]。
在我國，噴涂機器人主要運用于汽車制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴
涂技術應用于噴涂機器人上，使其噴涂質量有了一定的提高[10,11]。而近些年開發(fā)出的柔
性仿形自動噴涂系統(tǒng)，使噴涂機器人在汽車生產中越來越高效、高自動化[12]。
隨著ABB公司開發(fā)出了小型IRB52噴涂機器人,使噴涂機器人被用于消費類電子產
品（蘋果公司的IPOD）的噴涂[13]。繼噴涂機器人用于消費電子產品的噴涂，其也逐
漸被包裝業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)使用。除了在工業(yè)上的應用，噴涂機器人還被用于軍事上，
聞名于全球的F-22飛機就是運用噴涂機器人對機身實施噴涂的[14]。
雖然噴涂機器人技術上的發(fā)展已達到很高的水平，但其還存在著一些問題，如復雜
曲面噴涂上的自動化難以實現(xiàn)，控制器的開放性差，軟件獨立性差，噴涂裝置還不夠小
型化等。
4 噴涂機器人的未來趨勢
隨著機器人生產商為客戶定制機器人，噴涂機器人需在以下幾個方面進一步發(fā)展，
以滿足越來越多客戶的使用需求，使噴涂機器人的應用范圍更為廣泛。
（1）為客戶提供更加完整的解決方案，設計出超越客戶所提要求的機器人。
（2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿足越來越多如消費類電子產品等小型零
件的噴涂和特殊環(huán)境下的噴涂。
（3）開發(fā)開放式結構機器人控制器，使用戶可以方便的擴展和改進其性能。
（4）實現(xiàn)噴涂機器人的模塊化，使其方便安裝和維護，并且緊湊可靠[15]。
（5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實現(xiàn)噴涂機器人與外界設備的互聯(lián)和協(xié)調工作，
并制定機器人語言規(guī)范，特別是動作級的編程語言規(guī)范[16]。
（6）大力研究開發(fā)對復雜自由曲面進行無人干涉的全過程自動噴涂的智能噴涂系
統(tǒng)。
5 結論
噴涂機器人作為自動化生產中的一種柔性涂裝裝備，其產生和發(fā)展使現(xiàn)代工業(yè)噴涂
作業(yè)在一定程度上實現(xiàn)了自動化。對于噴涂機器人編程、控制系統(tǒng)等方面的研究和開發(fā)，
使其運用于現(xiàn)代工業(yè)生產中的多種行業(yè)。噴涂機器人的技術發(fā)展至今還未成熟，在現(xiàn)實
運用上還有一定的限制。但隨著人們對噴涂機器人技術的深度研究開發(fā)，必定能突破現(xiàn)
狀，讓其在現(xiàn)代自動化生產中更為廣泛的運用。
參 考 文 獻
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畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1）.本課題研究的問題
本課題設計的是噴涂機器人的總體方案以及大臂系統(tǒng)的結構，結合噴涂機器人有
關技術要求，主要研究的問題有結構型式、自由度數(shù)、平衡方式、驅動方式、傳動方式
的確定。
2）.本課題擬采用的研究手段
根據(jù)以上要研究的問題及技術要求，擬采用的研究途徑如下：
（1）結構型式
工業(yè)機器人的坐標形式直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)坐標型和平面
摜節(jié)型。本課題噴涂機器人采用的是關節(jié)坐標型，因為采用關節(jié)坐標型，結構最緊湊，
靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，避障性好，便于實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。
（2）自由度數(shù)
在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要六個自由度。但是，工
業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設計的，本課題噴涂機器人機身、大臂、小臂的三個
自由度實現(xiàn)位置移動，腕部的旋轉和擺動兩個自由度實現(xiàn)姿態(tài)的變化，所以最終有五個
自由度。
（3）平衡方式
機身和臂部的運動較多，質量較大，運動狀態(tài)變化時將產生沖擊和振動，影響機器
人的精確定位，需要進行動力平衡。常見操作機臂桿的平衡技術有四種，及質量平衡
法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電機。本課題中采用彈簧平衡，其結
構簡單，通過適當改變彈簧的長度和剛度的修正即可達到所需平衡要求。
（4）驅動方式
電氣驅動是目前在工業(yè)機器人中用得最多的一種，可分為步進電機驅動、直流伺服
電機驅動和交流伺服電機驅動三種形式。步進電機驅動一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種
系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低。交、直流伺服電機用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服
系統(tǒng)中，控制精度很高。本課題中采用開環(huán)控制且控制精度相對較低，因此采用步進電
機驅動方式。
（5）傳動方式
工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)要求結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，要求消除傳動
間隙，提高其運動和位置精度，一般傳動裝置有齒輪、蝸桿傳動、鏈傳動、滾珠絲杠、
諧波齒輪等。直齒輪傳動是傳動機構中最常見的形式，在機器人中得到了廣泛的應用，
其瞬時傳動比恒定、工作平穩(wěn)性較高、傳動效率高、結構緊湊。本課題中噴涂機器人的
精度不是很高，擬采用直齒輪傳動機構。為了減小齒輪傳動空回，提高運動精度，需提
高齒輪及相關零件的精度和采用各種傳動間隙調整機構。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
文獻綜述查閱了較多、較新的國內外文獻資料，概括了國內、國外噴涂機器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢，對課題研究有一定參考意義。綜述條理清楚、語句通順，格式符合規(guī)范。
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測：
該課題擬從事噴涂機器人的總體方案設計及大臂系統(tǒng)的設計，具有一定的深度和廣度，工作量適中，經過該同學的努力工作、認真設計，預估能夠完成規(guī)定的畢業(yè)設計任務，取得較好的設計結果。
指導教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
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