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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?。┰诒鹃_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《數據元和交換格式、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代柔性制造業(yè)中。噴涂機器人及其柔性控制系統的研究和發(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噴涂的運動機構，它由操作機、控制器、伺服驅動系統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，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，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“系統發(fā)展方式”，實現噴涂機器人與外界設備的互聯和協調工作，
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。
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)展使現代工業(yè)噴涂
作業(yè)在一定程度上實現了自動化。對于噴涂機器人編程、控制系統等方面的研究和開發(fā)，
使其運用于現代工業(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
狀，讓其在現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、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，便于實現連續(xù)軌跡控制。
（2）自由度數
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
自由度實現位置移動，腕部的旋轉和擺動兩個自由度實現姿態(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)伺服系統中，這種
系統沒有位置反饋裝置，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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