木质家具自动喷漆机机械臂的设计及动力学仿真

吴 哲1,2， 张炳凯1,2， 孙国玉1,2， 胡 松3， 王金聪1,2

(1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.国家林业草原人工智能与装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150040；3.广东博硕涂装技术有限公司，广东 佛山 528000)

摘 要：目前对于具有复杂形状的立体木质家具喷涂作业主要通过人工喷涂完成，存在喷涂质量不稳定和漆膜一致性差等问题，为了改善上述问题，设计了一款新型木质家具喷漆机。对喷漆机的总体结构和关键部件进行了设计，通过计算分析确定了大臂采用五个旋转关节的结构及大臂尺寸，并利用动力学仿真对机械臂的工作力矩进行分析，结果得出设计的机械臂满足工作要求。

关键词：家具；喷涂机；机械臂；动力学

[size=1em]随着社会发展和人民生活水平的提高，市场对工业用品及日常生活制品的色彩装饰性能提出了越来越高的要求。喷涂是木质家具生产加工的重要工艺，为木质家具提供了良好的防护，提高了木质家具的耐磨性，使木质家具更美观[1,2]。国外对喷涂机器人的研究较早，在150年前，就有一些企业开始在喷涂机器人领域探索[3,4]。现阶段具有复杂形状的立体木质家具喷漆环节仍以人工喷漆为主，木质家具涂装车间环境较为恶劣，喷漆机内部弥漫着的漆雾和有害气体对喷涂工人的身体健康产生一定的危害[5]。挥发性有机化合物(VOCs)是影响环境空气质量的重要因素，家具生产是VOC污染的重要来源之一[6]。喷涂机械臂可以帮助喷涂工人执行危险的喷涂工作，将工人从脏累差的环境中解放出来[7]。目前，木质家具生产现场的很多工人喷涂经验丰富，对于具有复杂形状的立体的家具喷涂效果优于传统喷涂机器人。木质家具厂的大多数喷涂工人再学习能力有限，传统喷漆机器人离线编程需要编码方面的专业知识和大量的时间投资，这超出了喷漆工人原先所拥有的技能[8]。喷漆机在喷涂作业时具有速度快、柔性大、反复定位精度高、适用范围广、工作灵活等优点，目前广泛应用于木质家具产品的喷涂[9]。与人工喷漆相比，使用机械臂喷漆可以提升木质家具漆层的质量，减少喷涂工人的工作时间，降低木质家具喷漆的成本[10]。本文设计了一种木制家具的自动喷漆机的机械臂，并对其进行动力学仿真，为木制家具喷涂提供一个良好的喷涂环境，其结构设计的合理性对木质家具的漆面质量，喷涂工人的舒适度具有一定的影响。

1 木制家具喷涂机机械臂结构设计

[size=1em]喷涂机械臂的尺寸设计需要分析喷涂机械臂的腰部参数、大臂和小臂的杆件长度以及机械臂关节转角范围。本研究采用的喷涂机械臂选用关节型机械臂，关节型机械臂具有运动灵活、工作范围广、结构紧凑等优点。同时六维力/力矩传感器安装在喷涂机械臂的手腕末端与喷枪固定架相连；拖动示教时六维力/力矩传感器能够感知喷涂工人在喷涂床头时所施加的力和力矩的大小和方向，为喷涂机械臂的运动提供力感信息[11]。

[size=1em]喷涂机械臂的机械结构是喷涂过程中实现各种喷涂动作的主体，其设计具有非常重要的作用。本文设计的喷涂机械臂各关节选用伺服电机，由于喷涂机械臂前三个关节负载较大，为了提高机械臂的使用寿命，前三个关节减速器选用RV减速器，后两个关节选用谐波减速器。RV减速器与谐波减速器相比，具有更高的疲劳强度、刚度和寿命。木质家具喷涂时喷漆机内部会有溶剂挥发，容易引发爆炸，因此喷涂机械臂在作业中需要保证喷涂安全[12]。喷涂机器人的关键部位需要具有防爆特性，因此喷涂机械臂要套有防护服，喷涂机械臂配套的控制柜等设备要设置在喷漆机外部。

1.1 喷涂机械臂的总体结构设计

[size=1em]喷涂机械臂有五个旋转关节，从前往后分别为关节Joint1腰部回转关节、关节Joint2大臂摆动关节、关节Joint3小臂俯仰关节、关节Joint4小臂旋转关节、关节Joint5手腕俯仰关节。喷涂机械臂的主体结构由基座、腰部、大臂、肘部、小臂、手腕和末端执行机构组成。喷涂机械臂的前三个关节可以使喷涂机械臂的末端执行机构到达运动范围内的任意一个空间位置，喷涂机械臂的后两个关节可以使末端执行机构喷枪实现一定的姿态变化。喷涂机械臂既能完成板式家具的喷涂也能对具有复杂形状的立体木质家具进行喷涂，例如椅子、桌子、木质艺术品等，喷涂机械臂结构设计如图2所示。

[size=0.8em]图2 喷涂机械臂总体结构

[size=0.8em]1.基座；2.腰部；3.大臂；4.小臂；5.腕部；6.喷枪

1.2 大臂及腰部的结构设计

[size=1em]喷涂机械臂臂长的设计首先要确定喷涂机械臂在喷漆机内的位置以及床头在空间中的位姿，根据喷涂机械臂基座与喷枪喷涂工件所要达到最远位置之间的距离来确定喷涂机械臂的总长度。由于喷涂机械臂在喷漆机内完成床头的喷涂作业，喷涂机械臂的各个关节的转角范围会受到喷漆机内部空间和自身结构的限制，因此需要对喷涂机械臂的大臂与小臂的杆长进行合理设计，使得所设计的喷涂机械臂既能完成喷涂任务也能保证喷涂工人的安全。

[size=1em]喷涂机械臂末端执行器在空间中的位置由前三个关节确定，其余两个关节控制末端喷枪的位姿。根据喷涂要求确定了喷涂机械臂为五关节机械臂，各杆件分布以及关节分布情况如图6(a)所示。

[size=1em]根据对机械臂设计影响较大的尺寸进行简化：基座底部到关节2轴线间的距离设l1，喷涂机械臂大臂的长度用l2表示、小臂的长度用l3表示，大臂与小臂通过转动副连接，喷涂机械臂末端中心点用P点表示，如图6所示。

[size=0.8em]图6 机械臂简化模型

[size=0.8em]1.基座固定架；2.基座；3.关节1；4.腰部；5.关节2；6.大臂；7.关节3；8.小臂；9.关节4；10.手腕；11.关节5；12.末端机构

[size=1em]在喷漆机内部喷涂空间和喷涂机械臂结构的约束下，并不是每个关节转角都能取得0～360°的转动范围。因此为避免喷涂机械臂运动过程中与喷漆机产生干涉，在保证安全距离的情况下，为提高喷涂机械臂的作业性能，喷涂机械臂的五个关节的转角应尽量取最大值，具体方法如下：

[size=1em]喷涂机械臂转动关节2与转动关节3的转动范围与大臂和小臂在喷漆机内极限位置时的位姿有关，根据右手法则喷涂机械臂关节转角最大值为机械臂关节电机正转角度，关节转角最小值为关节电机逆向转动角度。喷涂机械臂大臂关节和小臂关节转角的范围如图7所示。

[size=0.8em]图7 大臂和小臂极限位置示意图

[size=1em]从图7中可以看到，在大臂和小臂杆件长度确定的情况下，大臂的运动范围决定了喷涂机械臂工作空间覆盖的宽度，因此要首先考虑大臂的转角范围。大臂前仰角、后仰角是在大臂不与喷漆机和机械臂机身发生碰撞的前提下取得极限位置的角度，分别为θ2max、θ2min。小臂相对于大臂前仰、后仰的角度分别为θ3max、θ3min，这也是在不与喷漆机和机械臂机身发生碰撞并且满足喷涂要求的情况下到达极限位置时的最值，喷涂机械臂的各关节旋转角度如表1所示。

[size=0.8em]表1 喷涂机械臂关节旋转角度

[size=1em]喷涂机械臂腰部用于支撑大臂和小臂，在基座关节电机的带动下可绕底座进行旋转。喷涂机械臂关节2带动大臂做俯仰摆动，关节电机固定在电机连接法兰上，电机连接法兰与减速器输入端相连，减速器输出端与减速器输出法兰相连，减速器输出法兰通过螺栓固定在腰部。

[size=1em]喷涂机械臂大臂的结构设计要考虑的因素主要有两方面，一方面要增加机械臂的刚度，还要减轻机械臂的质量；另一方面还要简化制造工艺。喷涂机械臂大臂的驱动机构如图8所示，关节3电机经同步带与减速器传动，关节3电机的位置设置进行接近关节2，这样可以提高机械臂的稳定性。本文所设计的喷涂机械臂，在确定大臂和小臂总长不变的前提下，通过减小大臂的长度增加小臂长度，来增加喷涂机械臂的灵活性。

[size=0.8em]图8 腰部及大臂结构图

[size=0.8em]1.电机大端盖；2.机械臂腰部；3.大臂内侧外壳；4.大臂；5.J3伺服电机；6.J3轴连接法兰端盘；7.大臂；8.同步带轮；9.同步带；10.大臂外侧外壳；11.输出法兰；12连接法兰；13.RV减速器；14.电机安装板；15.J2伺服电机

2 喷涂机械臂动力学仿真

[size=1em]通过对喷涂机械臂进行动力学仿真并对各关节运动进行分析。喷涂机械臂关节驱动装置是机械臂系统的核心，因此选择合适的驱动装置尤为重要。在选择伺服电机与减速器时，要使其满足速度、力矩、功率等方面的要求。采用动力学仿真软件Adams软件进行仿真计算，仿真模型更加接近实际情况。虚拟样机模型如图12所示。

[size=0.8em]图12 虚拟样机模型

[size=1em]模拟喷涂机械臂喷涂床头时机械臂运动的喷涂轨迹进行运动，将导入到ADAMS中的模型进行仿真，设置仿真时间为2 s、仿真步数为500，在ADAMS的后处理模块中输出仿真结果。对喷漆机前三个关节进行动力学仿真，可以得到前三个关节在运动过程中的力矩随时间变化的曲线，如图13所示。

[size=0.8em]图13 机械臂力矩曲线

[size=1em]从图13中的关节力矩随时间变化曲线可以看出，当喷涂机械臂按照喷涂工人的喷涂轨迹进行喷涂时，在机械臂从在该段轨迹运动过程中，喷涂机械臂前三个关节的关节力矩随时间变化较为平稳且与喷涂工人的工作时的运动特点相符。从上图中可以看到大臂俯仰关节的驱动力矩明显要大于其他关节，其主要原因是大臂俯仰关节要克服很大的重力矩，综合以上，仿真与机械臂实际运行状态相符。

3 总结

[size=1em](1)通过对木质家具的喷涂工艺和喷涂轨迹分析，完成了木质家具喷漆机机械臂的总体结构设计。

[size=1em](2)经过计算确定了关节机械臂各个关节的回转角度以及机械臂的工作半径。

[size=1em](3)通过动力学仿真对机械臂的关节力矩进行了分析，验证了其工作的可靠性。

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Design and dynamic simulation of mechanical arm of automatic wood painting machine

[size=1em]WU Zhe1.2, ZHANG Bing-kai1,2, SUN Guo-yu1,2, HU Song3, WANG Jin-cong1,2

[size=1em](1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040, China; 2.Research Center of National Forestry Grassland Artificial Intelligence and Equipment Engineering Technology,Harbin Heilongjiang 150040, China;3.Guangdong Boshuo Coating Technology Co., LTD , Foshan Guangdong 528000, China)

[size=1em]Abstract：At present, the spraying operation of stereoscopic wooden furniture with complex shapes is mainly completed by manual spraying, and there are problems such as unstable spraying quality and poor consistency of paint film.In order to improve the above problems, this paper designed a new wooden furniture spray machine.In this paper, the overall structure and key components of the spray paint machine are designed.Through calculation and analysis, the size of the big arm and the structure of the big arm using five rotating joints are determined, and the working torque of themechanical arm is analyzed by dynamic simulation.The results show that the designed mechanical arm meets the working requirements.

[size=1em]Key words：furniture; sprayer; mechanical arm; dynamics

[size=1em]中图分类号：TP242；S776

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2023)01-0020-04

[size=1em]收稿日期：2022-09-20

[size=1em]第一作者简介：吴 哲，副教授，博士研究生，主要研究方向为木工机械设计，E-mail:wuzhe@nefu.edu.cn。