本发明涉及一种基于四自由度喷涂模块的喷涂机构，属于机械制造领域。该机构包括底座，龙门机架、运动平台和喷涂作业模块，龙门机架固定在底座上，运动平台能够沿底座上的导轨实现平动；喷涂作业模块包括两个喷涂模块，两者结构相同，均能单独实现四自由度运动，分别对称安装在龙门机架上。每个喷涂模块包括一个平面五副机构和两个伸缩机构，形成一个空间混联机构，通过四个伺服电机驱动位于机构末端的喷头运动，实现两个移动自由度和两个转动自由度。通过运动平台和喷涂作业模块的运动相结合，可使该喷涂机构实现三个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。本喷涂机构具有结构对称、高灵活性及较高刚度，易于制造，方便控制，容易实现模块化。
1.一种基于四自由度喷涂模块的喷涂机构，其特征在于，该机构包括底座、龙门机架、运动平台和喷涂作业模块，该龙门机架固定在底座上，底座设置有导轨，运动平台通过底座的导轨设置在底座上，运动平台能够沿底座上的导轨实现平动；所述喷涂作业模块包括结构相同的第一喷涂模块和第二喷涂模块，该两喷涂模块均安装有喷头，能单独实现四自由度运动，分别对称安装在龙门机架上的两侧梁上；喷涂模块的四自由度运动结合运动平台的平动，能够控制喷头的位置和姿态，实现五自由度喷涂作业；所述第一喷涂模块和第二喷涂模块分别由一个平面五副机构和两个伸缩支链组成，形成具有四个自由度的空间混联机构，喷涂作业时，平面五副机构实现两个移动自由度，两个伸缩支链实现两个转动自由度。
2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述平面五副机构为并联闭环机构，包括第一连杆(301)、第二连杆(302)、第三连杆(303)、第四连杆(304)、第五连杆(305)，以及安装在第一连杆(301)两端的第一驱动电机(306)和第二驱动电机(307)；五个连杆之间分别通过转动副相互连接，具有两个平动自由度；其中第二连杆(302)和第四连杆(304)构成第一支链，第三连杆(303)和第五连杆(305)构成第二支链，第一支链和第二支链在结构上相同，组成并联机构，第一连杆(301)与龙门机架(2)固连；所述平面五副机构通过安装在第一连杆（301）两端的第一驱动电机(306)和第二驱动电机(307)驱动，分别控制第二、第三连杆(302、303)的旋转运动，从而控制平面五副机构在平面内完成两自由度的平移运动。
3.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述伸缩支链包括由第一伸缩套筒(308)、第一伸缩杆(309)和喷头摆杆(310)组成的第一伸缩支链，由第二伸缩套筒(312)、第二伸缩杆(313)和喷头(314)组成的第二伸缩支链，以及第三驱动电机(311)、第四驱动电机(315)；其中第一伸缩支链的第一伸缩套筒(308)为中空圆柱状结构，第一伸缩杆(309)为圆柱状结构；第一伸缩套筒(308)一端通过转动副与第五连杆(305)连接，另一端通过移动副与第一伸缩杆(309)的一端连接，第一伸缩杆(309)的另一端通过转动副与喷头摆杆(310)的一端连接，喷头摆杆(310)的中部通过转动副连接在第四连杆(304)和第五连杆(305)的铰接处，喷头(314)安装在喷头摆杆(310)的另一端；通过安装在第一伸缩套筒(308)上端的第三驱动电机(311)控制第一伸缩套筒(308)和第一伸缩杆(309)之间的伸缩运动，控制喷头摆杆(310)的转动，从而带动喷头(314)转动；第二伸缩支链的第二伸缩套筒(312)为中空圆柱状结构，第二伸缩杆(313)为圆柱状结构；第二伸缩套筒(312)的一端通过转动副连接在喷头摆杆(310)一端设置的分支(3101)上，另一端通过移动副与第二伸缩杆(313)的一端连接，第二伸缩杆(313)的另一端通过转动副与喷头(314)中部设置的分支(3141)相连；通过第四驱动电机(315)控制第二伸缩套筒(312)和第二伸缩杆(313)之间的伸缩运动，从而控制喷头(314)绕喷头摆杆(310)完成另一个方向的转动；所述第一伸缩支链和第二伸缩支链协同运动，控制喷头空间姿态，完成两自由度的旋转运动。
一种基于四自由度喷涂模块的喷涂机构
技术领域
[0001] 本发明属于机械制造领域，特别涉及一种基于四自由度喷涂模块的五自由度喷涂机构。
背景技术
[0002] 整流罩是运载火箭的重要组成部分，根据运载任务的不同，每种型号的运载火箭都具有一种或多种形状的整流罩。整流罩在设计过程中要满足一项很重要的防热保护功能，即运载火箭在运行过程中，卫星不受气动加热的作用；当运载火箭处于临射状态时，可对整流罩内的温度、湿度进行调节，以保证卫星不受低温和环境的影响。目前整流罩防热设计主要有蒙皮和喷涂隔热层两种方法。蒙皮方法改变隔热层厚度不灵活，只能通过贴多层蒙皮来加厚，工艺难以保证，适用于曲面不复杂、热流不大的场合。喷涂隔热层方法应用灵活，可以任意改变厚度，可以在复杂的异形曲面上喷涂，喷涂的材料可以根据需求改变。同时，喷涂隔热层方法工艺可靠性高，涂层隔热效果好，将会是整流罩防热设计的主要方法。
[0003] 整流罩具有类型多、表面曲线形状复杂，喷涂轨迹复杂，喷涂工作空间大等特点，传统喷涂方式主要采用人工喷涂，受人工作业的限制，导致喷涂质量较差、喷涂周期长、劳动环境恶劣。为了改变喷涂工作的这一状况，需将人工作业改为以喷涂装备为主体的柔性自动喷涂工作。采用喷涂装备的主要优点是实现涂装生产作业的自动化，避免了人工喷涂时工人始终处于有毒环境，提高产品质量和稳定性，同时减少涂料和能量的消耗，提高劳动生产效率。但是传统的喷涂装备机构大多采用机械手式的串联结构，受制于现有在串联结构方面的研究水平，很难到达整流罩喷涂装备的要求。
[0004] 相对于传统的串联机构，并联机构具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、易于实现高速运动等优点。此外，中国在并联机构的设计与控制方面具有较深入的研究，因此，利用并联机构开发整流罩喷涂装备具有优势。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了适应火箭整流罩类型多、表面曲线形状复杂、喷涂工作空间大、喷涂质量和精度要求高等特点，开发一种基于四自由度喷涂模块的五自由度喷涂机构，该喷涂机构喷涂工作空间大、柔性强，可满足喷涂工艺路径复杂要求、质量高的整流罩隔热涂层自动喷涂。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 一种基于四自由度喷涂模块的喷涂机构，其特征在于，该机构包括底座、龙门机架、运动平台和喷涂作业模块，该龙门机架固定在底座上，底座设置有导轨，运动平台通过底座的导轨设置在底座上，运动平台能够沿底座上的导轨实现平动；所述喷涂作业模块包括结构相同的第一喷涂模块和第二喷涂模块，该两喷涂模块均安装有喷头，能单独实现四自由度运动，分别对称安装在龙门机架上的两侧梁上；喷涂模块的四自由度运动结合运动平台的平动，能够控制喷头的位置和姿态，实现五自由度喷涂作业。
[0008] 本发明的技术特点及有益效果：
[0009] 本发明针对整流罩类型多、表面曲线形状复杂、喷涂工作空间大、喷涂质量和精度要求高等特点，利用并联结构开发了整流罩喷涂装备机构。本发明的喷涂机构基于一种四自由度的喷涂模块，并引入了混联结构。喷涂机构主要包括底座、龙门机架、运动平台和喷涂作业模块等功能单元；喷涂作业模块能够分别实现四个自由度的运动。喷涂模块的四自由度运动结合运动平台的平动，能够控制喷头的位置和姿态，实现五自由度喷涂作业；本喷涂机构结合了并联机构结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、易于实现高速运动的特点，能够满足火箭整流罩喷涂的要求。
[0010] 本机构具有结构简单、刚度高和动态性能好的特点，能够实现复杂曲面的喷涂作业，引入了并联结构，能够保证喷涂作业的高精度、高质量、高柔性。同时，所述喷涂机构结构对称，易于制造，方便控制，容易实现模块化。
附图说明
[0011] 图1为本发明实施例的三维结构示意图
[0012] 图2为本发明实施例的平面示意图
[0013] 图3为本发明实施例的喷涂模块结构示意图
[0014] 图4为喷涂模块中平面五副机构结构示意图
[0015] 图5为喷涂模块中第一伸缩支链结构示意图
[0016] 图6为喷涂模块中第二伸缩支链结构示意图
[0017] 图中：1-底座、2-龙门机架、3-第一喷涂模块、4-第二喷涂模块、5-整流罩、6-运动平台、301-第一连杆、302-第二连杆、303-第三连杆、304第四连杆、305-第五连杆、306-第一驱动电机、307-第二驱动电机、308-第一伸缩套筒、309-第一伸缩杆、310-喷头摆杆、311-第三驱动电机、312-第二伸缩套筒、313-第二伸缩、314-喷头、315-第四驱动电机具体实施方式
[0018] 本发明基于四自由度喷涂模块的喷涂机构结合附图及实施例详细说明如下：
[0019] 本发明以一个运载火箭整流罩的喷涂机构为例进行说明，但是可以理解，本领域的技术人员在上述结构的基础上，对喷涂模块的结构和数量按照要求进行的适当调整，或对整体结构进行显而易见的替换或修改均应在本发明的技术方案的保护范围之内。
[0020] 本发明基于四自由度喷涂模块的喷涂机构一个实施例的结构如图1、2所示，本发明所述的喷涂机构主要包括底座1、龙门机架2、运动平台6和喷涂作业模块。龙门机架2固定在底座1上，底座1中部设置有导轨，运动平台6通过底座1中部的导轨连接在底座1上，待喷涂的整流罩5安装在运动平台6上。喷涂作业模块包括第一喷涂模块3和第二喷涂模块4，对称布置在龙门机架2两侧的横梁上,两者的结构相同。本发明通过喷涂模块3、4和运动平台6的协同运动实现五自由度喷涂作业。
[0021] 上述各部分具体实施例结构分别说明如下：
[0022] 在本实施例中，如图1、2所示，所述龙门机架2的横梁呈三角形布置，第一喷涂模块3和第二喷涂模块4对称布置在龙门机架2上，两者的结构相同，每个喷涂模块均能单独实现四个自由度的运动。所述运动平台6下部设有凹槽，通过底座1中部的两条导轨连接在底座1上，两条导轨为条状结构，在同一高度且相互平行，运动平台6由驱动器（图中未画出）驱动沿导轨相对于底座1进行平移运动。所述整流罩5整体呈半圆台形，其母线方向的曲面为有一定曲率的光滑曲面，即为需要喷涂的曲面。整个机构通过运动平台6和喷涂模块3、4的运动相结合实现五自由度喷涂作业。
[0023] 本实施例中，所述第一喷涂模块3和第二喷涂模块4在结构上完全相同，以第一喷涂模块3的具体结构为例对喷涂模块的结构进行说明。如图3所示，第一喷涂模块3由一个平面五副机构、两个伸缩支链组成，形成空间混联机构，实现喷涂作业时的两个移动自由度和两个转动自由度。如图3、4所示，上述平面五副机构包括第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303、第四连杆304、第五连杆305以及安装在第一连杆301两端的第一驱动电机306和第二驱动电机307。上述五个连杆之间分别通过转动副相互连接，具有两个平动自由度。其中第二连杆302和第四连杆304构成第一支链，第三连杆303和第五连杆305构成第二支链，第一支链和第二支链在结构上相同，组成并联机构，带动喷头在平面内两自由度的平移运动。喷涂模块通过第一连杆301与龙门机架2固连。上述平面五副机构通过安装在第一连杆301两端的第一驱动电机306和第二驱动电机307驱动，分别控制连杆302、303的旋转运动，从而控制平面五副机构在平面内完成两自由度的平移运动。
[0024] 在上述每个平面五副机构的基础上，引入了两个伸缩支链，喷涂模块增加了两个旋转自由度。如图3、5、6所示，上述伸缩支链包括由第一伸缩套筒308、第一伸缩杆309和喷头摆杆310组成的第一伸缩支链，由第二伸缩套筒312、第二伸缩杆313和喷头314组成的第二伸缩支链，以及第三驱动电机311、第四驱动电机315。如图3、5所示，第一伸缩支链中的第一伸缩套筒308为中空圆柱状结构，第一伸缩杆309为圆柱状结构。第一伸缩套筒308一端通过转动副与第五连杆305连接，另一端通过移动副与第一伸缩杆309的一端连接，第一伸缩杆309的另一端通过转动副与喷头摆杆310的一端连接，喷头摆杆310的中部通过转动副连接在第四连杆304和第五连杆305的铰接处，喷头314安装在喷头摆杆310的另一端。通过安装在第一伸缩套筒308上端的第三驱动电机311控制第一伸缩套筒308和第一伸缩杆309之间的伸缩运动，控制喷头摆杆310的转动，从而带动喷头314转动。如图3、6所示，第二伸缩支链中的第二伸缩套筒312为中空圆柱状结构，第二伸缩杆313为圆柱状结构。第二伸缩套筒312的一端通过转动副连接在喷头摆杆310一端设置的分支3101上，另一端通过移动副与第二伸缩杆313的一端连接，第二伸缩杆313的另一端通过转动副与喷头314中部设置的分支3141相连。通过第四驱动电机315控制第二伸缩套筒312和第二伸缩杆313之间的伸缩运动，从而控制喷头314绕喷头摆杆310完成另一个方向的转动。上述第一伸缩支链和第二伸缩支链协同运动，控制喷头空间姿态，完成两自由度的旋转运动。
[0025] 本实施例的工作原理是上述连杆301、302、303、304和305构成平面五副机构，连杆301固定在龙门机架2上，通过第一驱动电机306和第二驱动电机307分别驱动连杆302和303转动，从而带动连杆304和305转动，控制整个机构在平面内实现两个移动自由度。第一伸缩支链通过转动副连接在第五连杆305上，通过第三驱动电机311驱动，控制第一伸缩套筒308和第一伸缩杆309之间的伸缩运动，从而控制喷头摆杆310的转动，带动喷头
314转动。第二伸缩支链通过转动副连接在喷头摆杆310上，通过第四驱动电机315驱动，控制第二伸缩套筒312和第二伸缩杆313之间的伸缩运动，从而控制喷头314绕喷头摆杆
310完成另一个方向的转动。整个喷涂模块带动喷头能够实现在空间内两个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。
[0026] 在工作时，喷涂模块3和4对称布置在龙门机架2上，整流罩5随运动平台6一起沿着底座1上的导轨在垂直于上述平面五副机构的方向上运动，实现第三个移动自由度。在喷涂作业中，由运动平台6和喷涂模块3、4一起联合作业，实现三个移动自由度和两个转动自由度的喷涂作业。由于整流罩5待喷涂曲面为变曲率曲面，随着整流罩5喷涂位置的变化，需要不断调整喷涂5的位置和姿态。喷涂机构通过平移运动控制喷涂的位置，保证喷头314末端与整流罩5待喷涂曲面之间的固定距离；通过旋转运动控制喷涂的姿态，始终保持喷头314与待喷涂曲面垂直，从而保证喷涂作业中的稳定性和均匀性，实现对整流罩5曲面的高质量喷涂作业。
