下一代喷漆机器人配备了先进的流体输送系统、增强的运动学性能和服务气闸隔间。该喷漆机器人包括一个流体输送系统，将颜色切换阀和泵送硬件放置在机器人安装底座的背面，技术人员无需进入喷漆车间即可进行维护。此外，得益于简化的外臂设计、改进的归位功能以及靠近机器人底座的气闸隔间，机器人允许在不进入喷漆车间且无需停止车辆输送机的情况下进行例行清洁和维护。服务人员可以从气闸隔间内清洁和维护外臂上的喷涂器和其他组件，而其他机器人则可以继续对输送机上移动的部件进行喷漆，且不会让含有烟雾的蒸汽进入操作通道。翻译而来供参考，亦可加入知识星球阅读英文原版、中文译本（见文末）。
图1A展示了一个6轴下一代喷漆机器人100的示意图，依据本公开的一个实施例。该下一代喷漆机器人100旨在提供克服现有技术中喷漆机器人局限性所需的灵活性和可维护性。与以往设计相比，下一代喷漆机器人允许车辆喷漆生产线使用大幅减少的喷漆房占地空间，并显著降低维护和清洁所需的停机时间。
6轴机器人100安装在固定的底座支架110上。转塔或机器人底座112通过关节J1可旋转地安装在底座支架110上（关节将在后续图中标识并编号）。在一个实施例中，关节J1的轴线大致水平，且垂直于喷漆房侧墙、喷漆房中心平面以及传送带方向。在其他实施例中，关节J1的轴线通常朝向喷漆房中心平面，但并非水平，而是以一个角度（如30°）倾斜。第一个内臂部分114通过关节J2与转塔112连接。机器人100的所有关节都是旋转关节，提供单一的自由度，即围绕定义轴线旋转的运动，图1A中用弧形箭头显示了允许的旋转运动。第二个内臂部分116通过关节J3与第一个内臂部分114连接。第一个外臂部分118通过关节J4（也称为肘部）与第二个内臂部分116连接。第二个外臂部分120通过关节J5与第一个外臂部分118连接。手腕部分122通过关节J6与第二个外臂部分120连接。喷涂器130以优化角度固定连接到手腕部分122上，以便进行喷漆应用。
下一代喷漆机器人100通过将流体传输装置（如泵、阀门、换色装置、清洁回路等）放置在或靠近安装支架110，而不是放置在外臂120上，从而优化了维护的便捷性。可以从图1A中看到，仅有一根喷漆供给管线140沿着机器人臂布置，向喷漆器130提供油漆。通过消除从所有机械臂上延伸的多条供漆管线，以及外臂上的泵、大容量供漆管线和相关的换色阀，机器人100的机械臂变得比现有技术中的喷漆机器人更轻巧、更紧凑。纤细的机械臂，加上多余的内臂旋转关节（关节J3），以及下文讨论的其他功能，使得该机器人100在灵活性方面——尤其是近距离作业时的灵活性——远超现有喷漆机器人。用于喷漆和换色的额外阀门可以位于机器人臂的末端或喷漆器中，便于操作员在维护间进行维护和操作。
图1B展示了一个用于图1A中下一代喷漆机器人100的7轴版本的可选腕关节配置。腕关节160包括第一个腕部部件162，它取代了图1A中的腕部部件122。第二个腕部部件164与第一个腕部部件162旋转连接，喷漆器130以优化喷漆角度固定安装在第二个腕部部件164上。图1B中的7轴配置为喷漆器130提供了额外的自由度，使其在某些喷漆应用中更灵活地瞄准目标。
图2A和图2B是示意图，展示了图1A和1B中的下一代喷漆机器人100的6轴和7轴版本的关节配置。如本领域技术人员理解的那样，图2A和2B中所示的关节J1-J6基本上是一系列旋转关节，每个关节与前一个关节垂直排列，提供交替的旋转和弯曲运动。图2A中的关节可以描述如下：J1（166）提供相对于安装支架110的转塔旋转；J2（168）提供内臂相对于转塔112的弯曲；J3（170）提供内臂相对于转塔112的“冗余”旋转；J4（172）是肘关节，提供外臂相对于内臂的弯曲；J5（174）提供外臂的旋转；J6（176）提供腕部的弯曲。在图2B中，腕部的最终旋转，也称为旋转轴，显示为J7（178）。
在6轴和7轴配置中，内臂长度194定义为从J2（168）到J4（172）的距离，外臂长度196定义为从J4（172）到J6（176）的距离。内臂长度194和外臂长度196是下一代喷漆机器人100的关键设计参数，因为臂长194和196影响机器人的工作范围。相对于组合臂长的喷漆供给管线140的总体长度也是一个重要的设计因素。
通过上述运动学原理，以及将流体传输装置布置在机器人臂上游（在或靠近安装支架110处），下一代喷漆机器人100相较于现有喷漆机器人提供了许多改进。机器人100大幅减少了机械臂的重量以及相关的安装成本。机器人100还为固定基座机器人提供了大范围的有效工作空间。它可以在上游到下游之间连续处理，并且具备足够的自由度和近距离操作灵活性，使机械臂能够维持在车身与喷漆间墙壁之间的狭小空间内。此外，机器人100提供了一种将至少一条喷漆管线通过关节引导至喷漆器的方法，从而不限制机器人的关节运动范围。此外，下一代喷漆机器人100旨在最大限度减少因清洁和维护而导致的生产线停机时间。下一代喷漆机器人100的所有这些方面将在下文中详细讨论。
图3-6的以下讨论描述了机器人100在喷漆间中的使用，包括一个新的流体传输回路设计，旨在简化部件的更换和维护。图7-8展示了几个流体传输回路的细节，并说明了如何在实现将大部分流体传输部件布置在喷漆间外部的所有好处的同时，最小化换色时间和油漆浪费。
图3展示了从喷漆间外的操作员通道看下一代喷漆机器人100的示意图，操作员190站在靠近安装支架110的位置。
图4展示了下一代喷漆机器人100在喷漆间内的端视图，机器人100和正在喷漆的车辆300位于喷漆间200内，操作员190和安装支架110位于喷漆间200的侧墙210外部。传送带220将车身连续或在固定站点传送通过喷漆间200。图4中，车辆300在传送带220上的运动方向是朝向观者的。喷漆间中心平面222以边缘视图显示，中心平面222位于墙210和喷漆间200对侧墙（未显示）之间的中间位置。在图4的实施例中，转塔112和安装支架110之间的关节J1的旋转轴是水平的，但在某些应用中，该轴可以相对于水平倾斜。
应当理解的是（并且在后面的图中有展示），沿着侧墙210以及对侧墙还有其他机器人100实例布置，从而提供一个能够对车辆或其他零件进行连续喷漆的喷漆间。清洁台230位于机器人100旁边，位于喷漆间200内的侧墙210附近，直接对着操作员的位置。机器人100返回到一个初始或服务位置，用于颜色更换冲洗和清洁任务，在该配置中，喷漆器130位于清洁台230上。下文对此有进一步讨论。
图5是喷漆生产线的侧视图，显示了两个下一代喷漆机器人100，其中一个机器人的流体传输设备可见，位于其安装支架110的背面柜中。在图5中，右侧的机器人100正在对车辆300的引擎盖进行喷漆，而另一个机器人100停在其清洁台230的初始或服务位置。右侧安装支架110的柜子上有盖子，隐藏了内部的流体传输和气动设备。在图5中，通过窗户可以看到车辆300和机器人100的一部分，而侧墙210的其余部分被省略了。
如前所述，下一代喷漆机器人100的设计将流体传输设备置于机器人臂的上游位置，这在减少机器人臂的尺寸和重量、提高机器人灵活性、支持多种油漆颜色以及组件的可维护性方面带来了极大的好处。在优选的实施例中，换色器180和泵装置182位于安装支架110背面的柜184中（靠操作员通道一侧，而不是喷漆间200内）。换色器180有许多油漆供应管线（通常为48条或更多，未显示），并包含自动控制的阀门，用于选择其中一种油漆颜色通过第一供应管线（未显示）提供给泵装置182。泵装置可以是罐式装置、齿轮泵装置或适合将油漆泵送到喷漆器130的其他设计。喷漆供给管线140（如图1所示）从泵装置182接收油漆并将其提供给喷漆器130。喷漆供给管线140通过安装支架110的孔186、关节J1处的转塔112的孔，并沿着机器人臂通向喷漆器130，还可以选择通过其他关节（如J3和J5）。
在其他设计实施例中，换色器180和泵装置182可以放置在其他地方，优选在机器人底座上或靠近底座的位置，而不是在外臂上。例如，换色器180和泵装置182可以同时安装在转塔112上。或者，换色器180可以安装在柜184中，而泵装置182可以安装在转塔112或第一个内臂部件114上。无论哪种情况，换色器180和泵装置182的位置设计都使其可以从操作员通道进行维护（可能通过墙210上的一个小窗口）。通过避免由于流体传输设备维护而导致的停机时间，下一代喷漆机器人100显著提高了喷漆间的生产效率。
图5中的距离250代表相邻机器人100之间的间距，需要理解的是，许多（不止两个）机器人100会沿喷漆间200的每一侧安装。间距距离250及其对喷漆间200尺寸的影响将在下文进一步讨论。安全互锁的入侵门（或屏障，或防护装置）286用于防止操作员190进入喷漆间200，同时仍允许操作员190伸手进入受保护的区域；这一点将在下文进一步讨论。
图6是喷漆生产线的顶视图，展示了两个下一代喷漆机器人100在喷漆间200中同时对车辆300的不同部分进行喷漆。图6中，一个机器人100正在对车辆300的右前门进行喷漆，另一个机器人100正在喷漆车辆300的引擎盖。喷漆间中心平面222在图6中以顶边视图显示，位于侧墙210和对侧墙212之间的中间位置。下文讨论还提到了沿对侧墙212安装的其他机器人100实例。
图6中还展示了每个机器人100的安装支架110旁边的气锁间280。每个气锁间280都有一个通道入口门282和一个喷漆间入口门284。按照下文讨论的程序，服务人员（可以选择佩戴自带呼吸器或连接呼吸软管）可以进入气锁间280，关闭通道入口门282，打开喷漆间入口门284，在不必停止所有喷漆操作并用新鲜空气冲洗喷漆间200的情况下，对机器人100执行某些清洁和维护任务。
图4-6中显示了一个喷漆间坐标系400。喷漆间坐标系400的原点位于喷漆间中心平面222中的一点，通常在传送带220的下方高度。坐标系400的X轴方向与传送带220的运动方向一致（在图5和图6中从左到右），Z轴朝上。这使得坐标系400的X-Z平面与喷漆间中心平面222重合，如图4和图6所示。坐标系400的Y轴朝向喷漆间200的对侧墙212（远离侧墙210）。这使得坐标系400的X-Y平面为水平面，例如与喷漆间200的地面重合的平面。
图5和图6中的间距距离250表示机器人100沿侧墙210的间距。由于下一代喷漆机器人100具有良好的近距离灵活性（得益于机械臂运动学、流体传输设备在安装支架中的布置、纤细的臂结构等），距离250可以仅为1.5-2.0米。距离252是机器人100在对侧墙212上的间距，这个距离252可以与距离250不同。例如，在喷漆间200的一种设计配置中，沿侧墙210的机器人100间距250被最小化，这些机器人负责喷漆车辆300的近侧表面和所有跨车外部表面（引擎盖、车顶、后备箱），而对侧墙212上的机器人100的间距252比250更大，这些机器人仅负责喷漆车辆300的近侧部分。
图3-6详细展示了机器人100及其在喷漆生产线中的使用情况。由于先进的运动学设计以及将流体传输设备布置在机器人臂的上游，下一代喷漆机器人100显著减轻了机器人臂的重量和体积，提升了灵活性和近距离操作能力，并设计为最大限度减少因清洁和维护而导致的停机时间。在实现这些优点的同时，下一代喷漆机器人100还通过使用先进的流体传输回路，最小化了油漆浪费和换色操作的周期时间。
下一代喷漆机器人100的另一个关键优势（如图1-6所示）是最大限度地缩短了喷漆器供漆管线140的长度。通过将供漆管线140穿过某些关节的中心，并且由于机器人的纤细臂设计，供漆管线140的长度可以保持在小于内臂和外臂（图2中194和196）的组合长度再加上1.6米的服务长度。供漆管线长度的最小化对于保持喷漆器130的足够油漆压力以及减少换色时的油漆浪费都非常重要。在需要进一步减少换色时间的情况下，可以使用图7和图8中显示的多泵系统和多流体供给管线。
图7A是一个流体传输系统700的示意图，用于喷漆、清洁和换色操作，基于本披露的一个实施例。流体传输系统700包括换色器780，代表图5中的换色器180，以及泵装置782，代表图5中的泵装置182。换色器780和泵装置782专门为多种类型的油漆设计。图7中还可见之前讨论的喷漆器供漆管线140和喷漆器130。换色器780和泵装置782位于喷漆间200外部，供漆管线140穿过侧墙210并沿机器人臂布置至喷漆器130的入口处。在图7和图8的所有实施例中，从泵装置到喷漆器130的供漆管线140的长度都小于4.4米。
该基于溶剂的流体传输系统700支持换色器780中的多种颜色，能够在15秒内完成换色，减少换色时的油漆浪费，并减少溶剂浪费。流体传输系统700通过使用两个齿轮泵——一个用于油漆，另一个用于溶剂——以及一系列用于空气、油漆和溶剂的阀门和优化的阀门控制策略，实现了这些功能。
流体传输系统700的操作如下。换色器780中的一个阀门打开，通过第一供漆管线710向泵装置782提供特定颜色的油漆。第一个齿轮泵720通过喷漆器供漆管线140将油漆泵送至喷漆器130，喷漆器130的触发阀740控制实际的喷漆操作。第一个齿轮泵720上游设有压力调节器742，下游设有压力传感器744。应当理解，泵和阀门均由带有处理器的控制器操作，控制器负责控制机器人的运动、通过触发阀740的喷漆操作、以及启动换色序列等。
当当前颜色的喷漆接近完成时，关闭油漆阀门（例如C1），停止来自换色器780的油漆流动。在喷漆器130继续喷漆的同时，溶剂阀746打开，将第一供漆管线710中的油漆推至接近第一个齿轮泵720但不进入泵内。这时，第一个齿轮泵720停止，阀门748关闭，阀门750打开，第二个齿轮泵730启动，将溶剂泵送至供漆管线140。第二个齿轮泵730是高效泵，设计具有紧密公差，适合泵送低粘度溶剂。在喷漆器130继续喷漆的同时，第二个齿轮泵730将供漆管线140中的油漆推送至喷漆器130，大部分油漆可用于喷漆车辆。泵730控制溶剂流量，以确定溶剂何时接近喷漆器130。在喷漆周期结束时，当溶剂推送功能发生时，换色器780、流体调节器742、齿轮泵720和油漆压力传感器744通过顺序操作换色器溶剂和空气阀门以及最终打开下一个颜色阀门来进行清洁并为下一种颜色做好准备。
当部件喷漆完成后，机器人100返回初始位置，喷漆器130进入喷漆器清洁装置230。这时，第二个齿轮泵730的溶剂将供漆管线140和喷漆器130中的剩余油漆推送出去。同时，泵730的溶剂还用于冲洗第一个齿轮泵720和阀门748之间的短管路，残留物通过排放阀752冲洗掉。然后通过空气阀756提供压缩空气，将供漆管线140和喷漆器130中的溶剂吹干。之后，使用泵720为下一种颜色填充供漆管线140，将油漆精确计量到喷漆器130，通过触发阀740并进入喷漆器清洁装置230。然后，机器人100返回初始或服务位置，喷漆器130准备好执行下一次喷漆任务。
图7B是溶剂基喷漆、清洁和换色操作的流体传输系统770的示意图，基于本披露的另一个实施例。系统770与图7A中的系统700的主要区别在于溶剂泵的位置和连接方式。在系统770中，第二个齿轮泵790（高效泵，设计具有紧密公差，适合泵送低粘度溶剂）位于第一个齿轮泵720的上游。当需要进行换色时，来自换色器780的油漆流被切断，第二个齿轮泵790通过管线792直接向第一个齿轮泵720提供溶剂，第一个齿轮泵720继续运行。这样提供的溶剂开始清洁第一个齿轮泵720，同时将油漆推送通过供漆管线140至喷漆器130。当供漆管线140中的溶剂接近喷漆器130时，机器人100将喷漆器130返回到喷漆器清洁装置230，系统770完成其清洁循环，使用阀门提供所需的溶剂流动，然后以与系统700类似的方式提供压缩空气。
在另一个替代实施例中，可以使用压力调节器和流量计来代替第二个齿轮泵730或790，以计量用于将油漆从供漆管线140中推送出来的溶剂流量。
如上所述，流体传输系统700和770通过将换色器780和泵装置782布置在机器人上游，同时最大限度地减少换色时间和油漆浪费，实现了更高效的喷漆操作。换色器和泵装置布置在机器人上游的位置，位于喷漆间外部，并因此可以在某些实施例中通过操作员通道进行维护，这是提高喷漆操作时间的关键因素。
图8A是一个流体传输系统800的示意图，该系统包括用于喷漆、清洁和换色操作的阀门和罐式泵，基于本披露的一个实施例。流体传输系统800包括换色器880，代表图5中的换色器180，以及泵装置882，代表图5中的泵装置182。换色器880和泵装置882专为水性漆设计，同时也提供使用溶剂型漆并过渡到水性漆的选项，例如在同一个喷漆应用中可以同时使用两种类型的漆。图8A中还可见之前讨论的喷漆器供漆管线140和喷漆器130，喷漆器130位于喷漆间200内，换色器880和泵装置882位于喷漆间200外部，供漆管线140穿过侧墙210的孔。
流体传输系统800支持换色器880中的最多48种不同颜色，能够在15秒内完成换色，将换色时的油漆浪费限制在不到10毫升，将换色时的溶剂浪费限制在不到150毫升。该系统通过使用两个罐式泵——一个大罐用于油漆，一个小罐用于溶剂——以及一系列空气、油漆和溶剂的阀门和优化的阀门控制策略来实现这些能力。当需要更快的换色时，可以采用两套独立的泵系统和两条流体供给管线，这样一套系统在喷漆时，另一套系统可以为下一辆车准备好下一种颜色。
流体传输系统800的工作原理如下。换色器880中的一个阀门C1-C4打开，通过第一供漆管线810向泵装置882提供特定颜色的油漆。油漆罐820在阀门824打开的情况下，活塞822后退，从而将油漆罐820填充到所需的喷漆量。然后关闭阀门824并打开阀门826，活塞822以规定的速度下压，将油漆以所需的流量输送到喷漆器130，阀门832打开后开始向车辆喷漆。
当当前颜色的喷漆接近完成且油漆罐820空了时，关闭油漆阀门826并打开溶剂阀门834；溶剂罐830以控制的速度下压，溶剂将供漆管线140中的油漆推送至喷漆器130，大部分油漆可用于喷漆车辆。
然后，机器人100返回初始/服务位置，喷漆器130进入喷漆器清洁装置230。同时，阀门844、824、842和826打开，溶剂和空气阀门840和850依次操作，清洁并干燥包括油漆罐820在内的开路，通过排放阀844排出残余物。当处于清洁站时，溶剂罐830的溶剂将供漆管线140和喷漆器130中的剩余油漆推送出去。
罐820接着准备装载新颜色的油漆，首先系统800被置于真空状态，然后换色器880中的一个油漆阀门C1-C4打开；油漆罐820吸入合适量的油漆，流体传输系统800接着被完全灌注新颜色的油漆。当油漆罐820装载下一种颜色时，溶剂罐830装入新的溶剂，并且供漆管线140被干燥，准备下次填充。活塞822前移，将少量新颜色的油漆装入喷漆器130，此时喷漆器仍处于喷漆器清洁装置230中。然后，机器人100离开喷漆器清洁装置230，前往初始位置并随后继续喷漆作业。
图8B是一个用于水性漆喷涂、清洁和换色操作的流体传输系统870的示意图，基于本披露的另一个实施例。系统870与图8A中的系统800的主要区别在于溶剂泵的位置和连接方式。在系统870中，溶剂罐830被放置在油漆罐820旁边。这使得泵装置882中至少可以减少一个阀门，用于向油漆罐820提供油漆，并向油漆罐820和溶剂罐830提供溶剂。
如上所述，流体传输系统800和870使得换色器880和泵装置882可以布置在机器人上游的位置，在不关闭喷漆间200中所有喷漆操作的情况下即可进行维护，同时仍然能够最大限度减少换色时间和油漆浪费。
图9是一个流程图900，展示了使用图7-8所示的流体传输系统和图1-6所述的下一代喷漆机器人100进行喷漆和系统维护的方法。在步骤902中，正常的车辆喷漆操作进行中，包括给车辆车身部分涂上一层油漆或底漆，自动冲洗流体传输系统，切换到不同颜色的油漆（或清漆），并为车辆涂上另一层油漆。
在步骤904中，确定需要对换色装置180和/或泵装置182（见图5）进行维护或更换。在步骤906中，机器人100被置于待机或备用模式，此时该机器人100停止车辆喷漆并返回到初始和服务位置，但传送带继续将车辆车身输送通过喷漆间200，其他喷漆站点的操作仍继续，除了处于待机模式的机器人100。当一个机器人100处于待机模式时，喷漆生产线主控制器会让其他机器人100完成待机机器人无法进行的喷漆工作。
在步骤908中，服务技术人员从柜184（见图5）中移除换色装置180和/或泵装置182，并对其进行更换或维修。机器人100及其流体传输系统和为其设计的喷漆生产线的一个关键优势在于，技术人员无需进入喷漆间200即可完成换色装置180和/或泵装置182的维修或更换。这使得其他喷漆站点的操作能够继续进行，并避免了需要用新鲜空气冲洗喷漆间200的情况，给车辆制造商带来了极大的生产效率提升和成本节约的好处。
在步骤910中，技术人员维修或更换完组件后，机器人100执行返回服务程序，恢复正常模式，并继续车辆喷漆操作。返回服务程序可能包括操作换色装置180和泵装置182中的一些阀门，使用溶剂冲洗系统，并为系统注入下一次所需的油漆颜色。
前面的讨论描述了下一代喷漆机器人100的特性，使得技术人员无需进入喷漆间200即可维护换色装置180和泵装置182。下一代喷漆机器人100的另一个特点是其改进的近距离操作灵活性，使得可以配置比以往更小的喷漆间。对此将会在下文中详细讨论。
图10展示了下一代喷漆机器人100正在对车辆300的前排乘客侧车门内侧进行喷漆的场景。图10中还可以看到之前在图5和图6中展示和讨论过的气锁间280、安装支架110旁的通道入口门282、喷漆间入口门284以及防护栏286。
下一代喷漆机器人100旨在优化喷漆生产线的处理效率以及喷漆间200的空间利用效率。实现这些设计目标的关键因素包括内臂的冗余旋转（关节J3），以及为内外部喷漆应用提供的两轴和三轴腕关节选项。此外，将流体传输设备和多条油漆供给管线从机器人臂上移除，赋予了机器人极高的灵活性，并显著提高了近距离操作能力。
由于具有更高的灵活性和改进的近距离操作能力，J2轴（转塔到内臂第一部分）可以安装得更低且更靠近车辆300。与那些在臂上装有流体传输设备和多条油漆供给管线的喷漆机器人相比，机器人的臂长、臂重和支撑结构都得到了大幅缩减。更高的灵活性和改进的近距离操作能力使得机器人100能够进行上游、下游以及正前方的喷漆操作。这使得机器人之间的间距（图5中显示的间距250）从以前喷漆机器人系统中的约3米减少到使用下一代喷漆机器人100的系统中的1.5至2.0米，从而减少了喷漆间的长度和宽度，同时不会影响相邻机器人之间的工作空间。喷枪的效率也得到了提高。
如图5、6和10所示，下一代喷漆机器人100能够喷涂车辆300的近侧外表面、跨车表面以及内部表面。由于机器人100的灵活性和延展性，喷漆生产线的长度可减少多达30%；此外，灵活的工作范围允许在较窄的喷漆间内作业，从而减少喷漆间面积多达40%，如后文讨论的那样。较小的喷漆间占地面积和封闭体积为汽车制造商带来了显著的资本和运营成本节约。
图11A是一个喷漆生产线1100的顶视图，设计用于使用上一代喷漆机器人。图11B是一个喷漆生产线1140的顶视图，设计用于处理与图11A的生产线相同的每小时任务数量，图11B的生产线使用的是下一代喷漆机器人100。
喷漆生产线1100和1140的机器人沿着喷漆间200的两侧安装，车辆通过传送带从中间经过，正如之前讨论的那样。每个喷漆机器人喷涂车辆300的一侧，顶部和跨车表面（如引擎盖和车顶）的喷涂可以在生产线的两侧分配。此外，喷漆生产线1100和1140还包括内部区域的开门机器人（未显示），这些机器人可以打开或关闭车门、引擎盖和后备箱/尾门，以便在同一生产线上同时喷涂车辆的内部和外部表面。
喷漆生产线1100包括一个内部区域1102，用于喷涂车辆内部表面，和一个外部区域1104，用于喷涂车辆外部表面。在内部区域1102和外部区域1104都使用喷漆机器人1110，但两个区域的机器人间距不同。内部区域1102的机器人间距1130大于外部区域1104的间距1132，这是因为喷涂内部表面时需要更复杂的操作，机器人1110缺乏灵活性，有时需要翻转机械臂，这需要更大的机器人间距。喷漆生产线1100的总面积由喷漆间的长度1120乘以宽度1122决定。
喷漆生产线1140包括一个内部区域1142和一个外部区域1144，用于喷涂车辆的内部和外部表面。下一代喷漆机器人100用于内部区域1142和外部区域1144。内部区域1142和外部区域1144可以使用前面讨论的机器人间距250，这比生产线1100中的间距1130和1132要小。这是由于下一代喷漆机器人100的近距离操作灵活性，如之前详细描述的那样。喷漆生产线1140的总面积由喷漆间的长度1150乘以宽度1152决定。
很明显，生产线1140比生产线1100更简单且占地面积更小。这是因为下一代喷漆机器人100能够通过单一的安装配置和更小的间距同时喷涂车辆300的内部和外部表面。相比之下，以前的喷漆机器人设计，如机器人1110，必须根据是否执行内部或外部喷涂任务来不同地安装或配置。而在生产线1140中，所有的机器人100都是相同的配置和安装高度。这不仅提高了空间利用率，还使得在某个机器人进入待机模式时，能够更好地将喷涂任务重新分配给其他机器人。
例如，生产线1100中的机器人间距从2.8米（间距1130）减少到生产线1140中的2.0米（间距250）。此外，正如之前讨论的，机器人100的近距离操作灵活性使得喷漆间的宽度1152相比喷漆间宽度1122有所减少。由于长度和宽度的减少，生产线1140所需的喷漆间地面面积比生产线1100减少了40%，同时处理相同数量的车辆喷漆任务。
下一代喷漆机器人100的另一个设计特点是可以在不需要技术人员进入喷漆间200且不停止喷漆生产线的情况下进行维护和清洁。这些能力得益于使用气锁间280（在图6中已简要讨论）。
喷漆机器人不可避免地会积累过喷的油漆，必须定期清洁以防止过度积累。使用当前的喷漆机器人，生产过程在每个班次中需要两次30分钟的清洁“暂停”，每周总计约21小时的不喷漆时间。清洁暂停通常发生在班次交接和班次中期。清洁暂停时会停止传送车辆车身，并对喷漆间200的多机器人区域进行锁定并用新鲜空气冲洗。根据需要清洁的机器人数量和分配的时间，通常需要多个操作员擦拭喷漆器外部、为外臂和喷漆器更换过喷覆盖物、擦拭喷漆器清洁装置230的顶部以及清洁观察窗。
如果喷漆机器人系统能够在不关闭喷漆生产线或喷漆间某些区域的情况下进行维护和清洁，将带来显著的运营成本优势。事实上，通过避免每个班次的清洁“暂停”，使用机器人100的喷漆生产线可以在6天内完成当前喷漆机器人系统需要7天才能完成的车辆喷漆任务。
图12是下一代喷漆机器人100停在初始位置的顶视图，展示了操作员在气锁间内进行外臂和喷漆器的清洁和维护，而无需停止喷漆生产线或用新鲜空气冲洗喷漆间的场景，基于本披露的一个实施例。
机器人100和车辆300位于喷漆间200内，而侧墙210将喷漆间200与操作员通道1210隔开。如前所述并广为理解，操作员通道1210是一个可居住的清洁空气环境，而喷漆间200在喷漆操作期间充满油漆烟雾，操作员190不能进入，除非停止喷漆并用新鲜空气冲洗喷漆间200或其区域。
在图12中，机器人100已返回初始位置，喷漆器130放置在清洁台230上（不可见）。安装支架110旁是气锁间280，正如之前在图6中展示的那样。操作员190已通过通道入口门282进入气锁间280，并关闭了通道入口门282。
在某些情况下，需要使用自带呼吸器或连接呼吸软管，操作员190可以打开喷漆间入口门284，并通过防护栏286伸手对机器人100进行清洁和维护操作。与当前喷漆机器人系统的清洁暂停不同，从气锁间280对机器人100进行清洁/维护可以在不停止所有喷漆操作或用新鲜空气冲洗喷漆间200的情况下进行。相反，特定的机器人100可以进入待机或备用模式，其工作可以暂时分配给生产线上的其他机器人，其他机器人在操作员190进行清洁和维护任务时继续喷涂车辆。
安全区1220在机器人100的服务位置周围定义。安全区1220是一个编程上禁止其他相邻机器人进入的区域，以确保操作员190的安全。安全区1220可能包括额外的传感器和锁定控制，以保护操作员190在其伸手进入喷漆间200的那部分区域时的安全。物理防护栏286可能位于喷漆间入口门284的开口处（因此在图12中不可见），防护栏286允许操作员190将手臂伸入安全区1220，但防止操作员的身体进入安全区1220，并防止操作员的任何部分进入喷漆间200的安全区1220之外。此外，气锁间280还需要实施环境控制协议，在通道入口门282打开（用于操作员进出）之前，气锁间280可能需要用新鲜空气冲洗，操作员190还可能需要确认自带呼吸设备处于正确工作状态并且已经佩戴好，才能打开喷漆间入口门284。
操作员190在气锁间280内是否需要使用呼吸器，以及在打开通道入口门282之前气锁间280是否需要用新鲜空气冲洗，取决于喷漆间200内使用的油漆类型。如果车辆300使用的是含有有害气体的溶剂型油漆（如漆），这些烟雾必须避免被操作员190吸入，并且必须防止其进入操作员通道1210。在这种情况下，操作员190在气锁间280内必须使用呼吸设备，并且在打开通道入口门282之前，气锁间280必须用新鲜空气冲洗。在其他情况下，如果烟雾无害，则上述防护措施可能不需要。
操作员190在气锁间280内可以执行的任务包括：更换或维护喷漆器130的喷杯；更换或维护安装在外臂120上的任何工艺部件；清洁或维护喷漆器清洁装置230；更换喷漆器130和外臂120上的过喷覆盖物。为了例行维护以及防止喷漆机器人积累过喷并导致喷漆缺陷，这些任务必须定期执行。在不需要停机的情况下执行这些任务，避免了不必要的停机时间，是相较于以前喷漆机器人系统的一项重大改进。
在同一待机期间，还可以执行其他维护任务，包括更换安装在安装支架110柜184中的流体传输设备（如前所述），以及为每个工艺部件运行诊断测试，以确认其正常运行或诊断问题部件。在某些情况下，可能还可以完成一些更耗时的任务，例如更换喷漆器软管或校准机器人。在所有这些情况下，只有一个机器人100被停止运行，而喷漆间200中的其他机器人继续喷漆，其他机器人将承担停止服务的机器人100的喷漆任务。
图13是流程图1300，展示了使用图12所示的气锁间280和机器人功能对下一代喷漆机器人100进行清洁和维护的方法。在步骤1302中，特定的机器人100被置于待机或备用模式，此时机器人100返回到初始位置，其喷漆任务被分配给喷漆生产线上的其他机器人。喷漆间200中的其他机器人继续进行喷漆操作。在步骤1304中，操作员190通过通道入口门282进入气锁间280，并关闭通道入口门282。
在步骤1306中，若特定喷漆操作需要呼吸设备，且操作员190在进入气锁间280时未佩戴，则操作员190佩戴呼吸设备。然后操作员190打开喷漆间入口门284，进入机器人100的维护区域。
在步骤1308中，操作员190对机器人100进行清洁和维护，包括擦拭喷杯、为喷漆器130和外臂120更换过喷覆盖物。操作员仍留在气锁间280内，手臂通过防护栏286伸入安全区1220进行清洁和维护操作。喷漆间200中的其他机器人继续喷漆，且相邻的机器人通过程序控制禁止进入安全区1220。其他维护任务也可以在操作员190位于气锁间280时进行，例如由位于操作员通道1210的另一个维护人员对柜184中的流体传输设备进行维护或更换。
在步骤1310中，操作员190完成机器人清洁和维护后，关闭喷漆间入口门284。若有需要，气锁间280将用新鲜空气冲洗，随后操作员通过通道入口门282离开气锁间280。在步骤1312中，机器人100恢复正常模式，继续进行喷漆操作。整个流程1300期间，喷漆间200中的喷漆生产线保持运转，从而避免了当前喷漆机器人系统中由于清洁而导致的长时间停机。
下一代喷漆机器人100的另一个设计元素是新的电机控制电缆布线，这简化了机器人结构并降低了成本。图14展示了根据本披露的实施例，下一代喷漆机器人100的电机控制电缆布线方式，这些电缆布置在密封的机器人关节外部。图14中的机器人100显示了一些电机控制电缆外部布置，跨越机器人关节，而不是通过气体净化的腔体或机器人臂内的空心区域。第一电缆组1410为关节J1（166）和J2（168）的电机供电，而第二电缆组1420为关节J3至J6的电机供电。该系统使用专为危险环境设计的电缆，也可以使用其他导体电缆布线方式。
图14中的电机导体电缆布线相比其他选项具有优势。首先，传统的电机导体布线方式通常是在关节内的空心密封区域中，这种方式不允许对喷漆器供漆管线140进行优化。而如图14所示，将导体外部布线并与供漆管线140共享空间，使得关节能够根据工作范围、灵活性和工艺性能进行设计和优化。
第一电缆组1410和第二电缆组1420是灵活的电缆束，包含为关节电机供电所需的导体数量。第一电缆组1410仅为两个电机供电（J1和J2），但它们是机器人100中最大的电机，因此导体的尺寸必须足够处理较大的电流。第二电缆组1420为四个或五个关节电机供电（J3至J6或J3至J7）。
第一电缆组1410和第二电缆组1420可能包裹在灵活的溶剂兼容护套中。也就是说，护套由柔性材料制成，能够承受直接接触油漆和溶剂而不会损坏或退化。导体电缆也可以被包含在灵活的管道内，并进行气体净化以防止油漆和溶剂的进入，从而保护内部的导体电缆。每根柔性管道可以包含一个单独的导体电缆，连接到一个单独的电机（一个用于J2，一个用于J3，依此类推）。
图14中展示的外部导体布线，以及将流体传输组件布置在机器人上游、较小的机械臂和关节尺寸等设计因素，均有助于提升下一代喷漆机器人100的灵活性（特别是近距离操作能力）。这种灵活性进一步拓展了机器人安装、间距和可维护性的可能性，显著提高了喷漆效率和喷漆生产线的正常运行时间。
图15A、15B和15C展示了下一代喷漆机器人配置的示意图，其中机器人底座围绕一个非水平轴旋转，安装支架突出进入喷漆间，根据本披露的另一个实施例。下一代喷漆机器人1500与之前讨论的下一代喷漆机器人100相同，区别在于它枢轴安装在一个非水平轴的安装支架1510上。此外，安装支架1510突出进入喷漆间，使得机器人底座或转塔112与安装支架1510之间的关节J1（166）不位于侧墙210的平面内。在这种配置下，安装支架1510与侧墙210密封，并作为喷漆间200与操作员通道1210之间的隔板的一部分。
安装支架1510的顶部1512有一个倾斜面，使得关节J1轴线与水平线形成一个角度1514。J1轴线仍然与喷漆间中心平面222相交。该角度1514大约为30度，或根据特定喷漆间应用的需求进行调整，以优化机器人1500的伸展性和灵活性。在优选的实施例中，J1轴线从顶部视角看是垂直于侧墙210的，即J1轴线没有上游或下游的角度。安装支架顶部1512进入喷漆间200的突出处也可以配置，以优化机器人1500在特定应用中的伸展范围。
图15B中显示了之前讨论的内臂长度194和外臂长度196。喷漆器供漆管线140在图15A、15B和15C中均可见，供漆管线140穿过安装支架1510顶部1512的孔1516。这使得供漆管线140能够从泵装置182到喷漆器130的路径尽可能短，如之前讨论的那样。
尽管图15A、15B和15C中没有显示气锁间280，但它可以与机器人1500和安装支架1510一起使用，以便在不停止整个喷漆生产线并清除喷漆间200烟雾的情况下，对喷漆器130和外臂部件进行清洁。
使用与下一代喷漆机器人100相同的机器人硬件，机器人1500和安装支架1510提供了额外的设计参数，以优化机器人在特定喷漆应用中的灵活性和伸展性。
上述讨论中描述和暗示了各种控制器——用于控制单个机器人的运动和任务，以及整个喷漆生产线的主控制。需要理解的是，这些控制器的软件应用和模块在一个或多个具有处理器和内存模块的计算设备上执行，包括配置在非易失性内存中的算法。在一个非限制性实施例中，每个机器人100有一个本地专用控制器，每个机器人控制器与喷漆线主控制器进行通信。机器人、机器人控制器与喷漆线主控制器之间的通信可以通过有线网络进行，也可以使用任何合适的无线技术——如蜂窝电话/数据网络、Wi-Fi、宽带互联网等。
如上所述，下一代喷漆机器人为汽车制造商提供了许多显著的生产力优势。机器人设计将流体传输组件安装在喷漆间外部，使得在不关闭喷漆间的情况下对这些组件进行维护成为可能，并提供了更广泛的颜色选择，同时减少了换色时的油漆浪费和时间，低于当前标准。其高灵活性工作范围使得机器人能够在紧凑的喷漆区域内更近距离地安装，从而减少了喷漆间的占地面积，进而降低了资本成本和能源需求。下一代喷漆机器人的设计还提供了更高的可靠性，能够在生产运行期间进行维护和清洁。系统正常运行时间显著提高，从而提高了车辆喷漆线的产量。
篇幅所限，以上仅摘录部分内容，
如需获取英文原版、中文译文，请加入知识星球，
并搜索编号“A234”获取详细资料。
另在知识星球新增了一篇非公开资料，
《智能喷涂机器人系统的核心技术与未来趋势S140）》
