1312-機器人集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計

1312-機器人集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計,機器人,集裝箱,波紋,焊接,機構,運動學,分析,車體,結構設計 The inverse kinematics analysis of 3-D.O.F welding robot designed for ripple polygonal line seam of containerYu-Qiang Zhang-Hua Mao Zhi-wei Ye Jian-xiong（Robot&Welding Automation Key Laboratory Jiang Xi Nanchang University, Nanchang, 330029）Abstract:To resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container,we develop a 3-D.O.F welding robot. An inverse kinematics analysis of the designed welding-robot based on D-H displacement transformation matrix was put forward in this paper. In order to make the welding gun fastend on the end effector keep a certain posture, the three joints of robot should act coordinately, thus this makes an assurerance for the consistency of welding quality. This paper presents the possibility that the robot can track the trajectory under a certain unchanged welding velocity by controlling the discipline of the three joints, and it is verified by means of simulation in MATLAB.Key words:3-D.O.F; inverse kinematics; act coordinately ; welding posture0．Introduction.Figure.1 Ripple polygonal line seam of containerWhen welding,the welding torch makes the relative motion along the weld seam line by a certain posture .The choice of the welding posture is the key to guarantee a good welding quality,and the welding torch position posture has an important influence to forming of the weld seam.At present,in the welding process of ripple polygonal line seam of container,the welding torch cannot adjust the angle between itself and the welding speed with the profile change.As is shown in the figure.1,the shaping of weld seam at linear section is not consistent with that at hypotenuse section.To resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container,this paper make an inverse kinematics analysis of the designed 3-D.O.F welding robot through developing the kinematics equation of the robot which lets the posture of the welding torch make a suitable adjustment with the profile change ,while making sure of the welding torch movement along the curve of weld seam with an constant speed ,thus improve the shaping of the weld seam and then make sure the welding equality.1.The principle of the mechanism movement of 3-D.O.F welding robotTo resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container at present.We developed a kind of 3-D.O.F robot.This robot have three movement joints: about translate between right and left the welding robot main body 1; about translate up and down the cross slide 2;the terminal effector 3 which making the rotary motion.We achieve that the welding speed does not change with the change of the posture of the terminal effector through the coordinated movement of the three joints.2.The inverse kinematics analysis of 3-D.O.F welding robot.2.1 The simplification of kinematics modelsFigure. 2 The moving diagram of 3-D.O.F welding robot .As shown in figure.2,the welding torch(which is presented by a dark point at the end of movement joint 3) is attached at the terminal effector 3 of the welding robot.In the process of welding,the position posture of the welding torch should make a suitable adjustment with the shape change of the weld seam.The adjustment presents as the coordinated movement.2.2 The establishment of kinematics modelIn order to portray the movements of each joint ,a decca rectangular coordinate system is established for the moving mechanism of the robot ,as shown in figure.1.The initial space position relations of the coordinate systems established on each rigid body .Those coordinate systems are presented in figure.3.{0} is the base coordinate system,{1},{2},{3} are the moving coordinate sysytems established on the robot main body ,on the cross slide and the terminal effector.we will analyze the moving law of the movement joint by using the movements of {1},{2},{3}.We could portray the coordinate value of a point of {B} in {A} by using equal time coordinate transformation matrix .Establishing three equal time coordinate transformation matrix 、TAB 01T、 .T123， ，0101lSZ????????????????1022SLT ????????1023LcsT?Where l0,L1,L2 represent the initial distances between each coordinate system separately;S1,S2 are the displacement of {1},{2} in certain time t-t0,and , , V1,V2 are the ??tvS01?tdv02speed of the zero point of {1},{2} separately ;θis the rotated angle of the third movement joint ;，?cos?sinBy transformation equation ,we have:T23103??????????1021003 ZSLcslT?Then we could establish the transformation relation between the description of one point in {0} and that in {3}:= ,that is = ………..(a)??????10pT3????????????10zyx?????10210ZSLcsl????3zyxWhere: (x0,y0,z0),(x3,y3,z3) are the coordinate value of point p in {0} and {3} separately.2.3 The inverse kinematics solutionsDuring the process of welding ,we should make sure of the vertical angle between the welding torch and the weld seam .Its movement has two restraints: a constant speed ; a determined weld seam curve.We take a cycle of the ripple for carrying on the reverse kinematics solution ,and analyze the driving laws which the three movement joints’ coordinated actions should follow so that satisfy the two restraints .In a cycle the welding torch needs to pass through four turning points .This article take the first turning point as an example to explain the process of the reverse solution .This process is divided into three stages ,namely linear section ,circular arc change-over section and hypoteneuse section .As the moving path of the welding torch ,in free time t ,the coordinates of the point at the end of the welding torch are (x3,y3,z3,1)=(0,r,0,1) and {x0,y0,z0,1} respect to {3} and {0} separately .By expression (a), we have = ……………………..(b)??????10zyx?????10210ZSLcsl????rAccording to the weld seam in reality ,we assume the third movement joint’s angle acceleration as .)(t??2.3.1 The movement of the point in linear section We assume the start time of the movement as t0,the coordinates of the point at time t respect to {0} are x0=l0+vwt; ,ZzrLy???021;Substituting equation (b) into it , and making differentiation with respect to time on S1,S2,we have the moving law of movement joints 1 and 2:?????)(sinco21ttrvw??2.3.2 The movement of the point in circular arc change-over section Figure.4 The graphical representation of the arc transition at the turning point.Suppose the robot move to this stage at time t1, the point’s position relative to {0} is: ,the angle speed of {3} w=0.rLYylx??2101,When the robot is moving ,by spatial geometry relations,we have :,)(sin10tRl??)](cos[0tRy??,the speed law of movement joints 1 and 2 are :?????)](co[*2tS?)(sin21ttRvyx??The speed of the end of the welding torch along the direction which is parallel to the direction of the weld seam is constant,that is the welding speed is constant.By the spatial geometry: ,therefore ,22wyxv?? )(),)(1tRvttww????.'1tt?Thus ??????)(sin)(sicoc2 tvttRvwyx ???2.3.3 The movement of the point in wave hypoteneuse section Suppose the robot moving to this stage at time t1’,the coordinates of the point respect to {0} is = ,after the reverse solution yields ??????10zyx?????1sin)(co2''1ZtvrLlw??.?????)(sinsicoc21 ttrvw???According to the same method, we could get the coordinated movements law of the three movement joints ,and satisfy the constraint conditions in a ripple cycle .And then we could make sure of the perpendicular relation between the welding torch and the weld seam at different section.3. The simulation of the reverse kinematic analysis of the 3-D.O.F welding robotThe calculation is based on the determined moving law of the third joint and make sure that it satisfy the two constraint conditions ,and reverse deduce the moving law of the two other joints {1},{2} .To verify the process of reverse solution ,we carry on the simulation by the matlab software .we establish some spatial geometry size : ,the rotating radius of the rotating mLl1.0,210?joint r=0.1m , the angle between the linear section and hypoteneuse section at the turning point is .4/?In a welding cycle ,the change rule of the rotating arm’s angle acceleration is shown as figure.5Figure.5 The angle acceleration change rule of joint 3Thus we could obtain the change rule of the third joint’s rotating angle ,as shown in figure.6 實 習 報 告實習內容：□ 認識實習（社會調查）□ 教學實習（□生產□臨床□勞動） □√ 畢業(yè)實習實習形式：□√ 集中 □ 分散學生姓名： 陳 愈 馨 學 號： 02122078 專業(yè)班級： 機制 023 班 實習單位：南昌大學機器人與焊接自動化重點實驗室實習時間： 2006-3-13 2006 年 03 月 13 日一、 實習目的主要是熟悉這個實驗室的環(huán)境，了解其研究方向與研究成果，進一步加深對科研的感性認識與理性認識，為自己的畢業(yè)設計做一些準備，這是畢業(yè)設計整個過程非常重要的一個環(huán)節(jié)。二、實習內容1、實驗室的簡單了解實驗室研究方向是機器人技術與焊接自動化裝備，主要研究機器人的機構、運動控制，焊接自動化的傳感、信息處理、智能控制等技術。已經完成國家自然科學基金項目等 5 項，目前進行國家高新技術發(fā)展計劃（十五 “ 863 ”）項目等 5 項，發(fā)表學術論文共 60 篇， SCI 收錄 6 篇、 EI 收錄 13 篇，獲得 2002 年江西省自然科學二等獎。承擔材料科學與工程博士后、材料加工工程博士生、機械電子工程、控制理論與控制工程和通信與信息系統(tǒng)碩士生培養(yǎng)。已畢業(yè)博士生 2 名、碩士生 8 名，現在研博士后 1 名，在讀博士生 5 名、碩士生 16 名。已形成多學科交叉、多層次人才培養(yǎng)與科研開發(fā)基地。 實驗室主任 張 華 教授 學術委員會主任 潘際鑾 院士 2、研究內容與研究成果（1）、無導軌全位置爬行式弧焊機器人具有全位置的爬行能力，能勝任多種位置的焊接任務，適用于球罐，造船等現在仍未解決自動化焊接的大型構件焊接過程。采用激光傳感器，實現了焊縫的自動跟蹤，坡口識別形式多樣，能實驗多道焊多層焊接?？梢垣@得穩(wěn)定的焊接質量和很高的生產效率，同時省去清根工序，節(jié)省能源，降低材耗，改善工人勞動條件，降低生產強度。（2）、弧焊機器人旋轉電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng) 針對工業(yè)示教再現弧焊機器人存在的示教編程復雜,加工工件要求高，焊接過程工件變形等問題開發(fā)適合工業(yè)機器人的高速旋轉電弧傳感及焊縫糾偏系統(tǒng)，成果提高了工業(yè)弧焊機器人智能化程度。電弧傳感器的旋轉頻率 0－30HZ 之間任意可調：掃描半徑 0-3.5mm 可調。（3）、輪式自主移動焊接機器人系統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)在非結構環(huán)境下的彎曲焊縫自主體動焊接機器人技術，無需軌道和靠模，采用旋轉電弧傳感器，能夠把當前焊槍偏離焊縫的信息進行實時檢測，不存在超前性和滯后性的問題：采用模糊控制實現精確的焊縫跟蹤，特別適用于大型工件的自動化、智能化焊接。（4）、螺旋管內焊縫自動跟蹤與熔透集成智能控制系統(tǒng)無人監(jiān)控的“西氣東送” 螺旋管內焊制造生產 螺旋管內焊縫自動跟蹤與熔透集成智能控制系統(tǒng),實現了埋弧內焊中焊縫的自動跟蹤與熔透的雙重控制。（5）、鍋爐管爆修復自動焊機本焊機用于鍋爐管爆修復時的管--管對接，也可用于其它情況下的全位置焊接。它的主要結構特點有：·適用管徑 45mm-60mm。焊頭結構緊湊，可用于窄小的管間隙，最小可達 45mm。焊頭水冷，可連續(xù)工作。柔性夾具，拆卸方便。手動和自動模式可選擇。二、 實習總結雖然實習時間短暫，但自己的感性認識卻頗為深刻。（1）、搞科研不容易，特別是在一個條件不是很好的情況下更是如此，非常佩服在這個實驗室里的老師所付出的勞動，這是給我印象最深的。（2）、更清楚的認識了自我，我不是很適合在一個艱苦的條件下獨自能夠做出成果的那一類人，不能獨當一面。這讓我想起了爐火旺的原理，自己就是一塊生炭，在條件差的地方就是勉強燒著了，也是濃煙滾滾呀。自己目標更加明確，只有兩條路可走，要不去頂尖的研究所去，要不走技術類，而不是走研究類，雖然科研聽起來蠻有誘惑力的。- 37 -畢業(yè)設計（論文）開題報告題 目： 集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計 學 院： 機電學院 系 機械 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 機制 023 班 學 號： 02122078 姓 名： 陳 愈 馨 指導教師： 張 華 填表日期： 2006 年 3 月 1 日- 38 -一、選題的依據及意義：依據：針對集裝箱波紋板焊接自動化水平低的現狀：目前用于焊接集裝箱側板與頂側梁、底側梁的自動焊專機，由于在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調整與焊槍速度的夾角（焊接工藝參數也未有變化） ，直接導致焊縫成形不能保持一致，進而影響焊縫的質量。意義：該課題能有效的解決焊接過程中焊槍速度與波形夾角的問題，使焊接速度始終與波形垂直，進而保證焊接的穩(wěn)定性，提高焊接成形的一致性，提高焊接質量。二、國內外研究現狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：由于該課題所研究的集裝箱焊接是自動焊接技術在該處的工業(yè)應用，故此處的研究現狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）應該是關于自動焊接技術的。焊接技術的目的就是為了提高焊接質量。而焊接質量是采用焊接工藝制造的產品的焊接接頭使用性能是否滿足產品設計的要求。一般焊接產品焊接接頭使用性能的主要內容有：力學性能，內、外部缺陷，產品焊接后幾何尺寸等。而目前在焊接過程中，還不能做到在線和實時地檢測和控制這些直接焊接質量，在現階段所能做的是利用自己的感觀或現有的傳感技術，對一些與直接焊接質量有關的間接焊接質量，在焊接過程進行在線和實時的檢測和控制。比如該課題就是做到提高焊接的穩(wěn)定性，來保證焊縫成形一致，進而提高焊接質量。這里穩(wěn)定性就屬于間接焊接質量。間接焊接質量雖然不能直接說明焊接接頭的使用性能，但他們卻在一定程度上或者與直接焊接質量存在著定量關系。這可以從當前的研究現狀得到驗證。1、開發(fā)機器人的視覺系統(tǒng)來檢測間接焊接質量，有一定的仿生性，利用感觀。光學圖像的視覺信息具有形式直觀、信息豐富、適應性強等優(yōu)點。有的文獻綜述了焊接機器人傳感系統(tǒng)的研究現狀，比較了目前常用的焊接機器人傳感技術，重點分析了被動視覺技術和基于激光三角測量原理的主動視覺技術在焊接中的應用，并給出了國內外的開發(fā)實例。 有的文獻簡述了機器人焊接中視覺系統(tǒng)的分類、原理、特點及實用性，綜述了視覺系統(tǒng)在機器人焊接領域的典型應用，并指出了其應用中存在的問題及其發(fā)展趨勢。的確，在環(huán)境惡劣的焊接現場中，具有視覺功能的智能焊接機器人顯然有大顯身手的機會。有的文獻分別從焊接過程控制和質量控制這兩方面介紹焊接區(qū)視覺信息在弧焊機器人傳感和控制技術的研究和應用現狀。提出了幾點視覺信息系統(tǒng)的現存問題和解決途徑。2、利用現有的傳感技術對弧焊過程進行實時傳感與控制，這里包括弧焊過程電弧穩(wěn)定性方面的傳感與控制，弧焊過程焊接對縫傳感與跟蹤控制，焊縫尺寸的傳感與控制。有的文獻介紹了國內外焊接質量實時傳感與控制方面一些共性問題的研究和發(fā)展，包括弧焊過程電弧穩(wěn)定性方面的傳感與控制、焊接對縫傳感與跟蹤控制、焊縫尺寸的傳感與控制。這些內容有的是作者研究組的研究工作，部分選自國內外同行近年來在刊物和會議上發(fā)表的論文。這些都是作者認為比較成熟，有的已經應用，有的很有應用前途。將移動機器人技術和焊縫跟蹤技術結合起來構成移動式的焊接機器人，在大型結構件的自動化焊接中，有著廣闊的應用前景。有的文獻研究了移動焊接機器人的關鍵技術。并對移動焊接機器人在國內外的研究現狀及發(fā)展趨勢進行了比較全面地介紹。的確，這樣能夠實現大型復雜焊接結構件的自動化焊接，無疑將大大減輕工人的勞動強度，減少人為因素的影響，提高產品的生產效率和保證焊接質量。而現代先進制造技術的發(fā)展，對焊接產品提出了更高層次的要求。有科研工作者研制了一種能重復跟蹤焊縫軌跡線的 CCD 光電跟蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)由新穎的 CCD 視覺傳感器來實時檢測機器人行走機構與焊槍的跟蹤位置偏差量，并根據此由微機控制系統(tǒng)實現對機器人行走機構與焊槍的二級自動跟蹤。本文還就視覺傳感系統(tǒng)的物距、光強等主要影響因素進行了分析研究，使之具有較高的可靠性與適應性。3、關于機器人的關節(jié)結構設計未來的發(fā)展趨勢是微型化、精密化、模塊化有的文獻提到過轉動關節(jié)的模塊化機構設計，很顯然如果能夠像現在的標準零部件那- 39 -樣的設計機器人的關節(jié)，那將多么的有利于機器人應用的普及，將在更廣泛的程度上范圍服務于人類，極大的提高人們的生活水平。三、本課題研究內容 如圖所示，在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調整與焊接速度的夾角（工藝參數也未有變化） ，因此直線段焊縫與斜邊段的焊縫成形不能保持一致。故本課題是集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體機構設計，而十字滑塊選用，進而組成的焊接機器人能夠解決波內斜邊段焊縫外觀成形與直線段焊縫不一致的問題。研究內容：1、在廣泛調研的基礎上，熟悉機器人的應用的現場環(huán)境，明確設計目標。2、選擇出該焊接機器人的機構方案，并對其進行運動學逆界，證明所選方案可行。3、設計出小車車體結構，并在圖紙上繪制出機器人的裝配圖。四、本課題研究方案明確輸出構件所需要的運動規(guī)律：焊槍與焊縫的夾角保持垂直；焊槍相對焊縫移動的相對速度大小恒定。利用所學機械原理的知識及一些關于機器人的設計知識選定或者設計出該焊接機器人的結構方案，并利用運動學分析對該方案進行運動學逆解，證明其可行。利用所學的知識及其它一些參考文獻，估計出車體驅動電機的功率，選擇電機，最后設計進行校核。五、研究目標、主要特色及工作進度：研究目標：1、確定集裝箱波紋板焊接機器人總體機構方案，并對該機構存在運動學逆解，并求出，該解滿足集裝箱波紋板的焊接要求。2、做出了車體結構設計與校核。主要特色：該焊接機器人的焊槍能夠隨波形的變化調整焊槍的姿態(tài)速度，保證在直線段與波內斜邊段焊縫成形的一致性，進而提高集裝箱波紋板的焊接質量。工作進度：- 40 -六、參考文獻：[1]鄭相鋒，胡小建.弧焊機器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術 [J].電焊機，2005，6：34.[2]孔宇，戴明，吳林.機器人結構光視覺三點焊縫定位技術 [J].焊接學報，1997，3：188.[3]王軍波等.基于 CCD 傳感器的球罐焊接機器人焊縫跟蹤[J]. 焊接學報，2001，4：31.[4]徐培全等.基于機器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述[J]. 焊接， 2005，8：11.[5]劉蘇宜，王國榮，鐘繼光.視覺系統(tǒng)在機器人焊接中的應用與展望 [J].機械科學與技術，2005，11：1296.[6]張柯等.移動焊接機器人的研究現狀及發(fā)展趨勢[J]. 焊接， 2004，8：5.[7]王其隆.弧焊過程質量實時傳感與控制[M]. 北京.機械工業(yè)出版社， 2000.2.[8]陳雪華，梁錫昌.基于模塊化關節(jié)的機器人結構設計和運動學分析 [J].2005，2：4. 密級： NANCHANG UNIVERSITY學 士 學 位 論 文THESIS OF BACHELOR（2002 —2006 年）題 目 集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計 學 院： 機電學院 系 機制 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 機制 023 班 學 號： 02122078 學生姓名： 陳愈馨 指導教師： 張華 教授 起訖日期： 2006.2.13~2006.6.2 學士學位論文要求裝訂成冊并應包含以下主要內容一、 畢業(yè)設計（論文）任務書二、開題報告三、南昌大學學士學位論文原創(chuàng)性申明四、畢業(yè)設計（論文）1、中文摘要2、外文摘要3、畢業(yè)設計（論文）全文五、外文資料原文六、外文資料譯文第一章 緒論1.1 選題的依據及意義這里介紹該課題的選題背景，以及完成該課題的意義。1.1.1 選題的依據圖 1-1 集裝箱波紋板示意圖針對集裝箱波紋板焊接自動化水平低的現狀：目前用于焊接集裝箱側板與頂側梁、底側梁的自動焊專機，由于在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調整與焊槍速度的夾角（焊接工藝參數也未有變化） ，如圖 1-1 所示，在直線段與在波內斜邊段，焊接速度方向恒為水平向右，而焊槍與焊縫保持垂直，故焊槍與焊接速度的夾角不能保持恒定，直接導致在直線段的焊縫成形與在波內斜邊段的焊縫成形不能保持一致，進而導致在直線段焊接與在波內斜邊段焊接的焊縫的質量不一樣，進而制約集裝箱的生產質量。1.1.2 選題的意義通過完成該課題，即設計出集裝箱波紋板三自由度焊接機器人及對其進行運動學分析，能夠解決在焊接過程中焊槍不能隨波形的變化調整與焊槍速度的夾角這個問題，使得在直線段與在波內斜邊段焊接時，焊槍與焊縫都保持垂直，相對于焊縫的焊接速度都恒為同一速度，進而能夠提高在直線段與在波內斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產質量。1.2 研究現狀及發(fā)展趨勢這里的研究現狀及發(fā)展趨勢包括三個方面：前面也提到這里的集裝箱波紋板三自由度焊接機器人（為移動焊接機器人）是為提高焊接自動化水平的，故這里為移動焊接機器人的研究現狀及發(fā)展趨勢；關于結構設計方面的研究現狀及發(fā)展趨勢；關于運動學分析的常用方法。1.2.1 移動焊接機器人的研究現狀及發(fā)展趨勢這里所設計的移動機器人為有軌移動焊接機器人，只是現有的移動焊接機器人技術在集裝箱波紋板焊接中的應用，是該領域的焊接自動化水平低的緣故，而當前的移動焊接機器人技術有相當的發(fā)展。隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結構件的應用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現場作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，焊接機器人要適應焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機器人技術和焊縫跟蹤技術結合將有效地解決大型結構件野外作業(yè)的自動化焊接難題。當前國內外在移動焊接機器人方向研制的幾個典型移動焊接機器人如下：1、 韓國 Pukyong 國立大學的 Kam B O 等研制的艙體格子形構件焊接移動機器人這種機器人能夠在人比較難以達到的狹窄空間自主地實現焊接過程,能夠自動尋找焊縫的起始點。在遇到格子框架的拐角焊縫時,在保證焊接速度不變且焊炬準確對準焊縫的情況下,能夠自動調整機器人本體和十字滑塊的位置。2、 南昌大學研制的履帶式爬壁弧焊機器人該機器人適應于垂直壁面、球面、管道等多種表面上爬行,自動跟蹤焊接。3、 日本慶應大學學者 Suga 等為平面薄板焊接研制的自主性移動焊接機器人該機器人能夠直線前進,還可以利用兩個輪的差速控制小車的轉彎,它裝焊槍的臂可以伸縮，可以檢測焊縫的位置并精確的識別焊縫的形狀,如是直線焊縫、曲線焊縫、還是折線焊縫等。4、 日本慶應大學學者 Suga 等研制了管道焊接自主移動機器人該機器人可以沿著管道移動 ,根據 CCD 攝取的圖象信息,在焊前可以自動尋找并識別焊縫,然后使機器人本體沿管道方向移動達到正確的焊接位置。5、 清華大學機械工程系與北京石油化工學院裝備技術研究所聯合研制的球罐磁吸附輪式移動焊接機器人該機器人的焊炬跟蹤精度可達±0.5mm,能夠滿足實際工程應用。6、 上海交通大學研制的具有自尋跡功能的焊接移動機器人該機器人在焊前,小車能夠自動尋找焊縫并經過軌跡推算后自動調整小車本體和焊炬的位姿到待焊狀態(tài);在焊接過程中能夠進行橫向大范圍的實時焊縫跟蹤。當前絕大多數移動焊接機器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機器人本體、十字滑塊等調整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運動規(guī)劃能力。未來的發(fā)展趨勢為三個方面：選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤，因為與圖象處理方面相關的技術得到發(fā)展；采用多傳感信息融合技術以面對更為復雜的焊接任務；由于控制技術由經典控制到向智能控制技術的發(fā)展，這也將是移動焊接機器人的控制所采用。1.2.2 焊接機器人機構設計的研究現狀及發(fā)展趨勢在當前，機器人的機構設計絕大部分還是采用依據具體的情況來設計專用焊接機器人，稱之為固定結構的傳統(tǒng)機器人，其運動特性使特定機器人僅能適應一定的范圍,不利于機器人的發(fā)展。解決這一問題的方法就是利用關節(jié)模塊和連桿模塊,根據具體的要求開發(fā)可重構機器人系統(tǒng)。下面為當前一些人所做的研究：1、Benhabib 等人建立的機器人庫,將模塊分成模塊單元連接器、連桿模塊、主關節(jié)模塊和末端關節(jié)模塊四類；2、1999 年 DanielaRus 等提出了一種由晶體結構“分子”組成的可自重構機器人系統(tǒng);3、上海交通大學的費燕瓊和沈陽航空工業(yè)學院的張艷麗等對模塊化機器人的構形設計進行了研究。1.2.3 運動學分析的常用方法機器人逆運動學問題在機器人運動學、動力學及控制中占有非常重要的地位，直接影響著控制的快速性與準確性。逆運動學問題就是根據已知的末端執(zhí)行器的位姿(位置和姿態(tài))，求解相應的關節(jié)變量。目前機器人運動學逆解方法有三種：1、 以手臂的精確的幾何模型為前提研究求解運動學方程的方法（幾何法）。該法只能用于特定結構的機器人。2、通常在假設機器人的雅可比矩陣已知的前提下，利用其逆矩陣來求解逆運動學（齊次變換法）。3、智能求解方法該方法典型的有：基于學習的算法和神經網絡算法；基于擴散方程的學習算法。1.3 本課題的研究設計內容及方法本科題所涉及的內容主要是兩塊，分別為關于集裝箱波紋板三自由度焊接機器人機構的運動學分析，該機器人車體結構的設計。1.3.1 三自由度焊接機器人機構運動學分析1、機構方案根據實際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個運動關節(jié)的機器人：左右平移的焊接機器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動運動的末端效應器3。圖 1-2 三自由度焊接機器人關節(jié)模型（俯視圖）2、證明該方案能夠求出三個關節(jié)的運動學逆解，并且該解滿足一定的約束，能夠有效的解決在集裝箱波紋板在直線段中焊接的焊縫成形與在波內斜邊段中焊接的焊縫成形不一致。3、所要解決的問題熟悉運動學逆解的方法、建立運動學模型、找出變換關系、逆解。4、方法齊次坐標變換方法。1.3.2 焊接機器人結構設計由于在這里借用了一個現成的運動關節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設計主要為小車行走機構（即左右平移的焊接機器人本體1） 。所要解決的問題及任務：小車行走機構：車體結構方案的確定，驅動電機功率的估計，驅動電機的選擇傳動的校核。其它：擺動關節(jié)電機的選擇等。1.4 課題的完成情況1、確定集裝箱波紋板焊接機器人總體機構方案，并對該機構存在運動學逆解，并求出，該解滿足集裝箱波紋板的焊接要求。2、做出了車體結構設計與校核。第二章 焊接機器人機構運動學分析概述：機器人是空間開環(huán)機構，通過各連桿的相對位置變化、速度變化和加速度變化，使末端執(zhí)行部件（手爪）達到不同的空間位姿，得到不同的速度和加速度，從而完成期望的工作要求。機器人運動學分析指的是機器人末端執(zhí)行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根據機器人各個關節(jié)變量 qi（i=1 ，2，3，…，n）的值，便可計算出機器人末端的位姿方程，稱為機器人的運動學分析（正向運動學）：反之，為了使機器人所握工具相對參考系的位置滿足給定的要求，計算相應的關節(jié)變量，這一過程稱為運動學逆解。從工程應用的角度來看，運動學逆解往往更加重要，它是機器人運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎。在該課題里，很顯然這里是已知末端執(zhí)行器端點（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關系，來求三個關節(jié)的協(xié)調運動，即三個關節(jié)的運動規(guī)律，故為運動學逆解。3．1 運動學分析數學基礎-其次變換（D-H 變換）1、齊次坐標將直角坐標系中坐標軸上的單元格的量值 w 作為第四個元素，用有四個數所組成的列向量U= ??????wzyx來表示前述三維空間的直角坐標的點（a,b,c） ,它們的關系為Ta= ,b= ,c=xyc則（x,y,z,w） 稱為三維空間點（a,b,c） 的齊次坐標。TT這里所建立的直角坐標系的坐標軸上的單元格的量值 w=1，故（a,b,c,1） 為三維空間T點（a,b,c） 。2、齊次變換對于任意齊次變換 T，可以將其分解為T= = （3-1 ）??????1032311zyxpa??????12AA = （3-2 ）1??????3231aA =（p ,p ,p ） （3-3 ）1xyzT式（3-2）表示活動坐標系在參考系中的方向余旋陣，即坐標變換中的旋轉量；而式（3-3）表示活動坐標系原點在參考系中的位置，即坐標變換中的平移量。特殊情況有平移變換和旋轉變換：平移變換：H=Trans(a,b,c)= (3-??????10cba4)旋轉變換：Rot(z, )= (3-5)????????100cosini?3.2 變換方程的建立1、機構運動原理圖 3-1 三自由度焊接機器人運動簡圖（俯視圖）如圖 3-1 所示，機器人采用三個運動關節(jié)：左右平移的焊接機器人本體 1，前后平移的十字滑塊和做旋轉運動的末端效應器 3。通過三個關節(jié)之間的協(xié)調運動，來保證末端效應器的姿態(tài)發(fā)生變化時，焊接速度保持不變，焊槍與焊縫間的夾角保持垂直關系，來做到直線段與波內斜邊段焊縫成形的一致。2、運動學模型運動學模型簡化○ 1由于該機器人是為了實現這樣一種運動：焊槍末端運動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運動學逆解時，對實際的關節(jié)結構進行簡化，這里將對其采取等效處理：a 將關節(jié) 1（左右平移的焊接機器人本體 1）與關節(jié) 2（前后平移的十字滑塊 2）之間沿 Z 軸的距離和關節(jié) 2 與關節(jié) 3（做旋轉運動的末端效應器 3）的旋轉中心點的距離視為零，這對分析結果是等效的。b 對旋轉關節(jié)焊槍投影在 X-Y 平面上進行等效。設定機器人各關節(jié)坐標系○ 2據簡化后的模型與圖 3-1 可獲得各個坐標系及其之間的關系，各個坐標系的 X，Y 方向如圖 3-1 所示，Z 方向都垂直該俯視圖，且由前面的簡化等效思想可知各個關節(jié)的運動都處在 Z =0 平面上?！?4求其次變換○ 3通過齊次變換矩陣 T 可以轉求{m}中的某點在{n}中的坐標值。mn根據公式（3-4） 、 （3-5）及圖 3-1 可得T = ，T = ，T =10???????101Sl2???????102SL3???????100cosini2L?其中 l ,L ,L 分別表示初始時刻（t ） ，三個坐標系原點 OO ，O O ，O O 的距離012 123長度。S 為坐標系{1}原點在一定時間 t-t 內沿 X 方向的位移，且 , 為關節(jié) 10 d（ S） =v1的移動速度。S 為坐標系{2}點在一定時間 t-t 內沿 Y 向的位移，且 , 為關節(jié)2 2()?22 相對關節(jié) 1 的移動速度。求 T○ 4 30由變換方程公式可知 T = T T T ，帶入 T ，T ，T 可得：302103210T = （3-30 ????????10cosini2SLl?6）其幾何意義為空間某一點相對于坐標系{0}及{3}的坐標值之間的變換矩陣。即： = （3-??????10zyx ?????10cosini210SLl????3zyx7）求變換方程○ 5在任意時刻 t，焊槍末端點相對于 {3}系的齊次坐標為（0,r,0,1） ，代入公式（3-7）可得變換方程：（3-??????2100cosinSLrylx?8）3．3 運動學分析處理方法1、替換處理轉折點處用一半徑為 R 的圓弧代替，其中半徑 R 的大小受 角的影響， 角越大，R 越???；反之亦然。這樣方能使運動的連續(xù)成為可能。2、銜接處理在直線段與波內斜邊段劃出一小段來為過渡運動更加順利的完成，這樣過渡運動過程運動分三小階段?，F利用以上兩處理方法處理第一個轉折點的過渡運動，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段：旋轉關節(jié)的轉角 ：0 到 的過渡。○ 1 ??焊接速度 v 的方向：水平方向到與水平方向呈 的夾角的過渡。○ 2 w ?下面是該過渡階段的運動示意圖：twtA BtA'tB' ttA BtA'tB'??圖 3-2 旋轉關節(jié)在過渡處的運動示意圖3、逆解函數這里所求逆解都是以時間為自變量，由于這里焊接速度相對焊縫是恒定的，s=v t，w故與以焊槍末端點的自然坐標系的位移為自變量是一致的，求解較方便。3．4 逆解過程這臺機器人焊接時，其運動存在三個約束：焊接速度恒定，焊接軌跡曲線一定，焊槍與焊縫保持垂直。在這里，由前面的分析處理思想及方法可知，在過渡運動過程中放棄了第三個約束，由于這么一小段位移比較短，不然的話，會導致無解，因為旋轉關節(jié)的角速度的必然連續(xù)。這里將取波紋的一個周期進行運動學逆解，求出三個關節(jié)應按照什么運動規(guī)律進行運動，還有三個關節(jié)的運動之間的函數關系。圖 3-3 波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖這里假設 A 處為運動起始時刻，□為字母（A，A ，B，…，H ‘）代表焊接軌跡上的點，'t□ 為焊槍末端點運動到該點處的時間， （x □ ,y□ ）代表該點在基坐標系上的坐標。1、AB 段（過渡段 1）前面已經介紹過這里的處理方法，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段。這里又細分三個小階段：A→A 直線段,A →B 圓弧段，B →B 直線段。為了提高焊接質量，該過渡' '' '階段仍然保留焊接速度相對于焊縫為恒定，而放棄焊槍與焊縫保持垂直關系，不然會導致無解。其中，A→A 直線段旋轉關節(jié)逆時針旋轉 ，A →B 圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，B ' 2?'' '→B 直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉 。直線段○ 1 A??該小階段旋轉關節(jié)逆時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2w??0x0yA?0o圖 3-4 A→A 直線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-4 可得：（3-??????Awytvx00)(9）將其帶入變換方程（3-8）得（3-???????21100cosin)(SLryltvxAw?10）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（t ） (3-????????sinc21rvwAt??11)其中旋轉關節(jié) 3 的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-5 所示：??ttA tAAt?()t?? ()t?At?2?4圖 3-5 A→A 直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'圓弧段○ 2 B??該小階段旋轉關節(jié)不旋轉， ， 為圖 3-6 中所示角。0,2?????)(t?RO1v2w()tA?B?t?0x0y0o圖 3-6 A →B 圓弧段焊接點位置關系示意圖''根據圖 3-6 及平面幾何知識可得：（3-????????? )(cos1in0tRyxA?12）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxA??13）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（3-??????)(sinco21tRv?13）又由速度合成知識可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??Rvtw??)(?將這結果帶入式（3-13）可轉化為：（ ） （3-????)(sinco21tvw?BAtt???14）其中 的運動規(guī)律如圖 3-7 所示：)(twvRt?? ()t?t t?At? At? Bt?Bt?圖 3-7 A →B 圓弧段 的運動規(guī)律'' )(t?斜線段○ 3 B??該直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉 角度。2?'Bwv0y0x?W圖 3-8 B →B 直線段焊接點位置關系示意圖'根據上圖可得：（3-???????? ?sin)(co0BwBtvyx15）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ?????? 210cossin)(iSLrtvylxBwB?16）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） （3-?????????sinico21rvw Btt??17）其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-5 所示：?ttB ttBBt? 34?()t?? 2Bt?()t?圖 3-9 B →B 斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'2、BC 段（波內斜邊段 1）這一階段旋轉關節(jié) 3 不轉動， 。0,?????0y0x?B CWVW 1v2圖 3-10 B →C 波內斜邊段焊接點位置關系示意圖根據上圖可得：（3-??????? ?sin)(co0BwBtvyx18）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ?????? 210cossin)(iSLrtvylxBwB?19）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） （3-?????sinco21wvCBt?20）3、CD 段（過渡段 2）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1 是一樣的。其中，C→C 斜線段旋轉關節(jié)順時針旋轉 角度，C →D 圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，' 2?''D →D 直線段旋轉關節(jié)又順時針旋轉 角度。' A→A 斜線段○ 1 '該小階段旋轉關節(jié)順時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w0y 0x?CWV'圖 3-11 C→C 斜線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-11 可得：（3-???????sin)(co0wCCtvyx21）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ????210cossin)(iSLrtvylxCwC?22）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） （3-?????????sinico21rvw Ctt??23）其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-12 所示：?tt)t? ()t?c c?cc?342圖 3-12 C→C 斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖' C →D 圓弧段○ 2 ''該小階段旋轉關節(jié)不旋轉， 。0,2?????RO1v2vwR()t?()t? 0x0y0?D?圖 3-13 C →D 圓弧段焊接點位置關系示意圖''根據圖 3-13 及平面幾何知識可得：（3-???????? )(cos1in0tRyxD?24）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-?????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxD??25）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（3-???????)(sinco21tRv?26）又由速度合成知識可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??wvRt???)(?將這結果帶入式（3-13）可轉化為：（ ） （3-????)(sinco21tvw?DCtt???27）其中 的運動規(guī)律如圖 3-14 所示：)(t'ct t)('?'Dt)(t??'ct 'Dtt圖 3-14 C →D 圓弧段 的運動規(guī)律'' )(t?D →D 直線段○ 3 '該小階段旋轉關節(jié)又順時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w0O0y 0xwwv?圖 3-15 D →D 直線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-15 可得：（3-?????????Dwytvx0)(28）將其帶入變換方程（3-8）得（3-?????????? 2110cosin)(SLryltvxDw?29）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） (3-????????sinc21rvwDtt??30)其中旋轉關節(jié) 3 的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-16 所示：??)(t??t'Dt )(t?Dt Dt'Dt2?4圖 3-16 D →D 直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'4、DE 段（直線段 1）這一階段旋轉關節(jié) 3 不轉動， 。0,????又根據約束（焊槍與焊縫垂直，相對于焊縫焊接速度恒定，焊縫軌跡為水平直線）和運動合成知識可得出：（ ） （3-????021vwEDtt?31）5、EF 段（過渡段 3）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1 是一樣的。其中，E→E 斜線段旋轉關節(jié)順時針旋轉 角度，E →F 圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，' 2?''F →F 直線段旋轉關節(jié)又順時針旋轉 角度。'E→E 直線段○ 1 '該小階段旋轉關節(jié)順時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2w0O0y0x'EEwwv圖 3-17 E→E 直線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-17 可得：（3-??????Ewytvx0)(32）將其帶入變換方程（3-8）得（3-???????2110cosin)(SLryltvxEw?33）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） (3-????????sinc21rvwEtt??34)其中旋轉關節(jié) 3 的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-17 所示：??t'EEt 2??)(tE 'Et4)?圖 3-17 E→E 直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'E →F 圓弧段○ 2 ''該小階段旋轉關節(jié)不旋轉， 。0,2??????RO1v2w()t?t0x0y0E?F?圖 3-18 E →F 圓弧段焊接點位置關系示意圖''根據圖 3-18 及平面幾何知識可得：（3-????????? )(cos1in0tRyxE?35）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxE??36）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（3-???????)(sinco21tRv?37）又由速度合成知識可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??wvRt??)(?將這結果帶入式（3-37）可轉化為：（ ） （3-?????)(sinco21tvw?FEt???38）其中 、 的運動規(guī)律如圖 3-19 所示：)(tt?t)(t?tRvw ?Et?()t??E?Ft? F?圖 3-19 E →F 圓弧段 的運動規(guī)律'' )(t?F →F 斜線段○ 3 '該小階段旋轉關節(jié)又順時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w0O0y 0x?'FFwv圖 3-20 F →F 斜線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-20 可得：（3-???????? ?sin)(co0FwFtvyx39）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ?????? 210cossin)(iSLrtvylxFwF?40）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） （3-??????????sinico21rvw Ftt??41）其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-21 所示：??t'Ft Ft??)(t?2??43t'FF)?圖 3-21 F →F 斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'6、FG 段（波內斜邊段 2） ?1v2v wv圖 3-22 FG 段波內斜邊段的速度合成圖該階段： ；并滿足焊接速度相對焊縫恒定，焊槍與焊縫保持垂直關系。0,??????因此根據速度合成知識（如圖 3-22 所示）可得：（ ） （3-????sinco21wvGFtt?42）7、GH 段（過渡段 4）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1 是一樣的。這里分三個小運動階段，其中，G→G 斜線段旋轉關節(jié)逆時針旋轉 角度，G →H' 2?'圓弧段旋轉關節(jié)不旋轉，H →H 直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉 角度。' 'G→G 斜線段○ 1 '該小階段旋轉關節(jié)逆時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w0O0y 0x?'GGwv圖 3-23 G→G 斜線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-23 可得：（3-???????sin)(co0GwGtvyx43）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ????210cossin)(iSLrtvylxGw?44）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） （3-??????????sinico21rvw Gtt??45）其中旋轉關節(jié)的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-24 所示：?t 'GtGt 43??)(t?2'GG()t??圖 3-24 G→G 斜線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'G →H 圓弧段○ 2 ''該小階段旋轉關節(jié)不旋轉， 。0,2??????RO1v2w()t?0x0y0?H?圖 3-25 G →H 圓弧段焊接點位置關系示意圖''根據圖 3-25 及平面幾何知識可得：（3-????????? )(cos1in0tRyxH?46）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxH??47）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（3-???????)(sinco21tRv?48）又由速度合成知識可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??wvRt???)(?將這結果帶入式（3-48）可轉化為：（ ） （3-?????)(sinco21tvw?HGt???49）其中 、 的運動規(guī)律如圖 3-26 所示：)(tt?)('t?t)(t?tRvw? Ht'Ht?'HtHt圖 3-26 C →D 圓弧段 的運動規(guī)律'' )(t?H →H 直線段○ 3 '該小階段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉 ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w0O0y 0xwwv?H圖 3-27 H →H 直線段焊接點位置關系示意圖'根據圖 3-27 可得：（3-?????????Hwytvx0)(50）將其帶入變換方程（3-8）得（3-?????????? 2110cosin)(SLryltvxHw?51）將以上兩式對 t 求導并整理可得：（ ） (3-????????sinc21rvwHtt??52)其中旋轉關節(jié) 3 的運動規(guī)律( -t, -t)如圖 3-28 所示：??t'Ht4??)(t?2tH'HtH)t?圖 3-28 H →H 直線段旋轉關節(jié)的運動規(guī)律示意圖'8、HI 段（直線段 2）該階段運動： ；并滿足焊接速度相對于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾0,????角保持垂直關系。根據速度合成知識可得：（ ） （3-????021vwIHtt?53）以上即為焊接集裝箱一個周期波紋板的運動學逆解。3.5 結論1、由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關節(jié)按照一定的運動規(guī)律協(xié)調動作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進行焊接，將較好的解決波紋直線焊縫與波內 斜邊焊縫成形不能保持一致的難題。2、所求焊接過渡段中的過渡運動能較好的銜接直線段與波內斜邊段的運動。第三章 結構設計3.1 小車行走結構設計這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機構的結構方案的比較與選擇；對電機功率的估計并選擇出小車的驅動電機；對根據結構設計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度校核。3.1.1 車體結構方案的比較與選擇根據一些移動機器人本體設計的研究文獻及直動關節(jié)的知識可獲得兩個車體結構方案。這兩個方案的示意圖如圖所示：方案 1：其中傳動順序為：電機 齒輪箱 車輪軸上齒輪 （通過車輪軸）驅動輪。?這也是在移動機器人本體結構設計上較為常用的一種車體結構方案，布置比較對稱合理。方案 2：其中傳動順序為：電機 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動）車體結構。這里的設計有借鑒將旋轉運動轉化為直線運動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式，結構比較簡單，設計比較容易。方案間的比較：表 1 兩車體機構方案的比較方案比較方面方案 1方案 2設計方面 較復雜較簡單結構方面 稍復雜 稍簡單布置方面 對稱點有點偏移效率方面 較低 較高精度方面 高 稍差用材方面 還好 有長齒條根據實際的工作條件：希望設計能夠比較簡單，結構比較簡單，焊接小車的移動效率高一點，精度要求并不是很高， 。故可從表 1 可選擇出方案 2 作為該小車的設計結構方案。3.1.2 小車驅動電機功率的確定1、電機功率的估計根據機器人的重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅動電機的功率。假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況，以便估計小車所需的驅動力矩。此時，應把輪胎看成一個彈性體來考慮。前面也提到了，在這里，由于電機的驅動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅動，故該小車的四輪都為從動輪。這里先分析車輪的受力情況：vPXmg?UN圖 車輪受力簡圖假設在運動過程中，輪子做純滾動。設小車運動時的加速度為 ，相應的車輪角加速度為 。dvt dwt根據 可推得：vwr?1dt其中 v 為小車速度，w 為車輪角速度，r 為車輪的半徑。圖 畫出了該小車的車輪在運動過程中的受力簡圖，圖中P 車輪上的載荷，m 車輪的質量，N 地面對車輪的法向反作用力，U 為車輪的切向反作用力，X 車輪軸的車輪的推力。根據平衡條件有（3-dvUt??1）（3-fwrMJt2）為車輪滾動阻力矩，其值為 ；J 為車輪的轉動慣量。f N??根據式（3-1） 、 （3-2）有（3-2fJdvXmrt?????????3）由此可知，推動車輪前進要克服兩種阻力，即車輪的滾動阻力和車輪的加速阻力。而后者又由平移質量產生的加速阻力 和由旋轉質量產生的加速阻力 所組成。dvmt 2Jdvrt?齒輪、齒條傳動作為該小車的驅動機構，故驅動力矩設為 ， 進而可將 理解dMdr?為小車的實際驅動力， 為齒輪的半徑。r?故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應用牛頓第二定律可得：（3-04()dMdvXmrt??4）其中 為機器人總質量。0將式（3-3）中的 X 帶入上式得；（3-0244fdMJdvmrtr??????????5）由上式可得出結論為：小車的驅動力用來克服車輪的滾動阻力和機器人的平移質量的加速阻力和車輪的旋轉阻力?？筛鶕剑?-5）粗估出驅動力矩：其中：車輪半徑 ， （查理論力學 P120 表 5-2 滾動摩阻系數 。60rm?2? ?） ， ；40r??估為 40 kg ,車輪質量估計為 0.8kg ,J 估計為 ，m 426.10kgm???牛；??0(0.8)1944gN???由于這里的焊接速度為 ，故可一定程度上估出 。.2min2dvst?將上述數據帶入式（3-5）得： 4.29()dM??進而根據要求的運行速度為 v ,初步確定電機的功率 P：（3-dvPKr???6）其中：K 為估計系數，考慮到該焊接機器人其上的關節(jié)的運動，可取為 5。解之得： 10.73w?2. 電機的選擇前面已初步估計出了驅動力矩，電機的功率。在實際的操作中，機器人的驅動，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等?？紤]到步進電機通過改變脈沖頻率來調速。能夠快速啟動、制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進電機在機器人無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。這里選定步進電機為驅動電機，考慮到在實際的選擇中應考慮到一定的裕度。這里選用的是杭州日升生產的永磁感應子式步進電機：型號：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；電壓：120-310v相數：2 ；電流：6 A;靜轉矩：270 ；kgcm?空載運行頻率： ；18?轉動慣量： ；2?3.1.3 齒輪、齒條傳動的校核這里齒輪、齒條的傳動是按照結構聯系上來設計的，故這里對齒輪進行彎曲強度校核、接觸強度校核。其參數為：齒輪直徑 ，齒寬為 ，模數為 ，齒數為 80。80m351m前面也對驅動力矩做出估計并給出轉速， ， 。4.29dM?.inv這里參考《機械設計》P209 里的帶式輸送機減速器的高級級齒輪傳動設計進行校核。由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強度是否符合要求，對齒條的強度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度。1.選定齒輪類型、精度等級、材料1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動。2）該焊接機器人速度不高，故選用 7 級精度（GB10095-88） 。3）由表 10-1 選擇齒輪材料為 40Cr（調質） ，硬度為 280HBS，齒條材料為 45 鋼（調質），硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。2.按齒面接觸強度校核按照公式（10-9a）進行校核：（3-??2132. EdHKTZu????????????7）1） 確定公式內的各計算數值（1）計算載荷系數 K根據 ，7 級精度，由表 10-8 查得動載系數 ；.2minv? 1.05vK?由表 10-2 查得使用系數 ；1A?直齒輪，調質，及 。查表 10-334.290.6105tKFNbm???的 ；1.HFK??由表 10-4 查的 7 級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 31.2080.21HKb???????2d（ +.6）將數據帶入后得： 6由 查圖 10-13 得 ；35.,.2.1Hbh??? .FK??故載荷系數。.051.61.345AvHK???（2）齒寬系數 。437d??（3）由表 10-6 查得材料的彈性影響系數 。1289.EZMPa?（4）由圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 。lim60HPa??（5）由式 10-13 計算應力循環(huán)次數。7160301(2405).481hNnjL???（7）由圖 10-19 查得接觸疲勞系數 。.9HNK?（8）JI 計算接觸疲勞許用應力取失效概率 1%，安全系數 ，由式（10-12）得1S??lim0.5670HNMPa??（9）由于這里是齒輪、齒條傳動，故可認為傳動比 u??2） 計算將上面計算的各項數據帶入式（3-7）得： 19.4d?而這里設計該傳動的齒輪半徑 ，顯然滿足接觸疲勞強度。80?3.按齒根彎曲疲勞強度校核這里按照公式（10-5）進行校核： ??132FaSdYKTmz?????????1） 確定公式內各計算數值（1） 由圖 10-20c 查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 50FEMPa??（2） 由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數 .92NK（3） 計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數 ，由式（10-12）得1.4S???1092538.6.FNEK???（4）計算載荷系數 K 1.051.305AvFK??????（5）查取齒形系數由表 10-5 查得 2.8FaY（6）查取應力校正系數由表 10-5 可查的得 1.73Sa?2）計算 0.3m?而這里設計的是 ，顯然滿足彎曲疲勞強度，故校核結果符合要求。4、結論綜上，所設計的齒輪參數符合要求，校核完畢。3.2 擺動關節(jié)電機選擇考慮到擺動關節(jié)的實際情況，對電機的要求：質量輕，體積小，頻繁的正反轉，換向性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機中的印刷繞組直流永磁式。該類型直流伺服電機又稱盤式電機，有特點：快速響應性能好；可以頻繁的起動、制動、正反轉工作；轉子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負載變化時轉速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。這里選擇的型號是 Maxon 組合體系：電機：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W;行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為 19：1；編碼器：HEDS 55。3.3 本章小結這里主要是進行了車體結構設計：方案選擇；功率估計；電機選擇；校核。第四章 結論1、對該集裝箱波紋板三自由度焊接機器人進行了方案設計，并對機構進行運動學逆解，證明該方案可行，能夠滿足集裝箱波紋板焊接的要求，能夠提高在直線段與在波內斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產質量。2、完成了車體結構設計：車體結構方案的比較與選擇；驅動電機功率的估計計算與選擇；齒輪齒條傳動的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度校核。還有擺動關節(jié)驅動電機的選擇。3、其它方面：車輪與選用導軌的匹配設計，關節(jié)間的聯接匹配設計。這些都是直接在圖紙上設計出來了。