機械手-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

機械手-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,機械手,集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構,運動學,分析,車體,結構設計 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(jù)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(jù) 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(xiàn)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(shù)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 這里的研究現(xiàn)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關于結構設計方面的研究現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?shù)陌l(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(xiàn)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(xiàn)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(jù) 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(lián)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(jīng)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(shù)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(jīng)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(xiàn)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(jù)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(jù)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(jù)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(jīng)網(wǎng)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(jù)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(xiàn)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。