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集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構

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更新時間：2016-02-27
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集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構.rar

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
姓名：錢瑞學號：0501510131
指導教師：吳晟
摘要隨著工業水平的發展,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,如集裝箱波紋板焊接機器人、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的自動化焊接難題。因此機器人的設計對于解決這一難題至關重要。
本課題主要完成機器人運動學的逆解、車體的總體設計、電機的選擇等方面。主要從機器人運動學逆解的角度完成一個周期內的運動學逆解，求出三個關節應按照什么運動規律進行運動，還有三個關節的運動之間的函數關系，進而完成對整個機器人的總體設。通過對小車的受力分析完成對車輪、車體的設計。根據實際操作中遇到的問題對完成對電機的選擇。最后對所選的齒輪進行校核，使之能完成具體的操作要求。
關鍵詞焊接機器人發展運動學逆解結構設計
隨著工業水平的發展,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,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的自動化焊接難題。
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 ,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劃能力。
未來的發展趨勢為三個方面：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展，這也將是移動焊接機器人的控制所采用。
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。

圖1 集裝箱波紋板示意圖
為此，本課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 機構方案
(1) 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（如圖2）。

圖2 三自由度焊接機器人關節模型（俯視圖）
(2) 求出三個關節的運動學逆解，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。
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：擺動關節電機的選擇等。
3 運動學逆解
機器人運動學分析指的是機器人末端執行部件（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，來求三個關節的協調運動，即三個關節的運動規律，故為運動學逆解。
3.1 運動學模型簡化
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，對實際的關節結構進行簡化，這里將對其采取等效處理：
(1) 將關節1（左右平移的焊接機器人本體1）與關節2（前后移動的十字滑塊2）之間沿Z軸的距離和關節2與關節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。
(2) 對旋轉關節焊槍投影在X-Y平面上進行等效。
3.2 設定機器人各關節坐標系
據簡化后的模型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2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的運動都處在Z=0平面上。
3.3 求其次變換
3.4 運動學逆解的結果
由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關節按照一定的運動規律協調動作，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。各段關節的運動規律如下（一個周期內運動軌跡如圖3）：
目錄

1 緒論 1
1.1 選題的依據及意義 1
1.2 研究現狀及發展趨勢 1
1.3 本課題的研究設計內容及方法 3
1.4 課題的完成情況 5
2 焊接機器人機構運動學分析 6
2.1 運動學分析數學基礎-齊次變換（D-H變換） 6
2.2 變換方程的建立 7
2.3 運動學分析處理方法 9
2.4 逆解過程 10
2.5 本章小結 28
3 結構設計 30
3.1 小車行走結構設計 30
3.2 擺動關節電機選擇 36
3.3 本章小結 36
結束語 38
致謝 39
參考文獻 40
附錄 41

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