0111-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,集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構,運動學,分析,車體,結構設計 集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構 摘要 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(yè)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(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(shù)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(jù)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(fā)展 運動學逆解 結構設計 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。 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(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（如圖2）。 圖2 三自由度焊接機器人關節(jié)模型（俯視圖） (2) 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。 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。 3 運動學逆解 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(jù)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 運動學模型簡化 由于該機器人是為了實現(xiàn)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： (1) 將關節(jié)1（左右平移的焊接機器人本體1）與關節(jié)2（前后移動的十字滑塊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。 (2) 對旋轉關節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進行等效。 3.2 設定機器人各關節(jié)坐標系 據(jù)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(jié)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(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。各段關節(jié)的運動規(guī)律如下（一個周期內運動軌跡如圖3）： 圖3 波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖 AB段（過渡段1） (1) 直線段 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) 圓弧段 該小階段旋轉關節(jié)不旋轉， (3) 斜線段 該直線段旋轉關節(jié)又逆時針旋轉角度。 BC段（波內斜邊段1） 這一階段旋轉關節(jié)3不轉動，。 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，D →D直線段旋轉關節(jié)又順時針旋轉角度。 DE段（直線段1） 這一階段旋轉關節(jié)3不轉動，。 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，F(xiàn) →F直線段旋轉關節(jié)又順時針旋轉角度。 FG段（波內斜邊段2） 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。 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。 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，焊槍與焊縫的夾角保持垂直關系。 4 車體結構設計 車體結構設計，主要包括方案選擇；功率估計；電機選擇；校核等內容。 具體的設計方案及參數(shù)如下： 傳動順序為：電機圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結構。主要利用齒輪、齒條將旋轉運動轉化為直線運動，結構相對簡單，設計比較容易。 根據(jù)實際操作中遇到的情況并經校核選用的電機、齒輪如下： 選用的電機參數(shù)如下： （1）傳動電機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(shù)：2 ； 電流：6 A； 靜轉矩：270 ； 空載運行頻率； 轉動慣量：。 （2）擺動關節(jié)電機選擇的型號是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。 選用的齒輪參數(shù)如下：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為1。 5 針對本次畢業(yè)設計總結如下： (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(lián)接匹配設計。這些都是直接在圖紙上設計出來了。 參 考 文 獻 [1] 原 魁.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):33～34. [2] 張效祖.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J] . WMEM,2007,(05):25～26. [3] 宋海宏 .機器人技術展望[J].山西煤炭管理干部學院學報,2006,(04):43～45. [4] 顧震宇.全球工業(yè)機器人產業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機電一體化,20006,(02):56～57. [5] 坪島茂彥 中村修照 .電動機實用技術指南[M].北京：科學出版社，2003. [6] 熊有倫.機器人技術基礎.武漢：華中科技大學出版社，1996. [7] 溫效朔.機器人技術在農業(yè)上的開發(fā)與應用現(xiàn)狀[M].合肥：安徽農業(yè)科學，2007，(11)：124～125. [8] 周伯英.工業(yè)機器人設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995. [9] 吳林，張廣軍，高洪明.焊接機器人技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000. [10] 吳宗澤.機械零件設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002. [11] I.OM.索羅門采夫.工業(yè)機器人圖冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005. [12]　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． [13]　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． [14]　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． [15]　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．