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集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計
姓名：錢瑞 學(xué)號：0501510131
指導(dǎo)教師：吳晟
摘要 隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)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(jī)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(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。
本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運(yùn)動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動，還有三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對整個機(jī)器人的總體設(shè)。通過對小車的受力分析完成對車輪、車體的設(shè)計。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對完成對電機(jī)的選擇。最后對所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。
關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人發(fā)展 運(yùn)動學(xué)逆解 結(jié)構(gòu)設(shè)計
隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)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(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。
當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機(jī)器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機(jī)器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機(jī)器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運(yùn)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(jìn)行傳感跟蹤，因?yàn)榕c圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復(fù)雜的焊接任務(wù)；由于控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展，這也將是移動焊接機(jī)器人的控制所采用。
目前用于焊接集裝箱側(cè)板與頂側(cè)梁、底側(cè)梁的自動焊專機(jī)，由于在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調(diào)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(nèi)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(dǎo)致在直線段的焊縫成形與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形不能保持一致，進(jìn)而導(dǎo)致在直線段焊接與在波內(nèi)斜邊段焊接的焊縫的質(zhì)量不一樣，進(jìn)而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。
圖1 集裝箱波紋板示意圖
為此，本課題所涉及的內(nèi)容主要是兩塊，分別為關(guān)于集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析，該機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
1 機(jī)構(gòu)方案
(1) 根據(jù)實(shí)際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個運(yùn)動關(guān)節(jié)的機(jī)器人：左右平移的焊接機(jī)器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動運(yùn)動的末端效應(yīng)器3（如圖2）。
圖2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）
(2) 求出三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)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(nèi)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(yùn)動學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動學(xué)模型、找出變換關(guān)系、逆解。
(4) 方法
齊次坐標(biāo)變換方法。
2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運(yùn)動關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計主要為小車行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1）。
所要解決的問題及任務(wù)：
小車行走機(jī)構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動電機(jī)功率的估計，驅(qū)動電機(jī)的選擇傳動的校核。
其它：擺動關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇等。
3 運(yùn)動學(xué)逆解
機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析指的是機(jī)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(jī)器人各個關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計算出機(jī)器人末端的位姿方程，稱為機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析（正向運(yùn)動學(xué)）；反之，為了使機(jī)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(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運(yùn)動學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。
在該課題里，很顯然這里是已知末端執(zhí)行器端點(diǎn)（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，即三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律，故為運(yùn)動學(xué)逆解。
3.1 運(yùn)動學(xué)模型簡化
由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動：焊槍末端運(yùn)動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動學(xué)逆解時，對實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這里將對其采取等效處理：
(1) 將關(guān)節(jié)1（左右平移的焊接機(jī)器人本體1）與關(guān)節(jié)2（前后移動的十字滑塊2）之間沿Z軸的距離和關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3（做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的末端效應(yīng)器3）的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離視為零，這對分析結(jié)果是等效的。
(2) 對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進(jìn)行等效。
3.2 設(shè)定機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系
據(jù)簡化后的模型可獲得各個坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個坐標(biāo)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(guān)節(jié)的運(yùn)動都處在Z=0平面上。
3.3 求其次變換
3.4 運(yùn)動學(xué)逆解的結(jié)果
由逆解過程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個運(yùn)動關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動規(guī)律協(xié)調(diào)動作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進(jìn)行焊接，將較好的解決波紋直線焊縫與波內(nèi)斜邊焊縫成形不能保持一致的難題。各段關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律如下（一個周期內(nèi)運(yùn)動軌跡如圖3）：
圖3 波紋的一個周期的各個運(yùn)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，
(3) 斜線段
該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。
BC段（波內(nèi)斜邊段1）
這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度，C→D圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，D →D直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)角度。
DE段（直線段1）
這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度，E→F圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，F(xiàn) →F直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)角度。
FG段（波內(nèi)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(guān)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(yùn)動階段，其中，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度，G→H圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，H →H直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。
HI段（直線段2）
該階段運(yùn)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(guān)系。
4 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計
車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括方案選擇；功率估計；電機(jī)選擇；校核等內(nèi)容。
具體的設(shè)計方案及參數(shù)如下：
傳動順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計比較容易。
根據(jù)實(shí)際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機(jī)、齒輪如下：
選用的電機(jī)參數(shù)如下：
（1）傳動電機(jī)這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
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(zhuǎn)矩：270 ；
空載運(yùn)行頻率；
轉(zhuǎn)動慣量：。
（2）擺動關(guān)節(jié)電機(jī)選擇的型號是Maxon 組合體系：
電機(jī)：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(shè)計總結(jié)如下：
(1)對該集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)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(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。
(2)完成了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計：車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動電機(jī)功率的估計計算與選擇；齒輪齒條傳動的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇。
(3)其它方面：車輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計。這些都是直接在圖紙上設(shè)計出來了。
參 考 文 獻(xiàn)
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