2919 集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu),集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構(gòu),運動學,分析,車體,結(jié)構(gòu) 集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計姓名：錢瑞 學號：0501510131 指導教師：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(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。本課題主要完成機器人運動學的逆解、車體的總體設(shè)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(nèi)的運動學逆解，求出三個關(guān)節(jié)應按照什么運動規(guī)律進行運動，還有三個關(guān)節(jié)的運動之間的函數(shù)關(guān)系，進而完成對整個機器人的總體設(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(guān)鍵詞 焊接機器人發(fā)展 運動學逆解 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(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(diào)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(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復雜的焊接任務；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，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，進而導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器人機構(gòu)的運動學分析，該機器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1 機構(gòu)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(guān)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(guān)節(jié)模型（俯視圖）(2) 求出三個關(guān)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(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動學逆解的方法、建立運動學模型、找出變換關(guān)系、逆解。(4) 方法齊次坐標變換方法。2 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運動關(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構(gòu)（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(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動電機功率的估計，驅(qū)動電機的選擇傳動的校核。其它：擺動關(guān)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(guān)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(guān)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(chǔ)。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(guān)系，來求三個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動，即三個關(guān)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(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行簡化，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)運動的末端效應器 3）的旋轉(zhuǎn)中心點的距離視為零，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平面上進行等效。3.2 設(shè)定機器人各關(guān)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(guān)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(guān)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(jié)果由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關(guān)節(jié)按照一定的運動規(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)的運動規(guī)律如下（一個周期內(nèi)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A??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?w(2) 圓弧段AB?該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2?????(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， 。0,?????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)' 2''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， 。0,????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)' 2?''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0,??????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。這里分三個小運動階段，其中，G→G 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn) 角' 2?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。2?HI段（直線段 2）該階段運動： 0,????；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：傳動順序為：電機 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)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計比較容易。根據(jù)實際操作中遇到的情況并經(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)矩：270 ；cmkg?空載運行頻率 ；18?轉(zhuǎn)動慣量： 。2?（2）擺動關(guān)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。m8035參 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] . 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