0111-集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构设计
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集装箱
波纹
焊接
机器人
机构
运动学
分析
车体
结构设计
- 资源描述：
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该方案是集装箱波纹板焊接机器人车体结构设计，设计的移动机器人为有轨移动焊接机器人，只是现有的移动焊接机器人技术在集装箱波纹板焊接中的应用，是该领域的焊接自动化水平低的缘故，而当前的移动焊接机器人技术有相当的发展。
随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，焊接机器人要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。
小车行走结构设计：
其中传动顺序为：电机-圆柱齿轮-固定齿条-（通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。
- 内容简介：
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集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构 摘要 随着工业水平的发展 ,重要的大型焊接结构件的应用越来越多 ,其中大量的焊接工作必须在现场作业 ,如集装箱波纹板焊接机器人、大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐 (储罐 )的焊接等。而这些焊接场合下，焊接机器人要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑 ,将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。因此机器人的设计对于解决这一难题至关重要。 本课题主要完成机器人运动学的逆解、车体的总体设计、电机的选择等方面。主要从机器人运 动学逆解的角度完成一个周期内的运动学逆解，求出三个关节应按照什么运动规律进行运动，还有三个关节的运动之间的函数关系，进而完成对整个机器人的总体设。通过对小车的受力分析完成对车轮、车体的设计。根据实际操作中遇到的问题对完成对电机的选择。最后对所选的齿轮进行校核，使之能完成具体的操作要求。 关键词 焊接机器人发展 运动学逆 解 结构设计 随着工业水平的发展 ,重要的大型焊接结构件的应用越来越多 ,其中大量的焊接工作必须在现场作业 ,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐 (储罐 )的焊接等。而这些焊接场合下，焊接机器 人要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑 ,将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。 当前绝大多数移动焊接机器人还能焊缝跟踪 ,焊前必须通过人为的方式 ,把机器人放到坡口附近合适的位置 ,并且通过手动将机器人本体、十字滑块等调整到合适的待焊状态 ,也就是说机器人的自主性还很低 ,基本上还不具有自主的运动规划能力。 未来的发展趋势为三个方面：选择视觉传感器来进行传感跟踪，因为与图象处理方面相关的技术得到发展；采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务；由于控制技术 由经典控制到向智能控制技术的发展，这也将是移动焊接机器人的控制所采用。 目前用于焊接集装箱侧板与顶侧梁、底侧梁的自动焊专机，由于在焊接过程中，焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角（焊接工艺参数也未有变化），如图 1所示，在直线段与在波内斜边段，焊接速度方向恒为水平向右，而焊枪与焊缝保持垂直，故焊枪与焊接速度的夹角不能保持恒定，直接导致在直线段的焊缝成形与在波内斜边段的焊缝成形不能保持一致，进而导致在直线段焊接与在波内斜边段焊接的焊缝的质量不一样，进而制约集装箱的生产质量。 图 1 集装箱波纹板示意图 为此，本课题所涉及的内容主要是两块，分别为关于集装箱波纹板三自由度焊接机器人机构的运动学分析，该机器人车体结构的设计。 1 机构方案 (1) 根据实际的集装箱波纹板的焊接条件，我们采用三个运动关节的机器人： 左右平移的焊接机器人本体 1、上下平移的十字滑块 2和做摆动运动的末端效应器 3（ 如图 2）。 图 2 三自由度焊接机器人关节模型（俯视图） (2) 求出三个关节的运动学逆解，并且该解满足一定的约束，能够有效的解决在集装箱波纹板在直线段中焊接的焊缝成形与在波内斜边段中焊接的焊缝成形不一致。 (3) 所要解决 的问题 熟悉运动学逆解的方法、建立运动学模型、找出变换关系、逆解。 (4) 方法 齐次坐标变换方法。 2 焊接机器人结构设计 由于在这里借用了一个现成的运动关节上下平移的十字滑块，故这里所做的设计主要为小车行走机构（即左右平移的焊接机器人本体 1）。 所要解决的问题及任务： 小车行走机构：车体结构方案的确定，驱动电机功率的估计，驱动电机的选择传动的校核。 其它：摆动关节电机的选择等。 3 运动学逆解 机器人运动学分析指的是机器人末端执行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根据机器人各个关节变量 i=1， 2， 3， n）的值，便可计算出机器人末端的位姿方程，称为机器人的运动学分析（正向运动学）；反之，为了使机器人所握工具相对参考系的位置满足给定的要求，计算相应的关节变量，这一过程称为运动学逆解。从工程应用的角度来看，运动学逆解往往更加重要，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。 在该课题里，很显然这里是已知末端执行器端点（焊枪）的位移，速度及焊枪与焊缝间的夹角关系，来求三个关节的协调运动，即三个关节的运动规律，故为运动学逆解。 运动学模型简化 由于该机器人是为了实现这样一种运动：焊枪末端 运动轨迹一定，焊接速度恒定，故可以在运动学逆解时，对实际的关节结构进行简化，这里将对其采取等效处理： (1) 将关节 1（左右平移的焊接机器人本体 1）与关节 2（前后移动的十字滑块 2）之间沿 Z 轴的距离和关节 2 与关节 3（做旋转运动的末端效应器 3）的旋转中心点的距离视为零，这对分析结果是等效的。 (2) 对旋转关节焊枪投影在 设定机器人各关节坐标系 据简化后的模型可获得各个坐标系及其之间的关系，各个坐标系的 X， Y 方向如图 2所示， 由前面的简化等效思想可知各个关节的运动都处在 Z=0 平面上。 求其次变换 运动学逆解的结果 由逆解过程可以看出三自由度焊接机器人三个运动关节按照一定的运动规律协调动作，即可以保证焊枪以一定的位姿与焊接速率进行焊接，将较好的解决波纹直线焊缝与波内斜边焊缝成形不能保持一致的难题。各段关节的运动规律如下（一个周期内运动轨迹如图 3）： 图 3 波纹的一个周期的各个运动阶段的分段示意图 渡段 1） (1) 直线段 该小阶段旋转关节逆时 针旋转 2 ，并保证焊接速度 (2) 圆弧段 该小阶段旋转关节不旋转， 0,2 (3) 斜线段 该直线段旋转关节又逆时针旋转 2 角度。 内斜边段 1） 这一阶段旋转关节 3不转动， 0, 。 渡段 2） 这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1 是一样的。 其中， C C 斜线段旋转关节顺时针旋转 2 角度， C D 圆弧段旋转关节不旋转， D D 直线段旋转关节又顺时针旋转 2 角度。 线段 1） 这一阶段旋转关节 3不转动， 0,0 。 渡段 3） 这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1 是一样的。 其中， E E 斜线段旋转关节顺时针旋转 2 角度， E F 圆弧段旋转关节不旋转， F F 直线段旋转关节又顺时针旋转 2 角度。 内斜边段 2） 该阶段： 0, ；并满足焊接速度相对焊缝恒定，焊枪与焊缝保持垂直关系。 渡段 4） 这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1 是一样的。 这里分三个小运动阶段，其中， G G 斜线段旋转关节逆 时针旋转 2 角度，G H 圆弧段旋转关节不旋转， H 角度。 线段 2） 该阶段运动： 0,0 ；并满足焊接速度相对于焊缝保持恒定，焊枪与焊缝的夹角保持垂直关系。 4 车 体结构设计 车体结构设计，主要包括方案选择；功率估计；电机选择；校核等内容。 具体的设计方案及参数如下： 传动顺序为：电机 圆柱齿轮 固定齿条 （通过反推动）车体结构。主要利用齿轮、齿条将旋转运动转化为直线运动，结构相对简单，设计比较容易。 根据实际操作中遇到的情况并经校 核选用的电机、齿轮如下： 选用的电机参数如下： （ 1）传动电机这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机 型号： 130 步距角： ； 电压： 120 相数： 2 ； 电流： 6 A； 静转矩： 270 ； 空载运行频率 18 ； 转动惯量： 2 。 （ 2）摆动关节电机选择的型号是 合体系： 电机： C 2260 功率为 40W； 行星轮减速箱： 2（ 11501）传动比约为 19： 1； 编码器： 5。 选用的齿轮参数如下：齿轮直径 齿宽为 模数为 1。 参 考 文 献 1 原 魁 . 工 业 机 器 人 发 展 现 状 与 趋 势 J 代 零 部件 ,2007,(01):33 34. 2 张效祖 J . 007,(05):25 26. 3 宋 海 宏 . 机 器 人 技 术 展 望 J. 山 西 煤 炭 管 理 干 部 学 院 学报 ,2006,(04):43 45. 4 顾震宇 . 全球工业机器人产业现状与趋势 J. 机 电 一 体化 ,20006,(02):56 57. 5 坪岛茂彦 中村修照 M学出版社，2003. 6 熊有伦 武汉：华中科技大学出版社， 1996. 7 温效朔 M徽农业科学 ， 2007， (11)： 124 125. 8 周伯英 M械工业出版社， 1995. 9 吴林，张广军，高洪明 M机械工业出版社 ,2000. 10 吴宗泽 M机械工业出版社 ,20
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