集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构说明书.doc
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
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运动学
分析
车体
结构设计
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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 ,2002. 11 工业机器人图册 M机械工业出版社 ,2005. 12 郑相锋，胡小建弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技术 J电焊机， 2005 13 孔宇，戴明，吴林机器人结构光视觉三点焊缝定位技术 J焊接学报， 1997 14 王军波 等基于 感器的球罐焊接机器人焊缝跟踪 J焊接学报， 2001 15 徐培全等基于机器人焊接的视觉传感系统综述 J焊接， 2005 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。 5 针对本次毕业设计总结如下 ： (1)对该集装箱波纹板三自由度焊接机器人进行了方案设计，并对机构进行运动学逆解，证明该方案可行，能够满足集装箱波纹板焊接的要求， 能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高集装箱的生产 质量。 (2)完成了车体结构设计：车体结构方案的比较与选择；驱动电机功率的估计计算与选择；齿轮齿条传动的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度校核。还有摆动关节驱动电机的选择。 (3)其它方面：车轮与选用导轨的匹配设计，关节间的联接匹配设计。这些都是直接在图纸上设计出来了。 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 ,2002. 11 工业机器人图册 M机械工业出版社 ,2005. 12 郑相锋，胡小建弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技术 J电焊机， 2005 13 孔宇，戴明，吴林机器人结构光视觉三点焊缝定位技术 J焊接学报， 1997 14 王军波等基于 感器的球罐焊接机器人焊缝 跟踪 J焊接学报， 2001 15 徐培全等基于机器人焊接的视觉传感系统综述 J焊接， 2005 南京理工大学泰州科技学院 学生毕业设计（论文）中期检查表 学生姓名 钱瑞 学 号 0501510131 指导教师 武培军 吴晟 选题情况 课题名称 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 难易程度 偏难 适中 偏易 工作量 较大 合理 较小 符合规范化的要求 任务书 有 无 开题报告 有 无 外文翻译质量 优 良 中 差 学习态度、出勤情况 好 一般 差 工作进度 快 按计划进行 慢 中期工作汇报及解答问题情况 优 良 中 差 中期成绩评定： 良 所在专业 意见： 学习较主动、积极，态度认真，阶段成果较明显。 负责人： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 钱瑞 学 号： 0501510131 系 部 : 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 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 指导者： 评阅者： 2009 年 6 月 吴晟 助教 毕业设计说明书（论文）中文摘要 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 机器人技术 机构设计 运动学逆解 强度校核 毕业设计说明书（论文）外文摘要 of it is to of of a of be at as of a as to to in be to of is no to of of is to of of of so of a of of of up of of to in of of so it is he is 南京理工大学泰州科技学院 毕业设计（论文）任务书 系 部 ： 机械工程系 专 业 ： 机械工程及自动化 学 生 姓 名： 钱瑞 学 号： 0501510131 设计 (论文 )题目 ： 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 起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 09 日 6 月 14 日 设计 (论文 )地点 : 南京理工大学泰州科技学院 指 导 教 师 : 武培军 吴 晟 专业 负责 人 : 龚光容 发任务书日期 : 2009 年 2 月 26 日 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 针对集装箱波纹板焊接自动化水平低的现状 ， 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），直接导致焊缝成形不能保持一致，进而影响焊缝的质量。 该课题能有效的解决焊接过程中焊枪速度与波形夹角的问题，使焊接速度始终与波形垂直，进而保证焊接的稳定性，提高焊接成形的一致性，提高焊接质量。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工 作要求等）： 本课题是集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体机构设计，通过十字滑块选用，进而组成的焊接机器人能够解决波内斜边段焊缝外观成形与直线段焊缝不一致的问题。 研究内容如下： 1、在广泛调研的基础上，熟悉机器人的应用的现场环境，明确设计目标； 2、设计出该焊接机器人的机构方案，并对其进行运动学逆界，证明所选方案可行； 3、设计出小车车体结构，并在图纸上绘制出机器人的装配图。 应达到的技术要求如下： 1、 所求焊接过渡段中的过渡运动能较好的衔接直线段与波内斜边段的运动 ； 2、 三自由度焊接机器人三个运 动关节可按照一定的运动规律协调动作 。 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等： 1、相关资料的英文翻译与文献综述； 2、 焊接机器人的机构方案 ； 3、 小车车体结构设计 及相关零件图、装配图 ； 4、毕业设计论文。 毕业设计成果以设计图样和说明书形式提交。要求图样规范，符合国家标准；说明书层次分明、论据可靠、计算正确、图标规范、语句通顺。 4主要参考文献： 1 郑相锋，胡小建 弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技术 J 电焊机， 2005 2 孔宇，戴明， 吴林 机器人结构光视觉三点焊缝定位技术 J 焊接学报， 1997 3 王军波等 基于 感器的球罐焊接机器人焊缝跟踪 J 焊接学报， 2001 4 徐培全等 基于机器人焊接的视觉传感系统综述 J 焊接， 2005 5 刘苏宜，王国荣，钟继光 视觉系统在机器人焊接中的应用与展望 J 机械科学与技术， 2005 6 张柯等 移动焊接机器人的研究现状及发展趋势 J 焊接， 2004 7 王其隆 弧焊过程质量实时传感与控制 M 北京 ： 机械工业出版社， 2000 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2009 年 3 月 9 日 3 月 23 日 3 月 24 日 4 月 6 日 4 月 7 日 5 月 11 日 5 月 12 日 5 月 31 日 6 月 1 日 6 月 9 日 6 月 10 日 6 月 14 日 熟悉课题，准备相关资料，完成资料翻译 完 成 文 献 综 述 ， 撰 写 开 题 报 告 ， 熟悉 绘图软件 掌握 焊接机器人 的结构设计原理，完成 三自由度焊接机器人 的 运动学逆解 完成 车体结构设计 ，画出相关的零件图和装配图 撰写并打印设计说明书，整理相关资料 准备论文答辩 所在专业审查意见： 负责人： 2008 年 月 日 系部意见： 系部主任： 2008 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院 毕业设计 (论文 )前期工作材料 学生姓名 : 钱瑞 学 号： 0501510131 系 部 : 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 : 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 指导教师 : 武培军高工 吴晟助教 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备 注 1 毕业设计 (论文 )选题、审题表 1 2 毕业设计 (论文 )任务书 1 3 毕业设计 (论文 )开题报告含文献综述 1 4 毕业设计 (论文 )外文资料翻译含原文 1 5 毕业设计（论文）中期检查表 1 2009 年 5 月 南京理工大学泰州科技学院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系 部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 钱 瑞 学 号： 0501510131 外文出处： 附 件： 指导教师评语： 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 (用外文写 ) 附件 1：外文资料翻译译文 应用 坐标测量机的机器人运动 学姿态的标定 这篇文章报到的是用于机器人运动学标定中能获得全部姿态的操作装置 坐标测量机（ 运动学模型由于操作器得到发展 , 它们关系到基坐标和工件。 工件姿态是从实验测量中引出的讨论 , 同样地是识别方法学。允许定义观察策略的完全模拟实验已经实现。实验工作的目的是描写参数辨认和精确确认。用推论原则的那方法能得到在重复时近连续地校准机器人。 关键字：机器人标定 坐标测量 参数辨认 模拟学习 精确增进 1. 前言 机器手有合理的重复精度 (而知名 , 但仍有不好的精确性 (米 )。为了实现机器手精确性，机器人可能要校准也是好理解 。 在标定过程中， 几个连续的步骤能够精确地识别机器人运动学参数，提高精确性。这些步骤为如下描述： 1 操作器的运动学模型和标定过程本身是发展，和通常有标准运动学模型的工具实现的。作为结果的模型是定义基于厂商的运动学参数设置错误量 , 和识别未知的 ,实际的参数设置。 2 机器人姿态的实验测量法 (部分的或完成 ) 是拿走为了获得从联系到实际机器人的参数设置数据。 3 实际的运动学参数识别是系统地改变参数设置和减少在模型阶段错误量的定义。一个接近完成辨认由分析不同中 间姿态变量 的微分关系决定： 于是等价转化得： 两者择一 , 问题可以看成为多维的优化问题，这是为了减少一些定义的错误功能到零点，运动学参数设置被改变。这是标准优化问题和可能解决用的众所周知的 方法。 4 最后一步是机械手控制中的机器人运动学识别和在学习之下的硬件系统的详细资料。 包含实验数据的这张纸用于标度过程。 可获得的几个方法是可用于完成这任务 , 虽然他们相当复杂，获得数据需要大量的成本和时间。这样的技术包括使用可视化的和自动化机械 ，伺服控制激光干涉计，有关声音的传感器和视觉传感 器 。理想测量系统将获得操作器的全部姿态 (位置和方向 )，因为这将合并机械臂各个位置的全部信息。上面提到的所有方法仅仅用于唯一部分的姿态 , 需要更多的数据是为了标度过程到进行。 2理论 文章中的理论描述，为了操作器空间放置的各自的位置，全部姿态是可测量的，虽然进行几个中间测量，是为了获得姿态。测量姿态使用装置是坐标测量机 (它是三轴的，棱镜测量系统达到 器人操作器是能校准的， 60，放置接近于 殊的操作装置能到达边缘。图 1显示了系统不同部分安排。在这部分运动学模 型将是发展 , 解释姿态估算法，和参数辨认方法。 动学的参数 在这部分，操作器的基本运动学结构将被规定，它关系到完全坐标系统的讨论 , 和终点模型。从这些模型，用于可能的技术的运动学参数的识别将被规定，和描述决定这些参数的方法。 那些基础的模型工具用于描写不同的物体和工件操作器位置空间的关系的方法是 调整计划，停泊处 和当二连续的接缝轴是名义上地平行的用于说明不相称模型 。如图 2 这中方法存在于物体或相互联系的操作杆结构中，和运动学中需 要从一个坐标到另一个坐标这种同类变化是被定义的。这种变化是相同形式的 上面的关系可以解释通过四个基本变化操作实现坐标系 有需要找到与前一个的关系的四个变化是必需的，在那个时候连续的轴是不平行的，n定义为零点。 当应用于一个结构到下一个结构的等价变化坐标系与更改 们将被书写成矩阵元素实现运动学参数功能的矩阵形状。这些参数是变化的简单变量：关节角 n ，连杆偏置 连杆长度 扭角 n ，矩阵通常表示如下： 对于多连接的 , 例如机械操作臂 ,各自连续的链环和两者瞬间的位置描写在前一个矩阵变化中。这种变化从底部链环开始到第 图 3表示出 全坐标系和工具结构。变化从世界坐标系到机器人底部结构需要仔细考 虑过，因为潜在的参数取决于被选择的改变类型。考虑到图 4,世界坐标,，在 , 标,是 标 111 , 我们感兴趣的是从世界坐标到 111 , 需的最小的参数数量 。实现这种变化有两种路 径：路径 1，从,到000 , 着从000 , ,的变化将牵连二个参数 和 d 的变化图 3 图 4 最后，另外从,到 111 , 和 两个参数是关于轴 1d 和 d 是沿着轴 此，用这路径它需要从世界坐标到 径 2，同样地二中择一，从世界坐标到底部结构坐标,的 变化可以是直接定义。因此坐标变换需要六个参数，如 下面是从,到 111 , 1 与 ,相关联，1d 与 , 相关联 ，减少成两个参数。很显然这种 路径和路径 1一样需要八个参数，但是设置不同。 上面的方法可能使用于从世界坐标系到 构的移动中。在这工作中，选择路径 2。工具改变引起需要六个特殊参数的改变的 用于运动学模型的参数总数变成 30，他们定义于表 1 认方法学 运动学的参数辨认将是进行多维的消去过程 , 因此避免了雅可比系统的标定，过程如下： 1. 首先假设运动学的参数 , 例如标准设置。 2. 为选择任意关节角的设置。 3. 计算 4. 测量 角，通常标准的和预言的位姿将是不同的。 5. 为了最好使预言位姿达到标准的位姿，在整齐的方式更改运动学的参数。 这个过程应用于不是单一的关节角设置而是一定数量的关节角，与物理测量数量等同的全部关节角设置是需要，必须满足 在这儿： 文章中，给定了自由度的数量，赠值为 因此全部位姿是测量的。在实践中，更多的测量应该是在实验测量法去掉补偿结果。优化程序使用命名为 标准库功能的 姿测量法 显然它是 从上面的方法确定 种方法现在将详细地描写。如图 5所示，末端操作器由五个确定的工具组成。 考虑到借助于工具坐标和世界坐标中间各个坐标的形式，如图 6 这些坐标的关系如下： ,关于世界 坐标 结构的第 标 结构第 设定 量出 ,然后 算出 T，使用于在标定过程的位姿的测量。它是不会很简单，但是不可能由等式 (11)反求出 T。上面的过程由四个球 A, B, 来实现，如下： 或为 由于 P, 全部相符合，反解求的位姿矩阵 在实践中当 于 确的测量三个球，第四球根据十字相乘可以获得 考虑到决定的球中心坐标的是基于球表面点的测量 ,没有分析可获到的程序。 另外，数字优化的使用是为了求惩罚函数的最小解 这里 ),( 确定球中心， ),(i 个 球表面点 的坐标且 r 是 球 的半径。在测试过程中，发现只测量四个表面上的点来确定中心点是非常有效的。 附件 2：外文原文 （复印件） of a a he in of a a is to of A is to of is as is A of is to be is is is to a of . t is 0.3 10.0 by be in to of is In of to be to be as 1. A of is is is to an on a s) an is to be 2. of or in to to by so as to in to is in of a to of be as a in is in to to i
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