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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设计【12张CAD图纸+毕业论文+开题报告+外文翻译+任务书+答辩稿】

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十字滑块支架.dwg

摆动关节.dwg

摆动关节支板.dwg

焊枪夹具.dwg

电机夹具.dwg

电机安装板.dwg

移动小车装配图.dwg

车体.dwg

车轮.dwg

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关键词：: 集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析车体结构设计集装箱波纹板焊接 cad图纸毕业论文开题报告集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析外文翻译任务书答辩

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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设计

43页 12000字数+论文说明书+任务书+12张CAD图纸【详情如下】

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1 绪论 1

1.1 选题的依据及意义 1

1.2 研究现状及发展趋势 1

1.3 本课题的研究设计内容及方法 3

1.4 课题的完成情况 5

2 焊接机器人机构运动学分析 6

2.1 运动学分析数学基础-齐次变换（D-H变换） 6

2.2 变换方程的建立 7

2.3 运动学分析处理方法 9

2.4 逆解过程 10

2.5 本章小结 28

3 结构设计 30

3.1 小车行走结构设计 30

3.2 摆动关节电机选择 36

3.3 本章小结 36

结束语 38

致谢 39

参考文献 40

附录 41

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

Title Robot developt

Abstract

With the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems. Therefore the design of the robot is essential for the solution to this problem.

The main subject of the completion of the robot inverse kinematics solution, the body design, the choice of motor and so on. The main robot inverse kinematics from the perspective of a cycle through the end of the known actuator position posture against the solution of the coordinates of the joints, and then completed the whole set up of the robot. Force analysis of the completed car wheels, car body design. According to the actual problems encountered in the operation of the completion of the motor choice. Finally, the gear selected for verification, so that it can complete the specific operating requirements.

Keywords Robot technology Organization is designed The kinematics goes against solution he intensity is proofreaded

1 绪论

1.1 选题的依据及意义

这里介绍该课题的选题背景，以及完成该课题的意义。

1.1.1 选题的依据

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），如图1.1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[1]。

图1.1 集装箱波纹板示意图

1.1.2 选题的意义

通过完成该课题，即设计出集装箱波纹板三自由度焊接机器人及对其进行运动学分析，能够解决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这个问题，使得在直线段与在波内斜边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而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。

1.2 研究现状及发展趋势

这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的集装箱波纹板三自由度焊接机器人（为移动焊接机器人）是为提高焊接自动化水平的，故这里为移动焊

结束语

毕业设计是对大学学期间所学的知识的一次系统全面性的总结，通过本次毕业设计将理论与实践充分结合，是难得的一次机会。通过这次毕业设计为今后能更好的适应今后工作垫定了良好的基础。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。

致谢

本文是在老师精心指导和大力支持下完成的。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于机械设计方面的知识，实验技能有了很大的提高。另外，我还要特别感谢师姐对我实验以及论文写作的指导，她为我完成这篇论文提供了巨大的帮助。还要感谢，同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成论文。同时实验室的老师也时常帮助我，在此我也衷心的感谢他。

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

参考文献

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[10] 吴宗泽．机械零件设计手册[M]．北京：机械工业出版社,2002.

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[14]　章向明等．工程力学教程[M]．北京：科学出版社，2007．

[15]　濮良贵等．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2007．

[16] 孙恒，陈作模等．.机械原理[M]．北京：高等教育出版社，2007．

内容简介：: 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：学号：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 , 1 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 is a be 4. of in of of to of of in to in to of of An of of of to be to 2. n in in is is to be in to at is a is a a to be a 60, is to a is to 1 of of In be n of be to a be be a f o r d e t e r m i n i n g t h o s e p a r a m e t e r s d e s c r i b e d . to in is wi th pr s ed ay Mo ng a n d W u t o a c c o u n t f o r d i s p r o p o r t i o n a l m o d e l s As 2, a or of by to he be as a to n by of of It is to a to . is to be d. is to be in in to of be in a of of of ., d., a., of a., 3. is as a as a a is to so by to be i g . 3 s h o w s t h e P U M A m a n i p u l a t o r w i t h t h e to a f r o m t h e w o r l d f r a m e t o t h e b a s e f r a m e o f t h e to be if of 4, y, z, o, z0 is by a DH to of b, is s zl is H of We in of to to x, z. : A DH x, y, z, to zo by z0 b, Zb b d in H Zb t, y, Z 01 zo be dl d zo be It to go to of : As an a be to b, is a it as H zb l, zl 0 be , 0b, , d to It is as in i, a of be to to of In is is of of in 0, . he be as a of is as 1. a of as 2. an of 3. of 4. of of In be 5. in an in to in a to is to a of to a of of of p is of to be i s t h e n u m b e r o f m e a s u r e m e n t s ( p o s e s ) t a k e n Dr of of in In in of of is by is In be to of in is is a in t is a to of is in to be in of an of as 5. of of in of 5) as 6. be i is x 1 of of to P is x 1 of of to is 4 to be as in It is it is to 11) to . is A, B, C , or in , T be by In it be MM to to is in a is to of of of a on on no u, v, w) of of to he (x/, y, z) of on of r is In it to i = 4) on to 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 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本课题的研究设计内容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及该机器人车体结构的设计。焊接机器人机构运动学分析运动学逆解齐次坐标变换（数学理论基础）一个周期内运动轨迹变换方程的建立过渡段运动学分析的数学处理齐次变换（运用齐次变换可求得活动坐标系中某点在参考坐标系的坐标值。这种思想为下面的运动学逆解提供了重要的理论依据。一个周期内运动轨迹变换方程的建立 1 机构运动原理 2 运动学模型机构运动原理运动学模型运动学模型运动学模型简化机器人各关节坐标系设定求齐次变换（重要环节）过渡段运动学分析处理方法过渡段分析处理方法替换处理衔接处理运动学逆解结果逆解出焊接波纹板一个周期内机器人的三个关节应按照什么运动规律进行运动，和三个关节的运动之间的函数关系。结构设计结构设计小车行走机构设计摆动关节电机选择车体方案选择齿轮校核小车驱动电机选择谢谢大家！本科毕业设计说明书（论文）第 I 页共 I 页目录 1 绪论 . 2 选题的依据及意义 . 2 研究现状及发展趋势 . 2 本课题的研究设计内容及方法 . 4 课题的完成情况 . 6 2 焊接机器人机构运动学分析 . 7 运动学分析数学基础 . 7 变换方程的建立 . 8 运动学分析处理方法 . 10 逆解过程 . 11 本章小结 . 29 3 结构设计 . 31 小车行走结构设计 . 31 摆动关节电机选择 . 37 本章小结 . 37 结束语 . 39 致谢 . 40 参考文献 . 41 附录 . 错误 !未定义书签。本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 2 页毕业设计说明书（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本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 41 页毕业设计说明书（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 本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 41 页 1 绪论选题的依据及意义这里介绍该课题的选题背景，以及完成该课题的意义。选题的依据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），如图示，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 1。图集装箱波纹板示意图选题的意义通过完成该课题，即设计出集装箱波纹板三自由度焊接机器人及对其进行运动学分析，能够解决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这个问题，使得在直线段与在波内斜边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而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。研究现状及发展趋势这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的集装箱波纹板三自由度焊接机器人（为移动焊接机器人）是为提高焊接自动化水平的，故这里为移动焊本科毕业设计说明书（论文）第 3 页共 41 页接机器人的研究现状及发展趋势；关于结构设计方面的研究现状及发展趋势；关于运动学分析的常用方法 5。移动焊接机器人的研究现状及发展趋势这里所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。当前国内外在移动焊接机器人方向研制的几个典型移动焊接机器人如下： (1) 韩国立大学的 O 等研制的舱体格子形构件焊接移动机器人这种机器人能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程 ,能够自动寻找焊缝的起始点。在遇到格子框架的拐角焊缝时 ,在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下 ,能够自动调整机器人本体和十字滑块的位置 4。 (2) 日本庆应大学学者为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人该机器人能够直线前进 ,还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯 ,它装焊枪的臂可以伸缩，可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状 ,如是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝等 5。 (3) 日本庆应大学学者研制了管道焊接自主移动机器人该机器人可以沿着管道移动 ,根据取的图象信息 ,在焊前可以自动寻找并识别焊缝 ,然后使机器人本体沿管道方向移动达到正确的焊接位置 5。 (4) 清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸附轮式移动焊接机器人该机器人的焊炬跟踪精度可达够满足实际工程应用 3。 (5) 上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接移动机器人该机器人在焊前 ,小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态；在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪 8。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 ,把机器本科毕业设计说明书（论文）第 4 页共 41 页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。焊接机器人机构设计的研究现状及发展趋势在当前，机器人的机构设计绝大部分还是采用依据具体的情况来设计专用焊接机器人，称之为固定结构的传统机器人，其运动特性使特定机器人仅能适应一定的范围 ,不利于机器人的发展。解决这一问题的方法就是利用关节模块和连杆模块 ,根据具体的要求开发可重构机器人系统。下面为当前一些人所做的研究： (1) 人建立的机器人库 ,将模块分成模块单元连接器、连杆模块、主关节模块和末端关节模块四类 13； (2) 1999 年提出了一种由晶体结构“分子”组成的可自重构机器人系统 13； (3) 上海交通大学的费燕琼和沈阳航空工业学院的张艳丽等对模块化机器人的构形设计进行了研究 13。运动学分析的常用方法机器人逆运动学问题在机器人运动学、动力学及控制中占有非常重要的地位，直接影响着控制的快速性与准确性。逆运动学问题就是根据已知的末端执行器的位姿(位置和姿态 )，求解相应的关节变量。目前机器人运动学逆解方法有三种： (1) 以手臂的精确的几何模型为前提研究求解运动学方程的方法（几何法）。该法只能用于特定结构的机器人。 (2) 通常在假设机器人的雅可比矩阵已知的前提下，利用其逆矩阵来求解逆运动学（齐次变换法）。 (3) 智能求解方法。该方法典型的有：基于学习的算法和神经网络算法；基于扩散方程的学习算法。本课题的研究设计内容及方法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本科毕业设计说明书（论文）第 5 页共 41 页机构的运动学分析，该机器人车体结构的设计。三自由度焊接机器人机构运动学分析 (1) 机构方案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（。图三自由度焊接机器人关节模型（俯视图） (2) 证明该方案能够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。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。本科毕业设计说明书（论文）第 6 页共 41 页课题的完成情况 (1) 确定集装箱波纹板焊接机器人总体机构方案，并对该机构存在运动学逆解，并求出，该解满足集装箱波纹板的焊接要求。 (2) 做出了车体结构设计与校核。本科毕业设计说明书（论文）第 7 页共 41 页 2 焊接机器人机构运动学分析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。运动学分析数学基础变换（换）齐次坐标将直角坐标系中坐标轴上的单元格的量值有四个数所组成的列向量 U=a,b,c） T ,它们的关系为 a=wx,b=wy,c=x,y,z,w） T 称为三维空间点（ a,b,c） T 的齐次坐标。这里所建立的直角坐标系的坐标轴上的单元格的量值 w=1，故（ a,b,c,1） T 为三维空间点（ a,b,c） T 。齐次变换对于任意齐次变换 T，可以将其分解为 T =1000 10 211（本科毕业设计说明书（论文）第 8 页共 41 页 11A =333231232221131211 （ 12A =（ T （式（示活动坐标系在参考系中的方向余旋阵，即坐标变换中的旋转量；而式（示活动坐标系原点在参考系中的位置，即坐标变换中的平移量。特殊情况有平移变换和旋转变换：平移变换： ( c,b,a ) =1000旋转变换： ,z ) = 1000010000co s(变换方程的建立机构运动原理如图示，机器人采用三个运动关节：左右平移的焊接机器人本体 1，前后平移的十字滑块和做旋转运动的末端效应器 3。通过三个关节之间的协调运动，来保证末端效应器的姿态发生变化时，焊接速度保持不变，焊枪与焊缝间的夹角保持垂直关系，来做到直线段与波内斜边段焊缝成形的一致。图自由度焊接机器人运动简图（俯视图）本科毕业设计说明书（论文）第 9 页共 41 页运动学模型 (1) 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： (a) 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。 (b) 对旋转关节焊枪投影在面上进行等效。 (2) 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 方向如图示， Z 方向都垂直该俯视图，且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。 (3) 求其次变换通过齐次变换矩阵 m中的某点在 n中的坐标值。根据公式（（图得 10T= 1000010000100， 21T =1000010032T= 10000100其中 1 ,别表示初始时刻（三个坐系原点（ 2 ， 3）的距离长度，即参考坐标系与设置的动坐标位置矢量。坐标系 1原点在一定时间方向的位移，且 S） =v,1 的移动速度。坐标系 2点在一定时间向的位移，且22()d S v,2 相对关节 1 的移动速度。 (4) 求，带入32T， 21T ，10 30T=10000100（本科毕业设计说明书（论文）第 10 页共 41 页其几何意义为空间某一点相对于坐标系 0及 3的坐标值之间的变换矩阵。即：1100001001 (5) 求变换方程在任意时刻 t，焊枪末端点的空间位置失量为（ 0,r,0,1） T，代入公式（得变换方程： 2210100 c o s s （运动学分析处理方法替换处理转折点处用一半径为中半径角的影响，角越大，之亦然。这样方能使运动的连续成为可能。衔接处理在直线段与波内斜边段划出一小段来为过渡运动更加顺利的完成，这样过渡运动过程运动分三小阶段。现利用以上两处理方法处理第一个转折点的过渡运动，这一阶段是衔接两种运动的过渡阶段： (1) 旋转关节的转角： 0到的过渡。 (2) 焊接速度平方向到与水平方向呈的夹角的过渡。下面是该过渡阶段的运动示意图：本科毕业设计说明书（论文）第 11 页共 41 页 t t B t t B图旋转关节在过渡处的运动示意图逆解函数这里所求逆解都是以时间为自变量，由于这里焊接速度相对焊缝是恒定的( ，故与以焊枪末端点的自然坐标系的位移为自变量是一致的，求解较方便。逆解过程这台机器人焊接时，其运动存在三个约束：焊接速度恒定，焊接轨迹曲线一定，焊枪与焊缝保持垂直。在这里，由前面的分析处理思想及方法可知，在过渡运动过程中放弃了第三个约束，由于这么一小段位移比较短，不然的话，会导致无解，因为旋转关节的角速度的必然连续。这里将取波纹的一个周期进行运动学逆解，求出三个关节应按照什么运动规律进本科毕业设计说明书（论文）第 12 页共 41 页行运动，还有三个关节的运动之间的函数关系 (波纹的一个周期的各个运动阶段的分段示意图 ,如图图波纹的一个周期的各个运动阶段的分段示意图这里假设 A 处为运动起始时刻，为字母（ A， A ， B， H）代表焊接轨迹上的点， t 为焊枪末端点运动到该点处的时间，（ x ,y ）代表该点在基坐标系上的坐标。（过渡段 1）前面已经介绍过这里的处理方法，这一阶段是衔接两种运动的过渡阶段。这里又细分三个小阶段： A A 直线段 ,A B 圆弧段， B 了提高焊接质量，该过渡阶段仍然保留焊接速度相对于焊缝为恒定，而放弃焊枪与焊缝保持垂直关系，不然会导致无解。其中， A A 直线段旋转关节逆时针旋转 2 ， A B 圆弧段旋转关节不旋转，B 。 (1) 直线段该小阶段旋转关节逆时针旋转 2 ，并保证焊接速度根据图 yy (（本科毕业设计说明书（论文）第 13 页共 41 页 0 A 直线段焊接点位置关系示意图将式（带入变换方程（ 221100c o s s （将以上两式对（） (其中旋转关节 3的运动规律 ( 图 )t ()t4图 A A 直线段旋转关节的运动规律示意图 (2) 圆弧段该小阶段旋转关节不旋转， 0,2 ， )(t 所示角如图本科毕业设计说明书（论文）第 14 页共 41 页 tAB()t0A B 圆弧段焊接点位置关系示意图根据图 )(c o (s A （将其带入变换方程（： 221 10c c s i n)(s i n （将以上两式对 )()(s )(c o （又由速度合成知识可得： 22221 ，带入上式可解得：w )(。将这结果带入式（转化为： )( （ BA ）（其中 )(t 的运动规律如图本科毕业设计说明书（论文）第 15 页共 41 页 t ()tt t 图 A B 圆弧段 )(t 的运动规律 (3) 斜线段该直线段旋转关节又逆时针旋转 2 角度。根据图 s c o s)(00 （ B 将式（带入变换方程（： 22110c i n)( s i nc （将以上两式对（ BB ）（本科毕业设计说明书（论文）第 16 页共 41 页其中旋转关节的运动规律 ( 图 34()t 2)t图 B （波内斜边段 1）这一阶段旋转关节 3不转动， 0, 。根据图 s c o s)(00 （ 0C B 将式（带入变换方程（：本科毕业设计说明书（论文）第 17 页共 41 页 22110c i n)( s i nc （将以上两式对（ CB ）（（过渡段 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 角度。 (1) C C 斜线段该小阶段旋转关节顺时针旋转 2 ，并保证焊接速度根据图得： s c o s)(00 图 C C 斜线段焊接点位置关系示意图将式（带入变换方程（： 22110c o ss s o s)( （将以上两式对（ CC ）（本科毕业设计说明书（论文）第 18 页共 41 页其中旋转关节的运动规律 ( 图 t ()t 3 42图 C C 斜线段旋转关节的运动规律示意图 (2) C D 圆弧段该小阶段旋转关节不旋转， 0,2 。根据图平面几何知识可得： )(c o (s D （ t() t0D图 C D 圆弧段焊接点位置关系示意图将式（带入变换方程（： 221 10c o s)(c o s1 s s （本科毕业设计说明书（论文）第 19 页共 41

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