三自由度可移动焊接机器人的结构设计【含CAD图纸】
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山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：张玮源专业：机 械 电 子 工 程学号：180533024指导教师：赵 丽所属系（部）：机 电 系二二年五月山西工程技术学院毕业设计（指导教师）评阅书题目： 三自由度可移动焊接机器人的结构设计 机 电系 机 械 电 子 工 程专业 姓名张玮源 设计时间：2020年2月17日 2020年5月11日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务：2020年 月 日山西工程技术学院毕业设计（同行教师）评阅书题目： 三自由度可移动焊接机器人的结构设计 机 电 系机 械 电 子 工 程 专业 姓名张玮源 设计时间：2020年2月17日 2020年5月11日 评阅意见：评分内容具体要求分值得分说明书工作量字数2.5万字以上得20分；2万字以上，不足2.5万字得15分；2万字以下的10分。20图纸工作量图纸折合4张A0及以上得20分；不足4张A0，达3张以上，得15分；3张以下得10分。20说明书质量内容完整，装订顺序正确，结构合理，文字通顺；目录、字体、字号、行距等符合要求，公式、插图、表格使用合理；文献翻译质量、篇幅符合规定要求。存在02处错误得30分；35处错误得20分；5处以上得15分。30图纸质量图纸组成元素完整，表达方式合理，图框、标题栏、线型、线宽及字体字号符合相关标准。存在02处错误得30分；35处错误得20分；5处以上得15分。30总分（百分制）100成绩： 评阅教师：（签字） 职务： 2020年月日山西工程技术学院毕业设计答辩记录及成绩评定表机 电 系机 械 电 子 工 程 专业 姓名 张 玮 源 答 辩 内 容问题摘要答辩情况 记录员： （签名）成 绩 评 定指导教师成绩评阅教师成绩答辩组评定成绩综合成绩注：评定成绩为100分制，指导教师为20%，评阅教师为30%，答辩组为50%。专业答辩组组长： （签名） 2020年月日三自由度可移动焊接机器人的结构设计摘 要工业水平不断的发展，大型焊接结构件的应用越来越广泛，其中多数的焊接工作必须在现场工作，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。在这种焊接场合下，焊接机器人只要适应焊缝的变化，就可以提高焊接自动化的水平。所以将机器人技术和焊缝跟踪技术结合可以更好地达成大型结构件野外作业的自动化焊接的目标。本课题要达成机器人运动学的逆解、车体的总体设计、电机的选择等目标。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，得出三个关节应按照何种运动规律进行活动，还有关节运动之间的函数关系，从而完成对整个三自由度机器人的总体设计。经过对小车的受力分析，设计车轮、车体。依据实际操作中碰到的问题完成对电机的选择。最后对齿轮进行校核，保证齿轮能够完成具体的操作要求。关键词：三自由度；机构设计运动学逆解；强度校核；IStructure design of three-degree-of-freedom movable welding robotAbstractThe continuous development of the industrial level, the application of large-scale welded structural parts is more and more extensive, most of the welding work must be on-site, such as container corrugated plate welding robots, large ship cabins, deck welding, large spherical tanks (storage tanks) ) Welding etc. In this welding situation, as long as the welding robot adapts to the changes in the welding seam, it can improve the level of welding automation. Therefore, the combination of robot technology and welding seam tracking technology can better achieve the goal of automatic welding of large structural parts in the field. This topic is to achieve the inverse solution of robot kinematics, the overall design of the car body, and the selection of motors. From the perspective of the inverse kinematics of the robot, complete the inverse kinematics within a cycle, and obtain the motion rules of the three joints according to the movement, and the functional relationship between the joint movements, thus completing the overall design of the entire robot . After analyzing the force of the car, design the wheel and car body. Complete the selection of the motor based on the problems encountered in actual operation. Finally, check the gears to ensure that the gears can complete the specific operation requirements.AbstractKey words:Three degrees of freedom; mechanism design inverse kinematics; strength chec;目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 选题的依据及意义11.1.1 选题的依据11.1.2 选题的意义21.2 研究现状及发展趋势31.2.3 移动焊接机器人的研究现状及发展趋势71.2.4 移动焊接机器人的研究现状及发展趋势81.2.5 焊接机器人机构设计的研究现状及发展趋势111.2.6 运动学分析的常用方法131.3 本课题的研究设计内容及方法131.3.1 三自由度焊接机器人机构运动学分析141.3.2 焊接机器人结构设计141.4 课题的完成情况152 焊接机器人机构运动学分析162.1 运动学分析数学基础-齐次变换（D-H变换）162.1.1 齐次坐标162.1.2 齐次变换172.2 变换方程的建立172.2.1 机构运动原理172.2.2 运动学模型182.3 运动学分析处理方法202.3.1 替换处理202.3.2 衔接处理202.3.3 逆解函数212.4 逆解过程212.4.1 AB段（过渡段1）212.4.2 BC段（波内斜边段1）252.4.3 CD段（过渡段2）262.4.4 DE段（直线段1）292.4.5 EF段（过渡段3）302.4.6 FG段（波内斜边段2）332.4.7 GH段（过渡段4）342.4.8 HI段（直线段2）372.5 结论383 结构设计403.1 小车行走结构设计423.1.1 车体结构方案的比较与选择423.1.2 小车驱动电机功率的确定433.1.3 结构设计里齿轮校核473.1.4 结论503.2 Y轴设计503.2.1 Y轴方案设计503.2.2 同步带结构设计513.2.3 Y轴电机选型计算533.2 摆动关节电机选择543.3 结论55结束语57参考文献58附 录61外文文献62中文译文69致 谢73IV山西工程技术学院毕业设计说明书1 绪论我国制造业的发展主要是从工业技术的发展得以体现，其中最核心的是工业机器人技术。近些年我国工业机器人发展迅速，并逐步从示范应用转向大规模推广,大大减少了生产制造对劳动力的依赖。目前我国研制的工业机器人已经达目前，制造业仍是我国国民经济的主体，是工业化和现代化的主导力量，是衡量一个国家经济综合实力和国际竞争力的重要标志。我国大力发展制造业，实施创新驱动发展和加快经济转型具有十分重要的战略意义。而智能制造是引领“第三次工业革命”发展的核心，在以德国提出的工业“4.0”计划、日本的新产业创造战略、美国的先进制造国家战略计划、欧盟的智能系统路线图计划等背景下，中国提出了“中国制造 2025”，充分认识到智能制造装备的重要战略地位，努力从制造大国转变为制造强国。到工业应用水平，尤其是在汽车制造业中有更广泛的应用，比如电焊、装配、喷涂机器人等。我国工业机器人技术正在向更智能化、现代化和科学化的方向发展。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。图1.1 集装箱波纹板示意图1.1.2 选题的意义焊接机器人是目前最大的工业机器人应用领域，焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义:（1）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。（2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。（3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。（5）可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。本论文通过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。三自由度可移动焊接机器人不仅可以有效提高焊接效率，而且可以降低其生产成本，提高集装箱的生产质量，因此具有很高的现实意义和研究价值。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。1.2.1 机器人概述1.2.1.1 机器人的定义当今，机器人技术越来越受到人们的重视，在很多领域已被广泛的应用。但不同的国家、不同的研究领域学者给出的定义不尽相同，虽然定义的基本原则大体一致，但仍有较大区别。一般地说，定义机器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人进行工作的机器。国际标准化组织(ISO)给出的机器人的定义是较为全面和准确的，其定义涵盖如下内容: (1) 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能。(2) 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。(3) 机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。(4) 机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中不依赖于人的干预。1.2.1.2 机器人的发展现状机器人技术正逐渐向着具有行走能力、多种感觉能力以及对作业环境的较强自适应能力的方向发展。美国贝尔科尔公司已成功将神经网络装配在芯片上，其分析速度比普通计算机快千万倍，可更快、更好的完成语言识别、图像处理等工作。目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。我国的机器人技术起步较晚，约20世纪70年代末、80 年代初开始。20世纪90年代中期，6000m以下深水作业机器人试验成功，以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自出度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。1.2.2 焊接机器人概述焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式。1.2.2.1 焊接机器人系统组成焊接机器人要完成焊接作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般有以下几个部分组成:远程控制站、控制器、执行机构、被控对象、焊接过程检测系统等，由它们组成一个闭环控制系统来完成焊接工作。远程控制站通过串行接口与机器人控制器相连接,控制站主要用于在同一层次或不同层次的计算机形成通讯网络，同时与传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理，在工业机器人向着系统化，PC化和网络化的发展过程中发挥着重要的作用。焊接机器人的控制器部分是整个机器人系统的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。所有现代机器人的控制器都是基于多处理器的，根据操作系统的指令，工业控制计算机通过系统总线实现对不同组件的驱动与协调控制。执行机构一般由驱动器、传动机构、机器人臂、关节以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置、姿态和实现其运动。控制对象是焊接机器人完成作业的核心装备，其主要由焊枪(弧焊)、焊钳(点焊)、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。用于弧焊机器人的焊接电源及送丝设备由于参数选择的需要，必须由机器人控制器直接控制，电源在其功能和接通时间上必须与自动过程相符。焊接过程检测系统包括各类传感器及设备的安全保护装置。由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差及焊接过程中热输入能引起的工件的变形，传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取，在机器人工作部还装有各类传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作；保护装置主要包括驱动系统自断电保护、动作超限位保护、超速保护、机器人系统工作空间干涉保护及人工急停断电保护等等,他们起到防止机器人伤人或周边设备的作用。1.2.2.2 焊接机器人的分类焊接机器人是一个机电一体化的设备，可以按用途、结构、受控运动方式、驱动方法等观点对其进行分类。按用途来分，焊接机器人可以分为以下两类:(1)弧焊机器人弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而对其性能有着特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊缝运动,并不断的填充金属。因此,运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。(2)点焊机器人汽车工业是点焊机器人系统的一个典型的应用领域，在装配每台汽车车体时，大约60%的焊点是机器人完成的。最初,电焊机器人只用于增强焊作业，后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。按结构坐标系统特点来分，焊接机器人可以分为以下几类:(1)直角坐标型这类机器人的结构和控制方案是和机床类似，其到达空间位置的三个运动(x、y、z)是由直线运动构成，运动方向互相垂直，其末端操作器的姿态调节由附加的旋转机构实现。这种形式的机器人优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作容积内任一点_上均为恒定，控制精度容易提高;缺点是机构庞大，工作空间小，操作灵活性差。(2)圆柱坐标型这类机器人在基座水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可以在水平方向伸缩，这种机构方案的优点是末端操作器可获得较高的速度，缺点是末端操作器外伸离开立柱轴心愈远，其线位移分辨精度愈低。(3)球坐标型与圆柱坐标结构相比较，这种结构形式更为灵活。但采用同一分辨率的码盘检测角位移时，伸缩关节的线位移分辨率恒定，但转动关节反映在末端操作器上的线位移分辨率则是个变量，增加了控制系统的复杂性。(4)全关节型全关节型机器人的机构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现，其优点是机构紧凑，灵活性好，占地面积小，工作空间大，可获得较高的末端操作器线速度;其缺点是运动学模型复杂，高精度控制难度大，空间线位移分辨率取决于机器人手臂的位姿。根据受控运动方式，焊接机器人可以分为以下几类:(1)点位控制型机器人受控运动方式为自一个点位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。要求机器人在目标点上有足够的点位精度，相邻目标点间的运动方式之一是各关节驱动机以最快的速度趋近重点，各关节视其转角大小不同而到达终点有先有后另；一种运动方式是各关节同时趋近终点，由于各关节运动时间相同，所以角位移大的运动速度较快。点位控制机器人主要用于点焊作业。(2)连续轨迹控制型机器人各关节同时作受控运动，使机器人终端按预期的轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要实时获取驱动装置的角位移和角速度信号。连续控制主要用于弧焊机器人。按驱动方式分，焊接机器人各分为以下几类:(1)气压驱动气压驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，易于保养；缺点是功率质量比小，装置体积大，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。(2)液压驱动液压驱动系统的功率质量比较大，驱动平稳，且系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速;主要缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度,而且污染环境，液压系统需配备压力源及复杂的管路系统，因而成本较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度较低的场合。(3) 电气驱动电气驱动是利用各种电动机产生的力和转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。由于具有易于控制，运动精度高，使用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍、应用最多的驱动方式。1.2.3 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Pukyong国立大学的Kam B 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。(2)日本庆应大学学者Suga等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。(3)日本庆应大学学者Suga等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CCD摄取的图象信息,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。(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0.5mm,能够满足实际工程应用。(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。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。1.2.4 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：针对船舱底部的格子形框架体组焊，韩国釜庆国立大学的KamBo等人研制了一款用于该焊接环境的轮式移动焊接机器。机器人采用四轮行走机构，侧面两个车轮为驱动轮，前后两车轮为起支撑作用的万向轮。由于采用两轮差速驱动，机器人负载能力较弱，容易打滑现象，前后各一万轮的结构使得机器人壁面适应能力差，只能在较平整的平面上运动。为实现双层壳体船舶建造中的U字形焊缝的自动焊接，韩国首尔国立大学的Jongwon等人研发了-款移动焊接机器人一RRX3。该机器人由一个可移动的平台以及一个6自由度(3P3R)的串联焊接手臂组成。自主移动平台由上下两部分组成，上移动部分带有驱动轮，驱动轮能以纵骨为轨道沿纵向移动；下移动部分与上移动部分以齿轮齿条相连，下移动部分可从上部分的底部沿横向滑出，下移动部分能以纵骨为支撑点，两者交替移动，从而使得机器人沿横向移动。焊枪安装在上移动部分的顶部，焊接手臂与移动平台相互配合可到达船舱的任意位置。机器人的尺寸是1825mm x 495mm x 569mm，可通过尺寸为600mmx800mm的检查孔。该机器人的移动平台还应用于船舶的喷丸除锈等。之后，首尔国立大学的Namkug Ku、Ju-hwan Cha对RRX3机器人进行了改进，设计了另一个版本的RRX313-15。该版本的RRX3较第一个版本的改进处有两点:第一，机器人的下移动部分改为从上移动部分的两侧伸出，机器人的纵向尺寸减小了700mm， 由原来的1825mm x 495mm x 569mm减小到1137mm x 495mm x 569mm,机器人的重量为353kg。因此，机器人能够更好地适应封闭的双壳体船舱；第二，在第一个版本中机器人的电机驱动器是购买的，而该版本中电机的驱动器是自主研发的，这样整个系统的制造成本降低了很多。韩国现代重工技术研究院还研制了一款小型的可搬运的焊接机器人。该机器人由可搬运的五轴机器人本体，控制器以及焊接设备组成，可实现对双壳船体中平焊缝和立焊缝的自动焊接。焊缝的起点位置由接触式传感器来探测，终点由电弧传感器来探测。机器人重量为23kg, 外形尺寸为625mm x 356mm x 585mm。西班牙工业自动化协会研发一款用于封闭船舱中自动焊接的爬行机器人一ROWER117-201。该机器人由四部分组成:焊接手臂、焊接系统、可移动本体及视频监视系统。日本的TaeKIM,TakeshiSUTO等针对平面薄板焊接研制的一款自主移动焊接机器人系统。该机器人系统主要由移动本体、两CCD、TIG焊枪及控制器组成。机器人移动本体左右两侧各布置有一个驱动轮，前后各布置一个起支撑作用的脚轮，移动本体可实现直线行走，通过控制两驱动轮的速度，机器人可绕其中心原地回转。日本庆应大学学者Suga等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CCD摄取的图象信息,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。上海交通大学研制了具有自寻迹功能的移动焊接机器人。机器人系统由磁性轮式移动机器人本体、焊炬位置调节机构、传感器及其扫描机构以及控制系统等组成。机器人采用四轮移动机构，差速驱动方式。小车最大运动速度为1.2m/min。 焊枪调整机构采用十字滑块调节机构。清华大学与南昌大学联合研制了一款主要用于壁面、球面及管道等曲面焊接的无轨导全位置爬行式弧焊机器人。机器人系统由爬行机器人本体、焊缝跟踪机构、视觉跟踪系统和微机智能控制系统组成。南昌大学机器人研究所针对船舱底部狭小的格子形折角焊缝研制了一款轮式自主移动焊接机器人。机器人采用两轮差速驱动，机器人共采用了四部直流伺服电机分别驱动两车轮及十字滑台。上海交通大学付庄、陈善本等人针对大型舰船船体、大型球罐等结构件的焊接，研制了一套具有新型爬行越障机构的轮足组合越障全位置自主焊接机器人。机器人移动机构为6轮组合式行走，焊枪调整机构为5自由度关节机械手，吸附方式采用非接触式永磁吸附，可在水平及垂直平面上执行焊接作业，焊缝跟踪采用双目视觉传感器。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0.5mm,能够满足实际工程应用。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。1.2.5 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：国外：韩国国立大学DonghunLee等人研制一款RRX型移动焊接机器人用于双层壳体船舶焊接作业，主要是完成船舶内部纵向加强筋所形成的U型焊缝焊接。该移动焊接机器人主要是由移动平台和六自由度机械臂组成，当对船舶进行焊接作业时，该移动焊接机器人可以通过600mmx800mm的通道进入，并能够伸缩自如。韩国国立大学对此焊接机器人进行了验证实验，其结果满足焊接要求，并在此基础上对RRX型移动焊接机器人优化得到RRX4型，质量比上一代减轻13%.目前已实际运用于船体制造产业中。针对大型船体焊按，美国RTT公司研制出了一种新型移动焊接设备，简称MWP(Mobile Welding Product).MWP是由移动机构、控制系统以及焊按系统组成，其履带式移动机构由两条磁铁履带组成;控制系统控制移动焊按设备运行以及焊按等相关参数:焊按系统可以实现焊枪的摆动.该移动焊按设备具有良好的通用性，并被美国各大船厂广泛运用。该移动焊接的设备可以更换末端执行器来完成清洗、喷涂等工作。新加坡科技设计大学Xiaohan Chen等人研制了一款安装在脚手架上的敏捷焊接机器人，并运用了一种敏捷的机器人系统的焊缝跟踪技术，自动焊接高空中的大型管道结构。焊接系统的设计是为了适应通常竖立在大型工件周围的脚手架，选取大型交叉管道结构复杂的曲线焊缝作为焊接目标。其特点是重量轻，体积小，易于部署和任务独立，开发一种灵活的机器人系统，该系统能够在工业机器人焊按系统上准确地自动识别和确定交叉管道结构焊缝的三维坐标。该机器人在实验室进行了实验验证，用2D激光扫描数据就可以找到工件和接缝，误差非常接近(1厘来以内)，而且不需要手动预处理数据。国内：上海交通大学机器人智能化焊接实验室和动力工程学院机器人研究所，在现有的移动机器人基础上，通过对焊按机器人的机构设计、自主移动、焊接环境的识别、焊缝跟踪等控制技术的研究，联合研制的款越障全位置自主焊按机器人。该机器人是由机器人车体、五自由度机械臂以及移动越障机构组成，针对空间焊按的需要机械臂采用关节型设计，驱动器选取直流问服电机.减連器采用落波减速器，可以精确控制焊接位置，规按前机器人本体村料主要采用铝介金材相目的为了减轻本体重量，该移动焊按机器人主要用在非结构大型装备自动化焊按。上海交通大学电站自动化技术重点实验室设计的一款移动焊接机器人。该焊按机器人的移动是通过控制底部永磁伺服电机实现的，而焊炬的横向和纵向移动则通过控制两个步进电机实现，焊炬放置本体的一侧，激光传感器作为获取系统信息的传感装置。该机器人由两个驱动轮单独驱动机器人本体、高精度十字滑共控制以及激光视觉传感器共同组成智能移动焊核机器人系统。清华大学潘际銮院士研制了一款爬行式全位置移动焊接机器人.由运动控制系统、焊缝跟踪系统以及导航定位系统共同组成该移动焊接机器人系统，其爬行机构采用轮履式结构，既有轮子又有履带，能够较好的解决爬行负载能力与机构运动灵活性之间的矛盾。通过磁力控制机构对永磁铁的加磁及消磁，实现移动机器人的焊接作业。并通过自行研发的结构光视觉焊缝跟踪系统，有效地过滤弧光干扰及飞溅，能够快速、准确的识别焊缝，可用于大型壁面、油管自动化焊接。北京石油化工学院研制了一款钢结构焊接的全位置焊接机器人。该种机器人具有实时焊缝轨迹示教，实时全位置焊接参数示教、焊接参数设置等智能控制手段，适用于不规则焊缝的轨迹跟踪，可以实现多焊道、多层及全位置的自动化焊按，并可以方便高效的完成多台焊按机器人的焊按参数设置.此焊接机器人已成功应用在钢结构焊按现场，实验验证具有良好的稳定性，可在其它焊按领域推广应用。南昌大学机器人研究所研制的一款基于旋转电弧传感器的自主移动焊接机器人。该移动焊接机器人体积小、重量轻、运动灵活，适用于平面角焊缝、弯曲角焊缝、矩形角焊缝等名种焊缝形式的焊接。该小型移动焊接机器人能够在船舶等狭小空间完成焊缝识别自主移动，在造船业、钢结构厂等工厂环境具有较好的实用价值。1.2.6 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。1.3 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机构的运动学分析，该机器人车体结构的设计。1.3.1 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（如图1.2）。图 1.2 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。1.3.2 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。1.4 课题的完成情况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。做出了车体结构设计与校核。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qi（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。2.1 运动学分析数学基础-齐次变换（D-H变换） 2.1.1 齐次坐标将直角坐标系中坐标轴上的单元格的量值w作为第四个元素，用有四个数所组成的列向量U=来表示前述三维空间的直角坐标的点（a,b,c）,它们的关系为a=,b=,c=则（x,y,z,w）称为三维空间点（a,b,c）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）为三维空间点（a,b,c）。2.1.2 齐次变换对于任意齐次变换T，可以将其分解为= （2.1）= （2.2）=（,） （2.3）式（2.2）表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（2.3）表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： () = (2.4) 旋转变换：() = (2.5) 2.2 变换方程的建立2.2.1 机构运动原理如图2.1所示，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2.1 三自由度焊接机器人运动简图（俯视图）2.2.2 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X-Y平面上进行等效。(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2.1所示，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T可以转求m中的某点在n中的坐标值。由式（2.4）、式（2.5）及图2.1可得 =， =，=其中L,L,L分别表示初始时刻（t），三个坐系原点（OO，OO，OO）的距离长度，即参考坐标系与设置的动坐标位置矢量。S为坐标系1原点在一定时间t.t内沿X方向的位移，且的d（S1）=V1,V1为关节1的移动速度。S为坐标系2点在一定时间t.t内沿Y向的位移，且d（S2）=V2,V2,为关节2相对关节1的移动速度。(4) 求T由变换方程公式可知，带入，可得： = （2.6） 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：= （2.7） (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（2.7）可得变换方程： （2.8） 2.3 运动学分析处理方法2.3.1 替换处理转折点处用一半径为R的圆弧代替，其中半径R的大小受角的影响，角越大，R越小；反之亦然。这样方能使运动的连续成为可能。2.3.2 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v的方向：水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2.2：图2.2 旋转关节在过渡处的运动示意图2.3.3 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。2.4 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2.3。图2.3 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。2.4.1 AB段（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：AA直线段,AB圆弧段，B B直线段。为了提高焊接质量，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，AA直线段旋转关节逆时针旋转，AB圆弧段旋转关节不旋转，B B直线段旋转关节又逆时针旋转。(1)AA直线段该小阶段旋转关节逆时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.4可得： （2.9）图2.4 AA直线段焊接点位置关系示意图将式（2.9）带入变换方程式（2.8）得 （2.10）将以上两式对t求导并整理可得： （t） (2.11)其中旋转关节3的运动规律(.t,.t)如图2.5所示：图2.5 AA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，所示角如图2.6。图2.6 AB圆弧段焊接点位置关系示意图根据图2.6及平面几何知识可得： （2.12）将其带入变换方程式（2.8）得： （2.13）将以上两式对t求导并整理可得： （2.13）又由速度合成知识可得：，带入上式可解得：。将这结果带入式（2.13）可转化为： （） （2.14） 其中的运动规律如图2.7所示：图2.7 AB圆弧段的运动规律(3) 斜线段该直线段旋转关节又逆时针旋转角度。根据图2.8可得： （2.15）图2.8 B B直线段焊接点位置关系示意图将式（2.15）带入变换方程式（2.8）得： （2.16） 将以上两式对t求导并整理可得： （） （2.17）其中旋转关节的运动规律(.t,.t)如图2.9所示：图2.9 B B斜线段旋转关节的运动规律示意图2.4.2 BC段（波内斜边段1）这一阶段旋转关节3不转动，。根据图2.10可得： （2.18） 图2.10 B C波内斜边段焊接点位置关系示意图将式（2.18）带入变换方程式（2.8）得： （2.19） 将以上两式对t求导并整理可得： （） （2.20）2.4.3 CD段（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，CC斜线段旋转关节顺时针旋转角度，CD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角度。(1) CC斜线段该小阶段旋转关节顺时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.11可得： （2.21） 图2.11 CC斜线段焊接点位置关系示意图将式（2.21）带入变换方程式（2.8）得： （2.22） 将以上两式对t求导并整理可得： （） （2.23） 其中旋转关节的运动规律(.t,.t)如图2.12所示：图2.12 CC斜线段旋转关节的运动规律示意图(2) CD圆弧段该小阶段旋转关节不旋转，。根据图2.13及平面几何知识可得： （2.24） 图2.13 CD圆弧段焊接点位置关系示意图将式（2.24）带入变换方程式（2.8）得： （2.25） 将以上两式对t求导并整理可得： （2.26） 又由速度合成知识可得：，带入上式可解得：。将这结果带入式（2.13）可转化为： （） （2.27） 其中的运动规律如图2.14所示：图2.14 CD圆弧段的运动规律(3) DD直线段该小阶段旋转关节又顺时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.15可得： （2.28） 图2.15 DD直线段焊接点位置关系示意图将式（2.28）带入变换方程式（2.8）得 (2.29) 将以上两式对t求导并整理可得： （） (2.30)其中旋转关节3的运动规律(.t,.t)如图2.16所示：图2.16 DD直线段旋转关节的运动规律示意图2.4.4 DE段（直线段1）这一阶段旋转关节3不转动，。又根据约束（焊枪与焊缝垂直，相对于焊缝焊接速度恒定，焊缝轨迹为水平直线）和运动合成知识可得出： （） (2.31） 2.4.5 EF段（过渡段3）这一阶段里的处理思想方法与过渡段1是一样的。其中，EE斜线段旋转关节顺时针旋转角度，EF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角度。(1) EE直线段该小阶段旋转关节顺时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.17可得： (2.32） 图2.17 EE直线段焊接点位置关系示意图将式（2.32）带入变换方程式（2.8）得 (2.33） 将以上两式对t求导并整理可得： （） (2.34) 其中旋转关节3的运动规律(.t,.t)如图2.18所示：图2.18 EE直线段旋转关节的运动规律示意图(2) EF圆弧段该小阶段旋转关节不旋转，。根据图2.19及平面几何知识可得： (2.35） 图2.19 EF圆弧段焊接点位置关系示意图将式（2.35）带入变换方程（2.8）得： (2.36） 将以上两式对t求导并整理可得： (2.37） 又由速度合成知识可得：，带入上式可解得：。将这结果带入式（2.37）可转化为： （） (2.38） 其中、的运动规律如图2.20所示：图2.20 EF圆弧段的运动规律(3) FF斜线段该小阶段旋转关节又顺时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.21可得： (2.39） 图2.21 FF斜线段焊接点位置关系示意图将式（2.39）带入变换方程式（2.8）得： （2.40） 将以上两式对t求导并整理可得： （） （2.41） 其中旋转关节的运动规律(.t,.t)如图2.22所示：图2.22 FF斜线段旋转关节的运动规律示意图2.4.6 FG段（波内斜边段2）该阶段：；并满足焊接速度相对焊缝恒定，焊枪与焊缝保持垂直关系。因此根据速度合成知识（如图2.23所示）可得： （） （2.42） 图2.23 FG段波内斜边段的速度合成图2.4.7 GH段（过渡段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，GG斜线段旋转关节逆时针旋转角度，GH圆弧段旋转关节不旋转，H H直线段旋转关节又逆时针旋转角度。(1) GG斜线段该小阶段旋转关节逆时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.24可得： （2.43） 图2.24GG斜线段焊接点位置关系示意图将式（2.43）带入变换方程式（2.8）得： （2.44） 将以上两式对t求导并整理可得： （） （2.45） 其中旋转关节的运动规律(.t,.t)如图2.25所示：图2.25 GG斜线段旋转关节的运动规律示意图(2) GH圆弧段该小阶段旋转关节不旋转，。根据图2.26及平面几何知识可得： （2.46） 图2.26 GH圆弧段焊接点位置关系示意图将式（2.46）带入变换方程式（2.8）得： （2.47） 将以上两式对t求导并整理可得： （2.48） 又由速度合成知识可得：，带入上式可解得：。将这结果带入式（2.48）可转化为： （） （2.49） 其中、的运动规律如图2.27所示：图2.27 CD圆弧段的运动规律(3) HH直线段该小阶段旋转关节又逆时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。根据图2.28可得： （2.50） 图2.28 HH直线段焊接点位置关系示意图将式（2.50）带入变换方程式（2.8）得 （2.51） 将以上两式对t求导并整理可得： （） (2.52) 其中旋转关节3的运动规律(,)如图2-29所示：图2.29 HH直线段旋转关节的运动规律示意图2.4.8 HI段（直线段2）该阶段运动：；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。根据速度合成知识可得： （） （2.53） 以上即为焊接集装箱一个周期波纹板的运动学逆解。2.5 结论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：AB段（过渡段1）(1) 直线段该小阶段旋转关节逆时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。(2) 圆弧段该小阶段旋转关节不旋转，(3) 斜线段该直线段旋转关节又逆时针旋转角度。BC段（波内斜边段1）这一阶段旋转关节3不转动，。CD段（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，CC斜线段旋转关节顺时针旋转角度，CD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角度。DE段（直线段1）这一阶段旋转关节3不转动，。EF段（过渡段3）这一阶段里的处理思想方法与过渡段1是一样的。其中，EE斜线段旋转关节顺时针旋转角度，EF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角度。FG段（波内斜边段2）该阶段：；并满足焊接速度相对焊缝恒定，焊枪与焊缝保持垂直关系。GH段（过渡段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，GG斜线段旋转关节逆时针旋转角度，GH圆弧段旋转关节不旋转，H H直线段旋转关节又逆时针旋转角度。HI段（直线段2）该阶段运动：；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。同时，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。3 结构设计集装箱尺寸通常有如下几种：20GP、40GP、 40HC、45HC 、20OT、40OT等。此项目以20GP规格进行设计。20GP规格：长x宽x高=6058x 2438x 2591。集装箱整体焊接工艺繁多且复杂，包括部件焊接和总体焊接。部架焊接分为底架焊接、前端焊接、门端焊接、侧壁焊接及顶板焊接。底架焊接：叉槽底横梁与叉槽波纹板焊接。前端焊接：前底横梁加强板、前敌横梁防撞槽钢及波纹板焊接。门端焊接：后角柱外与后角柱内自动拼焊。侧壁焊接：侧壁波纹板与侧壁方管点焊。顶板焊接：顶部波纹板自动焊接。以上可看出，波纹板焊接工艺贯穿整个集装箱成型工艺，我们选择底架焊接叉槽底横梁与叉槽波纹板焊接进行结构设计。根据自动化生产线工艺流程，此处可以假设在此进行此道工序前，已在前道工序完成了叉槽底衡量的上料、焊接以及波纹板的上料组装工序，并通过链条输送线将组装好的插地横梁和波纹板移动至此工位，通过气缸挡停器以及定位机构将此产品定位，定位精度+/-2MM。由于我们选择20GP规格集装箱，所焊接的产品为底部横梁和底部波纹板，底部横梁根据20GP箱体长x宽=6058 x 2438。因此小车行走机构（也就是X轴）行程需大于6058。我们确定X轴行程为6200。根据产品，宽度为2438。此处考虑2438行程过长,假设Y轴行程为2438，此处悬臂梁结构，此处会因为机械手Y轴过长，导致整个机械手刚性不足，甚至是机构抖动，无法进行焊接。因此Y轴选择行程为1350。然后为了保证总体CT。在输送线两侧增加三轴机械手，方便对此工位进行焊接。轴设计根据波纹板折弯角度进行设计。下图3.1为标准波纹板截面尺寸图。图3.1 标准波纹板截面尺寸图通过以上尺寸我们可以看出，轴旋转角度需要大于120。选择角度为150预留空间方便后期调试维护和保养。根据工艺要求我们需要进行的是焊接工艺，因此我们的机械手的末端关节至少需要装有焊枪、焊条。提到焊条我们就要考虑焊条如何快速更换，为满足自动化生产过程，人工干预设备设备时间减少，因此我们在此处应增加焊条快换装置，给机械手末端增加快换抢盘方便快速更换工艺执行装置。焊枪同时后面有很粗的焊接电缆，焊接电缆需要在机械手移动过程中跟随三轴机器人移动因此需在机械手Z轴增加网球拍固定线缆，在Y轴增加管线包，保护焊枪的线缆。由于产品来料过程中，波纹板与底架只有粗定位，因此会增加焊接的不确定性，因此在焊接前需对三轴机器人进行焊点定位，并且需要补偿三轴机器人的焊接坐标，因此需增加焊接前定位CCD对焊接位置进行定位。出于安全考虑，三轴机器人整个工作区域包括设备区域必须安装黄色防护网，防护网的安装导致三轴机器人焊接状态以及焊接效果不利于人工观察，因此需增加焊接检测工能。焊接检测根据现有自动化技术分为3D激光线扫描和2.5D多光谱相机检测焊接高度，考虑成本和精度选择2.5D多光谱相机进行检测反馈。因此三轴末端负载=焊枪+焊条+快换装置+管线包+网球拍+定位CCD系统+焊后检测2.5D系统，总负载约为80KG。机械手应在原来的基础上增加安全系数因此总负载因变为120KG.防止因撞击、误操作等问题对三周机器人造成不必要的损失。图3.2 焊接定位CCD拍照距离示意图图3.3 焊后检测2.5D拍照示意图根据产品，我们可以对自己设计的三轴机器人必须达到如下参数设定：X轴移动行程：6200mmY轴移动行程：1350mm 旋 转角度： 150机械手重复定位精度：0.2mm机械手末端负载：120KG3.1 小车行走结构设计这里主要是做了三方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。3.1.1 车体结构方案的比较与选择根据一些移动机器人本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示：方案1：其中传动顺序为：电机齿轮箱车轮轴上齿轮（通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动机器人本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。方案2：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。方案间的比较：表1 两车体机构方案的比较方案比较方案1方案2设计方面较复杂较简单结构方面稍复杂稍简单布置方面对称点有点偏移效率方面较低较高精度方面高稍差用材方面一般有长齿条根据实际的工作条件：希望设计能够比较简单，结构比较简单，焊接小车的移动效率高一点，精度要求并不是很高。故可从表1可选择出方案2作为该小车的设计结构方案。3.1.2 小车驱动电机功率的确定(1) 电机功率的估计根据机器人的重量、小车运行速度、轮胎直径来确定驱动电机的功率。假定小车在轨道上行走，不考虑小车行驶中的空气阻力，分析小车的受力情况，以便估计小车所需的驱动力矩。此时，应把轮胎看成一个弹性体来考虑。前面也提到了，在这里，由于电机的驱动是通过齿轮、齿条的啮合来驱动，故该小车的四轮都为从动轮。这里先分析车轮的受力情况：图3.4 车轮受力简图假设在运动过程中，轮子做纯滚动。设小车运动时的加速度为，相应的车轮角加速度为。根据可推得：其中v为小车速度，w为车轮角速度，r为车轮的半径。图3.1画出了该小车的车轮在运动过程中的受力简图，图中P车轮上的载荷，m 车轮的质量，N地面对车轮的法向反作用力，U为车轮的切向反作用力，X车轮轴的车轮的推力。根据平衡条件有 （3.1） （3.2） 为车轮滚动阻力矩，其值为；J为车轮的转动惯量。根据式（3.1）、（3.2）有 （3.3） 由此可知，推动车轮前进要克服两种阻力，即车轮的滚动阻力和车轮的加速阻力。而后者又由平移质量产生的加速阻力和由旋转质量产生的加速阻力所组成。齿轮、齿条传动作为该小车的驱动机构，故驱动力矩设为， 进而可将理解为小车的实际驱动力，为齿轮的半径。故以小车车体做分析对象，在水平方向上，应用牛顿第二定律可得： （3.4） 其中m0为机器人总质量。将式（3.4）中的X带入上式得； （3.5） 由上式可得出结论为：小车的驱动力用来克服车轮的滚动阻力和机器人的平移质量的加速阻力和车轮的旋转阻力。可根据式（3.5）粗估出驱动力矩：其中：车轮半径 ，（查理论力学 P120 表5.2 滚动摩阻系数。），； 估为40kg ,车轮质量估计为0.8kg ,J估计为，N；由于这里的焊接速度为，故可一定程度上估出。将上述数据带入式（3.5）得： 进而根据要求的运行速度为v ,初步确定电机的功率P： （3.6）其中：K为估计系数，考虑到该焊接机器人其上的关节的运动，可取为5。解之得：P =645w(2) 电机的选择前面已初步估计出了驱动力矩，电机的功率。在实际的操作中，机器人的驱动，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。考虑到步进电机通过改变脉冲频率来调速。能够快速启动、制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高，而步进电机在机器人无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。由直流伺服电动机的工作原理可知，直流伺服电动机在电压信号和磁场的共同作用下才能工作，因此，可以从磁场的角度和信号控制的角度将其分类。直流伺服电动机在磁场角度的分类有两种：永磁式直流伺服电动机和电磁式直流伺服电动机，前者通过永久磁铁来提供磁场，后者通过包裹的磁绕组作用产生电磁铁从而形成磁场。由于转子上的电枢绕组和定子上的励磁绕组都可由电压信号来控制，因此，在控制方式上可将直流伺服电动机做成由电枢控制的直流伺服电动机和由磁场控制的直流伺服电动机。由电枢控制的直流伺服电动机，能够通过改变输入的电压信号Ua来影响电枢绕组上电流的产生，配合定子产生的磁场即可产生力矩旋转。由磁场控制的直流伺服电动机，通过改变电压信号Uf来控制励磁绕组中的磁场产生，使得接通电流的导体能够随信号的产生而旋转。在电枢控制中，特性曲线是一组平行线，控制特性的线性度高；但在磁场控制中，由于磁通和电流的关系=f(I）是非线性的，且空载损耗要比电枢控制的空载损耗大，只适用于小功率电机的运行。因此，在自动控制系统中采用电枢控制的直流伺服电动机较多，很少采用磁场控制的直流伺服电动机。从交流伺服电机自身角度来说, 其具备的特点主要展现在通过应用自动设计方式, 实现对电机的全数字化控制；采取自动设计中快速运动控制语言方式, 让编程工作更具简便性, 用户能够自由实现二次技术开发； 自身存在较强的稳定性以及低传送效果, 含有一定的零转速力矩保持功能。根据电机额定转速, 实现恒转矩传输, 最大转矩可以是电机额定转矩的300%, 超过额定转速的为恒功率输出； 运行效率控制比远远高于1:30000, 能够达到大范畴的运行效率把控26； 能够对电机位置、运营效率、加速度等加以科学把控, 同时具备对多个电机一同控制等功能, 尤其是转矩和转速能够独立把控, 适合应用在相对比较繁琐的电机控制活动中。考虑到步进电机能够通过改变脉冲频率来调速快速启动、制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高，而步进电机在机器人无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。故可以选择步进电机为电机圆柱齿轮固定齿条（通过反推动）车体结构驱动电机。这里选定步进电机为驱动电机，考虑到在实际的设计中应考虑到一定的安全系数。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：130BYG2501；步距角：0.9/1.8度；电压：120-310v相数：2 ；电流：6 A;静转矩：270；空载运行频率：；转动惯量：；3.1.3 结构设计里齿轮校核这里齿轮、齿条的传动是按照结构联系上来设计的，故这里对齿轮进行弯曲强度校核、接触强度校核。其参数为：齿轮直径，模数为1，齿数为80。前面也对驱动力矩做出估计并给出转速，。这里参考课本的带式输送机减速器的齿轮传动设计进行校核。由于这里的齿条可以理解为半径无穷大的圆柱齿轮，故不存在疲劳强度是否符合要求，对齿条的强度无需校核，这里只需校核齿轮的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度。3.1.3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料(1) 这里以直齿圆柱齿轮齿条传动。(2) 该焊接机器人速度不高，故选用7级精度（GB10095-8）。(3) 参考工具书选择齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿条材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。3.1.3.2 按齿面接触强度校核进行校核： （3.7） (1)确定公式内的各计算数值(a)计算载荷系数K根据，7级精度，由表10.8查得动载系数；由课本查得使用系数；直齿轮，调质，及。查课本可得的； 参考课本查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，将数据带入后得：由参考课本得；故载荷系数。（b）齿宽系数。（c）参考课本得材料的弹性影响系数。（d）参考课本按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 。（e）参考课本计算应力循环次数（f）参考课本得接触疲劳系数。（g）JI计算接触疲劳许用应力取失效概率1%，安全系数，由机械设计式（10.12）得（h）由于这里是齿轮、齿条传动，故可认为传动比将上面计算的各项数据带入式（3.7）得：而这里设计该传动的齿轮直径，显然满足接触疲劳强度。3.1.3.3 按齿根弯曲疲劳强度校核这里参考课本进行校核：(1) 确定公式内各计算数值(a)由参考课本查得齿轮的弯曲疲劳强度极限(b)参考课本查得弯曲疲劳寿命系数(c)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由式（10.12）得(d)计算载荷系数K(e)查取齿形系数由参考课本查得(f)查取应力校正系数由参考课本查得(2）计算而这里设计的是m=1，显然满足弯曲疲劳强度，故校核结果符合要求。3.1.4 结论综上，所设计的齿轮参数(齿轮直径，模数为1，齿数80)符合要求。3.2 Y轴设计3.2.1 Y轴方案设计前文提到3轴机械手Y轴行程需满足1350，属于直线运动，首先考虑动力源。考虑动力源为气缸，在焊接波纹板是需在行程范围内随时停止，因此不满足使用要求；液压缸也有同样的问题，在排除气压和液压为动力源的前提下，我们只有选择电机来作为动力源。因此我们考虑如下传动方案。1：齿轮齿条传动 优点：承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，2m/s；缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大，成本高，重量比同步带重。2：链条传动 优点：适合长距离传输扭矩，并可获得较大的传动比，效率较高 缺点：链条磨损后不易调整易脱落，成本高，噪音大。3;同步带传动 优点：短距离传动速度可以很高，传动精度较高，噪音低，重量轻，承载力较大，负载大需加宽皮带，配合导轨可实现中载传动；缺点：皮带长时间运动容易磨损，更换皮带需要时间张紧，制作成本高。4：滚珠丝杆传动 优点：滚珠丝杆传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，寿命长 缺点：行程不能太长，安装精度要求高，成本比以上3种要稍高，重量比同步带高，低于齿轮齿条和链条传动。5：直线电机传动 优点：精度高，噪音低，适合高速往返传动，寿命长，重量比同步带重，控制简单；缺点：价格太高。根据以上优缺点，考虑实际工况，因为Y轴为3轴机械手第二轴，本身3轴机械手为悬臂结构，因此设计原则为在满足刚性的使用要求的前提下，越轻越好，而且兼顾成本、稳定性、兼容性和精度要求选择同步带传动作为Y轴传动方式。3.2.2 同步带结构设计在确认方案为同步带后，然后进行随后的同步带结构设计，由于现在同步带模组在机械行业中以经改变为标准件方式出售，标准件名称为KK模组，因此我们只要确定我们3轴机械手中Y轴参数即可。根据计算我们可得出如下参数：负载：Y轴负载=旋转质量+末端负载质量=20+120=140KG。（Z轴负载为20KG）根据负载，我们选择了品牌为天津莫德曼机器人同步带模组，具体样本如图3.5所示：图3.5 天津莫德曼机器人同步带模组根据3轴机械手布局，Y轴为水平安装，此模组水平安装负载为150KG,大于我们的140KG，因此可以初步满足使用要求，接下来需根据样本进行力矩校核。该模组力矩负载表如图3.6所示：图3.6 力矩负荷表模组移动方向为主要受力方向，其他方向由于距离较近，MY与MP一定大于所承受力矩，因此主要校核MR.Y轴末端质量x9.8xY轴移动实际行程需满足1810N.M3轴机械手实际MR=mgL=140KGx9.8x1.25M=1715300A)mayalsobeusedina conventionalautomatedGTAWprocesstoincreasethepenetrationdepth,butdefects mayformandtheprocessbecomesunstableabove500AThekeyholemodegas tungstenarcweldingprocess,whichwasdevelopedafewyearsago,seemstobe suitableforferrousandnon-ferrousmaterialsintherangefrom3to12mm.However,this keywholetechniqueisextremelysensitivetoarcvoltage,andlossofmaterialmayoccur throughthekeyholevent.中文译文焊接机器人简介钨极氩弧焊（GTAW）工艺基于在非消耗性钨极和待连接工件之间建立的电弧。由电弧产生的热量的一部分被添加到工件上，促进了焊接池的形成。通过惰性气体（Ar或He）0r混合气体流保护焊接池免受空气污染。1.1.1 简介此过程也称为钨惰性气体（TIG），尽管少量的非惰性气体可能会用在屏蔽混合物中，例如氢气或氮气中。自动GTAW焊缝在金属中（不带方形）（2mm），厚部分需要进行V型和X型边缘的准备。在这种情况下，必须添加填充金属。此过程广泛用于焊接薄成分0f不锈钢，铝，镁或钛合金以及碳和低合金钢。GTAW中的热量输入不取决于填充材料的速率。因此，该过程可以精确控制热沉和高质量焊接的生产，且变形低且无飞溅。由于其较低的沉积率，它比其他消耗性的电极电弧焊工艺经济，并且由于对焊接池的屏蔽困难而对多风环境敏感。此外，它对填料或贱金属的污染物容忍度较低。1.1.2 焊接设备在本节中，将审查与GATW流程一起使用的焊接设备有关的方面，并以探索暗示为目的进行自动机器人焊接。1.1.3 电源GTAW的电源通常是恒定电流类型，带有伏安曲线，静态电流较低，目前使用的是轻质晶体管化的直接直流电源，比旧的晶闸管控制的电源更稳定和多功能。整流逆变器的电源经过整流，然后以高于市电的频率（在逆变器中）转换为交流电流。然后将高压交流电流转换成适合焊接在变压器中的低压交流电流，然后进行整流，目的是增加电流频率以减小变压器和电容器等的重量。1.1.4 焊接火炬焊炬固定着非消耗性电极，以确保将电流转移到电极上，并确保保护气体流向焊接池。焊接状态高达200 A的割炬通常是气冷式的，连续工作在200至500 A之间的割炬是水冷式的。5 非消耗性电极非消耗性电极由纯钨或钨合金组成。纯钨电极可与DC一起使用，但对污染更敏感，因此使用寿命越短，并且所用电极的使用寿命越长。在AC上焊接铝和镁合金。由于其优异的抗氧化能力，因此，经过测试的钨丝（2ThO2）电极在工业应用中被广泛使用，因为其抗污染，易电弧起弧和稳定的电弧性能。（约2）的简单稀土元素，例如镧，钇和铈或几种元素的均匀混合物。这些电极的性能比浸润的电极更好，可用于焊接碳素和不锈钢，镍和钛合金。氧化锆钨电极起弧性好，抗污染能力强，尖端形状变小，因此对于交流电来说是极好的。1.1.6 电弧击技术以前在手动GTAW中使用了通过触碰来触发电弧的方法，但是这种技术对钨污染非常敏感，不利地影响了电极的使用寿
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