機(jī)器人集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 密級(jí)： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2002 2006 年）題 目 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 系 機(jī)制 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)制023班 學(xué) 號(hào)： 02122078 學(xué)生姓名： 陳愈馨 指導(dǎo)教師： 張華 教授 起訖日期： 2006.2.132006.6.2 學(xué)士學(xué)位論文要求裝訂成冊(cè)并應(yīng)包含以下主要內(nèi)容一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)二、開(kāi)題報(bào)告三、南昌大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1、中文摘要2、外文摘要3、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）全文五、外文資

2、料原文六、外文資料譯文第一章 緒論1.1 選題的依據(jù)及意義 這里介紹該課題的選題背景，以及完成該課題的意義。1.1.1 選題的依據(jù)圖1-1 集裝箱波紋板示意圖針對(duì)集裝箱波紋板焊接自動(dòng)化水平低的現(xiàn)狀：目前用于焊接集裝箱側(cè)板與頂側(cè)梁、底側(cè)梁的自動(dòng)焊專(zhuān)機(jī)，由于在焊接過(guò)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1-1所示，在直線(xiàn)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(dǎo)致在直線(xiàn)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(jìn)而導(dǎo)致在直線(xiàn)段焊接與在波內(nèi)斜邊段焊接的焊縫的質(zhì)量不一樣，進(jìn)而制約集裝箱的生

3、產(chǎn)質(zhì)量。1.1.2 選題的意義通過(guò)完成該課題，即設(shè)計(jì)出集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人及對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，能夠解決在焊接過(guò)程中焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊槍速度的夾角這個(gè)問(wèn)題，使得在直線(xiàn)段與在波內(nèi)斜邊段焊接時(shí)，焊槍與焊縫都保持垂直，相對(duì)于焊縫的焊接速度都恒為同一速度，進(jìn)而能夠提高在直線(xiàn)段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)這里的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)包括三個(gè)方面：前面也提到這里的集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人（為移動(dòng)焊接機(jī)器人）是為提高焊接自動(dòng)化水平的，故這里為移動(dòng)焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)；關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)；關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的常

4、用方法。1.2.1 移動(dòng)焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)這里所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人為有軌移動(dòng)焊接機(jī)器人，只是現(xiàn)有的移動(dòng)焊接機(jī)器人技術(shù)在集裝箱波紋板焊接中的應(yīng)用，是該領(lǐng)域的焊接自動(dòng)化水平低的緣故，而當(dāng)前的移動(dòng)焊接機(jī)器人技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。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(yīng)用越來(lái)越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲(chǔ)罐)的焊接等。而這些焊接場(chǎng)合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動(dòng)化的水平。無(wú)疑,將機(jī)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(dòng)化焊接難題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在移動(dòng)焊接機(jī)器人方向研制的幾個(gè)典型移動(dòng)焊接機(jī)器人如下：1、

5、 韓國(guó)Pukyong國(guó)立大學(xué)的Kam B O 等研制的艙體格子形構(gòu)件焊接移動(dòng)機(jī)器人這種機(jī)器人能夠在人比較難以達(dá)到的狹窄空間自主地實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程,能夠自動(dòng)尋找焊縫的起始點(diǎn)。在遇到格子框架的拐角焊縫時(shí),在保證焊接速度不變且焊炬準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)焊縫的情況下,能夠自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人本體和十字滑塊的位置。2、 南昌大學(xué)研制的履帶式爬壁弧焊機(jī)器人該機(jī)器人適應(yīng)于垂直壁面、球面、管道等多種表面上爬行,自動(dòng)跟蹤焊接。3、 日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者 Suga 等為平面薄板焊接研制的自主性移動(dòng)焊接機(jī)器人該機(jī)器人能夠直線(xiàn)前進(jìn),還可以利用兩個(gè)輪的差速控制小車(chē)的轉(zhuǎn)彎,它裝焊槍的臂可以伸縮，可以檢測(cè)焊縫的位置并精確的識(shí)別焊縫的形狀,如是直線(xiàn)焊縫

6、、曲線(xiàn)焊縫、還是折線(xiàn)焊縫等。4、 日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者 Suga 等研制了管道焊接自主移動(dòng)機(jī)器人該機(jī)器人可以沿著管道移動(dòng) ,根據(jù) CCD 攝取的圖象信息,在焊前可以自動(dòng)尋找并識(shí)別焊縫,然后使機(jī)器人本體沿管道方向移動(dòng)達(dá)到正確的焊接位置。5、 清華大學(xué)機(jī)械工程系與北京石油化工學(xué)院裝備技術(shù)研究所聯(lián)合研制的球罐磁吸附輪式移動(dòng)焊接機(jī)器人該機(jī)器人的焊炬跟蹤精度可達(dá)0.5mm,能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用。6、 上海交通大學(xué)研制的具有自尋跡功能的焊接移動(dòng)機(jī)器人該機(jī)器人在焊前,小車(chē)能夠自動(dòng)尋找焊縫并經(jīng)過(guò)軌跡推算后自動(dòng)調(diào)整小車(chē)本體和焊炬的位姿到待焊狀態(tài);在焊接過(guò)程中能夠進(jìn)行橫向大范圍的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤。當(dāng)前絕大多數(shù)移動(dòng)焊接機(jī)器

7、人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過(guò)人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過(guò)手動(dòng)將機(jī)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(shuō)機(jī)器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)為三個(gè)方面：選擇視覺(jué)傳感器來(lái)進(jìn)行傳感跟蹤，因?yàn)榕c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(duì)更為復(fù)雜的焊接任務(wù)；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(dòng)焊接機(jī)器人的控制所采用。1.2.2 焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在當(dāng)前，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來(lái)設(shè)計(jì)專(zhuān)用焊接機(jī)器人，稱(chēng)之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)特性使特定機(jī)器人僅能

8、適應(yīng)一定的范圍,不利于機(jī)器人的發(fā)展。解決這一問(wèn)題的方法就是利用關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊,根據(jù)具體的要求開(kāi)發(fā)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。下面為當(dāng)前一些人所做的研究：1、Benhabib等人建立的機(jī)器人庫(kù),將模塊分成模塊單元連接器、連桿模塊、主關(guān)節(jié)模塊和末端關(guān)節(jié)模塊四類(lèi)；2、1999年DanielaRus等提出了一種由晶體結(jié)構(gòu)“分子”組成的可自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng);3、上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊和沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院的張艷麗等對(duì)模塊化機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。1.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的常用方法 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制中占有非常重要的地位，直接影響著控制的快速性與準(zhǔn)確性。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題就是根據(jù)已知的末端執(zhí)行器

9、的位姿(位置和姿態(tài))，求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。目前機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方法有三種：1、 以手臂的精確的幾何模型為前提研究求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法（幾何法）。該法只能用于特定結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。2、通常在假設(shè)機(jī)器人的雅可比矩陣已知的前提下，利用其逆矩陣來(lái)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)（齊次變換法）。3、智能求解方法該方法典型的有：基于學(xué)習(xí)的算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；基于擴(kuò)散方程的學(xué)習(xí)算法。1.3 本課題的研究設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法本科題所涉及的內(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(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，該機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1.3.1 三自由度焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1、機(jī)構(gòu)方案根據(jù)實(shí)際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個(gè)運(yùn)動(dòng)

10、關(guān)節(jié)的機(jī)器人：左右平移的焊接機(jī)器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3。圖 1-2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）2、證明該方案能夠求出三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，并且該解滿(mǎn)足一定的約束，能夠有效的解決在集裝箱波紋板在直線(xiàn)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(wèn)題熟悉運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、找出變換關(guān)系、逆解。4、方法齊次坐標(biāo)變換方法。1.3.2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于在這里借用了一個(gè)現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計(jì)主要為小車(chē)行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1）。所要解決的問(wèn)題及任務(wù)：小車(chē)行走機(jī)構(gòu)：車(chē)體結(jié)構(gòu)方案的

11、確定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇傳動(dòng)的校核。其它：擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇等。1.4 課題的完成情況1、確定集裝箱波紋板焊接機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)方案，并對(duì)該機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，并求出，該解滿(mǎn)足集裝箱波紋板的焊接要求。2、做出了車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核。第二章 焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析概述：機(jī)器人是空間開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)，通過(guò)各連桿的相對(duì)位置變化、速度變化和加速度變化，使末端執(zhí)行部件（手爪）達(dá)到不同的空間位姿，得到不同的速度和加速度，從而完成期望的工作要求。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析指的是機(jī)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(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，n）的值，便可計(jì)算出機(jī)器人末端的位

12、姿方程，稱(chēng)為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（正向運(yùn)動(dòng)學(xué)）：反之，為了使機(jī)器人所握工具相對(duì)參考系的位置滿(mǎn)足給定的要求，計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過(guò)程稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(diǎn)（焊槍?zhuān)┑奈灰?，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來(lái)求三個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。31運(yùn)動(dòng)學(xué)分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-其次變換（D-H變換）1、齊次坐標(biāo)將直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸上的單元格的量值w作為第四個(gè)元素，用有四個(gè)數(shù)所組成的列向量U=來(lái)表示前述三維空間的直角坐標(biāo)的點(diǎn)（a,b,c）,它們的關(guān)系為a=,b=,c=則（

13、x,y,z,w）稱(chēng)為三維空間點(diǎn)（a,b,c）的齊次坐標(biāo)。 這里所建立的直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上的單元格的量值w=1，故（a,b,c,1）為三維空間點(diǎn)（a,b,c）。2、齊次變換對(duì)于任意齊次變換T，可以將其分解為T(mén)= （3-1）A= （3-2）A=（p,p,p） （3-3）式（3-2）表示活動(dòng)坐標(biāo)系在參考系中的方向余旋陣，即坐標(biāo)變換中的旋轉(zhuǎn)量；而式（3-3）表示活動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)在參考系中的位置，即坐標(biāo)變換中的平移量。特殊情況有平移變換和旋轉(zhuǎn)變換：平移變換：H=Trans(a,b,c)= (3-4)旋轉(zhuǎn)變換：Rot(z,)= (3-5)3.2 變換方程的建立1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖3-1 三自由度焊接機(jī)器人運(yùn)

14、動(dòng)簡(jiǎn)圖（俯視圖）如圖3-1所示，機(jī)器人采用三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)：左右平移的焊接機(jī)器人本體1，前后平移的十字滑塊和做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3。通過(guò)三個(gè)關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，來(lái)保證末端效應(yīng)器的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，焊接速度保持不變，焊槍與焊縫間的夾角保持垂直關(guān)系，來(lái)做到直線(xiàn)段與波內(nèi)斜邊段焊縫成形的一致。2、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)化由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動(dòng)：焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)，對(duì)實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，這里將對(duì)其采取等效處理：a 將關(guān)節(jié)1（左右平移的焊接機(jī)器人本體1）與關(guān)節(jié)2（前后平移的十字滑塊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(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3）的旋轉(zhuǎn)中心

15、點(diǎn)的距離視為零，這對(duì)分析結(jié)果是等效的。b 對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進(jìn)行等效。 設(shè)定機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系據(jù)簡(jiǎn)化后的模型與圖3-1可獲得各個(gè)坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個(gè)坐標(biāo)系的X，Y方向如圖3-1所示，Z方向都垂直該俯視圖，且由前面的簡(jiǎn)化等效思想可知各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都處在Z=0平面上。 求其次變換通過(guò)齊次變換矩陣T可以轉(zhuǎn)求m中的某點(diǎn)在n中的坐標(biāo)值。根據(jù)公式（3-4）、（3-5）及圖3-1可得T=，T=，T=其中l(wèi),L,L分別表示初始時(shí)刻（t），三個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)OO，OO，OO的距離長(zhǎng)度。S為坐標(biāo)系1原點(diǎn)在一定時(shí)間t-t內(nèi)沿X方向的位移，且,為關(guān)節(jié)1的移動(dòng)速度。S為坐標(biāo)系2點(diǎn)在一定時(shí)間t-t內(nèi)沿Y向

16、的位移，且,為關(guān)節(jié)2相對(duì)關(guān)節(jié)1的移動(dòng)速度。 求T由變換方程公式可知T= T T T，帶入T，T，T 可得：T= （3-6）其幾何意義為空間某一點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系0及3的坐標(biāo)值之間的變換矩陣。即：= （3-7） 求變換方程在任意時(shí)刻t，焊槍末端點(diǎn)相對(duì)于3系的齊次坐標(biāo)為（0,r,0,1），代入公式（3-7）可得變換方程： （3-8）33運(yùn)動(dòng)學(xué)分析處理方法1、替換處理 轉(zhuǎn)折點(diǎn)處用一半徑為R的圓弧代替，其中半徑R的大小受角的影響，角越大，R越??；反之亦然。這樣方能使運(yùn)動(dòng)的連續(xù)成為可能。2、銜接處理在直線(xiàn)段與波內(nèi)斜邊段劃出一小段來(lái)為過(guò)渡運(yùn)動(dòng)更加順利的完成，這樣過(guò)渡運(yùn)動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)分三小階段?，F(xiàn)利用以上兩處理方法

17、處理第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過(guò)渡運(yùn)動(dòng)，這一階段是銜接兩種運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡階段： 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角：0到的過(guò)渡。 焊接速度v的方向：水平方向到與水平方向呈的夾角的過(guò)渡。下面是該過(guò)渡階段的運(yùn)動(dòng)示意圖：圖3-2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在過(guò)渡處的運(yùn)動(dòng)示意圖3、逆解函數(shù)這里所求逆解都是以時(shí)間為自變量，由于這里焊接速度相對(duì)焊縫是恒定的，s=vt，故與以焊槍末端點(diǎn)的自然坐標(biāo)系的位移為自變量是一致的，求解較方便。34 逆解過(guò)程這臺(tái)機(jī)器人焊接時(shí)，其運(yùn)動(dòng)存在三個(gè)約束：焊接速度恒定，焊接軌跡曲線(xiàn)一定，焊槍與焊縫保持垂直。在這里，由前面的分析處理思想及方法可知，在過(guò)渡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中放棄了第三個(gè)約束，由于這么一小段位移比較短，不然的話(huà)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)解，因?yàn)樾?/p>

18、轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角速度的必然連續(xù)。這里將取波紋的一個(gè)周期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，求出三個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，還有三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)之間的函數(shù)關(guān)系。圖3-3波紋的一個(gè)周期的各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的分段示意圖這里假設(shè)A處為運(yùn)動(dòng)起始時(shí)刻，為字母（A，A，B，H）代表焊接軌跡上的點(diǎn)，t為焊槍末端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)處的時(shí)間，（x,y）代表該點(diǎn)在基坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。1、AB段（過(guò)渡段1）前面已經(jīng)介紹過(guò)這里的處理方法，這一階段是銜接兩種運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡階段。這里又細(xì)分三個(gè)小階段：AA直線(xiàn)段,AB圓弧段，B B直線(xiàn)段。為了提高焊接質(zhì)量，該過(guò)渡階段仍然保留焊接速度相對(duì)于焊縫為恒定，而放棄焊槍與焊縫保持垂直關(guān)系，不然會(huì)導(dǎo)致無(wú)解。其中，AA直線(xiàn)段

19、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，AB圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，B B直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。直線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-4 AA直線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-4可得： （3-9）將其帶入變換方程（3-8）得 （3-10）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （t） (3-11)其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-5所示：圖3-5 AA直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖 圓弧段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，為圖3-6中所示角。圖3-6 AB圓弧段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-6及平面幾何知識(shí)可得： （3-12）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-13）將以上兩

20、式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （3-13）又由速度合成知識(shí)可得：，帶入上式可解得：。將這結(jié)果帶入式（3-13）可轉(zhuǎn)化為： （） （3-14）其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3-7所示：圖3-7 AB圓弧段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律斜線(xiàn)段該直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。圖3-8 B B直線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)上圖可得： （3-15）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-16）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-17）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-5所示：圖3-9 B B斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖2、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(dòng)，。圖3-10 B C波內(nèi)斜邊段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根

21、據(jù)上圖可得： （3-18）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-19）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-20）3、CD段（過(guò)渡段2）這一階段里的處理思想方法與過(guò)渡段1是一樣的。其中，CC斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，CD圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，D D直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。 AA斜線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-11 CC斜線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-11可得： （3-21）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-22）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-23）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-12所示：圖3-12

22、CC斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖 CD圓弧段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。圖3-13 CD圓弧段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-13及平面幾何知識(shí)可得： （3-24）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-25）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （3-26）又由速度合成知識(shí)可得：，帶入上式可解得：。將這結(jié)果帶入式（3-13）可轉(zhuǎn)化為： （） （3-27）其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3-14所示：圖3-14 CD圓弧段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 DD直線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-15 DD直線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-15可得： （3-28）將其帶入變換方程（3-8）得 （3-

23、29）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） (3-30)其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-16所示：圖3-16 DD直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖4、DE段（直線(xiàn)段1）這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)動(dòng)，。又根據(jù)約束（焊槍與焊縫垂直，相對(duì)于焊縫焊接速度恒定，焊縫軌跡為水平直線(xiàn)）和運(yùn)動(dòng)合成知識(shí)可得出： （） （3-31）5、EF段（過(guò)渡段3）這一階段里的處理思想方法與過(guò)渡段1是一樣的。其中，EE斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，EF圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，F(xiàn) F直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。 EE直線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-17 EE直線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)

24、系示意圖根據(jù)圖3-17可得： （3-32）將其帶入變換方程（3-8）得 （3-33）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） (3-34)其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-17所示：圖3-17 EE直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖 EF圓弧段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。圖3-18 EF圓弧段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-18及平面幾何知識(shí)可得： （3-35）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-36）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （3-37）又由速度合成知識(shí)可得：，帶入上式可解得：。將這結(jié)果帶入式（3-37）可轉(zhuǎn)化為： （） （3-38）其中、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3-19所示：圖3-19 EF

25、圓弧段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 FF斜線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-20 FF斜線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-20可得： （3-39）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-40）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-41）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-21所示：圖3-21 FF斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖6、FG段（波內(nèi)斜邊段2）圖3-22 FG段波內(nèi)斜邊段的速度合成圖該階段：；并滿(mǎn)足焊接速度相對(duì)焊縫恒定，焊槍與焊縫保持垂直關(guān)系。因此根據(jù)速度合成知識(shí)（如圖3-22所示）可得： （） （3-42）7、GH段（過(guò)渡段4）這一階段里的處理思想方

26、法與過(guò)渡段1是一樣的。這里分三個(gè)小運(yùn)動(dòng)階段，其中，GG斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，GH圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，H H直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。 GG斜線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-23 GG斜線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-23可得： （3-43）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-44）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-45）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-24所示：圖3-24 GG斜線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖 GH圓弧段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。圖3-25 GH圓弧段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-25及平面幾何知識(shí)

27、可得： （3-46）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-47）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （3-48）又由速度合成知識(shí)可得：，帶入上式可解得：。將這結(jié)果帶入式（3-48）可轉(zhuǎn)化為： （） （3-49）其中、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3-26所示：圖3-26 CD圓弧段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 HH直線(xiàn)段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)于焊縫為恒定。圖3-27 HH直線(xiàn)段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)圖3-27可得： （3-50）將其帶入變換方程（3-8）得 （3-51）將以上兩式對(duì)t求導(dǎo)并整理可得： （） (3-52)其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(-t,-t)如圖3-28所示：圖3-28 HH直線(xiàn)段旋轉(zhuǎn)關(guān)

28、節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖8、HI段（直線(xiàn)段2）該階段運(yùn)動(dòng)：；并滿(mǎn)足焊接速度相對(duì)于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾角保持垂直關(guān)系。根據(jù)速度合成知識(shí)可得： （） （3-53）以上即為焊接集裝箱一個(gè)周期波紋板的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。3.5 結(jié)論1、由逆解過(guò)程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律協(xié)調(diào)動(dòng)作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進(jìn)行焊接，將較好的解決波紋直線(xiàn)焊縫與波內(nèi) 斜邊焊縫成形不能保持一致的難題。2、所求焊接過(guò)渡段中的過(guò)渡運(yùn)動(dòng)能較好的銜接直線(xiàn)段與波內(nèi)斜邊段的運(yùn)動(dòng)。第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1小車(chē)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這里主要是做了三方面的工作：對(duì)小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對(duì)電機(jī)功率的估計(jì)并選

29、擇出小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；對(duì)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒輪、齒條傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度校核。3.1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇根據(jù)一些移動(dòng)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)及直動(dòng)關(guān)節(jié)的知識(shí)可獲得兩個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)方案。這兩個(gè)方案的示意圖如圖所示：方案1：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)齒輪箱車(chē)輪軸上齒輪（通過(guò)車(chē)輪軸）驅(qū)動(dòng)輪。這也是在移動(dòng)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為常用的一種車(chē)體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對(duì)稱(chēng)合理。方案2：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過(guò)反推動(dòng)）車(chē)體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計(jì)有借鑒將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)里有齒輪、齒條這么一種傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較容易。方案間的比較：表1兩車(chē)體機(jī)構(gòu)方案的比較 方案比較方面方案1 方

30、案2 設(shè)計(jì)方面 較復(fù)雜 較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方面稍復(fù)雜稍簡(jiǎn)單布置方面對(duì)稱(chēng)點(diǎn) 有點(diǎn)偏移效率方面較低較高精度方面高稍差用材方面還好有長(zhǎng)齒條根據(jù)實(shí)際的工作條件：希望設(shè)計(jì)能夠比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，焊接小車(chē)的移動(dòng)效率高一點(diǎn)，精度要求并不是很高，。故可從表1可選擇出方案2作為該小車(chē)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案。3.1.2 小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定1、電機(jī)功率的估計(jì)根據(jù)機(jī)器人的重量、小車(chē)運(yùn)行速度、輪胎直徑來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。假定小車(chē)在軌道上行走，不考慮小車(chē)行駛中的空氣阻力，分析小車(chē)的受力情況，以便估計(jì)小車(chē)所需的驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)，應(yīng)把輪胎看成一個(gè)彈性體來(lái)考慮。前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)齒輪、齒條的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)，故該小車(chē)

31、的四輪都為從動(dòng)輪。這里先分析車(chē)輪的受力情況：圖 車(chē)輪受力簡(jiǎn)圖假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪子做純滾動(dòng)。設(shè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為，相應(yīng)的車(chē)輪角加速度為。根據(jù)可推得： 其中v為小車(chē)速度，w為車(chē)輪角速度，r為車(chē)輪的半徑。圖 畫(huà)出了該小車(chē)的車(chē)輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力簡(jiǎn)圖，圖中P車(chē)輪上的載荷，m 車(chē)輪的質(zhì)量，N地面對(duì)車(chē)輪的法向反作用力，U為車(chē)輪的切向反作用力，X車(chē)輪軸的車(chē)輪的推力。根據(jù)平衡條件有 （3-1） （3-2）為車(chē)輪滾動(dòng)阻力矩，其值為；J為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)式（3-1）、（3-2）有 （3-3）由此可知，推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和車(chē)輪的加速阻力。而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量

32、產(chǎn)生的加速阻力所組成。齒輪、齒條傳動(dòng)作為該小車(chē)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)為， 進(jìn)而可將理解為小車(chē)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力，為齒輪的半徑。故以小車(chē)車(chē)體做分析對(duì)象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得： （3-4）其中為機(jī)器人總質(zhì)量。將式（3-3）中的X帶入上式得； （3-5）由上式可得出結(jié)論為：小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力用來(lái)克服車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和機(jī)器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)阻力?？筛鶕?jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動(dòng)力矩：其中：車(chē)輪半徑 ，（查理論力學(xué) P120 表5-2 滾動(dòng)摩阻系數(shù)。），；估為40 kg ,車(chē)輪質(zhì)量估計(jì)為0.8kg ,J估計(jì)為，牛；由于這里的焊接速度為，故可一定程度上估出。將上述數(shù)據(jù)帶入式（3-5）得：進(jìn)而

33、根據(jù)要求的運(yùn)行速度為v ,初步確定電機(jī)的功率P： （3-6）其中：K為估計(jì)系數(shù)，考慮到該焊接機(jī)器人其上的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可取為5。解之得：2. 電機(jī)的選擇前面已初步估計(jì)出了驅(qū)動(dòng)力矩，電機(jī)的功率。在實(shí)際的操作中，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，使用的電機(jī)類(lèi)型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等?？紤]到步進(jìn)電機(jī)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速。能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人無(wú)位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這里選定步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，考慮到在實(shí)際的選擇中應(yīng)考慮到一定的裕度。這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)：型號(hào)：130BYG250

34、1；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 ；空載運(yùn)行頻率：；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；3.1.3齒輪、齒條傳動(dòng)的校核這里齒輪、齒條的傳動(dòng)是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來(lái)設(shè)計(jì)的，故這里對(duì)齒輪進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核、接觸強(qiáng)度校核。其參數(shù)為：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為，齒數(shù)為80。前面也對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩做出估計(jì)并給出轉(zhuǎn)速，。這里參考機(jī)械設(shè)計(jì)P209里的帶式輸送機(jī)減速器的高級(jí)級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。由于這里的齒條可以理解為半徑無(wú)窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強(qiáng)度是否符合要求，對(duì)齒條的強(qiáng)度無(wú)需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度。1.選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動(dòng)。2）該焊接機(jī)器人速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）。3）由表10-1選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為4