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

1、 密級： 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)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 系 機(jī)制 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機(jī)制023班 學(xué) 號： 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并應(yīng)包含以下主要內(nèi)容一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書二、開題報告三、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（論文）1、中文摘要2、外文摘要3、畢業(yè)設(shè)計（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集裝箱波紋板焊接自動化水平低的現(xiàn)狀：目前用于焊接集裝箱側(cè)板與頂側(cè)梁、底側(cè)梁的自動焊專機(jī)，由于在焊接過程中，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 選題的意義通過完成該課題，即設(shè)計出集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人及對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，能夠解決在焊接過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問題，使得在直線段與在波內(nèi)斜邊段焊接時，焊槍與焊縫都保持垂直，相對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)展趨勢這里的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢包括三個方面：前面也提到這里的集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人（為移動焊接機(jī)器人）是為提高焊接自動化水平的，故這里為移動焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于運(yùn)動學(xué)分析的常

4、用方法。1.2.1 移動焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢這里所設(shè)計的移動機(jī)器人為有軌移動焊接機(jī)器人，只是現(xiàn)有的移動焊接機(jī)器人技術(shù)在集裝箱波紋板焊接中的應(yīng)用，是該領(lǐng)域的焊接自動化水平低的緣故，而當(dāng)前的移動焊接機(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)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，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化的水平。無疑,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)的自動化焊接難題。當(dāng)前國內(nèi)外在移動焊接機(jī)器人方向研制的幾個典型移動焊接機(jī)器人如下：1、

5、 韓國Pukyong國立大學(xué)的Kam B O 等研制的艙體格子形構(gòu)件焊接移動機(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)焊接過程,能夠自動尋找焊縫的起始點(diǎn)。在遇到格子框架的拐角焊縫時,在保證焊接速度不變且焊炬準(zhǔn)確對準(zhǔn)焊縫的情況下,能夠自動調(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焊接機(jī)器人該機(jī)器人能夠直線前進(jìn),還可以利用兩個輪的差速控制小車的轉(zhuǎn)彎,它裝焊槍的臂可以伸縮，可以檢測焊縫的位置并精確的識別焊縫的形狀,如是直線焊縫

6、、曲線焊縫、還是折線焊縫等。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機(jī)器人該機(jī)器人可以沿著管道移動 ,根據(jù) CCD 攝取的圖象信息,在焊前可以自動尋找并識別焊縫,然后使機(jī)器人本體沿管道方向移動達(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機(jī)器人該機(jī)器人在焊前,小車能夠自動尋找焊縫并經(jīng)過軌跡推算后自動調(diào)整小車本體和焊炬的位姿到待焊狀態(tài);在焊接過程中能夠進(jìn)行橫向大范圍的實(shí)時焊縫跟蹤。當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機(jī)器

7、人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機(jī)器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機(jī)器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運(yùn)動規(guī)劃能力。未來的發(fā)展趨勢為三個方面：選擇視覺傳感器來進(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)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在當(dāng)前，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來設(shè)計專用焊接機(jī)器人，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機(jī)器人，其運(yùn)動特性使特定機(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,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；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)燕瓊和沈陽航空工業(yè)學(xué)院的張艷麗等對模塊化機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計進(jìn)行了研究。1.2.3 運(yùn)動學(xué)分析的常用方法 機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)問題在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(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)動學(xué)問題就是根據(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，利用其逆矩陣來求解逆運(yùn)動學(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)動學(xué)分析，該機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1.3.1 三自由度焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(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，我們采用三個運(yùn)動

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和做擺動運(yùn)動的末端效應(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關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)逆解，并且該解滿足一定的約束，能夠有效的解決在集裝箱波紋板在直線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、所要解決的問題熟悉運(yùn)動學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動學(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)計由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運(yùn)動關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計主要為小車行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1）。所要解決的問題及任務(wù)：小車行走機(jī)構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的

11、確定，驅(qū)動電機(jī)功率的估計，驅(qū)動電機(jī)的選擇傳動的校核。其它：擺動關(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，并對該機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動學(xué)逆解，并求出，該解滿足集裝箱波紋板的焊接要求。2、做出了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核。第二章 焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析概述：機(jī)器人是空間開環(huán)機(jī)構(gòu)，通過各連桿的相對位置變化、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)器人各個關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，n）的值，便可計算出機(jī)器人末端的位

12、姿方程，稱為機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析（正向運(yùn)動學(xué)）：反之，為了使機(jī)器人所握工具相對參考系的位置滿足給定的要求，計算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運(yùn)動學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動規(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）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，即三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律，故為運(yùn)動學(xué)逆解。31運(yùn)動學(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作為第四個元素，用有四個數(shù)所組成的列向量U=來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、齊次變換對于任意齊次變換T，可以將其分解為T= （3-1）A= （3-2）A=（p,p,p） （3-3）式（3-2）表示活動坐標(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)動原理圖3-1 三自由度焊接機(jī)器人運(yùn)

14、動簡圖（俯視圖）如圖3-1所示，機(jī)器人采用三個運(yùn)動關(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)動的末端效應(yīng)器3。通過三個關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動，來保證末端效應(yīng)器的姿態(tài)發(fā)生變化時，焊接速度保持不變，焊槍與焊縫間的夾角保持垂直關(guān)系，來做到直線段與波內(nèi)斜邊段焊縫成形的一致。2、運(yùn)動學(xué)模型 運(yùn)動學(xué)模型簡化由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動：焊槍末端運(yùn)動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動學(xué)逆解時，對實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這里將對其采取等效處理：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，這對分析結(jié)果是等效的。b 對旋轉(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)簡化后的模型與圖3-1可獲得各個坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個坐標(biāo)系的X，Y方向如圖3-1所示，Z方向都垂直該俯視圖，且由前面的簡化等效思想可知各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動都處在Z=0平面上。 求其次變換通過齊次變換矩陣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分別表示初始時刻（t），三個坐標(biāo)系原點(diǎn)OO，OO，OO的距離長度。S為坐標(biāo)系1原點(diǎn)在一定時間t-t內(nèi)沿X方向的位移，且,為關(guān)節(jié)1的移動速度。S為坐標(biāo)系2點(diǎn)在一定時間t-t內(nèi)沿Y向

16、的位移，且,為關(guān)節(jié)2相對關(guān)節(jié)1的移動速度。 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刻t，焊槍末端點(diǎn)相對于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?。环粗嗳?。這樣方能使運(yùn)動的連續(xù)成為可能。2、銜接處理在直線段與波內(nèi)斜邊段劃出一小段來為過渡運(yùn)動更加順利的完成，這樣過渡運(yùn)動過程運(yùn)動分三小階段?，F(xiàn)利用以上兩處理方法

17、處理第一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過渡運(yùn)動，這一階段是銜接兩種運(yùn)動的過渡階段： 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角：0到的過渡。 焊接速度v的方向：水平方向到與水平方向呈的夾角的過渡。下面是該過渡階段的運(yùn)動示意圖：圖3-2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在過渡處的運(yùn)動示意圖3、逆解函數(shù)這里所求逆解都是以時間為自變量，由于這里焊接速度相對焊縫是恒定的，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 逆解過程這臺機(jī)器人焊接時，其運(yùn)動存在三個約束：焊接速度恒定，焊接軌跡曲線一定，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，在過渡運(yùn)動過程中放棄了第三個約束，由于這么一小段位移比較短，不然的話，會導(dǎo)致無解，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周期進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動，還有三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動之間的函數(shù)關(guān)系。圖3-3波紋的一個周期的各個運(yùn)動階段的分段示意圖這里假設(shè)A處為運(yùn)動起始時刻，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)動到該點(diǎn)處的時間，（x,y）代表該點(diǎn)在基坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。1、AB段（過渡段1）前面已經(jīng)介紹過這里的處理方法，這一階段是銜接兩種運(yùn)動的過渡階段。這里又細(xì)分三個小階段：AA直線段,AB圓弧段，B B直線段。為了提高焊接質(zhì)量，該過渡階段仍然保留焊接速度相對于焊縫為恒定，而放棄焊槍與焊縫保持垂直關(guān)系，不然會導(dǎo)致無解。其中，AA直線段

19、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，AB圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，B B直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)。直線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-4 AA直線段焊接點(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)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-5所示：圖3-5 AA直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(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及平面幾何知識可得： （3-12）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-13）將以上兩

20、式對t求導(dǎo)并整理可得： （3-13）又由速度合成知識可得：，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)動規(guī)律如圖3-7所示：圖3-7 AB圓弧段的運(yùn)動規(guī)律斜線段該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。圖3-8 B B直線段焊接點(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t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-17）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-5所示：圖3-9 B B斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(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，。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t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-20）3、CD段（過渡段2）這一階段里的處理思想方法與過渡段1是一樣的。其中，CC斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度，CD圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，D D直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)角度。 AA斜線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-11 CC斜線段焊接點(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t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-23）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-12所示：圖3-12

22、CC斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(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及平面幾何知識可得： （3-24）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-25）將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得： （3-26）又由速度合成知識可得：，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)動規(guī)律如圖3-14所示：圖3-14 CD圓弧段的運(yùn)動規(guī)律 DD直線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-15 DD直線段焊接點(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)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-16所示：圖3-16 DD直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律示意圖4、DE段（直線段1）這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)動，。又根據(jù)約束（焊槍與焊縫垂直，相對于焊縫焊接速度恒定，焊縫軌跡為水平直線）和運(yùn)動合成知識可得出： （） （3-31）5、EF段（過渡段3）這一階段里的處理思想方法與過渡段1是一樣的。其中，EE斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度，EF圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，F(xiàn) F直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)角度。 EE直線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-17 EE直線段焊接點(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)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-17所示：圖3-17 EE直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(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及平面幾何知識可得： （3-35）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-36）將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得： （3-37）又由速度合成知識可得：，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)動規(guī)律如圖3-19所示：圖3-19 EF

25、圓弧段的運(yùn)動規(guī)律 FF斜線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-20 FF斜線段焊接點(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t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-41）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-21所示：圖3-21 FF斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(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：；并滿足焊接速度相對焊縫恒定，焊槍與焊縫保持垂直關(guān)系。因此根據(jù)速度合成知識（如圖3-22所示）可得： （） （3-42）7、GH段（過渡段4）這一階段里的處理思想方

26、法與過渡段1是一樣的。這里分三個小運(yùn)動階段，其中，GG斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度，GH圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，H H直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。 GG斜線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-23 GG斜線段焊接點(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t求導(dǎo)并整理可得： （） （3-45）其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-24所示：圖3-24 GG斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(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

27、可得： （3-46）將其帶入變換方程（3-8）得： （3-47）將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得： （3-48）又由速度合成知識可得：，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)動規(guī)律如圖3-26所示：圖3-26 CD圓弧段的運(yùn)動規(guī)律 HH直線段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。圖3-27 HH直線段焊接點(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)動規(guī)律(-t,-t)如圖3-28所示：圖3-28 HH直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)

28、節(jié)的運(yùn)動規(guī)律示意圖8、HI段（直線段2）該階段運(yùn)動：；并滿足焊接速度相對于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾角保持垂直關(guān)系。根據(jù)速度合成知識可得： （） （3-53）以上即為焊接集裝箱一個周期波紋板的運(yùn)動學(xué)逆解。3.5 結(jié)論1、由逆解過程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個運(yùn)動關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動規(guī)律協(xié)調(diào)動作，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、所求焊接過渡段中的過渡運(yùn)動能較好的銜接直線段與波內(nèi)斜邊段的運(yùn)動。第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對電機(jī)功率的估計并選

29、擇出小車的驅(qū)動電機(jī)；對根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度校核。3.1.1 車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇根據(jù)一些移動機(jī)器人本體設(shè)計的研究文獻(xiàn)及直動關(guān)節(jié)的知識可獲得兩個車體結(jié)構(gòu)方案。這兩個方案的示意圖如圖所示：方案1：其中傳動順序?yàn)椋弘姍C(jī)齒輪箱車輪軸上齒輪（通過車輪軸）驅(qū)動輪。這也是在移動機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計上較為常用的一種車體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對稱合理。方案2：其中傳動順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計有借鑒將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式，結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)計比較容易。方案間的比較：表1兩車體機(jī)構(gòu)方案的比較 方案比較方面方案1 方

30、案2 設(shè)計方面 較復(fù)雜 較簡單結(jié)構(gòu)方面稍復(fù)雜稍簡單布置方面對稱點(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齒條根據(jù)實(shí)際的工作條件：希望設(shè)計能夠比較簡單，結(jié)構(gòu)比較簡單，焊接小車的移動效率高一點(diǎn)，精度要求并不是很高，。故可從表1可選擇出方案2作為該小車的設(shè)計結(jié)構(gòu)方案。3.1.2 小車驅(qū)動電機(jī)功率的確定1、電機(jī)功率的估計根據(jù)機(jī)器人的重量、小車運(yùn)行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動電機(jī)的功率。假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況，以便估計小車所需的驅(qū)動力矩。此時，應(yīng)把輪胎看成一個彈性體來考慮。前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動，故該小車

31、的四輪都為從動輪。這里先分析車輪的受力情況：圖 車輪受力簡圖假設(shè)在運(yùn)動過程中，輪子做純滾動。設(shè)小車運(yùn)動時的加速度為，相應(yīng)的車輪角加速度為。根據(jù)可推得： 其中v為小車速度，w為車輪角速度，r為車輪的半徑。圖 畫出了該小車的車輪在運(yùn)動過程中的受力簡圖，圖中P車輪上的載荷，m 車輪的質(zhì)量，N地面對車輪的法向反作用力，U為車輪的切向反作用力，X車輪軸的車輪的推力。根據(jù)平衡條件有 （3-1） （3-2）為車輪滾動阻力矩，其值為；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)式（3-1）、（3-2）有 （3-3）由此可知，推動車輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車輪的滾動阻力和車輪的加速阻力。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、齒條傳動作為該小車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動力矩設(shè)為， 進(jìn)而可將理解為小車的實(shí)際驅(qū)動力，為齒輪的半徑。故以小車車體做分析對象，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：小車的驅(qū)動力用來克服車輪的滾動阻力和機(jī)器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車輪的旋轉(zhuǎn)阻力?？筛鶕?jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動力矩：其中：車輪半徑 ，（查理論力學(xué) P120 表5-2 滾動摩阻系數(shù)。），；估為40 kg ,車輪質(zhì)量估計為0.8kg ,J估計為，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為估計系數(shù)，考慮到該焊接機(jī)器人其上的關(guān)節(jié)的運(yùn)動，可取為5。解之得：2. 電機(jī)的選擇前面已初步估計出了驅(qū)動力矩，電機(jī)的功率。在實(shí)際的操作中，機(jī)器人的驅(qū)動，使用的電機(jī)類型主要有步進(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)通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制動，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：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)動慣量：；3.1.3齒輪、齒條傳動的校核這里齒輪、齒條的傳動是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來設(shè)計的，故這里對齒輪進(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。前面也對驅(qū)動力矩做出估計并給出轉(zhuǎn)速，。這里參考機(jī)械設(shè)計P209里的帶式輸送機(jī)減速器的高級級齒輪傳動設(shè)計進(jìn)行校核。由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強(qiáng)度是否符合要求，對齒條的強(qiáng)度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度。1.選定齒輪類型、精度等級、材料1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動。2）該焊接機(jī)器人速度不高，故選用7級精度（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