1312-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)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1312-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)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)器人,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) The inverse kinematics analysis of 3-D.O.F welding robot designed for ripple polygonal line seam of containerYu-Qiang Zhang-Hua Mao Zhi-wei Ye Jian-xiong（Robot&Welding Automation Key Laboratory Jiang Xi Nanchang University, Nanchang, 330029）Abstract:To resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container,we develop a 3-D.O.F welding robot. An inverse kinematics analysis of the designed welding-robot based on D-H displacement transformation matrix was put forward in this paper. In order to make the welding gun fastend on the end effector keep a certain posture, the three joints of robot should act coordinately, thus this makes an assurerance for the consistency of welding quality. This paper presents the possibility that the robot can track the trajectory under a certain unchanged welding velocity by controlling the discipline of the three joints, and it is verified by means of simulation in MATLAB.Key words:3-D.O.F; inverse kinematics; act coordinately ; welding posture0．Introduction.Figure.1 Ripple polygonal line seam of containerWhen welding,the welding torch makes the relative motion along the weld seam line by a certain posture .The choice of the welding posture is the key to guarantee a good welding quality,and the welding torch position posture has an important influence to forming of the weld seam.At present,in the welding process of ripple polygonal line seam of container,the welding torch cannot adjust the angle between itself and the welding speed with the profile change.As is shown in the figure.1,the shaping of weld seam at linear section is not consistent with that at hypotenuse section.To resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container,this paper make an inverse kinematics analysis of the designed 3-D.O.F welding robot through developing the kinematics equation of the robot which lets the posture of the welding torch make a suitable adjustment with the profile change ,while making sure of the welding torch movement along the curve of weld seam with an constant speed ,thus improve the shaping of the weld seam and then make sure the welding equality.1.The principle of the mechanism movement of 3-D.O.F welding robotTo resolve the welding problem existing in ripple polygonal line seam of container at present.We developed a kind of 3-D.O.F robot.This robot have three movement joints: about translate between right and left the welding robot main body 1; about translate up and down the cross slide 2;the terminal effector 3 which making the rotary motion.We achieve that the welding speed does not change with the change of the posture of the terminal effector through the coordinated movement of the three joints.2.The inverse kinematics analysis of 3-D.O.F welding robot.2.1 The simplification of kinematics modelsFigure. 2 The moving diagram of 3-D.O.F welding robot .As shown in figure.2,the welding torch(which is presented by a dark point at the end of movement joint 3) is attached at the terminal effector 3 of the welding robot.In the process of welding,the position posture of the welding torch should make a suitable adjustment with the shape change of the weld seam.The adjustment presents as the coordinated movement.2.2 The establishment of kinematics modelIn order to portray the movements of each joint ,a decca rectangular coordinate system is established for the moving mechanism of the robot ,as shown in figure.1.The initial space position relations of the coordinate systems established on each rigid body .Those coordinate systems are presented in figure.3.{0} is the base coordinate system,{1},{2},{3} are the moving coordinate sysytems established on the robot main body ,on the cross slide and the terminal effector.we will analyze the moving law of the movement joint by using the movements of {1},{2},{3}.We could portray the coordinate value of a point of {B} in {A} by using equal time coordinate transformation matrix .Establishing three equal time coordinate transformation matrix 、TAB 01T、 .T123， ，0101lSZ????????????????1022SLT ????????1023LcsT?Where l0,L1,L2 represent the initial distances between each coordinate system separately;S1,S2 are the displacement of {1},{2} in certain time t-t0,and , , V1,V2 are the ??tvS01?tdv02speed of the zero point of {1},{2} separately ;θis the rotated angle of the third movement joint ;，?cos?sinBy transformation equation ,we have:T23103??????????1021003 ZSLcslT?Then we could establish the transformation relation between the description of one point in {0} and that in {3}:= ,that is = ………..(a)??????10pT3????????????10zyx?????10210ZSLcsl????3zyxWhere: (x0,y0,z0),(x3,y3,z3) are the coordinate value of point p in {0} and {3} separately.2.3 The inverse kinematics solutionsDuring the process of welding ,we should make sure of the vertical angle between the welding torch and the weld seam .Its movement has two restraints: a constant speed ; a determined weld seam curve.We take a cycle of the ripple for carrying on the reverse kinematics solution ,and analyze the driving laws which the three movement joints’ coordinated actions should follow so that satisfy the two restraints .In a cycle the welding torch needs to pass through four turning points .This article take the first turning point as an example to explain the process of the reverse solution .This process is divided into three stages ,namely linear section ,circular arc change-over section and hypoteneuse section .As the moving path of the welding torch ,in free time t ,the coordinates of the point at the end of the welding torch are (x3,y3,z3,1)=(0,r,0,1) and {x0,y0,z0,1} respect to {3} and {0} separately .By expression (a), we have = ……………………..(b)??????10zyx?????10210ZSLcsl????rAccording to the weld seam in reality ,we assume the third movement joint’s angle acceleration as .)(t??2.3.1 The movement of the point in linear section We assume the start time of the movement as t0,the coordinates of the point at time t respect to {0} are x0=l0+vwt; ,ZzrLy???021;Substituting equation (b) into it , and making differentiation with respect to time on S1,S2,we have the moving law of movement joints 1 and 2:?????)(sinco21ttrvw??2.3.2 The movement of the point in circular arc change-over section Figure.4 The graphical representation of the arc transition at the turning point.Suppose the robot move to this stage at time t1, the point’s position relative to {0} is: ,the angle speed of {3} w=0.rLYylx??2101,When the robot is moving ,by spatial geometry relations,we have :,)(sin10tRl??)](cos[0tRy??,the speed law of movement joints 1 and 2 are :?????)](co[*2tS?)(sin21ttRvyx??The speed of the end of the welding torch along the direction which is parallel to the direction of the weld seam is constant,that is the welding speed is constant.By the spatial geometry: ,therefore ,22wyxv?? )(),)(1tRvttww????.'1tt?Thus ??????)(sin)(sicoc2 tvttRvwyx ???2.3.3 The movement of the point in wave hypoteneuse section Suppose the robot moving to this stage at time t1’,the coordinates of the point respect to {0} is = ,after the reverse solution yields ??????10zyx?????1sin)(co2''1ZtvrLlw??.?????)(sinsicoc21 ttrvw???According to the same method, we could get the coordinated movements law of the three movement joints ,and satisfy the constraint conditions in a ripple cycle .And then we could make sure of the perpendicular relation between the welding torch and the weld seam at different section.3. The simulation of the reverse kinematic analysis of the 3-D.O.F welding robotThe calculation is based on the determined moving law of the third joint and make sure that it satisfy the two constraint conditions ,and reverse deduce the moving law of the two other joints {1},{2} .To verify the process of reverse solution ,we carry on the simulation by the matlab software .we establish some spatial geometry size : ,the rotating radius of the rotating mLl1.0,210?joint r=0.1m , the angle between the linear section and hypoteneuse section at the turning point is .4/?In a welding cycle ,the change rule of the rotating arm’s angle acceleration is shown as figure.5Figure.5 The angle acceleration change rule of joint 3Thus we could obtain the change rule of the third joint’s rotating angle ,as shown in figure.6 實(shí) 習(xí) 報(bào) 告實(shí)習(xí)內(nèi)容：□ 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)（社會(huì)調(diào)查）□ 教學(xué)實(shí)習(xí)（□生產(chǎn)□臨床□勞動(dòng)） □√ 畢業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)習(xí)形式：□√ 集中 □ 分散學(xué)生姓名： 陳 愈 馨 學(xué) 號(hào)： 02122078 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)制 023 班 實(shí)習(xí)單位：南昌大學(xué)機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)時(shí)間： 2006-3-13 2006 年 03 月 13 日一、 實(shí)習(xí)目的主要是熟悉這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，了解其研究方向與研究成果，進(jìn)一步加深對(duì)科研的感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)，為自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)做一些準(zhǔn)備，這是畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過程非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。二、實(shí)習(xí)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)單了解實(shí)驗(yàn)室研究方向是機(jī)器人技術(shù)與焊接自動(dòng)化裝備，主要研究機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制，焊接自動(dòng)化的傳感、信息處理、智能控制等技術(shù)。已經(jīng)完成國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等 5 項(xiàng)，目前進(jìn)行國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（十五 “ 863 ”）項(xiàng)目等 5 項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文共 60 篇， SCI 收錄 6 篇、 EI 收錄 13 篇，獲得 2002 年江西省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。承擔(dān)材料科學(xué)與工程博士后、材料加工工程博士生、機(jī)械電子工程、控制理論與控制工程和通信與信息系統(tǒng)碩士生培養(yǎng)。已畢業(yè)博士生 2 名、碩士生 8 名，現(xiàn)在研博士后 1 名，在讀博士生 5 名、碩士生 16 名。已形成多學(xué)科交叉、多層次人才培養(yǎng)與科研開發(fā)基地。 實(shí)驗(yàn)室主任 張 華 教授 學(xué)術(shù)委員會(huì)主任 潘際鑾 院士 2、研究?jī)?nèi)容與研究成果（1）、無導(dǎo)軌全位置爬行式弧焊機(jī)器人具有全位置的爬行能力，能勝任多種位置的焊接任務(wù)，適用于球罐，造船等現(xiàn)在仍未解決自動(dòng)化焊接的大型構(gòu)件焊接過程。采用激光傳感器，實(shí)現(xiàn)了焊縫的自動(dòng)跟蹤，坡口識(shí)別形式多樣，能實(shí)驗(yàn)多道焊多層焊接?？梢垣@得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量和很高的生產(chǎn)效率，同時(shí)省去清根工序，節(jié)省能源，降低材耗，改善工人勞動(dòng)條件，降低生產(chǎn)強(qiáng)度。（2）、弧焊機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng) 針對(duì)工業(yè)示教再現(xiàn)弧焊機(jī)器人存在的示教編程復(fù)雜,加工工件要求高，焊接過程工件變形等問題開發(fā)適合工業(yè)機(jī)器人的高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感及焊縫糾偏系統(tǒng)，成果提高了工業(yè)弧焊機(jī)器人智能化程度。電弧傳感器的旋轉(zhuǎn)頻率 0－30HZ 之間任意可調(diào)：掃描半徑 0-3.5mm 可調(diào)。（3）、輪式自主移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的彎曲焊縫自主體動(dòng)焊接機(jī)器人技術(shù)，無需軌道和靠模，采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，能夠把當(dāng)前焊槍偏離焊縫的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，不存在超前性和滯后性的問題：采用模糊控制實(shí)現(xiàn)精確的焊縫跟蹤，特別適用于大型工件的自動(dòng)化、智能化焊接。（4）、螺旋管內(nèi)焊縫自動(dòng)跟蹤與熔透集成智能控制系統(tǒng)無人監(jiān)控的“西氣東送” 螺旋管內(nèi)焊制造生產(chǎn) 螺旋管內(nèi)焊縫自動(dòng)跟蹤與熔透集成智能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了埋弧內(nèi)焊中焊縫的自動(dòng)跟蹤與熔透的雙重控制。（5）、鍋爐管爆修復(fù)自動(dòng)焊機(jī)本焊機(jī)用于鍋爐管爆修復(fù)時(shí)的管--管對(duì)接，也可用于其它情況下的全位置焊接。它的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：·適用管徑 45mm-60mm。焊頭結(jié)構(gòu)緊湊，可用于窄小的管間隙，最小可達(dá) 45mm。焊頭水冷，可連續(xù)工作。柔性?shī)A具，拆卸方便。手動(dòng)和自動(dòng)模式可選擇。二、 實(shí)習(xí)總結(jié)雖然實(shí)習(xí)時(shí)間短暫，但自己的感性認(rèn)識(shí)卻頗為深刻。（1）、搞科研不容易，特別是在一個(gè)條件不是很好的情況下更是如此，非常佩服在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里的老師所付出的勞動(dòng)，這是給我印象最深的。（2）、更清楚的認(rèn)識(shí)了自我，我不是很適合在一個(gè)艱苦的條件下獨(dú)自能夠做出成果的那一類人，不能獨(dú)當(dāng)一面。這讓我想起了爐火旺的原理，自己就是一塊生炭，在條件差的地方就是勉強(qiáng)燒著了，也是濃煙滾滾呀。自己目標(biāo)更加明確，只有兩條路可走，要不去頂尖的研究所去，要不走技術(shù)類，而不是走研究類，雖然科研聽起來蠻有誘惑力的。- 37 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目： 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 系 機(jī)械 專 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 姓 名： 陳 愈 馨 指導(dǎo)教師： 張 華 填表日期： 2006 年 3 月 1 日- 38 -一、選題的依據(jù)及意義：依據(jù)：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） ，直接導(dǎo)致焊縫成形不能保持一致，進(jìn)而影響焊縫的質(zhì)量。意義：該課題能有效的解決焊接過程中焊槍速度與波形夾角的問題，使焊接速度始終與波形垂直，進(jìn)而保證焊接的穩(wěn)定性，提高焊接成形的一致性，提高焊接質(zhì)量。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：由于該課題所研究的集裝箱焊接是自動(dòng)焊接技術(shù)在該處的工業(yè)應(yīng)用，故此處的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）應(yīng)該是關(guān)于自動(dòng)焊接技術(shù)的。焊接技術(shù)的目的就是為了提高焊接質(zhì)量。而焊接質(zhì)量是采用焊接工藝制造的產(chǎn)品的焊接接頭使用性能是否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。一般焊接產(chǎn)品焊接接頭使用性能的主要內(nèi)容有：力學(xué)性能，內(nèi)、外部缺陷，產(chǎn)品焊接后幾何尺寸等。而目前在焊接過程中，還不能做到在線和實(shí)時(shí)地檢測(cè)和控制這些直接焊接質(zhì)量，在現(xiàn)階段所能做的是利用自己的感觀或現(xiàn)有的傳感技術(shù)，對(duì)一些與直接焊接質(zhì)量有關(guān)的間接焊接質(zhì)量，在焊接過程進(jìn)行在線和實(shí)時(shí)的檢測(cè)和控制。比如該課題就是做到提高焊接的穩(wěn)定性，來保證焊縫成形一致，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量。這里穩(wěn)定性就屬于間接焊接質(zhì)量。間接焊接質(zhì)量雖然不能直接說明焊接接頭的使用性能，但他們卻在一定程度上或者與直接焊接質(zhì)量存在著定量關(guān)系。這可以從當(dāng)前的研究現(xiàn)狀得到驗(yàn)證。1、開發(fā)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)來檢測(cè)間接焊接質(zhì)量，有一定的仿生性，利用感觀。光學(xué)圖像的視覺信息具有形式直觀、信息豐富、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。有的文獻(xiàn)綜述了焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，比較了目前常用的焊接機(jī)器人傳感技術(shù)，重點(diǎn)分析了被動(dòng)視覺技術(shù)和基于激光三角測(cè)量原理的主動(dòng)視覺技術(shù)在焊接中的應(yīng)用，并給出了國(guó)內(nèi)外的開發(fā)實(shí)例。 有的文獻(xiàn)簡(jiǎn)述了機(jī)器人焊接中視覺系統(tǒng)的分類、原理、特點(diǎn)及實(shí)用性，綜述了視覺系統(tǒng)在機(jī)器人焊接領(lǐng)域的典型應(yīng)用，并指出了其應(yīng)用中存在的問題及其發(fā)展趨勢(shì)。的確，在環(huán)境惡劣的焊接現(xiàn)場(chǎng)中，具有視覺功能的智能焊接機(jī)器人顯然有大顯身手的機(jī)會(huì)。有的文獻(xiàn)分別從焊接過程控制和質(zhì)量控制這兩方面介紹焊接區(qū)視覺信息在弧焊機(jī)器人傳感和控制技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。提出了幾點(diǎn)視覺信息系統(tǒng)的現(xiàn)存問題和解決途徑。2、利用現(xiàn)有的傳感技術(shù)對(duì)弧焊過程進(jìn)行實(shí)時(shí)傳感與控制，這里包括弧焊過程電弧穩(wěn)定性方面的傳感與控制，弧焊過程焊接對(duì)縫傳感與跟蹤控制，焊縫尺寸的傳感與控制。有的文獻(xiàn)介紹了國(guó)內(nèi)外焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)傳感與控制方面一些共性問題的研究和發(fā)展，包括弧焊過程電弧穩(wěn)定性方面的傳感與控制、焊接對(duì)縫傳感與跟蹤控制、焊縫尺寸的傳感與控制。這些內(nèi)容有的是作者研究組的研究工作，部分選自國(guó)內(nèi)外同行近年來在刊物和會(huì)議上發(fā)表的論文。這些都是作者認(rèn)為比較成熟，有的已經(jīng)應(yīng)用，有的很有應(yīng)用前途。將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成移動(dòng)式的焊接機(jī)器人，在大型結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化焊接中，有著廣闊的應(yīng)用前景。有的文獻(xiàn)研究了移動(dòng)焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。并對(duì)移動(dòng)焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了比較全面地介紹。的確，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化焊接，無疑將大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為因素的影響，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和保證焊接質(zhì)量。而現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊接產(chǎn)品提出了更高層次的要求。有科研工作者研制了一種能重復(fù)跟蹤焊縫軌跡線的 CCD 光電跟蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)由新穎的 CCD 視覺傳感器來實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)與焊槍的跟蹤位置偏差量，并根據(jù)此由微機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)與焊槍的二級(jí)自動(dòng)跟蹤。本文還就視覺傳感系統(tǒng)的物距、光強(qiáng)等主要影響因素進(jìn)行了分析研究，使之具有較高的可靠性與適應(yīng)性。3、關(guān)于機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未來的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、精密化、模塊化有的文獻(xiàn)提到過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的模塊化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，很顯然如果能夠像現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)零部件那- 39 -樣的設(shè)計(jì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，那將多么的有利于機(jī)器人應(yīng)用的普及，將在更廣泛的程度上范圍服務(wù)于人類，極大的提高人們的生活水平。三、本課題研究?jī)?nèi)容 如圖所示，在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊接速度的夾角（工藝參數(shù)也未有變化） ，因此直線段焊縫與斜邊段的焊縫成形不能保持一致。故本課題是集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，而十字滑塊選用，進(jìn)而組成的焊接機(jī)器人能夠解決波內(nèi)斜邊段焊縫外觀成形與直線段焊縫不一致的問題。研究?jī)?nèi)容：1、在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，熟悉機(jī)器人的應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。2、選擇出該焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆界，證明所選方案可行。3、設(shè)計(jì)出小車車體結(jié)構(gòu)，并在圖紙上繪制出機(jī)器人的裝配圖。四、本課題研究方案明確輸出構(gòu)件所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：焊槍與焊縫的夾角保持垂直；焊槍相對(duì)焊縫移動(dòng)的相對(duì)速度大小恒定。利用所學(xué)機(jī)械原理的知識(shí)及一些關(guān)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)知識(shí)選定或者設(shè)計(jì)出該焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，并利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對(duì)該方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，證明其可行。利用所學(xué)的知識(shí)及其它一些參考文獻(xiàn)，估計(jì)出車體驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，選擇電機(jī)，最后設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。五、研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度：研究目標(biāo)：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(jì)與校核。主要特色：該焊接機(jī)器人的焊槍能夠隨波形的變化調(diào)整焊槍的姿態(tài)速度，保證在直線段與波內(nèi)斜邊段焊縫成形的一致性，進(jìn)而提高集裝箱波紋板的焊接質(zhì)量。工作進(jìn)度：- 40 -六、參考文獻(xiàn)：[1]鄭相鋒，胡小建.弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù) [J].電焊機(jī)，2005，6：34.[2]孔宇，戴明，吳林.機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺三點(diǎn)焊縫定位技術(shù) [J].焊接學(xué)報(bào)，1997，3：188.[3]王軍波等.基于 CCD 傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2001，4：31.[4]徐培全等.基于機(jī)器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述[J]. 焊接， 2005，8：11.[5]劉蘇宜，王國(guó)榮，鐘繼光.視覺系統(tǒng)在機(jī)器人焊接中的應(yīng)用與展望 [J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，11：1296.[6]張柯等.移動(dòng)焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 焊接， 2004，8：5.[7]王其隆.弧焊過程質(zhì)量實(shí)時(shí)傳感與控制[M]. 北京.機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.2.[8]陳雪華，梁錫昌.基于模塊化關(guān)節(jié)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 [J].2005，2：4. 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)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 系 機(jī)制 專 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： 2006.2.13~2006.6.2 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)書二、開題報(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)而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。1.1.2 選題的意義通過完成該課題，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)問題，使得在直線段與在波內(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、 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)器人能夠直線前進(jìn),還可以利用兩個(gè)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(cè)焊縫的位置并精確的識(shí)別焊縫的形狀,如是直線焊縫、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(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,小車能夠自動(dòng)尋找焊縫并經(jīng)過軌跡推算后自動(dòng)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(shí)焊縫跟蹤。當(dāng)前絕大多數(shù)移動(dòng)焊接機(jī)器人還能焊縫跟蹤,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(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。未來的發(fā)展趨勢(shì)為三個(gè)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(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)具體的情況來設(shè)計(jì)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(dòng)特性使特定機(jī)器人僅能適應(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(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；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)問題就是根據(jù)已知的末端執(zhí)行器的位姿(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)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(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(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)器人是空間開環(huán)機(jī)構(gòu)，通過各連桿的相對(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)器人末端的位姿方程，稱為機(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)參考系的位置滿足給定的要求，計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，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）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個(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。3．1 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= ??????wzyx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Ta= ,b= ,c=xyc則（x,y,z,w） 稱為三維空間點(diǎn)（a,b,c） 的齊次坐標(biāo)。TT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T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= = （3-1 ）??????1032311zyxpa??????12AA = （3-2 ）1??????3231aA =（p ,p ,p ） （3-3 ）1xyzT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-??????10cba4)旋轉(zhuǎn)變換：Rot(z, )= (3-5)????????100cosini?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)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。通過三個(gè)關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，來保證末端效應(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，來做到直線段與波內(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○ 1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○ 2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?！?4求其次變換○ 3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。mn根據(jù)公式（3-4） 、 （3-5）及圖 3-1 可得T = ，T = ，T =10???????101Sl2???????102SL3???????100cosini2L?其中 l ,L ,L 分別表示初始時(shí)刻（t ） ，三個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn) OO ，O O ，O O 的距離012 123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) 10 d（ S） =v1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 向的位移，且 , 為關(guān)節(jié)2 2()?22 相對(duì)關(guān)節(jié) 1 的移動(dòng)速度。求 T○ 4 30由變換方程公式可知 T = T T T ，帶入 T ，T ，T 可得：302103210T = （3-30 ????????10cosini2SLl?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-??????10zyx ?????10cosini210SLl????3zyx7）求變換方程○ 5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-??????2100cosinSLrylx?8）3．3 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、銜接處理在直線段與波內(nèi)斜邊段劃出一小段來為過渡運(yùn)動(dòng)更加順利的完成，這樣過渡運(yùn)動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)分三小階段。現(xiàn)利用以上兩處理方法處理第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過渡運(yùn)動(dòng)，這一階段是銜接兩種運(yùn)動(dòng)的過渡階段：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角 ：0 到 的過渡?！?1 ??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?！?2 w ?下面是該過渡階段的運(yùn)動(dòng)示意圖：twtA BtA'tB' ttA BtA'tB'??圖 3-2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在過渡處的運(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=v t，w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。3．4 逆解過程這臺(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(dòng)過程中放棄了第三個(gè)約束，由于這么一小段位移比較短，不然的話，會(huì)導(dǎo)致無解，因?yàn)樾D(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(dòng)的過渡階段。這里又細(xì)分三個(gè)小階段：A→A 直線段,A →B 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(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)致無解。其中，A→A 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) ，A →B 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，B ' 2?'' '→B 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 。直線段○ 1 A??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。2w??0x0yA?0o圖 3-4 A→A 直線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-4 可得：（3-??????Awytvx00)(9）將其帶入變換方程（3-8）得（3-???????21100cosin)(SLryltvxAw?10）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（t ） (3-????????sinc21rvwAt??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：??ttA tAAt?()t?? ()t?At?2?4圖 3-5 A→A 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖'圓弧段○ 2 B??該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， ， 為圖 3-6 中所示角。0,2?????)(t?RO1v2w()tA?B?t?0x0y0o圖 3-6 A →B 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-????????? )(cos1in0tRyxA?12）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxA??13）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（3-??????)(sinco21tRv?13）又由速度合成知識(shí)可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??Rvtw??)(?將這結(jié)果帶入式（3-13）可轉(zhuǎn)化為：（ ） （3-????)(sinco21tvw?BAtt???14）其中 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-7 所示：)(twvRt?? ()t?t t?At? At? Bt?Bt?圖 3-7 A →B 圓弧段 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律'' )(t?斜線段○ 3 B??該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度。2?'Bwv0y0x?W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-???????? ?sin)(co0BwBtvyx15）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ?????? 210cossin)(iSLrtvylxBwB?16）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） （3-?????????sinico21rvw Btt??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：?ttB ttBBt? 34?()t?? 2Bt?()t?圖 3-9 B →B 斜線段旋轉(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)， 。0,?????0y0x?B CWVW 1v2圖 3-10 B →C 波內(nèi)斜邊段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖根據(jù)上圖可得：（3-??????? ?sin)(co0BwBtvyx18）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ?????? 210cossin)(iSLrtvylxBwB?19）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） （3-?????sinco21wvCBt?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，C→C 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度，C →D 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，' 2?''D →D 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度。' A→A 斜線段○ 1 '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。2?w0y 0x?CWV'圖 3-11 C→C 斜線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-11 可得：（3-???????sin)(co0wCCtvyx21）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ????210cossin)(iSLrtvylxCwC?22）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） （3-?????????sinico21rvw Ctt??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：?tt)t? ()t?c c?cc?342圖 3-12 C→C 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖' C →D 圓弧段○ 2 ''該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 。0,2?????RO1v2vwR()t?()t? 0x0y0?D?圖 3-13 C →D 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-???????? )(cos1in0tRyxD?24）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-?????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxD??25）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（3-???????)(sinco21tRv?26）又由速度合成知識(shí)可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??wvRt???)(?將這結(jié)果帶入式（3-13）可轉(zhuǎn)化為：（ ） （3-????)(sinco21tvw?DCtt???27）其中 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-14 所示：)(t'ct t)('?'Dt)(t??'ct 'Dtt圖 3-14 C →D 圓弧段 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律'' )(t?D →D 直線段○ 3 '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。2?w0O0y 0xwwv?圖 3-15 D →D 直線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-15 可得：（3-?????????Dwytvx0)(28）將其帶入變換方程（3-8）得（3-?????????? 2110cosin)(SLryltvxDw?29）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） (3-????????sinc21rvwDtt??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：??)(t??t'Dt )(t?Dt Dt'Dt2?4圖 3-16 D →D 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)， 。0,????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）和運(yùn)動(dòng)合成知識(shí)可得出：（ ） （3-????021vwEDtt?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，E→E 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度，E →F 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，' 2?''F →F 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度。'E→E 直線段○ 1 '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。2w0O0y0x'EEwwv圖 3-17 E→E 直線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-17 可得：（3-??????Ewytvx0)(32）將其帶入變換方程（3-8）得（3-???????2110cosin)(SLryltvxEw?33）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） (3-????????sinc21rvwEtt??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：??t'EEt 2??)(tE 'Et4)?圖 3-17 E→E 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖'E →F 圓弧段○ 2 ''該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 。0,2??????RO1v2w()t?t0x0y0E?F?圖 3-18 E →F 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-????????? )(cos1in0tRyxE?35）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxE??36）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（3-???????)(sinco21tRv?37）又由速度合成知識(shí)可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??wvRt??)(?將這結(jié)果帶入式（3-37）可轉(zhuǎn)化為：（ ） （3-?????)(sinco21tvw?FEt???38）其中 、 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-19 所示：)(tt?t)(t?tRvw ?Et?()t??E?Ft? F?圖 3-19 E →F 圓弧段 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律'' )(t?F →F 斜線段○ 3 '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。2?w0O0y 0x?'FFwv圖 3-20 F →F 斜線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-20 可得：（3-???????? ?sin)(co0FwFtvyx39）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ?????? 210cossin)(iSLrtvylxFwF?40）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） （3-??????????sinico21rvw Ftt??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：??t'Ft Ft??)(t?2??43t'FF)?圖 3-21 F →F 斜線段旋轉(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） ?1v2v wv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(duì)焊縫恒定，焊槍與焊縫保持垂直關(guān)系。0,??????因此根據(jù)速度合成知識(shí)（如圖 3-22 所示）可得：（ ） （3-????sinco21wvGFtt?42）7、GH 段（過渡段 4）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1 是一樣的。這里分三個(gè)小運(yùn)動(dòng)階段，其中，G→G 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度，G →H' 2?'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(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度。' 'G→G 斜線段○ 1 '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。2?w0O0y 0x?'GGwv圖 3-23 G→G 斜線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-23 可得：（3-???????sin)(co0GwGtvyx43）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??? ????210cossin)(iSLrtvylxGw?44）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） （3-??????????sinico21rvw Gtt??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：?t 'GtGt 43??)(t?2'GG()t??圖 3-24 G→G 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖'G →H 圓弧段○ 2 ''該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 。0,2??????RO1v2w()t?0x0y0?H?圖 3-25 G →H 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)可得：（3-????????? )(cos1in0tRyxH?46）將其帶入變換方程（3-8）得：（3-??????????? 210cos)(cs1ini SLrtylxH??47）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（3-???????)(sinco21tRv?48）又由速度合成知識(shí)可得： ，帶入上式可解得： 。221wv??wvRt???)(?將這結(jié)果帶入式（3-48）可轉(zhuǎn)化為：（ ） （3-?????)(sinco21tvw?HGt???49）其中 、 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-26 所示：)(tt?)('t?t)(t?tRvw? Ht'Ht?'HtHt圖 3-26 C →D 圓弧段 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律'' )(t?H →H 直線段○ 3 '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。2?w0O0y 0xwwv?H圖 3-27 H →H 直線段焊接點(diǎn)位置關(guān)系示意圖'根據(jù)圖 3-27 可得：（3-?????????Hwytvx0)(50）將其帶入變換方程（3-8）得（3-?????????? 2110cosin)(SLryltvxHw?51）將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得：（ ） (3-????????sinc21rvwHtt??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：??t'Ht4??)(t?2tH'HtH)t?圖 3-28 H →H 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖'8、HI 段（直線段 2）該階段運(yùn)動(dòng)： ；并滿足焊接速度相對(duì)于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾0,????角保持垂直關(guān)系。根據(jù)速度合成知識(shí)可得：（ ） （3-????021vwIHtt?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(dòng)能較好的銜接直線段與波內(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)并選擇出小車的驅(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 車輪軸上齒輪 （通過車輪軸）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體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對(duì)稱合理。方案 2：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī) 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動(dòng)）車體結(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 兩車體機(jī)構(gòu)方案的比較方案比較方面方案 1方案 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 作為該小車的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案。3.1.2 小車驅(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、小車運(yùn)行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動(dòng)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(jì)小車所需的驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)，應(yīng)把輪胎看成一個(gè)彈性體來考慮。前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動(dòng)，故該小車的四輪都為從動(dòng)輪。這里先分析車輪的受力情況：vPXmg?UN圖 車輪受力簡(jiǎn)圖假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過程中，輪子做純滾動(dòng)。設(shè)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為 ，相應(yīng)的車輪角加速度為 。dvt dwt根據(jù) 可推得：vwr?1dt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(dòng)過程中的受力簡(jiǎn)圖，圖中P 車輪上的載荷，m 車輪的質(zhì)量，N 地面對(duì)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-dvUt??1）（3-fwrMJt2）為車輪滾動(dòng)阻力矩，其值為 ；J 為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。f N??根據(jù)式（3-1） 、 （3-2）有（3-2fJdvXmrt?????????3）由此可知，推動(dòng)車輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車輪的滾動(dòng)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)量產(chǎn)生的加速阻力 所組成。dvmt 2Jdvrt?齒輪、齒條傳動(dòng)作為該小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)為 ， 進(jìn)而可將 理解dMdr?為小車的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力， 為齒輪的半徑。r?故以小車車體做分析對(duì)象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得：（3-04()dMdvXmrt??4）其中 為機(jī)器人總質(zhì)量。0將式（3-3）中的 X 帶入上式得；（3-0244fdMJdvmrtr??????????5）由上式可得出結(jié)論為：小車的驅(qū)動(dòng)力用來克服車輪的滾動(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：車輪半徑 ， （查理論力學(xué) P120 表 5-2 滾動(dòng)摩阻系數(shù) 。60rm?2? ?） ， ；40r??估為 40 kg ,車輪質(zhì)量估計(jì)為 0.8kg ,J 估計(jì)為 ，m 426.10kgm???牛；??0(0.8)1944gN???由于這里的焊接速度為 ，故可一定程度上估出 。.2min2dvst?將上述數(shù)據(jù)帶入式（3-5）得： 4.29()dM??進(jìn)而根據(jù)要求的運(yùn)行速度為 v ,初步確定電機(jī)的功率 P：（3-dvPKr???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： 10.73w?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(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)：130BYG2501；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 ；kgcm?空載運(yùn)行頻率： ；18?轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；2?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。80m351m前面也對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩做出估計(jì)并給出轉(zhuǎn)速， ， 。4.29dM?.inv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(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 40HBS。2.按齒面接觸強(qiáng)度校核按照公式（10-9a）進(jìn)行校核：（3-??2132. EdHKTZu????????????7）1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）計(jì)算載荷系數(shù) K根據(jù) ，7 級(jí)精度，由表 10-8 查得動(dòng)載系數(shù) ；.2minv? 1.05vK?由表 10-2 查得使用系數(shù) ；1A?直齒輪，調(diào)質(zhì)，及 。查表 10-334.290.6105tKFNbm???的 ；1.HFK??由表 10-4 查的 7 級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)， 31.2080.21HKb???????2d（ +.6）將數(shù)據(jù)帶入后得： 6由 查圖 10-13 得 ；35.,.2.1Hbh??? .FK??故載荷系數(shù)。.051.61.345AvHK???（2）齒寬系數(shù) 。437d??（3）由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) 。1289.EZMPa?（4）由圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 。lim60HPa??（5）由式 10-13 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。7160301(2405).481hNnjL???（7）由圖 10-19 查得接觸疲勞系數(shù) 。.9HNK?（8）JI 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率 1%，安全系數(shù) ，由式（10-12）得1S??lim0.5670HNMPa??（9）由于這里是齒輪、齒條傳動(dòng)，故可認(rèn)為傳動(dòng)比 u??2） 計(jì)算將上面計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得： 19.4d?而這里設(shè)計(jì)該傳動(dòng)的齒輪半徑 ，顯然滿足接觸疲勞強(qiáng)度。80?3.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核這里按照公式（10-5）進(jìn)行校核： ??132FaSdYKTmz?????????1） 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值（1） 由圖 10-20c 查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 50FEMPa??（2） 由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) .92NK（3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) ，由式（10-12）得1.4S???1092538.6.FNEK???（4）計(jì)算載荷系數(shù) K 1.051.305AvFK??????（5）查取齒形系數(shù)由表 10-5 查得 2.8FaY（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表 10-5 可查的得 1.73Sa?2）計(jì)算 0.3m?而這里設(shè)計(jì)的是 ，顯然滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，故校核結(jié)果符合要求。4、結(jié)論綜上，所設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)符合要求，校核完畢。3.2 擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇考慮到擺動(dòng)關(guān)節(jié)的實(shí)際情況，對(duì)電機(jī)的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向性能好，較好的運(yùn)動(dòng)控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機(jī)中的印刷繞組直流永磁式。該類型直流伺服電機(jī)又稱盤式電機(jī)，有特點(diǎn)：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長(zhǎng)；負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。這里選擇的型號(hào)是 Maxon 組合體系：電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W;行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動(dòng)比約為 19：1；編碼器：HEDS 55。3.3 本章小結(jié)這里主要是進(jìn)行了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：方案選擇；功率估計(jì)；電機(jī)選擇；校核。第四章 結(jié)論1、對(duì)該集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，證明該方案可行，能夠滿足集裝箱波紋板焊接的要求，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。2、完成了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)計(jì)算與選擇；齒輪齒條傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。3、其它方面：車輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計(jì)。這些都是直接在圖紙上設(shè)計(jì)出來了。