三自由度焊接機器人設(shè)計【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 頁 共 頁
目 錄
1 緒論 1
1.1 選題的依據(jù)及意義 1
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法 3
1.4 課題的完成情況 5
2 焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析 6
2.1 運動學(xué)分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-齊次變換（D-H變換） 6
2.2 變換方程的建立 7
2.3 運動學(xué)分析處理方法 9
2.4 逆解過程 10
2.5 本章小結(jié) 28
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 30
3.1 小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計 30
3.2 擺動關(guān)節(jié)電機選擇 36
3.3 本章小結(jié) 36
結(jié)束語 38
致 謝 39
參考文獻 40
附 錄 41
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 39 頁 共 41 頁
1 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)
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，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，進而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量[1]。
圖1.1 集裝箱波紋板示意圖
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器人及對其進行運動學(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器人（為移動焊接機器人）是為提高焊接自動化水平的，故這里為移動焊接機器人的研究現(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)于運動學(xué)分析的常用方法[5]。
1.2.1 移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
這里所設(shè)計的移動機器人為有軌移動焊接機器人，只是現(xiàn)有的移動焊接機器人技術(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)外在移動焊接機器人方向研制的幾個典型移動焊接機器人如下：
(1) 韓國Pukyong國立大學(xué)的Kam B O 等研制的艙體格子形構(gòu)件焊接移動機器人
這種機器人能夠在人比較難以達到的狹窄空間自主地實現(xiàn)焊接過程,能夠自動尋找焊縫的起始點。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)整機器人本體和十字滑塊的位置[4]。
(2) 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器人
該機器人能夠直線前進,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、曲線焊縫、還是折線焊縫等[5]。
(3) 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器人
該機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,然后使機器人本體沿管道方向移動達到正確的焊接位置[5]。
(4) 清華大學(xué)機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器人
該機器人的焊炬跟蹤精度可達±0.5mm,能夠滿足實際工程應(yīng)用[3]。
(5) 上海交通大學(xué)研制的具有自尋跡功能的焊接移動機器人
該機器人在焊前,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行橫向大范圍的實時焊縫跟蹤[8]。
當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運動規(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行傳感跟蹤，因為與圖象處理方面相關(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器人的控制所采用。
1.2.2 焊接機器人機構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
在當(dāng)前，機器人的機構(gòu)設(shè)計絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來設(shè)計專用焊接機器人，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機器人，其運動特性使特定機器人僅能適應(yīng)一定的范圍,不利于機器人的發(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[13]；
(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)機器人系統(tǒng)[13]；
(3) 上海交通大學(xué)的費燕瓊和沈陽航空工業(yè)學(xué)院的張艷麗等對模塊化機器人的構(gòu)形設(shè)計進行了研究[13]。
1.2.3 運動學(xué)分析的常用方法
機器人逆運動學(xué)問題在機器人運動學(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。逆運動學(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。
目前機器人運動學(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)的機器人。
(2) 通常在假設(shè)機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
本課題所涉及的內(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器人機構(gòu)的運動學(xué)分析，該機器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
1.3.1 三自由度焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析
(1) 機構(gòu)方案
根據(jù)實際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個運動關(guān)節(jié)的機器人：左右平移的焊接機器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動運動的末端效應(yīng)器3（如圖1.2）。
圖 1.2 三自由度焊接機器人關(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
熟悉運動學(xué)逆解的方法、建立運動學(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 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運動關(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構(gòu)（即左右平移的焊接機器人本體1）。
所要解決的問題及任務(wù)：
小車行走機構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動電機功率的估計，驅(qū)動電機的選擇傳動的校核。
其它：擺動關(guān)節(jié)電機的選擇等。
1.4 課題的完成情況
(1) 確定集裝箱波紋板焊接機器人總體機構(gòu)方案，并對該機構(gòu)存在運動學(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。
2 焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析
機器人運動學(xué)分析指的是機器人末端執(zhí)行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根據(jù)機器人各個關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計算出機器人末端的位姿方程，稱為機器人的運動學(xué)分析（正向運動學(xué)）；反之，為了使機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，這一過程稱為運動學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運動學(xué)逆解往往更加重要，它是機器人運動規(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（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)運動，即三個關(guān)節(jié)的運動規(guī)律，故為運動學(xué)逆解。
2.1 運動學(xué)分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-齊次變換（D-H變換）
2.1.1 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（a,b,c）,它們的關(guān)系為
a=,b=,c=
則（x,y,z,w）稱為三維空間點（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（a,b,c）。
2.1.2 齊次變換
對于任意齊次變換T，可以將其分解為
== （2.1）
= （2.2）
=（,,） （2.3）
式（2.2）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（2.3）表示活動坐標(biāo)系原點在參考系中的位置，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： () = (2.4)
旋轉(zhuǎn)變換：() = (2.5)
2.2 變換方程的建立
2.2.1 機構(gòu)運動原理
如圖2.1所示，機器人采用三個運動關(guān)節(jié)：左右平移的焊接機器人本體1，前后平移的十字滑塊和做旋轉(zhuǎn)運動的末端效應(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。
圖2.1 三自由度焊接機器人運動簡圖（俯視圖）
2.2.2 運動學(xué)模型
(1) 運動學(xué)模型簡化
由于該機器人是為了實現(xiàn)這樣一種運動：焊槍末端運動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運動學(xué)逆解時，對實際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行簡化，這里將對其采取等效處理：
(a) 將關(guān)節(jié)1（左右平移的焊接機器人本體1）與關(guān)節(jié)2（前后移動的十字滑塊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)運動的末端效應(yīng)器3）的旋轉(zhuǎn)中心點的距離視為零，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平面上進行等效。
(2) 設(shè)定機器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系
據(jù)簡化后的模型可獲得各個坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個坐標(biāo)系的X，Y方向如圖2.1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)的運動都處在Z=0平面上。
(3) 求其次變換
通過齊次變換矩陣T可以轉(zhuǎn)求{m}中的某點在{n}中的坐標(biāo)值。
根據(jù)公式（2.4）、（2.5）及圖2.1可得
=， =，=
其中L,L,L分別表示初始時刻（t），三個坐系原點（OO，OO，OO ）的距離長度，即參考坐標(biāo)系與設(shè)置的動坐標(biāo)位置矢量。S為坐標(biāo)系{1}原點在一定時間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}點在一定時間t.t內(nèi)沿Y向的位移，且,為關(guān)節(jié)2相對關(guān)節(jié)1的移動速度。
(4) 求T
由變換方程公式可知，帶入，，可得：
= （2.6）
其幾何意義為空間某一點相對于坐標(biāo)系{0}及{3}的坐標(biāo)值之間的變換矩陣。
即：= （2.7）
(5) 求變換方程
在任意時刻t，焊槍末端點的空間位置失量為（0,r,0,1）T，代入公式（2.7）可得變換方程：
（2.8）
2.3 運動學(xué)分析處理方法
2.3.1 替換處理
轉(zhuǎn)折點處用一半徑為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。這樣方能使運動的連續(xù)成為可能。
2.3.2 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動更加順利的完成，這樣過渡運動過程運動分三小階段。
現(xiàn)利用以上兩處理方法處理第一個轉(zhuǎn)折點的過渡運動，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段：
(1) 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角：0到的過渡。
(2) 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動示意圖：
圖2.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在過渡處的運動示意圖
2.3.3 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()，故與以焊槍末端點的自然坐標(biāo)系的位移為自變量是一致的，求解較方便。
2.4 逆解過程
這臺機器人焊接時，其運動存在三個約束：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，因為旋轉(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行運動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運動規(guī)律進行運動，還有三個關(guān)節(jié)的運動之間的函數(shù)關(guān)系(波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖,如圖2.3)。
圖2.3 波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖
這里假設(shè)A處為運動起始時刻，□為字母（A，A，B，…，H）代表焊接軌跡上的點，t□為焊槍末端點運動到該點處的時間，（x□,y□）代表該點在基坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。
2.4.1 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動的過渡階段。這里又細(xì)分三個小階段：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，A→A直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，A→B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)。
(1) 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。
根據(jù)圖2.4可得：
（2.9）
圖2.4 A→A直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.9）帶入變換方程（2.8）得
（2.10）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（t） (2.11)
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.5所示：
圖2.5 A→A直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
(2) 圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，，所示角如圖2.6。
圖2.6 A→B圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖
根據(jù)圖2.6及平面幾何知識可得：
（2.12）
將其帶入變換方程（2.8）得：
（2.13）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（2.13）
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（2.13）可轉(zhuǎn)化為：
（） （2.14）
其中的運動規(guī)律如圖2.7所示：
圖2.7 A→B圓弧段的運動規(guī)律
(3) 斜線段
該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。
根據(jù)圖2.8可得：
（2.15）
圖2.8 B →B直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.15）帶入變換方程（3.8）得：
（2.16）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.17）
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.9所示：
圖2.9 B →B斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
2.4.2 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，。
根據(jù)圖2.10可得：
（2.18）
圖2.10 B →C波內(nèi)斜邊段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.18）帶入變換方程（2.8）得：
（2.19）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.20）2.4.3 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)順時針旋轉(zhuǎn)角度，C→D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。
(1) C→C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。
根據(jù)圖2.11可得：
（2.21）
圖2.11 C→C斜線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.21）帶入變換方程（2.8）得：
（2.22）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.23）
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.12所示：
圖2.12 C→C斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
(2) C→D圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。
根據(jù)圖2.13及平面幾何知識可得：
（2.24）
圖2.13 C→D圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.24）帶入變換方程（3.8）得：
（2.25）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（2.26）
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（2.13）可轉(zhuǎn)化為：
（） （2.27）
其中的運動規(guī)律如圖2.14所示：
圖2.14 C→D圓弧段的運動規(guī)律
(3) D→D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。
根據(jù)圖2.15可得：
（2.28）
圖2.15 D→D直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.28）帶入變換方程（3.8）得
(2.29)
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） (2.30)
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.16所示：
圖2.16 D→D直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
2.4.4 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）和運動合成知識可得出：
（） (2.31）
2.4.5 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)順時針旋轉(zhuǎn)角度，E→F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。
(1) E→E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。
根據(jù)圖2.17可得：
(2.32）
圖2.17 E→E直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.32）帶入變換方程（3.8）得
(2.33）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） (2.34)
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.18所示：
圖2.18 E→E直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
(2) E→F圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。
根據(jù)圖2.19及平面幾何知識可得：
(2.35）
圖2.19 E→F圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.35）帶入變換方程（2.8）得：
(2.36）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
(2.37）
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（2.37）可轉(zhuǎn)化為：
（） (2.38）
其中、的運動規(guī)律如圖2.20所示：
圖2.20 E→F圓弧段的運動規(guī)律
(3) F→F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。
根據(jù)圖2.21可得：
(2.39）
圖2.21 F→F斜線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.39）帶入變換方程（2.8）得：
（2.40）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.41）
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.22所示：
圖2.22 F→F斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
2.4.6 FG段（波內(nèi)斜邊段2）
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2.23所示）可得：
（） （2.42）
圖2.23 FG段波內(nèi)斜邊段的速度合成圖
2.4.7 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。
這里分三個小運動階段，其中，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度，G→H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。
(1) G→G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。
根據(jù)圖2.24可得：
（2.43）
圖2.24G→G斜線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.43）帶入變換方程（3.8）得：
（2.44）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.45）
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.25所示：
圖2.25 G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
(2) G→H圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。
根據(jù)圖2.26及平面幾何知識可得：
（2.46）
圖2.26 G→H圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.46）帶入變換方程（2.8）得：
（2.47）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（2.48）
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（2.48）可轉(zhuǎn)化為：
（） （2.49）
其中、的運動規(guī)律如圖2.27所示：
圖2.27 C→D圓弧段的運動規(guī)律
(3) H→H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。
根據(jù)圖2.28可得：
（2.50）
圖2.28 H→H直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.50）帶入變換方程（3.8）得
（2.51）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） (2.52)
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(,)如圖2-29所示：
圖2.28 H→H直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
2.4.8 HI段（直線段2）
該階段運動：；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：
（） （2.53）
以上即為焊接集裝箱一個周期波紋板的運動學(xué)逆解。
2.5 本章小結(jié)
由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關(guān)節(jié)按照一定的運動規(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。各段關(guān)節(jié)的運動規(guī)律如下：
AB段（過渡段1）
(1) 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。
(2) 圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，
(3) 斜線段
該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。
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，。
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)順時針旋轉(zhuǎn)角度，C→D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。
DE段（直線段1）
這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)動，。
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)順時針旋轉(zhuǎn)角度，E→F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。
FG段（波內(nèi)斜邊段2）
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。
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。
這里分三個小運動階段，其中，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度，G→H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。
HI段（直線段2）
該階段運動：；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。
同時，所求焊接過渡段中的過渡運動能較好的銜接直線段與波內(nèi)斜邊段的運動。
3 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：對小車行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對電機功率的估計并選擇出小車的驅(qū)動電機；對根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度校核。
3.1.1 車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇
根據(jù)一些移動機器人本體設(shè)計的研究文獻及直動關(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：其中傳動順序為：電機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：其中傳動順序為：電機圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計有借鑒將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動里有齒輪、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 兩車體機構(gòu)方案的比較
方案比較
方案1
方案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
有點偏移
效率方面
較低
較高
精度方面
高
稍差
用材方面
一般
有長齒條
根據(jù)實際的工作條件：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，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)動電機功率的確定
(1) 電機功率的估計
根據(jù)機器人的重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動電機的功率。
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，由于電機的驅(qū)動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動，故該小車的四輪都為從動輪。
這里先分析車輪的受力情況：
圖3.1 車輪受力簡圖
假設(shè)在運動過程中，輪子做純滾動。
設(shè)小車運動時的加速度為，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3.1畫出了該小車的車輪在運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)動機構(gòu)，故驅(qū)動力矩設(shè)為， 進而可將理解為小車的實際驅(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）
其中為機器人總質(zhì)量。
將式（3.4）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器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車輪的旋轉(zhuǎn)阻力。
可根據(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40kg ,車輪質(zhì)量估計為0.8kg ,J估計為，N；
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：
進而根據(jù)要求的運行速度為v ,初步確定電機的功率P：
（3.6）
其中：K為估計系數(shù)，考慮到該焊接機器人其上的關(guān)節(jié)的運動，可取為5。
解之得：P =645w
(2) 電機的選擇
前面已初步估計出了驅(qū)動力矩，電機的功率。
在實際的操作中，機器人的驅(qū)動，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等。考慮到步進電機通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進電機在機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。
這里選定步進電機為驅(qū)動電機，考慮到在實際的選擇中應(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)子式步進電機：
型號：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；
空載運行頻率：；
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，故這里對齒輪進行彎曲強度校核、接觸強度校核。
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《機械設(shè)計》P209里的帶式輸送機減速器的齒輪傳動設(shè)計進行校核。
由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強度是否符合要求，對齒條的強度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度。
3.3.3.1 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) 該焊接機器人速度不高，故選用7級精度（GB10095-8）。
(3) 由《機械設(shè)計》表10.7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。
3.3.3.2 按齒面接觸強度校核
按照《機械設(shè)計》公式（10.9a）進行校核：
（3.7）
(1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
(a) 計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，由表10.8查得動載系數(shù)；
由《機械設(shè)計》表10.2查得使用系數(shù)；
直齒輪，調(diào)質(zhì)，及。查《機械設(shè)計》表10.8的；
由《機械設(shè)計》表10.4查的7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，
將數(shù)據(jù)帶入后得：
由查《機械設(shè)計》圖10.3得；
故載荷系數(shù)
。
（b）齒寬系數(shù)。
（c）由《機械設(shè)計》表10.6查得材料的彈性影響系數(shù)。
（d）由《機械設(shè)計》圖10.21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限
。
（e）由《機械設(shè)計》式10.13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
。
（f）由《機械設(shè)計》圖10.19查得接觸疲勞系數(shù)。
（g）JI計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率1%，安全系數(shù)，由《機械設(shè)計》式（10.12）得
（h）由于這里是齒輪、齒條傳動，故可認(rèn)為傳動比
將上面計算的各項數(shù)據(jù)帶入式（3.7）得：
而這里設(shè)計該傳動的齒輪半徑，顯然滿足接觸疲勞強度。
3.3.3.3 按齒根彎曲疲勞強度校核
這里按照《機械設(shè)計》公式（10.5）進行校核：
(1) 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
(a) 由《機械設(shè)計》圖10.20c查得齒輪的彎曲疲勞強度極限
(b) 由《機械設(shè)計》圖1.18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
(c) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式（10.12）得
(d) 計算載荷系數(shù)K
(e) 查取齒形系數(shù)
由《機械設(shè)計》表10.5查得
（f）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機械設(shè)計》表10.5可查的得
(2）計算
而這里設(shè)計的是，顯然滿足彎曲疲勞強度，故校核結(jié)果符合要求。
3.3.3.4 結(jié)論
綜上，所設(shè)計的齒輪參數(shù)(齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為)符合要求。
3.2 擺動關(guān)節(jié)電機選擇
考慮到擺動關(guān)節(jié)的實際情況，對電機的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機中的印刷繞組直流永磁式。
該類型直流伺服電機又稱盤式電機，有特點：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動、制動、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。
這里選擇的型號是Maxon 組合體系：
電機：Maxon DC Motor F2260 功率為40W;
行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為19：1；
編碼器：HEDS 55。
3.3 本章小結(jié)
本章主要進行了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括方案選擇；功率估計；電機選擇；校核等內(nèi)容。
具體的設(shè)計方案及參數(shù)如下：
傳動順序為：電機圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計比較容易。
選用的電機參數(shù)如下：
（1）傳動電機這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進電機
型號：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 ；
空載運行頻率；
轉(zhuǎn)動慣量：。
（2）擺動關(guān)節(jié)電機選擇的型號是Maxon 組合體系：
電機：Maxon DC Motor F2260 功率為40W；
行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為19：1；
編碼器：HEDS 55。
選用的齒輪參數(shù)如下：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為1。
結(jié)束語
畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)學(xué)期間所學(xué)的知識的一次系統(tǒng)全面性的總結(jié)，通過本次畢業(yè)設(shè)計將理論與實踐充分結(jié)合，是難得的一次機會。通過這次畢業(yè)設(shè)計為今后能更好的適應(yīng)今后工作墊定了良好的基礎(chǔ)。針對本次畢業(yè)設(shè)計總結(jié)如下：
(1) 對該集裝箱波紋板三自由度焊接機器人進行了方案設(shè)計，并對機構(gòu)進行運動學(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：車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動電機功率的估計計算與選擇；齒輪齒條傳動的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度校核。還有擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇。
(3) 其它方面：車輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計。這些都是直接在圖紙上設(shè)計出來了。
參 考 文 獻
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[12] 鄭相鋒，胡小建．弧焊機器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機，2005．
[13] 孔宇，戴明，吳林．機器人結(jié)構(gòu)光視覺三點焊縫定位技術(shù)[J]．焊接學(xué)報，1997．
[14] 章向明等．工程力學(xué)教程[M]．北京：科學(xué)出版社，2007．
[15] 濮良貴等．機械設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，2007．
[16] 孫恒，陳作模等．.機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2007．
附 錄
1總體設(shè)計圖 ZTSJ-00…………………………A0
2移動小車裝配圖 ZP01 ……………………………A0
3擺動關(guān)節(jié)裝配圖 ZP02 ……………………………A1
4車輪軸 LJ01 ……………………………A4
5車體 LJ02 ……………………………A4
6齒輪 LJ03 ……………………………A4
7電機安裝板 LJ04 ……………………………A4
8電機夾具 LJ05 ……………………………A4
9焊槍夾具 LJ06 ……………………………A4
10十字滑塊支架 LJ07 ……………………………A4
11車輪 LJ08 ……………………………A4
12擺動關(guān)節(jié)支板 LJ09 ……………………………A4
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