集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构
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集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构设计
姓名：钱瑞 学号：0501510131
指导教师：吴晟
摘要 随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如集装箱波纹板焊接机器人、大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，焊接机器人要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。因此机器人的设计对于解决这一难题至关重要。
本课题主要完成机器人运动学的逆解、车体的总体设计、电机的选择等方面。主要从机器人运动学逆解的角度完成一个周期内的运动学逆解，求出三个关节应按照什么运动规律进行运动，还有三个关节的运动之间的函数关系，进而完成对整个机器人的总体设。通过对小车的受力分析完成对车轮、车体的设计。根据实际操作中遇到的问题对完成对电机的选择。最后对所选的齿轮进行校核，使之能完成具体的操作要求。
关键词 焊接机器人发展 运动学逆解 结构设计
随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，焊接机器人要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。
当前绝大多数移动焊接机器人还能焊缝跟踪,焊前必须通过人为的方式,把机器人放到坡口附近合适的位置,并且通过手动将机器人本体、十字滑块等调整到合适的待焊状态 ,也就是说机器人的自主性还很低,基本上还不具有自主的运动规划能力。
未来的发展趋势为三个方面：选择视觉传感器来进行传感跟踪，因为与图象处理方面相关的技术得到发展；采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务；由于控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展，这也将是移动焊接机器人的控制所采用。
目前用于焊接集装箱侧板与顶侧梁、底侧梁的自动焊专机，由于在焊接过程中，焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角（焊接工艺参数也未有变化），如图1所示，在直线段与在波内斜边段，焊接速度方向恒为水平向右，而焊枪与焊缝保持垂直，故焊枪与焊接速度的夹角不能保持恒定，直接导致在直线段的焊缝成形与在波内斜边段的焊缝成形不能保持一致，进而导致在直线段焊接与在波内斜边段焊接的焊缝的质量不一样，进而制约集装箱的生产质量。
图1 集装箱波纹板示意图
为此，本课题所涉及的内容主要是两块，分别为关于集装箱波纹板三自由度焊接机器人机构的运动学分析，该机器人车体结构的设计。
1 机构方案
(1) 根据实际的集装箱波纹板的焊接条件，我们采用三个运动关节的机器人：左右平移的焊接机器人本体1、上下平移的十字滑块2和做摆动运动的末端效应器3（如图2）。
图2 三自由度焊接机器人关节模型（俯视图）
(2) 求出三个关节的运动学逆解，并且该解满足一定的约束，能够有效的解决在集装箱波纹板在直线段中焊接的焊缝成形与在波内斜边段中焊接的焊缝成形不一致。
(3) 所要解决的问题
熟悉运动学逆解的方法、建立运动学模型、找出变换关系、逆解。
(4) 方法
齐次坐标变换方法。
2 焊接机器人结构设计
由于在这里借用了一个现成的运动关节上下平移的十字滑块，故这里所做的设计主要为小车行走机构（即左右平移的焊接机器人本体1）。
所要解决的问题及任务：
小车行走机构：车体结构方案的确定，驱动电机功率的估计，驱动电机的选择传动的校核。
其它：摆动关节电机的选择等。
3 运动学逆解
机器人运动学分析指的是机器人末端执行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根据机器人各个关节变量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可计算出机器人末端的位姿方程，称为机器人的运动学分析（正向运动学）；反之，为了使机器人所握工具相对参考系的位置满足给定的要求，计算相应的关节变量，这一过程称为运动学逆解。从工程应用的角度来看，运动学逆解往往更加重要，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。
在该课题里，很显然这里是已知末端执行器端点（焊枪）的位移，速度及焊枪与焊缝间的夹角关系，来求三个关节的协调运动，即三个关节的运动规律，故为运动学逆解。
3.1 运动学模型简化
由于该机器人是为了实现这样一种运动：焊枪末端运动轨迹一定，焊接速度恒定，故可以在运动学逆解时，对实际的关节结构进行简化，这里将对其采取等效处理：
(1) 将关节1（左右平移的焊接机器人本体1）与关节2（前后移动的十字滑块2）之间沿Z轴的距离和关节2与关节3（做旋转运动的末端效应器3）的旋转中心点的距离视为零，这对分析结果是等效的。
(2) 对旋转关节焊枪投影在X-Y平面上进行等效。
3.2 设定机器人各关节坐标系
据简化后的模型可获得各个坐标系及其之间的关系，各个坐标系的X，Y方向如图2所示，Z方向都垂直该俯视图，且由前面的简化等效思想可知各个关节的运动都处在Z=0平面上。
3.3 求其次变换
3.4 运动学逆解的结果
由逆解过程可以看出三自由度焊接机器人三个运动关节按照一定的运动规律协调动作，即可以保证焊枪以一定的位姿与焊接速率进行焊接，将较好的解决波纹直线焊缝与波内斜边焊缝成形不能保持一致的难题。各段关节的运动规律如下（一个周期内运动轨迹如图3）：
目 录
1 绪论 1
1.1 选题的依据及意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.3 本课题的研究设计内容及方法 3
1.4 课题的完成情况 5
2 焊接机器人机构运动学分析 6
2.1 运动学分析数学基础-齐次变换（D-H变换） 6
2.2 变换方程的建立 7
2.3 运动学分析处理方法 9
2.4 逆解过程 10
2.5 本章小结 28
3 结构设计 30
3.1 小车行走结构设计 30
3.2 摆动关节电机选择 36
3.3 本章小结 36
结束语 38
致 谢 39
参考文献 40
附 录 41
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