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)
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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)
姓名：錢(qián)瑞 學(xué)號(hào)：0501510131
指導(dǎo)教師：吳晟
摘要 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),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、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。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一難題至關(guān)重要。
本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解、車(chē)體的總體設(shè)計(jì)、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的角度完成一個(gè)周期內(nèi)的運(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，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)機(jī)器人的總體設(shè)。通過(guò)對(duì)小車(chē)的受力分析完成對(duì)車(chē)輪、車(chē)體的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問(wèn)題對(duì)完成對(duì)電機(jī)的選擇。最后對(duì)所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。
關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人發(fā)展 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(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。
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)而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。
圖1 集裝箱波紋板示意圖
為此，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(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 機(jī)構(gòu)方案
(1) 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（如圖2）。
圖2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）
(2) 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。
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。
3 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解
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(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)┑奈灰疲俣燃昂笜屌c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。
3.1 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：
(1) 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（前后移動(dòng)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。
(2) 對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進(jìn)行等效。
3.2 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2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。
3.3 求其次變換
3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的結(jié)果
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。各段關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下（一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3）：
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(shì) 1
1.3 本課題的研究設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法 3
1.4 課題的完成情況 5
2 焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 6
2.1 運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析處理方法 9
2.4 逆解過(guò)程 10
2.5 本章小結(jié) 28
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
3.1 小車(chē)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
3.2 擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇 36
3.3 本章小結(jié) 36
結(jié)束語(yǔ) 38
致 謝 39
參考文獻(xiàn) 40
附 錄 41
...
熱門(mén)關(guān)鍵詞：
豫公網(wǎng)安備 41072402000322號(hào)
