機(jī)械手-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)械手,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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 這里的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢包括三個(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；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；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 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(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 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,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(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。