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： 2006.2.132006.6.2 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(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 ,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 。 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） T ,它們的關(guān)系為 a=wx,b=wy,c=wc則（ x,y,z,w） T 稱為三維空間點(diǎn)（ a,b,c） T 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） T 為三維空間點(diǎn)（ a,b,c） T 。 2、齊次變換 對(duì)于任意齊次變換 T，可以將其分解為 T=1000333231232221131211zyxpaaapaaapaaa= 10 1211 AA（ 3-1） A11=333231232221131211aaaaaaaaa （ 3-2） A12=（ px,py,pz ） T （ 3-3） 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)=1000100010001cba(3-4) 旋轉(zhuǎn)變換： Rot(z, )= 1000010000c o ss in00s inc o s(3-5) 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 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： 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。 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 4 =0 平面上。 3 求其次變換 通過齊次變換矩陣 Tmn可以轉(zhuǎn)求 m中的某點(diǎn)在 n中的坐標(biāo)值。 根據(jù)公式（ 3-4）、（ 3-5）及圖 3-1 可得 T10= 100001000010001 10 Sl， T21 =10000100010000121 SL ，T32= 100001000c o ss in00s inc o s2L其中 l0,L1 ,L2 分別表示初始時(shí)刻（ t0），三個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn) OO1 ， O1 O2 ， O2 O3的距離長(zhǎng)度。 S1 為坐標(biāo)系 1原點(diǎn)在一定時(shí)間 t-t0內(nèi)沿 X 方向的位移，且 d11（ S） =v,1v為關(guān)節(jié) 1 的移動(dòng)速度。 S2 為坐標(biāo)系 2點(diǎn)在一定時(shí)間 t-t0內(nèi)沿 Y 向的位移，且22()d S v,2v為關(guān)節(jié) 2相對(duì)關(guān)節(jié) 1 的移動(dòng)速度。 4 求 T30由變換方程公式可知 T30= T32T21 T10，帶入 T32， T21 ， T 10可得： T30=100001000c o ss in0s inc o s22110SLLSl（ 3-6） 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：1000zyx=100001000c o ss in0s inc o s22110SLLSl1333zyx（ 3-7） 5 求變換方程 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： 2210100 c o s s in SLLry Slrx （ 3-8） 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?。环粗嗳?。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： 1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角 ： 0 到 的過渡。 2 焊接速度 vw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(yùn)動(dòng)示意圖： twt A t Bt A t Btt A t Bt A t B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=vwt，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) 2 ， 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(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 。 1 AA 直線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0x0y Awwv0o 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： AwA yy ttvxx000 )(（ 3-9） 將其帶入變換方程（ 3-8）得 221100c o s s in)( SLLry SlrttvxAwA （ 3-10） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s inc o s21 rv rvv w （ tA Att ） (3-11) 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： tt A tt AAt()t ()tAt24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 2 AB 圓弧段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2 ， )(t 為圖 3-6 中所示角。 RO 1v2v wvR()tAB()t0x0y0o 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： )(c o s1 )(s in0 0 tRyy tRxx A A （ 3-12） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 221 10c os)(c os1 s in)(s in SLLrtRy SlrtRxA A （ 3-13） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： )()(s in)()(c o s21 ttRv ttRv （ 3-13） 又由速度合成知識(shí)可得： 22221 wvvv ，帶入上式可解得：Rvt w )(。 將這結(jié)果帶入式（ 3-13）可轉(zhuǎn)化為： )(sin)(cos21 tvv tvvww （ BA ttt ） （ 3-14） 其中 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 如圖 3-7 所示： wvR()t ()tt tAt At Bt Bt 圖 3-7 A B 圓弧段 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3 BB 斜線段 該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 角度。 BBwv0y 0xW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： s in)(c o s)(00BwBBwB ttvyy ttvxx （ 3-15） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 22110c oss i n)( s i nc os)( SLLrttvy SlrttvxBwBBwB （ 3-16） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s ins inc o sc o s21 rvv rvvww （ BB ttt ） （ 3-17） 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： tt Btt BBt 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, 。 0y0xBC WVW1v2v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： s in)(c o s)(00BwBBwB ttvyy ttvxx （ 3-18） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 22110c oss i n)( s i nc os)( SLLrttvy SlrttvxBwBBwB （ 3-19） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： sincos21wwvv vv （ CB ttt ） （ 3-20） 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) 2 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(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 角度。 1 A A 斜線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0y 0xCWVC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： s in)(c o s)(00cwCCwC ttvyy ttvxx（ 3-21） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 22110c o ss in)( s inc o s)( SLLrttvy SlrttvxCwCCwC （ 3-22） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s ins inc o sc o s21 rvv rvvww （ CC ttt ） （ 3-23） 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 ()tctct ctct 3 42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 2 C D 圓弧段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2 。 RO1v2vwvR() t() t0x0y0C 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： )(c o s1 )(s in0 0 tRyy tRxx D D （ 3-24） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 221 10c o s)(c o s1 s in)(s in SLLrtRy SlrtRxD D （ 3-25） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： )()(s in)()(c o s21 ttRv ttRv （ 3-26） 又由速度合成知識(shí)可得： 22221 wvvv ，帶入上式可解得：wvRt )(。 將這結(jié)果帶入式（ 3-13）可轉(zhuǎn)化為： )(sin)(cos21 tvv tvvww （ DC ttt ） （ 3-27） 其中 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-14 所示： ct t)( t Dt)(tct Dt t圖 3-14 C D 圓弧段 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3 D D 直線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0O0y0xwvDD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： DDwD yy ttvxx00 )( （ 3-28） 將其帶入變換方程（ 3-8）得 22110c o s s in)( SLLry SlrttvxDDwD （ 3-29） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s inc o s21 rv rvv w （ DD ttt ） (3-30) 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 tDt )(tDtDtDt t24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)， 0,0 。 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： 021vvv w （ ED ttt ） （ 3-31） 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) 2 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(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 角度。 1 E E 直線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0O0y 0xEEwwv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： EEwE yy ttvxx00 )(（ 3-32） 將其帶入變換方程（ 3-8）得 22110c o s s in)( SLLry SlrttvxEEwE （ 3-33） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s inc o s21 rv rvv w （ EE ttt ） (3-34) 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： tEtE2 )(tEt Et4 t()t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 2 E F 圓弧段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2 。 RO 1v2v wvR()t ()t0x0y0OEF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： )(c o s1 )(s in0 0 tRyy tRxx E E （ 3-35） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 221 10c os)(c os1 s in)(s in SLLrtRy SlrtRxE E （ 3-36） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： )()(s in)()(c o s21 ttRv ttRv （ 3-37） 又由速度合成知識(shí)可得： 22221 wvvv ，帶入上式可解得：wvRt )(。 將這結(jié)果帶入式（ 3-37）可轉(zhuǎn)化為： )(sin)(c os21 tvv tvvww （ FE ttt ） （ 3-38） 其中 )(t 、 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-19 所示： t )(t tRvw Et ()t Et Ft Ft 圖 3-19 E F 圓弧段 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3 F F 斜線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0O0y 0xFFwv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： s in)(c o s)(00FwFFwF ttvyy ttvxx （ 3-39） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 22110c oss i n)( s i nc os)( SLLrttvy SlrttvxFwFFwF （ 3-40） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s ins inc o sc o s21 rvv rvvww （ FF ttt ） （ 3-41） 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： tFt Ft )(t243 tFt Ft()t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） 1v2vwv圖 3-22 FG 段波內(nèi)斜邊段的速度合成圖 該階段： 0, ；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。 因此根據(jù)速度合成知識(shí)（如圖 3-22 所示）可得： sincos21wwvv vv （ GF ttt ） （ 3-42） 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) 2 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(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 角度。 1 G G 斜線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0O0y 0xGGwv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： s in)(c o s)(00GwGGwG ttvyy ttvxx（ 3-43） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 22110c o ss in)( s inc o s)( SLLrttvy SlrttvxGwGGwG （ 3-44） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s ins inc o sc o s21 rvv rvvww （ GG ttt ） （ 3-45） 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 GtG 43 )(t2 tGt Gt()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 2 G H 圓弧段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2 。 RO1v2v wvR()t()t 0x0y0OG 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： )(c o s1 )(s in0 0 tRyy tRxx H H （ 3-46） 將其帶入變換方程（ 3-8）得： 221 10c os)(c os1 s in)(s in SLLrtRy SlrtRxH H （ 3-47） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： )()(s in)()(c o s21 ttRv ttRv （ 3-48） 又由速度合成知識(shí)可得： 22221 wvvv ，帶入上式可解得：wvRt )(。 將這結(jié)果帶入式（ 3-48）可轉(zhuǎn)化為： )(sin)(c os21 tvv tvvww （ HG ttt ） （ 3-49） 其中 )(t 、 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 3-26 所示： )( t t )(t tRv wHt HtHtHt圖 3-26 C D 圓弧段 )(t 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3 H H 直線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 ，并保證焊接速度 vw相對(duì)于焊縫為恒定。 0O0y0xwvHH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： HHwH yy ttvxx00 )( （ 3-50） 將其帶入變換方程（ 3-8）得 22110c o s s in)( SLLry SlrttvxHHwH （ 3-51） 將以上兩式對(duì) t 求導(dǎo)并整理可得： s inc o s21 rv rvv w （ HH ttt ） (3-52) 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 )( t2 tHtHt Ht()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)： 0,0 ；并滿足焊接速度相對(duì)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(shí)可得： 021vvv w （ IH ttt ） （ 3-53） 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： vPXmgUN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 dvdt，相應(yīng)的車輪角加速度為 dwdt。 根據(jù) vwr可推得： 1dw dvdt r dt 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 dvX U m dt （ 3-1） f dwU r M J dt（ 3-2） fM為車輪滾動(dòng)阻力矩，其值為 N ； J 為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 根據(jù)式（ 3-1）、（ 3-2）有 2fM J d vXmr r d t （ 3-3） 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 dvmdt和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力2J dvr dt 所組成。 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dM， 進(jìn)而可將 dMr理解為小車的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力， r 為齒輪的半徑。 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： 04 ( 4 )dM dvX m mr d t （ 3-4） 其中0m為機(jī)器人總質(zhì)量。 將式（ 3-3）中的 X 帶入上式得； 0 244fdMM J d vmr r d tr （ 3-5） 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。 可根據(jù)式（ 3-5）粗估出驅(qū)動(dòng)力矩： 其中：車輪半徑 60r mm ， 2mm （查理論力學(xué) P120 表 5-2 滾動(dòng)摩阻系數(shù) 。），40r mm ； 0m估為 40 kg , 車 輪 質(zhì) 量 估 計(jì) 為 0.8kg ,J 估 計(jì) 為 426 .4 1 0 kg m， 0 ( 4 0 0 . 8 ) 1 0 9844m m gN 牛； 由于這里的焊接速度為 1.2 minm ，故可一定程度上估出22dv m sdt 。 將上述數(shù)據(jù)帶入式（ 3-5）得： 4 . 2 9 2 ( )dM N m 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： d vP K M r （ 3-6） 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： 10.73Pw 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 kg cm ； 空載運(yùn)行頻率： 18 ； 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 218kg cm ； 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 80mm ，齒寬為 35mm ，模數(shù)為 1mm ，齒數(shù)為 80。 前面也對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩做出估計(jì)并給出轉(zhuǎn)速， 4.292dM ， 1.2 m inmv 。 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)），