2919 集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构

2919 集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构,集装箱,波纹,焊接,机器人,机构,运动学,分析,车体,结构 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）：图 3 波纹的一个周期的各个运动阶段的分段示意图AB段（过渡段 1）(1) 直线段A该小阶段旋转关节逆时针旋转 ，并保证焊接速度 v 相对于焊缝为恒定。2w(2) 圆弧段AB该小阶段旋转关节不旋转， 0,2(3) 斜线段该直线段旋转关节又逆时针旋转 角度。BC段（波内斜边段 1）这一阶段旋转关节 3不转动， 。0,CD段（过渡段 2）这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1是一样的。其中，CC 斜线段旋转关节顺时针旋转 角度，C D 圆弧段旋转关 2节不旋转，D D 直线段旋转关节又顺时针旋转 角度。 DE段（直线段 1）这一阶段旋转关节 3不转动， 。0,EF段（过渡段 3）这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1是一样的。其中，EE 斜线段旋转关节顺时针旋转 角度，E F 圆弧段旋转关 2节不旋转，F F 直线段旋转关节又顺时针旋转 角度。FG段（波内斜边段 2）该阶段： ；并满足焊接速度相对焊缝恒定，焊枪与焊缝保持0,垂直关系。GH段（过渡段 4）这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1是一样的。这里分三个小运动阶段，其中，GG 斜线段旋转关节逆时针旋转 角 2度，G H 圆弧段旋转关节不旋转， H H 直线段旋转关节又逆时针旋转 角度。2HI段（直线段 2）该阶段运动： 0,；并满足焊接速度相对于焊缝保持恒定，焊枪与焊缝的夹角保持垂直关系。4 车体结构设计车体结构设计，主要包括方案选择；功率估计；电机选择；校核等内容。具体的设计方案及参数如下：传动顺序为：电机 圆柱齿轮 固定齿条 （通过反推动）车体结构。主要利用齿轮、齿条将旋转运动转化为直线运动，结构相对简单，设计比较容易。根据实际操作中遇到的情况并经校核选用的电机、齿轮如下：选用的电机参数如下：（1）传动电机这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；电压：120-310v；相数：2 ；电流：6 A；静转矩：270 ；cmkg空载运行频率 ；18转动惯量： 。2（2）摆动关节电机选择的型号是 Maxon 组合体系：电机：Maxon DC Motor F2260 功率为 40W；行星轮减速箱：GP 62（11501）传动比约为 19：1；编码器：HEDS 55。选用的齿轮参数如下：齿轮直径 ，齿宽为 ，模数为 1。m8035参 考 文 献1 原 魁.工业机器人发展现状与趋势J.MC 现代零部件,2007,(01):3334.2 张效祖.工业机器人的现状与发展趋势J . WMEM,2007,(05):2526.3 宋海宏 .机器人技术展望J.山西煤炭管理干部学院学报,2006,(04):4345.4 顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势J.机电一体化,20006,(02):5657.5 坪岛茂彦 中村修照 .电动机实用技术指南M.北京：科学出版社，2003.6 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学出版社，1996.7 温效朔.机器人技术在农业上的开发与应用现状M.合肥：安徽农业科学，2007，(11) ：124125.8 周伯英.工业机器人设计M.北京：机械工业出版社，1995.9 吴林，张广军，高洪明.焊接机器人技术M.北京：机械工业出版社,2000.10 吴宗泽.机械零件设计手册M.北京:机械工业出版社,2002.11 I.OM.索罗门采夫.工业机器人图册M.北京:机械工业出版社,2005.12郑相锋，胡小建弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技术J电焊机，200513孔宇，戴明，吴林机器人结构光视觉三点焊缝定位技术J焊接学报，199714王军波等基于 CCD 传感器的球罐焊接机器人焊缝跟踪 J焊接学报，200115徐培全等基于机器人焊接的视觉传感系统综述J焊接，2005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）：图 3 波纹的一个周期的各个运动阶段的分段示意图AB段（过渡段 1）(1) 直线段A该小阶段旋转关节逆时针旋转 ，并保证焊接速度 v 相对于焊缝为恒定。2w(2) 圆弧段AB该小阶段旋转关节不旋转， 0,2(3) 斜线段该直线段旋转关节又逆时针旋转 角度。BC段（波内斜边段 1）这一阶段旋转关节 3不转动， 。0,CD段（过渡段 2）这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1是一样的。其中，CC 斜线段旋转关节顺时针旋转 角度，C D 圆弧段旋转关 2节不旋转，D D 直线段旋转关节又顺时针旋转 角度。 DE段（直线段 1）这一阶段旋转关节 3不转动， 。0,EF段（过渡段 3）这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1是一样的。其中，EE 斜线段旋转关节顺时针旋转 角度，E F 圆弧段旋转关 2节不旋转，F F 直线段旋转关节又顺时针旋转 角度。FG段（波内斜边段 2）该阶段： ；并满足焊接速度相对焊缝恒定，焊枪与焊缝保持0,垂直关系。GH段（过渡段 4）这一阶段里的处理思想方法与过渡段 1是一样的。这里分三个小运动阶段，其中，GG 斜线段旋转关节逆时针旋转 角 2度，G H 圆弧段旋转关节不旋转， H H 直线段旋转关节又逆时针旋转 角度。2HI段（直线段 2）该阶段运动： 0,；并满足焊接速度相对于焊缝保持恒定，焊枪与焊缝的夹角保持垂直关系。4 车体结构设计车体结构设计，主要包括方案选择；功率估计；电机选择；校核等内容。具体的设计方案及参数如下：传动顺序为：电机 圆柱齿轮 固定齿条 （通过反推动）车体结构。主要利用齿轮、齿条将旋转运动转化为直线运动，结构相对简单，设计比较容易。根据实际操作中遇到的情况并经校核选用的电机、齿轮如下：选用的电机参数如下：（1）传动电机这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；电压：120-310v；相数：2 ；电流：6 A；静转矩：270 ；cmkg空载运行频率 ；18转动惯量： 。2（2）摆动关节电机选择的型号是 Maxon 组合体系：电机：Maxon DC Motor F2260 功率为 40W；行星轮减速箱：GP 62（11501）传动比约为 19：1；编码器：HEDS 55。选用的齿轮参数如下：齿轮直径 ，齿宽为 ，模数为 1。m80355 针对本次毕业设计总结如下：(1)对该集装箱波纹板三自由度焊接机器人进行了方案设计，并对机构进行运动学逆解，证明该方案可行，能够满足集装箱波纹板焊接的要求，能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高集装箱的生产质量。(2)完成了车体结构设计：车体结构方案的比较与选择；驱动电机功率的估计计算与选择；齿轮齿条传动的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度校核。还有摆动关节驱动电机的选择。(3)其它方面：车轮与选用导轨的匹配设计，关节间的联接匹配设计。这些都是直接在图纸上设计出来了。参 考 文 献1 原 魁.工业机器人发展现状与趋势J.MC 现代零部件,2007,(01):3334.2 张效祖.工业机器人的现状与发展趋势J . WMEM,2007,(05):2526.3 宋海宏 .机器人技术展望J.山西煤炭管理干部学院学报,2006,(04):4345.4 顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势J.机电一体化,20006,(02):5657.5 坪岛茂彦 中村修照 .电动机实用技术指南M.北京：科学出版社，2003.6 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学出版社，1996.7 温效朔.机器人技术在农业上的开发与应用现状M.合肥：安徽农业科学，2007，(11) ：124125.8 周伯英.工业机器人设计M.北京：机械工业出版社，1995.9 吴林，张广军，高洪明.焊接机器人技术M.北京：机械工业出版社,2000.10 吴宗泽.机械零件设计手册M.北京:机械工业出版社,2002.11 I.OM.索罗门采夫.工业机器人图册M.北京:机械工业出版社,2005.12郑相锋，胡小建弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技术J电焊机，200513孔宇，戴明，吴林机器人结构光视觉三点焊缝定位技术J焊接学报，199714王军波等基于 CCD 传感器的球罐焊接机器人焊缝跟踪 J焊接学报，200115徐培全等基于机器人焊接的视觉传感系统综述J焊接，2005南京理工大学泰州科技学院学生毕业设计（论文）中期检查表学生姓名 钱瑞 学 号 0501510131 指导教师 武培军 吴晟课题名称 集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析 及车体结构设计难易程度 偏难 适中 偏易选题情况工作量 较大 合理 较小任务书 有 无开题报告 有 无符合规范化 的要求外文翻译质量 优 良 中 差学习态度、出勤情况 好 一般 差工作进度 快 按计划进行 慢中期工作汇报及解答问题情况优 良 中 差中期成绩评定：良所在专业意见：学习较主动、积极，态度认真，阶段成果较明显。负责人： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作 者 : 钱瑞学 号：0501510131系 部 : 机械工程系专 业 : 机械工程及自动化题 目 : 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指导者： 评阅者： 2009 年 6 月吴晟 助教毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 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 机器人技术 机构设计 运动学逆解 强度校核 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Robot developt Abstract With the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems. Therefore the design of the robot is essential for the solution to this problem.The main subject of the completion of the robot inverse kinematics solution, the body design, the choice of motor and so on. The main robot inverse kinematics from the perspective of a cycle through the end of the known actuator position posture against the solution of the coordinates of the joints, and then completed the whole set up of the robot. Force analysis of the completed car wheels, car body design. According to the actual problems encountered in the operation of the completion of the motor choice. Finally, the gear selected for verification, so that it can complete the specific operating requirements.Keywords Robot technology Organization is designed The kinematics goes against solution he intensity is proofreaded 南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书系 部 ： 机械工程系专 业 ： 机械工程及自动化学 生 姓 名： 钱瑞学 号：0501510131设 计 (论 文 )题 目 ： 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起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 09 日 6 月 14 日设计 (论文 )地点 : 南京理工大学泰州科技学院指 导 教 师 : 武培军 吴 晟专 业 负 责 人 : 龚光容发任务书日期: 2009 年 2 月 26 日毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：针对集装箱波纹板焊接自动化水平低的现状，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） ，直接导致焊缝成形不能保持一致，进而影响焊缝的质量。该课题能有效的解决焊接过程中焊枪速度与波形夹角的问题，使焊接速度始终与波形垂直，进而保证焊接的稳定性，提高焊接成形的一致性，提高焊接质量。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：本课题是集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体机构设计，通过十字滑块选用，进而组成的焊接机器人能够解决波内斜边段焊缝外观成形与直线段焊缝不一致的问题。研究内容如下：1、在广泛调研的基础上，熟悉机器人的应用的现场环境，明确设计目标；2、设计出该焊接机器人的机构方案，并对其进行运动学逆界，证明所选方案可行；3、设计出小车车体结构，并在图纸上绘制出机器人的装配图。应达到的技术要求如下：1、所求焊接过渡段中的过渡运动能较好的衔接直线段与波内斜边段的运动；2、三自由度焊接机器人三个运动关节可按照一定的运动规律协调动作。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：1、相关资料的英文翻译与文献综述；2、焊接机器人的机构方案；3、小车车体结构设计及相关零件图、装配图；4、毕业设计论文。毕业设计成果以设计图样和说明书形式提交。要求图样规范，符合国家标准；说明书层次分明、论据可靠、计算正确、图标规范、语句通顺。4主要参考文献：1郑相锋，胡小建弧焊机器人焊接区视觉信息传感与控制技术J电焊机，20052孔宇，戴明，吴林机器人结构光视觉三点焊缝定位技术J焊接学报，19973王军波等基于 CCD 传感器的球罐焊接机器人焊缝跟踪 J焊接学报，20014徐培全等基于机器人焊接的视觉传感系统综述J焊接，20055刘苏宜，王国荣，钟继光视觉系统在机器人焊接中的应用与展望J机械科学与技术，20056张柯等移动焊接机器人的研究现状及发展趋势J焊接，20047王其隆弧焊过程质量实时传感与控制M北京：机械工业出版社，2000毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容2009 年3 月 9 日 3 月 23 日3 月 24 日 4 月 6 日4 月 7 日 5 月 11 日5 月 12 日 5 月 31 日6 月 1 日 6 月 9 日6 月 10 日 6 月 14 日熟悉课题，准备相关资料，完成资料翻译完成文献综述，撰写开题报告，熟悉AutoCAD、Pro/Engineer 等绘图软件掌握焊接机器人的结构设计原理，完成三自由度焊接机器人的运动学逆解完成车体结构设计，画出相关的零件图和装配图撰写并打印设计说明书，整理相关资料准备论文答辩所在专业审查意见：负责人： 2008 年 月 日系部意见：系部主任： 2008 年 月 日南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)前期工作材料学 生 姓 名 : 钱瑞 学 号： 0501510131系 部 : 机械工程系专 业 : 机械工程及自动化设计 (论 文 )题 目 : 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指 导 教 师 : 武培军高工 吴晟助教材 料 目 录序号 名 称 数量 备 注1 毕业设计(论文)选题、审题表 12 毕业设计(论文)任务书 13 毕业设计(论文)开题报告含文献综述 14 毕业设计(论文)外文资料翻译含原文 15 毕业设计（论文）中期检查表 12009 年 5 月 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 钱 瑞 学 号： 0501510131 外文出处：The Internation Journal of Advanced Manufacturing Technology 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：签名： (用外文写) 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件 1：外文资料翻译译文应用坐标测量机的机器人运动学姿态的标定这篇文章报到的是用于机器人运动学标定中能获得全部姿态的操作装置坐标测量机（CMM）。运动学模型由于操作器得到发展, 它们关系到基坐标和工件。 工件姿态是从实验测量中引出的讨论, 同样地是识别方法学。允许定义观察策略的完全模拟实验已经实现。实验工作的目的是描写参数辨认和精确确认。用推论原则的那方法能得到在重复时近连续地校准机器人。关键字：机器人标定 坐标测量 参数辨认 模拟学习 精确增进1. 前言机器手有合理的重复精度 (0.3毫米)而知名, 但仍有不好的精确性(10.0 毫米)。为了实现机器手精确性，机器人可能要校准也是好理解 。 在标定过程中， 几个连续的步骤能够精确地识别机器人运动学参数，提高精确性。这些步骤为如下描述：1 操作器的运动学模型和标定过程本身是发展，和通常有标准运动学模型的工具实现的。作为结果的模型是定义基于厂商的运动学参数设置错误量, 和识别未知的,实际的参数设置。2 机器人姿态的实验测量法(部分的或完成) 是拿走为了获得从联系到实际机器人的参数设置数据。3 实际的运动学参数识别是系统地改变参数设置和减少在模型阶段错误量的定义。一个接近完成辨认由分析不同中间姿态变量P 和运动学参数K 的微分关系决定：于是等价转化得：两者择一, 问题可以看成为多维的优化问题，这是为了减少一些定义的错误功能到零点，运动学参数设置被改变。这是标准优化问题和可能解决用的众所周知的 方法。4 最后一步是机械手控制中的机器人运动学识别和在学习之下的硬件系统的详细资料。包含实验数据的这张纸用于标度过程。 可获得的几个方法是可用于完成这任务, 虽然他们相当复杂，获得数据需要大量的成本和时间。这样的技术包括使用可视化的和自动化机械 ，伺服控制激光干涉计，有关声音的传感器和视觉传感器 。理想测量系统将获得操作器的全部姿态(位置和方向)，因为这将合并机械臂各个位置的全部信息。上面提到的所有方法仅仅用于唯一部分的姿态, 需要更多的数据是为了标度过程到进行。2理论文章中的理论描述，为了操作器空间放置的各自的位置，全部姿态是可测量的，虽然进行几个中间测量，是为了获得姿态。测量姿态使用装置是坐标测量机(CMM),它是三轴的，棱镜测量系统达到0.01毫米的精确。机器人操作器是能校准的，PUMA 560 ，放置接近于 CMM，特殊的操作装置能到达边缘。图 1显示了系统不同部分安排。在这部分运动学模型将是发展, 解释姿态估算法，和参数辨认方法。2.1 运动学的参数在这部分，操作器的基本运动学结构将被规定，它关系到完全坐标系统的讨论, 和终点模型。从这些模型，用于可能的技术的运动学参数的识别将被规定，和描述决定这些参数的方法。那些基础的模型工具用于描写不同的物体和工件操作器位置空间的关系的方法是Denavit-Hartenberg方法，在Hayati 有调整计划，停泊处 和当二连续的接缝轴是名义上地平行的用于说明不相称模型 。如图2这中方法存在于物体或相互联系的操作杆结构中，和运动学中需要从一个坐标到另一个坐标这种同类变化是被定义的。这种变化是相同形式的上面的关系可以解释通过四个基本变化操作实现坐标系n-1到结构坐标系n的变化。只有需要找到与前一个的关系的四个变化是必需的，在那个时候连续的轴是不平行的， 定义为零点。n当应用于一个结构到下一个结构的等价变化坐标系与更改Denavit-Hartenberg系相一致时，它们将被书写成矩阵元素实现运动学参数功能的矩阵形状。这些参数是变化的简单变量：关节角 ，连杆偏置 , 连杆长度 ，扭角 ，矩阵通常nndnan表示如下：对于多连接的, 例如机械操作臂,各自连续的链环和两者瞬间的位置描写在前一个矩阵变化中。这种变化从底部链环开始到第n链环因此关系如下：图3表示出PUMA机器人在Denavit-Hartenberg系中每一连杆，完全坐标系和工具结构。变化从世界坐标系到机器人底部结构需要仔细考虑过，因为潜在的参数取决于被选择的改变类型。考虑到图4,世界坐标 ，在D-H系中定义的从世wzyx,界坐标到机器人基坐标 ，坐标 是 PUMA机器人定义的基坐标和机器0,zyxbz,人第二个D-H结构中坐标 。我们感兴趣的是从世界坐标到 必需的最1 1,zyx小的参数数量。实现这种变化有两种路径：路径1，从 到 D-H变w,0化包括四个参数，接着从 到 的变化将牵连二个参数 和 的变化0,zyxbz, d图3图4最后，另外从 到 的D-H变化中有四个参数其中 和 两个参bzyx,1,z 1数是关于轴Z 0因此不能独立地识别， 和 是沿着轴Z 0因此也不能是独立地识d别。因此，用这路径它需要从世界坐标到PUMA机器人的第一个坐标有八个独立的运动学参数。路径2，同样地二中择一，从世界坐标到底部结构坐标 的变bzyx,化可以是直接定义。因此坐标变换需要六个参数，如Euler形式：下面是从 到 DH变化中的四个参数，但 与 相关联，bzyx,1,z 1b,与 相关联，减少成两个参数。很显然这种路径和路径1一样需要八1dzbp,个参数，但是设置不同。上面的方法可能使用于从世界坐标系到PUMA机器人的第二结构的移动中。在这工作中，选择路径2。工具改变引起需要六个特殊参数的改变的Euler形式：用于运动学模型的参数总数变成30，他们定义于表12.2 辨认方法学运动学的参数辨认将是进行多维的消去过程, 因此避免了雅可比系统的标定，过程如下：1. 首先假设运动学的参数, 例如标准设置。2. 为选择任意关节角的设置。3. 计算PUMA机器人末端操作器。4. 测量PUMA机器人末端操作器的位姿如关节角，通常标准的和预言的位姿将是不同的。5. 为了最好使预言位姿达到标准的位姿，在整齐的方式更改运动学的参数。这个过程应用于不是单一的关节角设置而是一定数量的关节角，与物理测量数量等同的全部关节角设置是需要，必须满足在这儿：Kp是识别的运动学参数的数量N是测量位姿的数Dr是测量过程中自由度的数量文章中，给定了自由度的数量，赠值为因此全部位姿是测量的。在实践中，更多的测量应该是在实验测量法去掉补偿结果。优化程序使用命名为ZXSSO，和标准库功能的IMSL。2.3 位姿测量法显然它是从上面的方法确定PUMA机器人全部位姿是必需的为了实现标定。这种方法现在将详细地描写。如图5所示，末端操作器由五个确定的工具组成。 考虑到借助于工具坐标和世界坐标中间各个坐标的形式，如图6这些坐标的关系如下：是关于世界坐标结构的第i个球的4x1列向量坐标, Pi是关于工具坐标结构,p第i个球的4x1坐标的列向量, T是从世界坐标结构到工具坐标结构变化的4x4矩阵。设定Pi，测量出 ，然后算出T，使用于在标定过程的位姿的测量。它是不,ip会很简单，但是不可能由等式(11)反求出T。上面的过程由四个球A, B, C和D来实现，如下：或为由于P, T和P全部相符合，反解求的位姿矩阵在实践中当PUMA机器人放置在确定的位置上，对于CMM由四个球决定Pi是困难的。准确的测量三个球，第四球根据十字相乘可以获得考虑到决定的球中心坐标的是基于球表面点的测量,没有分析可获到的程序。 另外，数字优化的使用是为了求惩罚函数的最小解这里 是确定球中心， 是第 个球表面点的坐标且 是球的半径。),(wvu),(iizyx r在测试过程中，发现只测量四个表面上的点来确定中心点是非常有效的。附件 2：外文原文（复印件）Full-Pose Calibration of a Robot Manipulator Using a Coordinate-Measuring MachineThe work reported in this article addresses the kinematiccalibration of a robot manipulator using a coordinate measuringmachine (CMM) which is able to obtain the full pose ofthe end-effector. A kinematic model is developed for themanipulator, its relationship to the world coordinate frame andthe tool. The derivation of the tool pose from experimentalmeasurements is discussed, as is the identification methodology.A complete simulation of the experiment is performed, allowingthe observation strategy to be defined. The experimental workis described together with the parameter identification andaccuracy verification. The principal conclusion is that themethod is able to calibrate the robot successfully, with aresulting accuracy approaching that of its repeatability.Keywords: Robot calibration; Coordinate measurement; Parameteridentification; Simulation study; Accuracy enhancement1. IntroductionIt is well known that robot manipulators typically havereasonable repeatability (0.3 ram), yet exhibit poor accuracy(10.0 mm). The process by which robots may be calibratedin order to achieve accuracies approaching that of themanipulator is also well understood . In the calibrationprocess, several sequential steps enable the precise kinematicparameters of the manipulator to be identified, leading toimproved accuracy. These steps may be described as follows:1. A kinematic model of the manipulator and the calibrationprocess itself is developed and is usually accomplished withstandard kinematic modelling tools. The resulting modelis used to define an error quantity based on a nominal(manufacturers) kinematic parameter set, and an unknown,actual parameter set which is to be identified.2. Experimental measurements of the robot pose (partial orcomplete) are taken in order to obtain data relating to theactual parameter set for the robot.3.The actual kinematic parameters are identified by systematicallychanging the nominal parameter set so as to reducethe error quantity defined in the modelling phase. Oneapproach to achieving this identification is determiningthe analytical differential relationship between the posevariables P and the kinematic parameters K in the formof a Jacobian,and then inverting the equation to calculate the deviation ofthe kinematic parameters from their nominal valuesAlternatively, the problem can be viewed as a multidimensionaloptimisation task, in which the kinematic parameterset is changed in order to reduce some defined error functionto zero. This is a standard optimisation problem and maybe solved using well-known methods.4. The final step involves the incorporation of the identifiedkinematic parameters in the controller of the robot arm,the details of which are rather specific to the hardware ofthe system under study.This paper addresses the issue of gathering the experimentaldata used in the calibration process. Several methods areavailable to perform this task, although they vary in complexity,cost and the time taken to acquire the data. Examples ofsuch techniques include the use of visual and automatictheodolites, servocontrolled laser interferometers ,acoustic sensors and vidual sensors . An ideal measuringsystem would acquire the full pose of the manipulator (positionand orientation), because this would incorporate the maximuminformation for each position of the arm. All of the methodsmentioned above use only the partial pose, requiring moredata to be taken for the calibration process to proceed.2. TheoryIn the method described in this paper, for each position inwhich the manipulator is placed, the full pose is measured,although several intermediate measurements have to be takenin order to arrive at the pose. The device used for the posemeasurement is a coordinate-measuring machine (CMM),which is a three-axis, prismatic measuring system with aquoted accuracy of 0.01 ram. The robot manipulator to becalibrated, a PUMA 560, is placed close to the CMM, and aspecial end-effector is attached to the flange. Fig. 1 showsthe arrangement of the various parts of the system. In thissection the kinematic model will be developed, the poseestimation algorithms explained, and the parameter identificationmethodology outlined.2.1 Kinematic ParametersIn this section, the basic kinematic structure of the manipulatorwill be specified, its relation to a user-defined world coordinatesystem discussed, and the end-point toil modelled. From thesemodels, the kinematic parameters which may be identifiedusing the proposed technique will be specified, and a methodfor determining those parameters described.The fundamental modelling tool used to describe the spatialrelationship between the various objects and locations in themanipulator workspace is the Denavit-Hartenberg method, with modifications proposed by Hayati, Mooringand Wu to account for disproportional models when two consecutive joint axes are nominally parallel. Asshown in Fig. 2, this method places a coordinate frame oneach object or manipulator link of interest, and the kinematicsare defined by the homogeneous transformation required tochange one coordinate frame into the next. This transformationtakes the familiar formThe above equation may be interpreted as a means totransform frame n-1 into frame n by means of four out ofthe five operations indicated. It is known that only fourtransformations are needed to locate a coordinate frame withrespect to the previous one. When consecutive axes are notparallel, the value of/3. is defined to be zero, while for thecase when consecutive axes are parallel, d. is the variablechosen to be zero.When coordinate frames are placed in conformance withthe modified Denavit-Hartenberg method, the transformationsgiven in the above equation will apply to all transforms ofone frame into the next, and these may be written in ageneric matrix form, where the elements of the matrix arefunctions of the kinematic parameters. These parameters aresimply the variables of the transformations: the joint angle0., the common normal offset d., the link length a., the angleof twist a., and the angle /3. The matrix form is usuallyexpressed as follows:For a serial linkage, such as a robot manipulator, a coordinateframe is attached to each consecutive link so that both theinstantaneous position together with the invariant geometryare described by the previous matrix transformation. Thetransformation from the base link to the nth link will thereforebe given byFig. 3 shows the PUMA manipulator with theDenavit-Hartenberg frames attached to each link, togetherwith world coordinate frame and a tool frame. The transformationfrom the world frame to the base frame of themanipulator needs to be considered carefully, since there arepotential parameter dependencies if certain types of transformsare chosen. Consider Fig. 4, which shows the world framexw, y, z, the frame Xo, Yo, z0 which is defined by a DHtransform from the world frame to the first joint axis ofthe manipulator, frame Xb, Yb, Zb, which is the PUMAmanufacturers defined base frame, and frame xl, Yl, zl whichis the second DH frame of the manipulator. We are interestedin determining the minimum number of parameters requiredto move from the world frame to the frame x, Yl, z. Thereare two transformation paths that will accomplish this goal:Path 1: A DH transform from x, y, z, to x0, Yo, zoinvolving four parameters, followed by another transformfrom xo, Yo, z0 to Xb, Yb, Zb which will involve only twoparameters b and d in the transformFinally, another DH transform from xb, Yb, Zb to Xt, y, Zwhich involves four parameters except that A01 and 4 areboth about the axis zo and cannot therefore be identifiedindependently, and Adl and d are both along the axis zo andalso cannot be identified independently. It requires, therefore,only eight independent kinematic parameters to go from theworld frame to the first frame of the PUMA using this path.Path 2: As an alternative, a transform may be defined directlyfrom the world frame to the base frame Xb, Yb, Zb. Since thisis a frame-to-frame transform it requires six parameters, suchas the Euler form:The following DH transform from xb, Yb, zb tO Xl, Yl, zlwould involve four parameters, but A0 may be resolved into4, 0b, , and Ad resolved into Pxb, Pyb, Pzb, reducing theparameter count to two. It is seen that this path also requireseight parameters as in path i, but a different set.Either of the above methods may be used to move fromthe world frame to the second frame of the PUMA. In thiswork, the second path is chosen. The tool transform is anEuler transform which requires the specification of sixparameters:The total number of parameters used in the kinematic modelbecomes 30, and their nominal values are defined in Table 1.2.2 Identification MethodologyThe kinematic parameter identification will be performed asa multidimensional minimisation process, since this avoids thecalculation of the system Jacobian. The process is as follows:1. Begin with a guess set of kinematic parameters, such asthe nominal set.2. Select an arbitrary set of joint angles for the PUMA.3. Calculate the pose of the PUMA end-effector.4. Measure the actual pose of the PUMA end-effector forthe same set of joint angles. In general, the measured andpredicted pose will be different.5. Modify the kinematic parameters in an orderly manner inorder to best fit (in a least-squares sense) the measuredpose to the predicted pose. The process is applied not to a single set of joint angles butto a number of joint angles. The total number of joint anglesets required, which also equals the number of physicalmeasurement made, must satisfyKp is the number of kinematic parameters to be identifiedN is the number of measurements (poses) takenDr represents the number of degrees of freedom present ineach measurement.In the system described in this paper, the number of degreesof freedom is given bysince full pose is measured. In practice, many more measurementsshould be taken to offset the effect of noise in theexperimental measurements. The optimisation procedure usedis known as ZXSSO, and is a standard library function in theIMSL package .2.3 Pose MeasurementIt is apparent from the above that a means to determine thefull pose of the PUMA is required in order to perform thecalibration. This method will now be described in detail. Theend-effector consists of an arrangement of five precisiontoolingballs as shown in Fig. 5. Consider the coordinates ofthe centre of each ball expressed in terms of the tool frame(Fig. 5) and the world coordinate frame, as shown in Fig. 6.The relationship between these coordinates may be writtenas:where Pi is the 4 x 1 column vector of the coordinates ofthe ith ball expressed with respect to the world frame, P isthe 4 x 1 column vector of the coordinates of the ith ballexpressed with respect to the tool frame, and T is the 4 4homogenious transform from the world frame to the toolframe.Then may be found, and used as the measured pose in thecalibration process. It is not quite that simple, however, sinceit is not possible to invert equation (11) to obtain T. Theabove process is performed for the four balls, A, B, C andD, and the positions ordered as:or in the form:Since P, T and P are all now square, the pose matrix maybe obtained by inversion:In practice it may be difficult for the CMM to access fourbails to determine P when the PUMA is placed in certainconfigurations. Three balls are actually measured and a fourthball is fictitiously located according to the vector cross product:Regarding the determination of the coordinates of thecentre of a ball based on measured points on its surface,no analytical procedures are available. Another numericaloptimisation scheme was used for this purpose such that thepenalty function:was minimised, where (u, v, w) are the coordinates of thecentre of the ball to he determined, (x/, y, z) are thecoordinates of the ith point on the surface of the ball and ris the ball diameter. In the tests performed, it was foundsufficient to measure only four points (i = 4) on the surfaceto determine the ball centre.