摘 要
随着汽车制造业的发展，生产效率和质量成为制约因素之一。在生产线上使用自动化机器人可以大幅度提升生产效率和减少人工操作中的误差。其中，基于视觉的汽车车身焊接机器人可以根据工件的形状和尺寸自主地完成焊接任务，无需预先编程或手动控制，极大地提高了焊接的精度和速度。机器人结构设计是实现此类机器人成功运行的关键之一。本文旨在介绍基于视觉的汽车车身焊接机器人结构设计的主要内容。
首先，在机器人的结构设计中，需要考虑到其运动学特性，即机器人的自由度和轨迹规划。自由度决定了机器人可以执行的运动方式，而轨迹规划则是指机器人按照何种路径进行运动，以达到所需的焊接结果。为了使机器人具有更好的运动学特性，需要选择合适的驱动系统、传感器和控制器，并对机器人的结构进行优化设计。
其次，在机器人的结构设计中，还需要考虑到其焊接能力和灵活性。机器人应该具备足够的焊接能力，能够完成各种复杂的焊接任务。同时，机器人的结构要足够灵活，能够应对不同形状和尺寸的工件，并在不同的角度进行焊接。
最后，在机器人的结构设计中，还需要考虑到其安全性和可维护性。机器人的结构应该符合相关的安全标准，避免事故的发生，并且易于进行维护和保养。
综上所述，基于视觉的汽车车身焊接机器人结构设计需要充分考虑到运动学特性、焊接能力和灵活性、安全性和可维护性等方面。只有在整个结构设计中，这些因素得到了合理的平衡，才能确保机器人具备高效、精准、安全的焊接能力。
关键词 焊接；车身；视觉；系统
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 研究意义
1.1.2 国内外研究现状分析
1.1.2.1 国外研究现状...............................................................................
1.1.2.2 国内研究现状.................................................................................
1.2 焊接机器人的发展前景..............................................................................
1.3 焊接机器人的应用领域..............................................................................
1.4 本文主要采用的研究方法..........................................................................
1.5 本次设计主要研究内容..............................................................................
第2章 焊接机器人的总体设计方案
2.1 设计方法和设计原则
2.1.1 总体设计方法.......................................................................................
2.1.2 总体结构设计.......................................................................................
2.2 坐标型方案选择
2.3 驱动方案选择
2.4 传动方案选择
2.5 本文方案设计
2.5.1机械臂设计
2.5.2 控制系统的设计
2.5.3 视觉系统的设计....................................................................................
2.5.4 末端执行装置的设计
2.6 本章小结
第3章 焊接机器人的结构设计
3.1 基础设计参数
3.1.1 工作空间................................................................................................
3.1.2 基础参数...............................................................................................
3.2 主要结构尺寸
3.3 电机选型计算
3.4 大臂设计
3.4.1 按齿面接触疲劳强度设计
3.4.2 确定传动尺寸
3.4.3 各受热面烟道中烟气特性计算
3.4.4 焓温表
3.4.5 锅炉热平衡及燃料消耗量计算
3.5 小臂的设计
3.5.1 按齿面接触疲劳强度设计
3.5.2 确定传动尺寸
3.5.3 按齿根弯曲疲劳强度校核
3.6 手腕齿轮连接轴的设计
3.6.1 按齿根弯曲疲劳强度校核
3.7 腕部中心轴的设计
3.7.1 腕部中心轴的强度校核
3.8 热力计算汇总校核
3.8.1 末端执行器的设计流程.......................................................................
3.8.2 常见的机械焊接机械臂末端执行器的结构.......................................
3.8.3 焊接机械手末端装置的设计...............................................................
3.9 本章小结
第4章 机械臂臂的路径规划和视觉处理算法
4.1 机械臂的路径规划
4.2 路径规划的算法
4.2.1 全局路径规划
4.2.2 局部路径规划
4.3 机器视觉算法的设计
4.4 本章小结
第5章 焊接机器人的视觉控制系统设计
5.1 控制系统的
第1章绪论
1.1课题背景
焊接作为现代制造业的基础生产工艺之一，在制造业中占据及其重要的位置[1]。由于焊接作业的特殊性，导致从事焊接生产的技术工人数量急剧减少，同时，随着我国人口老龄化趋势的加剧，劳动力成本的增加等。在这样的背景下，工业机器人的发展对提高工作效率、降低生产成本具有重要的意义，尤其在一些比较危险的场合，使用机器人代替人工进行作业，更能体现出发展工业机器人的作用[2]。目前工业机器人主要集中在汽车电子工业、航空航天领域、金属机械加工等领域，尤其是汽车行业的发展，近几年新能源汽车的发展，积大的促进了汽车产业链的发展，同时推动者汽车工业自动化生产线的发展。然而85%以上的工业机器人都来源于日本、美国和西欧国家。因此，进一步加强对工业机器人的研究十分必要，对于国内工业机器人市场带来极大的经济利益[3]。
1.1.1研究意义
焊接机器人就是在自动焊接生产领域从事焊接任务的工业机器人,绝大多数的焊接机器人的结构是在通用的工业机器人的基础上装上某种焊接工具而构成的,视具体焊接方式不同可对个别焊接机器人进行专门设计。焊接机器人发展历史悠久,从上世纪年代工业机器人开始实用化以来,焊接机器人就立刻被投入到点焊和电弧焊领域中并得到了持续的应用。据统计,全世界使用中的焊接机器人数量大约占工业机器人总数量的一半,焊接机器人的研究历程和应用领域几乎等同于工业机器人[4][5]。焊接机器人的发展历史可以说是代表着工业机器人的发展历史。焊接机器人是工业机器人的典型应用形式之一,主要应用于电焊和电弧焊生产线上。经历了半个多世纪的应用和不断完善,国内外学者对焊接机器人的研究仍然在向前发展,并取得了许多成果。目前学术界正在不断完善机器人共性技术的研究,主要是针对机器人操作机结构、控制系统、传感技术、网络通信技术、遥控和监视技术、虚拟机器人技术、多智能体调控技术等等的研究[6][7]。未来焊接机器人正在向智能化方向、多传感器信息融合方向、模糊控制方向、群体协调和集成控制的方向发展。焊接机器人广泛应用于汽车及其零部件制造、工程机械和机车车辆等领域,近些年随着焊接机器人技术的不断发展,开始逐渐应用于石油石化、船舶制造、冶金建设和压力容器制造等领域。其中对管道相贯线全位置焊接机器人研究的力度比较大,其关键技术研究主要包括机械机构研究、自动跟踪技术研究和计算机程控技术研究。最初焊接机器人主要应用于汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里,而且多数主要应用于汽车及其零部件制造行业中,在摩托车行业和工程机械行业中只占少数,其他像电器、自行车、机车、航空航天等行业也有一些。焊接机器人一开始应用于汽车装配生产线上的电阻点焊,后来随着焊缝轨迹跟踪技术、控制技术和机器视觉技术在工业上的推广应用,又承担起了汽车零部件和装配过程中电弧焊的焊接任务[8]。点焊机器人主要用于汽车及其零部件生产,但是在其他行业中用得却极少[9]。弧焊机器人的分布比点焊机器人要广泛,
但主要仍集中于汽车及其零部件生产线中,其余则分布于摩托车及工程机械制造行业中。随着机器人共性技术研究的不断深化,焊接机器人才开始应用于造船、锅炉、重型机械等焊接领域中。这些焊接任务中最常见的就是管道插接空间相贯线焊接,与传统的常规平面焊接任务不同,对焊接机器人技术提出了新的要求[10][11]。
目前使用的机器人中，焊接机器人约占总量的一半。国外对机器人技术的垄断，严重制约着我国技术的发展，要打破垄断，必须自主研制出适合自身发展的机器人，提升自身的科技水平。机器人的本体结构作为焊接机器人的基础，其加工制造精度，装配精度等对机器人工作范围、工作稳定性等方面有直接影响[12][13]。
机器人燥接可以使焊接过程更加稳定，提高焊缝成型质量，改善劳动条件，适应恶劣环境，提高生产效率，明确产品周期，有效控制产量，缩短产品更新换代周期，减小设备投资等，从而满足现代化生产的需要[14][15]。
1.1.2国内外研究现状分析
1.1.2.1国外研究现状
伴随着焊接技术的发展，提高产品的焊接质量、提高产品的生产效率，才能提高企业的核心竞争力。但是大部分的工业机器人自动化水平比较低，只能完成某一项单独重复的工作，工作比较单一，不具备更广的适用性，例如下图1.1所示。不仅降低了作业效率、增加了劳动力的消耗，而且增加了生产成本。这其中最大的问题就是其焊接机器人本身只具有被动
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