机器人焊接技术 (1)

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1、机器人焊接技术,1,课程内容,内容： 机器人基本知识 工业机器人工作原理 弧焊机器人离线编程及标定技术 机器人焊接系统的组成及特点 主要参考教材： 林尚扬等,焊接机器人及其应用 机械工业出版社, 2000年7月 吴林等，智能化焊接技术国防工业出版社，2000年8月 陈善本等,焊接过程现代控制技术 哈工大出版社, 2001年5月,2,机器人焊接的特点,早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了“王麻子菜刀”、“张小泉剪刀”、“张氏陀螺”。 手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门

2、人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质量及效率。 20世纪70年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。,3,机器人焊接的特点,根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为： “刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。 “柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊

3、接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。,4,采用机器人焊接，具有如下优点： 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性； 提高生产率，一天可24小时连续生产，机器人不会疲倦； 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作； 降低对工人操作技术难度的要求； 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 可实现小批量产品焊接自动化； 可作为数字化制造的一个环节。,机器人焊接的特点,5,第一章 机器人工作原理,第一节 机器人基本知识 第二节 机器人工作原理,6,第一节 机器人基本知识,一 机器人的概念 二 机器人的发展及现状 三 机器人的分类 四 工业机器人常用

4、术语,7,一、机器人的概念,“Robot”的来源1920年，捷克作家Karel Capek的科幻剧Rossums Universal Robots（罗萨姆的万能机器人），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），含义为：forced worker （奴隶）。英语：Robot德语：Robot日语：俄语：汉字：机器人,Karel Capek （18901938）,8,一、机器人的概念,机器人的定义：国际上对机器人的定义很多 The Webster dictionary (Webster, 1993) : “An automatic device that pe

5、rforms functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器 美国机器人学会（The Robot Institute of America，1979) : “A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed

6、motions for the performance of a variety of tasks.” 一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。 ISO，1987： 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。,9,二、工业机器人的发展及现状,1954年，美国人G.Devol 和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人 1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利 1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父” 日本从

7、上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。,Unimates 机器人,10,二、工业机器人的发展及现状,2000年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为757,000台，其中日本，402,200台美国， 92,900台德国， 81,200台新加坡，5,300台台湾， 6,400台 这些机器人中45为焊接机器人（点焊、弧焊） 我国大陆地区工业机器人用户700多家，拥有工业机器人约3500台，其中焊接机器人约1000台，与国外的差距是明显的。 值得欣喜的是，我国机器人应用发展较快，1996年我国焊接机器人仅为500台，目前以每年30以上的速度

8、增长。,11,二、工业机器人的发展及现状,主要机器人厂家 日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等 美国：Adept等 欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB 韩国：HYUNDAI 沈阳新松,FANUC,12,三、机器人的分类,机器人分类方法很多 按照技术水平划分： 第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。 第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。 第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。,13,三、机器人的分类,按

9、照基本结构划分： 直角坐标型， 也称“机床型” 圆柱坐标型 球坐标型 全关节型,14,三、机器人的分类,按照受控运动方式划分： 点位控制（PTP）型，Point to Point, 如点焊、搬运机器人 连续轨迹控制（CP）型，Continous Path，如弧焊、喷漆机器人按驱动方式划分： 气压驱动（压缩空气） 液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人） 电驱动（电动机），应用最多,15,三、机器人的分类,按照应用领域划分： 工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。 特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等,16,三、机器人的分类,

10、华宇I型弧焊机器人,17,三、机器人的分类,弧焊机器人 点焊机器人,18,三、机器人的分类,伐根机器人 摘果机器人,19,三、机器人的分类,擦玻璃机器人 无人潜水器,20,三、机器人的分类,排爆机器人 外科手术机器人,21,三、机器人的分类,双足仿人机器人 球机器人,22,三、工业机器人常用术语,自由度（degree of freedom， DOF ）,物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度，对于自由刚体，具有6个自由度。通常作为机器人的技术指标，反映机器人灵活性，对于焊接机器人一般具有56个自由度 位姿（Pose），指工具的位置和姿态。 末端操作器（End Effector）， 位于机

11、器人腕部末端，直接执行工作要求的装置，如夹持器、焊枪、焊钳等 额定负载（Payload），也称为持重 弧焊机器人：520kg 点焊机器人：50200kg,23,三、工业机器人常用术语,工作空间（Working Space），机器人工作时，其腕轴交点能在空间活动的范围。 重复位姿精度（Pose Repeatability），在同一条件下，重复N次所测得的位姿一致程度。 轨迹重复精度（Path Repeatability），沿同一轨迹跟随N次，所测得的轨迹之间的一致程度,24,第二章 机器人运动学分析,第一节 位置和姿态的表示 第二节 坐标变换 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 第四节 连杆坐标

12、变换及运动学方程 第五节 运动学逆问题的相关问题,25,机器人运动学的研究内容,一般可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。,机器人运动学包括两方面问题： 运动学正问题：已知各关节角值，求工具在空间的位置和姿态。实际上，这是建立运动学方程的过程。 运动学逆问题：已知工具的位姿，求各关节角值，这是求解运动学方程的问题。,26,第一节 位置和方位的表示,为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们看作刚体。刚体的位置和姿态描述在直角坐标系A中，任意一点P的位置可以用31列向量表示。称为位置矢量,

13、27,第一节 位置和方位的表示,为了确定刚体B的姿态（也称方位），设一个坐标系B与该刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量xB， yB，zB相对于参考坐标系A的方向余弦组成的33矩阵表示刚体B相对于坐标系A的姿态。称为旋转矩阵，也可表示成：旋转矩阵是正交的。,28,第一节 位置和方位的表示,按照上述定义，绕 x 轴旋转了 角的旋转矩阵，为,同样也可以写出R（y，），R（z，）,总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态（方位）,29,第一节 位置和方位的表示,为了完全描述刚体B在空间的位置和姿态，通常将刚体B与某一坐标系相固接，通常记为B，B的原点一般选在刚体B的特征点上，如质心或对

14、称中心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。 则相对于参考坐标系A，用位置矢量ApB0和旋转矩阵 分别描述B原点位置及坐标系的方位，即刚体B的位置和姿态可由坐标系B来描述：,当表示位置时，旋转矩阵为单位阵； 当表示姿态时，位置矢量等于零。,30,第二节 坐标变换,1、坐标平移 坐标系B与A具有相同的方位，但B的原点与A的原点不重合，则空间任意点P在A中的描述可以表示为：,称为坐标平移方程,31,第二节 坐标变换,2、坐标旋转 坐标系B与A原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点P在A中的描述可以表示为：,称为坐标旋转方程,3、一般变换 坐标系B与A既不共原点，方位亦不同，此时，,

15、32,第二节 坐标变换,4、齐次坐标变换 用41列向量表示三维空间坐标系中的点：,称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。引入齐次坐标后，一般变换变为：,33,第二节 坐标变换,称为齐次变换矩阵,34,第二节 坐标变换,举例：如果,xB与yA同向；yB与zA同向；zB与xA同向。,则，,35,第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系,对于一个6自由度机器人，有6个连杆和6个关节组成。编号时，机座称为连杆0，不包含在这6个连杆内，连杆1与机座由关节1相连，连杆2通过关节2与连杆1相连，依此类推。,如前所述，可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用

16、一个关节连接在一起。,36,第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系,1、连杆参数 （1）连杆长度ai-1 连杆两端轴线间的距离,（2）连杆扭角 连杆两端轴线间的夹角，方向为从 i-1轴到 i 轴,37,第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系,2、连杆连接参数 （1）连杆之间的距离di ai , ai-1 之间的距离,（2）关节角 ai , ai-1 之间的夹角，方向为从 ai-1 到 ai,38,第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系,以上定义为一般情况，对运动链的两端，有一些习惯约定：,如果关节1为转动关节，则1是可变的，习惯上约定d1=0如果关节1为移动关节，则d1是可变的，习惯上约定1 =0这些约定同样适用于关节n,