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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*机器人焊接技术-国防科学技术奖1机器人焊接技术主讲人:刘立君主讲人:刘立君哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学 材料成型系材料成型系二四年九月二四年九月课程内容内容: 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月机器人焊接技术-国防科学技术奖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
2、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。机器人焊接技术-国防科学技术奖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
3、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。机器人焊接技术-国防科学技术奖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
4、焊接自动化; 可作为数字化制造的一个环节。机器人焊接的特点机器人焊接技术-国防科学技术奖5第一章 机器人工作原理第一节 机器人基本知识第二节 机器人工作原理机器人焊接技术-国防科学技术奖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 工业机器人常用术语机器人焊接技术-国防科学技术奖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
5、隶)。 英语:Robot 德语:Robot 日语: 俄语: 汉字:机器人 Karel Capek(18901938)机器人焊接技术-国防科学技术奖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 performs 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 Rob
6、ot Institute of America,1979) : “A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed 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
7、和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。机器人焊接技术-国防科学技术奖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 机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖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757,0
8、00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以上的速度增长。机器人焊接技术-国防科学技术奖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AB
9、B韩国:HYUNDAI沈阳新松FANUC机器人焊接技术-国防科学技术奖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。机器人焊接技术-国防科学技术奖13三、机器人的分类按照基本结构划分: 直角坐标型,也称“机床型” 圆柱坐标型 球坐标型 全关节型机器人焊接技术-国防科学技术奖14三、机器人的分类按照受控运动方式划分: 点位控
10、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),应用最多机器人焊接技术-国防科学技术奖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、军用机器人等机器人焊接技术-国防科学技术奖16三、机器人的分类华宇I型弧焊机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖17三、机器人的分类弧焊机器人 点焊机器人
11、机器人焊接技术-国防科学技术奖18三、机器人的分类伐根机器人 摘果机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖19三、机器人的分类擦玻璃机器人 无人潜水器机器人焊接技术-国防科学技术奖20三、机器人的分类排爆机器人 外科手术机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖21三、机器人的分类双足仿人机器人 球机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖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
12、。末端操作器(End Effector),位于机器人腕部末端,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机器人焊接技术-国防科学技术奖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机器人焊接技术-国防科学技术奖24第二章 机器人运动学分析第一节 位
13、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 连杆坐标变换及运动学方程第五节 运动学逆问题的相关问题机器人焊接技术-国防科学技术奖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。机器人焊接技术-国防科学技术奖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
14、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。称为位置矢量机器人焊接技术-国防科学技术奖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。机器人焊接技术-国防科学技术奖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
15、刚体的姿态(方位)机器人焊接技术-国防科学技术奖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。机器人焊接技术-国防科学技术奖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
16、表示为:称为坐标平移方程机器人焊接技术-国防科学技术奖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,机器人焊接技术-国防科学技术奖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:机器人焊接技术-国防科学技术奖33第二节 坐标变换称为齐次变换矩阵机器人焊接技术-国防科学技术奖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,机器人焊接技术-国防科学技术奖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。关节1关节2关节3关节4关节5关节6连杆0连杆1连杆2连杆3连杆4连杆5连杆6 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